探索Microchip EVB - USB4604评估板：功能、配置与应用

在电子设计领域，评估板是工程师们快速验证和开发新设计的重要工具。Microchip的EVB - USB4604评估板就是这样一款具有强大功能和广泛应用前景的产品。今天，我们就来深入了解一下这款评估板的特点、硬件配置、操作方法以及常见问题解答。

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一、评估板概述

1.1 核心功能与特性

USB4604是一款增强型USB集线器，它不仅能作为一个完全兼容的4端口USB 2.0集线器，还在第5个集线器端点上集成了内部微处理器，以提供额外的功能。通过这个端点，该集线器可以充当USB到UART或 (I^{2} C) 协议的桥接器，并且可以通过USB命令手动控制数字引脚。此外，EVB - USB4604还充分利用了USB4604的FlexConnect功能，允许集线器动态改变上游端口。

1.2 详细特性列举

• 封装与端口：采用48引脚QFN RoHS兼容封装，具备一个上游USB或HSIC端口以及四个USB 2.0下游端口，每个下游端口都有独立的端口电源控制和过流检测（OCS）功能。
• 速度兼容性：下游USB端口支持高速（480 Mbps）、全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）通信。
• 配置灵活性：支持内部默认集线器配置，也可通过 (I^{2} C) 或SPI进行外部配置，还提供OTP配置选项来更改默认集线器配置。
• 其他特性：拥有用于电源、数字引脚和USB端口3和4的访问头，支持自供电操作，板载 +5 VDC和 +3.3 VDC稳压器，采用单个24 MHz晶体时钟源，并且设计为可与定制板堆叠以进行系统原型设计。同时，其原理图、布局和物料清单都可供使用，有助于缩短新产品开发时间。

1.3 整体描述

EVB - USB4604是一个基于RoHS兼容印刷电路板（PCB）的评估和演示平台，旨在以低成本的PCB实现方式展示USB4604 USB 2.0集线器控制器的独特功能。数字引脚通过排针引出，方便设计配套板以完成系统原型设计。该评估板既可以作为独立集线器使用，也可以作为支持FlexConnect的集线器，或者成为更大系统的一部分。其上游（FLEX）端口和下游（SWAP）端口1默认使用uAB连接器，便于连接USB主机或设备。此外，它还具备与UCS81001智能端口电源开关通信的功能，该开关可作为 (SMBus / I^{2} C) 从设备，用于配置电流限制并读取特定端口的电流消耗。

二、硬件配置

2.1 硬件详细描述

2.1.1 端口分配

USB4604是一个4端口USB集线器，其上游端口可配置为USB或HSIC。当集线器上电或按下RESET按钮时，会对USB线路进行采样。如果在电源上电或复位操作（POR）期间USB线路被上拉，则USB端口将被禁用，HSIC端口将被启用。EVB - USB4604上的SW4开关用于上拉上游端口（Port 0）的DP/DM引脚。

2.1.2 USB4604配置

USB4604具有多种配置方式，EVB - USB4604提供了三种配置选项：

• 默认/OTP选项：默认情况下，EVB - USB4604会从设备的内部ROM加载所有配置选项。USB4604会加载默认配置，然后应用通过ProTouch工具加载的任何额外OTP命令。
• (I^{2} C)/SMBus选项：USB4604可以作为SMBus从设备。具有 (I^{2} C) 或SMBus主控制的板载微控制器系统可以通过此接口自定义USB4604。EVB - USB4604可以通过开关SW3启用和禁用SMBus从接口，该开关会将SMBus引脚连接到SMBus线路的上拉电阻或接地。SMBus引脚在POR期间进行采样，因此必须在板上电或nRESET引脚先拉低再拉高之前设置开关。SMBus线路还连接到UCS81001端口电源控制器，以便SMBus主设备与EVB - USB4604上的所有设备进行通信。
• SPI选项：USB4604可以加载Microchip开发的固件以满足特定应用需求，也可以加载特定产品编号的产品固件。USB4604 - 1050、USB4604 - 1080和USB4604 - 1090都可以通过SPI闪存加载，从而使用同一块板评估每个产品。要对SPI闪存进行编程，需确保其已上电，并使用ProTouch工具加载自定义固件。在USB4604上电前，在J11上放置分流跳线以从SPI闪存加载固件；移除跳线后，USB4604将使用内部ROM和OTP设置。

2.1.3 电源供应

EVB - USB4604允许访问VBAT和VDDCOREREG电源引脚。为了评估特定应用中的电流消耗，可以使用外部电源仅为USB4604供电。通过J15和J16接头可以访问电源引脚，J15的引脚1连接到USB4604的VDD33稳压器输出，引脚2连接到VDDCOREREG；J16的引脚1连接到VBAT，引脚2连接到板上的5V电源。

