TUSB2077A：7端口USB集線器的深度解析與設(shè)計(jì)應(yīng)用

作為一名電子工程師，在日常的硬件設(shè)計(jì)開發(fā)中，我們常常會(huì)遇到需要擴(kuò)展USB端口的場(chǎng)景。今天要給大家詳細(xì)介紹一款頗受歡迎的USB集線器——德州儀器（TI）的TUSB2077A。它是一款符合USB 2.0規(guī)范的3.3V CMOS設(shè)備，最多可提供七個(gè)下游端口，為我們的設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。

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產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

功能特性豐富

• 全面兼容USB規(guī)范：作為全速集線器，TUSB2077A完全符合USB規(guī)范，集成了USB收發(fā)器，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與高效。
• 雙電源模式支持：支持總線供電和自供電兩種模式。自供電模式下可支持七個(gè)下游端口，總線供電模式下支持四個(gè)下游端口，滿足不同的應(yīng)用需求。
• 高低速設(shè)備兼容：下游端口能夠自動(dòng)根據(jù)連接設(shè)備的速度設(shè)置轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)支持全速和低速設(shè)備。
• 可視化狀態(tài)監(jiān)控：配備三個(gè)LED指示燈控制輸出引腳，可實(shí)現(xiàn)對(duì)集線器及其下游端口六種不同狀態(tài)的可視化監(jiān)控，方便我們實(shí)時(shí)了解設(shè)備的工作狀態(tài)。

設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)顯著

• 無需軟件編程：采用數(shù)字狀態(tài)機(jī)而非微控制器實(shí)現(xiàn)，無需進(jìn)行軟件編程，簡化了設(shè)計(jì)流程，降低了開發(fā)難度。
• 降低成本：引入了新的功能引腳，如DP0上拉電阻禁用端子DP0PUR，便于實(shí)現(xiàn)板載總線/自供電動(dòng)態(tài)切換電路，同時(shí)減少了外部上拉電阻的使用，有效降低了整體板卡成本。
• 時(shí)鐘靈活性高：可通過MODE引腳選擇6MHz或48MHz的時(shí)鐘源，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多的選擇。

引腳配置與功能詳解

TUSB2077A共有48個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。下面為大家介紹一些關(guān)鍵引腳的作用：

• BUSPWR（10腳）：電源源指示引腳，低電平表示下游端口從USB電纜獲取電源（總線供電模式），高電平（3.3V）表示從本地電源獲取電源（自供電模式）。在設(shè)備運(yùn)行過程中，該輸入電平不能動(dòng)態(tài)改變。
• DMO（4腳）和DPO（3腳）：構(gòu)成上游USB端口的差分?jǐn)?shù)據(jù)引腳，用于與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
• DM1 - DM7和DP1 - DP7：分別為下游USB端口的差分?jǐn)?shù)據(jù)負(fù)端和正端，最多可支持七個(gè)下游端口。
• DPOPUR（2腳）：上拉電阻連接引腳，在系統(tǒng)復(fù)位或BUSPWR引腳電平變化后的15ms內(nèi)，該引腳輸出處于浮空狀態(tài)，之后驅(qū)動(dòng)至高電平（3.3V），直到下一次系統(tǒng)復(fù)位或BUSPWR引腳電平變化。
• EECLK（7腳）和EEDATA/GANGED（8腳）：當(dāng)EXTMEM引腳為低電平時(shí)，它們構(gòu)成串行EEPROM接口的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳；當(dāng)EXTMEM引腳為高電平時(shí)，EEDATA/GANGED引腳用于選擇下游端口的過流檢測(cè)模式（集中式或按端口式）。
• HUBCFG（40腳）、PORTPWR（41腳）和PORTDIS（42腳）：用于控制LED指示燈，分別指示集線器配置狀態(tài)、端口供電狀態(tài)和端口禁用狀態(tài)。

技術(shù)規(guī)格參數(shù)

電氣特性

• 電源電壓范圍：Vcc為3 - 3.6V，輸入和輸出電壓范圍為0 - Vcc。
• 工作溫度范圍：0 - 70°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65 - 150°C。
• ESD防護(hù)能力：人體模型（HBM）為±4000V，充電設(shè)備模型（CDM）為±1500V，具備一定的靜電防護(hù)能力。

信號(hào)特性

• 差分驅(qū)動(dòng)切換特性：在全速模式下，DP或DM的上升和下降時(shí)間為4 - 20ns；在低速模式下，上升和下降時(shí)間為75 - 300ns。
• 輸入輸出閾值：單端輸入的正閾值為1.8V，負(fù)閾值為0.8V，輸入滯后為0.3 - 0.7mV。

