USB接口EMC注意事項(xiàng)及電路設(shè)計(jì)

文章主要包含以下六個(gè)部分：概述、協(xié)議、電路設(shè)計(jì)、PCB?Layout、USB問題問答（設(shè)備插入與識(shí)別）、USB接口 EMC注意事項(xiàng)(接地設(shè)計(jì)、連接器設(shè)計(jì)、線纜設(shè)計(jì)、電纜設(shè)計(jì)、走線設(shè)計(jì)、USB OTG）。

概述

協(xié)議

電路設(shè)計(jì)

PCB layout

USB問題問答

一、問：當(dāng)一個(gè)USB設(shè)備插入PC機(jī)，PC機(jī)怎么知道有設(shè)備插入?

答：如圖1-1和圖1-2所示，USB接口只有4條線: VCC（5V）,GND,D-,D+。PC機(jī)的USB插孔的D-和D+數(shù)據(jù)線均連接15K歐姆的下拉電阻。而USB設(shè)備端的D-或D+數(shù)據(jù)線連接1.5K歐姆的上拉電阻。當(dāng)設(shè)備插入PC機(jī)的時(shí)候，會(huì)將PC機(jī)的D-或D+端的電壓拉高，當(dāng)PC機(jī)在D-或D+端檢測(cè)到高電平時(shí)，就知道有設(shè)備插入了。
如果是PC機(jī)D-端被拉高，接入的則是USB低速設(shè)備；
如果是PC機(jī)D+端被拉高，接入的則是USB全速或高速設(shè)備，具體是全速設(shè)備還是高速設(shè)備，會(huì)由PC機(jī)和USB設(shè)備發(fā)包握手確定。

圖1-1 USB低速設(shè)備硬件接線圖

圖1-2 USB全速（高速）設(shè)備硬件接線圖

二、問：當(dāng)USB設(shè)備插入后，PC機(jī)會(huì)提醒我們“某某設(shè)備接入”，PC機(jī)怎么知道我們插入的設(shè)備的信息的呢？

  答：如圖2-1所示，當(dāng)PC機(jī)檢測(cè)到有USB設(shè)備插入后，會(huì)主動(dòng)向設(shè)備發(fā)送命令包，要求設(shè)備告訴PC機(jī)，設(shè)備信息。這時(shí)設(shè)備必須向PC機(jī)回復(fù)自己的信息（以描述符形式）。明確一點(diǎn)：USB設(shè)備不會(huì)主動(dòng)給PC機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)，只能被動(dòng)的等待PC機(jī)來拿。

圖2-1 USB設(shè)備獲取設(shè)備信息過程

三、問：PC機(jī)上接有非常多的USB設(shè)備，怎么分辨它們？

答：每一個(gè)USB設(shè)備接入PC時(shí)，USB總線驅(qū)動(dòng)程序都會(huì)給它分配一個(gè)編號(hào)，接在USB總線上的每一個(gè)USB設(shè)備都有自己的編號(hào)(地址)。PC機(jī)想訪問某個(gè)USB設(shè)備時(shí)，發(fā)出的命令都含有對(duì)應(yīng)的編號(hào)(地址)。

四、問：USB設(shè)備剛接入PC時(shí)，還沒有編號(hào)，那么PC怎么把"分配的編號(hào)"告訴它？

答：新接入的USB設(shè)備的默認(rèn)編號(hào)是0，在未分配新編號(hào)前，PC使用0編號(hào)和它通信。

USB接口EMC注意事項(xiàng)

一、接地設(shè)計(jì)

如果設(shè)備為金屬外殼，同時(shí)單板可以獨(dú)立的劃分出接口地，那么金屬外殼與接口地直接電氣連接，且單板地與接口地通過 1000pF 電容相連；
如果設(shè)備為非金屬外殼，那么接口地 PGND與單板地 GND 直接電氣連接。

二、連接器設(shè)計(jì)

1、USB AF連接器 USB信號(hào)排序設(shè)計(jì)9

2、連接器 USB與機(jī)體的搭接方式：
（ 1）面板開孔時(shí)采用精密的銑削加工技術(shù)，使孔眼的形狀更適合連接器的放置，避免孔眼切削不精確的地方出現(xiàn)縫隙，進(jìn)而降低電磁干擾輻射；經(jīng)過測(cè)試證明，精確的銑削開孔加工可以提高 12~18%的電磁兼容性；
（ 2）機(jī)體與 USB 金屬連接器之間的接合處要增加金屬彈片，使兩者接合時(shí)能夠保持良好的導(dǎo)電性能。具體搭接方式如上圖所示。

