USB OTG 电气特性：电压电平与驱动能力

做 USB 设计，首先得搞清楚一件事：信号不是凭空传的，是实实在在的电压在线上跳来跳去。我见过不少新手，上来就调协议，结果连 D+ / D- 的电平都不对，折腾好几天。嗯，咱们先从最基础的电压讲起。

2.1 电压电平三要素

USB 2.0 的物理层，差分信号 D+ / D- 有明确的直流电平要求。OTG 设备因为要切换角色（主机 / 外设），有些参数需要更严格的控制。

• VBUS：主机侧必须输出 4.75 V ~ 5.25 V；外设侧承受 4.4 V ~ 5.5 V。OTG 作为主机时，VBUS 还要能提供至少 8 mA（用于 SRP 检测），真正驱动外设时电流更大。
• D+ / D- 静态电平：空闲时，主机要在 D+ 和 D- 上各拉一个 15 kΩ 下拉电阻到地，所以静态电压接近 0 V。外设则在 D+（全速）或 D-（低速）上拉 1.5 kΩ 到 3.3 V，所以空闲时 D+ 或 D- 约 3.0 V。
• 差分摆幅：发送数据时，差分电压 (V_OP - V_OM) 必须在 1.5 V ~ 2.0 V 之间。高电平驱动器的输出阻抗匹配不好，摆幅就容易超标。
• 共模电压：差分信号的两个单端电压平均值，必须落在 1.5 V ~ 2.5 V 之间。我曾经碰到一块板子，共模电压飘到 2.8 V，结果在 2 米线缆上眼图全闭了。

2.2 驱动能力，决定信号质量的硬指标

电压电平对了，信号不一定好。驱动能力是更“软”但更关键的参数。说白了，就是发送器能把信号推得多猛，接收器能忍受多大的反射。

• 驱动电流：USB 2.0 规范要求差分驱动器在 45 Ω 负载上提供至少 20 mA 的电流（对应 0.9 V 单端电压）。OTG 主机因为可能驱动较长线缆和多个设备，实际设计中会留 30% ~ 50% 裕量。
• 输出阻抗：驱动器的输出阻抗必须控制在 28 Ω ~ 44 Ω（单端）。阻抗太低会产生欠冲，太高则过冲。我在量产项目中遇到个别芯片批次输出阻抗偏到 20 Ω，结果眼图边沿振铃严重，差点延交。
• 转换速率（Slew Rate）：上升/下降时间必须在 4 ns ~ 20 ns（全速模式）。太快会产生高频分量增加 EMI，太慢则建立时间不够。我个人习惯控制在 8 ns ~ 12 ns，波形最干净。
• 双角色匹配：OTG 设备要在主机和外设之间切换，驱动器的输出阻抗和转换速率必须保持一致。我曾经在方案选型时发现某芯片主机模式输出阻抗 40 Ω，外设模式却降到 28 Ω，导致同一根线缆在不同角色下眼图差异很大，必须靠外部串联电阻补偿。

2.3 主机 vs 外设：哪里不一样？

OTG 设备最特殊的地方就是它既是主机也是外设。你想想看，同一个硬件，角色一变，电气要求也跟着变。我列一个实用的对照表，方便你查。

2.4 驱动能力不够，会出什么问题？

驱动能力不足，直接后果就是信号质量下降。常见的症状有：

• 上升沿变缓——转换速率太慢，差分信号过零延迟增加，建立时间不够，眼图水平区域变窄。
• 过冲 / 欠冲——输出阻抗与线缆特性阻抗不匹配，反射严重。明明跟的是 90 Ω 差分 PCB，结果驱动器只给了 70 Ω，反射回来波形就毛了。
• 共模偏移——驱动电流不对称，导致 D+ 和 D- 的摆幅不一致，共模电压飘出范围。我在一个 4 端口 USB Hub 项目上遇到过，近端端口正常，远端端口共模跑到了 2.8 V，排查了两天才发现是电源去耦不足造成的。