数字电路硬件设计系列（十二）之USB电路设计

推荐查看原文：硬件电路设计之USB电路设计（含USB HUB电路）USB是通用串行总线（Universal Serial Bus），其主要的特点是高速、灵活。USB的发展历史可追溯到1996年，随着时间的推移，USB的速率逐渐提高，现在USB 3.1最高的速率可达10Gbps。https://mp.weixin.qq.com/s/YK9MhKOnOxWIbCC60zp_MQ

1 简介

USB电路，在我们的平时的应用十分的广泛，常见的鼠标，键盘、显示屏的触摸功能等，对外的接口均使用的是USB接口。USB接口主要可以划分为两种：USB 2.0、USB 3.0。从连接器上区分的依据是，内部颜色白色的为USB 2.0接口，内部颜色为蓝色的为USB 3.0接口（当然也不是绝对是这样的）。详情见图：

3 电路设计

3.1 USB 2.0电路设计

USB 2.0主要有4个引脚：分别是VCC、GND、D+、D-。见下图：

很明显，其中多了一个ID的引脚，这个引脚用于区分是Host还是Peripheral：

• Host:连接到GND

• Peripheral:浮空

另外，USB的电源设计也是十分讲究的，USB 2.0采用5V电源供电，电流为600mA，该电源需要使用电源开关与板载的5V隔离开，此处我们选用的电源开关是TPS2065CDGN具体电路见下：

分析：该型号是高电平使能，我们可以直接将Control Sinnal 连接到Fault Signal。当电流过大时，Fault Signal拉低，芯片失能，芯片输出关闭。

现在我们来分析一下，为什么5V为什么不能由板载5V输出？

分析：当USB两端均对外提供5V电源，且电压存在微小的电压差，由于导线的电阻很小，通过欧姆定律可知：当电压为固定值，电阻无穷大时，电流将会趋近+∞。仿真电路如下：

3.2 USB 3.0电路设计

USB 3.0在USB 2.0的基础上增加了两组差分信号，分别用于信号的发送和接收。

有些连接上也会有ID的引脚，其功能与USB 2.0上类似。同样的，USB 3.0的5V电源也需要与板载的5V电源隔离，也需要使用电源开关,TPS2065CDGN允许通过的最大电流为1A，USB 3.0的最大电流为900mA,在此处同样适用。

在进行电路设计时，USB 3.0的两组高速差分信号的质量通常比较差，最好在线路上增加两个共模电感进行滤波。

4 USB电路设计细节

4.1 USB识别主从

USB的USB_ID引脚，可用于识别Host和Device。具体的引脚配置如下：

• 对于Host，USB_ID引脚拉低。

• 对于Device，USB_ID引脚悬空。

4.2 高速模式与低速模式

USB2.0的工作模式由高速模式和低速模式两种。当USB为Host时，D+、D-上分别接一个15K的下拉电阻，这样可以使得在没有设备插入的时候，D+、D-上始终保持低电平；当USB为Host时，D+和D-那么如何设计高速模式和低速模式，详情配置见下：

• 高速模式：D+被拉高，D-保持不变。

• 低速模式：D-被拉高，D+保持不变。

4.3 如何识别3.0接口

插入电缆后等效电路可以看成一个RC回路，而RC回路有一个重要特性，就是时间常数，这个常数就是R和C乘积，也是影响充放电特性。

可以看出，插入和拔除电缆，将Vo充电到特定的电压，则插入电缆后，充电需要的时长增加了。电脑的USB 3.0主机就是根据这个特性探测到U盘是支持超速特性的，否则插入电缆前后如果充电到电压VO没有时间变化的话，电脑就认为是高速ü盘，而不是超速U盘了。