TUSB8042四端口USB 3.1 1代集线器：特性、应用与设计指南

在电子设备不断发展的今天，USB接口的应用越来越广泛，对USB集线器的需求也日益增长。TUSB8042作为一款四端口USB 3.1 1代集线器，为电子工程师提供了强大的功能和丰富的应用场景。今天，我们就来深入了解一下TUSB8042的特性、应用以及设计要点。

文件下载：tusb8042.pdf

一、TUSB8042特性概览

1. 端口连接能力

TUSB8042在上行端口可提供同步超快速和高速/全速USB连接，下行端口则可提供超快速、高速、全速或者低速USB连接。不过，当上行端口连接到仅支持高速或全速/低速连接的电气环境中时，下行端口上的超快速USB连接将会禁用；若上行端口仅支持全速/低速连接，下行端口的超快速USB和高速连接都将被禁用。

2. 电池充电支持

该器件支持多种电池充电模式，具有很强的灵活性。在未连接或未配置上行端口时，支持D+/D - 分频器充电端口（ACP1、ACP2和ACP3）；未连接上行端口时，支持自动模式在DCP或ACP模式之间切换，还支持Galaxy充电。同时，它提供充电下行端口（CDP）模式（上行端口已连接）和专用充电端口（DCP）模式（上行端口未连接），其中DCP模式符合中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009。

3. USB 2.0集线器特性

它是一个多事务转换器（MTT）集线器，拥有四个事务转换器，且每个事务转换器具有两个异步端点缓冲器。

4. 其他特性

支持用作USB 3.1 1代或者USB 2.0复合器件；支持每端口或成组电源开关以及过流通知输入；支持四个外部下行端口；支持读取和写入I2C的供应商请求，并且在100k和400k（默认）条件下支持EEPROM读取；I2C主机支持时钟拉伸；可使用一次性可编程（OTP）ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus受控接口进行自定义配置，包括VID和PID、端口定制、生产商和产品字串（OTP ROM不支持）、序列号（OTP ROM不支持）；可使用引脚选择、EEPROM或I2C/SMBus从机接口选择应用特性；提供128位通用唯一标识符（UUID）；单时钟输入，24MHz晶振或者振荡器；下行端口仅可对USB 2.0进行配置；采用64引脚QFN封装（RGC），商用版的工作温度范围为0°C至70°C。

二、TUSB8042的应用场景

TUSB8042可应用于多种需要额外USB端口的场景，如计算机系统、扩展坞、监视器和机顶盒等。以笔记本电脑为例，有些笔记本可能只有两个下游USB端口，使用TUSB8042后，可将下游端口数量增加到五个，大大扩展了设备的连接能力。

三、TUSB8042设计要点

1. 电源供应

• TUSB8042电源供应：$V{DD}$和$VDD33$应分别实现为单个电源平面。$V{DD}$为TUSB8042核心提供1.1 V（标称）电源，可通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离以减少噪声。需注意铁氧体磁珠的直流电阻对器件电压的影响，可调整核心电压调节器输出或选择低直流电阻（小于0.05 Ω）的磁珠。$VDD33$为TUSB8042的I/O提供3.3 V电源轨，同样可通过铁氧体磁珠隔离。所有电源轨都需要10 µF或1 µF电容来保证稳定性和抗噪性，小的去耦电容应尽量靠近TUSB8042电源引脚放置。
• 下游端口电源：下游端口电源VBUS必须由能够提供5V和每个端口高达900 mA的电源提供。下游端口电源开关可由TUSB8042信号控制，也可一直开启。每个下游端口的VBUS需要一个22 µF或更大的大容量低ESR电容来限制浪涌电流。USB下游端口连接的VBUS引脚上的铁氧体磁珠推荐使用，以用于ESD和EMI防护。
• 接地设计：建议在设计中仅使用一个电路板接地平面，为信号走线提供最佳镜像平面。TUSB8042的散热片和任何电压调节器应通过过孔连接到该平面。为了EMI和ESD目的，在USB端口连接器附近的不同平面上实现接地或底盘接地。

2. 引脚配置与功能

文档详细列出了TUSB8042各个引脚的名称、编号、输入/输出类型和描述，包括时钟和复位信号、USB上游信号、USB下游信号、I2C/SMBUS信号、测试和杂项信号以及电源和接地信号等。例如，GRSTz引脚用于全局电源复位，XI和XO引脚用于时钟输入和输出等。工程师在设计时需要根据实际需求正确连接和配置这些引脚。

3. 布局设计

布局准则

• 元件放置：9.53K +/-1%电阻应尽可能靠近TUSB8042的USB_R1引脚；每个VDD和VDD33电源引脚附近应放置0.1 µF电容；SSTXP和SSTXM网络上的100 nF电容应靠近USB连接器；ESD和EMI保护器件应靠近USB连接器；如果使用晶体，应尽可能靠近TUSB8042的XI和XO引脚；电压调节器应远离TUSB8042、晶体和差分对；与每个电源轨相关的大容量电容应靠近电压调节器放置。
• 封装特定要求：TUSB8042封装的引脚间距为0.5 mm，有一个6.0-mm x 6.0-mm的散热片，必须通过过孔系统连接到地；除连接到散热片的过孔外，器件下方的所有过孔都应进行阻焊处理。
• 差分对布局：差分对（如USB_DP_XX、USB_DM_XX、USB_SSTXP_XX等）的设计应满足90 Ω ±10%的差分阻抗要求；为减少串扰，高速信号应相互远离，每对之间应至少间隔5倍信号走线宽度，也可使用接地隔离；所有差分对应在同一层上靠近实心接地平面布线；避免在差分对走线中使用过孔，若必须使用，应确保同一对信号使用相同类型和位置的过孔；差分对走线应尽量短，SS差分对信号和USB 2.0差分对信号的最大推荐走线长度为八英寸；匹配差分对走线的蚀刻长度，SS差分对信号与其互补信号之间的长度差应小于5 mils，USB 2.0差分对的相对走线长度差不应超过50 mils。

布局示例

文档提供了上游端口和下游端口的布局示例，为工程师在实际设计中提供了参考。

四、总结

TUSB8042以其丰富的特性和广泛的应用场景，成为电子工程师在设计USB集线器时的一个不错选择。在设计过程中，需要充分考虑电源供应、引脚配置和布局设计等要点，以确保TUSB8042能够稳定、高效地工作。同时，工程师还可以根据具体的应用需求，利用TUSB8042的可定制特性，实现个性化的设计。

大家在使用TUSB8042的过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有什么独特的设计思路呢？欢迎在评论区分享交流。