لوحة دوائر توسيع منفذ USB: التصميم، التصنيع، التجميع

يُحوّل مُوسّع منافذ USB منفذ USB واحدًا إلى عدة منافذ. لكن مصطلح "مُوسّع منافذ USB" يشمل أربع فئات منتجات مختلفة تمامًا على الأقل: موزعات الطاقة المكتبية، ومحولات المنافذ المتعددة للسفر، وموزعات OEM المدمجة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والشاشات، ومكررات المنافذ الصناعية المثبتة على الرفوف. لكل فئة منها تكلفة مختلفة، وشكل مختلف، ومصدر طاقة مختلف، ونطاق اعتماد مختلف، وحجم إنتاج مختلف. يُفصّل هذا الدليل جميع هذه الفئات مع المواصفات والأسعار وقرارات تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لكل منها.

جدول المحتويات

1. أربع فئات منتجات تحت اسم واحد
2. موزعات الطاقة المكتبية ومحطات الشحن
3. موزعات السفر، ومحولات USB-C متعددة المنافذ، ومحطات الإرساء
4. موسعات منافذ USB مدمجة لمنتجات الشركات المصنعة للمعدات الأصلية
5. موزعات المنافذ الصناعية وموزعات USB المثبتة على الرفوف
6. طرح موسع منافذ USB في السوق بالتعاون مع شركة هايليب

1. أربع فئات منتجات تحت اسم واحد

تشترك هذه الفئات الأربع في نفس التقنية الأساسية - وهي شريحة USB مدمجة على لوحة دوائر مطبوعة - لكنها تختلف في كل جانب آخر: الغلاف، وتصميم الطاقة، ونوع الموصل، ودرجة الحرارة، ونطاق الاعتماد، وحجم الإنتاج. المنتج الناجح هو الذي يطابق مواصفاته بدقة مع فئته، بدلاً من محاولة أن يكون شاملاً لكل شيء.

2. موزعات الطاقة المكتبية ومحطات الشحن

تُعدّ هذه النقطة الأمثل في منتجات USB الاستهلاكية، حيث يرغب المستخدمون في الحصول على المزيد من منافذ USB على مكاتبهم دون الحاجة إلى فصل الأجهزة الموجودة. أما ما يُحفّز تقييمات المنتجات فهو: موثوقية المنافذ (حيث تعمل جميعها بكفاءة في كل مرة) وشحنها بشكل كافٍ (حيث يتم شحن الهواتف فعليًا، وليس ببطء).

موزع USB 3.0 رباعي المنافذ مزود بمصدر طاقة. منتج مكتبي قياسي. شريحة VL817، أربعة منافذ USB-A، محول طاقة 12 فولت/2.5 أمبير، 900 مللي أمبير لكل منفذ مع خاصية كشف الشحن BC1.2 على منفذ أو منفذين. هيكل من الألومنيوم لتبديد الحرارة وإضفاء مظهر فاخر. مؤشرات LED لكل منفذ ومفاتيح طاقة فردية هي الميزات التي تميز العلامات التجارية الرائدة (Anker، Sabrent، UGREEN) عن منتجات أمازون غير المعروفة. لوحة الدوائر المطبوعة: 4 طبقات، 60 × 40 مم. تكلفة المكونات عند 10 آلاف وحدة: 5-8 دولارات.

موزعات بـ 7 و 10 منافذ. لمحطات العمل، وتحرير الفيديو، وإنتاج الصوت. البنية الداخلية: شريحتان متكاملتان لموزعات 4 منافذ متصلة على التوالي، تشتركان في منفذ واحد في اتجاه التيار - وهذا أكثر فعالية من حيث التكلفة من استخدام شريحة متكاملة واحدة بـ 7 منافذ في معظم التصاميم. تعمل بالطاقة الذاتية دائمًا. تكلفة المكونات عند 10 آلاف وحدة: 8-15 دولارًا.

