一、项目简介
基于VL812的USB3.0Hub,一路USB3.0输入,4路USB3.0输出,单电源5V供电,内部集成5V转3.3V,5V转1.2V电路。自带固件,焊接完成即可使用。使用TYPE-B输入接口,焊接走线方便,实测最大速度为461MB/s。
二、芯片介绍-VL812
超高速USB集线器控制器
支持超高速、高速、全速、低速四种模式
四个下行端口,一个上行端口
集成电压调节器,能够从5V输入产生所有所需的芯片电源
支持双状态指示灯
全面的USB电池充电支持
图1-结构框图
三、电路解析
图2-原理图
1. 主控芯片电路
对VL812芯片符号进行编辑,区分出电源引脚、Hub功能引脚、特殊功能引脚三个部分,部分上下拉电阻以及LX引脚的LC滤波在芯片数据手册中并没有提及,需要参考官方芯片设计案例进行设计。
图3-主控芯片电路
2. 接口指示灯电路
根据数据手册说明,当有设备插入时,对应插入引脚输出高电平,对应加入指示灯和限流电阻,作为插入指示。为了增加显示效果,此处指示灯使用RGB3三色渐变,内部自带RC,无需外部控制。
图4-接口指示灯电路
3. 复位&输入检测电路
VL812是低电平复位,这里使用10K电阻搭配100nf电容进行上电复位,满足时序要求。使用4.7K与10K组成分压电路,将5V电压分压为3.4V左右,注意不能直接将5V输入到引脚,可能会损坏芯片。
图5-复位&输入检测电路
4. 晶振电路
使用25M无源晶振为主控芯片提供稳定的时钟信号,匹配电容需要依据购买晶振的负载电容进行选择,也可以考虑使用有源晶振进一步提升稳定性。
图6-晶振电路
5. 限流保护电路
考虑到部分用户使用笔记本进行使用,笔记本3.0接口一般输出电流在1A左右,这里使用SY6280限流保护芯片将输入电流现在在1A,防止出现烧笔记本接口的情况,但如果是四个USB输出接口都接USB3.0的话,可能会出现供电不足的情况,这时需要考虑实际电脑情况更好限流设置电阻R16,以获得更大的电流。EN引脚直接输入即可,高电平正常工作,此处0欧电阻为测试电阻。
图7 限流保护电路
6. 输入接口电路
USB3.0协议与2.0协议是不一样的,USB3.0接口多出一组差分数据输入信号,常用的TYPE-C与TYPE-B接口在匹配这两种协议上对接口做了一定的改变。其中,TYPE-C接口只有24Pin才有差分数据线,不能简单的通过颜色来区分,大家在购买时一定要注意!!!
图8 USB2.0-TYPE-C接口
图9 USB3.0-TYPE-C接口
TYPE-B接口在2.0协议与3.0协议上的改变非常明显,一般不会买错,同时焊接和走线相对也更加方便。本设计使用USB3.0TYPEB接口。
图10 USB2.0-TYPE-B接口
图11 USB3.0-TYPE-B接口
在输入接口电路中,将对应引脚进行引出,为了更好的抗干扰效果,一般在USB3.0的发送差分数据线中串联100nf电容进行滤波,同时,防止静电损坏芯片和插入设备,在输入部分加入TVS管进行保护。
图12 输入接口电路
7. 输出接口
使用TYPE-A母座进行拓展输出,需要注意的是,TYPE-A接口同样有USB2.0协议与USB3.0协议之分,大家在进行器件选型时需要注意,最好根据对应的器件手册进行判断,TYPE-A母座2.0接口一般是4个引脚,3.0接口一般是9个引脚
图13 USB2.0-TYPE-A接口
图14 USB3.0-TYPE-A接口
按需求选择好对应的器件后,同样加上滤波电容和TVS管进行保护,芯片具有四路输出,可以先绘制一路,后续复 制其余三路即可。
图15 USB3.0输出接口电路
四、PCB绘制
1. PCB布局
USB接口应该靠近板边或结构定位放置,方便插拔;
TVS管要靠近USB接口,建议电源线出来就进入TVS管,起到保护作用;
在布局时,要考虑芯片与接口的距离,不能离得太远,缩短差分线距离;
图16 PCB布局图
2. PCB走线
USB信号要走差分线,阻抗控制为90欧姆,并做包地出来,高速差分线长度最好不要超过1800mil;
在走线时,优先考虑高速差分信号线,尽可能不要换层,在换层时,加入回流地过孔;
差分对长度误差尽可能小,建议在5mil以内
图17 顶层走线图
图18 底层走线图
3.设计优化
对孤岛铜皮进行禁止删除;
适当进行包地;
增加提升丝印,丝印大小建议在40mil以上;
在合适区域加入JLCJLCJLCJLC丝印指定客编位置,成品美观;
五、注意事项
阻抗计算可以在嘉立创官网找到阻抗计算小工具进行计算;
电源走线需要考虑实际电流大小,本项目限制1A,后续如果增大电流,需要加大电源走线;
焊接时建议先使用风枪或加热台焊接主控芯片,焊接完成后使用万用表检查是否虚焊或短路;
六、视频讲解
3.0Hub设计概述 | https://www.bilibili.com/video/BV1nj411v7Lu/ |
VL812芯片电路设计 | https://www.bilibili.com/video/BV1j8411r7Ld |
VL812外设电路设计 | https://www.bilibili.com/video/BV18H4y197cR |
PCB布局与规则设计技巧 | https://www.bilibili.com/video/BV1Ah4y1i7iJ |
PCB走线技巧 | https://www.bilibili.com/video/BV18h4y1i7gu |
PCB优化与免费下单技巧 | https://www.bilibili.com/video/BV1Zc411o7zb |
七、实物演示与测试
复刻、画图注意事项: