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USB 芯片的电路及PCB 设计的重要注意事项


USB 芯片的电路及 PCB 设计的重要注意事项

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USB 芯片的电路及 PCB 设计的重要注意事项
版本:2D http://wch.cn

1,摘要
本文主要针对以下因电路及 PCB 设计不佳而引起的故障现象进行分析和解答 ⑴,关于 USB 设备带电热插拔: (重要) 用 CH374,CH375 设计的 USB-HOST 电路中,当某些 USB 设备带电插入时,工作不正常或者芯片发热 ⑵,关于设计 3.3V 的 USB 产品: 用 CH372,CH374,CH375,CH341 等 USB 芯片设计 3.3V 电源电压的 USB 产品时需要注意的事项 ⑶,关于 USB 主从模式切换: 用 CH374,CH375 设计的 USB-HOST 和 USB-DEVICE 产品中,如何识别并进行 USB 主从模式切换 ⑷,关于工作稳定性和抗干扰: (重要) 用 CH372,CH375,CH341 等 USB 芯片设计的 USB 产品,如何提高可靠性和抗干扰能力

2,USB 设备带电热插拔
2.1. 故障现象
在使用 CH375 评估板的过程中,或者在自行设计的 USB-HOST 产品中,某些 USB 设备带电插入时: ① 导致 CH375 复位或者单片机复位(尤其是采用μP 监控电路的单片机系统) ② CH375 或者单片机突然工作不正常,失去控制 ③ CH375 芯片的工作电流突然增大并且持续如此,时间长了芯片发热烫手甚至芯片损坏

2.2. 原因分析
USB 支持动态带电插拔,以 CH375 评估板使用 U 盘为例.由于 U 盘内部都有电源退耦电容,当 U 盘刚 插入 USB-HOST 插座时,评估板必然要对其充电,由于瞬间充电电流很大(微秒级瞬间峰值可达几安培) , 所以导致主机端的电源电压 VCC 突降(用高速的数字存储示波器可以看出,越靠近 USB 插座的位置,电源 电压降得越严重) ,这个电压突降过程可能只有几十微秒甚至几百纳秒,但是一旦被 CH375 或者 uP 监控电 路检测到,就会被当作电源上电或者电源下电,从而有可能导致 CH375 和单片机被复位.并且,由于 U 盘 插入过程引起的电压突降是一种不确定的瞬时状态,例如几十纳秒的电压突降,所以有可能使 CH375 或者 单片机不完全复位,从而工作不正常. 另外,由于 CH375 的 V3 引脚接有电容,在 U 盘插入过程中,如果 CH375 的 VCC 引脚的电源电压突降 到 2.5V 以下,而 CH375 的 V3 引脚被其外接电容保持在 3.5V 以上,出现 CH375 的普通引脚电压超过电源 引脚 VCC 的特殊情况,那么将容易导致 CMOS 电路 CH375 出现大电流闩锁,芯片发热,长时间还会损坏. 如果 CH375 的 V3 引脚不接电容,则不会出现大电流,V3 引脚的电容用于内部电源节点退耦,改善 USB 传 输过程中的 EMI,通常容量是在 4700pF 到 0.1uF 范围,建议容量为 0.01uF,即 103 电容. 由于有些 USB 设备内部的电源退耦电容较小,或者内部串有限流电阻或者电感,所以只有少数峰值电 流较大的 USB 设备会在某些条件下出现上述现象,而且这种情形还与 PCB 中 USB 电源线的布线有关. 还有一种意外情况(不是设计原因)就是,USB 插座或 USB 线损坏或者焊接原因导致 USB 信号线 D+或 D-与 VCC 之间短路,USB 信号线 D-与 GND 之间短路,这种情况会引起 CH375 芯片发热甚至损坏.

