TUSB4041I四端口USB 2.0集线器：特性、应用与设计要点

在电子设备日益普及的今天，USB接口的应用无处不在。对于需要扩展USB端口数量的设备来说，一款性能出色的USB集线器至关重要。今天我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的TUSB4041I四端口USB 2.0集线器。

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一、TUSB4041I特性亮点

1. 兼容性与连接能力

TUSB4041I兼容Type C，可在上行端口提供USB高速或全速连接，下行端口则能提供高速、全速或者低速连接。当上行端口连接到不同电气环境时，下行端口的连接模式会相应调整，这种灵活的连接方式能适应多种设备需求。而且它无需特殊驱动程序，可与任何支持USB堆叠的操作系统无缝协作，大大简化了开发过程。

2. 封装与功能特性

采用64引脚耐热增强型薄型四方扁平（HTQFP）封装（PAP），具有多事务转换器（MTT）集线器功能，四个事务转换器每个都配备四个异步端点缓冲器，有效提升数据处理能力。同时，它还支持USB电池充电，具备充电下行端口（CDP）模式和专用充电端口（DCP）模式，DCP模式符合中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009，为设备充电提供了可靠保障。

3. 可定制配置

该器件支持通过一次性可编程（OTP）只读存储器（ROM）、串行EEPROM或I2C和SMBus受控接口进行自定义配置，可对$V{ID}$、$P{ID}$、生产商和产品字串、序列号等进行定制，还能提供128位通用唯一标识符（UUID），满足不同用户的个性化需求。

二、TUSB4041I应用场景

1. 计算机系统

在计算机系统中，TUSB4041I可用于扩展USB端口数量。例如，一些笔记本电脑可能只有有限的USB端口，通过使用TUSB4041I，可轻松增加下游端口数量，方便连接更多的外部设备，如USB硬盘、相机、闪存驱动器等。

2. 扩展坞与监视器

扩展坞和监视器通常需要多个USB端口来连接不同的设备，TUSB4041I的多端口特性使其成为这些设备的理想选择。它能为用户提供便捷的设备连接体验，实现数据传输和设备充电的功能。

3. 机顶盒

机顶盒也可以利用TUSB4041I扩展USB端口，方便连接其他USB设备，如游戏手柄、无线网卡等，提升机顶盒的功能和使用范围。

三、TUSB4041I详细设计要点

1. 电池充电功能

TUSB4041I的电池充电功能丰富多样。它支持CDP和DCP模式，DCP模式符合相关标准。此外，还提供自动模式（AUTOMODE），能根据连接的便携式设备自动在分压器模式和DCP模式之间切换。分压器模式可在端口的DP和DM信号上施加固定直流电压，方便一些设备识别充电器的能力，默认支持高达10W，也可通过寄存器配置为传统电流设置（高达5W）。每个端口的电池充电模式取决于Reg_6h(batEn[n])、VBUS输入状态和REG_Ah(autoModeEnz)等因素。

2. USB电源管理

在电源管理方面，TUSB4041I可通过REG_5h(fullPwrMgmtz)启用电源开关支持，并通过REG_5h(ganged)配置为端口独立控制或成组控制模式。同时，它支持有源高和有源低两种电源使能控制，PWRCTL[4:1]的极性可通过REG_Ah(pwrctlPol)进行配置，为不同的电源管理需求提供了灵活的解决方案。

3. 时钟与晶体要求

时钟方面，TUSB4041I可接受晶体输入驱动内部振荡器，也可使用外部时钟源。若使用晶体，晶体必须为基模，负载电容为12 - 24pF，频率稳定性评级为±100PPM或更好，最大等效串联电阻（ESR）建议不超过50Ω。使用外部时钟源时，参考时钟频率稳定性也需达到±100PPM或更好，绝对峰 - 峰抖动小于50ps。在PCB布局时，要注意XI和XO引脚的连接，尽量缩短走线长度，避免靠近开关引线，并通过清洁的接地线屏蔽电容，以减少干扰。

