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本章介绍USB插头、插座和电缆的机械和电气规范,包括外形尺寸、材料、电气特性以及其它一些特殊要求,此规范规定了USB设备(包括主机)互连的最低要求,其它可替代材料在满足此最低要求的情况下是充许使用的。 6.1 综述 USB物理拓朴结构由多级USB HUB和以及设备组成,USB1.1的传输速度有两种,一种是全速传输,全速传输要求的电缆是屏闭电缆,内部含有两要电源线(+5V和GND)、两条相互绞合的信号线(双交线),全速度传输的速度是1.5 Mb/s;另一种是低速度传输,低速传输对电缆的要求比较宽松,电缆不用屏闭,信号线不需要双交。 USB支持热拨插,其插头上的USB Logo用以方便识别方向。 6.2 USB连接器(插头、插座)规范 USB1.1规定的插头、插座有两种系列,一种是A系列,另一种是B系列,如下图所示。一般A型插头是在设备上(或由USB电缆引出来),A型插座在主机或USB HUB上。而B型插头一般是由主机或HUB通过电缆引出,B型插座一般在设备上。
![]() 6.3 USB电缆 USB电缆里有四条导线,两根电源线和两根信号线。 全速电缆线的两条信号线是互相绞合在一起的,另外两条线是电源线,Vbus和GND,四条导线外层包裹一屏闭层。全速电缆既可以用于连接高速设备,也可以连接低速设备,在连接低速设备时,必须符合低速电缆的规范。 低速电缆的信号信不需要互相绞合,外层也不需要包裹屏闭层。 6.4 电缆结构形式 本协议描绘了三种电缆的结构,它们分析是:可分离式电缆,这种电缆两端都是标准的插头,这种电缆在市场上很容易买到。第二种是全速不可分离式电缆,这种电缆一头是标准插头,而另一头是用非标准的连接方式连接设备。第三种是低速不可分离式电缆,也是一头是标准插头,另一头用非标准连接方式连接设备。(百合电子工作室注:不可分离式电缆一旦丢失电缆,就不好找到替代的,通常只有设备厂商才生产,所以不难理解为什么是不可分离的) 电缆颜色由厂商自行决定,不可这里建议使用白、灰、黑三种颜色。 6.4.1 可分离式电缆 全速电缆可以使用B型连接头,因此可以使设备配备可分离式电缆,这样就可以不必使用那种一端直接焊接在设备上的电缆了,有此设备可以使用这种一端直接焊接到设备的线,比如鼠标和键盘就使用,但有些设备使用可分离式电缆更方便,比如移动硬盘,MP3等。 使用B型连接器的设备必须考虑最长电缆长度是多少,可分离式电缆可能只能用于全速电缆上,因为可分离式电缆的最大长度可能超过低速电缆的最大长度。 图6-2是可分离式电缆的结构图 ![]() 可分离式电缆必须符合以下电气要求: 可分离式电缆的插头必须一头是A型插头,另一头是B型插头 必须是全速电缆 阻抗要求必须符合全速电缆的阻抗要求,详情请参考7.1.1 电缆最大长度由差分信号对的信号衰减特性决定 ,详情请参考7.1.17 电缆的最大长度还取决于信号延时情况,由于USB传输采用的是利用时间同步的串行通信技术,超过限制将产生信号反射进而影响信号传输,详情请参考7.1.14 两条信号线间的传输延迟必须最小,详情请参考7.1.3 GND是主机(或HUB)和设备的公共地,如果电缆过长,在GND电源线上会产生压降,所以电缆长度也要考虑这一因素,详情请参考7.2.2 与GND同样的道理,Vbus上也会产生压降,所以电缆长度也得考虑Vbus上产生的压降6.4.2 全速不可分离式电缆 全速不可分离式电缆既可用于全速设备,也可用于低速设备。其结构考虑到了适应厂商自定义的连接要求,要让全速不可分离式电缆用于低速设备,必须符合低速设备的要求(怎么都是废话啊^_^)。 图6-3 是全速不可分离式电缆结构图 ![]() 全速不可分离式电缆必须符合以下电气要求: 全速不可分离式电缆其中一端必须是A型插头,另一端由生产厂商自己决定其型式。 必须是全速电缆 阻抗要求必须符合全速电缆的阻抗要求,详情请参考7.1.1 电缆最大长度由差分信号对的信号衰减特性决定 ,详情请参考7.1.17 电缆的最大长度还取决于信号延时情况,由于USB传输采用的是利用时间同步的串行通信技术,超过限制将产生信号反射进而影响信号传输,详情请参考7.1.14 两条信号线间的传输延迟必须最小,详情请参考7.1.3 GND是主机(或HUB)和设备的公共地,如果电缆过长,在GND电源线上会产生压降,所以电缆长度也要考虑这一因素,详情请参考7.2.2 与GND同样的道理,Vbus上也会产生压降,所以电缆长度也得考虑Vbus上产生的压降6.4.3 低速不可分离式电缆 低速电缆只能用于低速设备。 图6-4是低速可分离式电缆的结构图 ![]() 低速不可分离式电缆必须符合以下电气要求: 低速不可分离式电缆其中一端必须是A型插头,另一端由生产厂商自己决定其型式。 低速驱动器经过一段电缆后,其容性对驱动器影响较大,其电容量不仅产生于D+ 和 D-线之间,还包括整个电缆产生的,所以电缆长度必须考虑到相应的电容量变化范围,如果最终的电容量太小,可以在设备里加电容一弥补,详情请参考7.1.1.2 电缆的最大长度必须要考虑信号的衰减情况,低速电缆的最大长度明显比全速电缆短,详情请参考7.1.1.2 两条信号线间的传输延迟必须最小,详情请参考7.1.3 GND是主机(或HUB)和设备的公共地,如果电缆过长,在GND电源线上会产生压降,所以电缆长度也要考虑这一因素,详情请参考7.2.2 与GND同样的道理,Vbus上也会产生压降,所以电缆长度也得考虑Vbus上产生的压降6.4.4 不合法的电缆型式 USB设计的初衷是易于使用,目标是插上就可以使用。