محطة شحن مع موزع طاقة مدمج. منافذ بيانات منفصلة (USB-A) ومنافذ شحن فقط (USB-C أو USB-A مع DCP/QC/PD). لا تمر منافذ الشحن عبر شريحة الموزع، بل تتصل مباشرةً بمصدر الطاقة عبر شريحة تحكم بروتوكول الشحن. تتطلب لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) مسار VBUS نحاسي سميك لتيارات إجمالية تتراوح بين 10 و15 أمبير. لوحة الدوائر المطبوعة النحاسية السميكة ذات الطبقات الداخلية بوزن 2 أونصة هي معيار لهذا النوع من المنتجات.

موزعات USB-C للأجهزة الطرفية. المعيار الجديد: كابل USB-C لتوصيل الكمبيوتر المحمول، ومنافذ USB-A للأجهزة الطرفية القديمة، مع إمكانية تمرير الشحن السريع PD لشحن الكمبيوتر المحمول عبر الموزع. يعالج هذا المعيار مشكلة "الدونجل" التي تنشأ عن أجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تخلت عن منفذ USB-A. يضيف دمج USB-C في المنفذ الطرفي إدارة دبابيس CC، ووحدة تحكم PD، وموزع HDI إلى تصميم لوحة الدوائر المطبوعة.

3. موزعات السفر، ومحولات USB-C متعددة المنافذ، ومحطات الإرساء

يُعطي قطاع السفر الأولوية للحجم الصغير والوزن الخفيف والتشغيل بواسطة الحافلة (بدون الحاجة إلى حمل محول).

موزع USB-A صغير الحجم بأربعة منافذ. المنتج الأساسي. يعمل عبر منفذ USB، أبعاده 50 × 30 مم، مزود بكابل USB ثابت. يستهلك 100-125 مللي أمبير لكل منفذ بعد استهلاك الموزع. مناسب للفأرة ولوحة المفاتيح ووحدات التخزين المحمولة - غير مناسب للأقراص الصلبة الخارجية أو الشحن. سعر التجزئة 8-20 دولارًا. لوحة الدوائر المطبوعة: طبقتان، تكلفة المكونات 1.50-2.50 دولارًا.

محول USB-C متعدد المنافذ 5 في 1 / 7 في 1. المنتج الأسرع نموًا في مجال السفر. يوفر كابل USB-C واحد للكمبيوتر المحمول: منافذ USB-A، ومخرج HDMI بدقة 4K، وقارئ بطاقات SD، وأحيانًا منفذ إيثرنت، بالإضافة إلى منفذ USB-C PD. يعمل المحول بالطاقة من منفذ USB-C المضيف. لوحة الدوائر المطبوعة: 4-6 طبقات مع لوحة HDI لتوزيع منافذ USB-C، بأبعاد تقريبية 70 × 30 مم. تكلفة المواد: 8-25 دولارًا أمريكيًا. سعر التجزئة: 25-80 دولارًا أمريكيًا.

محطة إرساء USB-C. أكبر من محول السفر، تُعدّ ملحقًا مكتبيًا شبه دائم. يغني كابل USB-C واحد عن جميع توصيلات الكمبيوتر المحمول: USB، وشاشتي HDMI/DP، ومنفذ إيثرنت جيجابت، والصوت، وشحن PD بقدرة 60-100 واط. لوحة دوائر مطبوعة متعددة الشرائح (موزع + منفذ CC + شحن PD + فيديو + إيثرنت + صوت). 6-8 طبقات HDI، بحجم 100 × 60 مم تقريبًا. تكلفة المواد: 25-60 دولارًا أمريكيًا. سعر التجزئة: 80-250 دولارًا أمريكيًا. هذا هو القطاع المتميز الذي يستقطب أكبر قدر من استثمارات تطوير المنتجات.

