硬件設計之二——信號設計02：USB設計
USB是比較通用的，這裏就寫USB2.0和3.0的通用設計規則，以及幾個實際中的注意事項。
一. USB2.0
以下爲USB電路設計；
1）U28是過流保護器件，USB協議中規定USB端口供電5V，電流500mA，超過該值要能實現關斷輸出，另外在負載短路時也能實現關斷，所以使用該器件，該器件叫做負載開關芯片。
2）L11是共模電感，共模電流會導致EMC測試中的輻射測試超標，差分信號不平衡將會導致該情況發生，所以增加共模電感，來減小/阻礙共模電流。實際產品設計中，這個共模電感可以和兩顆0402的電阻做共-lay，然後根據實際測試的數據決定電感要不要上件。如果貼電阻的情況下，EMC的表現也很好，那麼就不貼共模電感，只貼電阻就可以了，畢竟一個共模電感可以買好多個電阻了，成本差異很明顯。
3）U29是靜電防護器件，因爲USB端口我們會使用手插入USB設備，可能導致電源、數據線上有靜電放電，用該器件來保護CPU端口。一般這個靜電防護器件要注意結電容，結電容和信號速率相關。USB信號上通常用的ESD器件的結電容在幾pF左右。同時，在PCB上，這個ESD器件不要有分叉走線，最好把ESD器件的焊盤直接放在USB信號線上。
4）Vbus上的電容，這是因爲USB設備插入時瞬間電流較大，則可能導致Vbus電壓下降，此時需要滿足標準規定，所以增加電容來穩定電壓。
5）FB13是信號地和外殼屏蔽地之間的隔離磁珠，磁珠是耗能原件，來消耗掉不需要的干擾高頻信號，直流下基本上沒作用。
6）J19是USB端子，可能是電腦那種的USB母頭，也可能是手機上的Micro USB接口。
7）在USB靠近端子側放置電阻是靜電防護作用，因爲有時候靜電防護器件還沒起作用，就要靠這個電阻起作用了。
二. USB3.0
USB3.0相比2.0在硬件物理連接上有較大的改變，採用的是RX/TX全雙工鏈路設計，由2對差分信號組成，同時向下兼容USB2.0，所以整個接口有3對差分信號，分別爲USB3_RXM/USB3_RXP，USB3_TXM/USB3_TXP，USB2_DM/USB2_DP，USB3.0的傳輸速率可達到5Gbps，相比USB2.0 480Mbps有比較大的提供。
- 硬件原理設計
如下圖，爲USB3.0的Data數據連接原理圖，從電路上可以看是USB2.0爲半雙工，數據收發在一對差分信號上傳輸。USB3.0爲全雙工，收發信號爲獨立的傳輸路徑；其次，由於Sink端的直流偏置電壓和source端的直流偏置電壓不一樣，故要需要串入AC耦合電容，電容一般取100nF，一般靠近驅動端放置，電容在設計上要求ESR ESL（特別重要）儘量小。
USB 3.0的Host的RX連接到Device Tx，Host的Tx連接到Device的 Rx，類似於我們常用的UART接口的連接。
- PCB Layout設計
硬件連接上相對比較簡單，最終需要PCB Layout設計來保證信號的完整性，接下來從PCB層疊結構、阻抗控制、走線要求等細節上說明USB3.0的設計的注意事項
1. PCB層疊結構要求
以下是4層板的層疊結構圖，可通過Si9000計算出差分對所約束的線寬線距。
對於PCB阻抗線的定義，受那些物理參數影響，請自行查閱相關
2. USB差分阻抗控制要求
參考USB PHY手冊，基於上圖的層疊結構，計算出差分信號所要求的線寬線距，本文爲ASM1153 爲例進行闡述：
ASM1153爲USB 3.0轉Sata接口的橋芯片，要求USB 3.0的差分阻抗爲85歐，USB2.0爲90歐，差分對等長公差在
+/-5mil。
3. PCB走線要求
5Gbps的速率需要以高速線的設計規則來嚴格把關走線，充分考慮PCB的設計細節
3.1 PCB出線要求儘可能平等出差，具體走線參考下圖：
3.2 走線換層需要在信號過孔旁邊增加地過孔，用於信號的迴流（高速通用規則）
3.3 USB信號測試點的放置建議如下圖，“一”字形放置在路徑上，非Y字形或T字形放置，並且測試焊盤如果走線不連續的較大焊盤，請將相鄰層的GND層垂直於測試焊盤掏空，避免出現影響信號的寄生電容或等效電容。測試點的焊盤尺寸，應儘可能的小，如果必需要放置測試點的話，比照0402封裝的焊盤尺寸或直接將測試點放置在信號線的過孔上。
3.4 關於等長匹配蛇形線的走線方式，建議按下圖方式走線
3.5 USB3.0 的P/M如果走線上有交差，可以將差分對的P/M交換，USB3允許P/M反轉
三. 注意事項
USB2.0信號線換層次數。
一般是要求換層2次，即從SoC扇出換層一次，到Device端或者連接器端換層一次。十幾種換3~4次也沒有問題，但最好每次換層都伴隨GND過孔，每個信號線一個，空間受限的話也可以兩個信號先共用一個。
USB3.0信號
USB3.0速率更高，這方面的要求會更嚴格一點。在實際項目中，也可以參考2.0的信號處理。
如果是核心板和底板的方式，那麼用非高速的普通連接器問題也不大。