USB 芯片的电路及PCB 设计的重要注意事项.docx

1、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 USB 芯片的电路及PCB 设计的重要注意事项版本：2D1、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、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 、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 、关于USB 主从模式切换：用CH374、CH375设计的USB-HOS

2、T 和USB-DEVICE 产品中，如何识别并进行USB 主从模式切换、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： 导致CH375复位或者单片机复位（尤其是采用P 监控电路的单片机系统） CH375或者单片机突然工作不正常，失去控制 CH375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

3、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，

4、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

5、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

6、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 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1到10之间，阻值大

7、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1，建议将其换为阻值5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

8、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P 监控电路，为单片机和C

9、H375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

10、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、设计3.3V 的USB 产品CH372、CH3

11、74、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。 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P 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 USB 芯片的VCC 引脚与V3引脚应该短接，同时输入3.3V 电源电压 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 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3.3V4、USB 主从

12、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CH3

13、75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

14、.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4V

15、7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

16、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： 时钟信号不稳定。这是主要原因，下面将详细分析。 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。 USB 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

17、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：尽量缩短这6个点之间的距离；类似模拟电路设计中的单点接地；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

18、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

19、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.