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usb标准详解

2.0

第一章

技术背景

本章对通用串行总线USB的技术背景作一简单描述,包括设计目标,总线特征和现有技术.

1.1USB的目标:

结构

6.1USB物理结构包括与HUB下游接口连接部分和与另一个HUB或设备上游的连接部分.USB有三种速度:

高速（480Mb/s）,全速（12Mb/s）（这两种线要求使用遮蔽,其中包括一对电源线和一对绞合信号线）,低速推荐但是不要求信号线对绞.端子应设计为热插拔型,USB上的标记使你靠触觉就可以非常容易的找到正确的方位.

6.2端子协议

为了减少终端使用者的问题,USB采用了端子协议,

A端子和B端子的物理结构不同,A端子直接和主机或HUB的下游接口相连接

所有的USB设备都要有A端子

以下是描述插头和插座是如何匹配的

1.A插座与A插头相匹配,A插座的功能是主机或HUB的输出

2.A插头与A插座相匹配,A插头是指向主机系统

3.B插座与B插头相匹配,B插座的功能是主机或HUB的输入

4.B插头与B插座相匹配,B插头总是指向HUB或设备

6.3电缆

USB包括四根线:

两根电源线,两根信号线.高速/全速电缆信号线对绞,完全遮蔽,高速/全速电缆应标识出适当的使用方法（见6.6.2）,高速/全速电缆可以用于低速,全速和高速的传输设备.当高速/全速电缆应用于低速设备时,电缆一定要满足低速要求.低速电缆建议但是不要求信号线对绞.

6.4电缆组合

此项规格说明三种USB组合:

标准可分离电缆,受制电缆和低速受制电缆.

标准可分离电缆是一种一端是A插头另一端是B插头的高速/全速电缆;

受制电缆是一端是A插头,另一端与高速/全速外围设备相连;

低速受制电缆是一端连接A插头,另一端与低速外围设备相连接.其它的组合方式是不允许的.

电缆组合的颜色由提供者规定,推荐的颜色为白,灰,或黑

6.4.1标准可分离电缆组合

高速和全速设备可使用B端子,允许设备有一个标准的USB电缆,这就免除了制造设备固定电缆的必要,同时也使换线问题变得容易解决.

表6-2列举了标准可分离电缆的组合

必须满足以下电气要求

（1）一端A插头一端B插头

（2）电缆必须规定用于高速/全速

（3）电缆阻抗必须满足高速/全速驱动器,驱动器规定了阻抗,参考7.1.1

（4）允许的最大电缆长度和信号传播延时.参考7.1.14和7.1.17

（5）信号线之间的传播延时偏差应为最小.参考7.1.3

（6）电源线中负极是上下游共同的负极,电缆的最大长度受压降的限制.（参考7.2.2）最小可接受的线径由连接设备决定.

（7）电源线中的正极为连接设备提供电源

6.4.2高速受制电缆组合

电缆的一端与外围设备相连就被认为是受制电缆.高速/全速电缆可应用于高速,全速,低速设备.当在低速设备使用一个高速/全速硬联机电缆时,电缆必须满足低速要求

高速/全速受制电缆组合应满足以下电气特性:

（1）一端有射出后的A端,另一端由供应者规定,如果供应者规定为热插拔,那么应是B端子

（2）电缆必须为额定的高速和全速.

（3）电缆的阻抗必须与高速和全速驱动器相匹配,驱动器对阻抗有特殊的要求.参考7.1.3

（4）由信号的衰减和传播延时决定电缆的最大长度,参考7.1.14和7.1.17

（5）信号线间的延时偏差应为最小.参考7.1.3

（6）电源线中的负极为上下游接口的共同负极.线的长度受通过地线压降的限制,参考7.2.2,线径由最差电流消耗计算得出.

