USB 20 Design Guide

USB 2.0 設計建議 （USB 2.0 Design Guide ） 鑫創科技股份有限公司 Solid State System Co., LTD. 撰寫人：系統設計部 賴儒賢

課程概要
USB 傳輸模式簡介
差動阻抗（Differential Impedance）的原理與計算
差動組抗（Differential Impedance）的計算軟體和量測儀 器
印刷電路板的佈線建議
振盪線路的設計與佈線建議
生產良率佈線考量
電磁干擾（EMI）的佈線考量－20H 理論
USB 纜線（Cable）結構
纜線（Cable）的選定

平衡式傳輸與非平衡式傳輸 VCC Tx

非平衡式傳輸 Unbalance Mode Common Mode Single Ended

VCC Rx

平衡式傳輸 Balance Mode Differential

VCC

VCC

Tx+

Rx+

Tx-

Rx-

USB 傳輸速度及訊號強度 工作模式

傳輸速度

訊號上升時間

訊號振幅

終端電阻

訊號類別

低速模式（Low Speed） USB 1.0

1.5M BPS

73 ~ 300 ns

2V

不需要

差動模式 Differential

全速模式（Full Speed） USB 1.1

12M BPS

4 ~ 20 ns

2V

不需要

差動模式 Differential

高速模式（High Speed） USB 2.0

480M BPS

0.5 ns

400mV

45Ω

差動模式 Differential

附註： 1. 對於 100MHz 以下的訊號，只要考慮歐姆定律（Ohm’s Law）即可。 2. 訊號到達 200MHz 以上，線路對高頻產生的效應會逐漸顯現。此時，Micro Strip/Strip Line 效應應該 在設計上被考慮。 3. 訊號到達 800MHz 以上，電子訊號會藉由電磁輻射傳播，此時設計上就必需考慮線路所造成的天 線效應。 4. USB 2.0 的速度雖然高達 480M BPS，但由於一個高電位（High）和一個低電位（Low）才組成一個 訊號週期，所以顯現的工作時脈為 240MHz

NRZI 編碼（Coding） RZ（Return to Zero） 1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

0

1

0

0

1

0

NRZI（None Return to Zero Inversed） 1

0

0

1

1

NRZI

0

1

1

1

“0”：訊號反相。 “1”：訊號維持原狀。

0

Micro Strip/Strip Line 效應

R

L

印刷電路板縱切面

＋

ＣTrace

D+

D-

D+ D-

ＣPlan

ＣPlan

對高頻訊號而言，印刷電路板線路、銅箔與夾層間的關係會顯現出電阻、電感、 電容（RLC）的效應。

訊號反射及折返損失（Return Loss） Z1

Z2

入射波

當 Z1 = Z2 時沒有反射波。

反射現象會造 成訊號的衰減 與干擾。

反射波

電波行經阻抗不 同的介質會有反 射的現象產生， 介質的阻抗質相 差越大、反射越 嚴重。

折反損失（Return Loss）= 入射功率／反射功率 = PIncident / PReflection

20 log

Z1 + Z2 Z1 – Z2

Micro Strip/Strip Line Micro Strip D+ w

Strip Line D-

s

t

w

D+ h

D-

t w

s

s：線距（Trace Space） w：線寬（Trace Width） t：線厚、訊號線銅箔厚度（Trace Thickness） h：訊號距離接地銅箔的距離（Distance Between Signal and Copper Plan） b：印刷電路板夾層的厚度（Thickness of PCB Laminate or Substrate） εr：印刷電路板夾層材質的誘電率、介電常數（Dielectric Constant）

w

h b

Micro Strip Differential Impedance 單線阻抗（Single Line Trace Impedance） Z0 = 60/(0.475εr+0.67)1/2 × ln[4h/0.67/(0.8w+t)] 或 Z0 = 87/(εr+1.41)1/2 × ln[5.98h/(0.8w+t)] 1 < εr < 15 and 0.1 < h/w < 2.0 雙線差動阻抗（Signal Pair Differential Impedance） Zdiff = 2Z0(1-0.48e-0.96 × s/h) 附註： 計算時除誘電率（εr）沒有單位外，其它長度、厚度單位均為毫米（mm），計算後 的單位結果為歐姆（Ω）。

Strip Line Differential Impedance 單線阻抗（Single Line Trace Impedance） Z0 = 60/εr1/2 × ln[4b/0.67/π/(0.8w + t)] 或 Z0 = 60/εr1/2 × ln[1.9b/(0.8w + t)] w/h < 0.35 and t/h < 0.25 雙線差動阻抗（Signal Pair Differential Impedance） Zdiff = 2Z0(1-0.347e-2.9 × s/h) 附註： 計算時除誘電率（εr）沒有單位外，其它長度、厚度單位均為毫米（mm），計算後的 單位結果為歐姆（Ω）。

