探索 TUSB8044AEVM：USB 3.0/2.0 评估模块的全方位解析

各位电子工程师同行们，在 USB 技术日新月异的今天，如何高效评估和应用 USB 3.0 和 2.0 集线器成为我们面临的重要问题。TI 的 TUSB8044AEVM 评估模块为我们提供了一个强大而实用的解决方案。今天，就让我们一起深入探讨这个模块的各个方面。

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一、模块简介

TUSB8044AEVM 是一个功能强大的电路板设计，它同时实现了 USB 3.0 集线器和 USB 2.0 集线器的功能。它的 USB 端口能够支持 USB SuperSpeed (SS) 以及 USB 2.0 的高速 (HS)、全速 (FS) 或低速 (LS) 操作。对于支持交替模式的 USB Type - C 应用，它还能在虚拟下游端口枚举一个广告牌设备。此外，通过在虚拟下游端口枚举的符合 HID 标准的设备，它可以控制 I2C 主机。这个模块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 TUSB8044 的任何实现提供了硬件参考设计。

需要注意的是，如果您需要了解用于路由差分对、使用分割电源平面、放置滤波器和其他关键组件的技术，以及实现关键信号长度匹配的方法，TI 可以提供 EVM 的布局文件。而且，实际生产实现可能会比该 EVM 小很多，因为它要容纳各种实验室测试组件。

二、硬件概述

2.1 TUSB8044A 核心芯片

TUSB8044A 是整个 EVM 的核心，它在 EVM 上作为上游 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性互连。如果采用分层排列，还可以支持更多的设备和集线器。它能够支持 USB SuperSpeed (SS)、高速 (HS)、全速 (FS) 或低速 (LS) 操作。一般来说，TUSB8044AEVM 上游连接的速度会限制下游连接的速度为相同或更低的速度（SS、HS 和 FS）。

对于支持交替模式的 USB Type - C 应用，TUSB8044A 会在虚拟下游端口枚举一个广告牌设备。同时，它还具有一个可通过在虚拟下游端口枚举的符合 HID 标准的设备进行控制的 I2C 主机。

在时钟源方面，TUSB8044A 需要一个 24 - MHz 低 ESR 晶体 Y1 和一个 1 - MΩ 反馈电阻。晶体必须工作在基频模式，负载电容为 12 至 24 pF，频率稳定性等级为 ±100 PPM 或更好。为确保正确的启动振荡条件，TI 建议晶体的等效串联电阻 (ESR) 最大为 50 Ω。此外，它也可以使用振荡器或其他时钟源，当使用外部时钟源（如振荡器）时，参考时钟必须具有 ±100 PPM 或更好的频率稳定性，且绝对峰 - 峰抖动小于 50 ps（或在应用 USB 3.0 抖动传递函数后峰 - 峰抖动小于 25 ps）。

2.2 USB 端口连接器

TUSB8044A EVM 配备了五个标准的 9 针 USB 3.0 端口连接器，其中 J1 是 Type B 连接器，用于与上游 USB 主机或集线器连接；J2、J3、J4 和 J5 是 Type A 连接器，用于连接下游设备或集线器。虽然 EVM 设计中使用的是标准尺寸的连接器，但如果需要，也可以使用 USB 微型连接器。

这些 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。TUSB8044A 会自动以 SS 和 HS 模式连接到任何上游 USB 3.0 主机或集线器。如果在 TUSB8044A EVM 和 USB 3.0 主机或集线器之间使用传统 USB 电缆，则会强制其以 HS 模式运行。同样，如果在 TUSB8044A EVM 和支持 SS 的下游设备之间使用传统 USB 电缆，操作将被限制在 USB 2.0 HS 模式。

2.3 USB 端口连接器 - 电源

VBUS 从 J1 上的上游主机或集线器获取。TUSB8044A 被配置为自供电集线器，因此 EVM 从 VBUS 吸取的电流并不显著。TUSB8044A 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测。需要注意的是，VBUS 不能直接连接到 TUSB8044A 设备，并且为了符合 USB 规范，上游端口 VBUS 输入需要一个至少 1 μF 的大容量电容器，TUSB8044AEVM 使用的是 10 - μF 电容器 C35。

由 5 - V 壁式电源输入 J6 提供的 VBUS 被提供给下游端口连接器。USB 3.0 规范将 USB 3.0 设备的电流消耗限制在 5 V 时为 900 mA。TPS2001C 设备（U7、U8、U9 和 U10）的电流限制参数为 2 A，以避免由于总线供电的 HDD 启动功率波动导致的任何虚假过流事件，或者在 USB 充电期间不必要的限流。在实际生产实现中，可以对这种功耗设置更严格的限制。任何下游端口连接器上的过流事件将通过 OVERCURxZ 输入报告给 TUSB8044A。

