探索Microchip EVB - USB3613评估板：功能、配置与充电支持全解析

在电子设计领域，评估板是验证和开发新设计的重要工具。今天，我们将深入探讨Microchip的EVB - USB3613评估板，详细了解其特点、硬件配置以及电池充电支持等方面的内容。

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一、评估板概述

1.1 产品简介

USB3613是一款低功耗、功能齐全且可由OEM配置的多事务转换器（MTT）USB 2.0集线器控制器，拥有三个下游端口，专为便携式应用而优化。它完全符合USB 2.0规范、USB 2.0链路电源管理（LPM）附录、高速芯片间（HSIC）USB电气规范修订版1.0，并作为高速集线器连接到上游端口。该3端口集线器支持所有启用（非HSIC）下游端口上的低速、全速和高速下游设备，HSIC端口仅支持高速操作，同时还支持上游和下游电池充电（BC1.2）检测。

1.2 主要特性

• 封装与端口：采用30引脚WLCSP RoHS兼容封装，具备两个USB 2.0下游端口（带组合端口电源和过流检测）和一个下游HSIC端口（下游端口3）。
• 速度兼容性：支持高速（480 Mbps）、全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）操作。
• 电池充电支持：所有下游USB端口支持高达2A的USB电池充电（BC1.2 CDP、SDP和DCP）。
• 配置灵活性：支持内部默认集线器配置，也可选择通过外部SPI或EEPROM进行配置。
• 其他特性：提供SMBus接口头，采用低成本4层节省空间设计，支持自供电操作，配备板载MCP1725 +3.3 VDC、0.5 Amp稳压器，带有+5V、复位、集线器连接和端口电源LED指示灯，提供ESD/EMI组件占位（可选），采用单个12 MHz晶体时钟源，具备外部GPIO引脚头，同时提供原理图、布局和物料清单以减少新产品开发时间。

1.3 总体描述

EVB - USB3613BC评估板是一个基于4层RoHS兼容印刷电路板（PCB）的评估和演示平台，展示了USB3613超快速USB 2.0集线器的独特功能。它采用低成本PCB实现，为两个下游USB 2.0端口提供组合端口电源控制，这两个端口均配备高电流端口电源控制器，可作为高电流即插即用端口充分支持USB电池充电。需要注意的是，5 VDC的总电流消耗不要超过4A。该评估板支持内部默认配置设置，也可通过外部 (I^{2} C^{TM}) EEPROM（可选）实现自定义配置功能。

二、硬件配置

2.1 硬件描述

EVB - USB3613板上有一个MCP1725（U6）稳压器，为集线器设备电路生成+3.3 VDC，并执行电压监控和RESETn功能。USB3613通过片上+1.2 VDC稳压器为内部使用生成自己的+1.2 VDC，在挂起期间，与振荡器和锁相环（PLL）相连的内部+1.2 VDC稳压器会关闭以最小化挂起电流。下游端口电源通过U1和U2两个独立的电源开关分配，每个端口最高可达2A。同样要注意，+5 VDC的总电流消耗不要超过4A。下游端口1和端口2具有USB 2.0连接器，带有符合USB 2.0的去耦和独立的屏蔽接地，下游端口3则使用U.FL连接器（J20和J21）来支持数据和选通HSIC信号。

2.1.1 端口分配

下游端口编号为1到3，端口1和端口2是USB 2.0端口，端口3是HSIC端口。USB3613允许端口1和/或端口2配置为高电流USB电池充电。端口1和端口2的电源通过AP2111设备U1和U2控制，每个设备为相应的下游端口提供高达2A的电流。这两个端口电源控制器通过USB3613上的共享PRTPWR引脚启用，同时该引脚也监控两个端口电源控制器的过流情况。整个评估板最多提供4A电流。EVB - USB3613必须通过提供的U.FL同轴电缆，使用Data0（J14）和Strobe0（J15）连接器连接到HSIC上游主机。移除这些电缆时，必须使用提供的HSIC提取工具。此外，来自主机的外部HUB_CONN端口控制信号必须连接到J23头的“HubConn”引脚，当检测到主机连接时，绿色“HubConn” LED D18会亮起。