Micro Strip 計算範例（板厚 1.6mm） 電路板

誘電率 （ εr ）

線寬 （w）

線距 （s）

銅箔厚度 （t）

誘電體厚度 （h）

單線阻抗 （Z0）

雙線差動阻抗 （Zdiff）

最佳理論值

4.5

0.184mm

0.184mm

0.035mm

0.11mm

46Ω

82Ω

條件 A

4.5

0.4mm

0.4mm

0.04mm

0.3mm

57Ω

106Ω

條件 B

4.5

0.7mm

0.3mm

0.04mm

0.3mm

39Ω

63Ω

附註： 1. USB 2.0 差動阻抗規格為 80Ω ~ 100Ω。 2. 最佳理論值雖為 82Ω，但公式僅對橫切面做計算，若加上二維分析考慮走線（Trace）的長度及形狀，實際 在印刷電路板上的差動阻抗可能剛好為 90Ω。

保持 D+ 及 D- 走線等距

D+

D+

D-

D-

（X）

（Ο）

避免線路有分岐（Stub）的現象

39Ω

D+ D-

39Ω

D+ 39Ω

（X）

D-

39Ω

（Ο）

請將錫墊（Pad）直接設置在訊號線上！

避免跨越不同的電源層或接地面 印刷電路板（PCB）上視圖

VCC1 DGND

D+

D+

D-

D-

VCC2 AGND

印刷電路板（PCB）剖面圖 D+ 、DDGND

AGND

VCC1

VCC2

（×）

訊號走線避免遊走於印刷電路板各層 D+ / D-

（×） D+ / D-

穿孔（Through Hole）建議不要超過兩次！

（Ο）

USB 2.0 印刷電路板各項建議值 Low Speed/Non-Periodic Signal

20mil GND

Signal（Top Side） D+ D7.5mil 7.5mil 7.5mil

High Speed / Periodic Signal（Clock） 1 ounce（0.035mm） 50mil 4.5mil

夾層（Prepreg）FR4 εr = 4.5

基板（Substrate or Laminate）

63mil（1.6mm）

53mil

Vcc 夾層 （Prepreg）FR4 εr = 4.5

4.5mil

Signal（Bottom Side）

1 mil = 1/1000 inch = 0.0254mm ＊此為 Intel 主機板的設計建議值，若板後厚不是 1.6mm，可依前述方式計算出適當的夾層厚度及線寬！

振盪線路的設計與佈線建議 振盪線路負載電容建議： 1. 儘量使用精確度較高的規格（5% ）。 2. 避免使用對錫爐溫度較敏感的材 質（如 X7R、Y5V 、Z5U ），以防 止錫爐加溫後發生電容值偏移的 現象（建議材值 NPO）。

XIN

C1

R1

XOUT

Y1

R2

C2

振盪線路怖線建議： 1. 表面接著型的石英晶體（SMD Crystal），體積較小、對佈線較 有利，但也較手插件式石英晶體 對線路特性來得敏感，佈線時要 特別的小心。 2. 線路越短越好、並且儘量避免交 叉的現象。（減少線路的寄生電 容） 3. 線徑維持在 8mil ~ 12 mil 的寬度， 5mil 太長的佈線曾經在 PCMCIA 上 造成 30% 不起振的問題。（減少 線路的寄生電容） 4. 振盪線路中間儘量不要有其它的 訊號線經過。（避免干擾）

各種單石積層電容（MLCC）的特性 特性＼材質

NPO（C0G）

X7R

Y5V

Z5U

容值誤差

±0.25% ~ ±10%

±5% ~ ±20%

±20% -20% ~ +80%

±20% -20% ~ +80%

工作溫度

-55℃ ~ +125℃

-55℃ ~ +125℃

-30℃ ~ +85℃

+10℃ ~ +85℃

工作溫度對容值的變化

±30ppm ~ ±0.5pF

±15%

+22% ~ -82%

+22% ~ -56%

錫銲溫度對容值的變化

±2.5%

±7.5%

±20%

±20%

工作溫度下限

工作溫度上限

工作溫度對容值的變化

X：-55℃ Y：-30℃ Z：+10℃

4：+65℃ 5：+85℃ 6：+105℃ 7：+125℃ 8：+150℃

A：±0.1% B：±1.5% C：±2.2% D：±3.3% E：±4.7% F：±7.5% P：±10% R：±15% S：±22% T：+22%~33% U：+22%~-56% V：+22%~-82%

旁路電容（Bypass Capacitor）的放置 IC VCC

VCC

IC VCC

VC

VCC

C

0.1uF

0.1uF

GND GND

（X）

（Ο）

佈線法則： 1. 旁路電容（Bypass Capacitor）越靠近 IC 靠近越好。 2. IC 的電源接腳經旁路電容落地，旁路電容才會有作用。

靜電（ESD）防制


靜電（ESD）

避免發光二極體（LED） 或其它電子件外漏機殼！

外殼接縫務必完全密合， L 型接緣是不錯的設計！

聯片生產時良率考量 （X） （Ο） 靠近板緣的元件應該與板緣平行，避免垂直放置而在切板或折板時造成折損。 垂直放置造成的折損率經驗值約為 2%，切板機代替人工分割亦會降低不良率。

