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【盖世精华】USB2.0接口EMC设计方案
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作者:
admin
时间:
2019-9-27 15:52
标题:
【盖世精华】USB2.0接口EMC设计方案
, a5 s5 g i- `- l. A) N
5 L; d9 v8 c9 z
0 z) [1 \$ u3 l3 n1 A2 T
一、
接口概述
0 L- {$ V: l a: g
/ f7 H! P9 q# \, ~ N- o9 J7 j+ ^
USB
通用串行总线（英文：
Universal Serial Bus
，简称
USB
）是连接外部装置的一个串口汇流排标准，在计算机上使用广泛，但也可以用在机顶盒和游戏机上，补充标准
On-The-Go
（
OTG
）使其能够用于在便携装置之间直接交换资料。
USB
接口的电磁兼容性能关系到设备稳定行与数据传输的准确性，赛盛技术应用电磁兼容设计平台（
EDP
）软件从接口原理图、结构设计，线缆设计三个方面来设计
USB2.0
接口的
EMC
设计方案
: H5 O8 t) F2 J( S- ^$ A
二、
接口电路
原理图的
EMC
设计
/ A1 }2 \' E. L% A, _$ v1 {; ?
" {1 b. M6 j. g$ n+ a8 @" o! a
8 f+ D# `; A6 t, f" x8 U5 C
0 B' G) R, ?7 W
2 X) N" X* I$ H$ _
1. USB 2.0
接口防静电设计
6 ?3 _8 @! m& L! a
5 b! T8 V' D5 z3 H, b) G) }- r0 i
图
1 USB 2.0
接口防静电设计
: d) L; _8 s7 \ F* z
接口电路设计概述：
$ K+ F( B+ H* v
本方案从
EMC
原理上，进行了相关的抑制干扰和抗敏感度的设计；从设计层次解决
EMC
问题。
8 \# ]% ?( D7 @# d/ H
电路
EMC
设计说明：
$ O) r5 v) ?% _+ } E/ _
（
1
）
% a8 h! |4 H( [, b$ B# I2 k' d7 C
电路滤波设计要点：
, T& K9 s( x( }8 r. ]9 Q j* \
* C \( v# i1 x: G" V6 P- ^
( P8 J. t7 v, @+ B+ a0 f8 a
L1
为共模滤波电感，用于滤除差分信号上的共模干扰；
3 }: m; Y3 ~# ?3 R7 Q; g
L2
为滤波磁珠，用于滤除为电源上的干扰；
' s6 a' {1 ^# h l+ k# N' L0 S" m
C1
、
C2
为电源滤波电容，滤除电源上的干扰。
; T2 v- l: m. Z3 k$ ?2 r
L1
共模电感阻抗选择范围为
60
Ω
/100MHz ~120
Ω
/100MHz
，典型值选取
90
Ω
/100MHz
；
7 N! {# t2 O- i# q2 [9 \# u
L2
磁珠阻抗范围为
100
Ω
/100MHz ~1000
Ω
/100MHz
，典型值选取
600
Ω
/100MHz
；磁珠在选取时通流量应符合电路电流的要求，磁珠推荐使用电源用磁珠；
# |+ K/ T8 x: h4 Y' u# K
C1
、
C2
两个电容在取值时要相差
100
倍，典型值为
10uF
、
0.1uF
；小电容用滤除电源上的高频干扰，大电容用于滤除电源线上的纹波干扰；
3 S. E* g: @2 A# X i( z( S: M
C3
为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为
1000pF
，耐压要求达到
2KV
以上，
C3
容值可根据测试情况进行调整；
! m7 S9 O- u+ s* A/ u
（
2
）
电路防护设计要点
9 Y, B5 {/ q" y' ?7 e! n$ ^) C
D1
、
D2
和
D3
组成
USB
接口防护电路，能快速泄放静电干扰，防止在热拔插过程中产生的大量干扰能量对电路进行冲击，导致内部电路工作异常。
; j3 K' B9 D0 a1 c
D1
、
D2
、
D3
选用
TVS
，
TVS
反向关断电压为
5V
；
TVS
管的结电容对信号传输频率有一定的影响，
USB2.0
的
TVS
结电容要求小于
5pF
。
6 n2 |0 F; `+ A# b: @: U1 |
接口电路设计备注：
# A# | u- a4 c( [% D
如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过
1000pF
电容相连；
6 N6 {- ^) Q( \0 r
如果设备为非金属外壳，那么接口地
PGND
与单板地
GND
直接电气连接。
c: r4 u0 Y" K" [- p
三、
连接器设计
" P( h5 m. j/ A: S
5 E) n, V( z4 I( p$ p9 J& |
9 c: h! ~7 B! Q/ a0 n6 G
. O! V; ?3 d# J9 Z0 H2 Y. I
USBAF
连接器
USB
信号排序设计
; E% L9 s; Z, N; R, t
1 ?3 l7 L z1 Q" \1 Y5 `$ W- Q
图
1 USB
连接器结构设计
* U9 a% ~; C7 h+ m
连接器
USB
与机体的搭接方式：
/ l5 ], e( O; ?
