什么是USB 3.0？高速路由指南

8496512

深入了解 USB 3.0 到底是什么以及其 PCB 设计中涉及的最佳布线实践。

什么是USB？

通用串行总线 (USB) 是几乎每个人日常使用的接口或连接标准。您不必是技术极客也能知道如何使用 USB 端口连接两个设备。从计算机到电话，这种连接标准几乎无处不在，并且有多种类型。让我们了解 USB 3.0 及其 PCB 设计中涉及的最佳布线实践。 

什么是USB 3.0？ 

USB 通常用于连接两个设备。您一定在多种外围设备中见过 USB 端口，包括鼠标、键盘、打印机和扫描仪。USB 3.0 与其之前版本 USB 2.0 之间的关键区别在于最大理论数据传输速率从 480 Mbps 增加到 5 Gbps。 

不太明显但同样重要的一点是，在 3.0 版本中，USB 不仅会超频，还会变得同步和全双工，即获得以最大速度独立接收和传输数据的能力。 

USB 3.0是第三个主要版本，与早期标准相比，它具有多个优点，包括： 

• 更高的数据传输率
• 更高的电源效率
• 更好的设备兼容性

USB 3.0 的优点

USB 3.0 的主要优点是速度。大文件（包括高清视频和高分辨率图片）的传输速度比早期版本快十倍。此外，它比 Wi-Fi 和以太网等其他广泛使用的网络技术要高效得多。 

此外，由于 USB 3.0 连接可提供高达 4.5 瓦的电力，因此您的设备可以更快地充电并延长运行时间。 

USB 3.1 于 2013 年 7 月发布，为用户提供了传输速度的显着提升。随后于 2017 年 9 月推出了 USB 3.2，提供了更快的速率和更多优势。 

3.0 USB 端口可以与旧设备一起使用吗？

了解最新版本的 USB 后，人们可能想知道它与旧版本的兼容性。幸运的是，USB 3.0 适用于早期标准。 

USB 3.0 和支持 USB 2.0 的 USB 2.0 设备仍然可以通信和协同工作。仍然存在某些限制，但最好的部分是用户无需更新过时的外围设备和设备。 

特别是，数据传输速度仅限于USB 2.0级别，并且不支持USB 3.0增加的功率输出。因此，需要此功率级别的设备将无法正常运行。尽管在旧版本上使用 USB 3.0 存在缺点，但新版本与旧版本的兼容性是其主要卖点。 

USB 3.0 与 USB 2.0 有何不同？

这两个版本之间的显着差异是速度。USB 3.0 的最大传输速度为 5000 Mb/s，而 USB 2.0 的数据传输速度为 480 Mb/s。速率上的巨大差异使得新版本更适合特定应用。例如，USB 3.0 非常适合视频编辑或文件备份等需要快速传输大量数据的工作。  

功耗是这两种型号之间的另一个显着差异。由于 USB 3.0 设备消耗的能量较少，因此一次充电即可运行更长时间。这对于笔记本电脑和智能手机等设备非常有帮助。

最后，您可以通过外观来识别 USB 3.0 端口。其青蓝色塑料插件与黑色 USB 2.0 端口和连接器区分开来。这使得消费者更容易区分标准并确定哪些标准与他们计算机上的 USB 端口兼容。 

USB 3.0 连接器的类型

USB A 型

USB 3.0 A 型端口和连接器是最受欢迎和认可的。它们位于智能电视、游戏机和电脑等设备上。此外，电脑、手机和其他便携式设备的充电线也使用此接口。  

USB B 型

B 型连接器不太常见，通常用于需要更安全连接的电子设备，例如外部硬盘驱动器和数码相机。此外，它们经常出现在打印机和扫描仪等大型外围设备上。 

USB 微型 A

智能手机和平板电脑等移动设备通常使用 Micro-A USB 3.0 连接器。它的形状类似于 A 型，但要小得多，只有 A 型的三分之一。尽管设计简单，但它仍然可以实现高达 5000 Mb/s 的快速传输速率。 

USB 微型 B

USB Micro-B 与 USB Micro-A 不同，尺寸也不同，但应用几乎相同。它用于外部硬盘驱动器、GPS 和移动设备。  

USB 3.0：高速信号路由 

走线阻抗 

现在我们已经了解了 USB 3.0 的工作原理及其应用，接下来我们来了解一下涉及 USB 的 PCB 设计的最佳实践。您可能见过带有 USB 连接器的电路板。在为此类电路设计 PCB 时，必须记住一些规则和技术，以确保以最小延迟实现平滑连接。  

电路路径提供的走线阻抗、总电阻和电抗的设计应尽量减少高速信号通过时的走线反射。通常，有两种类型的走线阻抗：单端阻抗和差分阻抗。  

单端阻抗是走线相对于地的阻抗，而差分阻抗是差分对中两个信号走线之间的阻抗。 

影响走线阻抗的另一个因素是制作走线的高速协议。它决定单路和分路走线阻抗以及阻抗容差。您应该设计接近推荐值的走线阻抗以获得最佳结果。此外，PCB 材料的介电常数、走线周围的层以及走线的几何形状都会影响信号走线的阻抗。 

高速信号走线长度  

与所有高速传输一样，保持信号对的最短走线长度。各种规范中列出了一些具有最大走线/电缆长度的标准。 

高速信号走线长度的匹配 

为了匹配高速信号走线长度，您必须分析必要的差分对走线及其蚀刻长度并进行比较。在进一步讨论之前，您必须了解差分对中 + 和 – 通道的蚀刻长度之间的区别称为“对内偏斜”。同时，同一组内的一个差分对和另一差分对的蚀刻长度之间的差异被称为“对间偏移”。 

