TUSB2046x 4 - 端口 USB 集線器：設計與應用全解析

在電子設備不斷發展的今天，USB 接口的應用愈發廣泛，而 USB 集線器作為擴展 USB 端口的重要設備，其性能和設計對于整個系統的穩定性和功能性至關重要。今天我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）的 TUSB2046x 4 - 端口 USB 集線器。

文件下載：tusb2046b.pdf

1. 產品概述

TUSB2046x 是一款 3.3 - V CMOS 集線器設備，它符合通用串行總線（USB）規范，作為全速集線器提供一個上游端口和四個下游端口。與傳統使用微控制器的設備不同，TUSB2046x 采用數字狀態機實現，無需進行固件編程，這大大簡化了開發過程。

1.1 特性亮點

• 封裝形式多樣：提供 32 - 引腳 LQFP（0.8 - mm 引腳間距）或 QFN（0.5 - mm 引腳間距）封裝，滿足不同的 PCB 設計需求。
• 低功耗設計：采用 3.3 - V 低功耗 ASIC 邏輯，降低了系統的整體功耗。
• 集成收發器：集成了完全符合 USB 規范的收發器，所有上游和下游端口都無需額外的外部收發器，減少了設計的復雜度。
• 多速度支持：四個下游端口支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）操作，可自動根據連接設備的速度設置擺率。
• 雙電源模式：支持自供電和總線供電兩種模式，并且提供電源切換和過流報告功能，可按端口或聯動控制。
• 可配置 ID：支持通過外部串行 EEPROM 進行可編程的供應商 ID（VID）和產品 ID（PID）設置，3 態 EEPROM 接口允許 EEPROM 共享。
• 低 EMI 發射：通過 6 - MHz 晶體輸入實現低電磁干擾（EMI）發射，提高了系統的電磁兼容性。
• 成本優勢：從成熟的 TUSB2040 集線器遷移而來，成本更低，同時增強了系統的靜電放電（ESD）性能。

1.2 應用場景

TUSB2046x 適用于多種應用場景，如計算機系統、 docking 站等。在這些場景中，它可以方便地擴展 USB 端口數量，連接更多的 USB 設備。

2. 詳細設計解析

2.1 引腳配置與功能

TUSB2046x 的引腳配置涵蓋了電源、數據傳輸、EEPROM 接口、控制信號等多個方面。例如，BUSPWR 引腳用于指示下游端口的電源來源（總線供電或自供電）；DMO 和 DPO 構成上游 USB 端口的差分數據對；DM1 - DM4 和 DP1 - DP4 分別支持四個下游 USB 端口。

2.2 時鐘生成

TUSB2046x 的時鐘配置非常靈活，可通過 TSTMODE 引腳選擇 6 - MHz 晶體輸入或 48 - MHz 輸入時鐘。

• 6 - MHz 輸入時鐘：在這種模式下，TSTMODE 和 TSTPLL/48MCLK 引腳都需接地，芯片使用 XTAL1 和 XTAL2 引腳的 6 - MHz 時鐘，內部 PLL 生成 48 - MHz 和 12 - MHz 時鐘。
• 48 - MHz 輸入時鐘：TSTMODE 引腳接 3.3 - V VCC，TSTPLL/48MCLK 引腳連接 48 - MHz 時鐘源（非晶體），XTAL2 引腳浮空。

2.3 電源管理

TUSB2046x 支持四種電源管理模式，通過 BUSPWR 和 EEDATA/GANGED 輸入的組合實現：總線供電集線器的單端口或聯動電源管理，以及自供電集線器的單端口或聯動電源管理。在過流保護方面，可選擇單個端口管理或聯動端口管理。單個端口管理雖然需要為每個下游端口配備電源管理設備，但在過流時僅關閉有問題的端口，增強了系統的健壯性；聯動配置則使用較少的電源管理設備，降低了系統成本，但過流時會關閉所有聯動端口。

2.4 編程與 EEPROM 接口

通過 EXTMEM 引腳可以啟用或禁用可選的 EEPROM 接口。當 EXTMEM 引腳為高時，枚舉期間顯示的產品 ID 為通用 USB 集線器；當為低時，可使用自定義的 VID 和 PID 描述符。EEPROM 的編程涉及特定的操作步驟，包括發送起始位、讀取指令和起始字地址等。

3. 應用與實現

3.1 應用信息

USB 的優勢在于能夠將 127 個功能配置在最多 6 個邏輯層（層級）連接到單個個人計算機，并且所有外設都使用標準化的 4 - 線電纜進行連接，同時提供通信和電源分配。在電源配置方面，分為總線供電和自供電兩種模式，不同模式下每個下游端口的最大供電電流不同。

3.2 典型應用示例

以自供電 USB 集線器產品為例，TUSB2046x 的上游端口通過 USB 電纜連接到 USB 主機控制器，下游端口供用戶連接 USB 攝像頭、鍵盤、打印機等設備。在設計時，使用 TPS2044 可實現單個端口的電源管理，SN75240 瞬態抑制器可減少數據線上的浪涌電流和電壓尖峰。

4. 設計建議

4.1 電源供應

• TUSB2046x 電源：VCC 引腳為芯片的 I/O 提供 3.3 - V 電源，可通過鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離以減少噪聲。所有電源軌需要 10 - μF 或 1 - μF 的電容來保證穩定性和抗噪聲能力，較小的去耦電容應盡可能靠近芯片電源引腳。
• 下游端口電源：下游端口電源 VBUS 需由能夠提供 5 V 和每個端口最多 500 mA 電流的電源供應。每個下游端口的 VBUS 需要 22 μF 或更大的大容量低 ESR 電容來限制浪涌電流，同時建議在 VBUS 引腳使用鐵氧體磁珠以提高 ESD 和 EMI 性能。

4.2 布局設計

• 元件放置：0.1 - μF 電容應盡可能靠近 V 電源引腳；ESD 和 EMI 保護設備應靠近 USB 連接器；晶體應靠近 XTAL1 和 XTAL2 引腳；電壓調節器應遠離芯片、晶體和差分對。
• 差分對設計：差分對的設計需要滿足 90Ω ±10% 的差分阻抗，在同一層相鄰的實心接地平面上布線，避免 90 度轉彎和過長的走線，匹配差分對的蝕刻長度，盡量減少過孔的使用。
• 接地設計：建議使用單一的電路板接地平面，TUSB2046x 的熱焊盤和電壓調節器應通過過孔連接到該平面，USB 端口連接器附近可設置單獨的接地平面用于 EMI 和 ESD 防護。

5. 總結

TUSB2046x 作為一款功能強大的 USB 集線器，具有諸多優勢，如無需固件編程、靈活的電源管理、可配置的 VID 和 PID 等。在設計過程中，合理的電源供應和布局設計對于保證芯片的性能和系統的穩定性至關重要。電子工程師在使用 TUSB2046x 進行設計時，應充分考慮其特性和要求，結合實際應用場景進行優化設計。你在使用類似 USB 集線器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。