TUSB4041I四端口USB 2.0集線器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)備日益普及的今天，USB接口的應(yīng)用無處不在。對(duì)于需要擴(kuò)展USB端口數(shù)量的設(shè)備來說，一款性能出色的USB集線器至關(guān)重要。今天我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的TUSB4041I四端口USB 2.0集線器。

文件下載：tusb4041i.pdf

一、TUSB4041I特性亮點(diǎn)

1. 兼容性與連接能力

TUSB4041I兼容Type C，可在上行端口提供USB高速或全速連接，下行端口則能提供高速、全速或者低速連接。當(dāng)上行端口連接到不同電氣環(huán)境時(shí)，下行端口的連接模式會(huì)相應(yīng)調(diào)整，這種靈活的連接方式能適應(yīng)多種設(shè)備需求。而且它無需特殊驅(qū)動(dòng)程序，可與任何支持USB堆疊的操作系統(tǒng)無縫協(xié)作，大大簡(jiǎn)化了開發(fā)過程。

2. 封裝與功能特性

采用64引腳耐熱增強(qiáng)型薄型四方扁平（HTQFP）封裝（PAP），具有多事務(wù)轉(zhuǎn)換器（MTT）集線器功能，四個(gè)事務(wù)轉(zhuǎn)換器每個(gè)都配備四個(gè)異步端點(diǎn)緩沖器，有效提升數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，它還支持USB電池充電，具備充電下行端口（CDP）模式和專用充電端口（DCP）模式，DCP模式符合中國電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1591 - 2009，為設(shè)備充電提供了可靠保障。

3. 可定制配置

該器件支持通過一次性可編程（OTP）只讀存儲(chǔ)器（ROM）、串行EEPROM或I2C和SMBus受控接口進(jìn)行自定義配置，可對(duì)$V{ID}$、$P{ID}$、生產(chǎn)商和產(chǎn)品字串、序列號(hào)等進(jìn)行定制，還能提供128位通用唯一標(biāo)識(shí)符（UUID），滿足不同用戶的個(gè)性化需求。

二、TUSB4041I應(yīng)用場(chǎng)景

1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，TUSB4041I可用于擴(kuò)展USB端口數(shù)量。例如，一些筆記本電腦可能只有有限的USB端口，通過使用TUSB4041I，可輕松增加下游端口數(shù)量，方便連接更多的外部設(shè)備，如USB硬盤、相機(jī)、閃存驅(qū)動(dòng)器等。

2. 擴(kuò)展塢與監(jiān)視器

擴(kuò)展塢和監(jiān)視器通常需要多個(gè)USB端口來連接不同的設(shè)備，TUSB4041I的多端口特性使其成為這些設(shè)備的理想選擇。它能為用戶提供便捷的設(shè)備連接體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備充電的功能。

3. 機(jī)頂盒

機(jī)頂盒也可以利用TUSB4041I擴(kuò)展USB端口，方便連接其他USB設(shè)備，如游戲手柄、無線網(wǎng)卡等，提升機(jī)頂盒的功能和使用范圍。

三、TUSB4041I詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電池充電功能

TUSB4041I的電池充電功能豐富多樣。它支持CDP和DCP模式，DCP模式符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還提供自動(dòng)模式（AUTOMODE），能根據(jù)連接的便攜式設(shè)備自動(dòng)在分壓器模式和DCP模式之間切換。分壓器模式可在端口的DP和DM信號(hào)上施加固定直流電壓，方便一些設(shè)備識(shí)別充電器的能力，默認(rèn)支持高達(dá)10W，也可通過寄存器配置為傳統(tǒng)電流設(shè)置（高達(dá)5W）。每個(gè)端口的電池充電模式取決于Reg_6h(batEn[n])、VBUS輸入狀態(tài)和REG_Ah(autoModeEnz)等因素。

2. USB電源管理

在電源管理方面，TUSB4041I可通過REG_5h(fullPwrMgmtz)啟用電源開關(guān)支持，并通過REG_5h(ganged)配置為端口獨(dú)立控制或成組控制模式。同時(shí)，它支持有源高和有源低兩種電源使能控制，PWRCTL[4:1]的極性可通過REG_Ah(pwrctlPol)進(jìn)行配置，為不同的電源管理需求提供了靈活的解決方案。

3. 時(shí)鐘與晶體要求

時(shí)鐘方面，TUSB4041I可接受晶體輸入驅(qū)動(dòng)內(nèi)部振蕩器，也可使用外部時(shí)鐘源。若使用晶體，晶體必須為基模，負(fù)載電容為12 - 24pF，頻率穩(wěn)定性評(píng)級(jí)為±100PPM或更好，最大等效串聯(lián)電阻（ESR）建議不超過50Ω。使用外部時(shí)鐘源時(shí)，參考時(shí)鐘頻率穩(wěn)定性也需達(dá)到±100PPM或更好，絕對(duì)峰 - 峰抖動(dòng)小于50ps。在PCB布局時(shí)，要注意XI和XO引腳的連接，盡量縮短走線長度，避免靠近開關(guān)引線，并通過清潔的接地線屏蔽電容，以減少干擾。

