USB2.0的EMI和ESD設計

   提供雙向、實時數據傳輸的USB接口，以其即插即用、可熱插拔和價格低廉等優點，目前已成為計算機和信息電子產品連接外圍設備的優選接口。時下流行的USB2.0具有高達480Mbps的傳輸速率，并與傳輸速率為12Mbps的全速USB1.1和傳輸速率為1.5Mbps的低速USB1.0完全兼容。這使得數字圖像器、掃描儀、視頻會議攝像機等消費類產品可以與計算機進行高速、高性能的數據傳輸。另外值得一提的是，USB2.0的加強版USB OTG可以實現沒有主機時設備與設備之間的數據傳輸。例如。數碼相機可以直接與打印機連接并打印照片，PDA可以與其它品牌的PDA進行數據傳輸或文件交換。

USB接口的傳輸速率很高，因此如何提高USB信號的傳輸質量、減小電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)成為USB設計的關鍵。本文以USB2.0為例，從電路設計和PCB設計兩個方面對此進行分析。

當USB2.0接口采用高速差動信號傳輸方式時，由于接地層與電源層的信號搖擺，放射噪聲會有所增加。因此，為避免串擾并保證信號的完整性，消除將要混入高速信號中的共模噪聲是電磁兼容設計的必要對策。在圖1所示的電路中，數據電源線和地線上分別串聯一個阻抗為120歐姆、額定電流為2A的磁珠，而差分線對上則串聯一個共模阻抗為90歐姆的共模扼流器。共模抗流器由兩根導線同方向繞在磁芯材料上，當共模電流通過時，共模抗流器會因磁通量疊加而產生高阻抗；當差模電流通過時，共模抗流器因磁通量互相抵消而產生較小阻抗。該器件在100MHz的差模阻抗僅為4.6歐姆。從圖2所示的衰減特性也能看出共模扼流器對差分信號不會造成影響，主要是針對共模電流進行選擇性的衰減。

圖1：USB2.0的噪聲抑制電路圖。

圖2：SDCW2012-2-900的衰減頻譜。

由于USB接口具有可熱插拔性，USB接口很容易因不可避免的人為因素而導致靜電損壞器件，比如死機、燒板等。因此使用USB接口的用戶迫切要求加入防ESD的保護器件。在圖3電路中，數據電源線、地線上各有一個工作電壓為5.5V、電容為100pF的壓敏電阻連到屏蔽地上。差分線對因數據傳送速度高達480Mbps，則需要連接電容小于4pF的器件，因為較大的電容可導致數據信號波形惡化，甚至出現位錯誤。因此在差分線對上接入工作電壓為18V、電容*大值為4pF的壓敏電阻器。圖4所示的電壓波形也驗證了電容為4pF的壓敏電阻器對波形的影響不大。

圖3：USB2.0的ESD防護電路圖。

圖4：不同電容值的壓敏電阻對波形的影響。

對于USB2.0的PCB布線，需要考慮以下原則：1.差分線對要保持線長匹配，否則會導致時序偏移、降低信號質量以及增加EMI；2.差分線對之間的間距要保持小于10mm，并增大它們與其它信號走線的間距；3.差分走線要求在同一板層上，因為不同層之間的阻抗、過孔等差別會降低差模傳輸的效果而引入共模噪聲；4.差分信號線之間的耦合會影響信號線的外在阻抗，必須采用終端電阻實現對差分傳輸線的*佳匹配；5.盡量減少過孔等會引起線路不連續的因素；6.避免導致阻值不連續性的90度走線，可用圓弧或45度折線來代替；7.壓敏電阻器的接地端要接入屏蔽地層，并放置在端口位置。