探秘TUSB8040 REV B EVM：USB 3.0/2.0 集线器评估板详解

在电子设计领域，USB 集线器是一个常见且重要的组件。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的 TUSB8040 REV B EVM——一款集 USB 3.0 和 USB 2.0 集线器功能于一身的评估板。

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一、引言

TI 的 TUSB8040 REV B EVM 是一个功能强大的单设备功能板设计，它同时实现了 USB 3.0 集线器和 USB 2.0 集线器的功能。该评估板能够在其 USB 端口上支持 SuperSpeed（SS）和 USB 2.0（HS、FS、LS）操作，主要用于评估系统兼容性、开发可选的 EEPROM 固件以及验证互操作性，同时也为 TUSB8040 的任何实现提供了硬件参考设计。

值得注意的是，评估板尺寸为 3 英寸 x 4 英寸，方便容纳各种实验室测试组件，但实际生产实现可以小得多。而且，该评估板的布局既可以接受 TUSB8040 单元，也可以接受插座，不过在生产实现中不需要重复插座功能。

二、硬件概述

2.1 TUSB8040

TUSB8040 在 TUSB8040 REV B EVM 上（原理图中的 U1）充当上游 USB 主机或集线器与多达四个直接连接的下游设备或集线器之间的功能互连。如果采用分层排列，还可以支持更多设备和集线器。它能够支持 USB SuperSpeed（SS）、High - Speed（HS）、Full Speed（FS）或 Low Speed（LS）操作。一般来说，TUSB8040 REV B EVM 的上游连接速度会限制下游连接的速度为该速度（SS、HS、FS）或更低。

TUSB8040 需要一个 24 - MHz 低 ESR 晶体 Y1 和一个 1 - MΩ 反馈电阻。晶体应处于基模，负载电容为 12 pF – 24 pF，频率稳定性评级为 ±100 PPM 或更好。为确保正确的启动振荡条件，建议晶体等效串联电阻（ESR）最大为 50 Ω。此外，TUSB8040 也可以使用振荡器或其他时钟源，使用外部时钟源时，参考时钟应具有 ±100 PPM（或更好）的频率稳定性，并且在应用 USB 3.0 抖动传递函数后，绝对峰 - 峰抖动小于 50 ps（或小于 25 ps 峰 - 峰抖动）。

2.2 USB 端口连接器

TUSB8040 REV B EVM 配备了 5 个标准的九针 USB 3.0 端口连接器。其中，J6 是 Type B 连接器，用于与上游 USB 主机或集线器接口；其余的 J7 - J10 是 Type A 连接器，用于连接下游设备或集线器。评估板设计使用了标准尺寸的连接器，但如果需要，也可以使用 USB 微型连接器。如果不需要 SuperSpeed 操作，还可以在一个或多个下游端口上实现传统的 USB 连接器。

USB 端口可以通过标准 USB 电缆连接到任何 USB 3.0 或传统 USB 主机、集线器或设备。TUSB8040 会自动以 SuperSpeed 和高速连接到任何上游 USB 3.0 主机或集线器。如果在 TUSB8040 REV B EVM 和 USB 3.0 主机或集线器之间使用传统 USB 电缆，将强制其以高速运行。同样，如果在 TUSB8040 REV B EVM 和具有 SuperSpeed 能力的下游设备之间使用传统 USB 电缆，操作将限于 USB 高速。

2.2.1 USB 端口连接器 - 电源

VBUS 从 J6 上的上游主机或集线器接收。TUSB8040 被配置为自供电集线器，因此评估板不应有任何显著的电流消耗。TUSB8040 会通过一个由 90.9 - kΩ 1% 电阻 R2 和 10 - kΩ 1% 电阻 R3 组成的电阻分压器网络对 VBUS 输入进行滤波后进行监控，VBUS 不能直接连接到 TUSB8040 设备。

需要注意的是，评估板上实现的 VBUS LED 会导致 USB 2.0 合规性问题，因为在 USB 连接暂停时，它的电流消耗大于 2 mA，仅用于实验室评估目的。上游端口 VBUS 输入需要至少 1 µF 的大容量电容器以符合 USB 规范，TUSB8040 REV B EVM 使用了一个 10 - µF 电容器 C36。

2.2.2 USB 端口连接器 – 噪声过滤

每个下游 VBUS 输出都有一个 150 - µF 的大容量电容器（C60、C62、C68、C70），这是 TPS2560 数据手册推荐的，用于防止下游设备出现浪涌电流事件。这比典型的 USB 应用具有更多的大容量电容，在大多数应用中可以使用 47 - µF 的电容器。此外，VBUS 线路上还有铁氧体磁珠和小电容器，以减少噪声并解决 ESD/EMI 问题。

TUSB8040 REV B EVM 还使用两个小的噪声过滤电容器和一个 1 - MΩ 电阻在每个连接器的接地与评估板的数字接地之间实现了可选的隔离。需要注意的是，SS TX 对上实现的电容器是为了满足 USB 3.0 要求，即差分链路在发送对上应进行交流耦合，这不是可选的。

2.3 集线器配置

TUSB8040 REV B EVM 可以通过在电源复位时采样 TUSB8040 的几个输入或使用可选的串行 EEPROM 进行配置。生产实现可以依靠每个配置输入的默认内部上拉或下拉电阻，也可以用外部上拉或下拉电阻覆盖它。TUSB8040 REV B EVM 上使用的三个位置跳线 JP1 - JP5 仅用于实验室评估。

2.4 可选串行 EEPROM

每个 TUSB8040 REV B EVM 都配备了一个板载 EEPROM 插座。可以安装一个小的 I2C EEPROM，其寄存器值在 TUSB8040 数据手册（SLLSE42）中定义。在默认设置下，评估板没有安装 EEPROM，而是使用配置输入来确定 TUSB8040 的设置。

EEPROM 接口默认是可编程的（非写保护），因此可以修改 EEPROM 内容以测试可选的评估板设置。如果需要更改 EEPROM 数据，可以使用 TUSB8040 数据手册中概述的寄存器访问方法进行更改。此外，还可以根据要求提供基于 Microsoft Windows® 的 EEPROM 实用程序。

2.5 电源/复位

TUSB8040 REV B EVM 默认使用 5 - V 壁式电源适配器供电。建议使用能够提供 4 A – 5 A 电流的壁式电源，因为集线器需要在其下游端口提供大量功率，每个端口为 900 mA。

TUSB8040 REV B EVM 使用单通道 LDO 稳压器将 5 V 降至 3.3 V，TPS78633（U20）是一个 1.5 - A 输出线性稳压器。TUSB8040 所需的 1.1 - V 核心电压由 3.3 - V 轨提供，以减少不必要的散热，TPS74801（U22）是一个 1.5 - A 输出单通道 LDO 线性稳压器。两个稳压器都只需要很少的外部无源组件，并且具有适当的散热评级。

TUSB8040 REV B EVM 上有两个电源复位源，但只需要一个。评估板上实现了一个监控电路 TPS3808G33（U2），该设备有两个复位源：BOARD_3P3V 电源轨和 1.1 - V 稳压器电源良好输出。最简单的复位源可以是一个 RC 复位源，例如由 GRSTz 的内部上拉电阻和一个 2.2 - µF 电容器（代替 1 - µF 电容器 C17）创建的复位源。TUSB8040 需要 3 ms 的电源复位，电容器的值可能会根据实现的电压斜坡特性而变化。

2.6 可选电路

TUSB8040 REV B EVM 设计实现了各种 LED，这些 LED 都不是 USB 规范所要求的，但它们可以使测试和调试更加容易。例如，D1 表示上游 USB 端口以高速连接，D2 表示上游 USB 端口以 SuperSpeed 连接等。

此外，TUSB8040 REV B EVM 为所有五个端口的差分对集成了 ESD 保护电路。TPD2EUSB30 设备在评估板上不是必需的或未安装，但对于任何关注 ESD 事件的系统，特别是如果终端设备要求超过设备规格时，建议使用。TUSB8040 有一个 JTAG 测试接口，仅用于工厂测试。除了 TRSTZ 应使用 1 - kΩ 电阻下拉外，所有 JTAG 引脚都可以悬空。

三、硬件设置

3.1 配置跳线

TI TUSB8040 REV B EVM 有几个跳线用于方便进行配置更改。在不完全了解结果的情况下更改这些跳线是不推荐的，并且在评估板通电时不应移除或更改跳线。以下是跳线的定义：

• JP1(2,3) 全功率管理跳线：标准设置是在电源复位时将跳线放在引脚 2 和 3 上，启用全功率管理。引脚 2 也是当 SMBus 主机连接到 TUSB8040 时 SMBA1 信号的接口。TUSB8040 在该终端有内部上拉，因此实际上默认处于非全功率管理状态，这是成本最低的实现方式，没有主动的下游端口切换。移除跳线可启用默认模式。
• JP2(np) SMBUSz 跳线：标准设置是未填充，在电源复位时通过内部上拉电阻启用 I2C 接口模式。如果在电源复位时将跳线放在引脚 2 和 3 上，则启用 SMBUS 模式。
• JP3(np) 电池充电跳线：标准设置是未填充，通过内部下拉电阻禁用电池充电。如果将跳线放在引脚 1 和 2 上，则启用下游端口的电池充电。该信号也是下游端口电源开关的低电平有效电源启用/禁用信号。
• JP4(np) 串行时钟跳线：标准设置是未填充，内部下拉电阻表示没有连接 EEPROM。连接到串行时钟终端的上拉电阻表示连接了 I2C EEPROM。引脚 2 也是当 SMBus 主机连接到 TUSB8040 时 SMBCLK 信号的接口。
• JP5(np) 串行数据跳线：标准设置是未填充，内部下拉电阻表示没有连接 EEPROM。连接到串行时钟终端的上拉电阻表示连接了 I2C EEPROM。引脚 2 也是当 SMBus 主机连接到 TUSB8040 时 SMBDAT 信号的接口。生产 TUSB8040 的 SDA_SMBDAT 终端将在复位释放时采样，以确定是否禁用 USB 3.0 SuperSpeed 低功耗状态 U1 和 U2。如果 SDA_SMBDAT 为高，则禁用 U1 和 U2 低功耗状态；如果 SDA_SMBDAT 为低，则启用 U1 和 U2 低功耗状态。如果实现了可选的 EEPROM 或 SMBUS，则设备配置寄存器的 u1u2Disable 位的值决定是否启用低功耗状态 U1 和 U2。
• JP7(1,2) 电源开启跳线：标准设置是下游电源管理由 TUSB8040 的 PWRON0z_BATEN 输出控制。如果将跳线放在引脚 2 和 3 上，则下游端口电源始终启用。当通过移除 JP1 的引脚 2 和 3 禁用全功率管理设置时，应使用始终启用模式。
• JP8(1,2) 5 - V 源跳线：标准设置是板载 5 V 由提供的 5 - V、4 - A DC 壁式电源输入提供。通过将跳线放在引脚 2 和 3 上从上游 VBUS 提供板载 5 V 的能力仅为实验室测试选项，TUSB8040 不支持总线电源操作。

3.2 EVM 安装

安装 EVM 可按以下步骤进行：

1. 将 5 - V 壁式电源连接到 J11，此时 LED D6 和 D9 应亮起。
2. 在 J6 和 USB 主机之间连接 USB 电缆，LED D5、D7、D8、D10 和 D11 应亮起。
   • 如果 TUSB8040 REV B EVM 连接到 USB 3.0 主机，D1 和 D2 应亮起。
   • 如果 TUSB8040 REV B EVM 连接到 USB 2.0 主机，D1 应亮起。

3.3 故障排除

情况 1：设备功能在设备管理器中“损坏”

• 确保操作系统安装了最新更新。
• 确保主机控制器安装了最新驱动程序。

情况 2：EVM 完全不工作

• 验证所有跳线是否处于默认状态，并且 EVM 是否由具有足够电流的 5 - V 电源供电。
• 如果有电压表，使用它验证 3.3 - V 电源是否出现在 C63、C64 或 C71 处，同时验证 1.1 - V 是否出现在 C19 处。
• 如果安装了串行 EEPROM，从 EEPROM 插座中移除它，因为 EVM 不需要 EEPROM 即可操作。

四、附录

4.1 物料清单

附录 A 包含了 TUSB8040 REV B EVM 的物料清单，详细列出了各种组件的数量、参考编号、制造商、零件编号和封装等信息。

4.2 原理图

附录 B 包含了 TUSB8040 REV B EVM 的原理图，为工程师提供了详细的电路设计参考。

TUSB8040 REV B EVM 为电子工程师提供了一个全面的平台，用于评估和开发 USB 3.0/2.0 集线器相关的应用。通过深入了解其硬件结构、配置方法和故障排除技巧，工程师们可以更好地利用这个评估板，实现自己的设计目标。你在使用类似评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。