“本文介紹了在 PCB 上正確布局 USB 差分數(shù)據(jù)線的關鍵原則和實踐。主要目標是實現(xiàn) USB 規(guī)范中規(guī)定的 90 歐姆阻抗匹配。且應考慮 ESD 保護及完整的地平面。”

USB 速度等級及阻抗要求

USB 的速度標準經(jīng)歷了多次迭代，不同版本的 USB 接口速度差異很大。以下是常見 USB 標準的理論最大傳輸速度：

對于 USB 1.1、USB 2.0，理論最大速度不超過 480 M，因此雖然也需要滿足基本的差分對走線約束以及 90 歐阻抗匹配的要求，但對 Layout 的要求并不高，滿足通用約束基本都能使用。但對于 USB 3.0 以上的版本，速率從480 Mbps 躍升到 5 Gbps，其布局布線的要求要嚴苛得多，因為高速信號線對 PCB 上的任何物理瑕疵都極為敏感。

通用 USB 布線約束

首先要記住核心原則：一切為了 90 歐姆阻抗

決定差分阻抗的主要物理參數(shù)有四個：

走線寬度：線越寬，阻抗越低。

走線間隙：兩條線間隙越近，耦合越強，差分阻抗越低。

介質(zhì)厚度（PP）：走線距離其下方參考平面（通常是GND層）的高度。距離越遠，阻抗越高。

介質(zhì)常數(shù) (Er)：PCB板材的特性。最常用的FR-4材料，Er值通常在4.2到4.6之間。

因此，要回答“走線多寬，間距多大？”，必須先確定您的PCB層疊結構，然后使用阻抗計算工具（如Polar Si9000、Saturn PCB Toolkit、華秋 DFM 或 EDA 軟件自帶的計算器）來反向計算出合適的寬度和間隙。

常見場景下的參考值

盡管沒有固定值，但在業(yè)界最常見的4層板、FR-4板材、標準疊層設計中，確實有一些被廣泛使用的“經(jīng)驗值”或“起始值”。您可以將這些值作為您設計的起點，然后根據(jù)您的實際板廠參數(shù)進行微調(diào)。

以下是一些典型場景的參考值（目標：90Ω差分阻抗）：

場景一：最常見的4層板（信號-地-電源-信號）

層疊：頂層（信號）到第二層（地）的介質(zhì)厚度通常在6-8 mil (0.15-0.20 mm)之間。

銅厚：0.5oz (17.5um) 或 1oz (35um)。

常見組合 1：

線寬: 5 mil (約0.127 mm)

間距: 7 mil (約0.178 mm)

常見組合 2：

線寬 : 6 mil (約0.152 mm)

間距 : 6 mil (約0.152 mm)

場景二：介質(zhì)層較厚的情況

如果信號層到參考地層的距離較厚，比如10-12 mil，為了維持90Ω阻抗，走線需要做得更寬。

可能組合：

線寬 (Width): 7 mil (約0.178 mm)

間距 (Spacing): 6 mil (約0.152 mm)

最佳實踐與建議

以上只是理論計算，實際操作時，最重要的步驟是與板廠溝通，向板廠索要他們推薦的層疊結構，這樣才能獲取各層厚度、介質(zhì)嘗試等信息，用于阻抗的精確計算。

這里推薦一個省事兒的方法，使用華秋 DFM 里的阻抗計算工具。由于華秋本來也是板廠，所以 DFM 工具里可以直接獲取到他們家常用的層疊信息，不用再費力地與廠家電話溝通或者去網(wǎng)站上搬運參數(shù)。具體使用步驟如下：

1. 打開華秋 DFM 的阻抗計算工具：

2. 設置層數(shù)、板厚、內(nèi)外層銅箔厚度，然后選擇玻璃布的型號。這一步很重要，玻璃布的型號決定了很多計算阻抗的關鍵參數(shù)。

以下是常用的玻璃布型號。

在華秋 DFM 中算阻抗最大的優(yōu)點在于這些層疊結構和華秋實際制造 PCB 時選用的層疊完全一致，不存在溝通上的問題。同時，選取型號后，參數(shù)會自動展示在阻抗計算器中，無需手動填寫：

3. 輸入目標阻抗 90 歐，假設走線間距設為 7 mil，點擊“反算”，即可得出差分對的走線寬度：

結果會自動填充到上方的阻抗列表，方便進行再次驗證：

地平面的要求

無論是微帶線還是帶狀線，都要求 USB 差分對有完整（不能夸平面）的參考平面，以提供最短的回流路徑。尤其是 USB 3.0 以上的版本，這點至關重要。

KiCad 中進行 USB設計

在原理圖設計時，必須使用 _P/_N 或 +/- 后綴定義差分對信號：

由于 USB 接口是暴露在系統(tǒng)外的，且經(jīng)常拔插。因此強烈建議增加 ESD 保護芯片，防止因為靜電等意外情況擊穿相對較貴的主芯片（如主控CPU、USB控制器、電源管理IC等）。任何與外界直接相連的接口，都必須考慮靜電放電（ESD）和電磁干擾（EMI）的防護。在靠近USB連接器的數(shù)據(jù)線和電源線上，應合理布局ESD保護器件（如TVS二極管）和共模電感（Common Mode Choke）。ESD器件能夠瞬間鉗位有害的靜電電壓，保護后級電路；而共模電感則能有效抑制差分線上的共模噪聲，進一步提升信號的抗干擾能力。這些防護器件的布局原則是盡可能靠近連接器，在有害能量進入主板深處之前就將其吸收或濾除。

