【盖世精华】USB2.0接口EMC设计方案

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一、     接口概述

: i. W" \4 o( t6 I; h  ~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
3 o  K, O: t: q: e二、     接口电路原理图的EMC设计

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1. USB 2.0接口防静电设计

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图1  USB 2.0接口防静电设计

2 y( E# h3 M# k2 \接口电路设计概述：
3 T6 J0 |6 \# O, S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。
电路EMC设计说明：
（1）
电路滤波设计要点：


L1为共模滤波电感，用于滤除差分信号上的共模干扰；
L2为滤波磁珠，用于滤除为电源上的干扰；
C1、C2为电源滤波电容，滤除电源上的干扰。
L1共模电感阻抗选择范围为60Ω/100MHz ~120Ω/100MHz，典型值选取90Ω/100MHz；
L2磁珠阻抗范围为100Ω/100MHz ~1000Ω/100MHz，典型值选取600Ω/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；
3 u* F( _4 _( E+ |! kC1、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；
) G* T5 C' y( o" EC3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；
（2） 电路防护设计要点
9 W  w- ?! ^: o$ r% [2 N/ UD1、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。
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。
接口电路设计备注：
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；
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。
三、     连接器设计

+ S4 s' ?5 `5 v/ Y( `3 `4 l7 hUSBAF连接器USB信号排序设计
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图1  USB连接器结构设计

连接器USB与机体的搭接方式：
& F$ \/ L6 T) g: h' `/ G' n& I0 E" B（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；
（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：
四、     线缆设计
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5 x, l1 g; r/ ^( t- Y- a: _

- w9 Y# _/ f+ J8 RUSB-2.0接口信号线缆
5 w+ F# a- U  z/ a: \$ Z线缆设计要求： USB2.0 AF连接器普通型

图1  USB金属连接器的搭接

2 y' f% n) P3 Z5 `( ?8 Z屏蔽层与金属连接器的搭接：
（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：
（2） 屏蔽电缆屏蔽层要避免出现单独的“尾巴”现象。
五、     结束语
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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。
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图2  USB-2.0信号电缆

6 U! K. f) s, c8 N电缆设计：
4 N+ L5 B! R& v6 W" J（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；
- A# v7 W) ?# E" f- S3 Y（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：
（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。
走线设计：
（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；
（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。