TUSB8041：四端口 USB 3.0 集线器的卓越之选

在电子设备高度互联的今天，USB 接口的拓展需求日益增长。TUSB8041 作为一款四端口 USB 3.0 集线器，为我们提供了强大且灵活的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款芯片的特点、应用以及设计要点。

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产品概述

TUSB8041 是一款符合 USB 3.0 标准的四端口集线器，它能够在 upstream 端口同时提供 SuperSpeed USB 和高速/全速连接，而在 downstream 端口则可提供 SuperSpeed USB、高速、全速或低速连接。当 upstream 端口连接到仅支持高速或全速/低速连接的电气环境时，downstream 端口的 SuperSpeed USB 连接将被禁用；若 upstream 端口仅支持全速/低速连接，downstream 端口的 SuperSpeed USB 和高速连接都将被禁用。

关键特性剖析

充电及电源管理特性

• 电池充电支持：TUSB8041 在每个端口都可单独启用电池充电功能，支持 Charging Downstream Port (CDP) 和 Dedicated Charging Port (DCP) 模式，其中 DCP 模式符合中国电信行业标准 YD/T 1591 - 2009。此外，还有自动模式（AUTOMODE），可根据连接的便携式设备自动在 divider 模式和 DCP 模式之间切换，默认 divider 模式支持高达 5W 的充电功率，还可通过 REG_Ah (HiCurAcpModeEn) 配置为高电流设置（高达 10 W）。
• 电源管理：可通过 per-port 或 ganged 电源启用控制以及过流状态输入进行配置。电源开关支持由 REG_5h (fullPwrMgmtz) 启用，per-port 或 ganged 模式由 REG_5h(ganged) 配置，支持高电平或低电平有效电源启用控制，PWRCTL[4:1] 极性由 REG_Ah(pwrctlPol) 配置。

配置与时钟特性

• OTP 配置：允许通过一次性可编程非易失性存储器（OTP）进行设备配置，可配置的特性包括 Vendor ID、Product ID、端口可移动配置等。具体配置信息可参考文档中的 Table 2。
• 时钟生成：可接受晶体输入驱动内部振荡器或外部时钟源。使用晶体时，需遵循特定的连接指南，如 XI 和 XO 引脚应尽量短且远离开关引脚，同时最小化它们之间的电容。晶体要求为基模，负载电容 12 pF - 24 pF，频率稳定性 ±100 PPM 或更好，最大等效串联电阻（ESR）为 50 Ω。使用外部时钟源时，参考时钟频率稳定性应 ±100 PPM 或更好，绝对峰 - 峰抖动小于 50 ps 或应用 USB 3.0 抖动传递函数后小于 25 ps。

应用场景及设计实例

应用场景

TUSB8041 适用于各种需要额外 USB 兼容端口的应用，例如笔记本电脑，通过使用 TUSB8041 可以增加下游端口数量，满足更多设备的连接需求。

典型应用 - 独立 USB 集线器产品

设计要求

设计参数	示例值
VDD 电源	1.1V
VDD33 电源	3.3V
Upstream 端口 USB 支持	SS, HS, FS
Downstream 端口 USB 支持	SS, HS, FS, LS
可移动下游端口数量	4
非可移动下游端口数量	0
下游端口全功率管理	是 (FULLPWRMGMTZ = 0)
下游端口电源开关独立控制	是 (GANGED = 0)
电源开关启用极性	高电平有效 (PWRCTL_POL = 1)
下游端口电池充电支持	是
I2C EEPROM 支持	否
时钟源	晶体

详细设计步骤

• Upstream 端口实现：将 TUSB8041 的 upstream 端口连接到 USB3 Type B 连接器，GANGED 引脚和 FULLPWRMGMTZ 引脚拉低，实现每个下游端口的独立电源支持。VBUS 信号通过电压分压器，确保其电平满足 USB_VBUS 输入要求。
• Downstream 端口实现：每个下游端口连接到 USB3 Type A 连接器，通过拉高 BATEN 引脚启用电池充电支持，若不需要该功能，则移除上拉电阻。
• VBUS 电源开关实现：可选用 Texas Instruments TPS2561 双通道精密可调电流限制电源开关，具体信息可参考德州仪器官网。
• 时钟、复位及其他：PWRCTL_POL 引脚不连接，使 USB VBUS 电源开关的 PWRCTL 引脚为高电平有效。GRSTN 引脚上的 1 µF 电容仅在 VDD11 电源先于 VDD33 电源稳定时使用，需根据两个电源的斜坡情况进行调整。

电源与布局建议

电源建议

• TUSB8041 电源：$V{DD}$ 和 $V{DD33}$ 应分别实现为单个电源平面，可通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离以降低噪声。$V{DD}$ 为芯片核心提供 1.1V 电源，$V{DD33}$ 为 I/O 提供 3.3V 电源。所有电源轨都需要 10 µF 或 1 µF 电容以保证稳定性和抗噪性，小的去耦电容应尽量靠近芯片电源引脚。
• 下游端口电源：下游端口电源 VBUS 需能提供 5V 电压和每个端口高达 900 mA 的电流，可由 TUSB8041 信号控制电源开关，也可始终启用。每个下游端口的 VBUS 需连接 22 µF 或更大的大容量低 ESR 电容以限制浪涌电流，VBUS 引脚上建议使用铁氧体磁珠，同时在 USB 连接器侧的铁氧体上连接 0.1µF 电容，为 ESD 电流提供低阻抗接地路径。
• 接地：建议设计中仅使用一个板接地平面，TUSB8041 的散热垫和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。

布局建议

元件放置

• 连接到 USB_R1 引脚的 9.53K ±1% 电阻应尽量靠近 TUSB8041。
• 每个 VDD 和 VDD33 电源引脚附近应放置 0.1 µF 电容。
• 100 nF 电容应靠近 USB 连接器放置在 SSTXP 和 SSTXM 网络上。
• ESD 和 EMI 保护设备应尽量靠近 USB 连接器。
• 若使用晶体，应尽量靠近 XI 和 XO 引脚放置。
• 电压调节器应尽量远离 TUSB8041、晶体和差分对。
• 与每个电源轨相关的大容量电容应尽量靠近电压调节器。

封装特定

• TUSB8041 封装的引脚间距为 0.5 mm。
• 封装有一个 6.0-mm x 6.0-mm 的散热垫，必须通过过孔系统连接到接地。
• 除连接到散热垫的过孔外，器件下方的所有过孔应进行阻焊处理，以避免散热垫布局出现潜在问题。

差分对

• 差分对的设计阻抗应为 90 Ω ±10%。
• 为减少串扰，高速信号之间应保持至少 5 倍信号走线宽度的间距，可使用接地隔离。
• 所有差分对应在同一层相邻的实心接地平面上布线。
• 避免差分对跨平面分割布线。
• 尽量减少差分对路径中的过孔使用，若必须使用，应确保对中的两个信号使用相同类型和位置的过孔，并尽量靠近芯片。
• 必要时可交换 SS 差分对和 USB2 DP/DM 对的极性，但需设置相应的寄存器。

总结

TUSB8041 以其丰富的功能和灵活的配置，为 USB 接口扩展应用提供了可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要充分考虑其充电特性、电源管理、时钟要求以及布局布线等方面，以确保芯片能够发挥最佳性能。同时，要注意遵循相关的设计指南和注意事项，如静电放电防护等，以提高产品的可靠性和稳定性。大家在使用 TUSB8041 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。