Forum: Platinen USB 3.0 Impedanz-Wahl


von Simon T. (narfinus)


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Hiho,

aktuell designe ich ein kleines 4fach SATA 2,5-Zoll zu USB-Board und 
habe Probleme die geforderten Impedanzen einzuhalten. Die Anwendung wird 
später zum Großteil nur mit USB 2.0 laufen aber da die Chips es 
unterstützen würde ich gerne auch die Superspeed-Leitungen routen.

Eckdaten:
- Privatprojekt, 3-5 Platten max.
- 100x100mm pool-PCB (wahrscheinlich von AllPCB)
- 4 Layer PCB, High Speed routing auf Top layer
- Referenz-Plane (GND) auf Layer 2
- Dicke Dielektrium: 0,17mm
- Dielektrizitätskonstante: 4,3
- Maximale Leitungslänge von SATA-USB-Bridge zu USB-Hub: ~60mm
- Minimale Leiterbahnbreite/Abstände 0,15mm

Ziel sind 90 Ohm differentiell, 45 Ohm Single Ended sowohl für USB als 
auch SSRX und SSTX Leitungen. Die Berechnung habe ich mittels Saturn PCB 
Toolkit durchgeführt.

Das Ergebnis:
- Leiterbahnbreite: 0,28mm
- Leiterbahnabstand: 0,35mm
Mit diesen Werten erreiche ich 88 Ohm differenziell und 47 Ohm 
Single-Ended.
Problem: Das wird alles sehr groß, insbesondere die notwendige 
Signaltrennung zwischen den Leiterpaaren (5-With-Rule) bekomme ich so 
nur schwer hin da die Chips Pinabstände von 0,5 und 0,4mm haben.

Alternative:
- Leiterbahnbreite: 0,2mm
- Leiterbahnabstand: 0,15mm
Ergebnis: 89 Ohm differentiell, 57 Ohm single Ended.
Mit dieser Konfiguration könnte ich sauber routen und bräuchte keinen 
Breiten-Wechsel an den Pads.

Nun die Gretchenfrage:
Wie wichtig sind die 45Ohm Single Ended? Meine Leitungen sind schon 
recht lang (60mm max.) aber theoretisch sollte die Impedanz 
längenunabhängig sein.
Dazu kommt das PCBs im Pool natürlich nicht impedanzkontrolliert sind, 
d.h. ich muss mit recht hohen Fertigungstoleranzen rechnen.

Simon

PS:
Bitte um kurze Bestätigung: Wenn ich vom USB-Hub zum USB/SATA-Bridge 
route gilt:
SSTX Hub -> SSRX Bridge, mit Koppelkondensatoren
SSRX Hub -> SSTX Bridge ohne Koppelkondensatoren

von Karsten B. (kastenhq2010)


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Simon T. schrieb:
> - 100x100mm pool-PCB (wahrscheinlich von AllPCB)

Kennst du den genauen Lagenaufbau von AllPCB, um deine Impedanzen 
berechnen zu können?

von Simon T. (narfinus)


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Karsten B. schrieb:
> Kennst du den genauen Lagenaufbau von AllPCB, um deine Impedanzen
> berechnen zu können?

https://www.allpcb.com/sns/talk-something-about-multilayer-pcb_26181.html

Erstes Bild. Dünnere Gesamt-PCB hat keinen Einfluss da nur das mittlere 
Dielektrikum schrumpft. Ich würde mich einfach mal daran halten und 
hoffen das sie es auch tun ;)

von Karsten B. (kastenhq2010)


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Ah, danke. Das Epsilon r der Kerne würde ich mal mit einem Fragezeichen 
versehen, ansonsten könnten die wirklich so fertigen :)

von Mw E. (Firma: fritzler-avr.de) (fritzler)


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Wie hasten das beim SATA gemacht?
Das ist doch auch nicht grade Anspruchslos.

Ansonsten wird das eben groß, hier maln USB3 Hub Bild aus der Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/USB_3.0#/media/File:VIA_Labs_VL811_USB_3.0_4-Port_Hub_-_Board_Angle_(6119774674).jpg

Gibts ansonsten zu deinem IC keine Appnote wo das beschrieben wird oder 
direkt im DB?

von Simon T. (narfinus)


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Mw E. schrieb:
> Wie hasten das beim SATA gemacht?
> Das ist doch auch nicht grade Anspruchslos.

Der SATA/USB-Bridge sitzt direkt neben dem SATA-Stecker. Dort habe ich 
mehr Platz und 100 Ohm differentiell / 50 Ohm Single Ended benötigen nur 
0,22mm Breite und 0,38mm Abstand (siehe Bild, Längen noch nicht 
angepasst).



Der USB-Hub ist ein TUSB8042, das Bridge-IC ein TUSB9261. In beiden 
Datenblättern finden sich die generellen Hinweise für HighSpeed-Routing 
und die geforderten Impedanzen von USB und SATA.

Des Weiteren gibt es auch für jeden Chip ein Evaluationsboard. An deren 
Schaltplänen habe ich mich orientiert. Das SATA/USB-Evalboard 
(TUSB9261-Demo-Board) habe ich hier. Die Leiterbahnbreiten (und 
Abstände) scheinen 0,1mm oder weniger zu sein. Natürlich habe keine 
Angaben zum Lagenaufbau.

Simon

von Martin W. (martin_s86)


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Simon T. schrieb:
> Nun die Gretchenfrage:
> Wie wichtig sind die 45Ohm Single Ended? Meine Leitungen sind schon
> recht lang (60mm max.) aber theoretisch sollte die Impedanz
> längenunabhängig sein.
> Dazu kommt das PCBs im Pool natürlich nicht impedanzkontrolliert sind,
> d.h. ich muss mit recht hohen Fertigungstoleranzen rechnen.

Deine Impedanzen sind i.O. Solche Abweichungen führen nicht zu einer 
Fehlfunktion.

Aber: Impedanzkontrolle wie ich sie aus meiner beruflichen Tätigkeit 
kenne, also nicht von diesem Hersteller:

Bei der Impedanzkontrolle, schaut sich jemand dein Stackup an und ändert 
(!) diesen so ab, dass mit den herstellerspezifischen sowie 
designspezifischen (Verpressung..) Parametern deine Soll-Impedanzen 
bestmöglich eingehalten werden. Trotzdem (!) hast du da eine Toleranz 
von z.B. 10 %.

Da du keine Kontrolle hast, ist eigentlich deine Aufgabe 
herauszubekommen wie der vorgesehene Stack des Herstellers aussieht 
(wenn möglich) und damit nochmal zu rechnen.

Auf die Toleranzen musst du in diesem Fall mal... Wenn du keine Infos 
vom Hersteller bekommst.. Ehrlich.. Mach es so wie dues ausgerechnet 
hast. Es wird gehen. Wenn nicht.. Es ist nicht die Impedanz.

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