一拖四USB-Hub

项目简介

本项目是一款基于 CH344P 芯片的一拖四 USB-HUB，拥有 1 个 USB 上行端口和 4 个 USB 下行端口，可满足电脑等设备 USB 接口不足的需求。
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项目功能

本设计是基于沁恒微电子 CH344P 芯片设计的一拖四 USB-HUB：

• 上行端口支持 USB 2.0 高速（480 Mbps）及全速（12 Mbps）连接至主机；
• 下行端口支持 USB 2.0 高速（480 Mbps）、全速（12 Mbps）及低速（1.5 Mbps），兼容鼠标、键盘、U盘、嵌入式开发板烧录器等各类 USB 设备；
• 板载 LED 状态指示灯，可直观反映芯片枚举状态；
• 采用 CH213 理想二极管芯片，提供过流与短路保护功能；
• 配有 3D 打印定制外壳，结构紧凑，便于日常使用。

项目参数

• 主控芯片：沁恒微电子 CH344P，QFN-16 封装；
• 上行接口：USB 2.0 Type-A（连接主机），支持高速 480 Mbps；
• 下行接口：4 × USB 2.0 Type-A，支持高速 / 全速 / 低速；
• 供电方式：通过上行 USB 接口取电，工作电压 5 V；
• 电源保护：CH213 低压降理想二极管，具备过流与短路保护；
• 片内 LDO：CH344P 内置 3.3 V LDO，无需外部稳压芯片；
• 指示灯：1 × LED 状态指示，配套直径 2 mm 导光柱；
• 外壳材料：FDM 3D 打印，尺寸与 PCB 精确匹配。

原理解析（硬件说明）

本项目由以下几个部分组成：电源与保护电路、USB-HUB 主控电路、晶振电路、指示灯电路。

整体思路是以 CH344P 为核心，通过最简外围电路实现完整的 USB 扩展功能。

图1 — 完整原理图

电源与保护电路：

上行 USB 接口提供 5 V 输入，经 CH213 低压降理想二极管进行过流和短路保护后，分配至各下行端口的 VBUS。CH344P 内置 3.3 V LDO，可由 5 V 直接供电，片内输出 3.3 V 供芯片逻辑部分使用，无需外部稳压电路。

为防止 USB 设备热插拔瞬间动态负载导致 VBUS 跌落触发 LVR（低电压复位），LDO 输出端滤波电容选用 22 µF，有效抑制热插拔引起的 HUB 断连问题。

USB-HUB 主控电路：

CH344P 上行端口的 D+ 连接芯片 DPU 引脚，D- 连接 DMU 引脚。下行端口各 D+/D- 对应连接各组 DP/DM 引脚，信号线按差分对规则等长等距走线，不在中途换层打孔。

晶振电路：

芯片需要外接 12 MHz 晶振提供时钟。晶振须选择负载电容小于 16 pF 的型号（本项目使用 12 pF）。芯片内部已内置约 16 pF 振荡电容，无需在外部再加电容。选型错误（如使用 20 pF 负载电容）将导致晶振无法起振，系统完全无法工作，是本项目最重要的注意事项。

PCB顶层

PCB底层

软件代码

本项目无需编写任何固件代码，CH344P 为免驱芯片，上电即可自动完成 USB 枚举，主流操作系统（Windows / macOS / Linux）均可免驱使用。

注意事项

• 晶振负载电容：必须选择负载电容小于 16 pF 的型号（推荐 12 pF）。过大的负载电容会导致晶振无法起振，整个系统无法正常运行，这是本项目最容易踩坑的地方；
• USB 线缆选购：购买 USB 连接线时请确认为 4 芯数据线，勿购买仅有 2 芯的纯充电线，否则无法传输数据；
• 主控芯片焊接：CH344P 为 QFN-16 无引脚封装，使用电烙铁手工焊接难度较大，强烈建议使用热风枪 + 加热台 + 锡膏进行回流焊接；
• 导光柱：LED 发光孔孔径较小，不加导光柱时光线发散严重，亮度极低。建议配套使用直径 2 mm 以内的导光柱，截取合适长度插入孔内，可获得柔和均匀的指示效果；
• 接线固定：USB 线缆进入外壳处建议使用光固化胶进行固定，防止线缆受力损伤焊点。

测试流程

图1：焊接电源部分后上电，测量各下行端口 VBUS 电压是否正常输出 5 V

图2：测量芯片 VDD33 引脚，确认 3.3 V LDO 输出正常

图3：完成全部元件焊接，接线处使用光固化胶固定

图5：放在3D外壳的效果

实物图