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目录前言一、认识USB2.0二、USB2.0与USB3.0前言近来在做基于3588和7020的外围电路设计参考了许多原理图些许收获与大家共勉一、认识USB2.0在市面上这么多的USB接口中我们需要先来认识一下他们的分类类型外观识别典型用途主要特点今天常见程度USB Type-A大号扁长矩形台式机、笔记本、充电器、U盘、电视、汽车、Hub传统“电脑端”接口不能正反插USB 2.0 版一般4触点SuperSpeed版本增加高速触点★★★★★USB Type-B接近正方形上角有斜角打印机、扫描仪、音频接口、Arduino、工业设备插头较大、结构牢固特别适合固定外设不能正反插★★★☆☆USB 3.x Type-B普通 Type-B 上面又多出一块USB 3.x 打印设备、专业音频设备、部分硬盘盒比 USB 2.0 Type-B 更高、更复杂提供额外高速信号触点★★☆☆☆Mini-USB Type-B小型梯形比 Micro-USB 厚老相机、GPS、MP3、PS3 手柄、旧移动设备主要是 USB 2.0 时代产品通常5触点现在基本被 Micro-USB/USB-C 取代★☆☆☆☆Mini-USB Type-A与 Mini-B 类似但形状不同早期 USB OTG 主机设备非常少见主要是早期移动设备 Host/OTG 场景☆☆☆☆☆Micro-USB Type-B很薄的小梯形老 Android 手机、充电宝、蓝牙音箱、电子书、开发板曾经是移动设备事实标准5触点便宜、小巧但不能正反插★★★☆☆Micro-USB Type-A比 Micro-B 更接近矩形USB OTG Host 设备主要为了 OTG 设备角色区分消费市场非常少见☆☆☆☆☆USB 3.x Micro-B很宽像两个 Micro 接口并排移动硬盘、硬盘盒、部分相机/采集设备典型 USB 3.0 外置硬盘接口比 Micro-B 2.0 宽很多高速但插头较笨重★★☆☆☆USB Type-C / USB-C小型圆角椭圆/长圆形手机、电脑、平板、显示器、扩展坞、SSD、充电器正反可插可同时承载数据、充电、视频等目前最重要的 USB 接口★★★★★由于在本工程中对于U口通信速率要求不高且节省布局空间和成本外接红外摄像头和可见光摄像头采用双层USB2.0接口。典型外观是扁平长方形 常见于 电脑、电视、游戏机、汽车、充电器、U盘、鼠标键盘、USB Hub。特点 历史上主要放在 Host / 主机端 USB 2.0 Type-A 通常有 4 个触点 SuperSpeed USB-A 增加了高速触点 不支持正反插 使用时间非常长兼容设备极其多USB 3.x 接口经常使用蓝色塑胶舌片但颜色不是可靠的标准判断方式 DigiKey 将 Type-A 描述为最常见的 USB 形式之一广泛用于电脑、U盘、汽车和电源设备。二、USB2.0与USB3.0对比项目USB 2.0 High-SpeedUSB 3.0 / 5Gbps SuperSpeed原始发布2000 年2008 年物理线路速率480 Mbps5 Gbps原始速率折算60 MB/s625 MB/s数据编码NRZI Bit Stuffing8b/10b编码后理论上限受包/握手等开销限制5Gbps × 8/10 ≈4Gbps 500MB/sBulk 理论能力≈53 MB/s约4Gbps级有效链路能力工程实测典型高水平≈35–42 MB/s≈400–450 MB/s数据线D、D−D、D− SSTX± SSRX±高速差分对数量1 对3 对总计1对USB2 2对SS通信方式半双工SuperSpeed 部分全双工Bulk 最大包512 B1024 BBurst无 USB3 式 burst最多16 packets/burstUSB-A接口触点49差分阻抗90 Ω nominal90 Ω nominalPCB SI 难度中等高TX AC 耦合不要随便加SS TX 通常需要 AC couplingESD要求低电容极低电容更关键EMI难度中等高基础端口供电能力500mA 高功率端口900mA SuperSpeed 单通道端口常见应用MCU、串口、音频、打印机、普通控制SSD、高速采集、FPGA、相机、高带宽设备1.从接口定义来看USB 2.0 HS 的最大信号速率是 480Mbps、使用一对 D/D− 半双工传输USB3.0/SuperSpeed 使用独立 TX/RX 差分对、5Gbps、8b/10b 编码和全双工方式USB 2.0部分DD-VBUSGNDUSB 3.0部分SSTXSSTX-SSRXSSRX-GND_DRAINUSB3.0总共 9 个触点。Microchip 对 SuperSpeed 接口的定义也是 D/D− 加两对 SSTX/SSRX 高速差分线。这就是 USB 3.0 能向下兼容 USB 2.0 的重要原因之一。2.从原理图来看USB2.0USB3.0两者原理图设计思路相似在电源部分做一个VBUS 5V 的开关、限流和短路保护这里采用sy6280aacSY6280AAC 的电流能力比较强最大连续电流可达2A且限流值可通过外部电阻灵活设定适合需要更大功率或定制化保护的 USB 端口在信号线设计处采用ESD5341N拥有极致的低结电容对信号完整性的影响更小因此更适合速率更高的接口但它需要为每一条数据线单独配置一颗。做一个静电防护防止热插拔瞬间的电涌损坏MCU;采用多层片式共模滤波器mcz1210ah900l2ta0g滤除高速差分信号线上的共模噪声以改善电磁兼容性EMC同时其设计对高速信号本身的影响极小。由于本设计中只需要两个U口可以直接连接到RK3588核心板的引脚不需要外接HUB或者PHY芯片。以下这个设计是添加了PHY芯片-----USB3320读者可以自行参考 USB2.0 外围电路绘制
