PCB模块化设计04——USB-Type-C PCB布局布线设计规范

Posted 2023-03-29 朱万利

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了PCB模块化设计04——USB-Type-C PCB布局布线设计规范相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

PCB模块化设计04——USB-Type-C PCB布局布线设计规范

USB Type-C

USB-C是一种相对较新的标准，旨在提供高达10Gb/s的高速数据传输以及高达100W的功率。这些功能可以使USB-C成为现代设备的真正通用连接标准。

功能介绍

USB-C接口有三个主要功能：
● 它有一个可翻转的连接接口。接口的设计使插头可以相对于插座翻转。
● 它支持USB 2.0、USB 3.0和USB 3.1 Gen 2标准。此外，它还可以在称为备用模式（Alternate Mode）的操作模式下支持第三方协议，如DisplayPort和HDMI。
● 它允许设备协商并通过接口选择适当的功率流。

信号图示

USB Type-C连接器有24个引脚。图1和图2分别显示了USB Type-C插座和插头的插针。

Type-C接口引脚定义

表 1 和表 2 分别汇总了在 USB Type-C 型插座和插头上所使用的信号列表。

Type-C 版本对比及载流

链接: 一文读懂USB TypeC与USB-PD。TypeC引脚定义-24P 16P 6P，CC1、CC2的作用，USB-PD介绍，USB2.0/3.0接口类型一览

USB 2.0差分对

D +和D-引脚是用于USB 2.0连接的差分对。插座中有两个D +引脚和两个D-引脚。但是，这些引脚相互连接，实际上只有一个USB 2.0数据差分对可供使用。冗余设计只是为了提供可翻转的连接器。

电源和接地引脚

VBUS和GND引脚是电源和信号的返回路径。默认的VBUS电压为5 V，但标准允许器件协商并选择VBUS电压而不是默认值。电源传输允许VBUS具有高达20 V的电压。最大电流也可以升高到5A。因此，USB Type-C可以提供100 W的最大功率。
当为诸如笔记本电脑的大型设备充电时，大功率流可能是有用的。图3显示了RICHTEK的示例，其中降压 - 升压转换器用于生成笔记本电脑所请求的适当电压。

请注意，电源传输技术使USB Type-C比旧标准更通用，因为它使功率水平适应负载的需要。您可以使用同一根电缆为智能手机和笔记本电脑充电。

RX和TX引脚

有两组RX差分对和两组TX差分对。这两个RX对中的一个以及TX对可用于USB 3.0 / USB 3.1协议。由于连接器是可翻转的，因此需要多路复用器通过电缆正确地重新路由所采用的差分对上的数据。

   请注意，USB Type-C端口可以支持USB 3.0 / 3.1标准，但USB Type-C的最小功能集不包括USB 3.0 / 3.1。在这种情况下，USB 3.0 / 3.1连接不使用RX / TX对，并且可以被其他USB Type-C功能使用，例如备用模式和USB供电协议。这些功能甚至可以利用所有可用的RX / TX差分对。

CC1和CC2针脚

这些引脚是通道配置引脚。它们执行许多功能，例如电缆连接和移除检测、插座/插头方向检测和当前广播。这些引脚也可用于Power Delivery和Alternate Mode所需的通信。
下面的图4显示了CC1和CC2引脚如何显示插座/插头方向。在此图中，DFP代表下游面向端口，该端口充当数据传输中的主机或电源。UFP表示上游面向端口，它是连接到主机或电力消费者的设备。

DFP通过Rp电阻上拉CC1和CC2引脚，但UFP通过Rd将它们拉低。如果没有连接电缆，则源在CC1和CC2引脚处看到逻辑高电平。连接USB Type-C电缆可创建从5V电源到地的电流路径。由于USB Type-C电缆内只有一根CC线，因此只形成一条电流路径。例如，在上图中，DFP的CC1引脚连接到UFP的CC1引脚。因此，DFP CC1引脚的电压低于5 V，但DFP CC2引脚仍处于逻辑高电平。因此，监控DFP CC1和CC2引脚上的电压，我们可以确定电缆连接及其方向。
除电缆方向外，Rp-Rd路径还用作传递源电流能力信息的方式。为此，功耗（UFP）监视CC线上的电压。当CC线上的电压具有其最低值（约0.41 V）时，源可以分别为USB 2.0和USB 3.0提供500 mA和900 mA的默认USB电源。当CC线电压约为0.92 V时，源可提供1.5 A的电流。最高CC线电压约为1.68 V，对应于3A的源电流能力。

VCONN引脚

    如上所述，USB Type-C旨在提供超快的数据传输速度以及高水平的功率流。这些特征可能需要使用通过在内部使用芯片进行电子标记的特殊电缆。此外，一些有源电缆利用重新驱动芯片来加强信号并补偿电缆等引起的损耗。在这些情况下，我们可以通过施加5 V、1 W电源为电缆内部的电路供电提供给VCONN引脚。如下图所示。

SBU1和SBU2针脚

这两个引脚对应于仅在备用模式下使用的低速信号路径。

USB供电

在我们熟悉了USB-C标准的固定，让我们简单介绍一下USB供电和备用模式。
如上所述，使用USB Type-C标准的设备可以通过接口协商并选择适当水平的功率流。这些功率协商是通过称为USB Power Delivery的协议实现的，该协议是上面讨论的CC线上的单线通信。

  下图中显示了一个示例USB供电，其中接收器向源发送请求并根据需要调整VBUS电压。首先，要求提供9 V总线。在源稳定总线电压为9 V后，它会向接收器发送“电源就绪”消息。然后，接收器请求一个5V总线，并且源提供它并再次发送“电源就绪”消息。

值得注意的是，“USB供电”不仅仅涉及与供电相关的谈判，其他谈判，例如与备用模式相关的协商，都是使用标准CC线上的供电协议完成的。

PCB设计布线要求

1：从Type-C接口供应商处获取最新的封装并仔细检查。在理想情况下，与PCB电路板厂一起验证接口的使用面积和平面度，为整版布局提供必要的参考。

2：对type-c接口进行扇孔处理。参照之前的设计文档可以得知可以使用通孔8/16 mil过孔（没有盲孔和埋孔）。就设计规则而言，我们将最小间距设置为3mil（最差情况）并将我们的过孔放置在（顶部/底部）。确保通孔没有碰到Type-C连接器上的焊盘，以避免“盘中孔”的出现。

3：在顶层和底层可以看到SSTX / RX这些差分对。由于这些是最重要的信号，因此要把这些差分线做特别处理，比如安全间距要满足3W走线，蛇形等长，在等长时，为了匹配长度尽可能一样而采用蛇形等长。而且尽可能确保阻抗计算的正确性。
4：为了满足阻抗计算的结果，接下来要对SBU，USB2和CC1 / 2等信号做以下布线处理。

5：由于Type-C接口最大的载流为5A，所以我们在进行PCB设计时。我们使用以下两种方法。第一种是在内层使用相当大的平面来承载高电流。0.5盎司铜需要大约125毫米的铜宽度才能安全地满足5A。第二种方法是使用顶部/底部层来承载大部分电流（放置走线/从数据路径倾泻而出）约65mil的0.5盎司铜和铺铜（0.5盎司）才能容易满足5A。一旦电源接近Type-C接口，就会在内层上两次转换，以使连接器下方的VBUS过孔并使用一组过孔将它们缝合到顶部/底部来进行铺铜处理。

6：GND铺铜。通过一些新打的过孔，把整个板子上出现的空白区域都可以用添加回流GND过孔，并且把整个模块进行铺铜处理。

以上6点内容同样可以应用于其他Type-C接口的PCB设计中，把握好设计技巧后可以减少在Type-C系统上进行布局的时间。除了这些规范外，我们考虑到EMC的问题，所以会在接口处添加相应的ESD器件来保护接口。

PCB模块化设计06——HDMI接口PCB布局布线设计规范

1、HDMI接口的定义

高清晰度多媒体接口（英文：High Definition Multimedia Interface，HDMI）是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口，其可同时传送音频和影像信号，最高数据传输速度为4.5GB/s，时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。

