USB2.0噪讯对策技术

前 言

连接PC与接口设备的USB接口(interface)具有良好的方便性，因此最近几年USB普及化的速度远超过当初的预期。随着多媒体(multi media)与储取(storage)设备的大容量 化，FS(Full-Speed)与LS(Low-Speed)数据传递速度成为严重的瓶颈(bottleneck)，导致接口设备无法充分发挥应有的性能，因此出现所谓的HS(High-Speed)新机种，这种新产品除了有可与传统FS、LS产品兼容之外，它的数据传递速度是FS的40倍(480Mbps)，该速度足够满足宽频(broad band)的需求。由于内建HS接口的机种越来越多，USB成为PC与接口设备不可阈缺的重要device。

设有USB的产品必需通过USBIF(USB Implementers Forum)认证，否则不可标示USB合格标志(logo)，也就是说厂商必需确保规定的波形品质，尤其是实施噪讯(noise)对策时对波形的影响。

差动传输的有效性

一般认为包含USB在内的设备使用差动传输对EMI(Electro Magnetic Interfere；电磁波干扰)比较有利 ，它的动作原理是根据两根差动信号线内的电流，在反方向具有相同大小的特性，利用该特性使磁界相互抵销。随着USB的普及化噪讯问题也越来越严重，虽然差动传输对EMI相当有效，事实上却始终无法根本消除EMI问题，因此接下来要探讨EMI发生原因，同时介绍几种有效的EMI对策:

(A).FS、LS与HS噪讯对策的差异

USB发生噪讯的原因之一是从其它电路的噪讯流入所造成，USB以外的电路所产生的噪讯属于common mode，它会藉由USB导线(cable)四处流窜，也就是说导线等于是噪讯的发射天线(antenna)。图1是常用的FS与的LS噪讯对策电路，如图所示Ferrite beads常被用于D－、D＋信号线，利用具有low pass filter功能的ferrite beads，将信号线内传输的高频噪讯去除，然而HS的传输速度比FS快40倍，因此Ferrite beads会将构成信号传输的频率成份一并除掉，造成信号波形受到严重影响。

图1 FS与LS常用的噪讯对策电路

为了说明HS信号线内装设Ferrite beads时的波形，因此使用如图2所示两个设有Ferrite beads的基板(board)，驱动端输出测试packet，Ferrite beads为22Ω(100MHz时；日本村田制)；图3是无装设Ferrite beads时的波形，由图可知装设Ferrite beads后的波形图案(pattern)反而变得更乱。

图2 测试传输波形之实验架构

图3 HS方式传输测试时，有无滤波器的波形比较

(B).common mode扼流线圈的重要性

由以上实验可知以HS方式传递数据时不可使用Ferrite beads作EMI对策，对HS传递模式而言common mode扼流线圈可依照信号传输方式的不同有效消除噪讯，因此common mode扼流线圈成为消除噪讯不可阈缺的组件之一。图4是common mode扼流线圈的基本结构，基本上它是由两根信号线缠绕在环状Ferrite型芯(core)所构成，当HS受到其电路影响产生common噪讯时(亦即所谓的common mode电流)，磁束就会被加乘变成阻抗(impedance)；相较之下差动传输信号(亦即所谓的差异模式电流)祇会抵销磁束不会产生阻抗，也就是说使用common mode扼流线圈时差动信号不会衰减，common mode的噪讯则大幅衰减，进而达成消除噪讯的目的。

图4 common mode扼流线圈的基本结构

(C).common mode扼流线圈选用技巧

理论上不会对差动信号产生不良影响是common mode扼流线圈的最高理想，事实上common mode扼流线圈同时具备common mode阻抗与差异模式阻抗，由于common mode阻抗会使差异模式阻抗衰减，因此一般都希望common mode阻抗越大越好；差异模式阻抗会对差动传输波型产生不良影响，所以希望差异模式阻抗越小越好。此外common mode扼流线圈的外形随着common mode阻抗值增加而变大，相对的差异模式阻抗值也跟着变大，换言之在信号波形容许范围内，尽可能选用common mode阻抗值较大的common mode扼流线圈。必需注意的是USB传输信号时，common mode阻抗值变大，在FS与LS的EOP可能会被误判成错误(error)。EOP(End Of Packet)是USB传输信号时表示最后的packet，在FS与LS下当D+、D-两信号变成Low时就识别为EOP，该EOP从Low level到超过0.8V以上时，就有可能无法被识别，如果在FS与LS信号在线设置common mode扼流线圈时，会造成EOP的电压值上升，进而发生如图5「 」符号标示的异常现象。EOP的电压值随着common mode阻抗值增加而变大，亦即相互阻抗越变越大，这种现象是EOP开始动作时，common mode扼流线圈的单方导线产生电流变化，造成另一导线产生诱导电压所致。此外在EOP的电压值上升也会受起伏时间的影响，图6是EOP的起伏时间在4ns至20nsFS规格内仿真(simulation)分析的结果，由实分析的结果可知未使用滤波器时，即使改变起伏时间，EOP信号开始部份几乎都没发生变化，不过装设common mode扼流线圈时，必需注意的是起伏时间越快，EOP的值会从Low level变高。如上所述common mode阻抗值以及传输波形的起伏时间对EOP有重大影响，因此选用common mode扼流线圈时必需特别注意上述两项要素。

图5 common mode阻抗值的差异对EOP的影响

图6 起伏时间的差异对EOP的影响

(D).HS的噪讯对策

图7是日本村田公司的HS噪讯对策用100MHz/90Ωcommon mode扼流线圈应用例；图8是使用该组件后的信号波形(eye pattern)的实测结果；图9是放射噪讯实测结果，由测试结果可知即使装设common mode扼流线圈，也不会对eye pattern造成重大影响。此外有关放射噪讯，由图可知传输信号的高频波噪讯也会受到大幅抑制。

图7 HS噪讯对策线路

图8 使用common mode扼流线圈时的eye pattern测试结果

图9 使用common mode扼流线圈时的噪讯抑制效果

偏斜(skew)是另外一个发生噪讯的原因，理论上差动传输并不会产生不均衡成份，但是实际上常因IC与基板组装设计发生偏斜现象，common mode扼流线圈对偏斜补正具有波形整形效果。再差动传输波形下即使D＋、D－信号起伏时间或是timing有偏异导致致发生偏斜，common mode扼流线圈就可发挥类似变压器(transformer)效应，因此可以补正偏异的起伏时间与timing ，其结果是偏斜被补正且D＋、D－两信号的位相一致。图10是为了确认上述波形整形效果所作的模拟分析结果，如图所示上方为差动传输波形，下方为差动传输波形的总合。差动传输信号一旦发生偏斜，不均衡成份就会变大，最后造成放射噪讯增加，如果装设common mode扼流线圈，偏斜与放射噪讯都可获得改善。图11是补正效果的实验结果，具体实验方法是使用长度分别是10cm与15cm两根差动传输线，并刻意使它产生偏斜，接着再装设common mode扼流线圈观察差动传波形总变化，经由以上实验结果可以确认common mode扼流线圈具有补正偏斜的效果。

图10 common mode扼流线圈的偏斜补正效果
 
※)频率为200MHz的差动信号波形

图11 common mode扼流线圈的偏斜补正模拟测试结果

结 语

以上说明USB发生噪讯干扰的原因，同时具体介绍几种有效的EMI对策。相信未来common mode扼流线圈的小型化与高性能化，势必会使USB与PC接口设备更加发挥应有的性能。