USB2.0/3.0走线长度对信号及使用有何影响呢？

1 概述

USB接口支持3种常用数据信号速率，1.5Mbps的低速速率，主要用于键盘、鼠标等。480Mbps的高速速率，用于USB2.0设备，例如U盘、光驱等。5Gbps的超高速速率，是USB2.0的10倍，可应用于外接硬碟、随身碟或蓝光烧录机等储存装置，大幅缩短资料传输时间。

表1 USB信号速率

USB版本	速率称号	频宽	速度
USB3.0	超高速SuperSpeed	5Gbps	约500MB/S(5000 Mbit/S)
USB2.0	高速Hi Speed	480Mbps	约60MB/S(60,000KB/S)
USB1.1	全速Full Speed	12Mbps	约1.5MB/S(1,500KB/S)
USB1.0	低速Low Speed	1.5Mbps	187.5KB/S(192000Bytes/S)

2 PCB要求

经威廉希尔官方网站 调研分析，USB板内信号长度要求如下：

表2 USB板内走线长度

类别	USB1.0	USB2.0	USB3.0	备注
板内走线（无HUB）	18inches	18inches	11inches	阻抗要求90±10%
板内走线（有HUB）	每一级HUB允许增加一段对应速率下最大长度

3线缆要求

3.1 USB线缆长度要求

表3 USB线缆长度

类别	USB1.0	USB2.0	USB3.0	备注
线缆（无HUB）	3.5米	5米	3米	阻抗要求90±10%
线缆（有HUB）	每一级HUB允许增加一段对应速率下最大长度

3.2USB线缆材质要求

表4 USB线缆材质要求

类别	USB1.0/USB2.0	USB3.0
要求	PVC绝缘材料； 外屏蔽层≥65%的镀锡铜编织带； 内屏蔽层：铝箔； 28AWG规格的镀锡铜接地线； USB供电与D+/D- USB电源线（VUSB/GND）和数据线（D+/D-）规格和材质要求：电源线要求满足28-20AWG线规，材质必须为镀锡铜线； 数据线（D+/D-）要求28AWG线规，材质为银白色镀锡铜线，不要使用裸铜线，数据线D+/D-需要做成双绞线；	UTP传输的USB2.0信号，SDP用于传输3.0信号。高速差分信号需要有屏蔽，以保证信号完整性和EMI性能。每对SDP线附上屏蔽地线，通过连接器的GND_DRAIN连接系统地。金属编织物必须包裹USB3.0电缆里的所有连接线，编织端接在金属外壳上，尽可能接近360°，以抑制EMI。

下面具体分析USB走线长度对信号的影响。

1 USB1.0分析

1.1USB协议对1.0低速模式要求

1.1.1无HUB模式

USB2.0 Spec 7.1.16 Cable Delay章节对Low Speed模式Cable要求定义如下：

图1 USB1.0低速模式下Cable线延时要求

图2 USB1.0低速模式下Cable线特性

协议规定，一个低速USB设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可控制电缆，其速率为1.5Mb/s，当电缆与设备相连时，在D+/D-线上必须要有一个200-450PF的单终端电容器。Cable线的延时不超过18ns。这是为了确保反射发生在第一个上升沿/下降沿的前半部分器件，允许电缆以集总电容近似。

规范表明，USB1.0协议传输时，也就是低速传输，线缆长度不能超过0.3米每纳秒*18ns/根号介电常数=3.5米；连接线缆长度超过这些长度，即为数据包超时。延时太长的话信号就会认为是一个超时的信号（没有用的信号）而被丢掉。

协议只定义了延迟，没有直接定义长度。显然，USB电缆的品质比长度更重要。

注：0.3米每纳秒=光速， 0.3米每纳秒/=线缆中信号传输速度， 线缆一般材料为PE，介电常数≈2.32

1.1.2有HUB模式

图3 USB1.0低速模式下HUB连接要求

低速和全速模式，在配有HUB的状态下总允许延时为70ns。因此，在使用长Cable线传输低速信号时，需要增加HUB，协议规定一共可以增加5个HUB，每段HUB可以增加协议规定的Cable线长度。

1.2 USB1.0眼图测试

USB1.0速率为1.5Mbps，速率很低，阻抗匹配导致的反射和Cable线长导致的损耗对信号质量的影响很小，从眼图测试结果来看，符合这个规律。

不带Cable线	5米Cable线	10米Cable线	10米Cable线（2）

图4 USB1.0低速模式不同Cable线长眼图

协议没有规定Low Speed模式从Host到Connector时延，但是规定了Full Speed和High Speed模式下Delay不超过3ns，全速模式和高速模式线缆需要兼容低速模式，因此这个时延也适用于低速模式。按照FR4材质信号传输速率约为6inch/ns,换算得知主板走线不超过18inch。

2USB2.0分析

2.1USB协议对2.0高速模式要求

2.1.1无HUB模式

USB2.0 Spec 7.1.16 Cable Delay章节对High Speed模式Cable要求定义如下：

The maximum total one-way signal propagation delay allowed is 30 ns. The allocation for cable delay is 26 ns.A maximum delay of 3 ns is allowed from a Host or Hub Controller downstream facing transceiver to its exterior downstream facing connector, while a maximum delay of 1 ns is allowed from the upstream facing connector to the upstream facing transceiver of any device. For a standard USB detachable cable, the cable delay is measured from the Series A connector pins to the Series B connector pins and is no more than 26 ns.For other cables, the delay is measured from the series A connector to the point where the cable is connected to the device. The cable delay must also be less than 5.2 ns per meter.

图5 USB2.0高速/全速模式下Cable线要求

同理，高速模式兼容全速模式，Cable线的Delay为26ns，

0.3米每纳秒*26ns/=5米；

协议规定Cable线的Delay必须小于5.2ns/米。

26/5.2=5米，按照第二种计算方式依然是5米，也就是说UBS2.0高速模式

下，线缆的最大长度为5米。

2.1.2有HUB模式

图6 USB2.0高速模式下延时要求

规范表明，一个回程，也就是数据包从Host发出，到Host收到响应为止，所

允许的最大量是352ns+552 bit times，其中线缆分到312ns，HUB分到

40ns+360 bittimes，设备分到192bit times。这会是总的允许时间，也就是

USB多级联后也不能超出这个时间。

最大支持5个HUB，6根Cable线，312/12=26ns，与图5要求的Cable线时延一

致。即HUB级联每段Cable线的最大长度是5米。

2.2 USB2.0眼图仿真测试

当走线长度超过板内走线要求18inch。测试结果Fail，仿真结果与测试结果吻合。

图6USB2.0眼图测试结果

图7a USB2.0源端仿真输出

图7b USB2.0接收端仿真眼图

经过HUB后，眼图测试结果Pass。说明HUB对信号恢复起到作用。

图8 USB带HUB眼图测试结果

3USB3.0分析

3.1USB协议对3.0模式要求

图9 USB3.0 Cable要求

由规范可知，USB3.0 5Gbps速率限制Cable长度的因素与2.0不同，主要是损耗和电压压降。

3.1.1损耗要求

图10 USB3.0 Cable损耗曲线

图11 USB3.0 Cable线损耗指标

USB3.0 Cable需要满足2.5GHz损耗不超过7.5dB，由上表可知，如果使用30AWG的线，最多支 持2.5米，使用28AWG的线，最多支持3米。

3.1.2电压要求

图12 USB3.0 电压要求

图13 USB3.0 规范示例

从上述规范要求可以看到，一根22AWG的3米Cable线压降降到4V，刚刚满足最

低要求，而当瞬态电流增大时，电压会降到3.67V，达不到地最低要求。因此3米

长度只是理想状态。

3.2USB3.0板内走线长度

图14 LSI 芯片USB3.0 走线要求

LSI芯片推荐的USB3.0板内走线下行最大值11inches，上行最大值5inches。

4USB线缆要求

4.1USB2.0 Cable

USB Cable内部包含4组导线，2组负载线，2组信号线，如图

图15 USB2.0 Cable要求

图16 USB2.0 Cable剖面图

正规USB2.0数据线组成从外往里数分别为

ØPVC绝缘材料；

Ø外屏蔽层≥65%的镀锡铜编织带；

Ø内屏蔽层：铝箔；

Ø28AWG规格的镀锡铜接地线；

ØUSB供电与D+/D-

USB电源线（VUSB/GND）和数据线（D+/D-）规格和材质要求：

Ø电源线要求满足28-20AWG线规，材质必须为镀锡铜线；

Ø数据线（D+/D-）要求28AWG线规，材质为银白色镀锡铜线，不要使用裸铜线，数据线D+/D-需要做成双绞线；

电气性能需要满足以下要求：

1.D+和D- Skew小于100ps；

2.差分阻抗90±15%，共模阻抗30±30%；

3.线缆的衰减需要满足如下要求：

图17 USB2.0 Cable损耗要求

图18 USB2.0 Cable损耗曲线

4.2USB3.0 Cable

图19 USB3.0 Cable剖面图

上图显示了USB3.0电缆横截面。有三组线：UTP信号对，屏蔽差分对（SDP、 双绞线或屏蔽双绞线对信号线），电源线和接地线。 UTP传输的USB2.0信号，SDP用于传输3.0信号。高速差分信号需要有屏蔽，以保证信号完整性和EMI性能。每对SDP线附上屏蔽地线，通过连接器的GND_DRAIN连接系统地。金属编织物必须包裹USB3.0电缆里的所有连接线，编制端接在金属外壳上，尽可能接近360°，以抑制EMI。

电气特性需满足以下要求：

1.差分对内延时小于15ps/m;

2.阻抗满足90±10%；

3.2.5GHz RL<7.5dB,近端串扰<-27dB，差模转共模小于-20dB；

总结：

USB2.0及之前的规格要求Port供电500mA

USB3.0要求一个Port可供电900mA

测试波形电压幅度分别如下：

5调试建议

1.USB Power：主要影响USB信号的集中性，如果USB信号过于发散，就需要测试USB Power的noise;

2.Register：USB信号还可以通过寄存器调节振幅和Slew Rate（信号上升下降的速度）;

3.料件：Cable长度及材质、Connector材质、Common Choke S参数等；

4.Layout：阻抗，分叉线，Layout走线长度，路径上的干扰源，VIA数量，等等。

5.信号增强：HUB、Redriver、Extender。

6案例分享

（1）外接5米外连线USB口使用异常，不识别设备，或者识别盘符后无法正常使用，测试眼图如下：

（2）增强后USB口使用正常，测试眼图得到较好恢复，如下：

审核编辑：刘清