数字电路硬件设计系列(十二)之USB电路设计
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1 简介
USB电路,在我们的平时的应用十分的广泛,常见的鼠标,键盘、显示屏的触摸功能等,对外的接口均使用的是USB接口。USB接口主要可以划分为两种:USB 2.0、USB 3.0。从连接器上区分的依据是,内部颜色白色的为USB 2.0接口,内部颜色为蓝色的为USB 3.0接口(当然也不是绝对是这样的)。详情见图:
2 电路设计
2.1 USB 2.0电路设计
USB 2.0主要有4个引脚:分别是VCC、GND、D+、D-。见下图:
很明显,其中多了一个ID的引脚,这个引脚用于区分是Host还是Peripheral:
Host:连接到GND
Peripheral:浮空
另外,USB的电源设计也是十分讲究的,USB 2.0采用5V电源供电,电流为600mA,该电源需要使用电源开关与板载的5V隔离开,此处我们选用的电源开关是TPS2065CDGN具体电路见下:
分析:该型号是高电平使能,我们可以直接将Control Sinnal 连接到Fault Signal。当电流过大时,Fault Signal拉低,芯片失能,芯片输出关闭。
现在我们来分析一下,为什么5V为什么不能由板载5V输出?
分析:当USB两端均对外提供5V电源,且电压存在微小的电压差,由于导线的电阻很小,通过欧姆定律可知:当电压为固定值,电阻无穷大时,电流将会趋近+∞。仿真电路如下:
2.2 USB 3.0电路设计
USB 3.0在USB 2.0的基础上增加了两组差分信号,分别用于信号的发送和接收。
有些连接上也会有ID的引脚,其功能与USB 2.0上类似。同样的,USB 3.0的5V电源也需要与板载的5V电源隔离,也需要使用电源开关,TPS2065CDGN允许通过的最大电流为1A,USB 3.0的最大电流为900mA,在此处同样适用。
在进行电路设计时,USB 3.0的两组高速差分信号的质量通常比较差,最好在线路上增加两个共模电感进行滤波。
3 USB电路设计细节
3.1 USB识别主从
USB的USB_ID引脚,可用于识别Host和Device。具体的引脚配置如下:
对于Host,USB_ID引脚拉低。
对于Device,USB_ID引脚悬空。
3.2 高速模式与低速模式
USB2.0的工作模式由高速模式和低速模式两种。当USB为Host时,D+、D-上分别接一个15K的下拉电阻,这样可以使得在没有设备插入的时候,D+、D-上始终保持低电平;当USB为Host时,D+和D-那么如何设计高速模式和低速模式,详情配置见下:
高速模式:D+被拉高,D-保持不变。
低速模式:D-被拉高,D+保持不变。
3.3 如何识别3.0接口
插入电缆后等效电路可以看成一个RC回路,而RC回路有一个重要特性,就是时间常数,这个常数就是R和C乘积,也是影响充放电特性。
可以看出,插入和拔除电缆,将Vo充电到特定的电压,则插入电缆后,充电需要的时长增加了。电脑的USB 3.0主机就是根据这个特性探测到U盘是支持超速特性的,否则插入电缆前后如果充电到电压VO没有时间变化的话,电脑就认为是高速ü盘,而不是超速U盘了。
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