TUSB8043A：高性能四端口USB 3.2 x1 Gen1集線器的深度解析

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，電子設(shè)備對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸和多設(shè)備連接的需求日益增長(zhǎng)。TUSB8043A作為一款四端口USB 3.2 x1 Gen1（5Gbps）集線器，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為了電子工程師設(shè)計(jì)中的熱門選擇。今天，我們就來(lái)深入探討一下TUSB8043A的各項(xiàng)特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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特性剖析

端口與速度支持

TUSB8043A提供了四端口USB 3.2 x1 Gen1（5Gbps）連接，同時(shí)具備USB 2.0集線器特性。它在上行端口可實(shí)現(xiàn)同步超快速和高速/全速USB連接，下行端口則支持超快速、高速、全速或低速USB連接。不過(guò)，當(dāng)上行端口連接到僅支持高速或全速/低速連接的環(huán)境時(shí)，下行端口的超快速USB連接會(huì)被禁用；若上行端口僅支持全速/低速連接，下行端口的超快速和高速連接都將被禁用。

電池充電支持

這是TUSB8043A的一大亮點(diǎn)。它支持多種電池充電模式，包括電池充電下行端口（CDP）、專用充電端口（DCP）、分頻器充電端口（ACPx）模式以及Galaxy充電。在未連接上行端口時(shí)，可支持DCP模式，該模式符合中國(guó)電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1591 - 2009。同時(shí)，還能在未連接上行端口時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式，在ACP3、ACP2、ACP1和DCP模式之間自動(dòng)切換。

電源管理

TUSB8043A支持每端口或成組電源開(kāi)關(guān)以及過(guò)流通知輸入。可通過(guò)端口電源單獨(dú)控制集線器開(kāi)關(guān)為每個(gè)下行端口上電或斷電，也能在檢測(cè)到過(guò)流事件時(shí)關(guān)閉相應(yīng)端口或所有下行端口的電源。

定制配置

通過(guò)OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus從機(jī)接口，TUSB8043A可實(shí)現(xiàn)定制配置，如VID和PID、端口定制、制造商和產(chǎn)品字符串以及序列號(hào)等。此外，還支持讀取和寫入I2C的供應(yīng)商請(qǐng)求，并且在100k和400k（默認(rèn)）條件下支持EEPROM讀取，I2C主機(jī)支持時(shí)鐘擴(kuò)展。

其他特性

它還支持作為一個(gè)USB 3.2第1代或者USB 2.0復(fù)合設(shè)備運(yùn)行，提供128位通用唯一標(biāo)識(shí)符（UUID），支持通過(guò)USB 2.0上行端口進(jìn)行板載和系統(tǒng)內(nèi)EEPROM編程，單個(gè)時(shí)鐘輸入可使用24MHz晶體或晶振，僅可對(duì)USB2.0下行端口進(jìn)行配置，采用64引腳QFN封裝（RGC）。

應(yīng)用場(chǎng)景

TUSB8043A適用于多種需要額外USB端口的應(yīng)用場(chǎng)景，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、擴(kuò)展塢、監(jiān)視器和機(jī)頂盒等。以筆記本電腦為例，若其本身只有兩個(gè)下游USB端口，使用TUSB8043A后，可將下游端口數(shù)量增加到五個(gè)，大大擴(kuò)展了設(shè)備的連接能力。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電源供應(yīng)

• 核心電源（VDD）：應(yīng)為1.1V（標(biāo)稱），可通過(guò)鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離以減少噪聲。需注意鐵氧體磁珠的直流電阻可能影響提供給設(shè)備的電壓，可調(diào)整核心電壓調(diào)節(jié)器的輸出或選擇低直流電阻（小于0.05Ω）的磁珠。同時(shí)，所有電源軌都需要10μF或1μF的電容來(lái)保證穩(wěn)定性和抗噪性，較小的去耦電容應(yīng)盡可能靠近TUSB8043A的電源引腳放置。
• I/O和模擬電源（VDD33）：提供3.3V電源，同樣可通過(guò)鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離。
• 下游端口電源（VBUS）：必須由能夠提供5V和每個(gè)端口高達(dá)900mA電流的電源供應(yīng)。每個(gè)下游端口的VBUS需要一個(gè)22μF或更大的大容量低ESR電容來(lái)限制浪涌電流，并且建議在下游USB端口連接的VBUS引腳上使用鐵氧體磁珠以提高ESD和EMI性能。

布局設(shè)計(jì)