在做 PCB Layout 時，需要注意以下幾點：

1. 如果差分對在頂層或底層（微帶線），下方必須有完整的參考地平面，不允許出現(xiàn)信號跨越平面的情況。

2. 使用自定義的 DRC 規(guī)則，限制差分對的線寬、間距以及最大非耦合長度。 我們還可以使用通配符或正則表達式定義一個差分對的網(wǎng)絡類： 然后使用 “自定義規(guī)則” 為 DP 的差分對網(wǎng)絡類定義特殊的規(guī)則。比如下圖定義了差分對間隙為

USB 3.0 的額外要求

對于USB 3.0，需要將這些原則執(zhí)行得更加極致，并關注以下幾個特殊且關鍵的要求：

1. 嚴格的阻抗控制：不止是 D+/D-

USB 3.0引入了全新的SuperSpeed差分對：一對用于發(fā)送（SSTX+/SSTX-），一對用于接收（SSRX+/SSRX-）。這兩對線路與原有的USB 2.0的D+/D-線路是獨立的。

目標阻抗：所有SuperSpeed差分對（SSTX和SSRX）都必須嚴格控制90歐姆 ±7%的差分阻抗。相比USB 2.0的90歐姆±15%，這個容差要求嚴格了一倍。這意味著您需要通過PCB疊層設計和阻抗計算工具，精確確定走線的寬度、間距和參考平面距離。

D+/D-線路：同時，板上的D+/D-線路仍需保持90歐姆的差分阻抗，以兼容USB 2.0模式。

2. 極致的差分對內(nèi)等長控制

在5 Gbps的速率下，信號傳播時間的微小差異都會導致數(shù)據(jù)采樣錯誤。

對內(nèi)等長：SSTX+與SSTX-之間的長度差異，以及SSRX+與SSRX-之間的長度差異，必須控制在極小的范圍內(nèi)。業(yè)界通常建議不超過5 mil（0.127毫米）。這通常需要通過在較短的走線上添加蛇形線來進行精確補償。

請注意，SSTX差分對與SSRX差分對之間不需要做等長匹配。

3. 明確的隔離與間距要求

高速信號非常容易受到外部噪聲的干擾，也容易對外產(chǎn)生干擾。

遠離噪聲源：SuperSpeed差分對應遠離晶振、時鐘線、開關電源（SMPS）以及其他周期性信號線路。一個常用的經(jīng)驗法則是 “3W原則” ，即高速線與其他信號線的間距應至少是線寬的三倍。

差分對間距：為防止串擾，SSTX與SSRX差分對之間，以及它們與D+/D-差分對之間，都應保持足夠的距離，建議至少保持 20 mil（0.5毫米）以上的間距。

4. 完整的參考平面與最短的回流路徑

這是所有高速設計的基礎，但在USB 3.0中尤為重要。

連續(xù)的參考平面：SuperSpeed差分對的走線下方必須是完整且連續(xù)的地平面（GND Plane）。絕對不允許跨越地平面分割區(qū)域。信號的回流路徑會沿著走線正下方的地平面返回源端，任何中斷都會極大破壞阻抗連續(xù)性，形成天線效應。

多層板是標配：強烈建議使用至少四層板（信號層-地層-電源層-信號層）。這樣可以為高速信號提供一個理想的、低阻抗的參考平面。

5. 最小化并優(yōu)化過孔（Via）的使用

過孔是高速信號路徑上的“天坑”。

盡量避免：在SuperSpeed差分對的路徑上應盡一切可能避免使用過孔。過孔會引入寄生電容和電感，是嚴重的阻抗不連續(xù)點。

必須使用時：如果實在無法避免，必須成對、對稱地使用過孔，并在過孔旁放置“接地過孔”（Stitching Via），以確保信號回流路徑的連續(xù)性。

USB 2.0 vs USB 3.0 布線關鍵差異

簡而言之，USB 3.0的布局布線不再是簡單的“把線連上”，而是需要運用射頻和微波領域的信號完整性知識。每一個轉角、每一個過孔、每一毫米的長度差異，都可能成為影響最終性能的決定性因素。

結束語

成功的USB PCB布線，并非依賴于某種神秘的直覺，而是建立在對信號完整性、阻抗控制和電磁兼容性深刻理解之上的嚴謹工程實踐。從守護核心的差分對開始，為其提供完整的參考平面，保證電源的純凈，并構筑起牢固的防護壁壘，每一個環(huán)節(jié)都至關重要。遵循這些最佳實踐，您的設計將不再“隨緣”，每一次的連接都將是穩(wěn)定與高效的保證。

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審核編輯 黃宇