USB 2.0 高速主機適配卡的設計

５Ｖ／３．３Ｖ的降壓調節器用于將ＰＣＩ總線提供的５Ｖ電源轉換成主控制器需要的３．３Ｖ直流電源；系統時鐘由３０ＭＨｚ晶振提供；電源控制開關提供短路和過流保護，而且每個下游端口都有各自的控制開關；串行ＥＥＰＲＯＭ用于存儲子系統標識符、子系統廠商標識符等相關信息。

ＵＳＢ２．０高速主機適配卡，通過主控制器和根集線器，使得主機操作系統與下游５個端口的ＵＳＢ設備或集線器之間實現同步通信，可以處理ＵＳＢ１．０、ＵＳＢ１．１、ＵＳＢ２．０三種傳輸速率。它支持熱插拔、總線供電，每個端口最大可有５００ｍＡ電流。連接ＵＳＢ２．０設備或集線器的ＵＳＢ電纜的最大長度為５ｍ，設備連接采用不超過７層的星形拓撲結構，可連接多達１２７個ＵＳＢ設備或集線器。

１．３ ＵＳＢ ２．０高速主機適配卡的設計要點

由于ＵＳＢ２．０高速的傳輸速率，如何提高ＵＳＢ２．０信號的傳輸質量，減小電磁干擾（ＥＭＩ）和靜電放電（ＥＳＤ）成為設計的關鍵。本文從電路設計和ＰＣＢ 設計兩個方面進行分析。

在電路設計中，應在數字電源ＶＤＤ和數字地ＶＳＳ之間盡可能多放一些去耦電容，同時在靠近ＵＳＢ２．０主控制器芯片處多放一些旁路電容，以減少耦合，降低高頻輻射噪聲；在盡可能靠近主控制器信號管腳處放負載電阻，維持對地４５Ω的高速負載；在下游每個端口，放１５ｋΩ下拉電阻；在盡可能靠近接插元件處放差分模式阻抗較低的共模扼流元件和ＥＳＤ抑制元件，如圖３所示，以提高差分信號質量，降低干擾，確保在ＥＭＩ測試中得到足夠的余量。

ＰＣＢ設計采用四層印刷電路板，第一、四層為信號層，第二層為電源層，第三層為地層。第四層為ＵＳＢ２．０最佳布線層，在地層應將模擬地和數字地嚴格分開。在可能的情況下，不要將ＵＳＢ布線在晶振、時鐘和磁性設備或ＩＣ的下面。分層厚度和主要信號的走線寬度，都必須采用阻抗控制并進行阻抗匹配，以滿足規定的阻抗值，其中包括保持Ｄ＋和Ｄ－兩條信號線同樣長度且始終平行，以得到Ｄ＋／Ｄ－９０Ω的差分對阻抗及４５Ω的共模阻抗。時鐘電路也是產生電磁輻射的主要來源，故應將晶振元件放在距離ＵＳＢ２．０芯片盡可能遠的區域，保證信號線Ｄ＋／Ｄ－和高速時鐘線之間的距離越遠越好，以減少高頻輻射影響。同時還要限定Ｄ＋／Ｄ－以及高速時鐘線的長度，使線長最短。盡可能增大每對信號線之間的距離，避免９０°直角布線等。

在選擇外圍附件時，必須選擇ＵＳＢ２．０電纜、ＵＳＢ２．０連接器，并將面板等機械部件正確地與高速主機適配卡、主機相連，保證良好的屏蔽，以減少靜電放電干擾。

２ 測試結果及結論

ＵＳＢ實施者論壇（ＵＳＢ－ＩＦ）提供ＵＳＢ設備與主機軟件的測試，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 提供Ｗｉｎｄｏｗｓ 硬件品質實驗室測試 ＷＨＱＬ Ｔｅｓｔｉｎｇ。對于ＵＳＢ２．０高速主機適配卡，除了上述兩個標準測試外，還包括高速信號傳輸質量的測試、功能測試、電磁兼容國際認證測試等。

利用Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＤＳ６９４Ｃ、ＴＤＳ５４４ 示波器進行高速信號傳輸質量的測試，其中包括高速差分對Ｄ＋／Ｄ－ 眼圖、信號傳輸速率、接收靈敏度、振幅、差分對Ｄ＋／Ｄ－輸出阻抗等測試。測試結果滿足ＵＳＢ２．０主控制器的設計標準，滿足ＵＳＢ２．０ 的設計規范，測試連接見圖４。

ＵＳＢ２．０高速主機適配卡功能測試，即采用Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｅ、Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８ＳＥ等不同的操作系統，與不同的ＵＳＢ設備連接測試。包含與ＵＳＢ１．０低速設備如鼠標、鍵盤的連接；與ＵＳＢ１．１全速設備如ＨＤＤ、音頻設備的連接；與ＵＳＢ２．０高速設備如ＵＳＢ２．０ Ｈｕｂ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、視頻會議攝像機、掃描器、寬帶打印機、攝像機等的連接，進行“Ｗｉｎｔｅｓｔ” 測試。所有的測試結果表明，ＵＳＢ２．０高速主機適配卡能夠在不同的操作系統下，與多個廠家的ＵＳＢ設備兼容，提供良好的性能。

基于北美、歐盟和世界范圍內的很多國家都有強制性的電磁兼容規范，如ＦＣＣ、ＶＣＣＩ、ＵＬ、ＣＥ等，電磁兼容和靜電放電測試對ＵＳＢ２．０高速主機適配卡來說也是非常重要的。由于在設計中著重考慮了電磁兼容和靜電放電等問題，并進行多方改進，這種新型的ＵＳＢ２．０高速主機適配卡通過了電磁兼容的國際認證測試，性能可靠，應用前景廣闊。