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一、 USB2.0接口面臨電磁兼容問題

 

USB接口具有傳輸速度快，支持熱插拔以及連接多個(gè)設(shè)備的特點(diǎn)，目前已經(jīng)在各類計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。

 

由于USB2.0則可以達(dá)到速度480Mbps，其運(yùn)行速率較高，容易通過USB連接線纜對外高頻輻射超標(biāo)，同時(shí)由于帶電熱插拔，容易受到瞬間電壓沖擊和靜電干擾。因此我們在產(chǎn)品接口設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重從接口濾波設(shè)計(jì)，防護(hù)設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)電纜多個(gè)方面考慮電磁兼容設(shè)計(jì)。

 

本文電磁兼容解決方案主要結(jié)合USB2.0接口電路特點(diǎn)，從產(chǎn)品原理圖的接口電路出發(fā)，提供符合產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)要求的具體的EMC設(shè)計(jì)方案，從而使產(chǎn)品能夠滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)格要求，獲得良好的EMC品質(zhì)，提升產(chǎn)品的可靠性。

 

二、 USB2.0接口標(biāo)準(zhǔn)要求

 

帶有USB接口的典型消費(fèi)類產(chǎn)品，需要滿足相關(guān)電磁兼容要求，與USB相關(guān)的電磁兼容項(xiàng)目要求如下，其他如應(yīng)用在軍品、汽車電子、鐵路電子要求則有所不一樣，具體請參考相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

序號	測試項(xiàng)目	測試要求	性能判據(jù)
1	輻射發(fā)射(RE)	30~230MHz 40dB(μV/m) 230~1000MHz 47dB(μV/m) 測量距離10m準(zhǔn)峰值（QP）
2	射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾(CS)	0.15~80MHz 10V 80%AM(1kHz) 150Ω源阻抗	性能判據(jù)A
3	射頻電磁場輻射(RS)	80~1000MHz 20V/m 80%AM(1kHz)	性能判據(jù)A
4	靜電放電(ESD)	接觸放電 ±6kV	性能判據(jù)B
		空氣放電 ±8kV

 

三、原理圖EMC設(shè)計(jì)：

 

 

四、原理圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)說明：

 

4.1濾波設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

 

L1為共模濾波電感，用于濾除差分信號上的共模干擾；

 

L2為濾波磁珠，用于濾除為電源上的干擾；

 

C3、C4為電源濾波電容，濾除電源上的干擾；

 

C1、C2 為預(yù)留設(shè)計(jì)，注意電容盡量小，如實(shí)際影響信號傳輸，可以不焊接。

 

4.2防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

 

D1、D2、D3組成USB接口防護(hù)電路，能快速泄放靜電干擾，避免內(nèi)部電路遭受靜電的干擾。

 

C5、C6為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF，耐壓要求達(dá)到2KV以上.

 

4.3 特殊要求：

 

4.3 R1、R2為限流電阻，差分線之間耦合會影響信號線的外在阻抗，可以用此電阻實(shí)現(xiàn)終端最佳匹配，使用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

 

4.4 器件選型要求：

 

L1為共模電感，共模電感阻抗選擇范圍為60Ω/100MHz~120Ω/100MHz，典型值選取90Ω/100MHz

 

L2選用磁珠，磁珠阻抗范圍為100Ω/100MHz~1000Ω/100MHz，典型值選取600Ω/100MHz ；磁珠在選取時(shí)通流量應(yīng)符合電路電流的要求，磁珠推薦使用電源用磁珠

 

C3、C4兩個(gè)電容在取值時(shí)要相差100倍，典型值為1000pF、0.1uF；小電容用濾除電源上的高頻干擾，大電容用于濾除電源線上的紋波干擾；

 

D1、D2、D3選用TVS，TVS反向關(guān)斷電壓為5V。TVS管的結(jié)電容對信號傳輸頻率有一定的影響，USB2.0的TVS結(jié)電容小于5pF；

 

C5、C6為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF，耐壓要求達(dá)到2KV以上.

 

4.5 相關(guān)電磁兼容器件選型建議清單

 

L1=共模電感	WCM-2012-900T
L2=磁珠	FBMA-11-201209-601A20T
D1、D2、D3=TVS	BV05C
C3、C4	1000PF、100Nf
C1、C2	5PF/NC
C5、C6	1000PF/2KV
R1、R2	0ohm

 

五、PCB設(shè)計(jì)說明

 

5.1布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

 

元器件布局要按照信號流向進(jìn)行布局；

 

防護(hù)器件要盡可能的靠近接口放置，確保引線電感最小，以保證防護(hù)器件能正常的進(jìn)行防護(hù)動作。

 

應(yīng)將芯片放置在離地層最近的信號層，并盡量靠近USB插座,縮短差分線走線距離。

 

5.2布線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

 

共模電感下方不能走其它信號線。

 

如果USB接口芯片需串聯(lián)端電阻或者D線接上拉電阻時(shí)．務(wù)必將這些電阻盡可能的靠近芯片放置。

 

將USB差分信號線布在離地層最近的信號層。

 

保持USB差分線下端地層完整性，如果分割差分線下端的地層，會造成差分線阻抗的不連續(xù)性，并會增加外部噪聲對差分線的影響。

 

在USB差分線的布線過程中，應(yīng)避免在差分線上放置過孔(via)，過孔會造成差分線阻抗失配。

 

保證差分線的線間距在走線過程中的一致性，如果在走線過程中差分線的間距發(fā)生改變，會造成差分線阻抗的不連續(xù)性。

 

在繪制差分線的過程中，使用45°彎角或圓弧彎角來代替90°彎角，并盡量在差分線周圍的150 mil范圍內(nèi)不要走其他的信號線，特別是邊沿比較陡峭的數(shù)字信號線更加要注意其走線不能影響USB差分線。

L1=共模電感	WCM-2012-900T
L2=磁珠	FBMA-11-201209-601A20T
D1、D2、D3=TVS	BV05C
C3、C4	1000PF、100Nf
C1、C2	5PF/NC
C5、C6	1000PF/2KV
R1、R2	0ohm