موزعات OTG للهواتف. تعمل موزعات USB OTG (أثناء التشغيل) على تعريف الهاتف كمحول مضيف، مما يسمح بتوصيل الأجهزة الطرفية بالهاتف أو الجهاز اللوحي. تتميز هذه الموزعات بصغر حجمها، وتعمل بالطاقة عبر منفذ USB، وتحتوي عادةً على منفذ USB-C أو Micro-USB للتوصيل بالأجهزة الطرفية، بالإضافة إلى منفذي USB-A أو ثلاثة منافذ USB-A للتوصيل بالأجهزة الطرفية. لوحة الدوائر المطبوعة: من طبقتين إلى أربع طبقات، 30 × 15 مم. سعر التجزئة: من 10 إلى 30 دولارًا أمريكيًا.

4. موسعات منافذ USB المدمجة لمنتجات الشركات المصنعة للمعدات الأصلية

موسعات منافذ USB المدمجة ليست منتجات تُباع بالتجزئة، بل هي عبارة عن لوحات دوائر مطبوعة مدمجة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والشاشات، وأجهزة الكمبيوتر المتكاملة، وأكشاك الخدمة الذاتية، والمركبات، والمعدات الصناعية. وهذا هو المجال الذي يشهد أعلى حجم مبيعات إجمالي: فكل جهاز كمبيوتر محمول تقريبًا يُباع مزود بدائرة متكاملة واحدة على الأقل لتوسيع منافذ USB المحدودة في الشريحة لتشمل لوحة المفاتيح، ولوحة اللمس، وكاميرا الويب، وقارئ بصمات الأصابع، وتقنية البلوتوث، والموصلات الخارجية.

منافذ التوصيل الداخلية في أجهزة الكمبيوتر المحمولة: توجد دائرة التوصيل المتكاملة (IC) على اللوحة الأم للكمبيوتر المحمول، وليس على لوحة دوائر مطبوعة منفصلة. يحدد المصنّع الأصلي (OEM) دائرة التوصيل المتكاملة (عادةً Microchip USB2422 لمنفذين، أو VL817 لأربعة منافذ USB 3.0) كجزء من تصميم اللوحة الأم. الكمية: ملايين الوحدات لكل جيل من طرازات أجهزة الكمبيوتر المحمولة.

موزعات USB مدمجة في الشاشة: من 2 إلى 4 منافذ USB في الجزء الخلفي أو الجانبي من الشاشة. يتم دمج لوحة الدائرة المطبوعة للموزع ضمن الإلكترونيات الداخلية للشاشة. يتصل الموزع بجهاز الكمبيوتر الخاص بالمستخدم عبر منفذ USB الخاص بالشاشة. حجم المبيعات: عشرات الملايين سنويًا في سوق الشاشات العالمي.

موزعات أكشاك الخدمة الذاتية ونقاط البيع: تحتوي كل كشك على 2-4 منافذ USB لتوصيل ماسح الباركود، وطابعة الإيصالات، وقارئ البطاقات، وشاشة عرض العميل. مصممة للاستخدام الصناعي مع نطاق واسع من درجات الحرارة. لوحة الدوائر المطبوعة (PCB): 4 طبقات، أبعادها التقريبية 50 × 30 مم. يُعد تصنيع لوحات الدوائر الأصلية (OEM) للموزعات المدمجة من أكثر المنتجات إنتاجًا في أي منشأة لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة المتخصصة في منافذ USB.

مراكز المعلومات والترفيه في المركبات: مكونات معتمدة وفقًا لمعيار AEC-Q100 (TI TUSB8044-Q1)، نطاق درجة حرارة واسع (-40 إلى +85 درجة مئوية)، تجميع مقاوم للاهتزاز، ومتوافق مع معايير التوافق الكهرومغناطيسي للسيارات (CISPR 25). تتطلب لوحة الدوائر المطبوعة عمليات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بالسيارات مع توثيق PPAP.

