你不知道的USB

USB的接口类型、定义和原理

目前USB接口类型已经更新到了USB3.1和USB Type-C类型，下面就对USB的类型进行介绍整理

一、UCB的通信协议类型

1.1 USB定义及类型

USB（Universal Serial Bus2.0，通用串行总线）是一种应用在计算机领域的新型接口技术。USB接口具有传输速度更快，支持热插拔以及连接多个设备的特点。目前已经在各类外部设备中广泛的被采用。USB接口有四（五）种：USB1.1，USB2.0，USB3.0和USB3.1（3.1Gen 1和3.1Gen 2）。

理论上USB1.1的传输速度可以达到12Mbps，而USB2.0则可以达到速度480Mbps，并且可以向下兼容USB1.1，而USB3.0的最大传输带宽高达5.0Gbps（500MB/s），并且可以向下兼容USB2.0和USB1.1。请注意5Gb/s的带宽并不是5Gb/s除以8得到的640MB/s而是采用与SATA相同的10 Bit传输模式（在USB2.0的基础上新增了一对纠错码），因此其全速只有500MB/s。

USB-IF公布了最新的USB命名规范，原来的USB 3.0和USB 3.1将会不再被命名，所有的USB标准都将被叫做USB 3.2，考虑到兼容性，USB 3.0至USB 3.2分别被叫做USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2x2。

1.2 USB通信协议的区别

1、USB3.0的速率是5Gbps，而USB2.0的速率是480Mbps。

2、从USB外观上来看，USB2.0通常是白色或黑色，而USB3.0则改观为“高大上”的蓝色接口。

3、从USB插口引脚上来看，USB2.0采用4针脚设计，而USB3.0则采取9针脚设计，相比而言USB3.0功能更强大。

1.3 各种USB接口速率

USB规范目前有USB 1.0、USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1，USB 3.1又分为USB 3.1 GEN1和USB 3.1 GEN2。

各USB接口理论传输速度如下：

USB 1.0：1.5 Mbps（Low Speed）

USB 1.1：12 Mbps（Full Speed）

USB 2.0：480 Mbps（Hi Speed）

USB 3.0：5 Gbps（640 Mbps, Super Speed）

USB3.1：10 Gbps

需要注意的是，USB Type C可以承载USB3.0或USB3.1，USB3.1一般会有标示“10”

二、USB的硬件接口

2.1 接口类型和用途

从硬件接口类型上来分，主要分为USB Type-A、USB Type-B、USB Type-C，Mini A，Mini B，Micro A，Micro B

USB Type-A，这是最常用的USB风格。它被发现在许多地方，如：电脑，闪存驱动器，汽车，墙上转换器等，这种类型有四个接触点，两个数据和两个正负电源。他们都被放置在一起。

USB Type B一般用于3.5寸移动硬盘、打印机、以及显示器等的连接，没有type-A接口常见。

USB Type C由于支持正反插、可选功能多也越来越受到广泛使用。比如，若USB Type C支持PD协议，可以给笔记本供电；若支持DP，可以连接外接显示器支持显示（一般会有标示“D”）；若支持Thunderbolt3更是不得了（一般会有标示“带箭头的闪电”）。

Mini A型：这不是最常用的风格之一。 这种类型有五个联系点。 全部定位在一条直线上。

Mini B型：这种风格以前用于手机充电功能。 这种类型有五个联系点。 全部定位在一条直线上。

Micro A型：Micro A不如Micro B型。这种型号有五个接触点。全部定位在一条直线上。

Micro B型：这种风格很常见。它目前用于大多数主要的手机充电连接器。这种类型有五个联系点。全部定位在一条直线上

Mini USB，也称为迷你USB，是USB接口标准。这是一种为在PC和数字设备之间传输数据而开发的技术

Micro-USB是Mini-USB的下一代规范标准化。

下图所示为几种接口类型图片

2.2 最常用的四种类型

Type-A Type-B Micro-B Type-C

三、USB接口定义

3.1 USB 2.0接口定义

常用USB有如下两种不同的定义，如表1所示，根据需要选取相应类型的USB。

　　

ID脚：分为A和B两种接口

A：与地线相连

B：不与地线相连

mini USB除了第4针外，其他接口功能皆与标准USB相同。第4针成为ID，在mini-A上连接到第5针，在mini-B可以悬空亦可连接到第5针。

其中id脚在otg功能中才使用。由于mini usb接口分mini-A、B和AB接口。如果你的系统仅仅是用做slave，那么就使用B接口，系统控制器会判断ID脚的电平判断是什么样的设备插入，如果是高平，则是B接头插入，此时系统就做从模式，如果ID为低，则是A接口插入，然后系统就会使用HNP对话协议来决定哪个做Master，哪个做slave。

Micro-USB 支持OTG，和Mini-USB一样，也是5pin的。

3.2 USB 3.0接口定义

USB3.0接口在2.0的基础上增加了5根线

3.4 Type--C接口定义

Type C母头引脚排列图

Type C公头引脚排列图

·可以看到TYPE-C的接口引脚图，每个引脚都有不同作用，中心点对称因此支持正反插。

·TX/RX：两组差分信号，用于数据传输

·CC1/CC2:两个关键引脚，作用很多探测连接，区分DFP、UFP，配置Vbus，有USB Type-c和USB Power Delivery（功率输出）模式， 配置Vconn,当线缆内有芯片时，一个cc传输信号，一个cc变成供电Vconn，  配置其他模式，音频配件等

两个CC，实际上在不含芯片的线缆里只有一根cc线。含芯片的线缆也不是两根cc线，而是一根cc，一根Vconn，用来给线缆里的芯片供电(3.3V或5V)，这时就cc端没有下拉电阻Rd，而是下拉电阻Ra，800-1200欧