• 元件放置：9.53K ±1%電阻應(yīng)盡可能靠近TUSB8043A的USB_R1引腳；每個(gè)VDD和VDD33電源引腳附近應(yīng)放置0.1μF電容；SSTXP和SSTXM網(wǎng)絡(luò)上的100nF電容應(yīng)靠近USB連接器；ESD和EMI保護(hù)設(shè)備若使用，應(yīng)盡可能靠近USB連接器；若使用晶體，應(yīng)放置在靠近TUSB8043A的XI和XO引腳處；電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)遠(yuǎn)離TUSB8043A、晶體和差分對(duì)；每個(gè)電源軌的大容量電容應(yīng)靠近電壓調(diào)節(jié)器放置。
• 封裝相關(guān)：TUSB8043A采用0.5mm引腳間距的封裝，有6.0mm x 6.0mm的散熱墊，該散熱墊必須通過(guò)過(guò)孔系統(tǒng)連接到地，除連接到散熱墊的過(guò)孔外，設(shè)備下方的所有過(guò)孔應(yīng)進(jìn)行阻焊處理。
• 差分對(duì)布局：所有差分對(duì)（如USB_DP_XX、USB_DM_XX等）必須設(shè)計(jì)為90Ω ±10%的差分阻抗；為減少串?dāng)_，高速信號(hào)應(yīng)相互遠(yuǎn)離，每對(duì)之間應(yīng)至少間隔信號(hào)走線寬度的5倍，也可使用接地隔離；差分對(duì)應(yīng)在同一層相鄰的實(shí)心接地平面上布線，避免跨越任何平面分割；添加測(cè)試點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，若使用應(yīng)串聯(lián)且對(duì)稱放置，避免在差分對(duì)上產(chǎn)生分支；差分走線應(yīng)盡量避免90度轉(zhuǎn)彎，使用彎曲時(shí)，左右彎曲數(shù)量應(yīng)盡量相等，彎曲角度應(yīng)≥135度；差分對(duì)走線長(zhǎng)度應(yīng)盡量縮短，SS差分對(duì)信號(hào)和USB 2.0差分對(duì)信號(hào)的最大推薦走線長(zhǎng)度為八英寸；差分對(duì)走線長(zhǎng)度應(yīng)匹配，SS差分對(duì)信號(hào)與其互補(bǔ)信號(hào)之間的長(zhǎng)度差應(yīng)小于5mil，USB 2.0差分對(duì)的相對(duì)走線長(zhǎng)度差不應(yīng)超過(guò)50mil；差分對(duì)路徑中應(yīng)盡量減少過(guò)孔的使用，若使用，應(yīng)確保同一對(duì)信號(hào)使用相同類型和位置的過(guò)孔，且過(guò)孔應(yīng)靠近TUSB8043A設(shè)備；為方便布線，可交換SS差分對(duì)的極性，若交換USB2 DP和DM對(duì)的極性，應(yīng)相應(yīng)設(shè)置Px_usb2pol寄存器；不要在差分對(duì)走線上放置電源保險(xiǎn)絲。

實(shí)際應(yīng)用案例

以離散USB集線器產(chǎn)品為例，這是TUSB8043A的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景。該產(chǎn)品由外部5V DC電源適配器供電，TUSB8043A的上游端口通過(guò)USB電纜連接到USB主機(jī)控制器，下游端口則供用戶連接USB硬盤驅(qū)動(dòng)器、相機(jī)、閃存驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，上游端口連接到USB3 Type B連接器，通過(guò)電壓分壓器確保VBUS信號(hào)滿足USB_VBUS輸入要求。下游端口1 - 4分別連接到USB3 Type A連接器，通過(guò)拉高BATENx引腳可啟用電池充電支持。VBUS電源開(kāi)關(guān)可選用德州儀器的TPS2561雙通道精密可調(diào)電流限制電源開(kāi)關(guān)。時(shí)鐘、復(fù)位和雜項(xiàng)方面，PWRCTL_POL引腳未連接時(shí)，USB VBUS電源開(kāi)關(guān)的電源使能為高電平有效；SMBUSz引腳未連接時(shí)，選擇I2C模式；GRSTN引腳上的1μF電容僅在VDD11電源先于VDD33電源穩(wěn)定時(shí)使用，電容大小可能需根據(jù)兩個(gè)電源的斜坡情況進(jìn)行調(diào)整。

總結(jié)

TUSB8043A憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和合理的設(shè)計(jì)要求，為電子工程師在設(shè)計(jì)多端口USB設(shè)備時(shí)提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理配置電源、精心設(shè)計(jì)布局，以充分發(fā)揮TUSB8043A的性能優(yōu)勢(shì)。各位工程師在使用過(guò)程中，是否遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題或者有一些巧妙的解決方案呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。