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.
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