TUSB8020B：雙端口USB 3.0集線器的技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在當今數(shù)字化時代，USB接口的應(yīng)用無處不在，而USB 3.0集線器更是為設(shè)備擴展提供了便利。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TUSB8020B雙端口USB 3.0集線器。

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一、TUSB8020B概述

TUSB8020B是一款雙端口USB 3.0兼容集線器，USBIF TID#330000057。它在上游端口提供同時支持SuperSpeed USB和高速/全速連接，在下游端口則支持SuperSpeed USB、高速、全速或低速連接。不過，其連接速度會根據(jù)上游端口所連接的電氣環(huán)境而有所變化。當上游端口連接到僅支持高速或全速/低速連接的環(huán)境時，下游端口的SuperSpeed USB連接將被禁用；若上游端口僅支持全速/低速連接，下游端口的SuperSpeed USB和高速連接都會被禁用。

二、主要特性

（一）USB 2.0集線器特性

• 多事務(wù)轉(zhuǎn)換器（MTT）集線器：配備兩個事務(wù)轉(zhuǎn)換器，每個事務(wù)轉(zhuǎn)換器有四個異步端點緩沖區(qū)。
• 支持電池充電：具備CDP模式（上游端口連接時）和DCP模式（上游端口未連接時），其中DCP模式符合中國電信行業(yè)標準YD/T 1591 - 2009。
• 支持端口或聯(lián)動電源開關(guān)和過流保護：可以實現(xiàn)單個端口的電源控制，當檢測到過流事件時，僅關(guān)閉受影響的下游端口電源；也支持聯(lián)動模式，即任何一個端口需要供電時，所有下游端口都會通電，檢測到過流事件時，所有下游端口電源都會關(guān)閉。
• 支持D + /D - 分壓器模式：并且支持作為USB 3.0或USB 2.0復(fù)合設(shè)備運行。

（二）自定義配置接口

提供OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus從接口，可用于自定義配置，如VID和PID、端口自定義、制造商和產(chǎn)品字符串（OTP ROM除外）以及序列號（OTP ROM除外）。

（三）時鐘與電源相關(guān)特性

• 單時鐘輸入：可使用24 - MHz晶體或振蕩器，使用晶體時，需要在XI和XO之間連接一個1 - MΩ反饋電阻。
• 無特殊驅(qū)動要求：能在任何支持USB堆棧的操作系統(tǒng)上無縫工作。

三、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對最大額定值

不同引腳的電壓范圍有所不同，例如VDD和VDD33的穩(wěn)態(tài)電源電壓范圍分別為 - 0.3V至1.4V和 - 0.3V至3.8V，存儲溫度范圍為 - 65°C至150°C。需要注意的是，超過這些額定值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

（二）ESD額定值

人體模型（HBM）下為 - 2000V至2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）下為 - 500V至500V。

（三）推薦工作條件

VDD的推薦電壓為0.99V至1.26V，VDD33為3V至3.6V，不同型號的工作溫度范圍也有所差異，如TUSB8020B為0°C至70°C，TUSB8020BI為 - 40°C至85°C。

（四）熱信息

給出了多種熱指標，如結(jié)到環(huán)境的熱阻為31.8°C/W等。

（五）3.3 - V I/O電氣特性

包括高電平輸入電壓、低電平輸入電壓、輸入滯后等參數(shù)。

（六）上電時序要求

對VDD和VDD33的上電順序和時間有一定要求，例如VDD和VDD33穩(wěn)定后，GRSTZ解除斷言前需要3ms的時間。

（七）集線器輸入電源電流

在不同工作模式下，如低功耗模式和活動模式，電流消耗有所不同。

四、詳細功能描述

（一）電池充電特性

支持充電下游端口（CDP）和專用充電端口（DCP）模式，DCP模式符合中國標準。此外，還提供自動模式（AUTOMODE），可根據(jù)連接的便攜式設(shè)備自動在分壓器模式和DCP模式之間切換。默認分壓器模式支持最高5W，可通過寄存器配置為高電流設(shè)置（最高10W）。需要注意的是，AUTOMODE啟用時，CDP模式將不可用。