2.1.4 FlexConnect和端口电源控制

要使用FlexConnect功能，需要将以下引脚连接到正确的控制线：

• SUSP/PIO0：控制FLEX或Port0端口电源控制器。在Flex状态下，PIO0引脚将上拉至3.3V，并在下游端口1出现过流事件时报告（如果该引脚被拉低）。在J4上放置分流跳线可实现此连接。
• VBUS_DET：用于通知集线器进行枚举。如果该引脚为低电平，集线器将不会尝试与主机控制器通信。J2通过分压器将该引脚连接到Port0的VBUS。
• PIO8：用于驱动EVB - USB4604上uAB连接器的ID引脚。支持OTG的USB设备使用ID引脚来确定是作为主机还是设备运行。在正常应用中，USB电缆通过将ID引脚接地或浮空来终止该引脚。OTG端口在ID引脚接地时提供VBUS并作为USB主机，在ID引脚浮空时作为设备。EVB - USB4604通过将USB4604的数字输出路由到连接器的ID引脚，利用了这种信号机制，允许USB4604管理方向控制。如果主机系统希望管理方向控制，可以隔离数字引脚。J3将该引脚连接到Port0的ID。
• PRTPWR1：转变为PRTCTL1角色，控制SWAP或Port1端口电源控制器。在默认状态下，PRTCTL1引脚将上拉至3.3V，并在下游端口1出现过流事件时报告（如果该引脚被拉低）。在J9的引脚1和2上放置分流电阻将UCS81001的ALERT#连接到PRTCTL1引脚以注册过流事件。
• OCS1_N：在Flex状态下通知集线器进行枚举。在J9的引脚3和4之间放置分流电阻将该引脚连接到Port1的VBUS。
• PIO10：用于驱动Port1的ID引脚，其功能与PIO8类似，但在默认状态下拉高，在Flex状态下拉低。

2.1.5 数字引脚访问

USB4604还可以作为USB桥接器来控制系统中的其他组件。USB2530 SDK允许USB主机发送SMBus/(I^{2} C) 或UART命令，以访问不支持USB协议的其他设备。此外，还有一些引脚可以配置为通用数字引脚（PIO）进行静态控制。J12和J13提供了对数字引脚以及端口3和4的DP/DM引脚的访问，这些接头设计用于让系统设计师创建与EVB - USB4604匹配的电缆或PCB，以评估USB4604在其系统中的功能。由于USB信号的速度较快，DP/DM线路的分支可能会影响通信，因此需要根据表格更改0欧姆电阻。

2.1.6 连接器介绍

EVB - USB4604上的各种LED、接头和开关都有其默认用途，具体如下表所示：	Component	Location	Description
J1	Top Left	插入12V电源桶形插头。
J2	Top Middle	将VBUS_DET分压器连接到FLEX或Port0的VBUS。
J3	Top Middle	将PIO8连接到FLEX或Port0 uB连接器的ID。
J4	Top Middle	将PIO0连接到FLEX端口电源控制器。
J5	Top Middle	将PIO10连接到SWAP或Port0 uB连接器的ID。
J6	Top Middle	将UCS81001的ALERT#连接到OCS2_N引脚或PRTPWR2引脚。
J7	Top Middle	将UCS81001的ALERT#连接到OCS3_N引脚或PRTPWR3引脚。
J8	Top Middle	将UCS81001的ALERT#连接到OCS4_N引脚或PRTPWR4引脚。
J9	Top Middle	将UCS81001的ALERT#连接到OCS1_N引脚或PRTPWR1引脚，还将SWAP或Port1连接器的VBUS连接到OCS1_N分压器。
J10	Center	上游或FLEX HSIC STROBE U.FL连接器。
J11	Center Right	当在引脚之间放置分流电阻时为SPI闪存供电。
J12	Center Right	将数字引脚以及端口3和4的DP/DM引脚引出到接头。
J13	Center Left	引出PIO8和PIO10引脚以及12V、5V和3.3V稳压电源。
J14	Center	上游或FLEX HSIC DATA U.FL连接器。
J15	Center	将USB4604的VDDCOREREG输入连接到VDD33输出，也可用于注入独立电源。
J16	Center	将USB4604的VBAT输入连接到板上的5V电源，也可用于注入独立电源。
J17 - J20	Center	下游端口的HSIC连接器，仅适用于USB4624，不适用于USB4604。
J21	Bottom Left	Port0或FLEX端口的USB标准B连接器，默认未安装。
J22	Bottom Right	端口3和4的堆叠式USB A连接器。
J23	Bottom Center	Port1或SWAP端口的标准A连接器，默认未安装。
J24	Bottom Center	Port2的标准A连接器。
J25	Bottom Left	Port0或FLEX端口的uAB连接器。
J26	Bottom Center	Port1或SWAP端口的uAB连接器。
LED1	Top Left	指示5V稳压器正常工作且系统中有5V电源。
LED2	Top Center	指示3.3V稳压器正常工作且系统中有3.3V电源。
LED3 - 10	Top Right	与SW2配合使用时，反映USB4604数字输出的状态。
LED11 - 15	Bottom	指示USB端口上VBUS的状态，点亮表示有VBUS。
SW1	Top Center	连接到USB4604的nRESET引脚，按下可将nRESET拉低。
SW2	Top Center	将USB4604的GPIO输出连接到LED指示灯，用于评估USB - GPIO桥接功能。
SW3	Center Left	将USB4604的SMBus引脚连接到板上的SMBus线路。
SW4	Center	用于禁用上游USB端口以进行HSIC通信。

