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USB接口电磁兼容EMC解决方案

通用串行总线是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视、游戏机等其它相关领域。 多媒体电脑刚问世时,外接式设备的传输接口各不相同,如打印机只能接LPT、调制解调器只能接RS232、鼠标键盘只能接PS/2等。

usb接口具有传输速度快,支持热插拔以及连接多个设备的特点,目前已经在各类计算机、消费类产品中广泛应用。

usb接口面临电磁兼容问题  

由于USB接口运行速度快,很容易通过USB连接线缆超过外部高频辐射。同时,由于热插拔,容易受到瞬态电压冲击和静电干扰。因此,在产品接口设计中,我们需要从接口滤波器设计、保护设计、PCB设计、电缆结构设计等多个方面重点进行EMC设计。

usb接口标准要求  

带有usb接口的典型消费类产品,需要满足相关电磁兼容要求,与usb相关的电磁兼容项目要求如下,其他如应用在军品、汽车电子、铁路电子要求则有所不一样,具体请参考相关电磁兼容标准要求。

原理图设计要点说明  

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;

C3、C4为电源滤波电容,滤除电源上的干扰;

C1、C2为预留设计,注意电容尽量小,如实际影响信号传输,可以不焊接。

防护设计要点:  

D1、D2、D3组成usb接口防护电路,能快速泄放静电干扰,避免内部电路遭受静电的干扰。

C5、C6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。

特殊要求

4.3R1、R2为限流电阻,差分线之间耦合会影响信号线的外在阻抗,可以用此电阻实现终端最佳匹配,使用时根据实际情况进行调整。

器件选型要求:  

L1为共模电感,共模电感阻抗选择范围为60Ω/100MHz~120Ω/100MHz,典型值选取90Ω/100MHz

L2选用磁珠,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

C3、C4两个电容在取值时要相差100倍,典型值为1000pF、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;

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结电容小于5pF;

布局设计要点  

元器件布局要按照信号流向进行布局;

防护器件要尽可能的靠近接口放置,确保引线电感最小,以保证防护器件能正常的进行防护动作。

应将芯片放置在离地层最近的信号层,并尽量靠近usb插座,缩短差分线走线距离。

布线设计要点  

共模电感下方不能走其它信号线。

如果usb接口芯片需串联端电阻或者D线接上拉电阻时.务必将这些电阻尽可能的靠近芯片放置。

将usb差分信号线布在离地层最近的信号层。

保持usb差分线下端地层完整性,如果分割差分线下端的地层,会造成差分线阻抗的不连续性,并会增加外部噪声对差分线的影响。

在usb差分线的布线过程中,应避免在差分线上放置过孔(via),过孔会造成差分线阻抗失配。

保证差分线的线间距在走线过程中的一致性,如果在走线过程中差分线的间距发生改变,会造成差分线阻抗的不连续性。

在绘制差分线的过程中,使用45°弯角或圆弧弯角来代替90°弯角,并尽量在差分线周围的150mil范围内不要走其他的信号线,特别是边沿比较陡峭的数字信号线更加要注意其走线不能影响usb差分线。