5. مُكرِّرات المنافذ الصناعية وموزعات USB المثبتة على الرفوف

تُستخدم موسعات منافذ USB الصناعية في أتمتة المصانع، واللافتات الرقمية، ومزارع إدارة الأجهزة، وسلاسل البيع بالتجزئة، والتطبيقات العسكرية والحكومية. أهم ما يميزها عن المنتجات الاستهلاكية:

تركيب على سكة DIN. سكة DIN قياسية 35 مم لتركيبها في خزانة التحكم. الهيكل معدني (ألومنيوم مطلي بالبودرة أو فولاذ مقاوم للصدأ)، وليس بلاستيكيًا. تتوافق أبعاد لوحة الدوائر المطبوعة مع أبعاد الهيكل، وعادةً ما تكون 120 × 70 مم للوحدات ذات 4 منافذ، و200 × 120 مم للوحدات ذات 16 منفذًا.

طاقة تيار مستمر واسعة النطاق. تقبل المنتجات الصناعية مدخلات تيار مستمر من 9 إلى 48 فولت (وليس محول 5 فولت ثابت). محول خافض للجهد مدمج واسع النطاق يخفض الجهد إلى 5 فولت لـ USB VBUS. حماية المدخل: عكس القطبية، وكبح الارتفاع المفاجئ للتيار، وترشيح التداخل الكهرومغناطيسي. يجب أن تستوعب لوحة الدوائر المطبوعة ملف الحث، وموسفتات، ومكثفات الإدخال/الإخراج الخاصة بالمحول الخافض للجهد مع مراعاة التباعد الكافي لجهد الإدخال المقنن.

التحكم والمراقبة لكل منفذ. غالبًا ما توفر الموزعات الصناعية إمكانية التحكم في تشغيل/إيقاف الطاقة لكل منفذ عبر البرمجيات (عبر تقارير USB HID أو SNMP للطرازات المتصلة بالشبكة)، ومراقبة التيار لكل منفذ، وحالة مؤشر LED لكل منفذ. يتطلب ذلك وجود متحكم دقيق (STM32 أو PIC أو ما شابه) على لوحة الدوائر المطبوعة بالإضافة إلى دائرة الموزع المتكاملة - لقراءة قنوات ADC الخاصة باستشعار التيار والتواصل مع الجهاز المضيف عبر نقطة تحكم.

نطاق درجة حرارة واسع وتوافق كهرومغناطيسي ممتاز. من -40 إلى +85 درجة مئوية مع رقائق PCB عالية الصلابة الحرارية . متوافق مع معيار EN 61000-6-2 (مقاومة للظروف الصناعية)، ومعيار EN 61000-6-4 (انبعاثات صناعية). حماية من زيادة التيار على كل منفذ خارجي وفقًا لمعيار IEC 61000-4-5.

مزارع أجهزة ذات 16 منفذًا و32 منفذًا. تُستخدم لمزارع أجهزة الهواتف الذكية/الأجهزة اللوحية (اختبار التطبيقات، وتحديث البرامج الثابتة، وإدارة الأجهزة المحمولة)، ومحافظ العملات المشفرة، وبرمجة الأنظمة المدمجة على دفعات. تصميم موزع متتالي مع تحكم في الطاقة لكل منفذ ومراقبته. لوحة الدوائر المطبوعة: 8 طبقات، طولها أكثر من 200 مم، مزودة بناقل VBUS نحاسي سميك. تكلفة المكونات: من 35 إلى 100 دولار أمريكي أو أكثر، حسب عدد المنافذ والميزات.

6. طرح موسع منافذ USB في السوق مع شركة هايليب

تُصنّع شركة هايليب إلكترونيكس لوحات دوائر مطبوعة لتوسيع منافذ USB لعلامات تجارية في قطاع التجزئة، ومصنعي المعدات الأصلية، ومكاملين الأنظمة، وبائعي العلامات التجارية الخاصة. تشمل خدماتنا مسار التطوير الكامل وصولاً إلى الإنتاج.

تصاميم مرجعية. نوفر للعملاء الذين لا يملكون تصاميم جاهزة، تصاميم مرجعية مجربة لتكوينات شائعة: موزع USB 3.0 مكتبي بأربعة منافذ، ومحول سفر USB-C متعدد الاستخدامات (7 في 1)، وموزع مدمج لأجهزة الكمبيوتر المحمولة بمنفذين، ووحدة صناعية مثبتة على سكة DIN بثمانية منافذ. يساهم استخدام التصميم المرجعي في تقليل وقت التطوير من شهور إلى أسابيع.

تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. تصميم متعدد الطبقات من 2 إلى 12 طبقة. مقاومة مضبوطة (90 أوم ±5%) تم التحقق منها باستخدام عينات TDR. تصنيع بمقاومة مضبوطة لأزواج USB التفاضلية. إمكانية HDI لتصميمات USB-C كثيفة. نحاس سميك لطبقات الطاقة لمحطات الشحن.

تجميع. تقنية التجميع السطحي الكاملة + لحام الموجة الانتقائية. توريد المكونات من موزع معتمد. فحص بصري آلي + أشعة سينية لدوائر BGA المتكاملة. اختبار وظيفي بنسبة 100% على كل لوحة مجمعة: تعداد منافذ USB، معدل نقل البيانات لكل منفذ، توصيل التيار لكل منفذ، نقطة فصل التيار الزائد.

تجميع العلبة. للمنتجات الجاهزة للبيع بالتجزئة: تجميع العلبة - لوحة الدوائر المطبوعة، والهيكل، والكابلات، والملحقات، والتغليف، والمواد المطبوعة. يتم شحنها كمنتج نهائي جاهز للبيع بالتجزئة أو التوزيع. تتوفر عبوات تحمل علامات تجارية خاصة، وكتيبات متعددة اللغات، ومحولات طاقة خاصة بكل بلد.

قم بتقديم مواصفات منتج موسع منفذ USB الخاص بك للحصول على عرض أسعار للتصنيع - قم بتضمين فئة المنتج، وعدد المنافذ، وإصدار USB، ومتطلبات الطاقة، والحجم المستهدف، ونطاق الشهادة.

مواضيع ذات صلة: تصميم لوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB · اختيار الشركة المصنعة للوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB · منتجات محولات USB · أنظمة توسيع USB · دمج موصل USB-C

4. محطات إرساء متعددة المنافذ USB-C: منتج التقارب

تجمع فئة محولات USB الأسرع نموًا بين عدة وصلات في منتج واحد - محطة إرساء USB-C. يوفر كابل واحد من الكمبيوتر المحمول ما يلي: بيانات USB (موزع)، فيديو (HDMI/DP)، شبكة (إيثرنت)، صوت، قارئ بطاقات، وطاقة (تمرير PD). مجموعة الدوائر المتكاملة النموذجية:

لوحة الدوائر المطبوعة: 6-8 طبقات HDI، أبعادها التقريبية 100 × 60 مم. تكلفة المواد: 25-60 دولارًا أمريكيًا. سعر التجزئة: 80-250 دولارًا أمريكيًا. هذا المنتج هو الأكثر تعقيدًا من بين منتجات USB الاستهلاكية، حيث يتطلب تصميمه تقسيمًا دقيقًا لأقسام الإشارات الرقمية عالية السرعة، والصوت التناظري، والطاقة عالية التيار. يُعد تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة HDI باستخدام الثقوب العمياء/المدفونة معيارًا أساسيًا لهذه الفئة من المنتجات.

5. قواعد تصميم لوحات الدوائر المطبوعة التي تنطبق على جميع محولات USB

بغض النظر عن نوع المحول المحدد، فإن جميع لوحات الدوائر المطبوعة لمحولات USB تشترك في هذه المتطلبات على جانب USB:

مقاومة زوج التوصيلات التفاضلية في منفذ USB: 90 أوم ±10% (USB 2.0) أو ±5% (USB 3.x). استخدم تقنية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة ذات التحكم في المقاومة مع عينات تم التحقق منها بواسطة تقنية TDR.

حماية من التفريغ الكهروستاتيكي: مصفوفات ثنائيات TVS على كل موصل USB خارجي، ضمن مسافة 1.5 مم من نقاط التوصيل. لا استثناءات - أول حدث تفريغ كهروستاتيكي بدون حماية يُتلف دائرة الربط المتكاملة.

