本文介紹了在PCB上正確布局USB差分數據線的關鍵原則和實踐。主要目標是實現USB 規范中規定的90歐姆阻抗匹配。且應考慮ESD 保護及完整的地平面。

1 USB速度等級及阻抗要求

USB的速度標準經歷了多次迭代，不同版本的USB接口速度差異很大。以下是常見USB標準的理論最大傳輸速度：

USB版本最大傳輸速度（理論值）常見名稱備注

對于USB 1.1、USB 2.0， 理論最大速度不超過480M，因此雖然也需要滿足基本的差分對走線約束以及90歐阻抗匹配的要求，但對Layout 的要求并不高，滿足通用約束基本都能使用。但對于USB 3.0 以上的版本，速率從480 Mbps 躍升到5 Gbps，其布局布線的要求要嚴苛得多，因為高速信號線對PCB 上的任何物理瑕疵都極為敏感。

2 通用USB布線約束

首先要記住核心原則：一切為了90 歐姆阻抗決定差分阻抗的主要物理參數有四個：

2.1 走線寬度：線越寬，阻抗越低。

2.2 走線間隙：兩條線間隙越近，耦合越強，差分阻抗越低。

2.3 介質厚度（PP）：走線距離其下方參考平面（通常是GND 層）的高度。距離越遠，阻抗越高。

2.4 介質常數（Er）：PCB 板材的特性。最常用的FR-4 材料，Er 值通常在4.2 到4.6 之間。

因此，要回答“走線多寬，間距多大？”，必須先確定您的PCB 層疊結構，然后使用阻抗計算工具（如Polar Si9000、Saturn PCB Toolkit、華秋DFM 或EDA 軟件自帶的計算器）來反向計算出合適的寬度和間隙。

3   常見場景下的參考值

盡管沒有固定值，但在業界最常見的4 層板、FR-4板材、標準疊層設計中，確實有一些被廣泛使用的“經驗值”或“起始值”。您可以將這些值作為您設計的起點，然后根據您的實際板廠參數進行微調。

以下是一些典型場景的參考值（目標：90 Ω 差分阻抗）：

場景一：最常見的4 層板（信號- 地- 電源- 信號）

層疊：頂層（信號）到第二層（地）的介質厚度通常在6-8 mil（0.15-0.20 mm）之間。

銅厚：0.5 oz（17.5 um）或1 oz（35 um）。

常見組合1：

線寬：5 mil（約0.127 mm）

間距：7 mil（約0.178 mm）

常見組合2：

線寬：6 mil（約0.152 mm）

間距：6 mil（約0.152 mm）

場景二：介質層較厚的情況

如果信號層到參考地層的距離較厚， 比如10-12 mil，為了維持90 Ω 阻抗，走線需要做得更寬。

可能組合：

線寬（Width）：7 mil（約0.178 mm）

間距（Spacing）：6 mil（約0.152 mm）

4   最佳實踐與建議

以上只是理論計算，實際操作時，最重要的步驟是與板廠溝通，向板廠索要他們推薦的層疊結構，這樣才能獲取各層厚度、介質嘗試等信息，用于阻抗的精確計算。

這里推薦一個省事兒的方法，使用華秋DFM里的阻抗計算工具。由于華秋本來也是板廠，所以DFM工具里可以直接獲取到他們家常用的層疊信息，不用再費力地與廠家電話溝通或者去網站上搬運參數。具體使用步驟如下：

1.打開華秋DFM的阻抗計算工具：

2.設置層數、板厚、內外層銅箔厚度，然后選擇玻璃布的型號。這一步很重要，玻璃布的型號決定了很多計算阻抗的關鍵參數。

以下是常用的玻璃布型號。

玻璃布型號標稱原始厚度壓合后厚度典型Dk@1GHz一句話記憶：

在DFM中算阻抗最大的優點在于這些層疊結構和實際制造PCB時選用的層疊完全一致，不存在溝通上的問題。同時，選取型號后，參數會自動展示在阻抗計算器中，無需手動填寫：

3.輸入目標阻抗90歐，假設走線間距設為7 mil，點擊“反算”，即可得出差分對的走線寬度：

結果會自動填充到上方的阻抗列表，方便進行再次驗證：

5   地平面的要求

無論是微帶線還是帶狀線，都要求USB差分對有完整（不能夸平面）的參考平面，以提供最短的回流路徑。尤其是USB 3.0以上的版本，這點至關重要。

KiCad中進行USB設計

在原理圖設計時，必須使用_P/_N或+/- 后綴定義差分對信號：

由于USB接口是暴露在系統外的，且經常拔插。因此強烈建議增加ESD保護芯片，防止因為靜電等意外情況擊穿相對較貴的主芯片（如主控CPU、USB控制器、電源管理IC等）。任何與外界直接相連的接口，都必須考慮靜電放電（ESD）和電磁干擾（EMI）的防護。在靠近USB連接器的數據線和電源線上，應合理布局ESD保護器件（如TVS 二極管）和共模電感（Common Mode Choke）。ESD器件能夠瞬間鉗位有害的靜電電壓，保護后級電路；而共模電感則能有效抑制差分線上的共模噪聲，進一步提升信號的抗干擾能力。這些防護器件的布局原則是盡可能靠近連接器，在有害能量進入主板深處之前就將其吸收或濾除。

