USB 芯片的电路及PCB 设计的重要注意事项.docx

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USB芯片的电路及PCB设计的重要注意事项

USB芯片的电路及PCB设计的重要注意事项１

USB芯片的电路及PCB设计的重要注意事项

版本：

2D

1、摘要

本文主要针对以下因电路及PCB设计不佳而引起的故障现象进行分析和解答

⑴、关于USB设备带电热插拔：

（重要）

用CH374、CH375设计的USB-HOST电路中，当某些USB设备带电插入时，工作不正常或者芯片发热⑵、关于设计3.3V的USB产品：

用CH372、CH374、CH375、CH341等USB芯片设计3.3V电源电压的USB产品时需要注意的事项⑶、关于USB主从模式切换：

用CH374、CH375设计的USB-HOST和USB-DEVICE产品中，如何识别并进行USB主从模式切换

⑷、关于工作稳定性和抗干扰：

（重要）

用CH372、CH375、CH341等USB芯片设计的USB产品，如何提高可靠性和抗干扰能力

2、USB设备带电热插拔

2.1.故障现象

在使用CH375评估板的过程中，或者在自行设计的USB-HOST产品中，某些USB设备带电插入时：

①导致CH375复位或者单片机复位（尤其是采用μP监控电路的单片机系统）

②CH375或者单片机突然工作不正常，失去控制

③CH375芯片的工作电流突然增大并且持续如此，时间长了芯片发热烫手甚至芯片损坏

2.2.原因分析

USB支持动态带电插拔，以CH375评估板使用U盘为例。

由于U盘内部都有电源退耦电容，当U盘刚插入USB-HOST插座时，评估板必然要对其充电，由于瞬间充电电流很大（微秒级瞬间峰值可达几安培），所以导致主机端的电源电压VCC突降（用高速的数字存储示波器可以看出，越靠近USB插座的位置，电源电压降得越严重），这个电压突降过程可能只有几十微秒甚至几百纳秒，但是一旦被CH375或者uP监控电路检测到，就会被当作电源上电或者电源下电，从而有可能导致CH375和单片机被复位。

并且，由于U盘插入过程引起的电压突降是一种不确定的瞬时状态，例如几十纳秒的电压突降，所以有可能使CH375或者单片机不完全复位，从而工作不正常。

另外，由于CH375的V3引脚接有电容，在U盘插入过程中，如果CH375的VCC引脚的电源电压突降到2.5V以下，而CH375的V3引脚被其外接电容保持在3.5V以上，出现CH375的普通引脚电压超过电源引脚VCC的特殊情况，那么将容易导致CMOS电路CH375出现大电流闩锁，芯片发热，长时间还会损坏。

如果CH375的V3引脚不接电容，则不会出现大电流，V3引脚的电容用于内部电源节点退耦，改善USB传输过程中的EMI，通常容量是在4700pF到0.1uF范围，建议容量为0.01uF，即103电容。

由于有些USB设备内部的电源退耦电容较小，或者内部串有限流电阻或者电感，所以只有少数峰值电流较大的USB设备会在某些条件下出现上述现象，而且这种情形还与PCB中USB电源线的布线有关。

还有一种意外情况（不是设计原因）就是，USB插座或USB线损坏或者焊接原因导致USB信号线D+或D-与VCC之间短路、USB信号线D-与GND之间短路，这种情况会引起CH375芯片发热甚至损坏。

2.3.解决方法（以下几种任选一种，或者多种并用更加可靠）

最核心的一句话就是：

在USB设备插拔的过程中，确保CH375和单片机的电源电压保持不变

2.3.1.给USB插座单独供电，使USB设备刚插上时的电容充电过程不影响单片机和CH375。

变通方法是，

将5V主电源分别通过两个独立的限流电感后（或者在PCB中电源线分开走），一组提供给CH375和单片机等，另一组提供给USB插座。

注意，在电感后面应该有退耦电容或者负载，防止USB设

USB

芯片的电路及

PCB设计的重要注意事项２

备拔出时由电感产生过冲高电压。

这种方法更适合连接消耗电流较大的USB外置硬盘。

2.3.2.在USB插座前串接限流电阻或电感，并在USB插座电源上并联储能用的电解电容。

例如，在CH375

评估板的原理图中，电容C23用于储能，电阻R1用于限制USB设备刚插入时的瞬时电流，由于一般U盘的正常工作电流只有几十毫安，所以串接几欧姆的电阻对其影响不大，建议电阻值在1Ω到10Ω之间，阻值大些更安全，但是要确保USB设备正常工作时的电源电压大于4.5V。

