3. USB电气特性：差分信号（D+/D-）、电源管理（VBUS、GND）、信号电平标准
好，咱们今天聊聊USB的电气特性。说实话，很多刚入行的朋友觉得协议栈、枚举流程才是重点，电气特性嘛，差不多知道就行。但我得说，这个想法很危险。我见过太多板子调不通，最后查出来是D+、D-走线没等长，或者VBUS纹波太大。嗯，咱们从最基础的开始讲。
3.1 差分信号：D+ 和 D- 的默契配合
USB用两根线传数据，D+和D-。为什么不用一根？因为单端信号抗干扰能力差。你想想看，芯片内部噪声大，外部环境更复杂，一根线传数据，电压稍微抖一下，逻辑就错了。
差分信号就不一样。D+和D-走的是互补信号——D+高，D-就低；D+低，D-就高。接收端看的是两者的差值，不是绝对值。外部噪声同时耦合到两根线上，一减就抵消了。说白了，这就是共模抑制。
关键点：差分信号的核心优势是抗共模干扰。在PCB布局时，D+和D-必须等长、紧耦合走线，否则共模噪声无法抵消。
我在项目中遇到过一件事。有个同事画的板子，D+和D-长度差了快2厘米，结果USB 2.0高速模式死活枚举不上。后来一查，信号歪歪扭扭，眼图都闭了。所以啊，等长走线不是玄学，是硬道理。
3.2 电源管理：VBUS 和 GND 的供电逻辑
USB的供电很简单，VBUS提供5V，GND是地。但简单不代表可以随便搞。
VBUS的电压范围是4.75V到5.25V，这是USB 2.0规范定的。电流呢？低功耗设备最多100mA，高功耗设备可以到500mA。USB 3.0以后能到900mA，但咱们先聚焦2.0。
这里有个坑。我曾经调试一个USB摄像头，插上电脑没反应。量VBUS电压，只有4.3V。怎么回事？线缆太长，压降太大。USB线缆的电阻不能太大，否则远端设备供电不足。规范要求线缆压降不超过125mV，你算算看，如果线缆电阻0.5Ω，500mA电流就是250mV压降，超标了。
避坑指南：我曾经因为VBUS滤波电容放得太远，导致设备热插拔时电压跌落，系统复位。记住，VBUS的10μF去耦电容必须紧挨着USB连接器。
GND的处理也很关键。数字地和模拟地要分开，最后单点接地。否则，大电流回路上产生的噪声会耦合到信号线上。嗯，这个在高速USB设计中尤其重要。
3.3 信号电平标准：低速、全速、高速的区别
USB 2.0有三种速度模式：低速（1.5 Mbps）、全速（12 Mbps）、高速（480 Mbps）。它们的电平标准不一样。
| 速度模式 | 数据速率 | 驱动电压 | 接收阈值 | 上升时间 |
|---|---|---|---|---|
| 低速 | 1.5 Mbps | 3.3V | 0.8V ~ 2.0V | 75 ~ 300 ns |
| 全速 | 12 Mbps | 3.3V | 0.8V ~ 2.0V | 4 ~ 20 ns |
| 高速 | 480 Mbps | 400mV（差分） | 100mV ~ 150mV | 500 ps 以内 |
看到没？低速和全速的驱动电压都是3.3V，但高速只有400mV差分电压。为什么高速用这么低的电压？因为电压摆幅小，信号翻转快，功耗也低。但代价是噪声容限小，对PCB设计要求更高。
我刚开始做高速USB时，总觉得400mV太低了，会不会被噪声淹没？后来发现，只要差分走线做得好，共模噪声被抑制，剩下的信号很干净。反倒是3.3V的全速信号，因为摆幅大，容易产生EMI问题。
3.4 信号状态与总线状态
USB总线有几种状态，靠D+和D-的电平组合来区分。
- J状态：低速模式下D+低、D-高；全速/高速模式下D+高、D-低
- K状态：与J状态相反
- SE0（单端0）：D+和D-都拉低，表示复位或断开
- Idle（空闲）：全速/低速时，D+或D-被上拉电阻拉到高电平
这里有个细节。全速设备在D+线上接1.5kΩ上拉电阻，低速设备在D-线上接。主机检测到上拉信号，就知道设备连接了，并且能区分速度。高速设备呢？它先以全速模式连接，然后通过握手协议切换到高速。
个人经验：我建议你在设计USB设备时，上拉电阻不要用芯片内部集成的，而是用外部1.5kΩ电阻。为什么？因为调试时可以手动控制上拉，方便测试总线状态。
3.5 实际设计中的注意事项
讲完理论，咱们聊聊实战。USB电气设计有几个要点，我踩过的坑都列出来。
- 阻抗匹配：D+和D-的差分阻抗必须是90Ω ± 15%。PCB叠层设计时要算好线宽和间距。我一般用阻抗计算工具先仿真，再打样验证。
- ESD保护：USB连接器是外露的，静电放电很容易打进来。必须在D+、D-、VBUS上加ESD保护二极管。注意，保护二极管的结电容要小于5pF，否则会衰减高速信号。
- 去耦电容：VBUS上放10μF电解电容和0.1μF陶瓷电容，分别滤除低频和高频噪声。电容要靠近连接器，走线要短。
- 共模扼流圈：如果设备要通过EMI认证，建议在D+和D-上加共模扼流圈。但注意，扼流圈会引入共模电感，影响信号质量，要选宽频型号。
我记得有一次做USB Hub，EMI测试没过。查了半天，发现是D+、D-走线绕得太远，形成了环形天线。后来把走线改短，再加了共模扼流圈，问题就解决了。嗯，有时候问题就是这么简单，但你不去查，永远不知道。
3.6 总结一下
USB电气特性，说白了就是三件事：差分信号怎么走、电源怎么供、电平怎么判。你把这些搞清楚了，USB硬件设计就成功了一半。剩下的，就是协议和软件的事了。
下一章咱们聊USB协议层，从包结构到事务处理，一步步把USB的通信机制拆开来看。到时候你会发现，电气特性是基础，协议是骨架，两者缺一不可。