USB 差分信号线 PCB 布线指南

“ 本文介绍了在 PCB 上正确布局 USB 差分数据线的关键原则和实践。主要目标是实现 USB 规范中规定的 90 欧姆阻抗匹配。且应考虑 ESD 保护及完整的地平面。”

USB 速度等级及阻抗要求

USB 的速度标准经历了多次迭代，不同版本的 USB 接口速度差异很大。以下是常见 USB 标准的理论最大传输速度：

USB 版本	最大传输速度（理论值）	常见名称	备注
USB 1.1	12 Mbps（1.5 MB/s）	Full Speed	非常老旧，基本淘汰
USB 2.0	480 Mbps（60 MB/s）	High Speed	仍广泛使用，速度较慢
USB 3.0	5 Gbps（625 MB/s）	SuperSpeed	常见于机械硬盘、U盘
USB 3.2 Gen1	5 Gbps（625 MB/s）	SuperSpeed	其实就是 USB 3.0 改名
USB 3.2 Gen2	10 Gbps（1250 MB/s）	SuperSpeed+	常见于高端U盘、SSD
USB 3.2 Gen2x2	20 Gbps（2500 MB/s）	SuperSpeed+ x2	需要双通道线材
USB4 Gen2	20 Gbps（2500 MB/s）	USB4 20Gbps	兼容雷电3/4
USB4 Gen3	40 Gbps（5000 MB/s）	USB4 40Gbps	高端笔记本/外接显卡坞

对于 USB 1.1、USB 2.0，理论最大速度不超过 480 M，因此虽然也需要满足基本的差分对走线约束以及 90 欧阻抗匹配的要求，但对 Layout 的要求并不高，满足通用约束基本都能使用。但对于 USB 3.0 以上的版本，速率从480 Mbps 跃升到 5 Gbps，其布局布线的要求要严苛得多，因为高速信号线对 PCB 上的任何物理瑕疵都极为敏感。

通用 USB 布线约束

首先要记住核心原则：一切为了 90 欧姆阻抗

决定差分阻抗的主要物理参数有四个：

走线宽度 ：线越宽，阻抗越低。
走线间隙 ：两条线间隙越近，耦合越强，差分阻抗越低。
介质厚度（PP） ：走线距离其下方参考平面（通常是GND层）的高度。距离越远，阻抗越高。
介质常数 ()：PCB板材的特性。最常用的FR-4材料，值通常在4.2到4.6之间。

因此，要回答“走线多宽，间距多大？”，必须先确定您的PCB层叠结构，然后使用阻抗计算工具（如Polar Si9000、Saturn PCB Toolkit、华秋 DFM 或 EDA 软件自带的计算器）来反向计算出合适的宽度和间隙。

常见场景下的参考值

尽管没有固定值，但在业界最常见的4层板、FR-4板材、标准叠层设计中，确实有一些被广泛使用的“经验值”或“起始值”。您可以将这些值作为您设计的起点，然后根据您的实际板厂参数进行微调。

以下是一些典型场景的参考值（目标：90Ω差分阻抗）：

场景一：最常见的4层板（信号-地-电源-信号）

层叠：顶层（信号）到第二层（地）的介质厚度通常在 6-8 mil (0.15-0.20 mm) 之间。
铜厚：0.5oz (17.5um) 或 1oz (35um)。
常见组合 1：

线宽: 5 mil (约0.127 mm)
间距: 7 mil (约0.178 mm)

常见组合 2：

线宽 : 6 mil (约0.152 mm)
间距 : 6 mil (约0.152 mm)

场景二：介质层较厚的情况

如果信号层到参考地层的距离较厚，比如 10-12 mil，为了维持90Ω阻抗，走线需要做得更宽。
可能组合：

线宽 (Width): 7 mil (约0.178 mm)
间距 (Spacing): 6 mil (约0.152 mm)

