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硬件電路設計之USB電路設計

CHANBAEK ? 來源: 一杯苦Coffee ? 作者: 一杯苦Coffee ? 2023-11-08 11:43 ? 次閱讀

1 簡介

USB是通用串行總線(Universal Serial Bus),其主要的特點是高速、靈活。USB的發展歷史可追溯到1996年,隨著時間的推移,USB的速率逐漸提高,現在USB 3.1最高的速率可達 10Gbps 。具體的發展歷程見下表:

版本最大傳輸USB名稱供電能力推出時間
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設計說明

  • USB是如何識別主機還是從機?

USB電路是有主從之分的,那么在物理層又是如何實現的。USB連接器上有一個USB_ID的引腳。 對于Host設備,USB_ID引腳拉低 ;對 應Device設備,USB_ID引腳置高或者懸空

  • 如何實現高速模式與低速模式?

USB2.0的工作模式由高速模式和低速模式兩種。當USB為Host時,D+、D-上分別接一個15K的下拉電阻,這樣可以使得在沒有設備插入的時候,D+、D-上始終保持低電平;當USB為Host時,D+和D-那么如何設計高速模式和低速模式,詳情配置見下:

  • 高速模式 :D+被拉高,D-保持不變。
  • 低速模式 :D-被拉高,D+保持不變。
  • 如何識別是USB2.0還是USB3.0?

插入電纜后等效電路可以看成一個RC回路,而RC回路有一個重要特性,就是時間常數,這個常數就是R和C乘積,也是影響充放電特性。

圖片

可以看出,插入和拔除電纜,將Vo充電到特定的電壓,則插入電纜后,充電需要的時長增加了。電腦的USB 3.0主機就是根據這個特性探測到U盤是支持超速特性的,否則插入電纜前后如果充電到電壓VO沒有時間變化的話,電腦就認為是高速ü盤,而不是超速U盤了。

3 USB電路設計

  • USB連接器

USB2.0內部塑料是白色;USB3.0內部塑料是藍色。

圖片

  • 共模電感L2 :濾除共模干擾。
  • TVS管D1、D2、D3 :防止靜電損壞板卡上的電子器件。
  • 濾波電容C1、C2 :給干擾提供一個低阻抗的路徑。
  • USB3.0電路
    USB3.0信號包含 一組低速差分信號兩組高速差分信號 、 一組電源信號 (5V電源+GND,通常需要連接電源開關),詳情見下:

圖片

  • 電源開關電路

USB的電源設計也是十分講究的,USB 2.0采用5V電源供電,電流為600mA,該電源需要使用電源開關與板載的5V隔離開,此處我們選用的電源開關是TPS2065CDGN具體電路見下:

圖片

該型號是高電平使能,我們可以直接將Control Sinnal 連接到Fault Signal。當電流過大時,Fault Signal拉低,芯片失能,芯片輸出關閉。

3 USB HUB電路設計

此處介紹兩種USB HUB相關電路,分別是RTS5489-GR和RTS5411S-GRT。需要電路的同學可隨時私聊我。

  • RTS5489-GR HUB電路設計
  • RTS5489-GR核心部分

RTS5489-GR有一個USB3.0上行接口、四個USB3.0下行接口,配置使用I2C接口。

圖片

  • 電源部分
    供電采用3.3V,其它所需電源軌可通過內部LDO轉換得到。

圖片

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  • 自檢電路

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  • 晶振電路

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  • 配置電路

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  • Flash電路
    這部分電路可以不使用,具體得看需求。

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  • RTS5411S-GRT HUB電路設計
  • RTS5489-GR核心部分
    RTS5489-GR有一個USB3.0上行接口、四個USB3.0下行接口,配置使用I2C接口。
    圖片
  • 電源部分

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  • 自檢電路

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  • 晶振電路

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  • 配置電路

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