2.3. 解决方法(以下几种任选一种,或者多种并用更加可靠)
最核心的一句话就是:在 USB 设备插拔的过程中,确保 CH375 和单片机的电源电压保持不变 2.3.1. 给 USB 插座单独供电,使 USB 设备刚插上时的电容充电过程不影响单片机和 CH375.变通方法是, 将 5V 主电源分别通过两个独立的限流电感后(或者在 PCB 中电源线分开走) ,一组提供给 CH375 和单片机等,另一组提供给 USB 插座.注意,在电感后面应该有退耦电容或者负载,防止 USB 设

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备拔出时由电感产生过冲高电压.这种方法更适合连接消耗电流较大的 USB 外置硬盘. 2.3.2. 在 USB 插座前串接限流电阻或电感,并在 USB 插座电源上并联储能用的电解电容.例如,在 CH375 评估板的原理图中,电容 C23 用于储能,电阻 R1 用于限制 USB 设备刚插入时的瞬时电流,由于一 般 U 盘的正常工作电流只有几十毫安,所以串接几欧姆的电阻对其影响不大,建议电阻值在 1Ω到 10Ω之间,阻值大些更安全,但是要确保 USB 设备正常工作时的电源电压大于 4.5V.如果用电感 也可以限制电流突变,防止电源电压突降,但是用电感在 USB 设备拔出后,容易在 USB 插座中产 生过冲高压,所以需要接储能电容. (注意,在第一版 CH375 评估板的原理图中已经标出 USB 插座 的限流电阻 R1 为 1Ω,建议将其换为阻值 5Ω的电阻或者保险电阻) 2.3.3. 参考目前计算机的解决方法:USB 端口的电源供给是通过保险电阻或限流电感提供的, 这些能够限 制瞬时电流.对于计算机前面板的 USB 端口,由于本身通过一段较长的连接线,自然减弱了对主 电源的影响,而且计算机的 5V 电源功率很大,连续供电电流都在 20A 以上,所以不易受影响.

2.4. 参考电路
下面是作为 USB 主机端处理 USB 插座电源及信号的一些参考电路图,参考了一些计算机主板的做法, 用于较为严格的应用环境,常规应用可以不必如此复杂,或者在此基础上进行简化. 2.4.1. 下图为较严格的设计图 在 USB 电源供给线中串接保险电阻或者自恢复保险丝 F1,一般 500mA 以下. 串联电感 L1 限制峰值电流,感抗在 47uH 到 200uH 之间,直流电阻应该不超过 3 欧姆. 在 USB 插座的电源上并联独立的储能电容 C16 缓解电压瞬时下降. 在 USB 信号线 D+和 D-上串接共扼电感 T1,减少信号干扰. 右边是共扼电感样图,在一些计算机的主板中可以见到. U13 为μP 监控电路,为单片机和 CH375 提供可靠的上电复位. U12 为瞬变电压抑制器件/ESD 保护器件,内部一般为高速二极管阵列,在频繁带电插拔 USB 设备的应 用中和静电较强的环境下,建议使用此类器件保护 CH375 的 USB 信号引脚,型号为 NUP4301MR6T1 或 NUP2301MW6T1(引脚与图中不同)等,注意不能选用内有电阻的器件. 电容 C14 用于 CH375 电源退耦,实际电路还应该在 U12 和 U13 附近分别连接 0.1uF 退耦电容. 该图适用于 5V 电源电压,如果 VCC 为 3.3V,那么应该将 U1 的 9 脚与 28 脚短路. 图中 X1 是有源晶振,频率为 12MHz,也可以用普通 12MHz 的晶体及两个振荡电容实现.

2.4.2. 另外一种参考电路 在 USB 电源供给线中串接保险电阻 R2,根据 U 盘最大消耗电流选择限流,一般 100mA 以下. 在 USB 插座的电源上并联独立的储能电容 C26 缓解电压瞬时下降. 在 USB 信号线 D+和 D-上串接电阻(0 到 5 欧姆范围内) ,可选. 在 USB 信号线 D+和 D-上并接高频二级管 D21-D24,实现简单的 ESD 保护,性能不如上图中专用 IC. 电容 C25 用于为 CH375 提供上电复位,性能不如上图中专用 IC. 该图适用于 5V 电源电压,如果 VCC 为 3.3V,那么应该将图中 U2 的 9 脚与 28 脚短路.

