USB物理层介绍和电路设计注意事项博文原创，转载请注明出处！
USB-Universal Serial Bus USB是英文通用串行总线、通用串行总线的缩写，是用于规范计算机与外部设备连接和通信的外部总线标准。 是在PC领域应用的接口技术。 USB接口支持设备即插即用和热插拔功能。
USB于1994年底由英特尔、康柏、IBM、微软等多家公司共同倡导。
在Bus拓扑结构中，决定在一个USB主机下最多装载127个设备，如果算上主机USB，则有128个(2^7) USB设备连接到USB主机。 USB物理互连是分层的开始拓扑。
轮毂位于分层星形的中心。
每一段都是主机与集线器或功能之间的点对点连接，或连接到另一个集线器或功能的集线器。
由于集线器和电缆的传播时间限制，允许的最大层数为7 (包括根层)。
请注意，在第7层中，主机和任何设备之间的通信路径最多可以支持五个非根集线器。 也就是说，除了主主机以外，只有五个集线器。
复合装置(Compound Device )占2层； 因此，如果在第7级添加，则无法启用。
USB拓扑如下：
USB信号USB信号包括以下内容：
USB屏蔽电缆：
电源Vbus数据线d数据线D-信号参照GND外壳屏蔽GND。 Vbus首先谈论电源Vbus，向USB设备提供端子电源。 一般为5V电源电压，机器自身转换为3.3V电源。 具体如下。
总线供电：设备使用USB电缆VBUS线路的电源。 这是目前为USB设备(如笔形驱动器、鼠标、键盘和新磁盘驱动器)供电的最常见方法。
公共汽车供电：
自供电：某些USB外围设备(如磁盘驱动器)的电源需要超过电缆提供的电源。 这些外围设备通常使用外部电源。 这些电源通常是壁式电源适配器。
混合电源： USB设备可以自行供电或通过总线供电。 这些设备很少见，通常需要多个电源。 这个场景并不特别多，所以暂时不介绍。 各信号线的介绍如下。
电源规格USB 2.0主机在5 V VBUS线路上提供以下两个功率级别：
插入时的100毫安电流和运行中的500毫安电流。
USB标准为100 mA负载提供的VBUS范围为4.4 V至5.25 V； 另外，提供给500 mA负载的VBUS的范围为4.75 V至5.25 V。 USB外围设备通常将此电压调整为3.3 V，为设备提供最清洁的电源。
在每种情况下，为总线供电的集线器都会向下行端口提供100 mA的电流。 提供外部电源的集线器可以为每个下端口提供500 mA的电源。
数据线数据线为差分结构的，差分阻抗需要保持为90标准，且需要一直维持该阻抗保持不变。
d和d-配线长度的差不超过50mil(1.25mm )，可以避免信号偏斜，防止对信号时序的影响。
在数据线的源极侧，为了阻抗匹配，必须串联连接28欧姆~39的电阻。 因为源阻抗是CMOS输出，所以阻抗太小。
信号电平及驱动方式：
1 )低速差动线路、USB使用差动输出驱动器将USB数据信号驱动到USB电缆上。
驱动器在低电平状态下的静态输出振幅必须超过VOL (最大值) 0.3V，1.5k负载电压必须超过3.6V，在wydxxm状态下为2.8V的VOH (最小值) )，负载必须为15k。
2 )全速差分线路、全速驱动器有更严格的要求。 为了使信号的偏差最小化，必须均衡地进行差分高低状态之间的输出变动。 为了将辐射噪声和串扰降到最低，需要对驱动器进行转换速率控制。
3 )高速差分线、差分线的电平在低电平传输，wydxxm为400mV，低电平为0 /-10mV。 这是因为电平越低，对应的信号的上升时间越短。 高速模式使用电流驱动，驱动尺寸为17.78mA。
屏蔽接地需要用一个电阻将SHIELD信号接地。 这有助于隔离信号并降低EMI和RFI的辐射。 请尽量将该电阻放置在靠近USB连接器的位置。 为了得到正确的数值，可能需要进行一些实验。
但是，一般来说我们是直接相连的和信号地，因为本身如果不是长距离的话就不会有什么影响。
数据参考点数据参考点通常直接连接到整个主板的地面，从而获得更好的信号完整性和EMI特性。
这片土地最好是连续的，而且面积很大。
如下所示。
USB速度低速： 1.5Mbps全速： 12Mbps高速： 480Mbps
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USB HUB-集线器是USB即插即用体系结构的重要组成部分。 集线器用于从用户的角度简化USB连接，以低成本提供稳健性。
集线器的上游端口将集线器连接到主机。 集线器上的每个下游端口都允许连接到另一个集线器或功能。 集线器可以检测每个下游端口的连接和分离，并向下游设备分配电力。 每个下游端口都可以单独启用，以连接到全速或低速设备。 集线器将低速端口与全速信令分开。