2.1.2 USB3613配置

• 默认配置：上电时，USB3613会搜索包含有效签名的外部SPI Flash设备。若不存在SPI设备，固件会检查SMBus是否启用；若SMBus禁用，会尝试从外部 (I^{2} C) EEPROM加载配置；若均未检测到外部选项，则使用内部默认寄存器设置，并从内部ROM代码设置供应商ID、产品ID、语言ID、设备ID和其他设置。
• SPI Flash选项：若上电时存在外部SPI Flash设备，外部ROM将启用，并从外部SPI设备启动代码执行。EVB - USB3613上的SPI Flash设备默认已安装，可通过短接J33 “SPI Hold”两引脚头将该设备置于复位状态。
• SMBus选项：SMBus接口默认通过SMBCLK上的100 kOhm下拉电阻禁用。要启用SMBus，需使用强上拉电阻将SMBCLK引脚拉高到+3.3 VDC，通常在插入J13 SMBus头的外部SMBus工具中实现。所有设备配置必须通过Pro - Touch编程工具执行，具体信息可联系当地销售代表。启用SMBus后，固件将GPIO配置为SMBus从设备，等待SMBus配置。
• EEPROM选项：若USB3613未检测到SMBus接口，会检查 (I^{2} C) EEPROM（默认未安装）。当存在外部两线 (I^{2} C) EEPROM时，EVB - USB3613会从其加载配置。EEPROM必须直接安装或通过位于U8占位的DIP插座安装，并且“Manual (I^{2} C) Enable”头J11和J12必须设置为启用此选项。默认情况下，J11和J12保持开路， (I^{2} C) 接口仅通过外部EEPROM设备中的上拉电阻启用。当J11和J12都跳线时， (I^{2} C) 接口上的SDA和SCL会外部拉高到+3.3 VDC。EEPROM必须在安装前预先编程，因为EVB - USB3613连接到HSIC主机。EVB - USB3613BC与多家制造商的 (I^{2} C) EEPROM兼容，内存容量至少为512字节。

2.1.3 时钟源

默认情况下，评估板上安装了一个12 MHz振荡器OSC1作为USB3613的时钟源。如果需要，也可以将替代时钟源注入J54 SMA “External Clock Input”连接器。REFSEL[1:0]引脚默认都拉高到+3.3 VDC，将USB3613配置为输入参考时钟频率为12 MHz。

2.1.4 电源

EVB - USB3613仅支持自供电操作，由一个+5 VDC稳压外部直流电源供电。+5 VDC、4A外部直流电源插头插入板上的2.1 mm连接器J8，外部电源控制板上的+3.3 VDC MCP1725电压稳压器。评估板的设置使得+5 VDC为USB3613上的VBAT供电，进而为内部+3.3 VDC稳压器供电，+3.3 VDC从VDD33电源引脚输出，然后通过VDDCRREG引脚为内部+1.2 VDC稳压器供电，最终+1.2 VDC从USB3613的VDDCR12引脚输出，因此USB3613完全由外部电源的+5 VDC输出供电。

2.1.5 指示灯

• Powered State LED（D5）：指示+5 VDC电源是否存在。
• RESETn LED（D6）：指示RESETn信号是否为低电平，即USB3613是否处于复位状态。
• Port Power LEDs（D1和D2）：指示+5 VDC端口电源是否可用于相关的下游USB端口。
• Hub Connect LED（D18）：指示上游HSIC主机是否存在。

