تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المتقدمة لموزعات USB وتجميعها بشكل متكامل
الشكل 1. لوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB
كل موزع USB - بدءًا من محول السفر البسيط الذي لا يتجاوز سعره 10 دولارات وصولًا إلى وحدة الرف الصناعية ذات 16 منفذًا والتي يصل سعرها إلى 500 دولار - يعمل على لوحة دوائر مطبوعة واحدة تتضمن دائرة متكاملة للتحكم في الموزع، ومفتاح طاقة لكل منفذ، وحماية من التفريغ الكهروستاتيكي، وتوجيه تفاضلي مُتحكم فيه بالمقاومة. تحدد دائرة التحكم في الموزع التي تختارها، وتكوين الطبقات الذي تحدده، وبنية الطاقة التي تصممها، ما إذا كان المنتج سيجتاز شهادة USB-IF في العينة الأولى أم سيفشل في الإنتاج. يُقدم لك هذا الدليل أرقام القطع المحددة، وقواعد تكوين الطبقات، ونطاقات التكلفة، وقيود التصميم لضمان نجاح المنتج.
جدول المحتويات
- اختيار دائرة التحكم المركزية المتكاملة: مقارنة بين جميع أرقام الأجزاء الرئيسية
- بنية الطاقة: الطاقة عبر منفذ USB مقابل الطاقة الذاتية مقابل مدخل USB-C PD
- تركيب لوحة الدوائر المطبوعة، والتحكم في المعاوقة، وتوجيه الأزواج التفاضلية
- الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي، والامتثال لمعايير التوافق الكهرومغناطيسي، واختيار الموصلات
- تكوينات المنتج: من 4 منافذ إلى 16 منفذًا، من الاستخدام المنزلي إلى الاستخدام الصناعي
- تصنيع وتجميع لوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB
1. اختيار دائرة التحكم المركزية: مقارنة بين جميع أرقام الأجزاء الرئيسية
تحدد دائرة التحكم المركزية سرعة منفذ USB، وعدد المنافذ، وقدرة الشحن، وتشكل 60% من إجمالي تكلفة قائمة مكونات المنتج. اختيار دائرة التحكم المركزية الخاطئة يُلزمك بمواصفات منتج لا يمكن تغييرها إلا بإعادة تصميم اللوحة.
| دائرة متكاملة للمحور | سرعة أوسب | الموانئ | فئة الإشتراك | مفتاح لكل منفذ | BC1.2 | أفضل ل |
|---|---|---|---|---|---|---|
| جينيسيس GL850G | 2.0 (480 ميجابت في الثانية) | 4 | SSOP-28 | خارجي | لا | مركز المستهلك ذو الميزانية المحدودة، مركز لوحة المفاتيح |
| جينيسيس GL852G | 2.0 | 4 | كيو اف ان-32 | خارجي | لا | مركز شحن صغير الحجم |
| شريحة مايكروشيب USB2422 | 2.0 | 2 | كيو اف ان-36 | داخلي | لا | مركز حاسوب محمول مدمج، بوابة |
| شريحة مايكروشيب USB2517 | 2.0 | 7 | كيو اف ان-64 | خارجي | اختياري | موزع سطح المكتب ذو 7 منافذ، KVM |
| شريحة مايكروشيب USB5744 | 3.1 الجيل الأول (5 جيجابت في الثانية) | 4 | كيو اف ان-64 | داخلي | نعم | موزع USB 3.0 مع خاصية الشحن |
| عبر VL817 | 3.1 يناير 1 | 4 | كيو اف ان-76 | خارجي | لا | قاعدة توصيل USB 3.0، موزع شاشة |
| عبر VL822 | 3.2 يناير 1 | 4 | كيو اف ان-100 | خارجي | لا | محطة إرساء USB-C |
| TI TUSB8044 | 3.1 يناير 1 | 4 | بغا-144 | خارجي | اختياري | مركز صناعي / مهني |
| TI TUSB8044-Q1 | 3.1 يناير 1 | 4 | بغا-144 | خارجي | اختياري | مركز السيارات AEC-Q100 |
| جينيسيس GL3523 | 3.1 يناير 1 | 4 | كيو اف ان-88 | خارجي | نعم | موزع USB-C مع خاصية تمرير PD |
بالنسبة لمنافذ USB التي تزيد عن 7، يتم توصيل شريحتين متكاملتين (ICs) على التوالي، بحيث تغذي إحداهما الأخرى. هذه هي الطريقة التي تُصنع بها جميع موزعات USB ذات 10 و12 و16 منفذًا. ينتج عن توصيل شريحتين VL817 على التوالي موزع USB 3.0 بثمانية منافذ؛ بينما ينتج عن توصيل شريحتين USB2517 على التوالي موزع USB 2.0 بأربعة عشر منفذًا.
