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超高速USB 3.0模块设计的三个要点

2019-5-15 10:56:56

1704 PCB

USB接口原本就是目前世界上应用最广泛的接口，以及人们对于10倍速传输速率的需求，造就了近一年来备受瞩目的焦点技术之一“超高速USB 3.0”。
在高清画质与蓝光的普及下，USB 3.0大幅减少了档案传输的等待时间。USB 3.0具有向下兼容与超高速两大优势，在系统商与芯片厂商的合作下，我们相信该技术一定会迅速普及。正是由于USB 3.0改变了对传统USB速度较慢的看法，祥硕科技将与大家分享关于USB 3.0存储端设计应注意的事项。

首先，由于祥硕科技提供的产品是属于高速的产品，以目前市场上效能最高的产品ASM1051E为例，主要对外的两个接口分别为USB 3.0端与SATA 6G端，根据目前客户端量产状况，成功设计USB 3.0模块主要有三个要点。

保持高速信号的完整性

信号的质量关系到数据的传输是否完整或U盘的可靠性。根据信号完整性制定出电路板的设计规范及组件的摆放位置，差动传输线阻抗控制，减少阻抗在电路板上所造成的不连续，而引起的信号多重反射及损失，干扰控制与抑制等，确保符合USBIF兼容测量结果。

USB 3.0设计建议如下：差动特征阻抗为85Ω。印刷电路板的贯孔不能多于二个，以减少信号的衰减。一个信号的贯孔约增加1dB的损失。差动信号长度不超过1.5英寸，预防主控端印刷电路板可能导致的信号损失及USB 3.0连接器与电缆的良莠不齐，以达到最佳的效能。差动信号之间的间距最好多加地信号，以减少信号之间的干扰，如信号旁边为频率信号或是切换式电源信号，即再加大3～4倍的间距。在信号交流耦合电容选用0402大小封装及NPO或是X7R材质，且摆放至接近连接器的位置。如有ESD及EMI组件的选用及摆放，则将组件位置也放在接近连接器的位置，建议的顺序为“连接器、ESD、EMI、交流耦合电容、ASM1051E”，注意ESD及EMI的零件选用都要能够符合要求，差动特征阻抗及信号损失非常低。

图1：USB 3.0的眼图。

点击进入下一页：两大注意点

SATA 6G设计建议如下：除了差动特征阻抗为90Ω及长度要求可放宽至2.5英寸之外，其它则与USB 3.0上的建议是相同的。

图2：ASTA 6G的眼图。

电源及导热管理

在新的USB 3.0系统设计上，由于高速传输的关系，其瞬间耗电量较USB 2.0更大，如何能平均传导热能，除了需慎重选择芯片厂商外，在模块的设计上也有其需要加强之处。

设计建议如下：最好使用线性稳压器(LDO)，以减少切换式电源噪声干扰及EMI问题，但相对会有转换效率较差的问题及散热需要考虑；电源稳压电容请参照厂商的设计建议，芯片旁的稳压电容只需要选用0402大小封装的0.1μF；ASM1051E已内置一组线性稳压器，采用QFN封装，热阻较小，有利于散热，印刷电路板上散热贯孔的安排，零件层上铜箔裸露均利于将热传导至印刷电路板上；注意设计应在不影响量产组装的前提下实行。

整体BOM成本

设计建议如下：使用线性稳压器；二层印刷电路板即可达到预定的效能；使用普通SATA 1.5G/3Gbps的连接器即能实现6Gbps的效能；单面打件。

除了芯片及USB 3.0标准连接器之外，所有零件包括二层的PCB板都与USB 2.0时相同。

由于USB 3.0是比传统USB 2.0速度高出数倍的产品，在固件、主控端芯片、线缆、接口等方面都有可能因为信号的微小差异而导致不兼容的结果。其系统设计思维也与2.0大不相同，如何兼顾信号质量与成本将会是研发人员的一大考验。希望大家能由本文中获得一些设计的新思维，早日推出USB 3.0产品。

供稿：祥硕科技公司