带隔离的嵌入式调试用USB2.0 HUB

• 介绍：

（DataSheet小子又一组装屑作）

（发布版本的PCB与实物图与这里展示的有些区别，这是因为实物图都是基于半成品版本制作调试，BUG极多，发布出来的版本已经修正了这些BUG）

 

做这个起因是调试单片机时电脑USB需要挂一串设备：串口、STLINK/USBASP/USB-BLASTER、逻辑分析仪等等，这些都要接在一个HUB上再接入电脑否则接口不够

本人经常调试一些电源类作品，其中不少都有可以对脆弱数字电路造成损坏的高电压，于是有一天，在拔掉电源评估板上杜邦线的时候，HUB一股糊味传来，报废了上面所有的调试器，鼠标接收器与电脑原生USB也受牵连烧掉了

 

于是产生了这个瑞士军刀式的设计，也许可以方便到一些嵌入式硬件狗或者给设计类似产品者提供参考

 

• 参数：

        L*W*H：98*75*30mm

        DC口输入电压：4.5~15.5V

        type-C口电源电压：4.5~5.5V(DIRUPWR接通)

                                         4.5~15.5V(DIRUPWR断开)

        type-C口PD申请电压：15V

        输入接口：USB type-C          USB2.0 480MBps

        输出接口：USB-A母口          USB2.0 480MBps  非隔离       *4

                          USB-A母口          USB2.0 12MBps    隔离           *4

                          UART   2M BRR      隔离        *1

                          UART   2M BRR      隔离        *1 或   I2C    >400K      隔离        *1 

        输出最大电流：0.5A

 

• 使用方法：

该HUB有3个电源来源：USB-C口直供、USB-C口 PD高压、DC口外部高压（外负内正）

前一个模式下请按下"DIRUPWR”按键以保证各依赖5V电压工作的电路得到足够电压、后两个模式务必断开此开关以防止高压损坏这些电路

5V电路上电后，红色的"PWR"LED亮起

 

隔离接口部分的电源可以通过"ISOPWR"开关进行控制

隔离部分产生足够电压后，黄色的"ISO5V“LED亮起

 

调试接口的引脚定义在PCB板上提供，若断开隔离电源，则这些接口不会工作

CH340主机端的电源不可断开

CH341有I2C / UART两个互斥的功能，由上电时拨动开关状态决定。"CH341PWR"开关提供了一个不断开总电源前提下切换CH341T功能的方法，也可在不用时断开以降低功耗

UART模式下绿色的”UART“LED亮起，I2C模式下蓝色的”I2C“LED亮起

 

• 设计与选件：

（具体架构见原理图插图）

 

4口低速隔离，4口高速不隔离的方案应该可以满足大部分嵌入式调试需求

这需要3片4口USB HUB芯片，FE8.1在满足速度的前提下外围简洁

接口选用短口、立插的款式

 

USB隔离选用ADI的ADUM4160外围简洁，但速率被限制到12MBps

 

剩下的两个USB通道则用于自带的调试接口，

一路UART专属通道选择了常用的CH340G（也可使用CH340C，可以省略晶振）

另一路由于有I2C调试需求，故选择CH341T，价格适中

 

UART隔离选用CA-IS3721，可以提供高速双向隔离；UART信号隔离选择Π131U31，不要求速度；I2C隔离使用Π220N31

 

USB-C PD诱骗芯片选用IP2721，提供15V诱骗电压输出，在支持PD输出的接口使用可以省去外接电源

 

电源降压芯片选择MT2496，SOT23-6的小封装下提供了高效率与2A的电流输出（可以用SY8113代换）

 

隔离电源选用升压芯片为核心的反激拓扑电路，计算详见原理图注释

 

还需要4个15mm高的铜柱/尼龙柱做支撑，以及配套的螺丝螺母等五金件

 

• 焊接调试：

使用立创EDA设计，4层板设计也可免费打样，板厚选择1~1.6mm均可，较厚的板厚机械强度也高

 

焊接必需分布进行，焊接、调试完一部分后再进行下一部分，防止可能的损坏蔓延与方便DEBUG

首先插上8个USB口：

 

接着用锡膏焊接初级电源的贴片件：

测试输入诱骗和5V降压电路；之后焊接隔离电源的贴片部分：

之后开始绕制隔离电源变压器：基于EE16 4+4卧式骨架 （参数都在原理图注释里提供了）

按图示脚位和方向绕制1/2初级绕组 总长120cm 0.35漆包线双线并绕9圈：（另一半骨架不小心掰断了）

剩下的线头用作剩下的一半初级绕组，9mm高温胶带绕上3圈；

接着如图绕制次级主绕组（5V绕组）64cm 直径0.2mm的三重绝缘线三线并绕6圈，绕上一圈高温胶带后折返回去

再绕2圈高温胶带

接着如图绕制另外两个次级绕组：

3圈高温胶带后，将初级绕组剩下的线头从变压器另一端绕回去并焊接到骨架上，绕上最后的绝缘胶带

装上磁芯，利用垫气隙/磨气隙等方法，将初级开路电感控制在7uH，此时垫气隙的高度为0.9mm

焊接初级的HUB电路，安装变压器与其他隔离电源直插件

测试这两个电路

之后剩下的隔离HUB、CH340、CH341请自行分步焊接调试

 

本设计没有可编程器件，不需要进行编程，但需要CH340和CH341的驱动程序。

 

• 实物图和调试图片：

（运行时正面）

（运行时背面）

（1cm散热片与15mm尼龙柱的简易成品）

 

  

(CH340 XIN)                                                                                                                                 

          (CH340 XOUT)

  

(CH341T XIN)                                                                                                                               

          (CH341T XOUT)

 

          5V降压电源的一些波形：

          

          (MT2496 15VIN空载SW)

          

          (MT2496 15VIN 500mAOUT SW)

          

          (XL4019 5VIN 500mA SW)

          

          (XL6019 5V空载SW)

          

          (XL6019 15V空载SW)

          

          (XL6019 15V 500mAOUT SW)

 

 

          使用附件提供的软件对CH340 CH341T测试：

          

         (CH340 CH341T串口对发)

         

         (CH341T I2C模式读取LM75A温度寄存器)