بالنسبة للمنتجات المزودة بمنافذ USB-C تدعم وضع DisplayPort البديل، قم بإقران شريحة الموزع مع وحدة تحكم USB-C (مثل TI TUSB544 retimer أو VIA VL103) التي تتولى عملية التفاوض على دبابيس CC وتبديل مسارات الوضع البديل. تتوفر حلول الموزع أحادي الشريحة مع وحدة التحكم CC، ولكنها لا تزال محدودة من حيث عدد المنافذ والمرونة.
تتطلب دوائر BGA المحورية المتكاملة مثل TUSB8044 تجميع لوحة الدوائر المطبوعة BGA مع فحص بالأشعة السينية - تحقق من هذه الإمكانية قبل اختيار دائرة محورية متكاملة مغلفة بـ BGA.
2. بنية الطاقة: الطاقة عبر منفذ USB مقابل الطاقة الذاتية مقابل مدخل USB-C PD
تُعدّ بنية الطاقة السبب الرئيسي لإرجاع منتجات موزعات USB. فالموزع الذي يعمل عبر منفذ USB والذي يُفترض أن يحتوي على 4 منافذ ولكنه لا يستطيع تشغيل قرص صلب خارجي، يحصل على تقييم نجمة واحدة. لذا، احرص على تحديد ميزانية الطاقة بدقة قبل البدء بالتصميم.
يعمل عبر منفذ USB. يستهلك التيار بالكامل من الجهاز المضيف: 500 مللي أمبير كحد أقصى (USB 2.0) أو 900 مللي أمبير كحد أقصى (USB 3.x). بعد استهلاك دائرة التحكم في الموزع (حوالي 120 مللي أمبير)، يحصل كل منفذ من منافذ موزع رباعي على ما يقارب 100-200 مللي أمبير. هذا يكفي لتشغيل الفأرة ولوحة المفاتيح ووحدات التخزين المحمولة. لكنه لا يكفي لتشغيل محركات الأقراص الصلبة المحمولة أو كاميرات الويب المزودة بمصابيح LED أو أي عملية شحن.
يعمل بالطاقة الذاتية. محول طاقة خارجي (5 فولت / 2.5-5 أمبير، أو 12 فولت مع محول خافض للجهد مدمج). يوفر كل منفذ تيارًا كامل المواصفات: 500 مللي أمبير (USB 2.0)، 900 مللي أمبير (USB 3.x)، أو 1.5-2.4 أمبير مع كشف BC1.2 / Apple DCP / Qualcomm QC. يتطلب مفتاح طاقة لكل منفذ: TI TPS2042 (مزدوج، 500 مللي أمبير)، TI TPS2052B (مزدوج، 800 مللي أمبير)، Diodes Inc AP2176 (مفرد، قابل للتعديل).
مدخل USB-C PD. أصبح هذا المدخل معيارًا متزايدًا للمنتجات المتميزة. يقوم متحكم USB-C PD (TI TPS65987، Cypress CYPD3177) بالتفاوض على جهد 9 فولت أو 15 فولت أو 20 فولت من الشاحن، ثم يقوم محول خافض للجهد بخفض الجهد إلى 5 فولت لناقل VBUS. يتيح ذلك وظيفة الموزع وشحن PD المباشر إلى الكمبيوتر المحمول، ليصبح المنتج محطة إرساء بكابل واحد.