الفصل: مكثف سيراميكي X7R سعة 100 نانوفاراد ضمن مسافة 2 مم من كل طرف طاقة لدائرة الجسر المتكاملة. مكثف رئيسي سعة 10 ميكروفاراد على كل خط رئيسي. بالنسبة لدوائر الجسر المتكاملة التي تعمل بترددات داخلية أعلى من 1 جيجاهرتز، تُستخدم مكثفات إضافية تتراوح سعتها بين 1 و10 نانوفاراد لتغطية نطاق الترددات المتوسطة والعالية.

موضع البلورة/المذبذب: تتطلب معظم دوائر الربط المتكاملة لجسر USB بلورة بتردد 12 ميجاهرتز (±50 جزءًا في المليون) مع مكثفات تحميل سعتها 18 بيكوفاراد. ضع البلورة على بُعد 5 مم من الدائرة المتكاملة مع مسارات قصيرة ومتناظرة. مرر سلكًا نحاسيًا أرضيًا أسفل البلورة لتقليل اقتران الضوضاء.

متطلبات توافق واجهة الإخراج: يتطلب منفذ الإيثرنت استخدام مغناطيسات IEEE 802.3؛ ويتطلب منفذ HDMI التحكم في المعاوقة TMDS؛ ويتطلب منفذ CAN التوافق مع معيار ISO 11898 لأجهزة الإرسال والاستقبال. يُضيف كل مخرج مجموعةً من القيود الخاصة به على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) - فجانب USB لا يُمثل سوى نصف التصميم.

إدارة الحرارة: تحتاج الدوائر المتكاملة الجسرية التي تستهلك طاقة تزيد عن 1 واط (مثل الإيثرنت والفيديو والصوت مع مضخم سماعات الرأس) إلى فتحات حرارية أسفل الدائرة المتكاملة متصلة بمستويات أرضية داخلية. وبدونها، تعمل الدائرة المتكاملة فوق درجة حرارة وصلاتها المقدرة، مما يؤدي إما إلى تقليل الأداء أو تعطلها قبل الأوان.

6. تصنيع لوحات دوائر محولات USB في شركة هايليب

تقوم شركة Highleap بتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة لمحولات USB في جميع الفئات - من كابلات USB-to-UART التي تبلغ تكلفتها 0.50 دولارًا أمريكيًا إلى محطات إرساء USB-C التي تزيد تكلفتها عن 50 دولارًا أمريكيًا.

مرونة في حجم الإنتاج: من 50 وحدة كنموذج أولي للمحولات الصناعية المتخصصة إلى أكثر من 100 ألف وحدة للمنتجات الاستهلاكية. نفس معايير التصميم للتصنيع والجودة في جميع المستويات.

تجميع بتقنيات مختلطة: تقنية التثبيت السطحي (SMT) (لوصلات الجسر، والحماية من التفريغ الكهروستاتيكي، وفصل المكونات) + تقنية التثبيت عبر الثقوب (موصلات USB، وRJ-45، وDB9، ومجموعات التوصيل، ومقابس البرميل). يتم استخدام لحام إعادة التدفق أولاً لتقنية التثبيت السطحي، ثم لحام الموجة الانتقائية لموصلات التثبيت عبر الثقوب. تتولى شركة تجميع لوحات الدوائر المطبوعة الجاهزة توفير جميع المكونات من خلال قنوات معتمدة.

الاختبار الوظيفي: جهاز اختبار مخصص لكل منتج: تعداد USB، الإنتاجية على الواجهة المحولة (دقة معدل نقل البيانات UART، فقدان حزم Ethernet، التحقق من صحة إخراج الفيديو)، اختبار العزل للمحولات الصناعية.

اطلب عرض سعر للوحة الدوائر المطبوعة لمحول USB - قم بتضمين نوع المحول وحجمه وأي متطلبات اعتماد.

ذات صلة: تصميم لوحة الدوائر المطبوعة لموزع USB · دمج موصل USB-C · أنظمة توسيع منافذ USB · منتجات توسيع منافذ USB