TUSB8041：四端口 USB 3.0 集線器的卓越之選

在電子設(shè)備高度互聯(lián)的今天，USB 接口的拓展需求日益增長(zhǎng)。TUSB8041 作為一款四端口 USB 3.0 集線器，為我們提供了強(qiáng)大且靈活的解決方案。今天，我們就來(lái)深入探討一下這款芯片的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tusb8041.pdf

產(chǎn)品概述

TUSB8041 是一款符合 USB 3.0 標(biāo)準(zhǔn)的四端口集線器，它能夠在 upstream 端口同時(shí)提供 SuperSpeed USB 和高速/全速連接，而在 downstream 端口則可提供 SuperSpeed USB、高速、全速或低速連接。當(dāng) upstream 端口連接到僅支持高速或全速/低速連接的電氣環(huán)境時(shí)，downstream 端口的 SuperSpeed USB 連接將被禁用；若 upstream 端口僅支持全速/低速連接，downstream 端口的 SuperSpeed USB 和高速連接都將被禁用。

關(guān)鍵特性剖析

充電及電源管理特性

• 電池充電支持：TUSB8041 在每個(gè)端口都可單獨(dú)啟用電池充電功能，支持 Charging Downstream Port (CDP) 和 Dedicated Charging Port (DCP) 模式，其中 DCP 模式符合中國(guó)電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) YD/T 1591 - 2009。此外，還有自動(dòng)模式（AUTOMODE），可根據(jù)連接的便攜式設(shè)備自動(dòng)在 divider 模式和 DCP 模式之間切換，默認(rèn) divider 模式支持高達(dá) 5W 的充電功率，還可通過(guò) REG_Ah (HiCurAcpModeEn) 配置為高電流設(shè)置（高達(dá) 10 W）。
• 電源管理：可通過(guò) per-port 或 ganged 電源啟用控制以及過(guò)流狀態(tài)輸入進(jìn)行配置。電源開(kāi)關(guān)支持由 REG_5h (fullPwrMgmtz) 啟用，per-port 或 ganged 模式由 REG_5h(ganged) 配置，支持高電平或低電平有效電源啟用控制，PWRCTL[4:1] 極性由 REG_Ah(pwrctlPol) 配置。

配置與時(shí)鐘特性

• OTP 配置：允許通過(guò)一次性可編程非易失性存儲(chǔ)器（OTP）進(jìn)行設(shè)備配置，可配置的特性包括 Vendor ID、Product ID、端口可移動(dòng)配置等。具體配置信息可參考文檔中的 Table 2。
• 時(shí)鐘生成：可接受晶體輸入驅(qū)動(dòng)內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘源。使用晶體時(shí)，需遵循特定的連接指南，如 XI 和 XO 引腳應(yīng)盡量短且遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)引腳，同時(shí)最小化它們之間的電容。晶體要求為基模，負(fù)載電容 12 pF - 24 pF，頻率穩(wěn)定性 ±100 PPM 或更好，最大等效串聯(lián)電阻（ESR）為 50 Ω。使用外部時(shí)鐘源時(shí)，參考時(shí)鐘頻率穩(wěn)定性應(yīng) ±100 PPM 或更好，絕對(duì)峰 - 峰抖動(dòng)小于 50 ps 或應(yīng)用 USB 3.0 抖動(dòng)傳遞函數(shù)后小于 25 ps。

應(yīng)用場(chǎng)景及設(shè)計(jì)實(shí)例

應(yīng)用場(chǎng)景

TUSB8041 適用于各種需要額外 USB 兼容端口的應(yīng)用，例如筆記本電腦，通過(guò)使用 TUSB8041 可以增加下游端口數(shù)量，滿足更多設(shè)備的連接需求。

典型應(yīng)用 - 獨(dú)立 USB 集線器產(chǎn)品

設(shè)計(jì)要求

詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• Upstream 端口實(shí)現(xiàn)：將 TUSB8041 的 upstream 端口連接到 USB3 Type B 連接器，GANGED 引腳和 FULLPWRMGMTZ 引腳拉低，實(shí)現(xiàn)每個(gè)下游端口的獨(dú)立電源支持。VBUS 信號(hào)通過(guò)電壓分壓器，確保其電平滿足 USB_VBUS 輸入要求。
• Downstream 端口實(shí)現(xiàn)：每個(gè)下游端口連接到 USB3 Type A 連接器，通過(guò)拉高 BATEN 引腳啟用電池充電支持，若不需要該功能，則移除上拉電阻。
• VBUS 電源開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)：可選用 Texas Instruments TPS2561 雙通道精密可調(diào)電流限制電源開(kāi)關(guān)，具體信息可參考德州儀器官網(wǎng)。
• 時(shí)鐘、復(fù)位及其他：PWRCTL_POL 引腳不連接，使 USB VBUS 電源開(kāi)關(guān)的 PWRCTL 引腳為高電平有效。GRSTN 引腳上的 1 μF 電容僅在 VDD11 電源先于 VDD33 電源穩(wěn)定時(shí)使用，需根據(jù)兩個(gè)電源的斜坡情況進(jìn)行調(diào)整。

