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深入解读USB2.0数据线电气特性!

文章出处:深圳市雅创电子有限公司 人气:-发表时间:2017-09-18 09:29:00

一般USB2.0数据线都是由4根芯线组成的,两根电源线,两根信号线。在USB中有固定不变的数字编号以及不同的颜色,这为数据线的识别和使用提供了方便。下图是USB2.0数据线的颜色对照表:

usb2.0数据线

USB设备和Hub采用2种供电模式,即自供电(Self Powered)和总线供电(Bus Powered)。所谓自供电,是指该 USB设备或Hub能够自己提供电源,而无需从VBus上提取电流,这样做的好处是该设备在工作时功率不必受USB协议的限制,可以根据自身电源的能力任意提取电流;但局限性也是显而易见的,该设备必须带有额外的电源设备,增加了体积和成本。而总线供电模式则为耗电量小的设备提供了一种方便的连接方式,能够完全从USB2.0数据线的VBus获得所需的电流,但是这样的设备运行时所耗的功率受到USB协议的限制,不能无限制地从总线上取得电流。USB硬件电路的电源线路时需要十分小心,无论是总线供电还是自供电的USB设备或Hub,都只能从VBus获得电流,而不能向VBus提供电流。

USB2.0数据线供电的工作状态也被分为2种,即正常工作(Normal)状态和挂起(Suspend)状态。如果总线供电设备在3ms 内没有总线操作,即 USB总线处于空闲状态的话,该设备就需要自动进入挂起状态。这时从总线上提取的电流必须小于500μA。在设备进入挂起状态后,可以通过唤醒(Resume)操作来恢复到正常工作状态。唤醒操作既可以由主机发送唤醒或复位信号来触发,也可以由设备自行通过远程唤醒来实现。处于挂起状态的设备通过发送信号给主机,使得主机恢复处理其USB事务。这种远程唤醒方式是所有USB事务中,惟一能够由设备发起的事务。

USB的电气特性

USB2.0数据线的电气特性。它包含了信号处理,功率分配和物理层规范。这篇文章并不是专注于规范一致。这是产品设计者的责任,即保证他们自己的设计能和所有的应用的规范要求相一致。 

USB 2.0规格书要求集线器(hubs)需要支持高速模式,USB 2.0设备则没有这个要求。一个高速的上行收发器(upstream facing transceiver)不能支持低速信号传输模式。而USB 2.0下行收发器则必须支持高速、全速和低速模式。 

为了能在该速率下执行可靠的操作,USB2.0数据线必须让它每条线上的任一端分别用一个电阻端接到地。该电阻的标称值(任意一条线上)通常为电缆的特性差分阻抗的1/2,或45欧姆。这样就提供了一个90欧姆的差分端接。  

对于高速模式的连接操作,高速空闲状态发生在,当电缆(已提供到地的高速差分端接)任一端上的收发器,都没有驱动信号传输电流到D+或者D-线上。在严格控制驱动固有输出阻抗和Rs电阻(典型为45欧姆)的总组合的情况下,这个状态通过使低/全速驱动器发出一个单端零信号完成。我们推荐驱动固有输出阻抗越低越好,而Rs阻抗则尽可能的接近45欧姆。这通常能构成一个带最小寄生负载的最精确端接。 为了能在高速模式下传输,收发器会激励它内部的正供给电压产生的电流源输出电流,并且通过一个高速电流控制开关,引导电流流向两根数据线之间的一根。输入到D+或D-线上电流的动态转换,跟随相同的用于低/全速操作以及在位填充器(bit stuffing behavior)中的NRZI数据编码模式。如果要发出一个J信号,电流流向D+线上,而如果要发出一个K信号,电流则流向D-线上。同步场(the SYNC field)和EOP分隔符为高速模式作了修正。  

电流源的电流幅度和终端负载电阻值控制着指定容错度(specified tolerances),同时也决定了实际的驱动电压值。在接有负载的测试条件下,从D+或D-到器件的地之间的直流电阻必须为45欧姆±10%,在这个条件下(即D+和D-都是被精确的45欧姆端接到地),线上的差分输出电压(无论在J还是K状态下)必须是±400mv±10%。

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