TUSB8043A：高性能四端口USB 3.2 x1 Gen1集線器的深度解析

在當(dāng)今數(shù)字化時代，電子設(shè)備對高速數(shù)據(jù)傳輸和多設(shè)備連接的需求日益增長。TUSB8043A作為一款四端口USB 3.2 x1 Gen1（5Gbps）集線器，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為了電子工程師設(shè)計中的熱門選擇。今天，我們就來深入探討一下TUSB8043A的各項特性、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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特性剖析

端口與速度支持

TUSB8043A提供了四端口USB 3.2 x1 Gen1（5Gbps）連接，同時具備USB 2.0集線器特性。它在上行端口可實現(xiàn)同步超快速和高速/全速USB連接，下行端口則支持超快速、高速、全速或低速USB連接。不過，當(dāng)上行端口連接到僅支持高速或全速/低速連接的環(huán)境時，下行端口的超快速USB連接會被禁用；若上行端口僅支持全速/低速連接，下行端口的超快速和高速連接都將被禁用。

電池充電支持

這是TUSB8043A的一大亮點。它支持多種電池充電模式，包括電池充電下行端口（CDP）、專用充電端口（DCP）、分頻器充電端口（ACPx）模式以及Galaxy充電。在未連接上行端口時，可支持DCP模式，該模式符合中國電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1591 - 2009。同時，還能在未連接上行端口時實現(xiàn)自動模式，在ACP3、ACP2、ACP1和DCP模式之間自動切換。

電源管理

TUSB8043A支持每端口或成組電源開關(guān)以及過流通知輸入?？赏ㄟ^端口電源單獨控制集線器開關(guān)為每個下行端口上電或斷電，也能在檢測到過流事件時關(guān)閉相應(yīng)端口或所有下行端口的電源。

定制配置

通過OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus從機接口，TUSB8043A可實現(xiàn)定制配置，如VID和PID、端口定制、制造商和產(chǎn)品字符串以及序列號等。此外，還支持讀取和寫入I2C的供應(yīng)商請求，并且在100k和400k（默認(rèn)）條件下支持EEPROM讀取，I2C主機支持時鐘擴展。

其他特性

它還支持作為一個USB 3.2第1代或者USB 2.0復(fù)合設(shè)備運行，提供128位通用唯一標(biāo)識符（UUID），支持通過USB 2.0上行端口進行板載和系統(tǒng)內(nèi)EEPROM編程，單個時鐘輸入可使用24MHz晶體或晶振，僅可對USB2.0下行端口進行配置，采用64引腳QFN封裝（RGC）。

應(yīng)用場景

TUSB8043A適用于多種需要額外USB端口的應(yīng)用場景，如計算機系統(tǒng)、擴展塢、監(jiān)視器和機頂盒等。以筆記本電腦為例，若其本身只有兩個下游USB端口，使用TUSB8043A后，可將下游端口數(shù)量增加到五個，大大擴展了設(shè)備的連接能力。

設(shè)計要點

電源供應(yīng)

• 核心電源（VDD）：應(yīng)為1.1V（標(biāo)稱），可通過鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離以減少噪聲。需注意鐵氧體磁珠的直流電阻可能影響提供給設(shè)備的電壓，可調(diào)整核心電壓調(diào)節(jié)器的輸出或選擇低直流電阻（小于0.05Ω）的磁珠。同時，所有電源軌都需要10μF或1μF的電容來保證穩(wěn)定性和抗噪性，較小的去耦電容應(yīng)盡可能靠近TUSB8043A的電源引腳放置。
• I/O和模擬電源（VDD33）：提供3.3V電源，同樣可通過鐵氧體磁珠與其他電源軌隔離。
• 下游端口電源（VBUS）：必須由能夠提供5V和每個端口高達900mA電流的電源供應(yīng)。每個下游端口的VBUS需要一個22μF或更大的大容量低ESR電容來限制浪涌電流，并且建議在下游USB端口連接的VBUS引腳上使用鐵氧體磁珠以提高ESD和EMI性能。