電源與布局建議

電源建議

• TUSB8041 電源：$V{DD}$ 和 $V{DD33}$ 應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)為單個(gè)電源平面，可通過(guò)鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離以降低噪聲。$V{DD}$ 為芯片核心提供 1.1V 電源，$V{DD33}$ 為 I/O 提供 3.3V 電源。所有電源軌都需要 10 μF 或 1 μF 電容以保證穩(wěn)定性和抗噪性，小的去耦電容應(yīng)盡量靠近芯片電源引腳。
• 下游端口電源：下游端口電源 VBUS 需能提供 5V 電壓和每個(gè)端口高達(dá) 900 mA 的電流，可由 TUSB8041 信號(hào)控制電源開(kāi)關(guān)，也可始終啟用。每個(gè)下游端口的 VBUS 需連接 22 μF 或更大的大容量低 ESR 電容以限制浪涌電流，VBUS 引腳上建議使用鐵氧體磁珠，同時(shí)在 USB 連接器側(cè)的鐵氧體上連接 0.1μF 電容，為 ESD 電流提供低阻抗接地路徑。
• 接地：建議設(shè)計(jì)中僅使用一個(gè)板接地平面，TUSB8041 的散熱墊和電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)通過(guò)過(guò)孔連接到該平面。為了 EMI 和 ESD 目的，在 USB 端口連接器附近的不同平面上實(shí)現(xiàn)接地。

布局建議

元件放置

• 連接到 USB_R1 引腳的 9.53K ±1% 電阻應(yīng)盡量靠近 TUSB8041。
• 每個(gè) VDD 和 VDD33 電源引腳附近應(yīng)放置 0.1 μF 電容。
• 100 nF 電容應(yīng)靠近 USB 連接器放置在 SSTXP 和 SSTXM 網(wǎng)絡(luò)上。
• ESD 和 EMI 保護(hù)設(shè)備應(yīng)盡量靠近 USB 連接器。
• 若使用晶體，應(yīng)盡量靠近 XI 和 XO 引腳放置。
• 電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離 TUSB8041、晶體和差分對(duì)。
• 與每個(gè)電源軌相關(guān)的大容量電容應(yīng)盡量靠近電壓調(diào)節(jié)器。

封裝特定

• TUSB8041 封裝的引腳間距為 0.5 mm。
• 封裝有一個(gè) 6.0-mm x 6.0-mm 的散熱墊，必須通過(guò)過(guò)孔系統(tǒng)連接到接地。
• 除連接到散熱墊的過(guò)孔外，器件下方的所有過(guò)孔應(yīng)進(jìn)行阻焊處理，以避免散熱墊布局出現(xiàn)潛在問(wèn)題。

差分對(duì)

• 差分對(duì)的設(shè)計(jì)阻抗應(yīng)為 90 Ω ±10%。
• 為減少串?dāng)_，高速信號(hào)之間應(yīng)保持至少 5 倍信號(hào)走線寬度的間距，可使用接地隔離。
• 所有差分對(duì)應(yīng)在同一層相鄰的實(shí)心接地平面上布線。
• 避免差分對(duì)跨平面分割布線。
• 盡量減少差分對(duì)路徑中的過(guò)孔使用，若必須使用，應(yīng)確保對(duì)中的兩個(gè)信號(hào)使用相同類(lèi)型和位置的過(guò)孔，并盡量靠近芯片。
• 必要時(shí)可交換 SS 差分對(duì)和 USB2 DP/DM 對(duì)的極性，但需設(shè)置相應(yīng)的寄存器。

總結(jié)

TUSB8041 以其豐富的功能和靈活的配置，為 USB 接口擴(kuò)展應(yīng)用提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分考慮其充電特性、電源管理、時(shí)鐘要求以及布局布線等方面，以確保芯片能夠發(fā)揮最佳性能。同時(shí)，要注意遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)指南和注意事項(xiàng)，如靜電放電防護(hù)等，以提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用 TUSB8041 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。