如果用电感也可以限制电流突变，防止电源电压突降，但是用电感在USB设备拔出后，容易在USB插座中产生过冲高压，所以需要接储能电容。

（注意，在第一版CH375评估板的原理图中已经标出USB插座的限流电阻R1为1Ω，建议将其换为阻值5Ω的电阻或者保险电阻）

2.3.3.参考目前计算机的解决方法：

USB端口的电源供给是通过保险电阻或限流电感提供的，这些能够限

制瞬时电流。

对于计算机前面板的USB端口，由于本身通过一段较长的连接线，自然减弱了对主电源的影响，而且计算机的5V电源功率很大，连续供电电流都在20A以上，所以不易受影响。

2.4.参考电路

下面是作为USB主机端处理USB插座电源及信号的一些参考电路图，参考了一些计算机主板的做法，用于较为严格的应用环境，常规应用可以不必如此复杂，或者在此基础上进行简化。

2.4.1.下图为较严格的设计图

在USB电源供给线中串接保险电阻或者自恢复保险丝F1，一般500mA以下。

串联电感L1限制峰值电流，感抗在47uH到200uH之间，直流电阻应该不超过3欧姆。

在USB插座的电源上并联独立的储能电容C16缓解电压瞬时下降。

在USB信号线D+和D-上串接共扼电感T1，减少信号干扰。

右边是共扼电感样图，在一些计算机的主板中可以见到。

U13为μP监控电路，为单片机和CH375提供可靠的上电复位。

U12为瞬变电压抑制器件/ESD保护器件，内部一般为高速二极管阵列，在频繁带电插拔USB设备的应用中和静电较强的环境下，建议使用此类器件保护CH375的USB信号引脚，型号为NUP4301MR6T1或NUP2301MW6T1（引脚与图中不同）等，注意不能选用内有电阻的器件。

电容C14用于CH375电源退耦，实际电路还应该在U12和U13附近分别连接0.1uF退耦电容。

该图适用于5V电源电压，如果VCC为3.3V，那么应该将U1的9脚与28脚短路。

图中X1是有源晶振，频率为12MHz，也可以用普通12MHz的晶体及两个振荡电容实现。

2.4.2.另外一种参考电路

在USB电源供给线中串接保险电阻R2，根据U盘最大消耗电流选择限流，一般100mA以下。

在USB插座的电源上并联独立的储能电容C26缓解电压瞬时下降。

在USB信号线D+和D-上串接电阻（0到5欧姆范围内），可选。

在USB信号线D+和D-上并接高频二级管D21-D24，实现简单的ESD保护，性能不如上图中专用IC。

电容C25用于为CH375提供上电复位，性能不如上图中专用IC。

该图适用于5V电源电压，如果VCC为3.3V，那么应该将图中U2的9脚与28脚短路。

USB

芯片的电路及

PCB设计的重要注意事项

３

3、设计3.3V的USB产品

CH372、CH374、CH375、CH341等USB芯片都支持5V电源电压和3.3V电源电压，当电源电压为3.3V时除了以下几点要求之外，其它要求都与5V电源电压时完全相同。

①与USB芯片相连接的所有电路的电源电压都必须不高于3.3V

例如μP监控电路、有源晶振、MCU单片机、SRAM等电源电压都必须为3.3V或者更低

②USB芯片的VCC引脚与V3引脚应该短接，同时输入3.3V电源电压

③用CH375设计USB-HOST产品时，提供给USB插座的电源应该仍然是符合USB规范的5V电源④如果使用瞬变电压抑制器件/ESD保护器件或者保护二极管，那么其正电压应该是3.3V

4、USB主从模式切换

如果使用一个CH375同时实现USB-HOST和USB-DEVICE主从两种USB通讯，那么单片机系统应该自行决定主从模式，主模式通常用于控制其它USB设备（例如读写U盘），从模式通常用于连接到计算机。