（7）电源线中的正极为与其相连接的设备提供能量,最小线径为提供者规定

6.4.3低速受制电缆组合

当电缆与外围设备之间采用硬线连接时就被认为是受制组合.低速电缆只可用于低速设备.低速受制电缆应满足以下电气要求:

（1）电缆的一端连接射出后的A插头,由供应者规定另一端.若供应者特意设计为热插拔的话,它就应为满足相同参数的USBB端子.

（2）低速驱动器对电容值作出特殊化的要求,这个值包括D+,D-之间的所有介质的电容值而不仅仅是电缆的电容值.电缆的选择必须确保完整的电容值在规定的最大值和最小值之间,若应用的c值不满足最低要求,应增加额外的电容值.参考7.1.1.2

（3）低速电缆的最大长度由信号的上升和下降时间决定,这就使低速线明显的比高速线短.参考7.1.1.2

（4）信号线之间的传播延时偏差必须最小.参考7.1.3

（5）电源线的负极提供给上游和下游一个共同的参数,电缆的最大长度由通过负极的压降决定,参考7.2.2,最小线径由最差电流消耗决定

（6）电源线的正极给与其连接的设备提供电源,其最小的线径由供应者规定

6.4.4优化USB以便使用,我们期望的是即插即用.依据说明,使USB无效的唯一方法就是切断其电源,或使其缺乏带宽,和过大的布局,这些条件应在软件系统中充分说明.

被禁止的电缆组合可以工作在一些情况下,但是不能保证在所有的情况下它都可以使用

扩展的电缆组合

一种电缆组合由A插头和A插座或B插头和B插座组合,这就允许许多节的线连接在一起,就有可能超过允许的最大电缆长度.

违反布局规则的电缆组合

一种电缆组合由两个A插头或两个B插座,这就允许两个设备的下游接口直接连接.

提示:

如果是应用一个USB设备连接2个总线的话是不被禁止的.

应用于低速设备的标准可分离电缆

标准可分离的电缆被禁止使用在低速设备上,一个标准可分离电缆必须是高速/全速的,既然它额定是高速的,那么应用一个高速电缆将会超过低速的电缆载荷.

6.5.3.1插座的射出热塑性绝缘材料

UL-94-V0规定的最小值,30%以上的聚丁烯对苯二盐酸或聚乙烯对苯二盐酸

典型颜色:

黑,灰,透明

可燃性特性:

UL-94-V0规定

燃烧延缓外壳必须满足UL,CSA,VDE

6.5.3.2插座外壳原料

底层材料:

0.30+0.05mm磷铜,镍银合金,或其它高强度的铜合金

电镀:

1.底层:

可选择,最小1微米镍,另外,制造者可以在镍之下用铜作底

2.外部:

最小2.5微米锡

6.5.3.3插座连接材料

底层材料:

0.30+0.05mm最小半硬磷青铜或其它高强度的铜合金

电镀:

接触点应被电镀

1.底层:

最小1.25微米的镍,也可选择铜合金

2.匹配范围:

最小0.05微米的镀金层覆盖在0.70微米的钯上

3尾部焊接:

最少3.8微米的焊锡覆盖在底座上

B1.底层:

最小1.25微米的镍,也可选择铜合金

2.匹配范围:

最小0.05微米的镀金层覆盖在0.75微米的钯上

3.尾部焊接:

最少3.8微米的焊锡覆盖在底座上

C.1.底层:

最小1.25微米的镍,也可选择铜合金

2.匹配范围:

最小0.75微米的镀金层覆盖在钯上

3.尾部焊接:

最少3.8微米的焊锡覆盖在底座上

6.5.4

A插头和B插头

A插头和B插头的电气和机械特性在表6-9和6-10中有说明

6.5.4.1

用于插头射出的热塑性材料

UL-94-V0规定最小30%聚丁烯对苯二盐酸或聚乙烯对苯二盐酸

典型颜色:

黑,灰,透明

可燃性特性:

UL-94-V0规定

外被燃烧延迟必须满足或超过UL,CSA,和VDE的要求

氧气指数:

21%,ASTMD2863

6.5.4.2插头外壳材料

底层材料:

0.30±0.05mm磷青铜,镍银合金或其它合适材料.

