USB 芯片的電路及PCB 設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng)

1、USB 芯片的電路及PCB 設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng) USB 芯片的電路及PCB 設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng)版本：2D1、摘要本文主要針對(duì)以下因電路及PCB 設(shè)計(jì)不佳而引起的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和解答、關(guān)于USB 設(shè)備帶電熱插拔：（重要）用CH374、CH375設(shè)計(jì)的USB-HOST 電路中，當(dāng)某些USB 設(shè)備帶電插入時(shí)，工作不正?；蛘咝酒l(fā)熱 、關(guān)于設(shè)計(jì)3.3V 的USB 產(chǎn)品：用CH372、CH374、CH375、CH341等USB 芯片設(shè)計(jì)3.3V 電源電壓的USB 產(chǎn)品時(shí)需要注意的事項(xiàng) 、關(guān)于USB 主從模式切換：用CH374、CH375設(shè)計(jì)的USB-HOST 和USB-DEVICE 產(chǎn)品中，如何識(shí)別并

2、進(jìn)行USB 主從模式切換、關(guān)于工作穩(wěn)定性和抗干擾：（重要）用CH372、CH375、CH341等USB 芯片設(shè)計(jì)的USB 產(chǎn)品，如何提高可靠性和抗干擾能力2、USB 設(shè)備帶電熱插拔2.1. 故障現(xiàn)象在使用CH375評(píng)估板的過程中，或者在自行設(shè)計(jì)的USB-HOST 產(chǎn)品中，某些USB 設(shè)備帶電插入時(shí)： 導(dǎo)致CH375復(fù)位或者單片機(jī)復(fù)位（尤其是采用P 監(jiān)控電路的單片機(jī)系統(tǒng)） CH375或者單片機(jī)突然工作不正常，失去控制 CH375芯片的工作電流突然增大并且持續(xù)如此，時(shí)間長(zhǎng)了芯片發(fā)熱燙手甚至芯片損壞2.2. 原因分析USB 支持動(dòng)態(tài)帶電插拔，以CH375評(píng)估板使用U 盤為例。由于U 盤內(nèi)部都有電源退

3、耦電容，當(dāng)U 盤剛插入U(xiǎn)SB-HOST 插座時(shí)，評(píng)估板必然要對(duì)其充電，由于瞬間充電電流很大（微秒級(jí)瞬間峰值可達(dá)幾安培），所以導(dǎo)致主機(jī)端的電源電壓VCC 突降（用高速的數(shù)字存儲(chǔ)示波器可以看出，越靠近USB 插座的位置，電源電壓降得越嚴(yán)重），這個(gè)電壓突降過程可能只有幾十微秒甚至幾百納秒，但是一旦被CH375或者uP 監(jiān)控電路檢測(cè)到，就會(huì)被當(dāng)作電源上電或者電源下電，從而有可能導(dǎo)致CH375和單片機(jī)被復(fù)位。并且，由于U 盤插入過程引起的電壓突降是一種不確定的瞬時(shí)狀態(tài)，例如幾十納秒的電壓突降，所以有可能使CH375或者單片機(jī)不完全復(fù)位，從而工作不正常。另外，由于CH375的V3引腳接有電容，在U 盤插入

4、過程中，如果CH375的VCC 引腳的電源電壓突降到2.5V 以下，而CH375的V3引腳被其外接電容保持在3.5V 以上，出現(xiàn)CH375的普通引腳電壓超過電源引腳VCC 的特殊情況，那么將容易導(dǎo)致CMOS 電路CH375出現(xiàn)大電流閂鎖，芯片發(fā)熱，長(zhǎng)時(shí)間還會(huì)損壞。如果CH375的V3引腳不接電容，則不會(huì)出現(xiàn)大電流，V3引腳的電容用于內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，改善USB 傳輸過程中的EMI ，通常容量是在4700pF 到0.1uF 范圍，建議容量為0.01uF ，即103電容。由于有些USB 設(shè)備內(nèi)部的電源退耦電容較小，或者內(nèi)部串有限流電阻或者電感，所以只有少數(shù)峰值電流較大的USB 設(shè)備會(huì)在某些條件下出