根据协议,只有几种情况决定USB设备不能工作,这几种情况都可以系统软件识别,它们分别是:供电不足、带宽不够、超出拓朴深度。 不被推荐的电缆型式在某些状态下可能可以正常工作,但不保证在任何情形下都可正常工作,以下是三种不被推荐的电缆型式: 电缆延长线 这种电缆一般一端是A型插头另一端是A型插座,或一端是B型插头另一端是B型插座,这种线通常用来作延长线用,但使用这种线很有可能超出电缆最大长度要求 电缆型式违反USB拓朴结构规则 这种线一般两头是A型插头(座)或B型插头(座),这种线两头都可能连接下行HUB或下行设备,当然两个HUB或两个设备相互直接连接是不能工作的。 注意: 使用这种电缆不能阻止用一个USB设备将两个USB总线连接起来 低速可分离电缆 可分离式电缆必须是全速的,低速设备禁止使用可分离式电缆,由于全速电缆的长度比低速电缆的长度长,所以超出了其寄生电容容量6.5 连接器机械结构和材料 USB图标是用来标明USB插头和插座的,图6-5是USB图标的结构: ![]() 6.5.1 USB图标旋转位置 USB图标应位于插头正面的一块区域内,呈浮雕状,这样做的好处是可以方便用户插入插头的时候容易分辨方向。厂商图标和USB图标最好不要放在一起,USB图标是必须有的,不管是在A型还是B型插头上都必须要有,在插座上也要有USB图标,在插座上的位置应该在容易看到的地方。图6-6演示了USB图标典型的放置位置。
![]() 6.5.2 USB插头电气信号定义 表6-1是A型和B型插头的电气数据信号定义: 表6-1 电气信号 导线颜色 1 VBus 红 2 D- 白 3 D+ 绿 4 GND 黑 外壳 屏闭层 - 6.5.3 A型和B型USB插座 A型和B型USB插座电气和机械特性如图6-7和图6-8所示,另外还可以参考本章后面的的USB插座PCB封装图(图6-12、6-13和6-14)。
![]() 图 6-7. USB A 型插座示意图
![]() 6.5.3.2 插座外壳材料 同样,太专业,放原文 Substrate Material: 0.30 + 0.05 mm phosphor bronze, nickel silver or other copper based high strength materials. Plating: 1. Underplate: Optional. Minimum 1.00 micrometers (40 microinches) Nickel. In addition, manufacturer may use a copper underplate beneath the nickel. 2. Outside: Minimum 2.5 micrometers (100 microinches) Bright Tin or Bright Tin-Lead. 6.5.3.3 插座触点材料 放原文 Substrate Material: 0.30 + 0.05 mm minimum half-hard phosphor bronze or other the high strength copper based material. Plating: Contacts are to be selectively plated. A. Option I 1. Underplate: Minimum 1.25 micrometers (50 microinches) Nickel. Copper over base material is optional. 2. Mating Area: Minimum 0.05 micrometers (2 microinches) Gold over a minimum of 0.70 micrometers (28 microinches) Palladium. 3. Solder Tails: Minimum 3.8 micrometers (150 microinches) Bright Tin-Lead over the underplate. B. Option II 1. Underplate: Minimum 1.25 micrometers (50 microinches) Nickel. Copper over base material is optional. 2. Mating Area: Minimum 0.05 micrometers (2 microinches) Gold over a minimum of 0.75 micrometers (30 microinches) Palladium-Nickel. 3. Solder Tails: Minimum 3.8 micrometers (150 microinches) Bright Tin-Lead over the underplate. C. Option III 1. Underplate: Minimum 1.25 micrometers (50 microinches) Nickel. Copper over base material is optional. 2. Mating Area: Minimum 0.75 micrometers (30 microinches) Gold. 3. Solder Tails: Minimum 3.8 micrometers (150 microinches) Bright Tin-Lead over the underplate. 6.5.4 A型和B型插头 如图6-9和6-10是A型和B型插座尺寸示意图:
![]() ![]() 6.5.4.1 插头注塑成型热塑性绝缘材料 Minimum UL 94-V0 rated, thirty percent (30%) glass-filled olybutylene terephthalate (PBT) or polyethylene terephthalate (PET) or better. Typical Colors: Black, Gray and Natural. Flammability Characteristics: UL 94-V0 rated. Flame Retardant Package must meet or exceed the requirements for UL, CSA and VDE. Oxygen Index (LOI): 21%. ASTM D 2863. 6.5.4.2 插头外壳材料 Substrate Material: 0.30 + 0.05 mm phosphor bronze, nickel silver or other suitable material. Plating: A. Underplate: Optional. Minimum 1.00 micrometers (40 microinches) nickel. In addition, manufacturer may use a copper underplate beneath the nickel.
B. Outside: Minimum 2.5 micrometers (100 microinches) bright tin or bright tin-lead. 6.5.4.3 插头(母)触点材料 Substrate Material. 0.30 + 0.05 mm half-hard phosphor bronze. Plating. Contacts are to be selectively plated. A. Option I 1. Underplate: Minimum 1.25 micrometers (50 microinches) nickel. Copper over base material is optional. 2. Mating Area: Minimum 0.05 micrometers (2 microinches) gold over a minimum of 0.70 micrometers (28 microinches) palladium. 3. Solder Tails: Minimum 3.8 micrometers (150 microinches) bright tin-lead over the underplate. B. Option II 1. Underplate: Minimum 1.25 micrometers (50 microinches) nickel. Copper over base material is optional. 2. Mating Area: Minimum 0.05 micrometers (2 microinches) gold over a minimum of 0.75 micrometers (30 microinches) palladium-nickel. 3. Wire Crimp/Solder Tails: Minimum 3.8 micrometers (150 microinches) bright tin-lead over the underplate. C. Option III 1. Underplate: Minimum 1.25 micrometers (50 microinches) nickel. Copper over base material is optional. 2. Mating Area: Minimum 0.75 micrometers (30 microinches) gold. 3. Solder Tails: Minimum 3.8 micrometers (150 microinches) bright tin-lead over the underplate. 6.6 USB电缆机械特性和材料要求 全速和低速电缆对导电层和屏闭层的要求都不一样,低速电缆可以不要屏闭层,并且信号线也不需要绞全在一起,图6-11是全速电缆结构示意图。
![]() 6.6.1 详细描述 全速电缆的D+和D-信号线是绞合在一起的双交线,规格为28 AWG。电源Vbug和GND不需要绞合,规格为28到20 AWG,内层包裹一层由铝多层化聚酯膜组成的屏闭层,外层包裹一层≥65%的镀锡铜丝网组成的外屏闭层,内层和外层屏闭层之间有一根28 AWG的镀锡铜线,最外层是一层PVC材质的外壳。 低速电缆无需屏闭层,且信号线也不用绞合。 6.6.2 组成 用于制作电缆的原材料所生产出的电缆必须满足或超过USB标准所规定的机械和电气特性要求,另外还得符合其它国标上规定的安全标准,如UL, CSA, BSA, NEC等。 表6-2 电源线对(Vbus和GND)要求 ![]()
非绞合电源线对: A. 电线规格:最小28 AWG或由用户指定的超过标准长度的电缆,详见表6-2。 B. 绝缘材料:半硬质聚氯乙烯(PVC)。 1. 额定绝缘壁厚:0.25毫米(0.010)。 2. Vbus的典型绝缘体颜色:红 3. GND的典型绝缘体颜色:黑 信号线对: 线规:28 AWG,参考表6-3 ![]()
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