تحديد حجم النحاس لـ VBUS: عند استخدام نحاس بوزن 1 أونصة، يُراعى عرض مسار 30 ميل لكل أمبير (ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية). يتطلب موزع ذو 7 منافذ بتيار 900 مللي أمبير لكل منفذ (إجمالي 6.3 أمبير) مسارًا بعرض 190 ميل (4.8 مم)، أو عمليًا، طبقة طاقة VBUS مخصصة على طبقة داخلية. أما بالنسبة لموزعات الشحن بتيار 2.4 أمبير × 7 منافذ (16.8 أمبير)، فإن لوحة الدوائر المطبوعة النحاسية السميكة ذات الطبقات الداخلية بوزن 2 أونصة هي الحل الأمثل.
3. تكديس لوحة الدوائر المطبوعة، والتحكم في المعاوقة، وتوجيه الأزواج التفاضلية
تتطلب أزواج USB 2.0 التفاضلية (D+/D−) مقاومة 90 أوم ±10%. بينما تتطلب أزواج USB 3.x فائقة السرعة (TX/RX) مقاومة 90 أوم ±5%. تحدد هذه القيم المستهدفة للمقاومة، بالإضافة إلى عدد المنافذ، الحد الأدنى لعدد الطبقات.
| نوع المنتج | طبقات | تكدس | طريقة المعاوقة |
|---|---|---|---|
| منفذ USB 2.0، 4 منافذ، يعمل بالطاقة عبر منفذ USB | 2 | إشارة / أرضي | شريط ميكروي على FR-4 |
| منفذ USB 2.0، من 4 إلى 7 منافذ، يعمل بالطاقة الذاتية | 4 | إشارة / أرضي / طاقة / إشارة | الميكروستريب، مستوى مخصص لمفاعل الماء المضغوط |
| منفذ USB 3.0 رباعي | 4-6 | سيج / GND / سيج / PWR / GND / سيج | خط رفيع على الطبقات الداخلية |
| قاعدة توصيل USB-C (موزع + فيديو + PD) | 6-8 | تقنية HDI مع وصلات مخفية/مدفونة | خط شرائط + توزيع HDI |
| مركز صناعي يضم 16 ميناءً | 6-8 | طبقات داخلية سميكة من النحاس | خطوط ميكروستريب + مستويات VBUS عريضة |
يجب ألا يتجاوز طول الأسلاك داخل الزوج الواحد 5 مل لتقنية USB 3.x، و50 مل لتقنية USB 2.0. يُفضل وضع أزواج أسلاك SuperSpeed على الطبقات الداخلية بين مستويين أرضيين (خط انزلاقي) للحماية. أما أزواج أسلاك USB 2.0 فتُوضع على الطبقات الخارجية - وهي أقل أهمية عند سرعة 480 ميجابت في الثانية. تجنب تمامًا وضع أزواج أسلاك USB عبر فاصل بين مستويين أرضيين - لأن انقطاع التيار العائد يُسبب عطلًا فوريًا في التوافق الكهرومغناطيسي.
بالنسبة لموزعات USB رباعية الطبقات - وهي التكوين الأكثر شيوعًا - نستخدم في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة رباعية الطبقات لدينا تركيبات قياسية مُحسَّنة لمقاومة تفاضلية 90 أوم على مادة ما قبل التشريب بسماكة 4 مل. أما بالنسبة لمحطات إرساء USB-C التي تتطلب 6-8 طبقات مع توزيع HDI، فإن تقنية لوحات الدوائر المطبوعة HDI لدينا تدعم فتحات محفورة بالليزر بقطر 0.1 مم.