目录前言一、认识USB2.0二、USB2.0与USB3.0前言近来在做基于3588和7020的外围电路设计参考了许多原理图些许收获与大家共勉一、认识USB2.0在市面上这么多的USB接口中我们需要先来认识一下他们的分类类型外观识别典型用途主要特点今天常见程度USB Type-A大号扁长矩形台式机、笔记本、充电器、U盘、电视、汽车、Hub传统“电脑端”接口不能正反插USB 2.0 版一般4触点SuperSpeed版本增加高速触点★★★★★USB Type-B接近正方形上角有斜角打印机、扫描仪、音频接口、Arduino、工业设备插头较大、结构牢固特别适合固定外设不能正反插★★★☆☆USB 3.x Type-B普通 Type-B 上面又多出一块USB 3.x 打印设备、专业音频设备、部分硬盘盒比 USB 2.0 Type-B 更高、更复杂提供额外高速信号触点★★☆☆☆Mini-USB Type-B小型梯形比 Micro-USB 厚老相机、GPS、MP3、PS3 手柄、旧移动设备主要是 USB 2.0 时代产品通常5触点现在基本被 Micro-USB/USB-C 取代★☆☆☆☆Mini-USB Type-A与 Mini-B 类似但形状不同早期 USB OTG 主机设备非常少见主要是早期移动设备 Host/OTG 场景☆☆☆☆☆Micro-USB Type-B很薄的小梯形老 Android 手机、充电宝、蓝牙音箱、电子书、开发板曾经是移动设备事实标准5触点便宜、小巧但不能正反插★★★☆☆Micro-USB Type-A比 Micro-B 更接近矩形USB OTG Host 设备主要为了 OTG 设备角色区分消费市场非常少见☆☆☆☆☆USB 3.x Micro-B很宽像两个 Micro 接口并排移动硬盘、硬盘盒、部分相机/采集设备典型 USB 3.0 外置硬盘接口比 Micro-B 2.0 宽很多高速但插头较笨重★★☆☆☆USB Type-C / USB-C小型圆角椭圆/长圆形手机、电脑、平板、显示器、扩展坞、SSD、充电器正反可插可同时承载数据、充电、视频等目前最重要的 USB 接口★★★★★由于在本工程中对于U口通信速率要求不高且节省布局空间和成本外接红外摄像头和可见光摄像头采用双层USB2.0接口。典型外观是扁平长方形 常见于 电脑、电视、游戏机、汽车、充电器、U盘、鼠标键盘、USB Hub。特点 历史上主要放在 Host / 主机端 USB 2.0 Type-A 通常有 4 个触点 SuperSpeed USB-A 增加了高速触点 不支持正反插 使用时间非常长兼容设备极其多USB 3.x 接口经常使用蓝色塑胶舌片但颜色不是可靠的标准判断方式 DigiKey 将 Type-A 描述为最常见的 USB 形式之一广泛用于电脑、U盘、汽车和电源设备。二、USB2.0与USB3.0对比项目USB 2.0 High-SpeedUSB 3.0 / 5Gbps SuperSpeed原始发布2000 年2008 年物理线路速率480 Mbps5 Gbps原始速率折算60 MB/s625 MB/s数据编码NRZI Bit Stuffing8b/10b编码后理论上限受包/握手等开销限制5Gbps × 8/10 ≈4Gbps 500MB/sBulk 理论能力≈53 MB/s约4Gbps级有效链路能力工程实测典型高水平≈35–42 MB/s≈400–450 MB/s数据线D、D−D、D− SSTX± SSRX±高速差分对数量1 对3 对总计1对USB2 2对SS通信方式半双工SuperSpeed 部分全双工Bulk 最大包512 B1024 BBurst无 USB3 式 burst最多16 packets/burstUSB-A接口触点49差分阻抗90 Ω nominal90 Ω nominalPCB SI 难度中等高TX AC 耦合不要随便加SS TX 通常需要 AC couplingESD要求低电容极低电容更关键EMI难度中等高基础端口供电能力500mA 高功率端口900mA SuperSpeed 单通道端口常见应用MCU、串口、音频、打印机、普通控制SSD、高速采集、FPGA、相机、高带宽设备1.从接口定义来看USB 2.0 HS 的最大信号速率是 480Mbps、使用一对 D/D− 半双工传输USB3.0/SuperSpeed 使用独立 TX/RX 差分对、5Gbps、8b/10b 编码和全双工方式USB 2.0部分DD-VBUSGNDUSB 3.0部分SSTXSSTX-SSRXSSRX-GND_DRAINUSB3.0总共 9 个触点。Microchip 对 SuperSpeed 接口的定义也是 D/D− 加两对 SSTX/SSRX 高速差分线。这就是 USB 3.0 能向下兼容 USB 2.0 的重要原因之一。2.从原理图来看USB2.0USB3.0两者原理图设计思路相似在电源部分做一个VBUS 5V 的开关、限流和短路保护这里采用sy6280aacSY6280AAC 的电流能力比较强最大连续电流可达2A且限流值可通过外部电阻灵活设定适合需要更大功率或定制化保护的 USB 端口在信号线设计处采用ESD5341N拥有极致的低结电容对信号完整性的影响更小因此更适合速率更高的接口但它需要为每一条数据线单独配置一颗。做一个静电防护防止热插拔瞬间的电涌损坏MCU;采用多层片式共模滤波器mcz1210ah900l2ta0g滤除高速差分信号线上的共模噪声以改善电磁兼容性EMC同时其设计对高速信号本身的影响极小。由于本设计中只需要两个U口可以直接连接到RK3588核心板的引脚不需要外接HUB或者PHY芯片。以下这个设计是添加了PHY芯片-----USB3320读者可以自行参考