模组硬件通用丨模组USB电路设计指南

USB(全称:Universal Serial Bus)是一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等相关领域。模组应用时,USB接口通常作为4G、5G模组与CPU的通信和固件升级的重要接口,性能直接影响通信数据传输的成功率。本文讲解了USB接口设计、差分阻抗控制以及固件下载常见问题。

一、USB接口设计

1.USB概念及速率

USB是一种外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB各版本的速率及功率1

表1 1USB版本及特点

USB 2.0物理接口采用4针脚设计(D+,D-,Vbus,GND),D+与D-是一对差分线。USB 3.0物理接口采用9针脚设计,增加了两对超高速差分信号SSTX+与SSTX-、SSRX+与SSRX-,共3对差分线。

2.一般设计原则

模组仅能作为设备(Device)工作,无法作为主机(Host)工作,不支持OTG模式。5G模组最高可支持USB 3.1 Gen2速率,其余模组最高支持USB 2.0的高速模式,向下兼容。

在原理图设计中,建议USB接口进行防静电保护,预留用于滤除共模和差模干扰的元件位置不贴实际值,仅贴0R短接即可预留元件位置便于测试中如果发现干扰,可以快速贴上电感电容进行调试这是硬件设计中的一种兼容策略有助于避免改板问题。

在PCB设计时,为保证数据传输的稳定性及可靠性,必须遵循差分线一般的设计原则:

  1. 根据PCB层叠关系,利用阻抗计算工具,控制差分90Ω阻抗
  2. 参考平面完整,不能出现跨分割
  3. 走线不能走90°直角,且需进行良好的包地处理
  4. 差分对走线等长,尽量避免过孔如果必须使用过孔,则应在附近放置回流地过孔
  5. 尽量减少布线长度
  6. 远离边沿陡峭的信号或高开关速率器件
  7. USB数据线上的ESD防护器件的寄生电容不能超过22pF
  8. 若USB仅用于固件下载预留,不用于数据传输,设计时可放宽要求

二、USB差分阻抗控制

USB差分走线阻抗需控制90Ω,设计时需保持阻抗连续,阻抗控制方式与射频的单端50Ω类似,通过阻抗计算软件SI9000选择合适的差分阻抗模型,计算出差分走线的线宽线距,实现90Ω阻抗控制。

阻抗的不连续会导致信号发生反射和衰减、通信速率降低,控制好高速信号的走线阻抗,是布线成功的关键。

图1 USB布线示例

三、USB固件升级下载

此问题主要出现在ML307系列模组的固件升级由于ML307系列模组强制进入下载模式需要把BOOT引脚拉低到地,客户前期使用其他模组未注意兼容性,会将BOOT预留上拉至VDD_EXT从而导致固件下载失败

1.BOOT上拉问题

问题:用户将BOOT错误上拉到VDD_EXT引脚

解决方法:参考上述方法进行修改

2.VBUS问题

问题:用户使用了USB功能,却没接USB_DET

解决方法需将USB_DET接至VBUS。

图2 VBUS设计问题

  • 总结

在模组固件下载和模组调试的关键环节中,USB接口的使用频率极高。为了确保操作的便捷性和高效性,强烈建议在电路设计时明确将模组的USB接口引出,并严格遵循文档中的建议进行相关的电路设计,以确保接口的稳定性和兼容性。

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