الشكل 2. حلول متنوعة للوحات الدوائر المطبوعة عالية الأداء لموزع USB مع عدد منافذ قابل للتخصيص يتراوح من 2 إلى 16+ منفذًا للتطبيقات الصناعية والاستهلاكية.
4. الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي، والامتثال لمعايير التوافق الكهرومغناطيسي، واختيار الموصلات
يجب أن تحتوي جميع موصلات USB الخارجية على ثنائيات حماية من التفريغ الكهروستاتيكي ضمن مسافة 1.5 مم من دبابيس الموصل - دون استثناء. أول حدث تفريغ كهروستاتيكي بدون حماية يؤدي إلى تلف دائرة التحكم المركزية.
USB 2.0 D+/D−: مصفوفة TVS، السعة ≥3 pF. تي آي TPD4S012، إن إكس بي IP4220CZ6، نيكسبيريا PESD5V0U4BF.
USB 3.x TX/RX: ثنائيات حماية من التفريغ الكهروستاتيكي ذات سعة منخفضة للغاية، ≤0.3 بيكوفاراد. TI TPD4S214، Diodes Inc DT1452-02. تؤدي ثنائيات الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي ذات السعة العالية إلى تدهور مخططات العين بسرعة 5 جيجابت في الثانية إلى ما دون حدود الامتثال لمعيار USB-IF.
VBUS: محول جهد ثنائي الاتجاه مصنف لجهد 5.5 فولت (أو أعلى لتقنية PD). Bourns CDSOT23-SM712.
لضمان التوافق الكهرومغناطيسي (معيار لجنة الاتصالات الفيدرالية للمستهلكين من الفئة B، ومعيار CE EN 55032): تعمل ملفات الخنق ذات الوضع المشترك على كل زوج من منافذ USB على تقليل الانبعاثات المشعة. موراتا DLP21SN (USB 2.0)، DLW32SH (USB 3.0). ضعها بعد ثنائيات الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي، وقبل دائرة التحكم المتكاملة للموزع. العديد من تصميمات موزعات USB 2.0 لا تجتاز اختبارات لجنة الاتصالات الفيدرالية بدون ملفات الخنق ذات الوضع المشترك - أضفها منذ البداية بدلاً من إضافتها كحل لاحق بعد الحصول على الشهادة.
أنواع الموصلات حسب التطبيق: يُعدّ USB Type-A معيارًا للمنافذ الطرفية في موزعات الأجهزة المنزلية. ويُستخدم USB Type-C بشكل متزايد للمنافذ الصاعدة (إلى المضيف) وأحيانًا للمنافذ الهابطة (في قواعد التوصيل المتميزة). أما USB Type-B فنادر الاستخدام ولكنه يُستخدم في بعض المعدات الصناعية. ويُعتبر Micro-USB للمنافذ الصاعدة قديمًا، لذا يُنصح بتجنبه في التصاميم الجديدة. ولضمان موثوقية الموصلات الميكانيكية في المنتجات التي تتعرض لعمليات توصيل وفصل متكررة، يُنصح باستخدام عروات تثبيت من خلال الثقوب بدلًا من موصلات SMT. راجع دليل موصلات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) للاطلاع على تفاصيل الاختيار.
