В.С. Кухарук, В.А. Ухин

В статье рассматривается пример расчета первичных и вторичных параметров дифференциальной пары высокоскоростного интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite, разработанной компанией ЭРЕМЕКС.

При проектировании высокоскоростных интерфейсов на печатной плате важно рассчитывать параметры линий передачи с высокой точностью. Одним из таких интерфейсов является USB 3.1, у которого скорость передачи данных достигает 10 Гбит/с. На таких скоростях несогласованность импеданса может критически повлиять на целостность сигнала, что приведет к некорректной работе всего устройства.

В статье подробно рассматривается процесс вычисления параметров линии передачи с контролируемым дифференциальным волновым сопротивлением для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite. Расчет ослабления сигнала и перекрестных помех, применительно к USB 3.1, будет рассмотрен в следующих статьях.

Но вначале немного о самом интерфейсе

Интерфейс USB 3.1 — это развитие универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus), предложенное как обновление к USB 3.0. Он представляет собой второе поколение спецификации USB 3.x и был представлен USB-IF (USB Implementers Forum) в 2013 году. Давайте рассмотрим его:

Ниже представлены основные особенности интерфейса USB 3.1.

Сравнение USB 3.1 c предыдущими версиями (Таблица 1).

Версия USB	Максимальная скорость	Кодирование	Напряжение/ мощность	Коннекторы
USB 2.0	480 Мбит/с (High Speed)	NRZI	5 В / 2.5 Вт	Type-A, Type-B
USB 3.0	5 Гбит/с (SuperSpeed)	8b/10b	5 В / до 4.5 Вт	Type-A, Type-B
USB 3.1 Gen 1	5 Гбит/с	8b/10b	5 В / до 15 Вт	Type-A, Type-B, Type-C
USB 3.1 Gen 2	10 Гбит/с	128b/132b	До 100 Вт (с PD)	Часто Type-C

Увеличенная пропускная способность

USB 3.1 Gen 2 (официальное название) удваивает пропускную способность по сравнению с USB 3.0 (5 Гбит/с → 10 Гбит/с).
Это стало возможным благодаря улучшенной кодировке данных:
— USB 3.0 использует 8b/10b кодирование (20% накладных расходов)
— USB 3.1 перешёл на 128b/132b кодирование (всего ≈3% накладных расходов).

2. Обратная совместимость

USB 3.1 работает с предыдущими поколениями (USB 3.0 и USB 2.0), но при этом автоматически снижает скорость до поддерживаемой уровнем интерфейса устройства.

3. Поддержка Power Delivery (PD)

При использовании с USB Type-C возможна передача энергии до 100 Вт (20 В при 5 А) — достаточной для зарядки ноутбуков, мониторов и даже некоторых рабочих станций.

4. Новый коннектор — USB Type-C (не обязателен, но часто используется)

Поддерживает реверсивное подключение (неважно, какой стороной вставлен разъём).
Может объединять питание, данные, видео (через альтернативные режимы, например DisplayPort или HDMI).

Если говорить о практической ценности, то можно выделить несколько основных моментов:

Быстрая передача больших объемов данных: идеально для внешних SSD и 4K-видео.
Возможность использования одного кабеля для питания, передачи данных и вывода видео (через USB-C).
Улучшенное качество сигналов и защита от помех.

С точки зрения топологии

Интерфейс USB 3.1 использует две дифференциальные пары (TX и RX), по которым передаются данные со скоростью до 10 Гбит/с. Основные требования и рекомендации на трассировку и компоновку данного интерфейса изложены ниже [1, 2, 3]:

