Layout PCB cho tín hiệu USB2.0 và USB3.0

0
752

Source: https://www.we-online.com/

Tín hiệu high speed USB có trở kháng Differential Pair là 90 Ohm, trở kháng Single Ended là 50 Ohm.

Thông thường chúng ta layout với chế độ Differential Pair, tức là theo cặp vi sai. Tùy theo stack-up và hoạch định layout, chúng ta có thể layout ở một trong hai cấu trúc phổ biến là Microstrip hoặc Stripline như hình ảnh dưới đây.

Cấu trúc Microstrip

Cấu trúc Stripline

Công cụ tính trở kháng: Các bạn tham khảo tại đây: https://www.dientuhello.com/cac-website-tinh-thong-so-tro-khang-tin-hieu-pcb/

Ví dụ với một bo mạch stack-up 4 lớp, lớp tham chiếu Reference Layer là lớp inner (bên trong) – Layer 2 hoặc Layer 3. Đi dây USB ở lớp TOP hoặc BOTTOM. Tính toán trở kháng theo stackup sẵn có của JLPCB: https://jlcpcb.com/capabilities/Capabilities
Link trực tiếp tới tính toán trở kháng và stack-up:
Controlled Impedance PCB Layer Stackup
JLCPCB Impedance Calculator

 

Yêu cầu layout cho tín hiệu USB2.0 (D+, D-), tham khảo tài liệu Layout Design Guideline của Toradex:

Trong thiết kế, sản xuất trở kháng luôn có sai số thường dao động 10 -15%. USB2.0 có thể hoạt động ở 3 tần số:

Low Speed: 750kHz (1.5Mbit/s)
Full Speed: 6MHz (12Mbit/s)
High Speed 240MHz (480Mbit/s)

Bảng trên cho thấy hướng dẫn layout PCB cho tín hiệu USB2.0 của hãng Toradex khi người dùng thiết kế board Carrier. Tùy từng hãng sẽ có tài liệu Layout Guideline riêng, các bạn nên chú ý cho thiết kế của mình. Tất nhiêu các tài liệu đó đều tuân thủ theo chuẩn tín hiệu chung.

Protection of USB 2.0 Applications Series: ESD-confirm USB Interfaces | Würth Elektronik: Composants Électroniques & Électromécaniques > Actualités > Blog: World of Electronics

Schematic của một cổng USB đáp ứng EMC, source: https://www.we-online.com/

Yêu cầu layout cho tín hiệu USB3.0 (D+, D-, TX+, TX-, RX+, RX-):

Sharing USB 3.0 links in embedded applications - Embedded.com

Source: https://www.embedded.com/

USB3.0 hỗ trợ Super Speed: 2.5GHz (5GT/s), số lượng tín hiệu highspeed cũng nhiều hơn, tốc độ cao hơn rất nhiều so với USB2.0 nên yêu cầu layout chặt chẽ hơn nhiều. Về độ dài tín hiệu, hãng sẽ đưa ra yêu cầu length matching cho từng cặp different pair (intra-pair) , giữa các cặp different pair với nhau (inter- pair), số lượng via tối đa được phép, tụ AC couling, layer tham chiếu, plane tham chiếu là GND/Power…

Kết nối của USB3.0 qua các cầu, source: Toradex

Layout tín hiệu USB3.0, Source: https://ftdichip.com/

Với các tín hiệu Different Pair nói chung, việc layout tuân thủ các quy tắc là rất quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu.

Tại đây, mình tóm tắt một số vấn đề quan trọng:

  • Bố trí stack-up, định hướng layout xem lớp nào đi dây USB, lớp nào là lớp tham chiếu (reference layer)
  • Tuyệt đối không chia cắt, đi dây khác vào vùng plane tham chiếu cho tín hiệu highspeed. Điều này ảnh hưởng đến đường trở lại (return path)của tín hiệu highspeed, trở kháng của tín hiệu, các vấn đề EMI…
  • Kiểm soát trở kháng: Tính toán trở kháng trước khi thiết kế
  • Khi thực hiện tuning độ dài trace, cần tuân thủ các lưu ý liên quan đến yếu tố hình học của trace để đảm bảo trở kháng của trace đồng nhất trên toàn bộ trace.

11 Best High-Speed PCB Routing Practices | Sierra Circuits

11 Best High-Speed PCB Routing Practices | Sierra Circuits

11 Best High-Speed PCB Routing Practices | Sierra Circuits

11 Best High-Speed PCB Routing Practices | Sierra Circuits

11 Best High-Speed PCB Routing Practices | Sierra Circuits

Source: Protoexpress

Tham khảo hướng dẫn thiết kế của Toradex TẠI ĐÂY

  • Trong thiết kế có thể thêm các linh kiện như common modechock filter, ESD, TVS, MOV, Ferrit Bead… để bảo vệ linh kiện trên mạch, cải thiện tín hiệu/nguồn.

  • Layout trace nguồn có độ rộng lớn để đảm bảo dòng điện của cổng USB, sử dụng plane nguồn nếu có thể để giảm điện cảm của trace nguồn.
  • Tránh làm stub tín hiệu USB khi có các linh kiện bảo vệ, pull-up/pull-down.

11 Best High-Speed PCB Routing Practices | Sierra Circuits

  • Hạn chế sử dụng via
  • Lưu ý tổng chiều dài của tín hiệu

Các bạn tham khảo hướng dẫn chi tiết của Toradex TẠI ĐÂY

Các tài liệu tiếng Anh về layout PCB cho USB các bạn tham khảo TẠI ĐÂY

Tham khảo:

  • Toradex
  • https://www.protoexpress.com

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here