5. تكوينات المنتج: من 4 منافذ إلى 16 منفذًا، من الاستخدام المنزلي إلى الاستخدام الصناعي
| الاعداد | دائرة متكاملة للمحور | PCB | BOM (10K vol) | مجموعة التجزئة | السوق المستهدف |
|---|---|---|---|---|---|
| جهاز USB 2.0 رباعي المنافذ يعمل بالطاقة عبر منفذ USB | GL850G | 2 طبقات، 50×30 مم | $ 1.50-2.50 | $ 8-15 | المستهلك، السفر |
| جهاز USB 2.0 بسبعة منافذ يعمل بالطاقة الذاتية | GL852G + TPS2042 | 4 طبقات، 55×35 مم | $ 2.50-4.00 | $ 15-25 | سطح المكتب، موزع لوحة المفاتيح |
| جهاز USB 2.0 بسبعة منافذ يعمل بالطاقة الذاتية | USB2517 + 4× TPS2042 | 4 طبقات، 80×50 مم | $ 4.50-6.50 | $ 20-40 | سطح المكتب، موسع KVM |
| منفذ USB 3.0 رباعي | VL817 | 4 طبقات، 60×40 مم | $ 4.50-8.00 | $ 25-50 | سطح مكتب احترافي |
| شحن بأربعة منافذ USB 3.0 + BC1.2 | USB5744 | 4 طبقات، 65×45 مم | $ 6.00-10.00 | $ 35-60 | مركز الشحن |
| قاعدة توصيل USB-C 7 في 1 (موزع + HDMI + إيثرنت + PD) | VL822 + VL103 + RTL8153 | 6-8 طبقات HDI، 90×60 مم | $ 15-30 | $ 60-150 | محترف متنقل |
| جهاز صناعي مزود بـ 8 منفذ USB 3.0 | 2× VL817 متتالي | 6 طبقات، 150×80 مم | $ 18-35 | $ 150-350 | أتمتة المصانع، أكشاك البيع |
| جهاز صناعي مزود بـ 16 منفذ USB 3.0 | 2× VL817-Q8 متسلسلة | نحاس سميك من 8 طبقات، 200×120 مم | $ 35-60 | $ 300-600 | مجموعة أجهزة، لافتات، نقاط بيع |
لدرجات حرارة واسعة النطاق (من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية): استخدم مكونات صناعية عالية الجودة ورقائق PCB ذات درجة حرارة انتقال زجاجي عالية (Tg ≥ 170 درجة مئوية). للسيارات: يُعدّ TI TUSB8044-Q1 الدائرة المتكاملة الوحيدة الرئيسية المعتمدة وفقًا لمعيار AEC-Q100 لتوزيع USB 3.x.
بالنسبة لمحطات الإرساء USB-C التي تجمع بين وظائف الموزع والفيديو والشحن: تتضمن لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) من 4 إلى 6 دوائر تحكم متكاملة مختلفة (الموزع، ووحدة التحكم USB-C CC، ومُعيد توقيت DisplayPort، ووحدة Ethernet PHY، ووحدة تحكم PD، وبرنامج ترميز الصوت). تُعد هذه الفئة من منتجات USB الأكثر تعقيدًا، حيث يتطلب تصميمها فصلًا دقيقًا لأقسام الإشارات الرقمية عالية السرعة، والصوت التناظري، والطاقة عالية التيار على لوحة الدوائر المطبوعة.
الشكل 3. لوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB
6. تصنيع وتجميع لوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB
هناك ثلاثة متطلبات تصنيع خاصة بلوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بموزعات USB، ويجب التحقق منها مع شريك التصنيع قبل الطلب:
التحقق من المعاوقة. يجب أن تتضمن كل دفعة إنتاج اختبار قسيمة TDR للتأكد من أن المعاوقة 90 أوم ±5% (USB 3.x) أو ±10% (USB 2.0) على الأزواج التفاضلية. يختلف ثابت العزل الكهربائي لمادة FR-4 بنسبة ±5-10% بين دفعات المواد - وبدون التحقق من القسيمة، لا يتم اكتشاف انحراف المعاوقة حتى تتراكم حالات فشل الاختبار الوظيفي. يتضمن تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة ذات التحكم في المعاوقة في Highleap اختبار TDR على كل طلبية ذات معاوقة مضبوطة.
