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这种开源项目越多越好,USB3.0 HUB保姆级教程

10月前浏览1948

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:


来源:射频工程师的日常
电源电路芯片焊接控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-12-20
最近编辑:10月前
EE小新
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