HDMI可搭配宽带数字内容保护（HDCP），以防止具有著作权的影音内容遭到未经授权的复制。HDMI所具备的额外空间可应用在日后升级的音视频格式中。而因为一个1080p的视频和一个8声道的音频信号需求少于0.5GB/s，因此HDMI还有很大余量。这允许它可以用一个电缆分别连接DVD播放器，接收器和PRR。

HDMI 在引脚上和 DVI 兼容，只是采用了不同的封装。与 DVI 相比，HDMI 可以传输数字音频信号，并增加了对 HDCP 的支持，同时提供了更好的 DDC 可选功能，HDMI 最远可传输 15 米，足以应付一个1080p 的视频一个8声道的音频信号。 HDM1 支持 EDID 、 DDC2B ，因此 HDMI 的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频倍频格式，HDMI接口是MID和VR一体机设计中常用到的接口。

2、HDMI管脚定义（A型为例）

关于HDMI接口原理的认识，我们可以通过如表4-1及图4-1所示接口定义来具体的认识。着重注意下一对时钟差分走线和三对数据传输差分走线。

3、HDMI接口PCB布局要求

因为HDMI是拔插器件，经常和外界接触，很容易受到静电的干扰，在设计的时候注意添加ESD器件，同时对HDMI布局提出以下几点布局的要求，如图4-2所示。

1）ESD、共模电感器件靠近HDMI接口，放置的顺序是ESD -共模电感-阻容。注意ESD器件也不应放置太近，考虑工艺要求，避免在手工焊接HDMI座子的时候容易造成 HDMI 焊盘与 ESD 器件焊盘连锡的情况，推荐间距为一个烙铁头的厚度即可，一般1.5MM。

2）HDMI接口靠近PCB板边放置，根据具体需求考虑是否伸出板边一定距离；

3）HDMI接口的5V电源靠近接口来放置即可，不宜太远；

4）其他配置的阻容靠近HDMI相对应的管教放置即可。

4、HDMI接口布线要求

尽可能使HDMI连接器和器件之间的电气长度保持最短，从而使衰减最小化。为了使差分信号正常传输，一个差分对的两走线间距必须在整个走线轨迹上上保持一致。否则，间距变化就会引起磁场耦合不平衡，从而降低磁场消除的效果，造成EMI增加。推荐线宽间距比为1:1<W:S<1:2（W表示线宽，S表示间距），如图4-3所示，差分线的线宽线距比。HDMI差分走线控制阻抗要求是100欧姆，在计算阻抗的时候尽量按照此线宽间距比范围来进行。

因为不同电气长度的走线会引起信号之间的相移，也会导致严重EMI，理想情况下，四对差分走线走线长度应该相等，保证信号传输的时序匹配。图4-4，显示了相等及不同长度走线的逻辑状态。

差分等长，四对差分对之间的误差控制在10mil以内，每一对差分对对内之间的误差控制在5mil之内，我们需要对单根走线进行绕线处理，同时PCB设计的目的在于尽可能将非连续性阻抗最小化，从而消除反射并保持信号完整。剩下的不可避免的非连续性应集中在一起，也就是说将这一区域的面积应保持较小，并尽可能的紧密放置。这一想法就是将各个反射点集中在某个区域，而不是将其分布在整个信号路径里直接走线无法满足等长误差要求的情况下，如图4-5所示。

可能发生非连续性的位置为：

1）HDMI连接器焊盘同信号线迹相遇处；

2）信号线迹碰到过孔、电阻器组件盘或IC引脚处；

3）信号对被分离以围绕一个物体布线的地方，信号线的匹配电阻起防ESD作用和微调阻抗用途，通常靠近插座放置，但是两个电阻必须是并排放置，不要一前一后，如图4-6所示。

其他要求：

1）差分对与对之间尽量包地处理，间隔100mil打地过孔，空间紧张的情况，四组差分尽量拉开间距，保证边到边是15-20mil左右，并且四组包地，跟其他的隔开，防止相互之间干扰。如图4-7所示。

1）使用坚实的电源层和接地层来实现 100Ω 阻抗控制，以及电源噪声最小化。即差分走线下面应该是完整的参考平面。