Wie kritisch ist das Layout von USB-Datenleitungen / wie sieht mein Layout aus?

Ich verlege gerade die USB-Datenleitungen auf meinem Board und versuche nur, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie gut mein Design abschneiden wird. Hier die Einzelheiten:

  • 4-Layer-Platine (von oben: Signal, Masse, geteilte Leistungsebenen, Signal)
  • Innenkupfer beträgt 0,5 Unzen, Außenkupfer 1 Unze
  • Prepreg zwischen äußerer Folie und Kern ist 7,8 mil dick
  • Spuren sind 10 mil mit einem differentiellen Paarabstand von 9,7 mil
  • Die Leiterbahnlänge zwischen MCU-Pin und parallelen Kappen beträgt etwa 0,23 Zoll

Ich plane einen versiegelten USB-Anschluss im Gehäuse meines Geräts. Der von mir gewählte Stecker hat eine vertikale Kopfleistenanordnung, also habe ich eine Platine, auf die ich den Stecker löte, und dann wird zwischen dieser und der Hauptplatine ein Überbrückungskabel sein.

Was die differentielle Impedanz betrifft, denke ich, dass ich basierend auf den obigen Spezifikationen irgendwo im Bereich von 91 - 92 Ohm landen sollte. Zugegeben, die Spuren bleiben nicht die ganze Zeit gleichmäßig verteilt, da sie durch die parallelen Kappen und Vorwiderstände laufen, bevor sie auf den Stecker treffen ... aber ich habe mein Bestes versucht.

Hier ist eine Aufnahme des bisherigen Board-Layouts:

Layout der USB-Datenleitung

Wie sieht das aus? Der Längenunterschied zwischen dem Leiterbahnpaar beträgt weniger als 5 mil. Worüber ich mir Sorgen mache, ist, dass möglicherweise diese ganze Sache mit der differentiellen Impedanz durcheinander gebracht wird ... und dass das Überbrückungskabel zwischen der Platine und dem Anschluss die Dinge durcheinander bringt.

Können Sie mitteilen, welche MCU Sie verwenden? Viele mit eingebauten Transceivern bevorzugen keine externen Komponenten in Reihe. Solange sie gleich lang und nicht zu lang sind, sollte es in Ordnung sein. (Ich denke, die Microchip-Datenblätter sagen weniger als 19 cm oder so etwas absurd langes)
Und wie lang wird das Starthilfekabel sein? Ich würde vermuten, dass das das schwächste Glied sein wird, wenn überhaupt.
Bei den USB-Low-Speed-/USB-Full-Speed-Raten, die von vielen USB-fähigen Mikrocontrollern verwendet werden, werden Sie wahrscheinlich mit einer Menge davonkommen. Wenn Sie etwas haben, das volle USB 2.0-Hochgeschwindigkeit leisten kann, müssen Sie wahrscheinlich vorsichtiger sein, obwohl das, was Sie haben, nicht schlecht aussieht.
Das Überbrückungskabel ist ungefähr 3 Zoll lang, 28 AWG, nicht abgeschirmt. Ich benutze auch einen LPC1769. Das von mir verwendete Embedded Artists-Prototypboard verfügt über die gleichen 33-Ohm-Serienwiderstände und 18-pF-Parallelkappen, die ich verwende.
Auf der Zeichnung ist es schwer zu erkennen, aber es sieht so aus, als würden Sie mit diesen beiden Signalen eine Teilung in der Ebene überqueren, und das möchten Sie nicht. USB verwendet einen differenziellen Empfang, aber die Signale beziehen sich immer noch auf die Ebene. Selbst wenn dies nicht der Fall wäre, hätten Sie immer noch Gleichtaktrauschen, um das Sie sich Sorgen machen müssen. Es wird wahrscheinlich so funktionieren, aber es wird definitiv mehr strahlen.
Guter Punkt - ich ziehe es zurück in Richtung MCU, um es über dem 3V3-Flugzeug zu halten.

Antworten (1)

Angenommen, Sie verwenden nur USB-Low-Speed ​​oder Full-Speed, sollte es Ihnen gut gehen.

Im Allgemeinen müssen Layout-Überlegungen nur berücksichtigt werden, wenn Sie große Entfernungen (viele Zoll) zurücklegen oder USB-2.0 verwenden. Selbst dann ist USB überraschend tolerant.

  • USB 1.1 oder USB 2.0 mit niedriger/voller Geschwindigkeit

    • Du brauchst dir wirklich keine Sorgen zu machen. Es gibt (möglicherweise apokryptische) Geschichten von Leuten, die USB 2.0 mit niedriger Geschwindigkeit von 50 Fuß CAT-5- Kabel verwenden . Solange Sie Ihre Drahtläufe ein paar Zentimeter oder weniger halten, würde ich mir keine Sorgen machen.
    • Die schnellste Flanke, um die Sie sich bei Anwendungen mit niedriger/höchster Geschwindigkeit kümmern müssen, ist 12 MHz. Als solches nähern Sie sich nicht wirklich dem Punkt, an dem es so wichtig ist, sicherzustellen, dass Ihre Leiterbahnen / Verkabelung ordnungsgemäß mit Übertragungsleitungen / Impedanz gesteuert sind, zumindest solange Ihre gesamten Abschnitte mit ungesteuerter Impedanz kleiner als etwa 6 "sind. .
    • Wie gesagt, die meisten USB-Controller sind beeindruckend tolerant gegenüber USB-Geräten, die weit außerhalb der Spezifikation liegen. Wenn dies etwas für die Produktion ist, würde ich mir die Mühe machen, es richtig zu machen (es gibt einen Typen da draußen, der ein Motherboard hat, das einen zischenden Anfall auslöst, wenn irgendetwas daran angeschlossenes geringfügig von der Spezifikation abweicht), aber wenn Es ist nur ein Testboard, ich würde sagen, legen Sie es einfach ordentlich aus und machen Sie sich keine Sorgen.

  • USB2.0 Hochgeschwindigkeit.

    • Hier wird das Layout wichtiger. USB2.0 High-Speed ​​hat eine maximale Flankenrate von 480 MHz. Daher nähern sich sogar kurze Spuren der Wellenlänge der Daten an, und daher wird eine geeignete Impedanzsteuerung wichtig.
    • Angenommen, Ihr EDA-Paket verfügt über geeignete impedanzgesteuerte Routing-Optionen, stellen Sie einfach Ihre Differenzpaarimpedanz auf ~ 90 Ω ein, und Sie sollten in Ordnung sein. Achten Sie jedoch darauf, dass Sie eine zusammenhängende Grundebene haben

  • USB3.0

    • Du hasst dich also?
Ehrlich gesagt besteht die Möglichkeit, dass einige Typen, die ich kenne, das wollen. Ich möchte nicht ausschließen, es zu verkaufen, also ist es wichtig für mich, es richtig zu entwerfen, wenn es nicht erfordert, dass ich zu lächerlichen Längen gehe. Ich plane jedoch nur die Unterstützung von USB 2.0 Full-Speed. Wäre es besser, die Platine, in die der Stecker eingelötet wird, direkt in die Hauptplatine zu stecken und Spuren bis zum Rand der Hauptplatine zu führen? Zumindest könnte ich auf diese Weise die Impedanz möglicherweise besser steuern als mit einem Überbrückungskabel.
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