在做PCB Layout時，需要注意以下幾點：

1.如果差分對在頂層或底層（微帶線），下方必須有完整的參考地平面，不允許出現信號跨越平面的情況。

2.使用自定義的DRC 規則，限制差分對的線寬、間距以及最大非耦合長度。

我們還可以使用通配符或正則表達式定義一個差分對的網絡類：

然后使用“自定義規則”為DP的差分對網絡類定義特殊的規則。比如下圖定義了差分對間隙為

6   USB 3.0的額外要求

對于USB 3.0，需要將這些原則執行得更加極致，并關注以下幾個特殊且關鍵的要求：

1.嚴格的阻抗控制：不止是D+/D-

USB 3.0 引入了全新的SuperSpeed差分對：一對用于發送（SSTX+/SSTX-），一對用于接收（SSRX+/SSRX-）。這兩對線路與原有的USB 2.0 的D+/D- 線路是獨立的。

目標阻抗：所有SuperSpeed差分對（SSTX和SSRX）都必須嚴格控制90 Ω±7% 的差分阻抗。相比USB 2.0 的90 Ω±15%，這個容差要求嚴格了1倍。這意味著您需要通過PCB疊層設計和阻抗計算工具，精確確定走線的寬度、間距和參考平面距離。

D+/D-線路：同時，板上的D+/D-線路仍需保持90歐姆的差分阻抗，以兼容USB 2.0模式。

2.極致的差分對內等長控制

在5 Gbps的速率下，信號傳播時間的微小差異都會導致數據采樣錯誤。

對內等長：SSTX+與SSTX-之間的長度差異，以及SSRX+與SSRX-之間的長度差異，必須控制在極小的范圍內。業界通常建議不超過5mil（0.127毫米）。

這通常需要通過在較短的走線上添加蛇形線來進行精確補償。

請注意，SSTX 差分對與SSRX 差分對之間不需要做等長匹配。

3.明確的隔離與間距要求

高速信號非常容易受到外部噪聲的干擾，也容易對外產生干擾。

遠離噪聲源：SuperSpeed 差分對應遠離晶振、時鐘線、開關電源（SMPS）以及其他周期性信號線路。一個常用的經驗法則是“3 W 原則”，即高速線與其他信號線的間距應至少是線寬的三倍。

差分對間距：為防止串擾，SSTX 與SSRX 差分對之間，以及它們與D+/D- 差分對之間，都應保持足夠的距離，建議至少保持20 mil（0.5 毫米）以上的間距。

4.完整的參考平面與最短的回流路徑

這是所有高速設計的基礎，但在USB 3.0 中尤為重要。

連續的參考平面：SuperSpeed差分對的走線下方必須是完整且連續的地平面（GND Plane）。絕對不允許跨越地平面分割區域。信號的回流路徑會沿著走線正下方的地平面返回源端，任何中斷都會極大破壞阻抗連續性，形成天線效應。

多層板是標配：強烈建議使用至少四層板（信號層- 地層- 電源層- 信號層）。這樣可以為高速信號提供一個理想的、低阻抗的參考平面。

5.最小化并優化過孔（Via）的使用

過孔是高速信號路徑上的“天坑”。

盡量避免：在SuperSpeed 差分對的路徑上應盡一切可能避免使用過孔。過孔會引入寄生電容和電感，是嚴重的阻抗不連續點。

必須使用時：如果實在無法避免，必須成對、對稱地使用過孔，并在過孔旁放置“接地過孔”（Stitching Via），以確保信號回流路徑的連續性。

USB 2.0 vs USB 3.0布線關鍵差異

簡而言之，USB 3.0的布局布線不再是簡單的“把線連上”，而是需要運用射頻和微波領域的信號完整性知識。每一個轉角、每一個過孔、每一毫米的長度差異，都可能成為影響最終性能的決定性因素。

7   結束語

成功的USB PCB 布線，并非依賴于某種神秘的直覺，而是建立在對信號完整性、阻抗控制和電磁兼容性深刻理解之上的嚴謹工程實踐。從守護核心的差分對開始，為其提供完整的參考平面，保證電源的純凈，并構筑起牢固的防護壁壘，每一個環節都至關重要。遵循這些最佳實踐，您的設計將不再“隨緣”，每一次的連接都將是穩定與高效的保證。

（本文來源于《EEPW》202510）