基于 TUSB8041 的高成本開源 USB 3.0 HUB

Dynamix 保留本作品所有權(quán)利.

ALL RIGHTS RESERVED by DYNAMIX.

本作品采用知識(shí)共享署名-非商業(yè)性使用-相同方式共享 4.0 國(guó)際許可協(xié)議進(jìn)行許可。

本設(shè)計(jì)是一款符合 USB 3.0 要求的，兼具有5V快速充電特性的一款超高速分線器。本設(shè)計(jì)從原理，布線，采購(gòu)，制造均有本人親自把關(guān)，用料考究，穩(wěn)定性強(qiáng)。本人尊崇開源的思想，希望通過這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，拋磚引玉，讓國(guó)內(nèi)的愛好者們?cè)诜窒碇袑W(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中交流。這僅僅是個(gè)開始，我會(huì)在接下來的業(yè)余生活中帶給大家更多更好的作品。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過兩次迭代實(shí)物驗(yàn)證，除廠商不對(duì)外開放的OTP功能外完全實(shí)現(xiàn)TUSB8041其余各項(xiàng)功能。其功能主要包括：

1. 實(shí)現(xiàn) USB 3.0 集線器功能，向下兼容 USB 2.0 鏈路；
2. 實(shí)現(xiàn)四個(gè)USB-A 母座 下行端口和一個(gè)USB-B 母座 上行端口以最高近似 5Gbps (SuperSpeed)  的速率傳輸數(shù)據(jù)；
3. 設(shè)備可以通過 5.5 外徑 2.5 內(nèi)徑 DC 電源接口供電，供電電壓為 9V~14V DC，所需適配器功率不低于 45W *；
4. 在外部電源接口插入后，設(shè)備電源將自動(dòng)從上行 Vbus 端口供電切換至外部獨(dú)立供電；
5. 設(shè)備屬性可以通過外部 EEPROM 修改，提供默認(rèn)配置二進(jìn)制文件(*.bin);
6. 在默認(rèn)配置下,上行端口連接時(shí)，四個(gè)下行端口支持 CDP,DCP 協(xié)議最高2A@5V快速充電模式；
7. 在默認(rèn)配置下,上行端口未連接時(shí)，四個(gè)下行端口支持 ACP1/2,CDP,DCP 協(xié)議最高2A@5V快速充電模式；
8. 下行四個(gè)端口采用獨(dú)立限流開關(guān)控制，當(dāng)任意一個(gè)下行端口輸出電流超過 2A 時(shí)，PC端將會(huì)收到下游端口過流通知并可手動(dòng)復(fù)位；
9. 主芯片TUSB8041 pin-to-pin 兼容TUSB8041A，經(jīng)過驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn) USB 3.1 Gen1 標(biāo)準(zhǔn)。

本設(shè)計(jì)使用 Altium Designer 繪制原理圖文件和 PCB 文件。PCB 經(jīng)過樣品生產(chǎn)后，手工焊接并調(diào)試。調(diào)試測(cè)試電壓，電流，時(shí)鐘頻率等參數(shù)，并針對(duì)限流，過流，警告，快充等特性單獨(dú)測(cè)試。同時(shí)，粗略對(duì)比高速 SSD 移動(dòng)硬盤在大文件傳輸過程中直接連接 PC 與經(jīng)過 HUB 連接 PC 時(shí)速度的變化，結(jié)果傳輸速度無明顯差別**。

設(shè)計(jì)中根據(jù) PCB 樣品生產(chǎn)材料規(guī)格，使用 Si9000 計(jì)算差分阻抗。在 Layout 過程中，使用差分對(duì)工具布線，進(jìn)行等長(zhǎng)處理，使用 Shield 工具保護(hù)差分線，以獲得最好的信號(hào)完整性。由于身邊沒有 TDR 和 VNA 等設(shè)備，無法進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試。

在 PCB 文檔中所有器件均含有 3D 外形，方便二次開發(fā)外殼。文件中附帶一個(gè)簡(jiǎn)易外殼文件***。

本設(shè)計(jì)核心器件全部使用進(jìn)口器件。主要芯片均選擇德州儀器公司產(chǎn)品。該公司器件資料齊全，對(duì)獨(dú)立開發(fā)者非常友好。接插件方面，選擇引進(jìn)較多的通用接插件。評(píng)估人員可以在要求高的場(chǎng)合使用進(jìn)口接插件，在要求低的場(chǎng)合使用國(guó)產(chǎn)接插件，這樣有利于控制成本。在測(cè)試過程中，主要使用 TE，Molex，CUI 和富士康的接插件，這幾個(gè)生產(chǎn)商器件質(zhì)量較好，壽命高。對(duì)于電解電容，采用高速數(shù)字電路中常用的松下POSCAP等高分子聚合物電容，提高整體電源質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)采用四層板材，頂層信號(hào)，中間層地和電源，底層低速信號(hào)。極大保證了電源和信號(hào)完整性。

本設(shè)計(jì)端口均有過流保護(hù)和靜電保護(hù)，保證設(shè)備安全。

在設(shè)計(jì)中，參考了若干半導(dǎo)體生廠商關(guān)于 USB 3.0 的 Reference design ，USB 協(xié)會(huì)的 USB 3 Spec 還有一些網(wǎng)上版權(quán)不明晰的設(shè)計(jì)。

在本文檔中，主要包括整個(gè) 1.2 版本 PCB project 文件。 其中，可以提取出 BOM，Gerber 等制造相關(guān)文件。后續(xù)所有文檔的更新和維護(hù)將會(huì)在 Github 中呈現(xiàn)。

Github文件地址

PCB 文件中，含有板層設(shè)計(jì)文件。請(qǐng)根據(jù)板層厚度，挑選加工廠商。如需調(diào)整，使用 Si9000 重新計(jì)算后，更改差分對(duì)規(guī)則，對(duì)差分對(duì)重新 Layout 。

四層板打樣，參考費(fèi)用在200元/10片左右。

針對(duì)于高校學(xué)生，推薦在 TI.com 申請(qǐng)樣片，本設(shè)計(jì)中 TI 芯片均可申請(qǐng)樣片****。

本設(shè)計(jì)中包含相當(dāng)多的冗余器件，請(qǐng)根據(jù)實(shí)際需求添加。

本設(shè)計(jì)只考慮到小量樣品測(cè)試，并未經(jīng)過產(chǎn)品化測(cè)試。其中存在很多可制造性問題亟待解決。

本說明中未盡事宜，請(qǐng)根據(jù)圖紙自行揣摩。如有疑惑歡迎在文后跟帖或者在 Github 中提問，也可以 Email 聯(lián)系我 miracle.jin.tong@gmail.com 或 15918107@hdu.edu.cn 。

本設(shè)計(jì)中存在的瑕疵與不足也歡迎批評(píng)指正。

*可以參考 TUSB8041 Datasheet 中寄存器定義，使用燒錄器調(diào)整所需功能。在關(guān)閉若干快充功能后可以降低適配器輸出電流要求；

**可能與硬盤本身速度限制有關(guān)；

***外殼文件同樣權(quán)利保留；

****最終解釋權(quán)歸 TI 公司所有。

在本人保留設(shè)計(jì)相關(guān)權(quán)利的同時(shí)，本設(shè)計(jì)所涉及軟件均為評(píng)估版本，軟件開發(fā)商保留所有權(quán)利，任何人不得將項(xiàng)目以任何形式商用。如需要二次開發(fā)，可以聯(lián)系本人重新設(shè)計(jì)。需要眾籌產(chǎn)品的也可以聯(lián)系本人