基于 TUSB8041 的高成本开源 USB 3.0 HUB-电路方案

Dynamix 保留本作品所有权利. ALL RIGHTS RESERVED by DYNAMIX. 本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。 本设计是一款符合 USB 3.0 要求的，兼具有5V快速充电特性的一款超高速分线器。本设计从原理，布线，采购，制造均有本人亲自把关，用料考究，稳定性强。本人尊崇开源的思想，希望通过这样一个简单的设计，抛砖引玉，让国内的爱好者们在分享中学习，在学习中交流。这仅仅是个开始，我会在接下来的业余生活中带给大家更多更好的作品。 本设计经过两次迭代实物验证，除厂商不对外开放的OTP功能外完全实现TUSB8041其余各项功能。其功能主要包括: 实现 USB 3.0 集线器功能，向下兼容 USB 2.0 链路； 实现四个USB-A 母座 下行端口和一个USB-B 母座 上行端口以最高近似 5Gbps(SuperSpeed)的速率传输数据； 设备可以通过 5.5 外径 2.5 内径 DC 电源接口供电，供电电压为 9V~14V DC，所需适配器功率不低于 45W *； 在外部电源接口插入后，设备电源将自动从上行 Vbus 端口供电切换至外部独立供电； 设备属性可以通过外部 EEPROM 修改，提供默认配置二进制文件(*.bin); 在默认配置下,上行端口连接时，四个下行端口支持 CDP,DCP 协议最高2A@5V快速充电模式； 在默认配置下,上行端口未连接时，四个下行端口支持 ACP1/2,CDP,DCP 协议最高2A@5V快速充电模式； 下行四个端口采用独立限流开关控制，当任意一个下行端口输出电流超过 2A 时，PC端将会收到下游端口过流通知并可手动复位； 主芯片TUSB8041 pin-to-pin 兼容TUSB8041A，经过验证可以实现 USB 3.1 Gen1 标准。 本设计使用 Altium Designer 绘制原理图文件和 PCB 文件。PCB 经过样品生产后，手工焊接并调试。调试测试电压，电流，时钟频率等参数，并针对限流，过流，警告，快充等特性单独测试。同时，粗略对比高速 SSD 移动硬盘在大文件传输过程中直接连接 PC 与经过 HUB 连接 PC 时速度的变化，结果传输速度无明显差别**。 设计中根据 PCB 样品生产材料规格，使用 Si9000 计算差分阻抗。在 Layout 过程中，使用差分对工具布线，进行等长处理，使用 Shield 工具保护差分线，以获得最好的信号完整性。由于身边没有 TDR 和 VNA 等设备，无法进行详细测试。 在 PCB 文档中所有器件均含有 3D 外形，方便二次开发外壳。文件中附带一个简易外壳文件***。 本设计核心器件全部使用进口器件。主要芯片均选择德州仪器公司产品。该公司器件资料齐全，对独立开发者非常友好。接插件方面，选择引进较多的通用接插件。评估人员可以在要求高的场合使用进口接插件，在要求低的场合使用国产接插件，这样有利于控制成本。在测试过程中，主要使用 TE，Molex，CUI 和富士康的接插件，这几个生产商器件质量较好，寿命高。对于电解电容，采用高速数字电路中常用的松下POSCAP等高分子聚合物电容，提高整体电源质量。 本设计采用四层板材，顶层信号，中间层地和电源，底层低速信号。极大保证了电源和信号完整性。 本设计端口均有过流保护和静电保护，保证设备安全。 在设计中，参考了若干半导体生厂商关于 USB 3.0 的 Reference design ，USB 协会的 USB 3 Spec 还有一些网上版权不明晰的设计。 在本文档中，主要包括整个 1.2 版本 PCB project 文件。 其中，可以提取出 BOM，Gerber 等制造相关文件。后续所有文档的更新和维护将会在 Github 中呈现。 Github文件地址 PCB 文件中，含有板层设计文件。请根据板层厚度，挑选加工厂商。如需调整，使用 Si9000 重新计算后，更改差分对规则，对差分对重新 Layout 。 四层板打样，参考费用在200元/10片左右。 针对于高校学生，推荐在 TI.com 申请样片，本设计中 TI 芯片均可申请样片****。 本设计中包含相当多的冗余器件，请根据实际需求添加。 本设计只考虑到小量样品测试，并未经过产品化测试。其中存在很多可制造性问题亟待解决。 本说明中未尽事宜，请根据图纸自行揣摩。如有疑惑欢迎在文后跟帖或者在 Github 中提问，也可以 Email 联系我 miracle.jin.tong@gmail.com 或 15918107@hdu.edu.cn 。 本设计中存在的瑕疵与不足也欢迎批评指正。 *可以参考 TUSB8041 Datasheet 中寄存器定义，使用烧录器调整所需功能。在关闭若干快充功能