4. 电源与复位要求

TUSB4041I在电源方面，$V{DD}$和$V{DD33}$没有特定的电源排序要求，但需满足最大额定值和推荐工作条件，注意避免总线争用。设备需要至少3ms的复位持续时间，可使用可编程延迟监控设备或RC电路生成复位脉冲。

四、典型应用设计案例

1. 设计参数选择

以一个常见的自供电独立USB集线器产品为例，设计参数如下：$V{DD}$为1.1V，$V{DD33}$为3.3V，上游端口支持高速和全速USB，下游四个端口均支持高速、全速和低速USB，四个下游端口均可移除，采用全功率管理和端口独立控制，电源开关使能极性为有源高，四个下游端口均支持电池充电，使用晶体作为24MHz时钟源。

2. 详细设计步骤

• 上游端口实现：将TUSB4041I的上游端口连接到USB2 Type B连接器，GANGED引脚和FULLPWRMGMTZ引脚拉低，实现下游端口的独立电源支持。VBUS信号通过电压分压器连接，确保满足USB_VBUS输入要求。
• 下游端口实现：每个下游端口连接到USB2 Type A连接器，通过拉高BATEN引脚来启用电池充电支持。若不需要电池充电功能，可移除相应的上拉电阻。
• VBUS电源开关实现：可选用TI的TPS2561双通道精密可调电流限制电源开关，具体可参考TI官网获取更多信息。
• 时钟、复位和杂项设计：PWRCTLPOL引脚不连接，实现USB VBUS电源开关的有源高电源使能。GRSTN引脚上的1µF电容使用需根据$V{DD}$和$V_{DD33}$的电源斜坡情况进行调整。

五、电源供应与布局建议

1. 电源供应

$V{DD}$和$V{DD33}$应分别实现为单个电源平面，$V{DD}$为器件核心提供1.1V（标称）电源，$V{DD33}$为I/O提供3.3V电源。可使用铁氧体磁珠将这两个电源轨与其他电源轨隔离，以减少噪声。同时，所有电源轨都需要10µF或1µF的电容来保证稳定性和抗噪声能力，小的去耦电容应尽可能靠近TUSB4041I的电源引脚。

2. 下游端口电源

下游端口电源VBUS需由能够提供5V和每个端口高达500mA电流的电源提供，TUSB4041I信号可控制下游端口电源开关，也可选择始终启用下游端口电源。每个下游端口的VBUS需要一个22µF或更大的大容量低ESR电容来限制浪涌电流，并且建议在下游USB端口连接的VBUS引脚上使用铁氧体磁珠，以提高ESD和EMI性能。

3. 布局建议

• 元件放置：将9.53kΩ ± 1%电阻尽可能靠近TUSB4041I的USBR1引脚，每个$V{DD}$和$V_{DD33}$电源引脚附近放置0.1µF电容，ESD和EMI保护器件靠近USB连接器。若使用晶体，应将其靠近XI和XO引脚，电压调节器应远离TUSB4041I、晶体和差分对。
• 封装特定要求：TUSB4041I封装引脚间距为0.5mm，有一个4.64mm × 4.64mm的散热垫，需通过过孔系统连接到地面。除连接到散热垫的过孔外，对器件下方的所有过孔进行阻焊处理。
• 差分对布局：USB_DP_XX和USB_DM_XX等差分对的设计应保证差分阻抗为90Ω ± 10%，高速信号之间应保持至少5倍信号走线宽度的距离，可通过接地隔离来减少串扰。差分对应在同一层相邻的实心接地平面上布线，避免跨越平面分割，尽量减少过孔和90°转弯的使用，匹配差分对的蚀刻长度，最大走线长度建议不超过8英寸，相对走线长度差不超过50mil。

六、总结

TUSB4041I四端口USB 2.0集线器凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和灵活的设计配置，为电子工程师在USB端口扩展设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际设计过程中，我们需要充分考虑其各项特性和要求，合理选择设计参数，精心布局PCB，以确保设备的性能和稳定性。希望本文能为广大电子工程师在使用TUSB4041I进行设计时提供一些有价值的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。