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3,设计 3.3V 的 USB 产品
CH372,CH374,CH375,CH341 等 USB 芯片都支持 5V 电源电压和 3.3V 电源电压,当电源电压为 3.3V 时除了以下几点要求之外,其它要求都与 5V 电源电压时完全相同. ① 与 USB 芯片相连接的所有电路的电源电压都必须不高于 3.3V 例如μP 监控电路,有源晶振,MCU 单片机,SRAM 等电源电压都必须为 3.3V 或者更低 ② USB 芯片的 VCC 引脚与 V3 引脚应该短接,同时输入 3.3V 电源电压 ③ 用 CH375 设计 USB-HOST 产品时,提供给 USB 插座的电源应该仍然是符合 USB 规范的 5V 电源 ④ 如果使用瞬变电压抑制器件/ESD 保护器件或者保护二极管,那么其正电压应该是 3.3V

4,USB 主从模式切换
如果使用一个 CH375 同时实现 USB-HOST 和 USB-DEVICE 主从两种 USB 通讯,那么单片机系统应该自行 决定主从模式,主模式通常用于控制其它 USB 设备(例如读写 U 盘) ,从模式通常用于连接到计算机.单 片机决定当前主从模式可以依赖于下述 4 种方法之一:操作人员的选择,5 针 USB 插座的 ID 信号,双 USB 插座主从判断电路,单 USB 插座主从判断电路.注意:单片机中的判断程序应该有去抖动处理. 4.1. 操作人员的选择比较容易实现.例如,单片机使 CH375 芯片默认工作于主模式,当有 USB 设备插入 时 CH375 会自动通知单片机然后处理;当单片机接收到操作人员的控制指令时,使 CH375 切换到从 模式,以便作为 USB 设备与计算机通讯. 4.2. 用 5 针 USB 插座的 ID 信号是指使用 OTG 协议中的 5 针 USB 插座,向单片机提供一个额外的主从识别 信号,由单片机判断后控制 CH375 切换工作模式. 4.3. 双 USB 插座主从判断电路如下,端口 P4 仅用于连接 USB 设备,端口 P42 仅用于连接计算机,两者不

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能同时使用.空闲情况下,STATUS 为低电平,单片机使 CH375 工作于主模式,当有 USB 设备插入 P4 时 CH375 会自动通知单片机然后处理.当端口 P42 连接到计算机的 USB 端口时,计算机的 USB 提供 5V 电源使 STATUS 为高电平,所以单片机使 CH375 切换到从模式.

4.4. 单 USB 插座主从判断电路如下,空闲情况下,节点 4V7 的电压比 USB 插座的电源电压高,比较器 U31 输出 STATUS 为低电平,单片机使 CH375 工作于主模式,当有 USB 设备插入 P3 时 CH375 会自动通知 单片机然后处理.当 P3 连接到计算机的 USB 端口时,计算机的 USB 提供 5V 电源使 USB 插座的电源 电压比节点 4V7 的电压高,比较器 U31 输出 STATUS 为高电平,所以单片机使 CH375 切换到从模式. 图中,电阻 R3 用于产生压差以便比较,D31 和 D32 为压降在 0.3V 左右的肖特基二极管,型号不限, 可选用 1N5817 或 BAT54XV2T1(电流小于 100mA)等,D32 使节点 4V7 的电压低于计算机的 USB 电源 电压,D31 用于避免输出较大电流时电阻 R3 压降太大,Z1 和 Z2 为两个性能相同的普通 LED 发光二 级管,用于将输入共模比较电压降到比较器 LM393 可以接受的范围.注意,作为 USB 主机端口,输 出 USB 电源电压约为 4.3V 到 4.8V,部分 USB 设备可能不适用.