最佳实践与建议

以上只是理论计算，实际操作时，最重要的步骤是与板厂沟通，向板厂索要他们推荐的层叠结构，这样才能获取各层厚度、介质尝试等信息，用于阻抗的精确计算。

这里推荐一个省事儿的方法，使用华秋 DFM 里的阻抗计算工具。由于华秋本来也是板厂，所以 DFM 工具里可以直接获取到他们家常用的层叠信息，不用再费力地与厂家电话沟通或者去网站上搬运参数。具体使用步骤如下：

1. 打开华秋 DFM 的阻抗计算工具：

2. 设置层数、板厚、内外层铜箔厚度，然后选择玻璃布的型号。这一步很重要，玻璃布的型号决定了很多计算阻抗的关键参数。

以下是常用的玻璃布型号。

玻璃布型号	标称原始厚度	压合后厚度	典型 Dk@1 GHz	一句话记忆
1080	0.075 mm	≈ 65 µm	4.2–4.3	“最薄，3 mil 层间”
3313	0.095 mm	≈ 80 µm	4.3	“高速板常用组合”
2116	0.105 mm	≈ 90 µm	4.4–4.5	“4 mil 经典，阻抗好调”
7628	0.185 mm	≈ 170 µm	4.6–4.7	“7 mil 厚，电源/地隔离”

在华秋 DFM 中算阻抗最大的优点在于这些层叠结构和华秋实际制造 PCB 时选用的层叠完全一致，不存在沟通上的问题。同时，选取型号后，参数会自动展示在阻抗计算器中，无需手动填写：

3. 输入目标阻抗 90 欧，假设走线间距设为 7 mil，点击“反算”，即可得出差分对的走线宽度：

结果会自动填充到上方的阻抗列表，方便进行再次验证：

地平面的要求

无论是微带线还是带状线，都要求 USB 差分对有完整（不能夸平面）的参考平面，以提供最短的回流路径。尤其是 USB 3.0 以上的版本，这点至关重要。

KiCad 中进行 USB设计

在原理图设计时，必须使用 _P/_N 或 +/- 后缀定义差分对信号：

由于 USB 接口是暴露在系统外的，且经常拔插。因此强烈建议增加 ESD 保护芯片，防止因为静电等意外情况击穿相对较贵的主芯片（如主控CPU、USB控制器、电源管理IC等）。任何与外界直接相连的接口，都必须考虑静电放电（ESD）和电磁干扰（EMI）的防护。在靠近USB连接器的数据线和电源线上，应合理布局ESD保护器件（如TVS二极管）和共模电感（Common Mode Choke）。ESD器件能够瞬间钳位有害的静电电压，保护后级电路；而共模电感则能有效抑制差分线上的共模噪声，进一步提升信号的抗干扰能力。这些防护器件的布局原则是尽可能靠近连接器，在有害能量进入主板深处之前就将其吸收或滤除。

在做 PCB Layout 时，需要注意以下几点：

1. 如果差分对在顶层或底层（微带线），下方必须有完整的参考地平面，不允许出现信号跨越平面的情况。

2. 使用自定义的 DRC 规则，限制差分对的线宽、间距以及最大非耦合长度。

我们还可以使用通配符或正则表达式定义一个差分对的网络类：

然后使用 “自定义规则” 为 DP 的差分对网络类定义特殊的规则。比如下图定义了差分对间隙为

USB 3.0 的额外要求

对于USB 3.0，需要将这些原则执行得更加极致，并关注以下几个特殊且关键的要求：

1. 严格的阻抗控制：不止是 D+/D-

USB 3.0引入了全新的SuperSpeed差分对：一对用于发送（SSTX+/SSTX-），一对用于接收（SSRX+/SSRX-）。这两对线路与原有的USB 2.0的D+/D-线路是独立的。