2.4 USB 端口连接器 - 噪声滤波

每个下游 VBUS 输出都有一个 150 - μF 的大容量电容器（C70、C71、C76、C79），这是根据 TPS2001C 数据手册的建议设置的，目的是防止下游设备出现浪涌电流事件。此外，VBUS 线路上还有铁氧体磁珠和小电容器，用于降低噪声并解决 ESD 和 EMI 问题。

TUSB8044AEVM 还使用两个小的噪声滤波电容器和一个 1 MΩ 电阻在每个连接器的接地与 EVM 的数字接地之间实现了可选的隔离。这不是必需的，但如果需要接地隔离，则必须使用。还要注意的是，在 SS TX 对上实现的串联电容器是为了满足 USB 3.0 要求，即差分链路在发送对上需要交流耦合。

2.5 可选串口 EEPROM

每个 TUSB8044AEVM 都配备了一个板载 EEPROM 或插槽占位符 U2。可以安装一个小型 I2C EEPROM 来设置配置寄存器，具体设置可参考 TUSB8044A 数据手册。在默认设置下，EVM 没有安装 EEPROM，而是使用配置输入来确定 TUSB8044 的任何可选设置。

EEPROM 接口默认是可编程的（非写保护），因此可以修改 EEPROM 上的任何已安装内容以测试各种设置。如果需要更改 EEPROM 数据，可以使用 TUSB8044A 数据手册中概述的寄存器访问方法进行更改。此外，如果有需求，还可以获得基于 Microsoft Windows 的 EEPROM 实用程序。

2.6 电源

TUSB8044A EVM 由 5 - V 壁式电源适配器 J6 提供电源，而不是由 USB 主机提供的总线电源。TI 建议使用能够提供 2 至 3 A 电流的壁式电源适配器，因为集线器必须能够在其下游端口提供大量电力（每个端口 900 mA）。

TUSB8044A EVM 使用单通道 LDO 电压调节器将 5 V 降压到 3.3 V，采用的是 TPS7A4533（U4），它是一个 1.5 - A 输出的线性调节器。TUSB8044A 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，使用的是 TPS74801（U6），它是一个 1.5 - A 输出的单通道 LDO 线性调节器。这两个调节器都只需要很少的外部无源组件，并且具有适当的散热额定值。

2.7 集线器配置

TUSB8044AEVM 可以通过在通电复位时对 TUSB8044A 的几个输入进行采样来进行配置，也可以使用可选的串行 EEPROM 或 SMBUS 主机进行配置。在没有 EEPROM 或 SMBUS 的生产实现中，可以依靠每个配置输入的默认内部上拉或下拉电阻，或者使用外部上拉或下拉电阻来覆盖默认设置。在 EVM 上，可以使用 SW1 和 SW2 来修改这些设置，具体的配置更改说明将在后面的硬件设置部分详细介绍。

2.8 可选电路

TUSB8044A EVM 设计中包含了各种 LED，虽然这些 LED 不是 USB 规范所必需的，但它们为测试和调试提供了便利：

• D1：指示上游 USB 端口电源已开启；
• D4：指示 3.3 V 电源已施加到 TUSB8044A EVM；
• D5：指示下游 USB 端口 1 电源已开启；
• D6：指示下游 USB 端口 2 电源已开启；
• D7：指示下游 USB 端口 3 电源已开启；
• D8：指示下游 USB 端口 4 电源已开启。