布局設(shè)計

• 元件放置：9.53K ±1%電阻應(yīng)盡可能靠近TUSB8043A的USB_R1引腳；每個VDD和VDD33電源引腳附近應(yīng)放置0.1μF電容；SSTXP和SSTXM網(wǎng)絡(luò)上的100nF電容應(yīng)靠近USB連接器；ESD和EMI保護設(shè)備若使用，應(yīng)盡可能靠近USB連接器；若使用晶體，應(yīng)放置在靠近TUSB8043A的XI和XO引腳處；電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)遠離TUSB8043A、晶體和差分對；每個電源軌的大容量電容應(yīng)靠近電壓調(diào)節(jié)器放置。
• 封裝相關(guān)：TUSB8043A采用0.5mm引腳間距的封裝，有6.0mm x 6.0mm的散熱墊，該散熱墊必須通過過孔系統(tǒng)連接到地，除連接到散熱墊的過孔外，設(shè)備下方的所有過孔應(yīng)進行阻焊處理。
• 差分對布局：所有差分對（如USB_DP_XX、USB_DM_XX等）必須設(shè)計為90Ω ±10%的差分阻抗；為減少串?dāng)_，高速信號應(yīng)相互遠離，每對之間應(yīng)至少間隔信號走線寬度的5倍，也可使用接地隔離；差分對應(yīng)在同一層相鄰的實心接地平面上布線，避免跨越任何平面分割；添加測試點會導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，若使用應(yīng)串聯(lián)且對稱放置，避免在差分對上產(chǎn)生分支；差分走線應(yīng)盡量避免90度轉(zhuǎn)彎，使用彎曲時，左右彎曲數(shù)量應(yīng)盡量相等，彎曲角度應(yīng)≥135度；差分對走線長度應(yīng)盡量縮短，SS差分對信號和USB 2.0差分對信號的最大推薦走線長度為八英寸；差分對走線長度應(yīng)匹配，SS差分對信號與其互補信號之間的長度差應(yīng)小于5mil，USB 2.0差分對的相對走線長度差不應(yīng)超過50mil；差分對路徑中應(yīng)盡量減少過孔的使用，若使用，應(yīng)確保同一對信號使用相同類型和位置的過孔，且過孔應(yīng)靠近TUSB8043A設(shè)備；為方便布線，可交換SS差分對的極性，若交換USB2 DP和DM對的極性，應(yīng)相應(yīng)設(shè)置Px_usb2pol寄存器；不要在差分對走線上放置電源保險絲。

實際應(yīng)用案例

以離散USB集線器產(chǎn)品為例，這是TUSB8043A的常見應(yīng)用場景。該產(chǎn)品由外部5V DC電源適配器供電，TUSB8043A的上游端口通過USB電纜連接到USB主機控制器，下游端口則供用戶連接USB硬盤驅(qū)動器、相機、閃存驅(qū)動器等設(shè)備。

在設(shè)計過程中，上游端口連接到USB3 Type B連接器，通過電壓分壓器確保VBUS信號滿足USB_VBUS輸入要求。下游端口1 - 4分別連接到USB3 Type A連接器，通過拉高BATENx引腳可啟用電池充電支持。VBUS電源開關(guān)可選用德州儀器的TPS2561雙通道精密可調(diào)電流限制電源開關(guān)。時鐘、復(fù)位和雜項方面，PWRCTL_POL引腳未連接時，USB VBUS電源開關(guān)的電源使能為高電平有效；SMBUSz引腳未連接時，選擇I2C模式；GRSTN引腳上的1μF電容僅在VDD11電源先于VDD33電源穩(wěn)定時使用，電容大小可能需根據(jù)兩個電源的斜坡情況進行調(diào)整。

總結(jié)

TUSB8043A憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場景和合理的設(shè)計要求，為電子工程師在設(shè)計多端口USB設(shè)備時提供了一個可靠的解決方案。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理配置電源、精心設(shè)計布局，以充分發(fā)揮TUSB8043A的性能優(yōu)勢。各位工程師在使用過程中，是否遇到過一些獨特的問題或者有一些巧妙的解決方案呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。