2-warstwowy routing USB 2.0 High-Speed

11

Po pierwsze:

  • Jest to jednorazowy (lub podwójny) projekt hobby, nic poważniejszego. Gdyby to był projekt komercyjny, pójdę 4-warstwowa na raz (choć ja nie byłoby zaprojektowanie takiego projektu w pierwszej kolejności).
  • Przejście 4-warstwowe jest dopuszczalne tylko wtedy, gdy PRAWDA jest to konieczne ; takie płyty kosztują co najmniej dwa razy więcej w tych ilościach, a dwuwarstwowa płytka drukowana nadal kosztuje więcej niż połączone elementy.
  • Celem jest przekazanie sygnału USB 2.0, w większości nieuszkodzonego, między dwoma złączami (USB-B do USB-A, oba żeńskie), nic więcej; moja płytka faktycznie nie używa sygnału.

(Jeśli te punkty przenoszą post na terytorium „zbyt wąskie”, możesz je zignorować :-)

Pytanie brzmi zatem: czy jest to możliwe z akceptowalnymi wynikami? Głównym celem jest oczywiście umożliwienie szybkiej komunikacji (480 Mbit / s).

Zgodnie ze specyfikacją USB para różnicowa powinna mieć impedancję różnicową wynoszącą 90 omów, a impedancja charakterystyczna względem ziemi wynosi 30 omów. Jednak USB wydaje się tolerować sporo nadużyć; w notatce aplikacji SMSC (PDF), w której omawiają 2-warstwowy układ PCB USB 2.0, wspomniano, że impedancja pojedynczego końca nie jest tak istotna jak różnica i że dopuszczalny jest zakres „45 do 80 omów”.

Specyfikacja płyty to 1 uncja miedzi, z 63 milami FR-4 pomiędzy nimi.
Według kilku kalkulatorów impedancji, takich jak ten (który, chyba że coś źle zrozumiem, nie wyświetla również impedancji single-ended), wydaje się, że 50 mil śladów z odstępem 10 mil daje ~ 90 omów różnicy i ~ 80 om Z0.
(Wartości te pochodzą z kalkulatora Saturn PCB Toolkit, który jest bezpłatny, ale wymaga pobrania.)

Ślady byłyby rzędu 3 cali i prawdopodobnie miałyby kształt litery U do góry nogami, aby zbliżyć się do krawędzi deski, dzięki czemu mam miejsce na trasowanie wszystkiego innego (tylko sygnały sub-MHz) bez rozbijania płaszczyzny uziemienia pod śladami USB.

Oczywiście zdaję sobie sprawę, że całe przedsięwzięcie jest trochę szalone; jednak znowu jest to deska do hobby i wydaje się, że zrobiły to również poważne firmy.
Szybkość jest wciąż trochę poza mną, ale reszta projektu jest prosta; Muszę tylko przekazać ten sygnał na płytkę drukowaną, a wszystko inne to bułka z masłem.

Jeśli go przegapiłeś, główne pytanie brzmi: czy jest to możliwe, z akceptowalnymi wynikami?
Jeśli są lepsze 2-warstwowe metody routingu (na przykład ten krótki artykuł używa do tego celu routingu falowodów koplanarnych), proszę powiedzieć. Nie mogę znaleźć dużo informacji (zarówno szczegółowych, jak i zrozumiałych, ale bez szczegółów ani wzmianek o równaniu / kalkulatorze) na ten temat.

exscape
źródło
Jeśli płytka w ogóle nie wykorzystuje sygnałów USB, czy byłoby możliwe ustawienie dwóch złącz obok siebie?
Anindo Ghosh
@AnindoGhosh hmm tak, tak myślę! Pomyślałem, że fajnie byłoby mieć go „w linii” z kablem, ale skoro o tym wspominasz, nie jest to absolutnie żaden wymóg.
exscape
Następnie umieść je wystarczająco blisko, aby złącza mogły oddychać zgodnie ze specyfikacją USB, i umieść między nimi krótkie ślady tłuszczu, najlepiej o równej długości. Umieściłbym je pod kątem prostym do siebie w rogu płyty, tak aby cała konfiguracja nie kolidowała z resztą mojej płytki drukowanej.
Anindo Ghosh,
@AnindoGhosh To daje mi ~ 330 mil śladów między pinami, czy coś takiego. Nadal są w odległości 50 mil / 10 mil. Coś w tym stylu: i.imgur.com/GVy7j.png (VBUS jest oczywiście bez trasy). Przynajmniej zgodnie z pewnymi regułami, przy czasie narastania 500 ps, ​​może to być poniżej, gdzie mają znaczenie efekty linii przesyłowej .. .?
exscape
1
Efekty linii przesyłowej w tym przypadku będą znikome. Jedynym możliwym problemem, jeśli nadal chcesz się martwić, byłoby to, że łączna długość dwóch kabli USB podłączonych do dwóch portów może przekraczać zalecaną maksymalną długość dla USB.
Anindo Ghosh,

Odpowiedzi:

11

Podsumowanie ścieżki komentarza jako odpowiedzi :

Wymagany jest układ płytki drukowanej dla przejścia między złączami USB 2.0 A i B na płytce drukowanej. Reszta obwodu na płytce drukowanej nie wchodzi w interakcję ze ścieżką sygnału USB.

Sugerowane rozwiązanie :

Zmieniając fizyczne rozmieszczenie dwóch gniazd tak, aby były blisko siebie, a nie po przeciwnych stronach płytki, jak pierwotnie przewidywano, rozwiązywano problemy dotyczące długości śladu sygnału i efektu transmisji.

Ponadto, ustawiając dwa złącza pod kątem prostym do siebie, w jednym rogu obszaru płyty, rozwiązano potrzebę pozostawienia przestrzeni między nimi, aby umożliwić podłączenie kabli: Kable byłyby połączone wzdłuż różnych krawędzi i nie dotykają się.

Pozwala to również na uproszczenie routingu:

  • Zalecenie dotyczące ścieżek sygnałowych o równej długości jest z natury adresowane
  • Układ nie koliduje z resztą układu PCB, ponieważ jest wyłączony w rogu
  • Przy wskazanej małej długości śladu efekty linii transmisyjnej i anteny są nieistotne w przypadku transmisji USB 2.0 High-Speed

Układ narożny gniazd USB (opublikowane przez OP).


Obawy, które mogą wymagać rozwiązania :

  • Fizyczna wytrzymałość płytki drukowanej na obciążenia związane z powtarzającymi się wprowadzeniami kabli - śruba montażowa w rogu między złączami powinna temu zaradzić.
  • Efektywna całkowita długość kabla USB, sumując kable strony A i strony B, może przekraczać maksymalną długość kabla USB. Bardzo krótka sekcja PCB działałaby jedynie jako przedłużenie kabla.
  • Potrzebne są kreatywne rozwiązania, aby odpowiednio schować deskę ze złączami w rogu.
Anindo Ghosh
źródło
1
Podejście z dwoma narożnikami może utrudnić zapakowanie prototypu.
Scott Seidman,