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    基于 TUSB8041 的高成本开源 USB 3.0 HUB

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    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:

    1. 实现 USB 3.0 集线器功能,向下兼容 USB 2.0 链路;
    2. 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;
    3. 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 *;
    4. 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;
    5. 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);
    6. 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[email protected]快速充电模式;
    7. 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[email protected]快速充电模式;
    8. 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;
    9. 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?;げ罘窒?,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?;ず途驳绫;?,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 [email protected][email protected] 。

    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后可以降低适配器输出电流要求;

    **可能与硬盘本身速度限制有关;

    ***外壳文件同样权利保留;

    ****最终解释权归 TI 公司所有。


    在本人保留设计相关权利的同时,本设计所涉及软件均为评估版本,软件开发商保留所有权利,任何人不得将项目以任何形式商用。如需要二次开发,可以联系本人重新设计。需要众筹产品的也可以联系本人

    电路项目的主要芯片及数据手册

    电路相关文件

    电路图文件
    V1.2.zip
    描述:PCB project
    源代码
    所有端口自动快充.bin
    描述:EEPROM Binary file
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    (版权归邓扬所有)

    版权声明:电路城所有电路均源于网友上传或网上搜集,供学习和研究使用,其版权归原作者所有,对可以提供充分证据的侵权信息,本站将在确认后24小时内删除。对本电路进行投诉建议,点击投诉本电路反馈给电路城。

    使用说明:直接使用附件资料或需要对资料PCB板进行打样的买家,请先核对资料的完整性,如果出现问题,电路城不承担任何经济损失!

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    发布于 2019 年 02 月 28日
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