在硬件（HW）设计领域，USB 接口是使用频率颇高的电路模块，尤其在医疗电子和商业电子电路中应用广泛。接下来，我们将深入分享 USB 接口及其对应的电路设计。

　　USB 接口理论认识

　

　USB，即通用串行总线（Universal Serial Bus）。目前，USB 接口大致可分为 USB2.0、USB3.0、USB4（需注意，其正式书写名称既无空格也无小数点，既非 USB 4，也非 USB4.0。USB4 规范采用双链路通道，传输带宽高达 40Gbps，接口类型为双向 USB - C）。当前，我们使用较多的是 USB2.0 和 USB 3.2 Gen 1（前身为 USB 3.0，后更名为 USB 3.1 Gen 1，最终定名为 USB 3.2 Gen 1）。USB 3.2 Gen 2 前身为 USB 3.1，后改名为 USB 3.2 Gen 2。相较于 Gen 1，Gen 2 在速度上有显著提升，最大传输速度达到 10 Gbps，是 Gen 1 速度的两倍，被称为 SuperSpeed +，且向下兼容 USB 3.2 Gen 1 和 USB 2.0。以下是各版本的详细参数对比：

　　版本最大传输速率最大输出电流前称针脚数量
　　USB2.0480Mbps500ma4 个（VBUS/GND/D + /D - ）
　　USB3.1 GEN15Gbps900ma (标准端口)USB 3.1 Gen 1 和 USB 3.09 个
　　USB3.1 GEN210 Gbps900ma（标准端口）USB 3.1 Gen 29 个
　　USB 硬件电路设计
　　USB2.0：包含一组差分信号、一组电源信号（5V 电源 + GND），共 4 线。一般情况下，常规的电路设计就能实现 USB 数据的正常传输。但从电磁兼容性（EMC）角度考虑，最好在靠近 USB 插座端添加共模电感，以防止板子内部的高频干扰通过 USB 线辐射出去，对其他模块和设备造成电磁干扰。D +、D - 需以差分方式布线，并借助连续的参考平面层，确保阻抗一致，信号线的差分阻抗 Z = 90Ω ± 15%。此外，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。当设备检测到 USB_ID 信号为低时，该设备作为 Host（主机，也称 A 设备）；当检测到 USB_ID 信号为高时，作为 Slave (外设，也称 B 设备)。
　　USB3.0：包含一组 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，共 9 线。USB3.0 采用全双工通信模式（USB2.0 采用半双工通信模式），数据可同时进行发送和接收，充分利用了传输带宽，数据传输速率可达 5Gbps/10 Gbps。DM/DP 差分对信号线与 USB2.0 的连接方式相同，一对一直接连接即可，信号线的差分阻抗 Z = 90Ω ± 10%。需要注意的是，在选型 ESD 防护二极管时，要确保 ESD 寄生电容较小（约 0.5pf）。RX - 、RX + 、TX - 、TX + 差分对属于高速 serdes 差分对，速度为 5Gbps/10 Gbps。需在 TX 端放置 100nF 隔直电容（协议规定为 75nf - 200nf），RX 端无需放置。由于 host 端和 device 端的偏置直流电压值不同，AC 耦合电容起到隔直流作用，还能更好地抑制共模噪声。