板緣 0.5mm 內不要有任何元件（Component）或走線（Trace）甚至於銅箔（Copper Plan ），避免切板機造成的折損。

共用錫墊（Pad）造成元件漂移的問題

TSOP 48 WSOP 48

TSOP 48 WSOP 48

小元件會左右漂移！

防銲漆

（X）

TSOP 48 WSOP 48

（Ο）

防銲漆

（Ο）

電磁干擾防制－20H 理論 電磁干擾 （EMI） 20h h

Vcc GND

20h D+

D-

電源（Vcc）銅箔及接地（GND）銅箔的覆蓋範圍至少 要比訊號線大二十倍印刷電路板夾層（Prepreg）厚度的 距離，此種作法可防止板緣的電磁輻射。

USB 纜線結構 Pin 1 紅線：VBUS Pin 2 白線：DPin 3 綠線：D+ Pin 4 黑線：GND

PVC 包覆層 外部金屬編織網屏蔽 （65% 覆蓋率） 內部鍍鋁 PE 包覆 屏蔽

DVBUS

GND

D+

線材建議： 28 AWG ～ 20 AWG

匯流線（Drain Wire）Low Speed/USB 1.0/1.5M bps 才 需要。（裸線直接與鍍鋁 PE 接觸）

纜線（Cable）的選定












電源（VBUS 及 GND）線線徑必須不得小於 28 號線（28 AWG），且不做絞線處理。 訊號線（D+ 及 D-）線徑不得小於 28 號線（28 AWG），且必須做絞線處理，絞線比例（距離 ）為 60mm ～ 80mm（USB 1.0 Low Speed 1.5M bps 或 USB 1.1 Full Speed 12M bps不需要絞線）。 纜線對電源（VBUS）造成的壓降，或對接地（GND）位準的浮動不得大於 125mV。 纜線的差動阻抗（Differential Impedance）必需介於 90Ω +/- 15% 間。 纜線延遲（Delay）不可大於 5.2ns/m，纜線對訊號造成的總延遲（Total Delay）不得大於 26ns。 外層屏蔽金屬編織網密度（覆蓋率）要大於 65%。 屏蔽效果造成的直流電阻（Shielding Resistance）不得大於 0.6Ω（請參照 ASDM-D-4566 標準） ，任兩對線的直流電阻（DCR）差距都不得大於 5%。 纜線造成的訊號衰減必需符合 USB 2.0 規格 7.1.17 Cable Attenuation， Table 7-6 的規定。 工作溫度為 0℃ ～ 50℃，儲存溫度為 -20℃ ～ +60℃，一般溫度（測試溫度）為 +20 ℃。 纜線材質要有 UL 94V-0 的防火認證。 其它相關測試規範請參照 USB 2.0 規格 6.7 Electrical, Mechanical, and Environmental Compliance Standards, Table 6-7 中的敘述。 USB 1.0 Low Speed 1.5M bps 或 USB 1.1 Full Speed 12M bps 訊號線（D+ 及 D-）不需要做絞線處理， 也可以沒有外層屏蔽金屬編織網，但要設置匯流線（Drain Wire）。

USB 2.0 纜線衰減（Cable Attenuation） 頻率（Frequency ）

最大衰減（Maximum Attenuation）

64KHz

0.08dB

256KHz

0.11dB

512KHz

0.13dB

772KHz

0.15dB

1MHz

0.20dB

4MHz

0.39dB

8MHz

0.57dB

12MHz

0.67dB

24MHz

0.95dB

48MHz

1.35dB

96MHz

1.90dB

200MHz

3.20dB

400MHz

5.80dB

纜線直流電阻（ASTM-D-4566） 線徑（AWG）

每百米最大直流電阻值（Ω/100 m）

28

23.20 Ω

26

14.60 Ω

24

9.09 Ω

22

5.74 Ω

20

3.58 Ω

纜線延遲（Cable Delay） USB 2.0 所容許的單向訊號傳輸最大延遲（Maximum One-Way Signal Propagation Delay）為 30ns！ 纜線延遲（Cable Delay）< 5.2ns/m 纜線總延遲（Total Cable Delay）< 26ns

Host Delay < 3ns

Device Delay < 1ns Max.

屏蔽直流電阻（Shielding DC Resistance）< 0.6Ω

結論
不要太過執著或迷信差動阻抗的計算，計算數 據與實際的量測結果會有一些差距。
印刷電路板材質對差動阻抗的影響有限，佈線 方式（Layout）帶來的影響反而更大，因此要 注意各項因子所帶來的變化。
有時候振盪線路的品質及穩定性，會比差動阻 抗的精準度更為重要。
當產品必須搭配纜線出售時，請慎選纜線規格 ，並做好進料管控。