三、線纜設(shè)計(jì)

1、線纜設(shè)計(jì)要求：
USB2.0 AF連接器普通型
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2、屏蔽層與金屬連接器的搭接：
（ 1）屏蔽電纜的屏蔽層要求與金屬連接器進(jìn)行 360°的搭接；搭接方式如上圖：
（ 2）屏蔽電纜屏蔽層要避免出現(xiàn)單獨(dú)的“尾巴”現(xiàn)象。

四、電纜設(shè)計(jì)

（ 1） USB-2.0信號(hào)電纜采用網(wǎng)狀編織屏蔽層的屏蔽方式，且網(wǎng)狀編織層編織密度要求不小于 90%；差分線組采用鋁箔屏蔽；
（ 2）內(nèi)部組線時(shí)，差分電纜采用雙絞傳輸，雙絞絞距一般為最小絞距的 2 倍，（最小絞距 = D為電纜的外徑）；組線方式如上圖所示：
（ 3）電纜兩端需要增加磁環(huán)處理，磁環(huán)內(nèi)徑與電纜的外徑要緊密結(jié)合，盡量選擇厚長(zhǎng)型的磁環(huán)。

圖 4 USB-2.0信號(hào)電纜

五、走線設(shè)計(jì)

（ 1） USB-2.0信號(hào)電纜走線時(shí)要求遠(yuǎn)離其他強(qiáng)干擾源，如電源模塊；
（ 2）電纜走線最好單獨(dú)走線或與其他模擬以及功率線纜保持 10cm 以上距離，切不可與其他線纜一起混合捆扎。
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六、USB OTG

USB OTG即USB On-The-Go的縮寫，他目的是實(shí)現(xiàn)在沒有Host的情況下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送。例如數(shù)碼相機(jī)直接連接到打印機(jī)上，通過OTG技術(shù)，連接兩臺(tái)設(shè)備間的USB口，將拍出的相片立即打印出來；手機(jī)讀寫U盤。

6.1 OTG 檢測(cè)的原理

USB OTG標(biāo)準(zhǔn)在完全兼容USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增添了電源管理（節(jié)省功耗）功能，它允許設(shè)備既可作為主機(jī)，也可作為外設(shè)操作（兩用OTG）。USB OTG技術(shù)可實(shí)現(xiàn)沒有主機(jī)時(shí)設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。
USB OTG接口中有5條線：
2條用來傳送數(shù)據(jù)（D+ 、D-）;
1條是電源線(VBUS);
1條則是接地線(GND)；
1條是ID線。ID線—以用于識(shí)別不同的電纜端點(diǎn)，mini-A插頭(即A外設(shè))中的ID引腳接地，mini-B插頭（即B外設(shè)）中的ID引腳浮空。當(dāng)OTG設(shè)備檢測(cè)到接地的ID引腳時(shí)，表示默認(rèn)的是A設(shè)備（主機(jī)），而檢測(cè)到ID引腳浮空的設(shè)備則認(rèn)為是B設(shè)備（外設(shè)）。

舉個(gè)例子：
當(dāng)我們手機(jī)使用OTG線接U盤時(shí)，一般手機(jī)OTG線，手機(jī)端是mini頭，里面的ID被接到了GND，另一端是正常USB的母座，只有4pin，沒有ID腳，相當(dāng)于懸空。手機(jī)就是設(shè)備A，因?yàn)镮D腳被連到了GND，所以手機(jī)端的USB OTG控制器讀取到ID的狀態(tài)為低，因此手機(jī)就作為主設(shè)備。而U盤端ID懸空，故被當(dāng)做從設(shè)備B。

總結(jié)：
當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到USB_ID信號(hào)為低時(shí)，該設(shè)備應(yīng)作為Host（主機(jī)，也稱A設(shè)備）用。
當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到USB_ID信號(hào)為高時(shí)，該設(shè)備作為Slave(外設(shè)，也稱B設(shè)備）用。
實(shí)際的USB連接線中，是沒有USB_ID這根線的。都是在接口部分直接拉死的。
對(duì)于Host端，只需將連接線的USB_ID pin和地短接即可，
對(duì)于Slave端，USB連接線的USB_ID pin是懸空的。（設(shè)備內(nèi)部上拉）。

