USB 2.0의 Basic 및 설계

1. 개요

   가. 모든 USB 사양은 USB-IF에서 정의 된다.

   나. USB 2.0은 USB 1.1의 확장 버전이다.

   다. USB 2.0은 3가지 전송 속도를 가진다.

      ① LS : Low Speed = 1.5Mbps

      ② FS : Full Speed = 12Mbps

      ③ HS : High Speed = 480Mbps

   라. USB 2.0의 Connectors

2. USB-IF의 정책

   가. USB 2.0 호환성 테스트는 강제 규격이 아니다.

   나. USB 2.0 호환성 테스트를 할 경우의 혜택은 USB2.0 로고를 사용할 수 있다는 것과 Integrator들의
        리스트에 올릴 수 있다는 것이다.

   다. USB 2.0 로고의 종류

 

3. USB의 구조

   가. 차동(differential) 신호로 구성되어 있다.

   나. Cable은 내부의 전원, GND, D+, D- 선과 외부의 shield로 구성된다.

   다. Cable의 최대 길이는 5M 이다.

   라. Host와 Device간에 최대 5단계의 허브가 놓일 수 있다.

   마. Down Stream (Host -> Device)과 Up Stream (Host <- Device)의 전송이 있다.

	LS	FS	HS
Signal Rate	1.5Mbps	12Mbps	480Mbps
Signal Level	3.3V	3.3V	400mV
Rise and Fall Times	75ns < Tr < 300ns	4ns < Tr < 20ns	500ps < Tr

4. USB 설계 시 고려사항

   가. Trace와 Driver의 impedance

      ① Trace

        - Ztrace_HS =  90Ω, +/- 15%

        - Ztermination_HS = 80~100Ω differential

        - Zthruhole_HS = 70~110Ω differential
      ② Driver

- Zdrv_HS = 40.5~49.5Ω

        - Zdrv_notHS = 28~44Ω

 

   나. 노이즈 없는 신호를 만들기 위한 decoupling

      ①Bulk capacitance

        - C = I / (dv/dt)

        - Ipeak = 3A, Vnom = 3.3V, 10% tolerance, 10us delta time의 경우라면

           C= 90.9uF (약 100uF)

      ② Filter capacitance

        - 보통 0.01uF, 0.1uF에서 1uF까지의 ceramic capacitor가 사용됨

      ③ Capacitor의 종류

        - NPO (lowest ESR), X7R, X5R, Y5V

 

   다. Eye pattern 측정

      ① Eye pattern의 RT/FT를 측정하여 500ps 이상이 되어야 한다.

        - RT의 초입 부분에서 knee가 발생할 경우 이 부분도 RT의 timing에 포함되므로 디버깅이 필요하다.

 

    라. Inrush Current

      ① Inrush Current는 USB사 삽입된 후부터 최소 100ms동안 측정한다.

      ② 최소 100ms를 측정하는 동안에 100mA이상의 전류가 발생하는 구간이 있으면 이는 inrush current
          event가 발생한 것으로 간주된다.

      ③ Inrush current는 100mA가 넘는 순간이 최소 100us이상이 되는 구간을 측정하게 되며 이 구간에서
          최고의 charge량을 가지고 pass/fail을 판단한다. (보통 waiver로 문의해봐야 하며 waiver는
          아래 5번 항목에서 다룬다.

      ② Eye pattern을 제대로 측정하기 위해선 oscilloscope와 probe의 bandwidth는 최소 2.5GHz는
          되어야 한다.

 

5. Waivers

   가. USB의 spec을 벗어나는 부분은 측정 오차일수도 있으며 non-critical 부분일수도 있다.
        (non-critical = No End User Impact)

   나. Waiver는 USB-IF에서 관리하는 부분인데 제품 개발 중 spec out인 부분에 대해서 문의하면
        USB-IF가 판단하여 항상 승인되는 waiver인지 혹은 제품 사용환경에 따라 승인될수도 있는
        waiver인지 판단하여 spec을 벗어나는 부분도 감안하여 인증을 해주는 시스템이다.

   다. Waiver의 세세한 값들은 USB-IF에서 공개하지 않는다.

 

6. 기타

   가. USB 3.0은 1가지의 전송속도가 있다. (Superspeed = 5Gbps)

   나. Download USB 3.0 : http://www.usb.org/developers/docs/
   다. USB-IF Compliance Program : http://www.usb.org/developers/compliance/