USB 接口全解析与电路设计深度指南（附原理图）

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2025-05-30 10:26:11 614

USB接口是我们HW设计中使用的比较多的一个电路模块，特别是在医疗电子，商业电子电路中使用的比较多，以下我们来分享下USB接口和相对应的电路设计。

USB接口理论认识：

USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，USB接口现在大致可以分为USB2.0,USB3.0,USB4(需要注意的是它的正式书写名字不包含空格也没有小数点，即不是USB 4，也不是USB4.0。USB4规范使用双链路通道，传输带宽达到40Gbps，接口类型为双向USB-C)。其中我们现在大部分使用的还是USB2.0和USB 3.2 Gen 1(前称为USB 3.0，后来重新命名为USB 3.1 Gen 1，最终被称为USB 3.2 Gen 1。)USB 3.2 Gen 2前称为USB 3.1，后改名为USB 3.2 Gen 2。与Gen 1相比，Gen 2在速度上有所提升。最大传输速度：10 Gbps，是Gen 1速度的两倍，称为SuperSpeed+。兼容性：向下兼容USB 3.2 Gen 1和USB 2.0。接下来我们来详细介绍下USB2.0和USB3.0在硬件电路设计上的区分和使用。

版本	最大传输速率	最大输出电流	前称	针脚数量
USB2.0	480Mbps	500ma		4个（VBUS/GND/D+/D-）
USB3.1 GEN1	5Gbps	900ma(标准端口)	USB 3.1 Gen 1 和 USB 3.0	9个
USB3.1 GEN2	10 Gbps	900ma（标准端口）	USB 3.1 Gen 2	9个

USB硬件电路设计：

i)USB2.0包含了一组差分信号、一组电源信号（5V电源+GND），4线。

一般而言，上图的电路设计已经可以实现USB数据的正常传输了。但一般如果考虑EMC方面的话，最好在靠近USB插座端的地方加上共模电感，防止板子内部的高频干扰通过USB线辐射到外面，对其他的模块和设备造成电磁干扰。D+、D-以差分方式布线，并通过连续的参考平面层，保证阻抗的一致性，信号线的差分阻抗Z=90Ω±15%。

另外，稍微提一句USB_OTG（On-The-Go）允许设备在主机和外设角色间切换，通过ID引脚的状态确定设备角色。ID pin——当设备检测到USB_ID信号为低时，该设备应作为Host（主机，也称A设备）用。当设备检测到USB_ID信号为高时，该设备作为Slave(外设，也称B设备）用。

ii）USB3.0包含了一组2.0数据差分信号（D-、D+）、一组电源信号（5V电源、GND电源地）、二组3.0数据差分信号（RX-、RX+、TX-、TX+）、GND信号地，9线。

USB3.0由于采用的全双工通信模式（USB2.0 采用半双工通信模式），数据可以同时进行发送和接收，充分利用了传输带宽，数据传输速率（5Gbps/10 Gbps）。

DM/DP差分对信号线与USB2.0的连接方式一样，只要一对一直接连接就可以。信号线的差分阻抗Z=90Ω±10%。另外提醒下USB3.0在选型ESD防护二极管的时候要注意ESD寄生电容要小（0.5pf左右）。

RX-、RX+、TX-、TX+差分对属于高速serdes差分对，速度5Gbps/10 Gbps。需要在TX端放置100nF隔直电容（协议中规定是75nf-200nf），RX端无需放置。host端和device端的偏置直流电压值不一样，AC耦合电容起到隔直流作用，也可以更好的预制共模噪声。

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