TPS2071EVM - 159 混合 USB 集线器评估模块使用指南

TPS2071EVM - 159 混合 USB 集线器评估模块使用指南

大家好，今天我要和大家分享的是关于 Texas Instruments 的 TPS2071EVM - 159 混合 USB 集线器评估模块的相关内容。这个评估模块为我们评估混合（总线供电/自供电）集线器的性能提供了便利。

文件下载：TPS2071EVM-159.pdf

一、背景知识

USB 接口是一种四线复用串行总线，主要用于连接低到高速的 PC 外设，像键盘、打印机、扫描仪、ADSL 调制解调器等。USB 1.1 接口的最高速度为 12 Mb/s，而 USB 2.0 可达到 480 Mb/s。它支持外设的动态插拔，其中两条线用于差分数据传输，另外两条用于 5 - V 电源分配。

USB 数据是 3.3 - V 电平信号，但电源以 5 V 分配，这是为了应对通过长电缆或多个集线器分配电源时的电压降。每个功能模块都需要从 5 - V 输入或自身内部电源提供自己的 3.3 V 稳压电源。

USB 规范定义了五种设备类别，包括总线供电集线器、自供电集线器、低功率总线供电功能模块、高功率总线供电功能模块和自供电功能模块。自供电和总线供电集线器都能向下游功能模块分配数据和电源，且自供电集线器提供的功率是总线供电集线器的五倍。为了管理低功率和高功率的下游功能模块，就需要一种能在总线供电模式和自供电模式之间切换的混合集线器。TI 的 TPS2071 USB 混合集线器电源控制器与 TUSB2046B USB 集线器控制器一起，提供了一个简单的混合集线器解决方案。TPS2071 针对混合 USB 集线器进行了优化，满足 USB 规范中关于静态电流、电压降和电流限制等参数的要求。

二、性能规格总结

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
总线供电输入电压范围 (BP)	0 mA 至 100 mA/端口	4.75		5.25	V
自供电输入电压范围 (SP)	0 mA 至 500 mA/端口	4.85		5.15	V
总线供电模式下的下游输出电压范围	0 mA 至 100 mA/端口	4.4		5.25	V
自供电模式下的下游输出电压范围	0 mA 至 500 mA/端口	4.75		5.15	V
输出电流范围（总线供电）		0		0.1	A
输出电流范围（自供电）		0		0.5	A
输出电流限制（总线供电）		0.15			A
输出电流限制（自供电）			0.9		A

三、测试设置与总结

1. 测试设置
   • 测试 EVM 需要一台运行 Win98 或 Win2000 及以上操作系统的 PC，以及最多五根 USB 电缆。
   • 若要使集线器在自供电模式下运行，需要一个 5 - V/2 - A 的交流适配器，其配备 2.1 - mm（直径）的母连接器（内圈为正极性）。
   • 可以使用 USB 鼠标和相机等 USB 外设作为下游 USB 负载，来测试集线器在总线供电模式和自供电模式下的性能。
   • 为了测量从集线器输入到输出的电压降，需要四个 50 - Ω 和四个 10 - Ω 的电阻负载。
   • 初始上电步骤如下：
     • 设置六个跳线（JP1 - JP6）：JP1 短接引脚 1 和 2；JP2 短接引脚 2 和 3；JP3 短接引脚 1 和 2；JP4 短接引脚 1 和 2；JP5 短接引脚 2 和 3；JP6 短接引脚 2 和 3。其中，JP4 用于将 3.3 V 连接到所有 LED，若不使用此跳线，LED 将不亮，可降低功耗；JP5 用于设置 BP_DIS 处的电压，当 BP_DIS 电压低时，集线器可在总线供电模式和自供电模式之间自动切换；JP6 用于设置控制集成 5 - V LDO 控制器的 EN_REG 上的电压，若用跳线短接引脚 1 和 2，TPS2071 的 LDO 控制器将被启用，可通过外部 N 沟道 MOSFET 将 6 V 至 9 V 的高电压调节为 5 V。
     • 启动 PC 的管理软件，打开控制面板，双击“系统”打开系统属性，然后从系统属性窗口中点击“设备管理器”。在设备管理器窗口底部，会看到“通用串行总线控制器”，双击它，应该已经列出了几个 USB 设备。
     • 将 EVM 的上游连接（J3）插入 PC 上的 USB 连接器（或通过另一个连接到 PC 的自供电集线器）。若 JP4 短接，连接后 EVM 上的所有 LED 应亮起，否则 EVM 可能工作不正常。
2. 测试总结
   • 无下游设备的总线供电模式：若 EVM 连接到主机且 J1 上无自供电电压，集线器将工作在总线供电模式。PC 上的通用串行总线控制器会更新，可通过相关操作查看集线器的属性和电源信息。
   • 无下游设备的自供电模式：将 5V/2A 交流适配器插入 EVM 板上的 Jack J1，集线器将自动切换到自供电模式，同样可查看相关电源信息。
   • 有下游设备的总线供电模式：将总线供电的 USB 设备（如鼠标）插入集线器 EVM 的任何一个端口，可观察“Devices on this Hub”的变化。
   • 有下游设备的自供电模式：将自供电的 USB 设备（高功率，>100 mA）插入 EVM 的一个端口。若 EVM 处于总线供电模式，会因过流出现错误信息，TPS2071 会检测到过流并限制电流，同时报告给 USB 控制器，控制器会关闭通道并通知 PC 主机。将设备插入处于自供电模式的 EVM 时，可观察到通用串行总线控制器的更新和电源窗口的变化。
   • 电压降测量：
     • 总线供电负载测试：在每个下游端口的 V + 和 V - 端子连接 50 - Ω、1 - W 的电阻负载，验证从 BP 测试点到 VO1 - VO4 的电压降小于 100 mV（输出电压应至少为 4.4 V 或更高）。
     • 自供电负载测试：将 5 - V 适配器连接到自供电插孔（J1），在每个下游端口的 V + 到 V - 之间连接 10 - Ω、5 - W 的电阻负载，验证从 SP 测试点到 VO1 - VO4 的电压降小于 100 mV（输出电压应至少为 4.75 V 或更高）。

四、物理布局

该模块的文档包含了 TPS2071EVM - 159 混合集线器评估模块的电路板布局和组装图，包括顶层布局、底层布局和顶部组装视图。

五、物料清单

文档详细列出了 TPS2071EVM - 159 所需的物料清单，涵盖了各种电容、电阻、二极管、连接器、集成电路等元件的数量、参考编号、型号、描述、制造商和尺寸等信息。例如，有 16 个型号为 GRM39X7R104K016D 的陶瓷电容，电容值为 0.1 µF，耐压 16 V，X7R 特性，制造商为 Murata，尺寸为 603。

六、原理图

文档展示了 TPS2071EVM - 159 的原理图，并给出了相关注释。其中，C2、C23、C25、J2 和 Q1 通常用于与 TPS2071 组成外部 LDO，当没有 5 - V 稳压自供电电源时，可将 6 - V 至 9 - V 的电压源调节为 5 - V；U2 通常用于描述供应商 ID（VID）和自定义 PID；U1、U5 和 U6 是 USB 瞬态电压抑制器，常用于提高 USB 集线器的性能和可靠性。

大家在实际使用 TPS2071EVM - 159 评估模块时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。