深入解析TUSB4020BI双端口USB 2.0集线器：特性、应用与设计要点

一、引言

在当今的电子设备中，USB接口的使用非常广泛。为了满足多设备连接的需求，USB集线器成为了必不可少的配件。TUSB4020BI作为一款双端口USB 2.0集线器，具备多种先进特性和广泛的应用场景。本文将对TUSB4020BI进行详细的分析，希望能为电子工程师们的设计工作提供有价值的参考。

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二、产品特性剖析

2.1 USB 2.0集线器特性

TUSB4020BI是一款双端口USB 2.0集线器，采用了多事务转换器（MTT）设计，配备两个事务转换器，而且每个事务转换器都有四个异步端点缓冲器，这大大提高了数据的传输处理能力。同时，它兼容Type - C接口，还支持电池充电功能。其电池充电支持包括CDP模式（上行端口已连接）和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。

2.2 定制配置灵活性

该器件支持通过OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus目标接口进行定制配置。可以对VID和PID、端口定制、制造商和产品字符串（非通过OTP ROM）以及序列号（非通过OTP ROM）等参数进行设置，还能使用端子选择、EEPROM或I2C/SMBus目标接口选择应用特性。此外，它还提供了128位通用唯一标识符（UUID），并且支持通过USB 2.0上行端口进行板载和系统内OTP/EEPROM编程。

2.3 时钟与驱动要求

TUSB4020BI只需单个时钟输入，可使用24MHz晶体或晶振。而且它无需特殊驱动程序，能够与任何支持USB堆叠的操作系统无缝协作，这为工程师的开发工作提供了极大的便利。

三、应用领域探索

TUSB4020BI的应用场景十分广泛，常见于计算机系统、扩展坞、监控器和机顶盒等设备中。以计算机系统为例，当笔记本电脑的USB端口数量不足时，使用TUSB4020BI可以轻松增加下游端口数量，满足更多设备的连接需求。

四、详细功能说明

4.1 端口连接与速度支持

TUSB4020BI在上行端口提供USB高速/全速连接，在两个下行端口提供USB高速、全速或低速连接。当上行端口连接到支持高速和全速/低速连接的电气环境时，下行端口的高速和全速/低速USB连接功能将被启用；若上行端口连接到只支持全速/低速连接的环境，下行端口的高速连接则会被禁用。

4.2 电源管理模式

它支持每端口或者成组电源开关和过流保护。在端口电源单独控制模式下，USB主机可对每个下行端口的电源进行独立控制，当检测到过流事件时，仅关闭受影响的下行端口电源；而成组集线器模式下，需要为任一端口供电时会开启所有下行端口的电源，检测到过流事件时则关闭所有下行端口的电源。

4.3 电池充电模式

TUSB4020BI的下行端口支持电池充电下行端口（CDP）握手，未连接上行端口时还支持专用充电端口（DCP）模式。此外，它还提供自动模式（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，为不同的电池充电应用提供了更灵活的解决方案。

五、引脚配置与功能

TUSB4020BI采用48引脚HTQFP封装，其引脚功能丰富多样。例如，时钟和复位信号引脚GRSTz用于全局电源复位，XI和XO用于晶体输入和输出；USB上下游信号引脚负责数据的传输和电源监测；I2C/SMBUS信号引脚可用于设备的配置和通信；测试和其他信号引脚用于设置工作模式和电源控制极性等。详细的引脚功能可参考文档中的表4 - 1。

六、规格参数解读

6.1 绝对最大额定值

在使用TUSB4020BI时，必须注意其绝对最大额定值，如电源电压、引脚电压、工作结温以及存储温度等。超出这些额定值可能会对器件造成永久性损坏，因此在设计中要确保各项参数在安全范围内。

6.2 ESD额定值

该器件的ESD额定值显示了其对静电放电的抵抗能力。其中，人体模型（HBM）为 +4000V，带电设备模型（CDM）为 +1500V，这表明在使用过程中需要采取适当的静电防护措施，以避免器件损坏。

6.3 推荐工作条件

文档中给出了TUSB4020BI的推荐工作条件，包括电源电压、工作温度范围等。在实际设计中，应尽量使器件工作在这些推荐条件下，以保证其性能的稳定性和可靠性。

七、应用与实现要点

7.1 晶体与时钟要求

如果使用晶体，晶体必须为基模，负载电容在12pF至24pF之间，频率稳定性评级为±100PPM或更好，且最大晶体等效串联电阻（ESR）建议不超过50Ω。使用外部时钟源时，要确保参考时钟频率稳定性为±100PPM或更好，绝对峰 - 峰值抖动小于50ps。

7.2 典型应用设计

以常见的自供电独立USB集线器应用为例，TUSB4020BI的上行端口通过USB电缆连接到USB主机控制器，下行端口供用户连接USB硬盘、相机、闪存驱动器等设备。在设计时，要特别注意上下游端口的实现细节，如电压分压、电源开关控制、电池充电支持等。同时，电源供应也非常关键，VDD和VDD33电源平面的设计、下游端口电源的供应以及接地的处理都需要遵循一定的原则。

7.3 布局注意事项

在PCB布局方面，要遵循一系列的指导原则，包括电阻和电容的放置位置、ESD和EMI保护器件的安装、差分对的布线等。例如，要保证TUSB4020BI的USB_R1引脚连接的9.53kΩ ±1%电阻尽可能靠近器件；差分对的布线要保证阻抗匹配、减少串扰和长度不匹配等问题。

八、总结与思考

TUSB4020BI双端口USB 2.0集线器凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。然而，在实际设计过程中，我们还需要充分考虑各种因素，如晶体和时钟的选择、电源管理的优化、布局布线的合理性等。只有这样，才能充分发挥TUSB4020BI的性能优势，设计出高质量、稳定可靠的电子设备。大家在使用TUSB4020BI的过程中，遇到过哪些挑战和问题呢？又有哪些独特的解决方案呢？欢迎在评论区分享交流。