2.1.7 板卡框图

文档中提供了EVB - USB4604的基本框图以及PCB顶部丝印图像，帮助工程师更好地理解板卡的结构和布局。

三、EVB - USB4604操作

3.1 入门指南

3.1.1 套件内容

EVB - USB4604评估套件包括EVB - USB4604评估板，以及12V电源、USB A到uB电缆和定制的5线USB ID直通电缆。

3.1.2 启动默认版本

EVB - USB4604默认安装了USB4604 - 1080。为了使集线器正常工作，需要正确放置以下跳线：

• J2：VBUS_DET是集线器枚举所必需的。
• J6 - 9：引脚2和3需要短路，以确保OCS1引脚从UCS8100x获得ALERT信号。
• J15：将CORE输入连接到VDD33稳压器输出。
• J16：将VBAT引脚连接到板上的5V电源。 其他跳线应保持开路，以获得集线器的所需功能。当12V电源连接到J1时，5V LED将亮起，所有端口LED也将亮起。将集线器连接到PC，确认PC能够检测到集线器。PC还将找到连接到集线器第5个端口的USB2530，它是集线器控制器，其驱动程序可以在软件开发工具包中找到，也可以通过ProTouch安装。

3.1.3 加载新配置

要评估不同版本，可以使用ProTouch工具对SPI闪存进行编程。首先在J11上安装跳线以给板上的SPI闪存供电。ProTouch工具以及不同的OTP和SPI配置文件可以在www.microchip.com/usb4604的USB4604产品页面上找到。USB4604 - 1090版本具有额外的引脚功能，需要与默认的USB4604 - 1080版本不同的跳线配置。评估USB4604 - 1090版本时，需要添加以下跳线：

• J3：将PIO8连接到上游ID引脚，成为FLEX_OUT引脚。
• J4：将PIO0/SUSPEND连接到上游端口电源控制器。
• J5：将PIO10连接到下游ID引脚，成为FLEX_OUT_N引脚。
• J11：为SPI闪存供电以进行临时评估。
• J9的引脚1和2：将PRTPWR1连接到端口电源控制器的ALERT引脚。
• J9的引脚3和4：将OCS1连接到下游端口的VBUS。 跳线安装完成后，使用ProTouch工具加载产品页面上的USB4604 - 1090配置文件。

3.2 板卡操作

3.2.1 OTP和SPI定制

当集线器连接到PC时，可以使用ProTouch工具自定义其行为并加载新配置。ProTouch工具可以将配置文件加载到板上的OTP空间或SPI闪存中。需要注意的是，每个OTP寄存器只能编程一次，因此通过这种方法加载的每个配置文件都会减少剩余的OTP空间。一旦所有OTP寄存器都被写入，该部件就不能再通过OTP进行配置。要对SPI闪存进行编程和加载固件，必须为其供电。在尝试编程之前，确保板上有正确的跳线和电源供应。

3.2.2 集线器控制器

集线器还会枚举USB2530集线器控制器，这使得USB主机可以进行SMBus/(I^{2} C)、UART和GPIO控制。USB2530 SDK提供了必要的驱动程序和文档，说明如何实现这些命令。SDK可以在USB4604产品页面上找到。

3.3 评估不同产品编号

EVB - USB4604默认安装了USB4604 - 1080固件。要评估USB4604的其他版本，有两种选择：

• OTP方式：在EVB网站或当地FAE处找到OTP文件，使用ProTouch工具（www.microchip.com/protouch）对OTP空间进行编程。具体步骤可在ProTouch文档中找到，这将永久更改板上安装的USB4604。
• SPI方式：通过FAE或EVB网站找到所需版本的SPI二进制文件，短接J11上的接头为板上的SPI闪存供电，将EVB - USB4604连接到Windows主机，使用ProTouch工具（www.microchip.com/protouch）对闪存进行编程，对EVB - USB4604进行电源循环，新配置将被加载。该过程可以重复多次，不会改变板上安装的默认部件。

3.4 FlexConnect实现方式

在该评估板上实现FlexConnect有三种方法：

• SMBus方法：通过SMBus方法实现FlexConnect需要将SMBus引脚通过SW3连接到板上的总线，这些引脚在POR期间必须被采样为高电平。SMBus引脚可以通过J12访问，默认上拉电压设置为板上的3.3V。更多详细信息可参考FlexConnect应用笔记和SMBus从设备应用笔记。
• GPIO控制：PIO3