目标阻抗：所有SuperSpeed差分对（SSTX和SSRX）都必须严格控制 90欧姆 ±7% 的差分阻抗。相比USB 2.0的90欧姆±15%，这个容差要求严格了一倍。这意味着您需要通过PCB叠层设计和阻抗计算工具，精确确定走线的宽度、间距和参考平面距离。
D+/D-线路：同时，板上的D+/D-线路仍需保持90欧姆的差分阻抗，以兼容USB 2.0模式。

2. 极致的差分对内等长控制

在5 Gbps的速率下，信号传播时间的微小差异都会导致数据采样错误。

对内等长：SSTX+与SSTX-之间的长度差异，以及SSRX+与SSRX-之间的长度差异，必须控制在极小的范围内。业界通常建议不超过5 mil（0.127毫米）。这通常需要通过在较短的走线上添加蛇形线来进行精确补偿。
请注意，SSTX差分对与SSRX差分对之间不需要做等长匹配。

3. 明确的隔离与间距要求

高速信号非常容易受到外部噪声的干扰，也容易对外产生干扰。

远离噪声源：SuperSpeed差分对应远离晶振、时钟线、开关电源（SMPS）以及其他周期性信号线路。一个常用的经验法则是 “3W原则” ，即高速线与其他信号线的间距应至少是线宽的三倍。
差分对间距：为防止串扰，SSTX与SSRX差分对之间，以及它们与D+/D-差分对之间，都应保持足够的距离，建议至少保持 20 mil（0.5毫米）以上的间距。

4. 完整的参考平面与最短的回流路径

这是所有高速设计的基础，但在USB 3.0中尤为重要。

连续的参考平面：SuperSpeed差分对的走线下方必须是完整且连续的地平面（GND Plane）。绝对不允许跨越地平面分割区域。信号的回流路径会沿着走线正下方的地平面返回源端，任何中断都会极大破坏阻抗连续性，形成天线效应。
多层板是标配：强烈建议使用至少四层板（信号层-地层-电源层-信号层）。这样可以为高速信号提供一个理想的、低阻抗的参考平面。

5. 最小化并优化过孔（Via）的使用

过孔是高速信号路径上的“天坑”。

尽量避免：在SuperSpeed差分对的路径上应尽一切可能避免使用过孔。过孔会引入寄生电容和电感，是严重的阻抗不连续点。
必须使用时：如果实在无法避免，必须成对、对称地使用过孔，并在过孔旁放置“接地过孔”（Stitching Via），以确保信号回流路径的连续性。

USB 2.0 vs USB 3.0 布线关键差异

设计参数	USB 2.0	USB 3.0	特殊要求说明
差分对数量	1对 (D+/D-)	3对 (D+/D-, SSTX, SSRX)	新增两对独立的高速差分线
差分阻抗	90 Ω ± 15%	90 Ω ± 7%	容差要求更严格，控制更精确
对内长度匹配	< 50 mil (1.27mm)	< 5 mil (0.127mm)	要求极为严苛，是设计成败的关键
走线长度	建议 < 5米 (取决于线缆)	建议PCB走线 < 6英寸 (15厘米)	高频衰减严重，PCB走线必须尽可能短
PCB层数建议	2层板尚可	强烈建议4层或以上	需要专门的地平面和电源层
过孔使用	尽量减少	极力避免，必须优化	过孔对5Gbps信号的影响远大于480Mbps

简而言之，USB 3.0的布局布线不再是简单的“把线连上”，而是需要运用射频和微波领域的信号完整性知识。每一个转角、每一个过孔、每一毫米的长度差异，都可能成为影响最终性能的决定性因素。

结束语

成功的USB PCB布线，并非依赖于某种神秘的直觉，而是建立在对信号完整性、阻抗控制和电磁兼容性深刻理解之上的严谨工程实践。从守护核心的差分对开始，为其提供完整的参考平面，保证电源的纯净，并构筑起牢固的防护壁垒，每一个环节都至关重要。遵循这些最佳实践，您的设计将不再“随缘”，每一次的连接都将是稳定与高效的保证。

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