Импеданс дифференциальной пары. Волновое сопротивление должно составлять 90 Ом (85 Ом). Допускается отклонение в пределах 10%.
Трассировка и количество переходных отверстий. Не допускается в трассировке наличие прямых углов. Количество переходных отверстий минимальное: на одну линию не более двух.
Перекрестные помехи. Для минимизации помех расстояние от любых сигналов до проводника дифф. пары должно составлять не менее 5W, где W - ширина проводника дифф. пары. В случае плотной трассировки и невозможности обеспечения указанного выше значения, применять моделирование. Минимизировать расстояние между сигнальным и опорным слоем. Избегать размещения трасс под источниками помех (кристаллы, DC-DC, PLL).
Длина проводников в паре. Разница в длине проводников не должна превышать 0,127 мм. Обеспечить равномерную ширину и зазор по всей длине дифференциальной пары.
Возвратный путь сигнала. Следует избегать разрывов в опорном слое под дифференциальной парой.
Размещение конденсаторов. Конденсаторы на сигнальных линиях следует располагать как можно ближе к разъему USB.
Устанавливать TVS-диоды или ESD-защиту ближе к USB-разъему.
Ферриты или индуктивности. Данные типы компонентов не должны стоять в сигнальных линиях Super Speed (TX/RX).

Как правило, для данного интерфейса USB 3.1 на печатной плате реализуются дифференциальные микрополосковые или дифференциальные полосковые линии передачи. Возможны также варианты и с копланарными структурами.

В данной статье рассматривается микрополосковая дифференциальная линия передачи.

Параметры линий передачи, в том числе и геометрические, во многом зависят от применяемых материалов в структуре печатной платы. Выбор материала зависит от многих факторов, а именно: типа платы, условий эксплуатации, применяемых компонентов, способа монтажа, максимальной частоты сигналов, значения волнового сопротивления, типов переходных отверстий, максимального тока в устройстве и допустимой толщины платы и т.д.

Для высокоскоростных интерфейсов следует использовать специальные материалы из категории High Speed. Как правило, они имеет низкую диэлектрическую проницаемость, малый тангенс угла диэлектрических потерь и стабильность свойств в широком диапазоне частот. Такие материалы предлагает компания ООО “РЕЗОНИТ”.

Дифференциальная пара размещается на внешнем слое. Пусть между сигнальным слоем и опорным располагается препрег. Такой вариант структуры многослойной печатной платы относится к типовым. Параметры препрега взяты с сайта компании ООО “РЕЗОНИТ” и представлены на рисунке 1.

Рис.1. Список рекомендуемых препрегов FR4 категории High Speed от “РЕЗОНИТ”

Данные препреги выполнены на основе материала TU-872 компании TUC [4].

В разрабатываемой конструкции применим два препрега 2x0,076 с диэлектрической проницаемостью Er (Dk)=3,5. Данная комбинация проста в изготовлении и довольно часто используется на практике. При необходимости, в зависимости от решаемой задачи и возможностей производства количество и тип препрегов могут отличаться от представленного выше.

В САПР SimPCB Lite задаются следующие входные параметры, приведенные в таблице 2.

Таблица 2. Список входных параметров, которые необходимо задать в САПР SimPCB Lite

Параметр	Значение	Комментарий
Объект расчета	Линия передачи
Тип объекта	Дифф. пара
Тип расчета	Без потерь
Модель	ДММ-2Н	Дифференциальная микрополосковая ЛП с маской
H1 и H2	0,076	Толщина диэлектрика (мм)
Er1 и Er2	3,5	Диэлектрическая проницаемость
W1	0,17	Ширина проводника (мм), значение по умолчанию
W2	0,15	Ширина проводника, после подтрава (мм), значение по умолчанию. Подтрав зависит от технологических особенностей производства. Данный параметр лучше уточнять у технологических служб конкретного производства.
S1	0,2	Зазор между проводниками (мм), значение по умолчанию
T1	0,045	Толщина проводника (мм). Значение складывается из базовой толщины меди + осаждение меди. Данный параметр лучше уточнять у технологических служб конкретного производства.
С1	0,025	Толщина маски (мм)
СEr	3,5	Диэлектрическая проницаемость маски

Также необходимо изменить режим расчета на вариант Сохранить новый расчет. В этом случае после нажатия на кнопку Рассчитать расчет будет сохраняться в панеле Проекты.

При данных, указанных в таблице 1, дифференциальное волновое сопротивление составит Zdiff = 108,11 Ом. Кроме волнового сопротивления программа рассчитывает задержку, емкость, индуктивность, скорость распространения сигнала и эффективную диэлектрическую проницаемость (рис. 2).