此外，TUSB8044A EVM 上的开关（SW1、SW2 和 SW3）和接头（J7、J8、J9、JP6）仅用于实验室评估，在生产设计中并非必需。

三、硬件设置

3.1 配置开关

TI TUSB8044AEVM 有一组开关用于方便进行配置更改，但在不全面了解结果的情况下，TI 不建议更改这些开关设置。因为配置输入仅在通电复位时由 TUSB8044A 读取，所以在 EVM 通电时更改开关设置将不会产生任何效果。具体的开关定义如下表所示：	Switch	Standard	Definition
SW1_1	Off	TEST_TRSTz Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻。若开关置于 ON 位置，终端拉高，启用生产测试模式。
SW1_2	Off	SMBUSz Switch，TUSB8044A 此终端有内部上拉电阻，默认启用 I2C 接口模式。若开关置于 ON 位置，终端拉低，启用 SMBUS 模式。
SW1_3	Off	SCL_SMBCLK Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用串行 EEPROM 或 SMBUS 接口。若开关置于 ON 位置，连接上拉电阻到串行时钟终端，表明可能连接 I2C EEPROM（SDA 也有上拉电阻）。
SW1_4	Off	SDA_SMBDAT Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用串行 EEPROM 或 SMBUS 接口。若开关置于 ON 位置，连接上拉电阻到串行时钟终端，表明可能连接 I2C EEPROM（SCL 也有上拉电阻）。
SW1_5	Off	PWRON1_BATEN1 Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用端口 1 的 USB 电池充电模式。若开关置于 ON 位置，终端拉高，启用下游端口 1 的电池充电。
SW1_6	Off	PWRON2_BATEN2 Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用端口 2 的 USB 电池充电模式。若开关置于 ON 位置，终端拉高，启用下游端口 2 的电池充电。
SW1_7	Off	PWRON3_BATEN3 Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用端口 3 的 USB 电池充电模式。若开关置于 ON 位置，终端拉高，启用下游端口 3 的电池充电。
SW1_8	Off	PWRON4_BATEN4 Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用端口 4 的 USB 电池充电模式。若开关置于 ON 位置，终端拉高，启用下游端口 4 的电池充电。
SW2_1, SW2_7	Off	AUTOENZ_PD/BB_bmConfig1_PD Switch，配置为 I2C 模式时，此引脚与 BBbmConfigured0 直接控制 Billboard 能力描述符中的 bmConfigurated 字段。若选择 SMBus，bmConfigured[1] 字段由寄存器确定，此引脚采样值设置或清除电池充电支持寄存器中的 autoEnz 位，SMBus 主设备可稍后覆盖该寄存器。若选择 SMBus 且 stsOutputEn 位设置，此引脚作为 HS_SUSPEND（上游 HS 暂停指示器），值为 1 表示连接暂停。
SW2_2	Off	GANGED_HS_UP/BB_CONNECT Switch，配置为 I2C 模式时，此引脚作为 Billboard 使能。高电平时，广告牌设备启用并呈现给系统；低电平时，禁用。若选择 SMBus，Billboard 使能由寄存器控制。若选择 SMBus 且 stsOutputEn 位设置，此引脚作为 HS_UP（上游 HS 连接指示器），值为 1 表示上游端口连接到支持 HS USB 的端口。若选择 SMBus，复位撤销时采样此引脚的值来设置电源开关和过流检测模式：0 表示支持单个端口电源控制；1 表示支持组合端口电源控制。SMBus 主设备可稍后覆盖该寄存器。
SW2_3	Off	PWRCTL_POL Switch，TUSB8044A 此终端有内部上拉电阻，端口电源控制极性默认高电平有效。若开关置于 ON 位置，终端拉低，端口电源控制极性变为低电平有效。
SW2_4	Off	FULLPWRMGMTZ_SS_UP/BB_bmConfig0 Switch，配置为 I2C 模式时，此引脚与 BBbmConfigured1 直接控制 Billboard 能力描述符中的 bmConfigurated 字段。若选择 SMBus，bmConfigured[0] 字段由寄存器确定。若选择 SMBus 且任何端口启用电池充电，此引脚采样状态设置或清除设备配置寄存器 3 中的 FullAutoEn 位。SMBus 主设备可稍后覆盖该寄存器。若选择 SMBus 且禁用电池充电，复位撤销时采样此引脚的值来设置电源开关控制，SMBus 主设备可稍后覆盖此功能：0 表示支持电源开关和过流输入；1 表示不支持。若选择 SMBus 且 stsOutputEn 位设置，此引脚作为 SS_UP（上游 SS 连接指示器），值为 '1' 表示上游端口连接到支持 SuperSpeed USB 的端口。
SW2_5	Off	SCL_SMBCLK PD Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用串行 EEPROM 或 SMBUS 接口。若开关置于 ON 位置，连接外部下拉电阻到串行时钟终端用于测试目的。
SW2_6	Off	SDA_SMBDAT PD Switch，TUSB8044A 此终端有内部下拉电阻，默认禁用串行 EEPROM 或 SMBUS 接口。若开关置于 ON 位置，连接外部下拉电阻到串行时钟终端用于测试目的。

3.2 EVM 安装

要安装 EVM，请按照以下步骤进行：

1. 将 5 - V、3 - A 壁式电源连接到 J6；
2. 打开开关 SW3，此时 LED D4 必须亮起；
3. 使用 USB 电缆将 J3 连接到 USB 主机，此时 LED D1、D5、D6、D7 和 D8 必须亮起。

3.3 故障排除

在使用过程中，可能会遇到一些问题，下面为大家提供常见问题的解决方法：

• 情况 1：设备功能在设备管理器中“丢失”
  • 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。
• 情况 2：EVM 完全无法工作
  • 验证所有开关都处于默认状态，并且 EVM 由具有足够电流（3 A 以上）的 5 - V 电源供电，以支持任何总线供电的设备；
  • 如果安装了串行 EEPROM，请从 EEPROM 插槽中取出，因为 EVM 运行不需要 EEPROM；
  • 确保 J7、J8 和 J9 上安装了分流器；
  • 如果将 12 - V 电源连接到 EVM，故障将无法恢复。

四、附录信息

4.1 物料清单

文档的附录 A 提供了 TUSB8044AEVM REV D EVM 的物料清单，包含了从电容、电阻、LED 到芯片、晶振等各种组件的详细信息，如制造商、型号、封装、数量等。这对于我们进行硬件设计和采购非常有帮助。

4.2 原理图

附录 B 包含了 TUSB8044AEVM REV D EVM 的原理图，包括顶层布局、USB 端口连接和电源等方面的图示。这些原理图可以帮助我们更深入地理解硬件的电路