應(yīng)用場(chǎng)景與設(shè)計(jì)案例

應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

TUSB2077A適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 docking 站等。在這些場(chǎng)景中，它可以為用戶提供更多的USB端口，方便連接各種外設(shè)，如USB相機(jī)、鍵盤、打印機(jī)等。

典型設(shè)計(jì)案例

以一個(gè)自供電USB集線器產(chǎn)品為例，為大家介紹TUSB2077A的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)：

• 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇：Vcc電源為3.3V，下游端口數(shù)量為7個(gè)，采用按端口式電源管理，時(shí)鐘源選擇6MHz晶體，不使用外部EEPROM，電源源模式為自供電。
• 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟
  • 電源管理：使用TPS2044作為外部電源管理設(shè)備，它能夠?yàn)槊總€(gè)下游端口提供500mA的電流，并實(shí)現(xiàn)按端口式的電流限制。當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)下游端口出現(xiàn)故障時(shí)，僅切斷該端口的電源，其余端口仍可正常工作。
  • 信號(hào)處理：為了減少數(shù)據(jù)線上的浪涌電流和電壓尖峰，使用SN75240瞬態(tài)抑制器。同時(shí)，在所有USB DP、DM信號(hào)對(duì)中串聯(lián)約27Ω的電阻，確保信號(hào)的正確端接。
  • 濾波電容：根據(jù)USB規(guī)范，每個(gè)集線器至少需要120μF的濾波電容，但TI建議每個(gè)端口使用100μF、低ESR的鉭電容，以提高對(duì)電壓下降的抗干擾能力。此外，還可在集線器端子和串聯(lián)電阻之間添加一個(gè)約22pF的可選濾波電容，用于抑制電磁干擾（EMI）。
  • 電壓調(diào)節(jié)：使用TPS76333作為5V - 3.3V的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），為TUSB2077A提供穩(wěn)定的3.3V電源。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

電源供應(yīng)

• TUSB2077A電源：Vcc應(yīng)采用單一電源平面設(shè)計(jì)，并通過鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離，以減少噪聲干擾。同時(shí)，在電源軌上添加10μF或1μF的電容，以提高電源的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
• 下游端口電源：下游端口的電源VBUS必須能夠提供5V電壓和每個(gè)端口高達(dá)500mA的電流。在每個(gè)下游端口的VBUS上添加22μF或更大的大容量低ESR電容，以限制浪涌電流。此外，建議在下游USB端口連接的VBUS引腳上使用鐵氧體磁珠，以提高ESD和EMI防護(hù)能力。

布局設(shè)計(jì)

• 元件放置：將0.1μF的電容盡可能靠近Vcc電源引腳放置；ESD和EMI保護(hù)設(shè)備應(yīng)靠近USB連接器；如果使用晶體，應(yīng)將其放置在靠近XTAL1和XTAL2引腳的位置；電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)遠(yuǎn)離TUSB2077A、晶體和差分對(duì)；與電源軌相關(guān)的大容量電容應(yīng)靠近電壓調(diào)節(jié)器放置。
• 差分對(duì)設(shè)計(jì)：差分對(duì)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足90Ω ±10%的差分阻抗要求，并在同一層上靠近實(shí)心接地平面布線。避免在差分對(duì)上進(jìn)行平面分割，盡量減少測(cè)試點(diǎn)的使用，避免90度轉(zhuǎn)彎，控制差分對(duì)的長度和長度差，減少過孔的使用。
• 接地設(shè)計(jì)：建議在設(shè)計(jì)中僅使用一個(gè)板級(jí)接地平面，為信號(hào)走線提供良好的鏡像平面。TUSB2077A的散熱墊和電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)通過過孔連接到該接地平面。為了提高EMI和ESD防護(hù)能力，可在USB端口連接器附近設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的接地平面。

總結(jié)

TUSB2077A作為一款功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活的7端口USB集線器，在電子工程師的硬件設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過深入了解其特性、引腳功能、技術(shù)規(guī)格和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，我們可以更好地利用這款產(chǎn)品，為我們的設(shè)計(jì)帶來更多的可能性。在實(shí)際應(yīng)用中，大家可以根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)和布局方案，確保產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。希望本文對(duì)大家在使用TUSB2077A進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)有所幫助。你在使用類似USB集線器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。