5、現(xiàn)上述現(xiàn)象，而且這種情形還與PCB 中USB 電源線的布線有關(guān)。還有一種意外情況（不是設(shè)計(jì)原因）就是，USB 插座或USB 線損壞或者焊接原因?qū)е耈SB 信號(hào)線D+或D-與VCC 之間短路、USB 信號(hào)線D-與GND 之間短路，這種情況會(huì)引起CH375芯片發(fā)熱甚至損壞。2.3. 解決方法（以下幾種任選一種，或者多種并用更加可靠）最核心的一句話就是：在USB 設(shè)備插拔的過程中，確保CH375和單片機(jī)的電源電壓保持不變2.3.1. 給USB 插座單獨(dú)供電，使USB 設(shè)備剛插上時(shí)的電容充電過程不影響單片機(jī)和CH375。變通方法是，將5V 主電源分別通過兩個(gè)獨(dú)立的限流電感后（或者在PCB 中電源線分開

6、走），一組提供給CH375和單片機(jī)等，另一組提供給USB 插座。注意，在電感后面應(yīng)該有退耦電容或者負(fù)載，防止USB 設(shè)USB 芯片的電路及 PCB 設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng) 備拔出時(shí)由電感產(chǎn)生過沖高電壓。這種方法更適合連接消耗電流較大的USB 外置硬盤。2.3.2. 在USB 插座前串接限流電阻或電感，并在USB 插座電源上并聯(lián)儲(chǔ)能用的電解電容。例如，在CH375評(píng)估板的原理圖中，電容C23用于儲(chǔ)能，電阻R1用于限制USB 設(shè)備剛插入時(shí)的瞬時(shí)電流，由于一般U 盤的正常工作電流只有幾十毫安，所以串接幾歐姆的電阻對(duì)其影響不大，建議電阻值在1到10之間，阻值大些更安全，但是要確保USB 設(shè)備正常工作時(shí)的電

7、源電壓大于4.5V 。如果用電感也可以限制電流突變，防止電源電壓突降，但是用電感在USB 設(shè)備拔出后，容易在USB 插座中產(chǎn)生過沖高壓，所以需要接儲(chǔ)能電容。（注意，在第一版CH375評(píng)估板的原理圖中已經(jīng)標(biāo)出USB 插座的限流電阻R1為1，建議將其換為阻值5的電阻或者保險(xiǎn)電阻）2.3.3. 參考目前計(jì)算機(jī)的解決方法：USB 端口的電源供給是通過保險(xiǎn)電阻或限流電感提供的，這些能夠限制瞬時(shí)電流。對(duì)于計(jì)算機(jī)前面板的USB 端口，由于本身通過一段較長(zhǎng)的連接線，自然減弱了對(duì)主電源的影響，而且計(jì)算機(jī)的5V 電源功率很大，連續(xù)供電電流都在20A 以上，所以不易受影響。2.4. 參考電路下面是作為USB 主機(jī)端

8、處理USB 插座電源及信號(hào)的一些參考電路圖，參考了一些計(jì)算機(jī)主板的做法，用于較為嚴(yán)格的應(yīng)用環(huán)境，常規(guī)應(yīng)用可以不必如此復(fù)雜，或者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化。2.4.1. 下圖為較嚴(yán)格的設(shè)計(jì)圖在USB 電源供給線中串接保險(xiǎn)電阻或者自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1，一般500mA 以下。串聯(lián)電感L1限制峰值電流，感抗在47uH 到200uH 之間，直流電阻應(yīng)該不超過3歐姆。在USB 插座的電源上并聯(lián)獨(dú)立的儲(chǔ)能電容C16緩解電壓瞬時(shí)下降。在USB 信號(hào)線D+和D-上串接共扼電感T1，減少信號(hào)干擾。右邊是共扼電感樣圖，在一些計(jì)算機(jī)的主板中可以見到。U13為P 監(jiān)控電路，為單片機(jī)和CH375提供可靠的上電復(fù)位。U12為瞬變電壓抑

9、制器件/ESD保護(hù)器件，內(nèi)部一般為高速二極管陣列，在頻繁帶電插拔USB 設(shè)備的應(yīng)用中和靜電較強(qiáng)的環(huán)境下，建議使用此類器件保護(hù)CH375的USB 信號(hào)引腳，型號(hào)為NUP4301MR6T1或NUP2301MW6T1（引腳與圖中不同）等，注意不能選用內(nèi)有電阻的器件。電容C14用于CH375電源退耦，實(shí)際電路還應(yīng)該在U12和U13附近分別連接0.1uF 退耦電容。 該圖適用于5V 電源電壓，如果VCC 為3.3V ，那么應(yīng)該將U1的9腳與28腳短路。圖中X1是有源晶振，頻率為12MHz ，也可以用普通12MHz 的晶體及兩個(gè)振蕩電容實(shí)現(xiàn)。2.4.2. 另外一種參考電路在USB 電源供給線中串接保險(xiǎn)電阻

