USB3.0 AC耦合电容，ESD寄生电容要求，Layout等知识点

在《Universal Serial Bus 3.0 Specification,Revision 1.0》的标准中，规定在host的TX端要放置耦合电容（范围是75nF~200nF），在devices的TX端也放置耦合电容（范围是75nF~200nF），host和device的RX端都不需要放置电容。

关尔硬件

2141人浏览 · 2024-11-27 08:10:24

关尔硬件 · 2024-11-27 08:10:24 发布

1、USB3.0 AC耦合电容

而在USB3.0设计电路上，经常看到host的TX端放置100nF电容，而host端的RX放置的是0欧姆电阻（因为外设的USB设备，在其TX端一定会放置耦合电容的）。而在芯片与芯片之间的USB3.0的TX端和RX端都是要放置100nF电容的，在设计时很多人会忽略这一点。通常，电容放置位置优先参考开发板demo，或按协议规定，板级连接靠近座子，芯片之间连接靠近发送端。

AC耦合电容的作用：host端和device端的偏置直流电压值不一样，起到隔直流作用，也可以更好的预制共模噪声。

而USB2.0要兼容原来的USB1.0和USB1.1，正负线上有同时为高或为低的状态，不能用AC耦合。

选择的电容太大的话，电容端的电压稳定时间需要比较长，信号边沿会比较缓慢，眼图的眼高变小，信号衰减。

选择的电容太小的话，根据f=1/2ΠRC，影响信号本身传输。通带的最小频率要大于传输信号的最小频率。

由于耦合电容的存在，当码型为连续0或者1的时候，电容的损耗就很大（即频率低，阻抗大），导致幅度不断降低，最严重的后果就是无法识别到底是0还是1。因此，USB3.0的8b/10b编码，就是为了尽量把低频的码型优化成较高频率的码型，从而降低阻抗带来的损耗。

如下图是USB3.0标准协议的AC Capacitor框图，cable采用的是双绞线（抗干扰和防辐射效果好）。

2、USB3.0 Layout

由于在layout时，通常走线是0.1mm宽度左右，如果AC耦合电容的封装较大的话，如0603封装，长度1.6mm宽度0.8mm，比走线宽度大很多，根据Z=根号L/C，阻抗变低，引起阻抗不连续（有的layout会在焊盘下挖空，加大参考层之间的距离，提高阻抗，使之匹配）。因此，通常要选择小封装的，低ESR和ESL的，比如0201封装，尺寸长度0.6mm宽度0.3mm。
差分对要等长（时序要求）；
信号线要由参考地（高速信号的回流还是从参考地回流）；

3、USB3.0座子

USB3.0中有八根信号线：Vbus，D+，D-，SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-，GND。

其中，D+和D-属于USB2.0信号，SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-属于USB3.0信号。

对于接口来说，USB2.0和USB3.0的PHY是独立的。

USB3.0 type-A的颜色规定是蓝色，且pin的尺寸是有差异的。

Mating Sequence:

1、host和外设的device是线屏蔽层接触；

2、Vbus和地接触；

3、USB2.0 DM DP接触；

4、USB3.0 SSRX和SSTX接触，实现热插拔。

4、USB线材线径

USB3.0标准规范里也有对线材直径大小的说明，线径越小损耗越大。

对于低频来说，线径小，阻值大，损耗大。

对于高频来说，由于趋肤效应，电流倾向于在导体表面流动，线径小的横截面积也越小，交流电阻也增加，信号衰减也增加。

用USB接口供电涉及时，要注意产品的电流大小和使用的线材线径要匹配，避免线材上的压降比较大，导致板子上电压不足。

5、关于NRZI编码和8b/10b编码

NRZI编码：USB2.0采用的是NRZI编码，当数据为0时，电平翻转；数据为1时，电平不翻转。所以，当数据为连续的0时，数据会是一个不停翻转的波形，电压呈交流形式。而当原数据连续为1时，会呈现短暂的直流形式，即会出现一段时间电平不再变化。

对于上面的连续的电平不再变化，NRZI编码给的的解决方案是当原始数据中出现连续的7个1时，强行插入一个原始数据0，实现编码后的电来翻转，减少发送端与收入端的时钟误差而导致数据的接收错误。

8b/10b编码（USB3.0编码）：将串行的数据以8bit为一个单位进行编码处理得到一个10bit的数据，具体怎么操作呢，假设原始8位数据从高到低用HGFEDCBA表示，将8位数据分成高3位HGF和低5位EDCBA两个子组。经过5B/6B编码，将低5位EDCBA映射成abcdei；高3位经过3B/4B编码，映射成fghj，最后合成abcdeifghj发送。因此，保证DC平衡（直流平衡）。