Layout cho tín hiệu USB

Tín hiệu high speed USB có trở kháng Differential Pair là 90 Ohm, trở kháng Single Ended là 50 Ohm.

Thông thường chúng ta layout với chế độ Differential Pair, tức là theo cặp vi sai. Tùy theo stack-up và hoạch định layout, chúng ta có thể layout ở một trong hai cấu trúc phổ biến là Microstrip hoặc Stripline như hình ảnh dưới đây.

Cấu trúc Microstrip

Cấu trúc Stripline

Yêu cầu layout cho tín hiệu USB2.0 (D+, D-), tham khảo tài liệu Layout Design Guideline của Toradex:

Trong thiết kế, sản xuất trở kháng luôn có sai số thường dao động 10 -15%. USB2.0 có thể hoạt động ở 3 tần số:

Low Speed: 750kHz (1.5Mbit/s)
Full Speed: 6MHz (12Mbit/s)
High Speed 240MHz (480Mbit/s)

Bảng trên cho thấy hướng dẫn layout PCB cho tín hiệu USB2.0 của hãng Toradex khi người dùng thiết kế board Carrier. Tùy từng hãng sẽ có tài liệu Layout Guideline riêng, các bạn nên chú ý cho thiết kế của mình. Tất nhiêu các tài liệu đó đều tuân thủ theo chuẩn tín hiệu chung.

Schematic của một cổng USB đáp ứng EMC, source: https://www.we-online.com/

Yêu cầu layout cho tín hiệu USB3.0 (D+, D-, TX+, TX-, RX+, RX-):

Source: https://www.embedded.com/

USB3.0 hỗ trợ Super Speed: 2.5GHz (5GT/s), số lượng tín hiệu highspeed cũng nhiều hơn, tốc độ cao hơn rất nhiều so với USB2.0 nên yêu cầu layout chặt chẽ hơn nhiều. Về độ dài tín hiệu, hãng sẽ đưa ra yêu cầu length matching cho từng cặp different pair (intra-pair) , giữa các cặp different pair với nhau (inter- pair), số lượng via tối đa được phép, tụ AC couling, layer tham chiếu, plane tham chiếu là GND/Power…

Source: https://ftdichip.com/

Với các tín hiệu Different Pair nói chung, việc layout tuân thủ các quy tắc là rất quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu.

Tại đây, mình tóm tắt một số vấn đề quan trọng:

• Bố trí stack-up, định hướng layout xem lớp nào đi dây USB, lớp nào là lớp tham chiếu (reference layer)
• Tuyệt đối không chia cắt, đi dây khác vào vùng plane tham chiếu cho tín hiệu highspeed. Điều này ảnh hưởng đến đường trở lại (return path)của tín hiệu highspeed, trở kháng của tín hiệu, các vấn đề EMI…
• Kiểm soát trở kháng: Tính toán trở kháng trước khi thiết kế
• Khi thực hiện tuning độ dài trace, cần tuân thủ các lưu ý liên quan đến yếu tố hình học của trace để đảm bảo trở kháng của trace đồng nhất trên toàn bộ trace.

Source: Protoexpress

• Trong thiết kế có thể thêm các linh kiện như common modechock filter, ESD, TVS, MOV, Ferrit Bead… để bảo vệ linh kiện trên mạch, cải thiện tín hiệu/nguồn.

• Layout trace nguồn có độ rộng lớn để đảm bảo dòng điện của cổng USB, sử dụng plane nguồn nếu có thể để giảm điện cảm của trace nguồn.
• Tránh làm stub tín hiệu USB khi có các linh kiện bảo vệ, pull-up/pull-down.

• Hạn chế sử dụng via
• Lưu ý tổng chiều dài của tín hiệu
• …

Các bạn tham khảo hướng dẫn chi tiết của Toradex TẠI ĐÂY

Các tài liệu tiếng Anh về layout PCB cho USB các bạn tham khảo TẠI ĐÂY

Tham khảo:

• Toradex
• https://www.protoexpress.com
• https://www.we-online.com/