5,工作稳定性和抗干扰
因为 USB 信号属于模拟信号,所在 CH372,CH375,CH341 等 USB 芯片内部包含数字电路和一些模拟电 路,另外,USB 芯片中还包含时钟振荡及 PLL 倍频电路,以上 3 种电路的公共地端在芯片内部已经连接在 一起并连接到芯片外部的 GND 引脚.

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如果 USB 芯片有时工作不正常,或者 USB 数据传输随机性的失败,或者抗干扰能力差,那么就应该考 虑 USB 芯片是否稳定工作.影响 USB 芯片工作稳定性的三大因素是: ① 时钟信号不稳定.这是主要原因,下面将详细分析. ② 时钟信号受干扰.解决方法:PCB 设计时尽量不在晶体及振荡电容附近走线,尤其是不要走继电 器,电动机等带有瞬时冲击电流的电源线和强信号线;在晶体及振荡电容周边布置 GND 铺铜屏蔽 干扰;可以将晶体外壳接地(人手碰到晶体外壳会引入干扰) ;或者使用有源晶振等. ③ USB 信号受干扰.解决方法:PCB 设计时使 USB 信号线 D+和 D-平行布线,最好在两侧布置 GND 铺 铜,减少干扰.应该使用符合 USB 规范的 USB 传输线,不能使用普通线缆.

5.1. 时钟信号不稳定
时钟信号不稳定通常是 PCB 布线中 GND 走线不佳. 参考下图, 该图适用于 CH372, CH374, CH375, CH341, CH340 等 USB 芯片.图中有 6 个接地点,分别是 A,B,C,D,E,F,设计电路及 PCB 时应该尽量避免这 6 个 GND 点之间存在电压差(主要是指数字电路中的高频毛刺电压,也就是数字噪声) . 解决方法是:①尽量缩短这 6 个点之间的距离;②类似模拟电路设计中的单点接地;③大面积 GND 铺 铜及 GND 多点过孔 VIA 降低高频信号阻抗.图中最关键的是 E 点,F 点与 D 点之间不能存在高频毛刺电压 差,可以用示波器探头地接 D 点测量时钟输入端 XI 引脚的 12MHz 时钟波形是否有抖动.

5.2. 参考 PCB 设计 1(需要多加几个 GND 过孔后 GND 铺铜)
下图适用于 CH375 或 CH341 芯片,由于 GND 引脚紧靠 XI 引脚和 XO 引脚,所以比较容易走线.

5.3. 参考 PCB 设计 2(需要多加几个 GND 过孔后 GND 铺铜)

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下图适用于 CH372 芯片,GND 引脚借助过孔 VIA 及冗余 GND 线连接时钟振荡电路等.

5.4. 参考 PCB 设计 3(需要多加几个 GND 过孔后 GND 铺铜)
下图适用于 CH372 芯片,GND 走线和时钟信号线都比较短,时钟信号受到 GND 屏蔽保护.

5.5. 不良设计
下图中 CH372 的 GND 引脚远离电容 C1 和 C2 的 GND 端,并且 C1 和 C2 的 GND 端与单片机 MCU 的 GND 连 接,所以 MCU 的数字噪声将被引入 CH372 的 XI 引脚和 XO 引脚.建议改为:在 C1 和 C2 的 GND 端与 CH372 的 GND 引脚之间连接短线甚至断开 MCU 的 GND(实际上这几个 GND 之间仍然是物理相通的) . 客观的讲,CH372,CH375,CH341 等 USB 芯片对时钟的稳定性要求较高,稍有不稳定就会影响 USB 传 输甚至不工作.如果只是个人做 USB 实验,下图中的这块 PCB 仍然能够在 99.9%的情况下正常工作.如果 是做批量产品的生产,那么强烈建议改进这块 PCB 的布线以提高稳定性.

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