（
1
）
面板开孔时采用精密的铣削加工技术，使孔眼的形状更适合连接器的放置，避免孔眼切削不精确的地方出现缝隙，进而降低电磁干扰辐射；经过测试证明，精确的铣削开孔加工可以提高
12~18%
的电磁兼容性；
( L' J4 {" J- {, K. R6 q. l
（
2
）
机体与
USB
金属连接器之间的接合处要增加金属弹片，使两者接合时能够保持良好的导电性能。具体搭接方式如上图所示：
' i/ q' }- a% |5 F5 b5 h8 Q5 Y& o6 I S
四、
线缆设计
5 A& l- h9 [& o9 y4 U0 c8 \4 C
$ A H- _+ Q5 {3 V7 o. `
4 a) ]; o+ v$ ~
% V- v' D( W7 c `7 }
5 K( k" n5 _8 L1 A' Q* }) e
: q, [0 N7 w7 p+ }' Q% x
USB-2.0
接口信号线缆
9 g% c2 @7 M0 Y. V( r" Q+ |. D
线缆设计要求：
USB2.0 AF
连接器
普通型
' C" I+ W! z% ~: a ]
5 g% `8 Z% u( W
图
1 USB
金属连接器的搭接
& ~: y, \4 |" C7 {
屏蔽层与金属连接器的搭接：
& C N1 l. P3 o: ^1 U
（
1
）
屏蔽电缆的屏蔽层要求与金属连接器进行
360
°的搭接；搭接方式如上图：
! l" M+ _% u1 X% O: u
（
2
）
屏蔽电缆屏蔽层要避免出现单独的“尾巴”现象。
2 _- }. O' _* t' m
五、
结束语
0 @- F" y! h5 F: J2 N+ y4 Z
) v2 U' T; Y ]) X5 Y0 o" a
电磁兼容设计平台（
EDP
），依据最专业的
EMC
专家方案知识库，快速输出符合产品设计要求的指导性的
EMC
解决方案。即是工程师身边的产品设计、学习助手，又是企业的
EMC
技术方案库，是产品电磁兼容性能的保证。
' p, t1 \' T( {6 \% m4 O. I% k
, N1 |0 s5 V% n/ S( u
; M0 A1 l2 j; Y9 @6 h5 @
3 A; ]0 {; v3 ^8 b( q5 ?5 J
图
2 USB-2.0
信号电缆
8 |, g6 n0 s) w' P! t! @
电缆设计：
1 b7 a5 I+ I3 l6 q% j, g3 ^
（
1
）
USB-2.0
信号电缆采用网状编织屏蔽层的屏蔽方式，且网状编织层编织密度要求不小于
90%
；差分线组采用铝箔屏蔽；
/ o8 \. q3 e) [+ e/ T0 W# @! X
（
2
）
内部组线时，差分电缆采用双绞传输，双绞绞距一般为最小绞距的
2
倍，（最小绞距
= D
为电缆的外径）；组线方式如上图所示：
/ Q3 |6 m6 `# R3 U# c" d L
（
3
）
电缆两端需要增加磁环处理，磁环内径与电缆的外径要紧密结合，尽量选择厚长型的磁环。
( t. G7 T- J$ ~
走线设计：
4 m$ n7 q! m" x
（
1
）
USB-2.0
信号电缆走线时要求远离其他强干扰源，如电源模块；
) n, w2 z2 }) |. E9 t& x# S, h
（
2
）
电缆走线最好单独走线或与其他模拟以及功率线缆保持
250px
以上距离，切不可与其他线缆一起混合捆扎。
& k3 A# e: p# C& X, Z. b, c+ [
$ C ^ q5 o P ~ f9 z
; c0 {) V5 b' M" T. R# Q) `: T
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5 b! T8 V' D5 z3 H, b) G) }- r0 i
1 ?3 l7 L z1 Q" \1 Y5 `$ W- Q
5 g% `8 Z% u( W
3 A; ]0 {; v3 ^8 b( q5 ?5 J