基于GL3520的USB3.0集线器设计

基于GL3520的USB3.0 Hub 集线器设计，一拖四，带辅助供电，10*3CM PCB，配上外壳就是一个小型USB3.0接口扩展器，采用Type-C 带线输入，适合笔记本电脑周边和便携式设备使用，用于连接U盘、键鼠等。

这里要感谢立创EDA，开展暑期训练营活动，学了不少技能。之所以选择基于GL3520的USB3.0 Hub 集线器设计题目，其一是我觉得本题应该有一定的挑战性；其二是我正好有USB3.0集线器的想法，，，，话不多说，进入正题。

当前PCB版本：V1.5 ， 2020.8.5更新。文档版本：V1.1，2020.8.19更新

图片是焊接完成后拍的，没清洗。USB3.0-A线和Type-c线用的某联的线，插上计算机后，2.0功能正常，读写速度30Mb/s，3.0有时能识别到，插上3.0U盘设备管理器中3.0设备消失。

一、关于接口

在电路设计中，考虑节省空间和实用性，集线器输入（UFP）选用Type-C 接口，用Type-C 数据线剪断焊接在PCB上引出输入接口(这里是个坑。。。)；集线器输出选用沉板型贴装USB3.0接口，兼容USB2.0。

Type-C 接口现在很常见，有必要了解一些相关内容：CC、DFP、UFP、DRP。

1、CC

Configuration Channel，通道配置引脚。这是 Type-C 的关键通道。它的作用有检测正反插、检测USB连接识别、提供多大电压和电流、USB设备间数据与VBUS的连接建立与管理等。市面上通用快充线与普通数据线（双Type-C接口）区别就在CC引脚。

2、DFP

Downstream Facing Port，下行端口，可以理解为Host，DFP提供VBUS、数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输，笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。典型的DFP设备是电源适配器。

3、UFP

Upstream Facing Port，上行端口，可以理解为Device，UFP从VBUS中取电，并可提供数据。典型的UFP设备是U盘，移动硬盘。

4、DRP

Dual Role Port，双角色端口，既可以做DFP(Host)，也可以做UFP(Device)，也可以在DFP与UFP间动态切换。典型的DRP设备是笔记本电脑。

二、输入端口设计

集线器输入端口用Type-C接口（UFP），直连电脑或移动设备的Type-C口（DFP），电路中集线器输入端Type-C 接口做UFP， CC 引脚串接5.1K电阻到地，这里是设置输入功率，也就是获取VBUS，输入用6V/1A自恢复保险丝做过流保护，10u和0.1u滤除低频和高频杂波。

如下图：一般在Type-C中，DFP端有两个CC（CC1、CC2），都接有上拉电阻Rp，用以检测UFP插入和开/关VBUS，当那个CC检测到输入，就用那一组RX/TX；UFP端只有一个CC，需要接下拉电阻Rd，用以决定DFP输出功率。如果UFP端CC引脚悬空，DFP可能不会开启VBUS功率输出。

Rd的取值决定DFP输出功率，阻值范围不是任意取值，由Type-C接口标准协议定义。不同接口和应用场景取值也不同，常见阻值选择及对应供电能力：

Rd = 56k，使用默认USB供电能力；

Rd = 22k，使用5V/1A供电能力；

Rd = 10k，使用5V3A供电能力。

本设计中，Rd选用5.1K，这里为什么要选5.1L呢？这是表示输出功率由DFP的Rp决定，Rp阻值不同，CC检测到电压就不同，然后控制DFP执行对应的供电能力。

三、输出端口设计

集线器输出端采用4个沉板型贴装USB3.0 A型接口，兼容USB2.0，可连接常见USB设备。在电路中，每个输出端口都用6V/1A自恢复保险丝做过流保护，10u和0.1u滤除低频和高频杂波。

TX+和TX-线上的串接0.1u耦合电容，隔开端口与主控信号的直流通路。

四、主控设计

1、芯片

主控应题目要求选用GL3520，本设计使用PQFN-88封装的芯片，与PQFN-64封装引脚大同小异，选择PQFN-88主要是便于后期升级。GL3520主控有几个特殊引脚在设计时要特别注意，在DataSheet中也有相关描述。在QFN88封装中，下列引脚特别重要：

Pin3：RTERM，串680电阻到地；

Pin74：PGANG，模式设置（100K上拉：多组模式；100K下拉：单组）；

Pin76：TEST，测试（上拉：进入测试模式；接地：正常模式）；

Pin78：OVCUR1J，短路保护（不使用短路保护功能需上拉到3.3V）；

Pin82：PSELF，供电选择（上拉：独立供电；下拉：总线供电）；

Pin83：RESETJ，复位（低电平有效，≥40us）；

这些引脚和相关模式设置在DataSheet中有详细说明，查阅DataSheet即可。

2、电路设计

主控设置为正常多组模式，默认使用总线供电。复位电路用阻容复位电路，挂外部Flash芯片。关于Flash，从DataSheet描述中，在某些特殊的端口配置时需要用到Flash，具体是什么样的配置没有相关说明。在GL35xx USB2.0设计中Flash可以不用，在USB3.0的一般设计中也可以去掉（前提是芯片内有固件）。

3、主控电源

GL3520需要三个等级的电压：1.2V、3.3V、5.0V。

1.2V由外置LDO芯片提供，最大1A输出。

3.3V电源采用主控内部LDO输出。

5.0V由输入端口VBUS提供。

五、辅助电源设计

辅助电源没有太多的设计，直接由外接Micro USB提供。其实对于一般的应用（接U盘，鼠标等）辅助电源可以省略；

六、调试

2020.8.5：第一版PCB打样，版号V1.5。

2020.8.11：PCB和元器件到货。

2020.8.11 晚：手工焊接，USB端口、1.2V电源焊接完成，测试通过。

2020.8.14：电路主控芯片焊接完成。插上电脑，

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能识别到USB2.0和USB3.0 。

计算机设备管理中能认到集线器，但是插上3.0U盘后，系统弹出USB设备工作不正常消息，之后设备管理中只能识别到2.0；拔出集线器再插上，还是只能识别到2.0。再插3.0U盘没有反应；而插2.0U盘使用正常。

写入Flash更新固件后，同样也只能识别到2.0。

将输入线换成USB3.0-A接口，仍然只能识到2.0。

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查阅相关资料，发现问题应该出在阻抗匹配（85~90ohm）和特殊引脚配置，由于本设计中采用Type-C跳线，所以阻抗匹配会出很大问题（测过，焊点大小、焊锡形状、引线长度不同，都会影响3.0识别）；另外，GL3520的一般设计中，如果不交换RX-/+，TX-/+和使用引脚特殊功能，可以不外挂Flash（前提是芯片内部有固件）。