集线器由集线器控制器和集线器中继器两部分组成。
集线器中继器是上游端口和下游端口之间的协议控制开关。 还有复位和挂起
/恢复信令的硬件支持。主机控制器提供允许与主机通信的接口寄存器。 标准内芯线的类别前面第一列为标准的线芯描述，数字越大表示线芯越细，后面描述的是线的直流阻抗/100米，线越粗，阻抗越小。
所以并不是所有的线径都是满足USB协议的，那些仅仅是可以使用的，况且实际上很多便宜的USB数据线是没有屏蔽层的，这种线可能导致电磁干扰，表现最明显的就是充电时，屏幕操作失灵。
全速设备识别，全速设备是在数据线D+上连接上拉电阻，上拉电阻阻值为1.5K，上拉电压为3.3V，在初始上电时控制器通过D+上拉识别到该设备是全速设备，请注意上拉电阻不得小于900Ω，控制器端下拉电阻是15K。
低速设备识别，低速设备是在数据线D-上连接上拉电阻，上拉电阻阻值为1.5K，上拉电压为3.3V，在初始上电时控制器通过D-上拉识别到该设备是全速设备，请注意上拉电阻不得小于900Ω，控制器端下拉电阻是15K。
高速设备识别与全速设备前期基本一致，但是高速设备初始是上拉到3.3V的，后续内部有可控制的开关断开此连接，所以，后续判定为高速设备。进而进入高速设备模式。
为了在高速模式下发送，收发器激活从其正电源电压导出的内部电流源，并通过高速电流转向开关将该电流引导到两条数据线之一。
这样，收发器在电缆上产生高速J或K状态。
将该电流动态切换到D +或D-线遵循在低速或全速操作中使用的相同NRZI数据编码方案以及位填充行为。为了发信号通知J，电流被引导到D +线，并且为了发信号通知K，电流被引导到D-线。SYNC字段和EOP分隔符已针对高速模式进行了修改。
低速和全速使用的是3.3V电平标准，请保证输出阻抗匹配传输阻抗，所以建议串联电阻为28Ω到44Ω大小。
USB在发送数据包时采用NRZI数据编码。 在NRZI编码中，“1”表示级别没有变化，“0”表示级别变化。wydxxm表示显示NRZI编码的本图和后续图中数据线上的J状态。一串零会导致NRZI数据切换每个位时间。 一串1导致长周期而数据没有转换。
USB电路设计请注意：
错误：USB数据速率很高，所以我们设计中可能见到USB Host直接经过电阻分叉之后给到两个USB设备，这种做法是及其错误的，就目前而言，信号质量一定会受到影响，切记不得已不要这样设计！！！
正确：使用USB专用器件来实现兼容或分叉设计，此时需要使用USB Switch或者USB Bridge。
以下为USB电路设计，如果看不清可以看参考最后一个链接；
1）U28是过流保护器件，USB协议中规定USB端口供电5V，电流500mA，超过该值要能实现关断输出，另外在负载短路时也能实现关断，所以使用该器件，该器件叫做负载开关芯片。
2）L11是共模电感，共模电流会导致EMC测试中的辐射测试超标，差分信号不平衡将会导致该情况发生，所以增加共模电感，来减小/阻碍共模电流。
3）U29是静电防护器件，因为USB端口我们会使用手插入USB设备，可能导致电源、数据线上有静电放电，用该器件来保护CPU端口。
4）Vbus上的电容，这是因为USB设备插入时瞬间电流较大，则可能导致Vbus电压下降，此时需要满足标准规定，所以增加电容来稳定电压。
5）FB13是信号地和外壳屏蔽地之间的隔离磁珠，磁珠是耗能原件，来消耗掉不需要的干扰高频信号，直流下基本上没作用。
6）J19是USB端子，可能是电脑那种的USB母头，也可能是手机上的Micro USB接口。
7）USB输出靠近CPU侧放置小电阻的作用是源端阻抗匹配，具体可见我其他博文。
8）在USB靠近端子侧放置电阻是静电防护作用，因为有时候静电防护器件还没起作用，就要靠这个电阻起作用了。
1、赛普拉斯 USB检索：
https://www.cypress.com/search/all/USB?sort_by=search_api_relevance&f[0]=meta_type%3Atechnical_documents&f[1]=field_related_products%3A1341&page=18
2、赛普拉斯 USB 眼图：
https://www.cypress.com/file/126176/download
3、赛普拉斯 USB电路：
https://www.cypress.com/file/180466/download
4、TI USB相关：
http://www.ti.com.cn/tool/cn/tidep0013?keyMatch=USB2 0&tisearch=Search-CN-Everything
2019-07-17且行且看，且思且行