硬件电路设计之USB电路设计

描述

1 简介

USB是通用串行总线(Universal Serial Bus),其主要的特点是高速、灵活。USB的发展历史可追溯到1996年,随着时间的推移,USB的速率逐渐提高,现在USB 3.1最高的速率可达 10Gbps 。具体的发展历程见下表:

版本最大传输USB名称供电能力推出时间
USB 1.01.5MbpsLow Speed500mA1996年01月
USB1.112MbpsFull Speed500mA1998年09月
USB2.0480MbpsHigh Speed500mA2000年04月
USB3.01.5GbpsSuper Speed Gen1900mA2008年11月
USB3.110GbpsSuper Speed Gen2900mA2013年08月

2 USB设计说明

  • USB是如何识别主机还是从机?

USB电路是有主从之分的,那么在物理层又是如何实现的。USB连接器上有一个USB_ID的引脚。 对于Host设备,USB_ID引脚拉低 ;对 应Device设备,USB_ID引脚置高或者悬空

  • 如何实现高速模式与低速模式?

USB2.0的工作模式由高速模式和低速模式两种。当USB为Host时,D+、D-上分别接一个15K的下拉电阻,这样可以使得在没有设备插入的时候,D+、D-上始终保持低电平;当USB为Host时,D+和D-那么如何设计高速模式和低速模式,详情配置见下:

  • 高速模式 :D+被拉高,D-保持不变。
  • 低速模式 :D-被拉高,D+保持不变。
  • 如何识别是USB2.0还是USB3.0?

插入电缆后等效电路可以看成一个RC回路,而RC回路有一个重要特性,就是时间常数,这个常数就是R和C乘积,也是影响充放电特性。

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可以看出,插入和拔除电缆,将Vo充电到特定的电压,则插入电缆后,充电需要的时长增加了。电脑的USB 3.0主机就是根据这个特性探测到U盘是支持超速特性的,否则插入电缆前后如果充电到电压VO没有时间变化的话,电脑就认为是高速ü盘,而不是超速U盘了。

3 USB电路设计

  • USB连接器

USB2.0内部塑料是白色;USB3.0内部塑料是蓝色。

  • USB2.0电路
    USB2.0包含了一组差分信号、一组电源信号(5V电源+GND,通常需要连接电源开关)

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  • 共模电感L2 :滤除共模干扰。
  • TVS管D1、D2、D3 :防止静电损坏板卡上的电子器件。
  • 滤波电容C1、C2 :给干扰提供一个低阻抗的路径。
  • USB3.0电路
    USB3.0信号包含 一组低速差分信号两组高速差分信号一组电源信号 (5V电源+GND,通常需要连接电源开关),详情见下:

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  • 电源开关电路

USB的电源设计也是十分讲究的,USB 2.0采用5V电源供电,电流为600mA,该电源需要使用电源开关与板载的5V隔离开,此处我们选用的电源开关是TPS2065CDGN具体电路见下:

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该型号是高电平使能,我们可以直接将Control Sinnal 连接到Fault Signal。当电流过大时,Fault Signal拉低,芯片失能,芯片输出关闭。

3 USB HUB电路设计

此处介绍两种USB HUB相关电路,分别是RTS5489-GR和RTS5411S-GRT。需要电路的同学可随时私聊我。

  • RTS5489-GR HUB电路设计
  • RTS5489-GR核心部分

RTS5489-GR有一个USB3.0上行接口、四个USB3.0下行接口,配置使用I2C接口。

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  • 电源部分
    供电采用3.3V,其它所需电源轨可通过内部LDO转换得到。

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  • 自检电路

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  • 晶振电路

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  • 配置电路

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  • Flash电路
    这部分电路可以不使用,具体得看需求。

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  • RTS5411S-GRT HUB电路设计
  • RTS5489-GR核心部分
    RTS5489-GR有一个USB3.0上行接口、四个USB3.0下行接口,配置使用I2C接口。
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  • 电源部分

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  • 自检电路

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  • 晶振电路

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  • 配置电路

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