【电路已验证】基于VL813的USB3.0-HUB设计 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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标准版 【电路已验证】基于VL813的USB3.0-HUB设计

简介:一个使用TYPE-C接口作为数据输入的USB3.0-HUB

开源协议: GPL 3.0

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2022-11-20 17:13:05
更新时间: 2024-02-16 17:35:10
描述
# 基于VL813的USB3.0-HUB设计 前言:最近为给工位腾出更大的空间,将工位电脑放地上了。空间是大了,但带来的麻烦是每次插U盘或者插其他设备时需要钻到桌子下面,非常的难受。此时就需要有一个USB-HUB放桌面上。但在网上找了很久,发现很少有TYPE-C接口输入的USB-HUB,对于我来说没有TYPE-C接口那可不行。于是就有了自己做一个的想法。USB2.0的HUB太简单,做着没意思,就想着做一个支持TYPE-C接口输入的USB3.0-HUB。于是就有了下面的作品。 前期也是做了很多准备,也在立创开源论坛看过许多优秀设计。也是为我后期设计提供了重要的参考,在这里提出感谢! * 这个项目对我来说没有什么难度,但前前后后跨越了接近一年时间。今天要上传的版本其实在年初就做好了,楼主也手工焊接了几块送给了朋友。楼主是做服务器硬件开发的,从年初到现在连着开发了两块单板,精力全放到工作上了。每天下班都比较晚,然后回到家基本就沉迷于短视频了。虚假的双休,只有周末有空可以拿起相机出去拍拍照。不得不说还是大学时间最充裕,有的是时间发展兴趣。 * 这个USB HUB项目不出意外的话,后面不会更新了。由于之前忙于工作,加之这个社区在网页,所以少有关注到大家的私信与评论,也导致大家在复刻我的工程时出现问题无法得到解答,我得说声抱歉。 * 评论与私信我看了一部分,大家的问题应该主要存在于焊接上,所以一定要确保焊接没问题。同时这个项目我是用AD开发的,后期是接导入到了立创的EDA软件,未做Review,所以立创EDA可能会有DRC,这些问题我有做说明的,希望大家在看文档时能多看看作者的提示。我的建议是大家如果想直接生产就使用我工程包里的源文件。若想用立创EDA的可以自己检查修改下。 * 我是爱电子DIY的,也是爱开源的,后续我会继续创作,分享开源。 ## 一、简述 **VL813是一款先进的4端口USB 3.0集线器控制器。内部集成5V转3.3V,1.2V稳压器可节省BOM成本。并且每个端口都有接入指示灯。** - 本方案使用TYPE-C接口作为数据以及电力输入,方便美观。 - 通过自动识别接口插入来切换供电。 - 电路中增加VL160用于Type-C正反插识别。 - 整板除接口外全使用单面贴片封装,方便使用加热台等方式贴片。 - 使用双面板制作,降低成本。虽然TYPE-C的高速线出线有交叉,但目前来看影响不是致命的,速度方面并未打折扣。 ## 二、版本及说明 - **VER1.0版本** 完成时间2022年11月20日 **有以下注意事项** 1、此版本电源切换电路存在一定缺陷,不过不妨碍使用。缺陷详见原理图,计划下个版本改进。 ~~2、使用支持USB3.0的USB-A转TYPE-C的线,TYPE-C端不支持正反插检测。原因是USB-A接口无CC引脚,无法识别。一面最高支持到USB3.0,一面最高支持到USB2.0。~~ 3、EEPROM用于存放固件升级,不焊接也不会影响使用。 4、阻抗按1.0mm板厚双层板设计,使用嘉立创的计算工具得到。为更好的阻抗匹配打样时请打样1.0mm的板厚。 * * * - **VER1.1版本** 完成时间2022年12月09日 **有以下注意事项** 1、此版本只更新外壳设计,电路方案未做修改。3D打印文件已上传,外壳是否可用待验证。 2、更正VER1.0提及的第二点。之前只有一面USB3.0是芯片问题,焊接新的芯片后无论USBA-TypeC还是TypeC-TypeC都能实现双面USB3.0速度。 **_注意:需使用支持USB3.0及以上的线缆,一般手机充电线只支持USB2.0。_** 3、使用2.5寸硬盘测试过,在HUB不外接电源时读取速度能达到290M/S。2.5寸硬盘直接接电脑测速为280M/S左右。 * * * - **VER1.2版本** 上传时间2022年08月27日 **有以下注意事项** 1、此版本打样验证了外壳,外壳现在是可用的了。 2、对上一版本的电路稍作优化,优化了供电部分,增加了eFUSE。其他部分几乎未作变动,算是修复了之前版本的供电方面的bug。 3、这个版本已打样验证测试过。但仅限于测试了功能,对比了接此HUB前后的速度(HUB上四个口接SSD硬盘时测试的速率基本和SSD直接插电脑的速率基本一致)。若大家有精力可以做做其他的测试,看看是否还有其它的问题。 - 后续这个设计应该不会更新了。。。。。。 ## 三、外观 *下图是焊接好后的外观图片* ![外观.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/z1TngoiJOGjX8dlPylmBLof3bIelQKItOwAEe2Lv.jpeg) *下图是成品渲染图片* ![渲染2.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/ManjpQz6wZELFfjM2Xo1MrHjqGKfyvmWe0zWd2zg.jpeg) ## 四、测试 *下图是测试USB3.0以及USB2.0接口速率的结果* ![U盘测速.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/HvHtUe8M2qUmFflEaA0u0vvip5fAIJeEyX6ix5nJ.jpeg) ## 五、设计 ### 1、USB3.0与USB2.0差异 - USB2.0的座子一般为白色,USB3.0的座子一般为蓝色。 - USB2.0只有一组差分线DP/DM。USB3.0有两组差分线TX_P&TX_N/RX_P&RX_N。 - USB3.0速率最高为480Mbps,而USB3.0根据不同Gen有不同速率,具体可见下图。 *下图是USB各代的速率及简介* ![USB各代.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/bI4SKO0tIlDTZrCDAen6sblVBqdMAI4DhDJ6uUEE.jpeg) ### 2、接口定义介绍 **刚开始做的时候被接口的定义整的云里雾里。在这里我将接口定义给贴出来,方便查看。** *下图是USB-A 最高支持USB2.0的母头的引脚功能及定义。* ![USB-A-USB2.0.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/nJiNrkZxYwykyZhqmkP2FYYaN9dpeFxvYJSGiuen.jpeg) *下图是USB-A 最高支持USB3.0的母头的引脚功能及定义。* ![Usb-A-USB3.0.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/8YHqb1tZ5Nu2QayGf1FVudowHhlqdYMUvXwn1g0b.jpeg) *下图是24Pin TYPE-C公头和母头的引脚功能及定义。* ![Type-C公.png](//image.lceda.cn/pullimage/mrn8sii8JyvGHvEhTNKgkMkMG4NxbgpxIOn3JOWN.png) ### 3、USB3.0设计注意事项 - **阻抗控制:** 建议USB3.0的差分阻抗控制90Ω误差10%,USB2.0差分阻抗控制90Ω误差10%。 - **时延控制:** 建议USB3.0差分对内需等长设计,误差小于5mil。USB2.0等长误差控制小于10mil。 - **隔直电容:** 建议选取0402以下封装电容,容值官方SPEC要求75nF-265nF之间,布局时靠近端子放置。 - **对内交叉:** USB3.0 的P/N如果走线上有交差,可以将差分对的P/N交换,USB3允许P/N反转。 ### 4、其它设计知识 - **CC引脚:** 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。 - **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。 - **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。 ~~~~
设计图
原理图
1 /
PCB
1 /
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ID Name Designator Footprint Quantity
1 1uF C1,C2,C15 C0603 3
2 22pF C3,C11 C0603 2
3 4.7uF C4,C5,C6,C7,C8 C0603 5
4 0.1uF C12,C13,C14,C17,C22,C24,C25,C26,C27,C28,C29,C30,C31,C32,C33,C34,C35,C36,C37,C38,C39,C40,C41,C42,C43,C44 C0603 26
5 47uF/16V C18,C19,C20,C21 C5*5 4
6 LED/G D1,D2,D3,D4 LED0805-R-RD 4
7 TYPE-C-6P J1 TYPE-C-6P 1
8 TYPE-A3.0 J2,J3,J4,J5 TYPE-A3.0 4
9 10uH Idc>500mA L1 INDUCTOR 1
10 AO3401_PMOS Q1,Q3 SOT-23-3_L2.9-W1.6-P1.90-LS2.8-BR 2
11 AO3400_NMOS Q2 SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR 1
12 47KΩ R1,R7 R0603 2
13 100KΩ R2 R0603 1
14 10KΩ R3,R4,R5,R6,R8,R9,R13,R14,R15,R16,R21,R22 R0603 12
15 5.1K R10 R0603 1
16 20.5KΩ R11 R0603 1
17 0Ω/DNP R12 R0603 1
18 10K R17,R18,R19,R20 R0603 4
19 1K R23 R0603 1
20 TYPE-C-24P U1 TYPE-C-24P 1
21 VL813(A1) U2 QFN-76 1 -
22 VL160 U4 WQFN-28 1
23 W25Q16JVSIQ U6 SOIC-8_L5.3-W5.3-P1.27-LS8.0-BL 1
24 XTAL_3225_25M X1 OSC-SMD_4P-L3.2-W2.5-BL_SIT8008BI 1

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