TUSB2046x 4 - 端口 USB 集线器：设计与应用全解析

在电子设备不断发展的今天，USB 接口的应用愈发广泛，而 USB 集线器作为扩展 USB 端口的重要设备，其性能和设计对于整个系统的稳定性和功能性至关重要。今天我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的 TUSB2046x 4 - 端口 USB 集线器。

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1. 产品概述

TUSB2046x 是一款 3.3 - V CMOS 集线器设备，它符合通用串行总线（USB）规范，作为全速集线器提供一个上游端口和四个下游端口。与传统使用微控制器的设备不同，TUSB2046x 采用数字状态机实现，无需进行固件编程，这大大简化了开发过程。

1.1 特性亮点

• 封装形式多样：提供 32 - 引脚 LQFP（0.8 - mm 引脚间距）或 QFN（0.5 - mm 引脚间距）封装，满足不同的 PCB 设计需求。
• 低功耗设计：采用 3.3 - V 低功耗 ASIC 逻辑，降低了系统的整体功耗。
• 集成收发器：集成了完全符合 USB 规范的收发器，所有上游和下游端口都无需额外的外部收发器，减少了设计的复杂度。
• 多速度支持：四个下游端口支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）操作，可自动根据连接设备的速度设置摆率。
• 双电源模式：支持自供电和总线供电两种模式，并且提供电源切换和过流报告功能，可按端口或联动控制。
• 可配置 ID：支持通过外部串行 EEPROM 进行可编程的供应商 ID（VID）和产品 ID（PID）设置，3 态 EEPROM 接口允许 EEPROM 共享。
• 低 EMI 发射：通过 6 - MHz 晶体输入实现低电磁干扰（EMI）发射，提高了系统的电磁兼容性。
• 成本优势：从成熟的 TUSB2040 集线器迁移而来，成本更低，同时增强了系统的静电放电（ESD）性能。

1.2 应用场景

TUSB2046x 适用于多种应用场景，如计算机系统、 docking 站等。在这些场景中，它可以方便地扩展 USB 端口数量，连接更多的 USB 设备。

2. 详细设计解析

2.1 引脚配置与功能

TUSB2046x 的引脚配置涵盖了电源、数据传输、EEPROM 接口、控制信号等多个方面。例如，BUSPWR 引脚用于指示下游端口的电源来源（总线供电或自供电）；DMO 和 DPO 构成上游 USB 端口的差分数据对；DM1 - DM4 和 DP1 - DP4 分别支持四个下游 USB 端口。

2.2 时钟生成

TUSB2046x 的时钟配置非常灵活，可通过 TSTMODE 引脚选择 6 - MHz 晶体输入或 48 - MHz 输入时钟。

• 6 - MHz 输入时钟：在这种模式下，TSTMODE 和 TSTPLL/48MCLK 引脚都需接地，芯片使用 XTAL1 和 XTAL2 引脚的 6 - MHz 时钟，内部 PLL 生成 48 - MHz 和 12 - MHz 时钟。
• 48 - MHz 输入时钟：TSTMODE 引脚接 3.3 - V VCC，TSTPLL/48MCLK 引脚连接 48 - MHz 时钟源（非晶体），XTAL2 引脚浮空。

2.3 电源管理

TUSB2046x 支持四种电源管理模式，通过 BUSPWR 和 EEDATA/GANGED 输入的组合实现：总线供电集线器的单端口或联动电源管理，以及自供电集线器的单端口或联动电源管理。在过流保护方面，可选择单个端口管理或联动端口管理。单个端口管理虽然需要为每个下游端口配备电源管理设备，但在过流时仅关闭有问题的端口，增强了系统的健壮性；联动配置则使用较少的电源管理设备，降低了系统成本，但过流时会关闭所有联动端口。

2.4 编程与 EEPROM 接口

通过 EXTMEM 引脚可以启用或禁用可选的 EEPROM 接口。当 EXTMEM 引脚为高时，枚举期间显示的产品 ID 为通用 USB 集线器；当为低时，可使用自定义的 VID 和 PID 描述符。EEPROM 的编程涉及特定的操作步骤，包括发送起始位、读取指令和起始字地址等。

3. 应用与实现

3.1 应用信息

USB 的优势在于能够将 127 个功能配置在最多 6 个逻辑层（层级）连接到单个个人计算机，并且所有外设都使用标准化的 4 - 线电缆进行连接，同时提供通信和电源分配。在电源配置方面，分为总线供电和自供电两种模式，不同模式下每个下游端口的最大供电电流不同。

3.2 典型应用示例

以自供电 USB 集线器产品为例，TUSB2046x 的上游端口通过 USB 电缆连接到 USB 主机控制器，下游端口供用户连接 USB 摄像头、键盘、打印机等设备。在设计时，使用 TPS2044 可实现单个端口的电源管理，SN75240 瞬态抑制器可减少数据线上的浪涌电流和电压尖峰。

4. 设计建议

4.1 电源供应

• TUSB2046x 电源：VCC 引脚为芯片的 I/O 提供 3.3 - V 电源，可通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离以减少噪声。所有电源轨需要 10 - μF 或 1 - μF 的电容来保证稳定性和抗噪声能力，较小的去耦电容应尽可能靠近芯片电源引脚。
• 下游端口电源：下游端口电源 VBUS 需由能够提供 5 V 和每个端口最多 500 mA 电流的电源供应。每个下游端口的 VBUS 需要 22 μF 或更大的大容量低 ESR 电容来限制浪涌电流，同时建议在 VBUS 引脚使用铁氧体磁珠以提高 ESD 和 EMI 性能。

4.2 布局设计

• 元件放置：0.1 - μF 电容应尽可能靠近 V 电源引脚；ESD 和 EMI 保护设备应靠近 USB 连接器；晶体应靠近 XTAL1 和 XTAL2 引脚；电压调节器应远离芯片、晶体和差分对。
• 差分对设计：差分对的设计需要满足 90Ω ±10% 的差分阻抗，在同一层相邻的实心接地平面上布线，避免 90 度转弯和过长的走线，匹配差分对的蚀刻长度，尽量减少过孔的使用。
• 接地设计：建议使用单一的电路板接地平面，TUSB2046x 的热焊盘和电压调节器应通过过孔连接到该平面，USB 端口连接器附近可设置单独的接地平面用于 EMI 和 ESD 防护。

5. 总结

TUSB2046x 作为一款功能强大的 USB 集线器，具有诸多优势，如无需固件编程、灵活的电源管理、可配置的 VID 和 PID 等。在设计过程中，合理的电源供应和布局设计对于保证芯片的性能和系统的稳定性至关重要。电子工程师在使用 TUSB2046x 进行设计时，应充分考虑其特性和要求，结合实际应用场景进行优化设计。你在使用类似 USB 集线器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。