TUSB2046x 4 - 端口 USB 集線器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)備不斷發(fā)展的今天，USB 接口的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，而 USB 集線器作為擴(kuò)展 USB 端口的重要設(shè)備，其性能和設(shè)計(jì)對于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能性至關(guān)重要。今天我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）的 TUSB2046x 4 - 端口 USB 集線器。

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1. 產(chǎn)品概述

TUSB2046x 是一款 3.3 - V CMOS 集線器設(shè)備，它符合通用串行總線（USB）規(guī)范，作為全速集線器提供一個(gè)上游端口和四個(gè)下游端口。與傳統(tǒng)使用微控制器的設(shè)備不同，TUSB2046x 采用數(shù)字狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，無需進(jìn)行固件編程，這大大簡化了開發(fā)過程。

1.1 特性亮點(diǎn)

• 封裝形式多樣：提供 32 - 引腳 LQFP（0.8 - mm 引腳間距）或 QFN（0.5 - mm 引腳間距）封裝，滿足不同的 PCB 設(shè)計(jì)需求。
• 低功耗設(shè)計(jì)：采用 3.3 - V 低功耗 ASIC 邏輯，降低了系統(tǒng)的整體功耗。
• 集成收發(fā)器：集成了完全符合 USB 規(guī)范的收發(fā)器，所有上游和下游端口都無需額外的外部收發(fā)器，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
• 多速度支持：四個(gè)下游端口支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）操作，可自動(dòng)根據(jù)連接設(shè)備的速度設(shè)置擺率。
• 雙電源模式：支持自供電和總線供電兩種模式，并且提供電源切換和過流報(bào)告功能，可按端口或聯(lián)動(dòng)控制。
• 可配置 ID：支持通過外部串行 EEPROM 進(jìn)行可編程的供應(yīng)商 ID（VID）和產(chǎn)品 ID（PID）設(shè)置，3 態(tài) EEPROM 接口允許 EEPROM 共享。
• 低 EMI 發(fā)射：通過 6 - MHz 晶體輸入實(shí)現(xiàn)低電磁干擾（EMI）發(fā)射，提高了系統(tǒng)的電磁兼容性。
• 成本優(yōu)勢：從成熟的 TUSB2040 集線器遷移而來，成本更低，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靜電放電（ESD）性能。

1.2 應(yīng)用場景

TUSB2046x 適用于多種應(yīng)用場景，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 docking 站等。在這些場景中，它可以方便地?cái)U(kuò)展 USB 端口數(shù)量，連接更多的 USB 設(shè)備。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)解析

2.1 引腳配置與功能

TUSB2046x 的引腳配置涵蓋了電源、數(shù)據(jù)傳輸、EEPROM 接口、控制信號(hào)等多個(gè)方面。例如，BUSPWR 引腳用于指示下游端口的電源來源（總線供電或自供電）；DMO 和 DPO 構(gòu)成上游 USB 端口的差分?jǐn)?shù)據(jù)對；DM1 - DM4 和 DP1 - DP4 分別支持四個(gè)下游 USB 端口。

2.2 時(shí)鐘生成

TUSB2046x 的時(shí)鐘配置非常靈活，可通過 TSTMODE 引腳選擇 6 - MHz 晶體輸入或 48 - MHz 輸入時(shí)鐘。

• 6 - MHz 輸入時(shí)鐘：在這種模式下，TSTMODE 和 TSTPLL/48MCLK 引腳都需接地，芯片使用 XTAL1 和 XTAL2 引腳的 6 - MHz 時(shí)鐘，內(nèi)部 PLL 生成 48 - MHz 和 12 - MHz 時(shí)鐘。
• 48 - MHz 輸入時(shí)鐘：TSTMODE 引腳接 3.3 - V VCC，TSTPLL/48MCLK 引腳連接 48 - MHz 時(shí)鐘源（非晶體），XTAL2 引腳浮空。

