USB 2.0 高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)

５Ｖ／３．３Ｖ的降壓調(diào)節(jié)器用于將ＰＣＩ總線(xiàn)提供的５Ｖ電源轉(zhuǎn)換成主控制器需要的３．３Ｖ直流電源；系統(tǒng)時(shí)鐘由３０ＭＨｚ晶振提供；電源控制開(kāi)關(guān)提供短路和過(guò)流保護(hù)，而且每個(gè)下游端口都有各自的控制開(kāi)關(guān)；串行ＥＥＰＲＯＭ用于存儲(chǔ)子系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符、子系統(tǒng)廠(chǎng)商標(biāo)識(shí)符等相關(guān)信息。

ＵＳＢ２．０高速主機(jī)適配卡，通過(guò)主控制器和根集線(xiàn)器，使得主機(jī)操作系統(tǒng)與下游５個(gè)端口的ＵＳＢ設(shè)備或集線(xiàn)器之間實(shí)現(xiàn)同步通信，可以處理ＵＳＢ１．０、ＵＳＢ１．１、ＵＳＢ２．０三種傳輸速率。它支持熱插拔、總線(xiàn)供電，每個(gè)端口最大可有５００ｍＡ電流。連接ＵＳＢ２．０設(shè)備或集線(xiàn)器的ＵＳＢ電纜的最大長(zhǎng)度為５ｍ，設(shè)備連接采用不超過(guò)７層的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可連接多達(dá)１２７個(gè)ＵＳＢ設(shè)備或集線(xiàn)器。

１．３ ＵＳＢ ２．０高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于ＵＳＢ２．０高速的傳輸速率，如何提高ＵＳＢ２．０信號(hào)的傳輸質(zhì)量，減小電磁干擾（ＥＭＩ）和靜電放電（ＥＳＤ）成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文從電路設(shè)計(jì)和ＰＣＢ 設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)在數(shù)字電源ＶＤＤ和數(shù)字地ＶＳＳ之間盡可能多放一些去耦電容，同時(shí)在靠近ＵＳＢ２．０主控制器芯片處多放一些旁路電容，以減少耦合，降低高頻輻射噪聲；在盡可能靠近主控制器信號(hào)管腳處放負(fù)載電阻，維持對(duì)地４５Ω的高速負(fù)載；在下游每個(gè)端口，放１５ｋΩ下拉電阻；在盡可能靠近接插元件處放差分模式阻抗較低的共模扼流元件和ＥＳＤ抑制元件，如圖３所示，以提高差分信號(hào)質(zhì)量，降低干擾，確保在ＥＭＩ測(cè)試中得到足夠的余量。

ＰＣＢ設(shè)計(jì)采用四層印刷電路板，第一、四層為信號(hào)層，第二層為電源層，第三層為地層。第四層為ＵＳＢ２．０最佳布線(xiàn)層，在地層應(yīng)將模擬地和數(shù)字地嚴(yán)格分開(kāi)。在可能的情況下，不要將ＵＳＢ布線(xiàn)在晶振、時(shí)鐘和磁性設(shè)備或ＩＣ的下面。分層厚度和主要信號(hào)的走線(xiàn)寬度，都必須采用阻抗控制并進(jìn)行阻抗匹配，以滿(mǎn)足規(guī)定的阻抗值，其中包括保持Ｄ＋和Ｄ－兩條信號(hào)線(xiàn)同樣長(zhǎng)度且始終平行，以得到Ｄ＋／Ｄ－９０Ω的差分對(duì)阻抗及４５Ω的共模阻抗。時(shí)鐘電路也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來(lái)源，故應(yīng)將晶振元件放在距離ＵＳＢ２．０芯片盡可能遠(yuǎn)的區(qū)域，保證信號(hào)線(xiàn)Ｄ＋／Ｄ－和高速時(shí)鐘線(xiàn)之間的距離越遠(yuǎn)越好，以減少高頻輻射影響。同時(shí)還要限定Ｄ＋／Ｄ－以及高速時(shí)鐘線(xiàn)的長(zhǎng)度，使線(xiàn)長(zhǎng)最短。盡可能增大每對(duì)信號(hào)線(xiàn)之間的距離，避免９０°直角布線(xiàn)等。

在選擇外圍附件時(shí)，必須選擇ＵＳＢ２．０電纜、ＵＳＢ２．０連接器，并將面板等機(jī)械部件正確地與高速主機(jī)適配卡、主機(jī)相連，保證良好的屏蔽，以減少靜電放電干擾。

２ 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

ＵＳＢ實(shí)施者論壇（ＵＳＢ－ＩＦ）提供ＵＳＢ設(shè)備與主機(jī)軟件的測(cè)試，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 提供Ｗｉｎｄｏｗｓ 硬件品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 ＷＨＱＬ Ｔｅｓｔｉｎｇ。對(duì)于ＵＳＢ２．０高速主機(jī)適配卡，除了上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試外，還包括高速信號(hào)傳輸質(zhì)量的測(cè)試、功能測(cè)試、電磁兼容國(guó)際認(rèn)證測(cè)試等。

利用Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＤＳ６９４Ｃ、ＴＤＳ５４４ 示波器進(jìn)行高速信號(hào)傳輸質(zhì)量的測(cè)試，其中包括高速差分對(duì)Ｄ＋／Ｄ－ 眼圖、信號(hào)傳輸速率、接收靈敏度、振幅、差分對(duì)Ｄ＋／Ｄ－輸出阻抗等測(cè)試。測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足ＵＳＢ２．０主控制器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足ＵＳＢ２．０ 的設(shè)計(jì)規(guī)范，測(cè)試連接見(jiàn)圖４。

ＵＳＢ２．０高速主機(jī)適配卡功能測(cè)試，即采用Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｅ、Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８ＳＥ等不同的操作系統(tǒng)，與不同的ＵＳＢ設(shè)備連接測(cè)試。包含與ＵＳＢ１．０低速設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)的連接；與ＵＳＢ１．１全速設(shè)備如ＨＤＤ、音頻設(shè)備的連接；與ＵＳＢ２．０高速設(shè)備如ＵＳＢ２．０ Ｈｕｂ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、視頻會(huì)議攝像機(jī)、掃描器、寬帶打印機(jī)、攝像機(jī)等的連接，進(jìn)行“Ｗｉｎｔｅｓｔ” 測(cè)試。所有的測(cè)試結(jié)果表明，ＵＳＢ２．０高速主機(jī)適配卡能夠在不同的操作系統(tǒng)下，與多個(gè)廠(chǎng)家的ＵＳＢ設(shè)備兼容，提供良好的性能。

基于北美、歐盟和世界范圍內(nèi)的很多國(guó)家都有強(qiáng)制性的電磁兼容規(guī)范，如ＦＣＣ、ＶＣＣＩ、ＵＬ、ＣＥ等，電磁兼容和靜電放電測(cè)試對(duì)ＵＳＢ２．０高速主機(jī)適配卡來(lái)說(shuō)也是非常重要的。由于在設(shè)計(jì)中著重考慮了電磁兼容和靜電放電等問(wèn)題，并進(jìn)行多方改進(jìn)，這種新型的ＵＳＢ２．０高速主機(jī)適配卡通過(guò)了電磁兼容的國(guó)際認(rèn)證測(cè)試，性能可靠，應(yīng)用前景廣闊。