TUSB8041：四端口 USB 3.0 集線器的卓越之選

在電子設備高度互聯的今天，USB 接口的拓展需求日益增長。TUSB8041 作為一款四端口 USB 3.0 集線器，為我們提供了強大且靈活的解決方案。今天，我們就來深入探討一下這款芯片的特點、應用以及設計要點。

文件下載：tusb8041.pdf

產品概述

TUSB8041 是一款符合 USB 3.0 標準的四端口集線器，它能夠在 upstream 端口同時提供 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 upstream 端口連接到僅支持高速或全速/低速連接的電氣環境時，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。

關鍵特性剖析

充電及電源管理特性

• 電池充電支持：TUSB8041 在每個端口都可單獨啟用電池充電功能，支持 Charging Downstream Port (CDP) 和 Dedicated Charging Port (DCP) 模式，其中 DCP 模式符合中國電信行業標準 YD/T 1591 - 2009。此外，還有自動模式（AUTOMODE），可根據連接的便攜式設備自動在 divider 模式和 DCP 模式之間切換，默認 divider 模式支持高達 5W 的充電功率，還可通過 REG_Ah (HiCurAcpModeEn) 配置為高電流設置（高達 10 W）。
• 電源管理：可通過 per-port 或 ganged 電源啟用控制以及過流狀態輸入進行配置。電源開關支持由 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。

配置與時鐘特性

• OTP 配置：允許通過一次性可編程非易失性存儲器（OTP）進行設備配置，可配置的特性包括 Vendor ID、Product ID、端口可移動配置等。具體配置信息可參考文檔中的 Table 2。
• 時鐘生成：可接受晶體輸入驅動內部振蕩器或外部時鐘源。使用晶體時，需遵循特定的連接指南，如 XI 和 XO 引腳應盡量短且遠離開關引腳，同時最小化它們之間的電容。晶體要求為基模，負載電容 12 pF - 24 pF，頻率穩定性 ±100 PPM 或更好，最大等效串聯電阻（ESR）為 50 Ω。使用外部時鐘源時，參考時鐘頻率穩定性應 ±100 PPM 或更好，絕對峰 - 峰抖動小于 50 ps 或應用 USB 3.0 抖動傳遞函數后小于 25 ps。

應用場景及設計實例

應用場景

TUSB8041 適用于各種需要額外 USB 兼容端口的應用，例如筆記本電腦，通過使用 TUSB8041 可以增加下游端口數量，滿足更多設備的連接需求。

典型應用 - 獨立 USB 集線器產品

設計要求

詳細設計步驟

• Upstream 端口實現：將 TUSB8041 的 upstream 端口連接到 USB3 Type B 連接器，GANGED 引腳和 FULLPWRMGMTZ 引腳拉低，實現每個下游端口的獨立電源支持。VBUS 信號通過電壓分壓器，確保其電平滿足 USB_VBUS 輸入要求。
• Downstream 端口實現：每個下游端口連接到 USB3 Type A 連接器，通過拉高 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 電源開關實現：可選用 Texas Instruments TPS2561 雙通道精密可調電流限制電源開關，具體信息可參考德州儀器官網。
• 時鐘、復位及其他：PWRCTL_POL 引腳不連接，使 USB VBUS 電源開關的 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 電源穩定時使用，需根據兩個電源的斜坡情況進行調整。

電源與布局建議

電源建議

• TUSB8041 電源：$V{DD}$ 和 $V{DD33}$ 應分別實現為單個電源平面，可通過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 電容以保證穩定性和抗噪性，小的去耦電容應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 電壓和每個端口高達 900 mA 的電流，可由 TUSB8041 信號控制電源開關，也可始終啟用。每個下游端口的 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，同時在 USB 連接器側的鐵氧體上連接 0.1μF 電容，為 ESD 電流提供低阻抗接地路徑。
• 接地：建議設計中僅使用一個板接地平面，TUSB8041 的散熱墊和電壓調節器應通過過孔連接到該平面。為了 EMI 和 ESD 目的，在 USB 端口連接器附近的不同平面上實現接地。

布局建議

元件放置

• 連接到 USB_R1 引腳的 9.53K ±1% 電阻應盡量靠近 TUSB8041。
• 每個 VDD 和 VDD33 電源引腳附近應放置 0.1 μF 電容。
• 100 nF 電容應靠近 USB 連接器放置在 SSTXP 和 SSTXM 網絡上。
• ESD 和 EMI 保護設備應盡量靠近 USB 連接器。
• 若使用晶體，應盡量靠近 XI 和 XO 引腳放置。
• 電壓調節器應盡量遠離 TUSB8041、晶體和差分對。
• 與每個電源軌相關的大容量電容應盡量靠近電壓調節器。

封裝特定

• TUSB8041 封裝的引腳間距為 0.5 mm。
• 封裝有一個 6.0-mm x 6.0-mm 的散熱墊，必須通過過孔系統連接到接地。
• 除連接到散熱墊的過孔外，器件下方的所有過孔應進行阻焊處理，以避免散熱墊布局出現潛在問題。

差分對

• 差分對的設計阻抗應為 90 Ω ±10%。
• 為減少串擾，高速信號之間應保持至少 5 倍信號走線寬度的間距，可使用接地隔離。
• 所有差分對應在同一層相鄰的實心接地平面上布線。
• 避免差分對跨平面分割布線。
• 盡量減少差分對路徑中的過孔使用，若必須使用，應確保對中的兩個信號使用相同類型和位置的過孔，并盡量靠近芯片。
• 必要時可交換 SS 差分對和 USB2 DP/DM 對的極性，但需設置相應的寄存器。

總結

TUSB8041 以其豐富的功能和靈活的配置，為 USB 接口擴展應用提供了可靠的解決方案。在實際設計中，我們需要充分考慮其充電特性、電源管理、時鐘要求以及布局布線等方面，以確保芯片能夠發揮最佳性能。同時，要注意遵循相關的設計指南和注意事項，如靜電放電防護等，以提高產品的可靠性和穩定性。大家在使用 TUSB8041 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區交流分享。