（二）USB電源管理

可通過寄存器和引腳配置為端口或聯(lián)動電源啟用控制和過流狀態(tài)輸入，支持高電平有效和低電平有效的電源啟用控制。

（三）一次性可編程（OTP）配置

允許通過OTP非易失性存儲器對設(shè)備進行配置，可配置的特性包括供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、端口可移動配置等。

（四）時鐘生成

可接受晶體輸入或外部時鐘源。使用晶體時，晶體需滿足一定的負載電容和頻率穩(wěn)定性要求；使用外部時鐘源時，參考時鐘也有相應(yīng)的頻率穩(wěn)定性和抖動要求。

（五）上電和復(fù)位

對VDD和VDD33的上電順序沒有特定要求，但需要滿足一些約束條件，如觀察所有最大額定值和推薦工作條件等。復(fù)位持續(xù)時間至少需要3ms。

（六）外部配置接口

支持通過I2C EEPROM或SMBus主機控制器進行配置，模式由SMBUSz/SS_DN2終端的狀態(tài)決定。

（七）寄存器映射

內(nèi)部配置寄存器可通過字節(jié)邊界訪問，不同寄存器控制著設(shè)備的各種功能，如供應(yīng)商ID、產(chǎn)品ID、電池充電支持、設(shè)備可移動配置等。

五、應(yīng)用與實現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

TUSB8020B可用于任何需要額外USB兼容端口的應(yīng)用，例如筆記本電腦增加下游端口數(shù)量。

（二）典型應(yīng)用

常見的應(yīng)用是作為自供電的獨立USB集線器產(chǎn)品，通過外部5 - V直流電源適配器供電，上游端口連接到USB主機控制器，下游端口供用戶連接USB硬盤、相機、閃存驅(qū)動器等設(shè)備。

（三）設(shè)計要求與詳細設(shè)計程序

在設(shè)計時，需要考慮電源供應(yīng)、端口支持的USB速度、下游端口的可移動性、電池充電支持等參數(shù)。詳細設(shè)計程序包括上游端口、下游端口、VBUS電源開關(guān)、時鐘、復(fù)位和雜項以及電源的實現(xiàn)。例如，上游端口連接到USB3類型B連接器，VBUS信號需通過分壓器；下游端口連接到USB3類型A連接器，可通過引腳控制電池充電支持和電源開關(guān)極性等。

六、電源供應(yīng)建議

（一）電源供應(yīng)

VDD和VDD33應(yīng)分別實現(xiàn)為單個電源平面，可通過鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離以減少噪聲。同時，需要使用電容來保證電源的穩(wěn)定性和抗噪性。

（二）下游端口電源

下游端口的VBUS電源需由能夠提供5V和至少900mA每端口的電源供應(yīng)，每個端口的VBUS需要一個大容量低ESR電容來限制浪涌電流。

（三）接地

建議在設(shè)計中只使用一個電路板接地平面，TUSB8020B的熱焊盤和電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)通過過孔連接到該平面。

七、布局建議

（一）布局準則

包括元件的放置要求，如電阻、電容、晶體等應(yīng)盡量靠近TUSB8020B；差分對的布局要求，如差分阻抗、避免串擾、路由規(guī)則等。

（二）布局示例

給出了上游端口、下游端口和熱焊盤的布局示例。

八、設(shè)備和文檔支持

TI提供了豐富的社區(qū)資源，如E2E在線社區(qū)和設(shè)計支持，方便工程師交流和獲取幫助。同時，需要注意靜電放電的問題，該設(shè)備內(nèi)置的ESD保護有限，在存儲或處理時應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施。

總之，TUSB8020B是一款功能強大的雙端口USB 3.0集線器，在設(shè)計過程中，電子工程師需要充分考慮其各項特性和參數(shù)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。