參考資料：USB2.0通信原理及電路設計
一、USB2.0物理特性
1.1、USB接口
USB連接器包含4條線，其中VBUS、GND用於提供5V電源，電流可達500mA；而D+、D-用於USB數據傳輸。
D+、D-是一組差分信號，差分阻抗為90歐，具有極強的抗干擾性；若遭受外界強烈干擾，兩條線路對應的電平會同時出現大幅度提升或降低的情況，但二者的電平改變方向和幅度幾乎相同，所以兩者之間的電壓差值可始終保持相對穩定。
擴展：USB OTG(即USB On-The-Go)技術在完全兼容USB2.0標准的基礎上，增添了電源管理(節省功耗)功能，它允許設備既可作為主機，也可作為外設操作，實現了在沒有主機的情況下，設備與設備之間的數據傳輸。例如數碼相機直接連接到打印機上，通過OTG技術，連接兩台設備間的USB口，將拍出的相片立即打印出來。
USB OTG接口中有5條線：
2條用來傳送數據D+ 、D-;
2條是電源線VBUS、GND;
1條是ID線，用於識別不同的電纜端點，mini-A插頭(即A外設)中的ID引腳接地，mini-B插頭(即B外設)中的ID引腳浮空。當OTG設備檢測到接地的ID引腳時，表示默認的是A設備(主機)，而檢測到ID引腳浮空的設備則認為是B設備(外設)。
1.2、反向不歸零編碼(NRZI)
反向不歸零編碼(Non Return Zero Inverted Code)的編碼方式非常簡單，即用信號電平的翻轉代表“0”，信號電平保持代表“1”。這種編碼方式既可以保證數據傳輸的完整性，還不需要傳輸過程中包含獨立的時鍾信號，從而可以減少信號線的數量。
但是當數據流中出現長“1”電平時，就會造成數據流長時間無法翻轉，從而導致接收器丟失同步信號，使得讀取的時序發生嚴重的錯誤；所以在反向不歸零編碼中需要執行位填充的工作，當數據流中出現連續6個“1”電平就要進行強制翻轉(即自動添加一位“0”電平)，這樣接收器在反向不歸零編碼中最多每七位就會出現一次數據翻轉，從而保證了接收器的時鍾同步，同時接收器端會扔掉自動填充的“0”電平，保證了數據的正確性(即使連續6個“1”電平后為“0”電平,NRZI仍然會填充一位“0”電平);
USB的數據包就是采用反向不歸零編碼方式，所以在總線中不需要時鍾信號。
1.3、檢測低速/全速設備的原理
USB2.0支持三種類型的傳輸速率：1.5Mbps(低速)、12Mbps(全速)、480Mbps(高速);其采用在D+或D-信號線上增加上拉電阻的方式來識別低速和全速設備，如圖1；
圖1 低速/全速設備電路連接方式
當主控制器或集線器的下行端口上沒有USB設備連接時，其D+、D-信號線上的下拉電阻使得這兩條數據線的電壓都是0V；當有低速設備連接時，由於其D-信號線上接有1.5K的上拉電阻，所以主機將檢測到D-信號線處於高電平狀態；當有全速設備連接時，由於其D+信號線上接有1.5K的上拉電阻，所以主機將檢測到D+信號線處於高電平狀態；所以主機可以識別到設備的連接及傳輸速率類型，而針對全速設備與高速設備的區別是通過后續的握手來識別，具體可閱讀USB2.0速度識別；
二、USB2.0電路設計及防護
2.1、電路濾波設計要點
USB接口的電路濾波設計如圖2所示；
L1為濾波磁珠，用於濾除電源上的干擾，磁珠阻抗選擇范圍為100Ω/100MHz~1000Ω/100MHz，典型值取600Ω/100MHz，磁珠在選取時通流量應符合電路電流的要求；
L2為共模濾波電感，用於濾除差分信號上的共模干擾，磁珠阻抗選擇范圍為60Ω/100MHz~120Ω/100MHz，典型值取90Ω/100MHz；
C1、C2為電源濾波電容，用於濾除電源上的干擾。C1、C2兩個電容在取值上要相差100倍，典型值為10uF+0.1uF；小電容用於濾除電源上的高頻干擾，大電容用於濾除電源線上的紋波干擾；
C3為接口地和數字地之間的跨接電容，典型值為1000pF/2KV，容值也可根據實際測試情況進行調整；
圖2 USB接口電路設計
2.2、電路防護設計要點
USB接口的電路防護設計如圖2所示；
D1、D2、D3能快速泄放靜電干擾，防止在熱插拔過程中產生的大量干擾能量對電路進行沖擊，導致內部電路工作異常。D1、D2、D3選用TVS管，反向關斷電壓為5V，結電容小於5pF;
三、USB2.0 PCB Layout規則
1、D+、D-以差分方式布線，並通過連續的參考平面層，保證阻抗的一致性，信號線的差分阻抗Z=90Ω±15%；
2、常規USB接口規定電流為500mA，但是VBUS走線需能承受1A的電流(采用1盎司銅箔的情況下線寬為20mil)，以防止過流事件發生；
3、D+、D-的走線必須等長，長度誤差不超過5mil；並且不能走直角，需要用鈍角或者圓弧走線，同時盡量不換層布線，保證阻抗的連續性；
4、USB信號同其他CLK或者差分信號走線間隔應>20mil；
5、ESD保護器件和共模電感應該盡可能地靠近接口；
6、避免在晶振、晶體、時鍾信號發生器、功率電感、安裝孔、磁性器件或IC的下方或附近進行USB數據信號線布線；