USB 2.0 HUB 硬件电路分析与制作（二）

本篇文章将继续上文对USB2.0 HUB的制作与硬件电路设计做阐述。
四、 USB2.0 概述

1. 引脚定义

• VBUS：电源供电
• D+、D-：一对差分信号线（差分阻抗：90欧阻抗）
• GND：地线

2. 传输速率

• Low-Speed USB（低速USB）: 低速USB的最大传输速度为 1.5 Mbps（兆位每秒），也被称为"USB 1.1低速模式"。它适用于一些低速率和低带宽需求的设备，例如鼠标、键盘和游戏手柄等。
• Full-Speed USB（全速USB）: 全速USB的最大传输速度为 12 Mbps（兆位每秒），也被称为"USB 1.1全速模式"。它适用于较多的外围设备，例如打印机、扫描仪和某些音频设备等。
• High-Speed USB（高速USB）: 高速 USB 是 USB 2.0 的核心特性，最大传输速度为 480 Mbps（兆位每秒）。它比低速和全速USB提供了更快的数据传输速度，适用于大多数常见的外围设备，包括存储设备、摄像头、移动硬盘和高速数据传输要求的设备。

3. VBUS

• 高电源口电压： 4.75 - 5.25v ， 供流能力大于 500mA
• 低电源口电压： 4.4V - 5.25v ， 供流能力大于 100mA
  一般带有电源控制引脚的HUB芯片，会配合限流配电开关芯片使用，实现整控整检，整控独检或者独控独检，详情请看第三点。
• VBUS口可接入可恢复保险丝进行限流保护，主要是防止过流、短路
  • 最大电压：6V左右
  • 最大电流：根据 USB 口使用的电流进行一定冗余设计
    

4. ESD防护

• 什么是ESD
  ESD（Electrostatic Discharge）：静电放电。它是指由于电荷积累在物体上引起的突然放电现象。当两个物体处于不同的电荷状态或者一个物体带有过多的电荷时，静电放电可能会发生。这种放电可以产生极高的电压和瞬间的电流，足以损坏敏感的电子元件或器件。
• USB2.0 的 ESD 防护设计
  方案一：
  • VBUS 位置加 ESD 防护器件（一般为单向）
    • 结电容大小不用过多考虑
    • 最大反向工作电压：5V
    • 击穿电压：6V左右
    • 钳位电压：十几伏左右
  • 差分信号线位置加 ESD 防护器件（一般为双向），防止静电从信号线损坏芯片
    • 结电容：尽可能小，防止影响传输速率，最好在 1pF 以下
    • 最大反向工作电压：5V
    • 击穿电压：6V左右
    • 钳位电压：十几伏左右
      方案二：
      直接在差分信号线上串联一对二十多Ω的电阻

7. 上下拉电阻与速率
   USB接口的电气连接：
   

• 协议对电阻的要求
  根据协议文档第 7 节，USB2.0 需要对上下拉电阻进行控制来区分不同速率的设备。

  • USB主机端上的下拉终端电阻是15 kΩ ± 5%的电阻，与地相连
  • 设备端在USB数据线（D+或D-）上接一个上拉电阻（Rpu），用来区分不同速度的设备。该电阻阻值要求为1.5k欧姆±5%。

• 低速设备和全速设备的识别
  下图为低速设备的识别
  
  下图为全速设备的识别
  

  • 由于下拉电阻的存在，当没有 USB 设备接入时，主机 D+D- 数据线电平为低
  • 当有设备插入时，由于上拉电阻的存在，D+D- 数据线的其中一根会拉高
    • D+拉高：识别为全速设备
    • D- 拉高：识别为低速设备
  • 检测到设备连接后，集线器向主机报告，主机向集线器发送 Get_Port_Status 请求
  • 集线器接到 Get_Port_Status 请求后对设备进行复位，复位成功后，主机对设备进行枚举

• 低速设备和全速设备的断开

  • 当总线空闲时，hub 检测设备断开连接信号，这个信号为 D+D-均为低电平的时间超过2.5us
  • 当 hub 检测到该信号时，向主机报告设备已断开
  • 设备端也可以通过断开上拉电阻实现设备断开（此时设备仍可插在USB口上）

• 高速设备的识别
  

  • 高速设备和全速设备一样，也是 D+ 上有一个1.5k的上拉电阻，所以，当高速设备接入后，前面的识别过程与全速设备的识别过程一致
  • 在 hub 对设备进行复位的过程中（这个过程表现为 hub 通过驱动数据线到复位状态SE0，即D+和D-全为低电平，并持续至少10ms），高速设备通过内部的电流源向 D- 线持续灌大小为17.78mA电流（此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销）。在hub端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为 45Ω 的终端电阻，所以在 hub 端看到一个约 800mV 的电压（45欧姆*17.78mA），这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms
  • 在 hub 端，虽然下达了复位信号，但USB2.0的高速接收器一直在检测 Chirp K 信号
    • 如果检测不到 Chirp K 信号，就继续复位操作直到复位结束，之后就在全速模式下操作
    • 如果检测到 Chirp K 信号，Chirp K 信号结束后 100us 内，hub必须开始回复一连串的 KJKJKJ… 序列，向设备表明这是一个 USB2.0 的 hub。这里的 KJ 序列是连续的，中间不能间断，而且每个 K 或 J 的持续时间在 40 - 60us 之间。KJ 序列停止后的 100 - 500us 内结束复位操作。hub 发送 Chirp KJ 序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌 17.78mA 的电流实现。
  • 设备检测到 6 个 hub 发出的 Chirp 信号后（3 对 KJ 序列），它必须在 500us 内切换到高速模式。切换动作有：
    • 断开 1.5k 的上拉电阻
    • 连接 D+/D- 上的高速终端电阻（45欧姆），实际上就是全速/低速差分驱动器
    • 进入默认的高速状态

• 高速设备的断开

  • 由于高速设备运行是断开1.5K上拉电阻的，故不能通过检测SE0信号判断设备的断开
  • 当高速设备断开时，D+和 D-线上的差分信号幅度将会变成两倍大小， 主机端下行收发器中的断开包络检波器感应到这个两倍大小的电压后输出为高，表示设备已断开

五、 什么是TT
TT(Transaction Translator)转发器，用于对USB SPILT事务进行处理，主要是将低速和全速的事务从高速传输中分离。
目前有单TT和多TT两种模式，即STT和MTT。STT是单个TT核分时调度处理USB主机下发至所有下行端口的事务；MTT指多个TT并行，4个TT核分别对应并实时处理一个下行端口的事务，因此MTT可以为各下行端口的接入设备提供更满的带宽，更好的支持多端口大数据量的并发传输。

六、 差分线的绘制

1. 差分概述
   USB 使用差分信号传输数据，对于每一对信号，其中一个是正极（DP，Data Plus），另一个是负极（DM，Data Minus）。
   差分信号传输是一种通过两个相等但相反的信号来传递信息的通信方式。在USB中，DP信号和DM信号之间的电压差异表示数字数据的模式，例如逻辑0和逻辑1。通过使用差分信号传输，USB能够提供更好的抗干扰能力和信号完整性，从而提供可靠的数据传输。
   为了区分差分信号中的正极和负极，USB协议规定了 DP 和 DM 表示正负信号极性的命名约定。实际上，这种命名方式在不同类型的差分信号传输中很常见，不仅仅适用于 USB。因此，DM信号表示Data Minus（数据负线），而DP信号表示Data Plus（数据正线）。
2. 差分线绘制要求技巧

• 差分线尽量短
• 优先绘制差分线
• 差分线上尽量不超过两对过孔（过孔会增加线路的寄生电感，影响信号完整性）
• 平行紧密走线
• 长度差尽量小（控制在 5mil以内）
• 与其它信号网络以及地的距离尽量在 20mil 以上
• 两侧的测试点、串联的电阻电容、上下拉电阻的摆放尽量避免直角

3. PCB差分阻抗

• 在高速信号传输中，差分阻抗的匹配可以提供信号完整性，减少信号的反射和干扰
• USB2.0 要求的差分阻抗是 90Ω±10%

4. 什么是 PCB 阻抗匹配

• 差分线是由两根平行绘制在PCB板表层的微带线组成的，在边缘耦合效应下工作
• 差分线的阻抗由两根微带线的阻抗和线间距共同决定
• 微带线的阻抗由微带线的线宽、走线的铜皮厚度、到最近参考平面的距离以及PCB板材料的介电常数决定
• 差分线的耦合效应与两根微带线的线间距相关，线间距增加时，耦合效应减弱，差分阻抗增大；线间距减小时，耦合效应增强，差分阻抗减小

5. 差分阻抗匹配我们可以做什么
   作为工程师，我们能控制的就是线宽和线距，其他的由 PCB生产商决定。

• 嘉立创针对自己的板子做了一个阻抗计算器
  通过这个计算器，我们可以得出得到阻抗要求需使用的线宽
• 在下单打板的时候，可以将阻抗管控要求提供给 PCB 生产厂商，让他们帮你做阻抗匹配。
  到此，本篇文章的撰写就结束了，以上均是本人的理解，有不够成熟的地方，欢迎批评指正！