10、R2，根據(jù)U 盤最大消耗電流選擇限流，一般100mA 以下。 在USB 插座的電源上并聯(lián)獨(dú)立的儲(chǔ)能電容C26緩解電壓瞬時(shí)下降。在USB 信號(hào)線D+和D-上串接電阻（0到5歐姆范圍內(nèi)），可選。在USB 信號(hào)線D+和D-上并接高頻二級(jí)管D21-D24，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的ESD 保護(hù)，性能不如上圖中專用IC 。 電容C25用于為CH375提供上電復(fù)位，性能不如上圖中專用IC 。該圖適用于5V 電源電壓，如果VCC 為3.3V ，那么應(yīng)該將圖中U2的9腳與28腳短路。USB 芯片的電路及 PCB 設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng)3、設(shè)計(jì)3.3V 的USB 產(chǎn)品CH372、CH374、CH375、CH341等USB 芯片都支

11、持5V 電源電壓和3.3V 電源電壓，當(dāng)電源電壓為3.3V 時(shí)除了以下幾點(diǎn)要求之外，其它要求都與5V 電源電壓時(shí)完全相同。 與USB 芯片相連接的所有電路的電源電壓都必須不高于3.3V例如P 監(jiān)控電路、有源晶振、MCU 單片機(jī)、SRAM 等電源電壓都必須為3.3V 或者更低 USB 芯片的VCC 引腳與V3引腳應(yīng)該短接，同時(shí)輸入3.3V 電源電壓 用CH375設(shè)計(jì)USB-HOST 產(chǎn)品時(shí)，提供給USB 插座的電源應(yīng)該仍然是符合USB 規(guī)范的5V 電源 如果使用瞬變電壓抑制器件/ESD保護(hù)器件或者保護(hù)二極管，那么其正電壓應(yīng)該是3.3V4、USB 主從模式切換如果使用一個(gè)CH375同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB-

12、HOST 和USB-DEVICE 主從兩種USB 通訊，那么單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該自行決定主從模式，主模式通常用于控制其它USB 設(shè)備（例如讀寫U 盤），從模式通常用于連接到計(jì)算機(jī)。單片機(jī)決定當(dāng)前主從模式可以依賴于下述4種方法之一：操作人員的選擇、5針USB 插座的ID 信號(hào)、雙USB 插座主從判斷電路、單USB 插座主從判斷電路。注意：?jiǎn)纹瑱C(jī)中的判斷程序應(yīng)該有去抖動(dòng)處理。4.1. 操作人員的選擇比較容易實(shí)現(xiàn)。例如，單片機(jī)使CH375芯片默認(rèn)工作于主模式，當(dāng)有USB 設(shè)備插入時(shí)CH375會(huì)自動(dòng)通知單片機(jī)然后處理；當(dāng)單片機(jī)接收到操作人員的控制指令時(shí)，使CH375切換到從模式，以便作為USB 設(shè)備與計(jì)算機(jī)

13、通訊。4.2. 用5針USB 插座的ID 信號(hào)是指使用OTG 協(xié)議中的5針USB 插座，向單片機(jī)提供一個(gè)額外的主從識(shí)別信號(hào)，由單片機(jī)判斷后控制CH375切換工作模式。4.3. 雙USB 插座主從判斷電路如下，端口P4僅用于連接USB 設(shè)備，端口P42僅用于連接計(jì)算機(jī)，兩者不 能同時(shí)使用?？臻e情況下，STATUS 為低電平，單片機(jī)使CH375工作于主模式，當(dāng)有USB 設(shè)備插入P4時(shí)CH375會(huì)自動(dòng)通知單片機(jī)然后處理。當(dāng)端口P42連接到計(jì)算機(jī)的USB 端口時(shí)，計(jì)算機(jī)的USB 提供5V 電源使STATUS 為高電平，所以單片機(jī)使CH375切換到從模式。4.4. 單USB 插座主從判斷電路如下，空閑情

14、況下，節(jié)點(diǎn)4V7的電壓比USB 插座的電源電壓高，比較器U31輸出STATUS 為低電平，單片機(jī)使CH375工作于主模式，當(dāng)有USB 設(shè)備插入P3時(shí)CH375會(huì)自動(dòng)通知單片機(jī)然后處理。當(dāng)P3連接到計(jì)算機(jī)的USB 端口時(shí)，計(jì)算機(jī)的USB 提供5V 電源使USB 插座的電源電壓比節(jié)點(diǎn)4V7的電壓高，比較器U31輸出STATUS 為高電平，所以單片機(jī)使CH375切換到從模式。圖中，電阻R3用于產(chǎn)生壓差以便比較，D31和D32為壓降在0.3V 左右的肖特基二極管，型號(hào)不限，可選用1N5817或BAT54XV2T1（電流小于100mA ）等，D32使節(jié)點(diǎn)4V7的電壓低于計(jì)算機(jī)的USB 電源電壓，D31用