外部:

最小2.5微米有光泽的锡

6.5.4.3插头连接材料

底层材料:

0.30±0.05mm半硬磷青铜

电镀:

接点有选择的电镀

1.底层:

最少1.25微米的镍,也可选择镀铜材料

2.匹配范围:

最少0.05微米的镀金层覆盖在0.70微米的钯上

3.尾部焊接:

至少3.8微米的有光泽的锡覆盖在底层上

1.底层:

至少1.25微米的镍,也可选择镀铜材料

2.匹配范围:

最少0.05微米的镀金层覆盖在0.75微米的钯上

3.尾部焊接:

至少3.8微米的有光泽的锡覆盖在底层上

1.底层:

至少1.25微米的镍,也可选择镀铜材料

2.匹配范围:

最少0.75微米的镀金层

3.尾部焊接:

至少3.8微米的有光泽的锡覆盖在底层上

6.6电缆机械结构和材质要求

高速/全速和低速的资料线和屏蔽是不同的,低速电缆推荐但是不要求资料线对绞.低速电缆推荐但是不要求屏蔽部分带编织.

6.6.1说明

高速电缆由一对不绞合电源线（28-20AWG）和一对绞合信号线（28AWG）有铝箔麦拉屏蔽（麦拉在内）.28AWG的绞合地线.遮蔽率大于65%的镀锡铜外部编织,外被材料是PVC

低速电缆由一对不绞合电源线和一对信号线（28AWG,建议对绞）组成,有铝箔麦拉屏蔽（麦拉在内）,28AWG的绞合地线,推荐使用遮蔽率大于65%的镀锡铜编织,外被材料PVC.

6.6.2结构

应用于电缆结构中的原材料必须能够使装配好的线达到或超过当前国内国际安全机构的要求,如UL,CSA,BSA,NEC

电源线和资料线的类别

表6-2电源对

美国线规

理论外部直径

多股镀锡铜

0.381mm

7x36

0.406mm

19x40

0.483mm

7x34

0.508mm

19x38

0.601mm

7x32

0.610mm

19x36

0.762mm

7x30

0.787mm

19x34

0.890mm

7x28

0.931mm

19x32

不绞合电源对

线径,至少28AWG或对应表6-2中规格

绝缘部分:

半硬式的PVC

1.绝缘

额定的绝缘厚度0.25mm

2.电源线正极:

红色

3.负极:

黑色

信号对

线径28AWG

美国线规

额定外被直径

多股镀锡导体

0.381mm

7x36

0.406mm

19x40

绝缘部分:

高密度聚氯乙稀

也可用发泡聚乙烯或发泡聚丙烯替换

1.额定绝缘厚度0.31mm

2.资料线正极:

绿色

3.资料线负极:

白色

额定绞距（低速不要求）绞距应在60mm到80mm之间.

铝箔麦拉

底层材料:

聚乙稀对苯二盐酸

金属部分:

真空夹层铝箔

组合:

1.铝箔的金属部分应与地线充分接触

2.铝箔的重叠率应接近25%.

地线

线径:

至少28AWG的裸露多股镀锡铜,参考表6-4

美国线规

额定导体外径

多股镀锡导体

0.381mm

7x36

0.406mm

19x40

编织:

覆盖面积:

至少65%

组合:

外部编织应把铝箔麦拉包裹在内并与地线直接接触.

PVC外被:

结构:

PVC外被应包括屏蔽,电源线,信号线在内的所有东西,并与镀锡铜编织直接接触.

额定厚度:

0.64mm

标识:

电缆应用与线底色反差大的永久性墨水明显的印上标识.