单片机决定当前主从模式可以依赖于下述4种方法之一：

操作人员的选择、5针USB插座的ID信号、双USB插座主从判断电路、单USB插座主从判断电路。

注意：

单片机中的判断程序应该有去抖动处理。

4.1.操作人员的选择比较容易实现。

例如，单片机使CH375芯片默认工作于主模式，当有USB设备插入

时CH375会自动通知单片机然后处理；当单片机接收到操作人员的控制指令时，使CH375切换到从模式，以便作为USB设备与计算机通讯。

4.2.用5针USB插座的ID信号是指使用OTG协议中的5针USB插座，向单片机提供一个额外的主从识别

信号，由单片机判断后控制CH375切换工作模式。

4.3.双USB插座主从判断电路如下，端口P4仅用于连接USB设备，端口P42仅用于连接计算机，两者不

能同时使用。

空闲情况下，STATUS为低电平，单片机使CH375工作于主模式，当有USB设备插入P4时CH375会自动通知单片机然后处理。

当端口P42连接到计算机的USB端口时，计算机的USB提供5V电源使STATUS为高电平，所以单片机使CH375切换到从模式。

4.4.单USB插座主从判断电路如下，空闲情况下，节点4V7的电压比USB插座的电源电压高，比较器U31

输出STATUS为低电平，单片机使CH375工作于主模式，当有USB设备插入P3时CH375会自动通知单片机然后处理。

当P3连接到计算机的USB端口时，计算机的USB提供5V电源使USB插座的电源电压比节点4V7的电压高，比较器U31输出STATUS为高电平，所以单片机使CH375切换到从模式。

图中，电阻R3用于产生压差以便比较，D31和D32为压降在0.3V左右的肖特基二极管，型号不限，可选用1N5817或BAT54XV2T1（电流小于100mA）等，D32使节点4V7的电压低于计算机的USB电源电压，D31用于避免输出较大电流时电阻R3压降太大，Z1和Z2为两个性能相同的普通LED发光二级管，用于将输入共模比较电压降到比较器LM393可以接受的范围。

注意，作为USB主机端口，输出USB电源电压约为4.3V到4.8V，部分USB设备可能不适用。

5、工作稳定性和抗干扰

因为USB信号属于模拟信号，所在CH372、CH375、CH341等USB芯片内部包含数字电路和一些模拟电路，另外，USB芯片中还包含时钟振荡及PLL倍频电路，以上3种电路的公共地端在芯片内部已经连接在一起并连接到芯片外部的GND引脚。

如果USB芯片有时工作不正常、或者USB数据传输随机性的失败、或者抗干扰能力差，那么就应该考虑USB芯片是否稳定工作。

影响USB芯片工作稳定性的三大因素是：

①时钟信号不稳定。

这是主要原因，下面将详细分析。

②时钟信号受干扰。

解决方法：

PCB设计时尽量不在晶体及振荡电容附近走线，尤其是不要走继电

器、电动机等带有瞬时冲击电流的电源线和强信号线；在晶体及振荡电容周边布置GND铺铜屏蔽干扰；可以将晶体外壳接地（人手碰到晶体外壳会引入干扰）；或者使用有源晶振等。

③USB信号受干扰。

解决方法：

PCB设计时使USB信号线D+和D-平行布线，最好在两侧布置GND铺

铜，减少干扰。

应该使用符合USB规范的USB传输线，不能使用普通线缆。

5.1.时钟信号不稳定

时钟信号不稳定通常是PCB布线中GND走线不佳。

参考下图，该图适用于CH372、CH374、CH375、CH341、CH340等USB芯片。

图中有6个接地点，分别是A、B、C、D、E、F，设计电路及PCB时应该尽量避免这6个GND点之间存在电压差（主要是指数字电路中的高频毛刺电压，也就是数字噪声）。

解决方法是：

①尽量缩短这6个点之间的距离；②类似模拟电路设计中的单点接地；③大面积GND铺铜及GND多点过孔VIA降低高频信号阻抗。

图中最关键的是E点、F点与D点之间不能存在高频毛刺电压差，可以用示波器探头地接D点测量时钟输入端XI引脚的12MHz时钟波形是否有抖动。

5.2.参考PCB设计1（需要多加几个GND过孔后GND铺铜）

下图适用于CH375或CH341芯片，由于GND引脚紧靠XI引脚和XO引脚，所以比较容易走线。

5.3.参考PCB设计2（需要多加几个GND过孔后GND铺铜）

USB芯片的电路及PCB设计的重要注意事项6下图适用于CH372芯片,GND引脚借助过孔VIA及冗余GND线连接时钟振荡电路等.5.4.参考PCB设计3（需要多加几个GND过孔后GND铺铜下图适用于CH372芯片,GND走线和时钟信号线都比较短,时钟信号受到GND屏蔽保护.5.5.不良设计下图中CH372的GND引脚远离电容C1和C2的GND端,并且C1和C2的GND端与单片机MCU的GND连接,所以MCU的数字噪声将被引入CH372的XI引脚和XO引脚.建议改为:

在C1和C2的GND端与CH372的GND引脚之间连接短线甚至断开MCU的GND（实际上这几个GND之间仍然是物理相通的.客观的讲,CH372,CH375,CH341等USB芯片对时钟的稳定性要求较高,稍有不稳定就会影响USB传输甚至不工作.如果只是个人做USB实验,下图中的这块PCB仍然能够在99.9%的情况下正常工作.如果是做批量产品的生产,那么强烈建议改进这块PCB的布线以提高稳定性.