15、于避免輸出較大電流時(shí)電阻R3壓降太大，Z1和Z2為兩個(gè)性能相同的普通LED 發(fā)光二級(jí)管，用于將輸入共模比較電壓降到比較器LM393可以接受的范圍。注意，作為USB 主機(jī)端口，輸出USB 電源電壓約為4.3V 到4.8V ，部分USB 設(shè)備可能不適用。5、工作穩(wěn)定性和抗干擾因?yàn)閁SB 信號(hào)屬于模擬信號(hào)，所在CH372、CH375、CH341等USB 芯片內(nèi)部包含數(shù)字電路和一些模擬電路，另外，USB 芯片中還包含時(shí)鐘振蕩及PLL 倍頻電路，以上3種電路的公共地端在芯片內(nèi)部已經(jīng)連接在一起并連接到芯片外部的GND 引腳。 如果USB 芯片有時(shí)工作不正常、或者USB 數(shù)據(jù)傳輸隨機(jī)性的失敗、或者抗干擾能力

16、差，那么就應(yīng)該考慮USB 芯片是否穩(wěn)定工作。影響USB 芯片工作穩(wěn)定性的三大因素是： 時(shí)鐘信號(hào)不穩(wěn)定。這是主要原因，下面將詳細(xì)分析。 時(shí)鐘信號(hào)受干擾。解決方法：PCB 設(shè)計(jì)時(shí)盡量不在晶體及振蕩電容附近走線，尤其是不要走繼電器、電動(dòng)機(jī)等帶有瞬時(shí)沖擊電流的電源線和強(qiáng)信號(hào)線；在晶體及振蕩電容周邊布置GND 鋪銅屏蔽干擾；可以將晶體外殼接地（人手碰到晶體外殼會(huì)引入干擾）；或者使用有源晶振等。 USB 信號(hào)受干擾。解決方法：PCB 設(shè)計(jì)時(shí)使USB 信號(hào)線D+和D-平行布線，最好在兩側(cè)布置GND 鋪銅，減少干擾。應(yīng)該使用符合USB 規(guī)范的USB 傳輸線，不能使用普通線纜。5.1. 時(shí)鐘信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)不

17、穩(wěn)定通常是PCB 布線中GND 走線不佳。參考下圖，該圖適用于CH372、CH374、CH375、CH341、CH340等USB 芯片。圖中有6個(gè)接地點(diǎn)，分別是A 、B 、C 、D 、E 、F ，設(shè)計(jì)電路及PCB 時(shí)應(yīng)該盡量避免這6個(gè)GND 點(diǎn)之間存在電壓差（主要是指數(shù)字電路中的高頻毛刺電壓，也就是數(shù)字噪聲）。解決方法是：盡量縮短這6個(gè)點(diǎn)之間的距離；類似模擬電路設(shè)計(jì)中的單點(diǎn)接地；大面積GND 鋪銅及GND 多點(diǎn)過孔VIA 降低高頻信號(hào)阻抗。圖中最關(guān)鍵的是E 點(diǎn)、F 點(diǎn)與D 點(diǎn)之間不能存在高頻毛刺電壓差，可以用示波器探頭地接D 點(diǎn)測(cè)量時(shí)鐘輸入端XI 引腳的12MHz 時(shí)鐘波形是否有抖動(dòng)。5.2.

18、 參考PCB 設(shè)計(jì)1（需要多加幾個(gè)GND 過孔后GND 鋪銅）下圖適用于CH375或CH341芯片，由于GND 引腳緊靠XI 引腳和XO 引腳，所以比較容易走線。5.3. 參考PCB 設(shè)計(jì)2（需要多加幾個(gè)GND 過孔后GND 鋪銅）USB 芯片的電路及 PCB 設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng) 6 下圖適用于 CH372 芯片,GND 引腳借助過孔 VIA 及冗余 GND 線連接時(shí)鐘振蕩電路等. 5.4. 參考 PCB 設(shè)計(jì) 3(需要多加幾個(gè) GND 過孔后 GND 鋪銅 下圖適用于 CH372 芯片,GND 走線和時(shí)鐘信號(hào)線都比較短,時(shí)鐘信號(hào)受到 GND 屏蔽保護(hù). 5.5. 不良設(shè)計(jì) 下圖中 CH372 的 GND 引腳遠(yuǎn)離電容 C1 和 C2 的 GND 端,并且 C1 和 C2 的 GND 端與單片機(jī)