基于 TUSB8041 的 USB 3.0 HUB（原理圖、源碼）

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本設計是一款符合 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。本設計從原理，布線，采購，制造均有本人親自把關，用料考究，穩(wěn)定性強。本人尊崇開源的思想，希望通過這樣一個簡單的設計，拋磚引玉，讓國內(nèi)的愛好者們在分享中學習，在學習中交流。這僅僅是個開始，我會在接下來的業(yè)余生活中帶給大家更多更好的作品。

本設計經(jīng)過兩次迭代實物驗證，除廠商不對外開放的OTP功能外完全實現(xiàn)TUSB8041其余各項功能。其功能主要包括：

1. 實現(xiàn) USB 3.0 集線器功能，向下兼容 USB 2.0 鏈路；
2. 實現(xiàn)四個USB-A 母座 下行端口和一個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，設備電源將自動從上行 Vbus 端口供電切換至外部獨立供電；
5. 設備屬性可以通過外部 EEPROM 修改，提供默認配置二進制文件(*.bin);
6. 在默認配置下,上行端口連接時，四個下行端口支持 CDP,DCP 協(xié)議最高2A@5V快速充電模式；
7. 在默認配置下,上行端口未連接時，四個下行端口支持 ACP1/2,CDP,DCP 協(xié)議最高2A@5V快速充電模式；
8. 下行四個端口采用獨立限流開關控制，當任意一個下行端口輸出電流超過 2A 時，PC端將會收到下游端口過流通知并可手動復位；
9. 主芯片TUSB8041 pin-to-pin 兼容TUSB8041A，經(jīng)過驗證可以實現(xiàn) USB 3.1 Gen1 標準。

本設計使用 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)試測試電壓，電流，時鐘頻率等參數(shù)，并針對限流，過流，警告，快充等特性單獨測試。同時，粗略對比高速 SSD 移動硬盤在大文件傳輸過程中直接連接 PC 與經(jīng)過 HUB 連接 PC 時速度的變化，結果傳輸速度無明顯差別**。

設計中根據(jù) PCB 樣品生產(chǎn)材料規(guī)格，使用 Si9000 計算差分阻抗。在 Layout 過程中，使用差分對工具布線，進行等長處理，使用 Shield 工具保護差分線，以獲得最好的信號完整性。由于身邊沒有 TDR 和 VNA 等設備，無法進行詳細測試。

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

本設計核心器件全部使用進口器件。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，對獨立開發(fā)者非常友好。接插件方面，選擇引進較多的通用接插件。評估人員可以在要求高的場合使用進口接插件，在要求低的場合使用國產(chǎn)接插件，這樣有利于控制成本。在測試過程中，主要使用 TE，Molex，CUI 和富士康的接插件，這幾個生產(chǎn)商器件質(zhì)量較好，壽命高。對于電解電容，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。

本設計采用四層板材，頂層信號，中間層地和電源，底層低速信號。極大保證了電源和信號完整性。

本設計端口均有過流保護和靜電保護，保證設備安全。

在設計中，參考了若干半導體生廠商關于 USB 3.0 的 Reference design ，USB 協(xié)會的 USB 3 Spec 還有一些網(wǎng)上版權不明晰的設計。

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

Github文件地址

PCB 文件中，含有板層設計文件。請根據(jù)板層厚度，挑選加工廠商。如需調(diào)整，使用 Si9000 重新計算后，更改差分對規(guī)則，對差分對重新 Layout 。

四層板打樣，參考費用在200元/10片左右。

針對于高校學生，推薦在 TI.com 申請樣片，本設計中 TI 芯片均可申請樣片****。

本設計中包含相當多的冗余器件，請根據(jù)實際需求添加。

本設計只考慮到小量樣品測試，并未經(jīng)過產(chǎn)品化測試。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 。

本設計中存在的瑕疵與不足也歡迎批評指正。

*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；

***外殼文件同樣權利保留；

****最終解釋權歸 TI 公司所有。

在本人保留設計相關權利的同時，本設計所涉及軟件均為評估版本，軟件開發(fā)商保留所有權利，任何人不得將項目以任何形式商用。如需要二次開發(fā)，可以聯(lián)系本人重新設計。需要眾籌產(chǎn)品的也可以聯(lián)系本人