Рис. 2. Расчет дифференциального волнового сопротивления Zdiff = 108,11 Ом

Полученный результат не удовлетворяет требованиям данного интерфейса, так как импеданс значительно превышает 90 Ом.

Параметры материалов, геометрические и электрофизические, являются константами в нашем примере, поэтому влиять на волновое сопротивление возможно только через S1 и W1, W2. Изменим S1, а именно, пусть зазор между проводниками составляет 0,15 мм, тогда Zdiff = 101, 22 Ом. Значение сопротивления стало ближе к необходимому, но все же не удовлетворяет требованию (Рис. 3).

Рис. 3. Расчет дифференциального волнового сопротивления Zdiff = 101,22 Ом

Далее вычислим в SimPCB Lite ширину проводника дифференциальной пары под волновое сопротивление 90 Ом. Для этого следует переключить радиокнопку на параметр W1. В поле Zdiff ввести 90 Ом и нажать кнопку Рассчитать. В итоге ширина проводника получается 0,23 мм.

Таким образом, при ширине проводника 0,23 мм и зазоре между проводниками 0,15 мм волновое сопротивление для данной конструкции составит Zdiff = 89,97 Ом. Если отсутствуют какие-либо дополнительные ограничения, то требования по импедансу можно считать выполненными (90 Ом ±10%) (рис. 4).

Рис. 4. Расчет дифференциального волнового сопротивления Zdiff = 89,97 Ом

Однако, для быстродействующих интерфейсов рекомендуется дополнительно проводить частотный анализ, так как результаты могут отличаться. С помощью него можно оценить более точно зависимость волнового сопротивления от частоты и вычислить множество дополнительных величин, влияющих на качество сигнала. САПР SimPCB Lite позволяет провести такой анализ. Для его выполнения в программе следует изменить тип расчета на Частотный анализ и ввести данные в Дополнительные параметры. В рассмотренном примере иметь следующие значения (рис. 5).

Электропроводность (TC) меди 58E+06.
Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 0,009 зависит от материала TU-872 на максимальной частоте = 0,009.
Fc (частота) меняется от 100 МГц до 11 ГГц с шагом 100 МГц.

Рис. 5. Значения в дополнительных параметрах

Результат расчета представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Частотный анализ, результат расчета

Видно, что волновое сопротивление уменьшается с увеличением частоты. Так для 100 МГц оно составляет 92,2466 Ом, а для 10 ГГц примерно 90 Ом. Такое поведение обусловлено учетом двух дополнительных первичных параметров (активное сопротивление и проводимость диэлектрика), а также влиянием частоты на значение индуктивности. Полученный интервал дифференциального волнового сопротивления линий передачи (90 Ом - 92,24 Ом) в широком диапазоне частот (100 МГц - 10 ГГц) также полностью удовлетворяет требованиям к высокоскоростному интерфейсу USB 3.1.

При проектировании линий передачи для определения их геометрических параметров и электрофизических свойств под конкретное значение волнового сопротивления в значительном количестве случаев достаточно использовать только расчет без учета потерь. Для получения более детальной информации о линии необходимо выполнять частотный анализ. С помощью него специалист получит значения всех четырех первичных параметров (емкость, индуктивность, активное сопротивление, проводимость диэлектрика) и точное значение импеданса на конкретной частоте.

Список литературы

Universal Serial Bus 3.1 Specification, 2013
High-Speed Interface Layout Guidelines. Texas Instruments. 2023
AN222944. EZ-USB HX3PD Hardware Design Guidelines and Checklist. Infineon Technologies.
Сайт компании Резонит. Материалы для производства печатных плат. URL https://www.rezonit.ru/directory/v-pomoshch-konstruktoru/materialy-dlya-proizvodstva-pechatnykh-plat/materialy-high-speed/#TU872_SLK/. (Дата обращения 15.05.2025 ).
Сайт компании TUC. URL https://www.tuc.com.tw/en-us/products-detail/id/2 (Дата обращения 15.05.2025 ).

Расчет волнового сопротивления на печатной плате для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite