USB 3.0硬件设计

• 概述

USB3.0相比2.0在硬件物理连接上有较大的改变，采用的是RX/TX全双工链路设计，由2对差分信号组成，同时向下兼容USB2.0，所以整个接口有3对差分信号，分别为USB3_RXM/USB3_RXP，USB3_TXM/USB3_TXP，USB2_DM/USB2_DP，USB3.0的传输速率可达到5Gbps，相比USB2.0 480Mbps有比较大的提供。

• 硬件原理设计

如下图，为USB3.0的Data数据连接原理图，从电路上可以看是USB2.0为半双工，数据收发在一对差分信号上传输。USB3.0为全双工，收发信号为独立的传输路径；其次，由于Sink端的直流偏置电压和source端的直流偏置电压不一样，故要需要串入AC耦合电容，电容一般取100nF，一般靠近驱动端放置，电容在设计上要求ESR ESL（特别重要）尽量小。

USB 3.0的Host的RX连接到Device Tx，Host的Tx连接到Device的 Rx，类似于我们常用的UART接口的连接。

 

• PCB Layout设计

硬件连接上相对比较简单，最终需要PCB Layout设计来保证信号的完整性，接下来从PCB层叠结构、阻抗控制、走线要求等细节上说明USB3.0的设计的注意事项

​​​​​​​​​​​​​​1. PCB层叠结构要求

以下是4层板的层叠结构图，可通过Si9000计算出差分对所约束的线宽线距。

对于PCB阻抗线的定义，受那些物理参数影响，请自行查阅相关

​​​​​​​2. USB差分阻抗控制要求

参考USB PHY手册，基于上图的层叠结构，计算出差分信号所要求的线宽线距，本文为ASM1153 为例进行阐述：

ASM1153为USB 3.0转Sata接口的桥芯片，要求USB 3.0的差分阻抗为85欧，USB2.0为90欧，差分对等长公差在

+/-5mil。

​​​​​​​3. PCB走线要求

5Gbps的速率需要以高速线的设计规则来严格把关走线，充分考虑PCB的设计细节

3.1 PCB出线要求尽可能平等出差，具体走线参考下图：

3.2 走线换层需要在信号过孔旁边增加地过孔，用于信号的回流（高速通用规则）

3.3 USB信号测试点的放置建议如下图，“一”字形放置在路径上，非Y字形或T字形放置，并且测试焊盘如果走线不连续的较大焊盘，请将相邻层的GND层垂直于测试焊盘掏空，避免出现影响信号的寄生电容或等效电容。测试点的焊盘尺寸，应尽可能的小，如果必需要放置测试点的话，比照0402封装的焊盘尺寸或直接将测试点放置在信号线的过孔上。

3.4 关于等长匹配蛇形线的走线方式，建议按下图方式走线

3.5 USB3.0 的P/M如果走线上有交差，可以将差分对的P/M交换，USB3允许P/M反转