高速/全速电缆的最少印字信息应包括:

USBSHIELDEDULCM75℃-ULID

低速电缆应标识的信息:

没有特殊要求

额定电缆的完整外径

这是一个标准用于制造者作为导体和绝缘材料的说明

表6-5标准线径

USB屏蔽线结构

标准外径

28/28

4.06mm

28/26

4.32mm

28/24

4.57mm

28/22

4.83mm

28/20

5.21mm

6.6.3电气特性

所有电气特性必须在20℃条件下被检测

额定电压:

最大30Vrms

导体电阻:

导体电阻的测量应根据ASTM-D-4566.第13节表6-6

导体电阻不平衡:

任何线对之间的导体电阻不平衡不超过5%,测试依照ASTM-D-4566第15节.

插头外壳任意两点电阻不大于0.6ohms

6.6.4电缆对环境的要求

温度范围:

使用温度范围0℃---+50℃

存储温度:

-20℃---+60℃

标准温度:

20℃

可燃性:

应用于产品中的所有塑料原料都应该满足或超过NEC800（商业用通信电缆）

6.6.5产品应满足UL444,CLASS2,商业用电缆要求

6.7电气,机械,和环境标准

表6-7列举了USB电缆,组合,端子的最低标准

测试描述

测试过程

测试要求

外观尺寸检查

EIA-364-18,外观尺寸和功能检查（根据USB品质检查）

必须满足当前版本的USB规格要求

绝缘阻抗

EIA364-21施加DC电压,测量connector绝缘外被电阻

绝缘电阻不小于1000MΩ

绝缘抗压

EIA364-20描述端子工作的安全电压

在海平面绝缘部分必须能承受500V交流电压一分钟

低电平接触电阻

EIA-364-23描述接触点的电阻

在开路最大电流为100mA电压为20mV时不大于30mΩ

温升

EIA-364-70-方法B描述端子接触点的允许温升数值

在温度25℃,250V交流电压测试时最小电流1.5A,测试中端子任一点温度不超过30℃

接触点电容

EIA-364-30两个端子之间的电容

最大2PF

插入力测试

EIA-364-13描述USB的机械压力标准

最大插入力不超过35N,最大速率为每分钟12.5mm

耐用性

EIA-364-09插入,拔出,耐用性测试

以每小时200次的速率插拔1500次

电缆拉力测试

EIA-364-38电缆承受轴向拉力40N一分钟

电缆及端子不出现任何损伤现象

物理冲击

EIA-364-27USB端子承受冲击能力

匹配的USB端子,承受30GS的半波脉冲11ms,从三个正交的方向施加冲击,总冲击数为18次,中断不超过1us

任意振动

EIA-364-28抗振动能力

匹配的USB端子,承受5.35GSRMS,朝各个正交方向各振动15分钟,中断不超过1us

热冲击

EIA-364-32测试USB端子在高温和低温下性能

10次循环从-55℃--+85℃端子必须紧密结合

湿度

EIA-364-31高温度和高湿度对端子的影响

至少168小时（7个循环）

可焊接性

EIA-364-52

在1小时的蒸汽老化后USB焊接点仍应有95%覆盖率

可燃性

UL-94V0热塑性材料遵守UL燃烧标准

电缆阻抗

只对高速,全速要求

此项测试是确保信号线有正确的阻抗

阻抗必须满足表7-12要求

信号对衰减

确保信号传送到接收器时有足够的强度

参考7.1.17

传播延时

确定从一端到另一端的传播时间

高速/全速电缆参考7.1.1.1,7.1.4,7.1.16表7-9

低速参考7.1.1.2,7.1.16,和表7-9

传播延时偏差

一对资料线传输时间的不同步

满足7.1.3要求

电容负荷（只对低速电缆）

此项测试是为了确保电容值为规定电容值

参考7.1.1.2,和7-7

364-20B

端子,插座和同轴连接的耐压测试

2.1.2设备

除非有特殊要求,否则我们采用误差5%的伏特表去测量电压,伏特表应连接在第一,第二或第三级是预先决定的,电压的实际值应在允许的范围内.

2.1.3一个带有显示表盘的箱子可用于测量气压,除非有特殊要求,否则我们应用误差为5%的仪器用于监视气压的变化.