·GND和VBus,各4个，因此传输功率强

·D+和D-是来兼容USB之前的标准的

·USB Type-C中新增了电流检测与使用功能，新增三种电流模式：默认的USB电源模式(500mA/900mA)，1.5A，3.0A.三种电流模式由CC管脚来传输和检测，对于需要广播电流输出能力的DFP而言，需要通过不同值的CC上拉电阻Rp来实现;对于UFP而言，需要检测CC管脚上的电压值来获取对方DFP的电流输出能力。

3.5 USB Type C三种工作模式

USB3.1标准有三种工作模式：

DFP为主，UFP为从，DRP可为主也可为从，取决于接什么。

DFP的CC脚有上拉电阻Rp,UFP有下拉电阻Rd。未连接时，DFP的VBUS无输出。

当CC端相连，DFP的CC脚会检测到UFP的下拉电阻Rd，说明连接上，DFP打开VBus开关开始供电。而哪个CC脚(CC1，CC2)检测到下拉电阻就确定接口插入的方向，顺便切换RX/TX。

1：DRP。主HOST/DEVICE可自由转换，类似电脑或MacBook。

USB Type C DRP工作模式示意图

2：DFP。下行端，主HOST端（上拉电阻Rp）。

USB Type C DFP工作模式示意图

3：UFP。上行端，DEVICE端（下拉电阻Rd）。

USB Type C UFP工作模式示意图

名词注解： DFP:Downstream Facing Port下行端口。 可以理解为Host，DFP提供VBUS，也可提供数据。典型的DFP设备是电源适配器，因为它永远都只是提供电源。 UFP:Upstream Facing Port)上行端口。 可以理解为Device，UFP从VBUS中取电，并可提供数据。典型设备是U盘，移动硬盘，因为它们永远都是被读取数据和从VBUS取电。 DRP:Dual Role port双角色端口。 DRP：既可以做DFP(Host)，也可以做UFP(Device)，也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是电脑(电脑可以作为USB的主机，也可以作为被充电的设备

3.6 常用Type-C线的几种类型

1）TYPE A公+TYPE C公充电数据线

此模式A公为主HOST端，工作DFP模式：此连接线可分为（USB3.1 GEN1 5Gbps/s,USB2.0 480MHZ/S)二种规格，图示为USB2.0规格：

实际应用功能：

1：充电功能：

TYPE A公插入USB电源适配器（USB充电器），将TYPE C公插入MACBOOK,或N1/乐视手机系列/及其它TYPE C母座设备，可对设备电池进行充电。充电电流大小设备自动识别所需充电电流。

2：数据传输功能：

TYPE A公插入PC USB母座端，将TYPE C公插入N1/乐视手机系列/及其它TYPE C母座设备，可进行数据传输。数据传输速率看设备所支持USB标准速率及采用连接线规格3.1 GEN1/USB2.0

2）USB TYPE C公+USB TYPE B公数据线

此模式C公为主HOST端，工作UFP模式： 此连接线可分为（USB3.1 GEN1 5Gbps/s,USB2.0 480MHZ/S)二种规格。

实际应用功能：

数据传输功能：

TYPE C公插入MACBOOK或C母PC主机端，TYPE B端插入相对应B母打印机或HUB集线器端，可进行数据传输及打印功能。数据传输速率看设备所支持USB标准速率及采用连接线规格USB3.1 GEN1/USB2.0。

3）TYPE C公+TYPE MICRO B公数据线

此模式C公为主HOST端，工作UFP模式：此连接线可分为（USB3.1 GEN1 5Gbps/s,USB2.0 480MHZ/S)二种规格。

实际应用功能：充电功能、数据传输功能

4）TYPE C公+TYPE A母充电数据线

实际应用功能：充电功能、数据传输功能

此模式C公为主HOST端，工作UFP模式：此连接线可分为（USB3.1 GEN1 5Gbps/s,USB2.0 480MHZ/S)二种规格。

连接示意图：USB3.1 GEN1/USB2.0

这种type c公转type c母，又称OTG线

3.7 OTG

OTG是On-The-Go的缩写，是近年发展起来的OTG技术。OTG技术就是在没有Host的情况下，实现设备间的数据传送。

USB技术的发展，使得PC和周边设备能够通过简单的方式、适度的制造成本，将各种数据传输速度的设备连接在一起。上述我们提到的应用，都是通过USB连接到PC，并在PC的控制下进行数据交换。

但这种方便的交换方式，一旦离开了PC，各设备间无法利用USB口进行操作，因为没有一个从设备能够充当PC一样的主机。

四、USB接口布局布线要求　　

1）USB接口靠近板边放置，并伸出板边一定位置，方便插拔；

2）ESD、共模电感器件靠近USB接口，放置的顺序是ESD-共模电感-阻容；同样的注意ESD和USB的距离，留有1.5mm的间距，考虑后焊的情况，如图2所示。

图2 USB的布局

3）USB要走差分，阻抗控制为90欧姆，并包地处理，总长度最好不要超过1800mil；等长方式类似HDMI的绕线。

4）为了抑制电磁辐射，USB的差分线优先走在内层，并保证走线有一个完整的参考平面，不然走线跨分割，会造成阻抗不连续并增加外部噪声对差分线的影响；

5）USB差分在走线的时候，尽可能的减少换层过孔，过孔会造成线路阻抗的不连续，在每次打孔换层的地方加一对回流地过孔，用于信号回流换层，如图3所示。

图3 差分打孔换层处添加GND孔

⑥若USB两边定位柱接的是保护地，分割的时候保证与GND的距离是2MM，并在保护地区域多打孔，保证充分连接，并用磁珠与GND进行跨接，如图4。

图4 USB保护地的隔离