差分对组的蚀刻长度不必一致。在 USB 3.0 中，TX 和 RX 蚀刻长度不必匹配。由于各个通道不必具有相同的长度，因此特定标准没有对内偏差要求。  

当修改高速信号的线对内偏移时，添加蛇形布线以尽可能接近不匹配端点的长度。  

返回路径 

每个电路都提供电流回流的返回路径，使其成为闭环系统的一部分。返回路径是阻力最小的路径。由于信号旁边的参考平面通常是较高频率下阻抗最低的路径，因此该路径通常允许返回电流流动。 

阻抗最小的路径将具有相同的前向和返回信号路径。

信号层上方或下方的层始终最适合接地层或电源层。该返回路径有助于最大限度地减少 EMI 问题和阻抗变化。 

高速信号参考平面

对于高速信号，必须注意接地参考平面。高速信号的接地层应该是实心的。在正常情况下，它不应是分割平面或作为参考平面。 

布线时，您可能必须在分割平面上进行。这似乎是一个简单的任务，但在这种情况下您应该考虑返回电流的路径。如果您的路线经过空隙，可能会为电流创建更长的反馈路径，这将引起多个问题，包括： 

• 电流不均匀导致辐射过多
• 串联电感增加会导致信号传播延迟。
• 干扰附近信号
• 信号完整性差

为了解决这些问题，您可以将缝合电容器放置在空隙上，从而允许返回电流通过更短的路径流动。这些电容器必须为 1 F 或更低，并且尽可能靠近平面交叉点放置。但是，除非必要，否则最好避免在分割平面上进行布线。 

如果您正在使用 PCB 叠层，则必须确保非参考平面不重叠。如果这样做，就会产生不需要的电容，可能会妨碍电路的功能。 

从各种参考平面进行路由

此外，应避免在各种参考平面上进行布线，因为这可能会导致 EMI 和阻抗问题。仅在必要时调整高速信号走线的参考平面。 

整个高速信号走线从开始到结束都应使用相同的 GND 参考。如果不可能保持相同的 GND 参考，请将两个 GND 平面通过过孔缝合在一起，以确保连续接地和一致的阻抗。如果无法避免在不同参考平面上布线，请使用交流电容器为返回电流提供通道。 

在设计 PCB 时，最好避免对电源层进行高速信号参考。如果无法避免这种情况，建议使用接地过孔和交流耦合电容器，为返回信号从接收器到源提供一条途径。 

差分信号间距

长度匹配和差分对布线。

在设计采用 USB 3.0 的 PCB 时，确定不允许干扰或串扰的走线之间的间距可能会很困难。因此，PCB 设计人员使用 5W 规则，这意味着两条走线之间的距离必须等于走线宽度的五倍。您可以增加宽度以获得更好的性能。例如，如果走线宽度为 6 密耳，则该走线与下一条走线之间的间隙应至少为 30 密耳。  

此外，与其他信号走线应保持 30 密耳的间距。如果高速走线靠近时钟或周期信号，则可以将距离增加到 50 mil，因为这些可能会引入更大的串扰。 

避免设备中高速接口之间的串扰至关重要。在连接器端接之前和封装逃逸之后，确保没有差分对布线在另一个差分对的 30 密耳范围内，以防止串扰。 

附加高速差分信号的规则

• 避免在高速差分信号上使用测试点或探头。
• 避免高速走线穿过或靠近磁性元件、使用或生成时钟信号的 IC、安装孔、振荡器、时钟信号发生器、开关电源调节器或晶体。
• BGA 断线后，避免将 SoC 暴露于高速差分信号，因为滤除内部状态变化引起的高电流瞬变可能具有挑战性。
• 当 GND 层在附近时，将高速差分对信号发送到 PCB 的顶层或底层。TI 不建议采用高速差分信号带状线布线。
• 确保高速差分信号的布线距离参考平面边缘至少 90mils。
• 确保高速差分信号的方向距离参考平面中的孔至少 1.5 W（估计走线宽度 1.5）。此要求不包括已作废的高速差分信号上的 SMD 焊盘。
• 在 SoC BGA 逃逸之后保持稳定的走线宽度，以防止传输线阻抗不匹配。
• 如果可能，增加差分对之间的间距。

差分对的对称性

另一个需要记住的基本规则是差分对走线必须对称且彼此平行。如果它们之间有组件，则无法对它们进行布线。它们必须始终彼此相邻并对称布线。然而，当连接器引脚布线或封装逃逸时，就会违反此规则。在这种情况下，必须确保偏差尽可能短。 

PCB设计总结 

• USB 控制器和 USB 连接器应尽可能靠近，以减少走线长度。
• 铁氧体磁珠和去耦电容应尽可能靠近USB连接器放置，以去耦和消除高频噪声干扰。
• 终端电阻应尽可能靠近 USB 控制器放置。
• 电压调节器也应尽可能靠近连接器放置。

结论 

当 USB 3.0 于 2008 年推出时，它迅速成为最快的数据传输方式之一。使用正确的 USB 3.0 电缆，您可能会达到高达 5GB/s 的传输速率，这是以前可实现的十倍以上。 

如果它仍然不能满足您的需求，您可能需要查看更新且更快的后续标准 3.1 和 3.2。通过这种方式，您可以快速备份您喜爱的图像或为手机充电。