本文介紹下USB2.0相關知識，硬件工程師需要關注的點。

文章內容主要來源于USB官方協議，協議本身內容太多，本文主要講硬件工程師需要了解的重點做了一個匯總并分享出來。

USB線纜

顏色說明

電源VBUS：紅色

D-：白色

D+：綠色

地GND：黑色

線材長度：最長5m（沒看到協議里有規定長度，現實中使用最長也只看到5m）。

屏蔽與雙絞說明

如果是用在高速/全速設備，線纜需要做屏蔽，數據線需要雙絞。并且，協議規定，數據線的線號為28AWG，電源和地線的線號為20AWG-28AWG。線材差分特性阻抗為90Ω±15%。

可能許多同仁知道在PCB設計中USB差分線要做90Ω阻抗，而忽略在用USB線材也是需要做阻抗的。其實這也很容易想明白，無論是在PCB板，還是線材傳輸USB信號，都需要盡量保證阻抗不變，減少信號反射，保證信號完整性。

雙絞線的特征阻抗與線芯的粗細，間距，屏蔽層等等都是有關系的。USB2.0協議具體定了雙絞線的線號固定為AWG28號，而不像電源和地線的線徑那樣是一個范圍。之所以這樣筆者認為是這樣的線材做出來線材的特征阻抗做出來正好是90Ω。

所以，在實際應用中，特別是USB線比較長的時候，要注意選擇一些好的線材，要去看線徑粗細，是否屏蔽等等。某寶上面賣的線材各式各樣，一些便宜的線就是USB里面4根導線接通了而已。

線纜屏蔽如何接GND

屏蔽層接到兩端插頭上，設計者自己根據EMI/ESD/EFI的情況來選擇接GND方案。----即線材上面沒有把屏蔽層直接與GND接到一起的，具體選擇線材兩端都接GND還是單端接GND，由設計者自己來定。

電特性

信號速率

低速：1.5Mb/s

全速：12Mb/s

高速：480Mb/s

這個速率一般人都知道，請繼續看下面編碼。

編碼方式-NRZI

USB的編碼方式NRZI（非歸零反向編碼），提到這個是為了說明信號的時鐘周期（等效時鐘，并沒有專門的時鐘線）到底是多少，因為這個才是我們硬件工程師關注的。

NRZI編碼，如下圖，實際的波形如下圖的NRZI，紅色的方框可以看作是信號的一個完整周期。一個完整的周期傳輸了2個bit，上升沿，下降沿各傳輸一個bit。

所以，USB2.0高速模式數據bit率是480Mb/s，USB等效時鐘是240Mhz，并不是480Mhz。

信號電壓

高低電平：

發送端

---全速FS和低速LS輸出的低電平電壓0~0.3V；輸出高電平電壓2.8V~3.6V；

---HS輸出的差分低電平電壓-10~+10mV；輸出差分高電平電壓360~440mV.

接收端：D+ - D- ≥ 300mV

高速模式USB信號接收端眼圖如下：

電源電壓-電流：

高電源口---4.75-5.25V，供流能力大于500mA

低電源口---4.4V-5.25V，供流能力大于100mA

詳細介紹在官方協議的Page178-Page190頁

關于USB口的5V電源。對于比較復雜的產品，USB口只是其中的一個功能，建議在USB口加上限流電路。原因是產品的5V電源很有可能不僅僅是用在USB接口，產品內部其它芯片也可能會用，如果沒有加限流，在異常情況下，如果接入的USB設備本身是有問題，比如電源和GND短路，這樣就導致整個5V電源短路，造成整機用到5V的地方都不正常。

下面為一個常見的USB限流芯片的限流電路SGM2551A。

模式識別

在USB設備連接時，USB系統能自動檢測到這個連接，并識別出其采用的數據傳輸速率。USB采用在D+或D-線上增加上拉電阻的方法來識別低速和全速設備。

如下圖，D-通過1.5K電阻上拉為低速設備，D+通過1.5K電阻上拉為全速設備。

那么USB是如何識別為高速設備的呢？

高速設備是以一個全速設備的身份出現的，即和全速設備一樣，高速設備也在D+端有一個1.5K的上拉電阻。USB2.0的HUB把設備當成一個全速設備，然后進行一系列的握手信號來確認雙方的身份。詳細見下面分享的附件。

USB防護

一般來說，usb是要加tvs管做防護的，關于USB防護器件的選擇，筆者認為數據線上面的TVS管有兩點需要注意。

---數據線上TVS管的引入電容要盡量小，1pF以下為宜。

---數據線上TVS管要選用在5V上的。曾經一直沒明白為什么是5V，不是3.3V，看信號電壓沒超過5V了。

這里有一個原因：協議（page124）里面明確規定了，在數據線與5V電源短路的時候，是不能燒壞的，所以說明數據線上面5V電壓是可以抗住的。如果我們選用Vbr大于3.3V而小于5V的TVS管子，那么在5V短路的時候，TVS管子是會燒掉的。