2.3 電源管理

TUSB2046x 支持四種電源管理模式，通過 BUSPWR 和 EEDATA/GANGED 輸入的組合實(shí)現(xiàn)：總線供電集線器的單端口或聯(lián)動(dòng)電源管理，以及自供電集線器的單端口或聯(lián)動(dòng)電源管理。在過流保護(hù)方面，可選擇單個(gè)端口管理或聯(lián)動(dòng)端口管理。單個(gè)端口管理雖然需要為每個(gè)下游端口配備電源管理設(shè)備，但在過流時(shí)僅關(guān)閉有問題的端口，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性；聯(lián)動(dòng)配置則使用較少的電源管理設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本，但過流時(shí)會(huì)關(guān)閉所有聯(lián)動(dòng)端口。

2.4 編程與 EEPROM 接口

通過 EXTMEM 引腳可以啟用或禁用可選的 EEPROM 接口。當(dāng) EXTMEM 引腳為高時(shí)，枚舉期間顯示的產(chǎn)品 ID 為通用 USB 集線器；當(dāng)為低時(shí)，可使用自定義的 VID 和 PID 描述符。EEPROM 的編程涉及特定的操作步驟，包括發(fā)送起始位、讀取指令和起始字地址等。

3. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用信息

USB 的優(yōu)勢在于能夠?qū)?127 個(gè)功能配置在最多 6 個(gè)邏輯層（層級(jí)）連接到單個(gè)個(gè)人計(jì)算機(jī)，并且所有外設(shè)都使用標(biāo)準(zhǔn)化的 4 - 線電纜進(jìn)行連接，同時(shí)提供通信和電源分配。在電源配置方面，分為總線供電和自供電兩種模式，不同模式下每個(gè)下游端口的最大供電電流不同。

3.2 典型應(yīng)用示例

以自供電 USB 集線器產(chǎn)品為例，TUSB2046x 的上游端口通過 USB 電纜連接到 USB 主機(jī)控制器，下游端口供用戶連接 USB 攝像頭、鍵盤、打印機(jī)等設(shè)備。在設(shè)計(jì)時(shí)，使用 TPS2044 可實(shí)現(xiàn)單個(gè)端口的電源管理，SN75240 瞬態(tài)抑制器可減少數(shù)據(jù)線上的浪涌電流和電壓尖峰。

4. 設(shè)計(jì)建議

4.1 電源供應(yīng)

• TUSB2046x 電源：VCC 引腳為芯片的 I/O 提供 3.3 - V 電源，可通過鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離以減少噪聲。所有電源軌需要 10 - μF 或 1 - μF 的電容來保證穩(wěn)定性和抗噪聲能力，較小的去耦電容應(yīng)盡可能靠近芯片電源引腳。
• 下游端口電源：下游端口電源 VBUS 需由能夠提供 5 V 和每個(gè)端口最多 500 mA 電流的電源供應(yīng)。每個(gè)下游端口的 VBUS 需要 22 μF 或更大的大容量低 ESR 電容來限制浪涌電流，同時(shí)建議在 VBUS 引腳使用鐵氧體磁珠以提高 ESD 和 EMI 性能。

4.2 布局設(shè)計(jì)

• 元件放置：0.1 - μF 電容應(yīng)盡可能靠近 V 電源引腳；ESD 和 EMI 保護(hù)設(shè)備應(yīng)靠近 USB 連接器；晶體應(yīng)靠近 XTAL1 和 XTAL2 引腳；電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)遠(yuǎn)離芯片、晶體和差分對。
• 差分對設(shè)計(jì)：差分對的設(shè)計(jì)需要滿足 90Ω ±10% 的差分阻抗，在同一層相鄰的實(shí)心接地平面上布線，避免 90 度轉(zhuǎn)彎和過長的走線，匹配差分對的蝕刻長度，盡量減少過孔的使用。
• 接地設(shè)計(jì)：建議使用單一的電路板接地平面，TUSB2046x 的熱焊盤和電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)通過過孔連接到該平面，USB 端口連接器附近可設(shè)置單獨(dú)的接地平面用于 EMI 和 ESD 防護(hù)。

5. 總結(jié)

TUSB2046x 作為一款功能強(qiáng)大的 USB 集線器，具有諸多優(yōu)勢，如無需固件編程、靈活的電源管理、可配置的 VID 和 PID 等。在設(shè)計(jì)過程中，合理的電源供應(yīng)和布局設(shè)計(jì)對于保證芯片的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。電子工程師在使用 TUSB2046x 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其特性和要求，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。你在使用類似 USB 集線器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。