4. 電源與復(fù)位要求

TUSB4041I在電源方面，$V{DD}$和$V{DD33}$沒有特定的電源排序要求，但需滿足最大額定值和推薦工作條件，注意避免總線爭(zhēng)用。設(shè)備需要至少3ms的復(fù)位持續(xù)時(shí)間，可使用可編程延遲監(jiān)控設(shè)備或RC電路生成復(fù)位脈沖。

四、典型應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

1. 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

以一個(gè)常見的自供電獨(dú)立USB集線器產(chǎn)品為例，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：$V{DD}$為1.1V，$V{DD33}$為3.3V，上游端口支持高速和全速USB，下游四個(gè)端口均支持高速、全速和低速USB，四個(gè)下游端口均可移除，采用全功率管理和端口獨(dú)立控制，電源開關(guān)使能極性為有源高，四個(gè)下游端口均支持電池充電，使用晶體作為24MHz時(shí)鐘源。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 上游端口實(shí)現(xiàn)：將TUSB4041I的上游端口連接到USB2 Type B連接器，GANGED引腳和FULLPWRMGMTZ引腳拉低，實(shí)現(xiàn)下游端口的獨(dú)立電源支持。VBUS信號(hào)通過電壓分壓器連接，確保滿足USB_VBUS輸入要求。
• 下游端口實(shí)現(xiàn)：每個(gè)下游端口連接到USB2 Type A連接器，通過拉高BATEN引腳來啟用電池充電支持。若不需要電池充電功能，可移除相應(yīng)的上拉電阻。
• VBUS電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)：可選用TI的TPS2561雙通道精密可調(diào)電流限制電源開關(guān)，具體可參考TI官網(wǎng)獲取更多信息。
• 時(shí)鐘、復(fù)位和雜項(xiàng)設(shè)計(jì)：PWRCTLPOL引腳不連接，實(shí)現(xiàn)USB VBUS電源開關(guān)的有源高電源使能。GRSTN引腳上的1μF電容使用需根據(jù)$V{DD}$和$V_{DD33}$的電源斜坡情況進(jìn)行調(diào)整。

五、電源供應(yīng)與布局建議

1. 電源供應(yīng)

$V{DD}$和$V{DD33}$應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)為單個(gè)電源平面，$V{DD}$為器件核心提供1.1V（標(biāo)稱）電源，$V{DD33}$為I/O提供3.3V電源。可使用鐵氧體磁珠將這兩個(gè)電源軌與其他電源軌隔離，以減少噪聲。同時(shí)，所有電源軌都需要10μF或1μF的電容來保證穩(wěn)定性和抗噪聲能力，小的去耦電容應(yīng)盡可能靠近TUSB4041I的電源引腳。

2. 下游端口電源

下游端口電源VBUS需由能夠提供5V和每個(gè)端口高達(dá)500mA電流的電源提供，TUSB4041I信號(hào)可控制下游端口電源開關(guān)，也可選擇始終啟用下游端口電源。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。

3. 布局建議

• 元件放置：將9.53kΩ ± 1%電阻盡可能靠近TUSB4041I的USBR1引腳，每個(gè)$V{DD}$和$V_{DD33}$電源引腳附近放置0.1μF電容，ESD和EMI保護(hù)器件靠近USB連接器。若使用晶體，應(yīng)將其靠近XI和XO引腳，電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)遠(yuǎn)離TUSB4041I、晶體和差分對(duì)。
• 封裝特定要求：TUSB4041I封裝引腳間距為0.5mm，有一個(gè)4.64mm × 4.64mm的散熱墊，需通過過孔系統(tǒng)連接到地面。除連接到散熱墊的過孔外，對(duì)器件下方的所有過孔進(jìn)行阻焊處理。
• 差分對(duì)布局：USB_DP_XX和USB_DM_XX等差分對(duì)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證差分阻抗為90Ω ± 10%，高速信號(hào)之間應(yīng)保持至少5倍信號(hào)走線寬度的距離，可通過接地隔離來減少串?dāng)_。差分對(duì)應(yīng)在同一層相鄰的實(shí)心接地平面上布線，避免跨越平面分割，盡量減少過孔和90°轉(zhuǎn)彎的使用，匹配差分對(duì)的蝕刻長度，最大走線長度建議不超過8英寸，相對(duì)走線長度差不超過50mil。

六、總結(jié)

TUSB4041I四端口USB 2.0集線器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和靈活的設(shè)計(jì)配置，為電子工程師在USB端口擴(kuò)展設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其各項(xiàng)特性和要求，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，精心布局PCB，以確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為廣大電子工程師在使用TUSB4041I進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。