OTG有兩種設(shè)備類型:兩用OTG設(shè)備(Dualrole device)和外設(shè)式OTG設(shè)備(Peripheralonly OTG device) 。
兩用OTG設(shè)備要提供有限的主機(jī)能力和一個(gè)MiniAB插座、支持主機(jī)流通協(xié)議(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外設(shè)式OTG設(shè)備一樣支持事務(wù)請(qǐng)求協(xié)議(Session Request Protocol, SRP)。當(dāng)作為主機(jī)工作時(shí),兩用OTG設(shè)備可在總線上提供8mA的電流,而以往標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)則需要提供100～500 mA的電流。

6.2 OTG功能的構(gòu)建

下圖所示電路給出了構(gòu)建OTG功能時(shí)需要在基礎(chǔ)USB外設(shè)上添加的電路，電路中的通用串行總線控制器可以是一個(gè)微處理器和USB SIE（串口引擎），也可以是集成的μP/USB芯片或與USB收發(fā)器相連的ASIC。
為總線提供電源的外部設(shè)備需要一路3.3V穩(wěn)壓輸出供電電壓，以便為邏輯電路和連接在D+、D-引腳的1500Ω電阻提供電源。
通過D+、D-引腳上的上拉電阻可向主機(jī)發(fā)出設(shè)備已連接的信號(hào)，并指示設(shè)備的工作速度。
電阻上拉至D+表示全速運(yùn)行，電阻上拉至D-表示低速運(yùn)行。
其它端點(diǎn)（包括D+和D-的15kΩ下拉電阻）用于檢測(cè)上拉電阻的狀態(tài)。
由于USB設(shè)計(jì)需要提供熱插拔功能。因此，其ESD 保護(hù)電路主要用于為D+、D-和VBUS引腳提供保護(hù)。
為了增加OTG的兩用功能，必須擴(kuò)充收發(fā)器功能來使OTG設(shè)備既可作為主機(jī)使用，也可以作為外設(shè)使用。而要實(shí)現(xiàn)上述功能，就需要在下圖所示電路中添加D+和D-端的15kΩ下拉電阻并為VBUS提供供電電源。此外，收發(fā)器還需要具備以下三個(gè)條件：
（1）可切換D+/D-線上的上拉和下拉電阻，以提供外設(shè)和主機(jī)功能。
（2）作為A設(shè)備時(shí)，需要具有VBUS監(jiān)視和供電電路；作為B設(shè)備初始化SRP時(shí)，需要監(jiān)視和觸發(fā)VBUS。
（3）具有ID輸入引腳。

作為兩用OTG設(shè)備，ASIC、DSP或其它與收發(fā)器連接的電路必須具備充當(dāng)外設(shè)和主機(jī)的功能，并應(yīng)按照HNP協(xié)議轉(zhuǎn)換其角色。
收發(fā)器所需添加的大多數(shù)電路用于VBUS引腳的管理。作為主機(jī)，它必須能夠提供5V、輸出電流可達(dá)8mA的電源。圖中的模擬開關(guān)用于配置收發(fā)器的各種功能。
ASIC和控制器還必須包含USB主機(jī)邏輯控制功能，包括發(fā)送SOF（幀啟動(dòng)）包、發(fā)送配置u36755輸入u36755輸出數(shù)據(jù)包，在USB 1ms幀內(nèi)確定傳輸進(jìn)程、發(fā)送USB復(fù)位信號(hào)、提供USB電源管理等。

6.3 Maxim USB OTG 設(shè)計(jì)方案

MAX3301E是Maxim公司研制的一款USB OTG收發(fā)器，該器件集成有電荷泵，可將PDA、蜂窩電話和數(shù)碼相機(jī)等移動(dòng)設(shè)備與USB外設(shè)直接連接而無需PC機(jī)的參與。
采用MAX3301E和一個(gè)嵌入式USB主機(jī)，就可直接將諸如打印機(jī)或外部硬盤驅(qū)動(dòng)器這樣的外設(shè)連接。
MAX3301E內(nèi)部包括USB OTG收發(fā)器、UBUS電荷泵、線性穩(wěn)壓器和I2C 2線串行接口。
內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器使MAX3301E能夠與采用+1.65至+3.6V邏輯電源電壓的器件連接。
MAX3301E中的電荷泵工作在+3V至+4.5V輸入電源下，可產(chǎn)生符合OTG要求的VBUS輸出，且輸出電流大于8mA。該器件可利用內(nèi)部比較器控制并測(cè)量VBUS，同時(shí)支持USB OTG SRP和HNP，其典型應(yīng)用電路下圖所示。