2.1.6 连接器

EVB - USB3613有两个USB连接器用于下游端口1和端口2，上游端口以及下游端口3使用U.FL连接器用于HSIC数据和选通信号，电源通过2.1 mm电源插孔提供。具体连接器信息如下表所示：	Connector	Type	Description
J1	USB uAB	Downstream USB Port 1
J2	USB A	Downstream USB Port 2
J7	1x2 header	External Reset Control
J8	Power Jack 2.1 mm	+5 VDC Regulated Power Supply
J11, J12	1x2 headers	(I^{2} C^{TM}) External/Manual Enable
J13	2x5 header	SMBus I/F connection
J14	U.FL	Upstream HSIC Port 0 DATA
J15	U.FL	Upstream HSIC Port 0 STROBE
J18, J19	1x2 headers	Charge Detect [1:0]
J20	U.FL	Downstream HSIC Port 3 DATA
J21	U.FL	Downstream HSIC Port 3 STROBE
J22	1x2 header	Suspend/IRQ#/Interrupt
J33	1x2 header	SPI HOLD (to hold SPI in reset)
J54	SMA	External Clock Input

三、电池充电支持

3.1 充电模式

EVB - USB3613支持多种电池充电模式，提供了一系列灵活的配置解决方案。下游端口1和端口2可以通过OTP、下载到板载SPI Flash的外部固件或通过SMBus命令单独配置为电池充电，每个端口的配置相互独立。电池充电机制会自动在执行BC1.2 CDP握手（允许在充电时与USB主机进行全USB通信）的状态和模拟充电设备供应商专用充电器的状态之间切换端口，从而支持BC1.2 CDP模式和DCP模式下专用充电器的模拟，而不会干扰连接到该端口的任何USB 2.0设备的正常USB操作。电池充电通过标准端口电源控制器实现。

3.2 充电端口角色

EVB - USB3613支持的充电端口角色包括：

• BC1.2充电下游端口（CDP）：支持1.5A带数据充电。不遵循BC1.2 CDP规范的设备插入时，端口在检测到下游设备且无BC1.2 CDP握手后会切换到SDP角色，允许正常USB操作；遵循BC1.2 CDP规范的设备插入时，端口会先执行BC1.2 CDP握手，告知设备可超过USB指定电流限制，握手完成后切换到SDP角色，设备拔出后端口切换回CDP角色。
• 标准下游端口（SDP）：端口处于SDP角色时，表现为正常的集线器端口，允许连接的下游设备进行完整的USB功能。
• 专用充电器模拟端口（DCP）：EVB - USB3613的专用充电器模拟端口优于BC1.2指定的DCP，支持BC1.2兼容充电设备和许多非BC1.2兼容充电设备。有动态模式和静态模式两种：
  • 动态模式：端口可动态响应插入的设备，开始时处于Apple®充电器模拟模式，检测到特定设备时切换到中国充电、Blackberry®或BC1.2设备充电器模拟模式，设备拔出后重新开始Apple充电器模拟模式。根据端口功率控制器的能力，有可配置的1A和2A Apple模式，带有标准端口功率控制器的端口还支持Samsung® Galaxy Tab™充电器模拟。
  • 静态模式：可将下游端口配置为固定的充电器模拟状态，目前有Apple和Samsung Galaxy Tab或中国充电固定充电器模拟模式。

当端口在不同角色之间切换时，若需要充电器或USB重新协商，EVB - USB3613会适当切换连接设备的电源。当某个端口的电池充电功能禁用时，该端口作为正常的USB集线器端口工作。在某些情况下，如上游端口未连接到USB主机或处于USB挂起且USB 2.0远程唤醒禁用且下游端口无USB 2.0设备连接时，支持电池充电的端口可进入模拟专用充电器的状态，但当有USB 2.0设备连接时，为避免主机系统意外状态和保证设备能向主机发送恢复信号，端口不会进入专用充电状态。若在USB 2.0挂起且USB 2.0远程唤醒禁用时，USB连接设备从端口移除，端口会切换到DCP角色。

四、总结

Microchip的EVB - USB3613评估板为电子工程师提供了一个功能强大且灵活的平台，用于开发和验证USB 2.0集线器相关的应用。其丰富的特性、多样的配置选项以及对电池充电的支持，使其适用于各种便携式设备的设计。在实际应用中，工程师可以根据具体需求选择合适的配置方式和充电模式，以实现最佳的性能和用户体验。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。