تجميع بتقنيات مختلطة. تجمع لوحات موزع USB بين مكونات SMT (دائرة متكاملة للموزع، ثنائيات ESD، مفاتيح الطاقة، ووحدات الفصل) ومكونات ذات ثقوب (موصلات USB من النوع A، ومقابس أسطوانية). تسلسل التجميع: لحام إعادة التدفق SMT أولاً، ثم لحام الموجة الانتقائية للثقوب. عكس هذا التسلسل يُسبب عيوبًا في اللحام على جانب SMT. يُزيل التجميع الجاهز مع مصادر مكونات من موزعين معتمدين خطر دوائر الموزع المتكاملة المقلدة الذي يُؤثر سلبًا على سلاسل التوريد في السوق السوداء.
اختبار وظيفي. يجب اختبار كل موزع USB مُجمّع: التحقق من منافذ USB، ومعدل نقل البيانات بالسرعة المُصنّفة، وتيار التوصيل لكل منفذ، ونقطة فصل الحماية من التيار الزائد. يحتوي موزع USB الذي يُشحن دون اختبار وظيفي على نسبة عيوب خفية تتراوح بين 3 و8% ناتجة عن التجميع - مثل وصلات اللحام الباردة، ومقاومة هامشية، ومكونات مفقودة. تكلفة إصلاح هذه العيوب ميدانيًا تتراوح بين 10 و20 ضعف تكلفة الاختبار في المصنع.
تُصنّع شركة هايليب إلكترونيكس لوحات دوائر موزعات USB، بدءًا من نماذج أولية صغيرة (5 وحدات) وصولًا إلى إنتاج أكثر من 100 ألف وحدة. أرسل تصميم لوحة دوائر موزع USB الخاصة بك للحصول على عرض سعر ، مع تضمين ملفات Gerber وقائمة المكونات والكمية المطلوبة ونطاق الشهادات.
مواضيع ذات صلة: كيفية تقييم مُصنِّع لوحات الدوائر المطبوعة لموزعات USB · تكامل لوحات الدوائر المطبوعة لموصلات USB-C · منتجات توسيع منافذ USB · تصميم محولات USB · أنظمة توسيع منافذ USB
وأوصت المشاركات
خدمات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد
توفر شركة هايليب للإلكترونيات خدمة تجميع لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد...
الشركة المصنعة لتجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور بنظام تسليم المفتاح
شركة هايليب للإلكترونيات هي شركة متخصصة في تجميع لوحات الدوائر المطبوعة الجاهزة للاستخدام...
شركة تصنيع تجميعات الدوائر المطبوعة في الصين
شركة هايليب للإلكترونيات هي شركة مصنعة لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة في...
تجميع لوحة الدوائر المطبوعة لمفتاح الشبكة: اختبار الإيثرنت، وتقنية PoE، والمنافذ
تُقدّم شركة هايليب للإلكترونيات خدمة تجميع لوحات الدوائر المطبوعة لمفاتيح الشبكة...
كيفية الحصول على عرض أسعار للوحات الدوائر المطبوعة
سنجري تحليل DFM/DFA نيابةً عنك، وسنوافيك بتقرير. يمكنك تحميل ملفاتك بأمان عبر موقعنا الإلكتروني. نحتاج إلى المعلومات التالية لتقديم عرض سعر لك:
-
- Gerber، ODB++، أو .pcb، المواصفات.
- قائمة المواد إذا كنت بحاجة إلى التجميع
- الكمية
- تحويل الوقت
بالإضافة إلى تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة، نقدم مجموعة شاملة من الخدمات الإلكترونية، بما في ذلك تصميم لوحات الدوائر المطبوعة، وتركيب لوحات الدوائر المطبوعة، والحلول الجاهزة. سواءً كنت بحاجة إلى مساعدة في إنشاء النماذج الأولية، أو التحقق من التصميم، أو توريد المكونات، أو الإنتاج الضخم، فإننا نقدم دعمًا شاملًا لضمان نجاح مشروعك.
لخدمات PCBA، يُرجى تقديم قائمة المواد (BOM) وأي تعليمات تجميع محددة. كما نقدم تحليل DFM/DFA لتحسين تصميماتكم من حيث قابلية التصنيع والتجميع، مما يضمن عملية إنتاج سلسة.