Wie kritisch ist das Layout von USB-Datenleitungen / wie sieht mein Layout aus?

Ich verlege gerade die USB-Datenleitungen auf meinem Board und versuche nur, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie gut mein Design abschneiden wird. Hier sind die Details:

4 Layer Board (von oben: Signal, Ground, Split Power Planes, Signal)
internes Kupfer ist 0,5 Unzen, externes Kupfer ist 1 Unzen
Das Prepreg zwischen der Außenfolie und dem Kern ist 7,8 mil dick
Die Spuren sind 10 mil mit einem Differenzpaarabstand von 9,7 mil
Die Leiterbahnlänge von MCU-Stift zu parallelen Kappen beträgt ca. 6,3 cm (0,23 Zoll)

Ich plane, einen versiegelten USB-Anschluss im Gehäuse meines Geräts zu haben. Der von mir gewählte Anschluss hat eine vertikale Header-Anordnung, sodass ich eine Platine habe, an die ich den Anschluss anlöte. Zwischen dieser und der Hauptplatine befindet sich dann ein Überbrückungskabel.

In Bezug auf die differentielle Impedanz sollte ich, basierend auf den obigen Angaben, irgendwo im Bereich von 91 - 92 Ohm landen. Zugegeben, die Leiterbahnen bleiben nicht die ganze Zeit über gleichmäßig verteilt, da sie durch die parallelen Kappen und Vorwiderstände verlaufen, bevor sie auf den Stecker treffen ... aber ich habe mein Bestes gegeben.

Hier ist eine Ansicht des bisherigen Board-Layouts:

USB-Datenleitungslayout

Wie sieht das aus? Der Längenunterschied zwischen dem Spurenpaar liegt unter 5 mil. Ich mache mir Sorgen, dass ich möglicherweise die ganze Sache mit der differentiellen Impedanz durcheinander bringe ... und dass das Überbrückungskabel zwischen der Platine und dem Anschluss die Dinge durcheinander bringt.

— Toby Lawrence
quelle

Haben Sie etwas dagegen, zu teilen, welche MCU Sie verwenden? Viele mit eingebauten Transceivern bevorzugen keine externen Komponenten in Reihe. Solange sie gleich lang und nicht zu lang sind, sollte es in Ordnung sein. (Ich denke, die Microchip-Datenblätter sagen weniger als 19 cm oder etwas absurd Langes wie das.)

— Justing

Und wie lang wird das Überbrückungskabel sein? Ich würde vermuten, dass dies das schwächste Glied sein wird, wenn es etwas gibt.

— Justing

Sie werden wahrscheinlich viel mit den von vielen USB-fähigen Mikrocontrollern verwendeten USB-Geschwindigkeiten für niedrige und volle Geschwindigkeiten durchkommen. Wenn Sie etwas haben, das volle USB 2.0-Hochgeschwindigkeit unterstützt, müssen Sie wahrscheinlich vorsichtiger sein, obwohl das, was Sie haben, nicht schlecht aussieht.

— Chris Stratton

Das Überbrückungskabel ist ungefähr 3 Zoll lang, 28 AWG, nicht abgeschirmt. Ich benutze auch einen LPC1769. Das von mir verwendete Embedded Artists-Prototyp-Board verfügt über dieselben Widerstände der 33-Ohm-Serie und 18-pF-Parallelkappen, die ich verwende.

— Toby Lawrence

Es ist schwer aus der Zeichnung zu ersehen, aber es sieht so aus, als ob Sie mit diesen beiden Signalen einen Spalt in der Ebene überqueren und Sie wollen das nicht tun. USB verwendet einen differentiellen Empfang, die Signale beziehen sich jedoch weiterhin auf das Flugzeug. Selbst wenn dies nicht der Fall wäre, hätten Sie immer noch Gleichtaktgeräusche, um die Sie sich Sorgen machen müssen. Es wird wahrscheinlich so funktionieren, aber es wird definitiv mehr ausstrahlen.

— Einige Hardware Guy

Angenommen, Sie verwenden nur USB-Low-Speed oder Full-Speed, sollten Sie in Ordnung sein.

Grundsätzlich müssen Überlegungen zum Layout nur dann angestellt werden, wenn Sie lange Strecken (viele Zoll) zurücklegen oder USB-2.0 verwenden. Selbst dann ist USB überraschend tolerant.

USB 1.1 oder USB2.0 mit niedriger / voller Geschwindigkeit
- Sie brauchen sich wirklich keine Sorgen zu machen. Es gibt (möglicherweise apokraphische) Geschichten von Menschen, die USB 2.0 mit einer geringen Geschwindigkeit von 50 'von CAT-5- Kabeln verwenden . Ich würde mir keine Sorgen machen, solange Sie Ihre Kabel ein paar Zentimeter oder weniger halten.
- Die schnellste Kante, um die Sie sich bei Anwendungen mit niedriger oder voller Geschwindigkeit Sorgen machen müssen, ist 12 MHz. Als solches nähern Sie sich nicht wirklich dem Punkt, an dem es so wichtig ist, sicherzustellen, dass Ihre Leiterbahnen / Verkabelungen ordnungsgemäß leitungsgebunden / impedanzgesteuert sind, zumindest solange Ihre gesamten unkontrollierten Impedanzabschnitte weniger als ~ 6 "betragen. .
- Wie ich bereits sagte, sind die meisten USB-Controller äußerst tolerant gegenüber USB-Geräten, die weitestgehend nicht den Spezifikationen entsprechen. Wenn dies etwas für die Produktion ist, würde ich die Mühe aufwenden, es richtig zu machen (es gibt einen Mann da draußen, der ein Motherboard hat, das ein Rauschen hervorruft, wenn etwas damit verbunden ist, das geringfügig von der Spezifikation abweicht), aber wenn Es ist nur ein Testboard, ich würde sagen, legen Sie es einfach ordentlich aus und sorgen Sie sich nicht darum.
USB 2.0 High-Speed.
- Hier wird das Layout wichtiger. USB 2.0 High-Speed hat eine maximale Flankenrate von 480 Mhz. Als solches nähern sich selbst kurze Spuren der Wellenlänge der Daten, und als solches wird eine ordnungsgemäße Impedanzsteuerung wichtig.
- Angenommen, Ihr EDA-Paket verfügt über geeignete impedanzgesteuerte Routing-Optionen. Stellen Sie einfach Ihre differentielle Impedanz auf ~ 90 Ω ein, und schon sollte es Ihnen gut gehen. Achten Sie jedoch darauf, dass Sie eine zusammenhängende Grundfläche haben
USB3.0
- Also hasst du dich selbst?

— Connor Wolf
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Ehrlich gesagt, gibt es das Potenzial, dass einige Leute, die ich kenne, das wollen könnten. Ich möchte nicht ausschließen, dass ich es verkaufe, also ist es für mich groß, es richtig zu designen, wenn ich nicht dazu gezwungen bin, mich lächerlich zu verhalten. Ich plane allerdings nur die Unterstützung von USB 2.0 Full-Speed. Wäre es besser, wenn die Platine so installiert wäre, dass der Stecker direkt in die Hauptplatine eingesteckt wird und die Leiterbahnen bis zum Rand der Hauptplatine verlaufen? Zumindest auf diese Weise könnte ich die Impedanz möglicherweise besser steuern als mit einem Überbrückungskabel.

— Toby Lawrence