2.1.4错误提示

当出现无法用肉眼发现的漏电现象时,我们应采用适当的方法去表示.电压测试,电流泄漏测试,用与其相对应的灯表示,或者用过载保护装置也可以实现这个目的.

2.1.5泄漏提示

当有泄漏要求说明时,应当有合适的方法去测量泄漏电流,误差±5%,除了特殊要求,否则泄漏电流应小于0.5mA.

3.样品说明

3.1测试样品应包括一个插头,一个插座,一个相匹配的插头和插座

3.2准备

当有特殊的条件要求如特殊的测试设备,接地,隔离,浸入水中,这些应在参数文件中说明.

4测试过程

4.1要点

4.1.1方法A

应测试空间距离最近的两个接点,端子外壳与导通接触点之间的电压

4.1.2方法B

在参考文件中描述的相邻接点之间的电压也应测试.

4.1.3方法C

应测量每个接点之间的电压

4.1.4方法D

同轴电缆导体的内部外部电压也要测试

4.2气压

既然气压会对端子或终端隔着空气的同轴接点的抗压性产生很大的影响,那么这个压力应在测试要求中说明.允许通过减小气压而降低其抗压能力,在每个应用于海拔位于海平面的情况会对其抗压特性作出说明.若需要,基于端子或同轴接点的应用要求,为了使气压控制在我们期望的范围内,应该对最小抗压性作出要求.

4.2.1减少气压

依照规定端子或同轴接点应固定在测试箱内并且把气压减少到与表1中一致让它们在规定的压力下保持足够长的时间,让残留在箱中的空气散去,端子或同轴接点应遵守测试规定.

表1,测试条件

测试条件

气压

海拔

水银高度（英寸）

水银高度（mm）

尺

米

27to31

685---785

海平面

8.90最大值

226最大值

30,000

9,144

3.44最大值

87最大值

50,000

15,240

1.31最大值

33最大值

70,000

21,336

0.315最大值

8最大值

100,000

30,480

5.11x10-8最大值

1.3x10-6最大值

656,000

199,949

17.3最大值

439最大值

150,000

4,572

0.043最大值

1.09最大值

150,000

45,720

注:

海拔只是作为参考

4.3测试电压

测试样品应遵守规定的测试电压

4.4应用变化率

测试电压应从0℃升到与规定的温度一致,若没有特殊的要求,电压应以500V/s的速率变化,根据制造商的选择,电压测试可以在厂内某一时刻进行.

4.5应用持续时间

若没有特殊要求,测试电压应维护60s,厂内测试可以减少到5s.在一个完整的测试过程中,测试电压应逐步的减小,避免起伏过大.

4.6样品的测量和测试

在耐压测试的过程中,如有破裂和泄漏的情况出现,那么这些情况的显示应该被监控.

5细节说明

以下细节将会在参考文件中说明

5.1特殊高电压,若应用参考2.1.1

5.2最小额定千伏安,若应用参看2.1.1

5.3电流浪涌,设备限制,参看2.1.1

5.4伏特表精确度,至少95%,参看2.1.2

5.5泄漏电流说明2.1.5

5.6确认测试样品,匹配与否?

参看3.1

5.7特别准备或条件,参看3.2

5.8样品与测试电压的连接3.2

5.9测试电压作用点,参看4.1

5.10气压,参看4.2

5.10.1处于海平面的绝缘抗压要求参看4.2

5.10.2减小压强后的绝缘抗压,参看4.2

5.10.3在减压期间和减压后的测试,参看4.2.1

5.10.4在测试箱中的安装方法,参看4.3

5.11测试电压数值,参看4.3

5.12电压特性（交流或直流）

5.13厂内品质保障测试所要求的电压测试和持续时间,参看4.5

5.14品质保障所要求的电压测试持续时间除了60s之外,还有什么其他的要求参看4.5

5.15样品的测量和测试细节要求,参看4.6

5.16需测试样品数量

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