硬件设计之二——信号设计02：USB设计
USB是比较通用的，这里就写USB2.0和3.0的通用设计规则，以及几个实际中的注意事项。
一. USB2.0
以下为USB电路设计；
1）U28是过流保护器件，USB协议中规定USB端口供电5V，电流500mA，超过该值要能实现关断输出，另外在负载短路时也能实现关断，所以使用该器件，该器件叫做负载开关芯片。
2）L11是共模电感，共模电流会导致EMC测试中的辐射测试超标，差分信号不平衡将会导致该情况发生，所以增加共模电感，来减小/阻碍共模电流。实际产品设计中，这个共模电感可以和两颗0402的电阻做共-lay，然后根据实际测试的数据决定电感要不要上件。如果贴电阻的情况下，EMC的表现也很好，那么就不贴共模电感，只贴电阻就可以了，毕竟一个共模电感可以买好多个电阻了，成本差异很明显。
3）U29是静电防护器件，因为USB端口我们会使用手插入USB设备，可能导致电源、数据线上有静电放电，用该器件来保护CPU端口。一般这个静电防护器件要注意结电容，结电容和信号速率相关。USB信号上通常用的ESD器件的结电容在几pF左右。同时，在PCB上，这个ESD器件不要有分叉走线，最好把ESD器件的焊盘直接放在USB信号线上。
4）Vbus上的电容，这是因为USB设备插入时瞬间电流较大，则可能导致Vbus电压下降，此时需要满足标准规定，所以增加电容来稳定电压。
5）FB13是信号地和外壳屏蔽地之间的隔离磁珠，磁珠是耗能原件，来消耗掉不需要的干扰高频信号，直流下基本上没作用。
6）J19是USB端子，可能是电脑那种的USB母头，也可能是手机上的Micro USB接口。
7）在USB靠近端子侧放置电阻是静电防护作用，因为有时候静电防护器件还没起作用，就要靠这个电阻起作用了。
二. USB3.0
USB3.0相比2.0在硬件物理连接上有较大的改变，采用的是RX/TX全双工链路设计，由2对差分信号组成，同时向下兼容USB2.0，所以整个接口有3对差分信号，分别为USB3_RXM/USB3_RXP，USB3_TXM/USB3_TXP，USB2_DM/USB2_DP，USB3.0的传输速率可达到5Gbps，相比USB2.0 480Mbps有比较大的提供。
- 硬件原理设计
如下图，为USB3.0的Data数据连接原理图，从电路上可以看是USB2.0为半双工，数据收发在一对差分信号上传输。USB3.0为全双工，收发信号为独立的传输路径；其次，由于Sink端的直流偏置电压和source端的直流偏置电压不一样，故要需要串入AC耦合电容，电容一般取100nF，一般靠近驱动端放置，电容在设计上要求ESR ESL（特别重要）尽量小。
USB 3.0的Host的RX连接到Device Tx，Host的Tx连接到Device的 Rx，类似于我们常用的UART接口的连接。
- PCB Layout设计
硬件连接上相对比较简单，最终需要PCB Layout设计来保证信号的完整性，接下来从PCB层叠结构、阻抗控制、走线要求等细节上说明USB3.0的设计的注意事项
1. PCB层叠结构要求
以下是4层板的层叠结构图，可通过Si9000计算出差分对所约束的线宽线距。
对于PCB阻抗线的定义，受那些物理参数影响，请自行查阅相关
2. USB差分阻抗控制要求
参考USB PHY手册，基于上图的层叠结构，计算出差分信号所要求的线宽线距，本文为ASM1153 为例进行阐述：
ASM1153为USB 3.0转Sata接口的桥芯片，要求USB 3.0的差分阻抗为85欧，USB2.0为90欧，差分对等长公差在
+/-5mil。
3. PCB走线要求
5Gbps的速率需要以高速线的设计规则来严格把关走线，充分考虑PCB的设计细节
3.1 PCB出线要求尽可能平等出差，具体走线参考下图：
3.2 走线换层需要在信号过孔旁边增加地过孔，用于信号的回流（高速通用规则）
3.3 USB信号测试点的放置建议如下图，“一”字形放置在路径上，非Y字形或T字形放置，并且测试焊盘如果走线不连续的较大焊盘，请将相邻层的GND层垂直于测试焊盘掏空，避免出现影响信号的寄生电容或等效电容。测试点的焊盘尺寸，应尽可能的小，如果必需要放置测试点的话，比照0402封装的焊盘尺寸或直接将测试点放置在信号线的过孔上。
3.4 关于等长匹配蛇形线的走线方式，建议按下图方式走线
3.5 USB3.0 的P/M如果走线上有交差，可以将差分对的P/M交换，USB3允许P/M反转
三. 注意事项
USB2.0信号线换层次数。
一般是要求换层2次，即从SoC扇出换层一次，到Device端或者连接器端换层一次。十几种换3~4次也没有问题，但最好每次换层都伴随GND过孔，每个信号线一个，空间受限的话也可以两个信号先共用一个。
USB3.0信号
USB3.0速率更高，这方面的要求会更严格一点。在实际项目中，也可以参考2.0的信号处理。
如果是核心板和底板的方式，那么用非高速的普通连接器问题也不大。