Přední výrobce desek plošných spojů (PCB) a desek plošných spojů (PCBA) pro expandéry USB

USB expandér přidává do počítače, který jich nemá dostatek, více portů a typů portů. Moderní notebooky jsou dodávány s jedním nebo dvěma porty USB-C a ničím jiným – žádným USB-A, žádným HDMI, žádným ethernetovým portem ani slotem pro SD kartu. USB expandér to řeší rozdělením jednoho USB připojení na více downstreamových portů, často kombinující USB-A, USB-C, HDMI, Ethernet a čtečky karet v jednom zařízení. Tato příručka se zabývá kategoriemi produktů, klíčovými komponenty, aspekty návrhu desek plošných spojů a výrobními požadavky na hardware USB expandéru.

Obsah

1. Co vlastně USB expandér dělá
2. Rozšiřovače portů USB-A: Přidání dalších portů USB
3. Multifunkční expandéry USB-C: Porty a konverze
4. Napájené USB expandéry a nabíjecí stanice
5. Průmyslové a vestavěné USB expandéry
6. Základy návrhu desek plošných spojů pro USB expandéry
7. Výroba expandérů USB ve společnosti Highleap

1. Co vlastně USB expandér dělá

USB expandér promění jeden USB port na hostitelském počítači v několik portů. Nejjednodušší verzí je 4portový USB-A hub – jeden kabel k počítači, čtyři USB-A porty pro periferie. Nejpokročilejší verzí je dokovací stanice USB-C, která poskytuje USB-A, USB-C, HDMI, DisplayPort, Gigabit Ethernet, zvuk a sloty pro SD karty z jediného USB-C připojení a zároveň nabíjí notebook pomocí USB Power Delivery.

Tři scénáře řídí téměř veškerý prodej USB expandérů:

Nedostatek portů. Notebook se dvěma porty USB-C nemůže současně připojit myš, klávesnici, externí disk, webkameru a nabíječku telefonu. USB expandér doplňuje chybějící porty. Toto je nejběžnější případ použití spotřebiteli a nejprodávanější kategorie produktů.

Špatné typy portů. Notebook s portem pouze USB-C nemůže přímo připojit periferie s rozhraním USB-A, monitor HDMI ani ethernetový kabel. Expandér USB se smíšenými typy portů tuto mezeru vyplňuje – funguje jako multiplikátor portů i převodník rozhraní v jednom zařízení.

Pohodlí na stole. Stolní počítač v provedení tower pod stolem má na zadním panelu těžko dostupné USB porty. USB expandér umístěný na povrchu stolu a připojený k počítači jediným kabelem má všechny porty na dosah ruky. Jedná se o velký segment trhu pro 4portové a 7portové stolní rozbočovače.

Jádrem každého expandéru USB je integrovaný obvod USB hubu – čip, který implementuje specifikaci USB hubu, spravuje výčet, alokaci šířky pásma a distribuci napájení mezi všemi porty pro přenos dat. Různé typy portů (HDMI, Ethernet, audio) vyžadují další integrované obvody můstků na stejné desce plošných spojů. Návrh desek plošných spojů a výběr součástek určují výkon, spolehlivost a cenu produktu.

2. Rozšiřovače portů USB-A: Přidání dalších portů USB

Nejjednodušší a nejvýkonnější kategorie USB expandéru. Jeden USB kabel k hostiteli, několik USB-A portů pro periferie. Žádná konverze protokolu – expandér je čistě USB hub.

4portový USB 3.0 hub napájený ze sběrnice. Produkt základní úrovně. Jeden integrovaný obvod hubu (VIA VL817, Genesys Logic GL3520 nebo podobný) napájí čtyři porty USB-A pro downstream. Napájení ze sběrnice znamená, že hub odebírá veškerou energii z hostitelského portu USB – není potřeba žádný externí adaptér. Nevýhodou je, že celkový dostupný proud je omezen na 900 mA (specifikace USB 3.0), sdílený mezi režií hubu a všemi čtyřmi porty. To stačí pro myši, klávesnice, flash disky a čtečky karet, ale nestačí pro externí pevné disky nebo nabíjení telefonů. Deska plošných spojů: 2–4 vrstvy, přibližně 60 × 30 mm. Kusovník při objemu: 3–6 USD.

7portové a 10portové rozbočovače. Pro uživatele, kteří připojují mnoho periferií – video editory, audio producenty, vývojáře s více testovacími zařízeními. Vnitřní architektura kaskádovitě zapojuje dva nebo tři 4portové rozbočovače. Vždy s vlastním napájením (externí adaptér), protože napájení ze sběrnice nedokáže napájet tolik portů. Přepínače napájení pro každý port a LED indikátory jsou funkce, které odlišují prémiové produkty (Anker, Sabrent, UGREEN) od generických alternativ. Kusovník při velkém objemu: 8–15 USD.

Rozbočovače USB 2.0 vs. USB 3.0. Rozbočovače USB 2.0 (sdílená šířka pásma 480 Mb/s) používají jednodušší a levnější integrované obvody a dvouvrstvé desky plošných spojů. Rozbočovače USB 3.0 (5 Gb/s) vyžadují páry diferenciálních obvodů s řízenou impedancí, přísnější pravidla pro rozvržení desek plošných spojů a čtyřvrstvé desky. Rozbočovače USB 3.0 také paralelně udržují zpětně kompatibilní datové cesty USB 2.0 – integrovaný obvod rozbočovače spravuje obojí současně. Pro aplikace, které potřebují pouze zařízení HID (klávesnice, myši, skenery čárových kódů), je rozbočovač USB 2.0 cenově optimální volbou.

USB-C pro vstup do sítě, USB-A pro vstup do sítě. Rostoucí segment produktů, který řeší „problém s hardwarovým klíčem“: notebook má pouze USB-C, ale všechna stávající periferie mají USB-A. Hub se k notebooku připojuje přes USB-C a nabízí porty USB-A pro starší zařízení. Deska plošných spojů přidává správu pinů USB-C CC (Configuration Channel) na upstream portu, což vyžaduje dodatečné obvody ve srovnání s upstream designem s USB-A.

 3. Multifunkční expandéry USB-C: Porty a konverze

Toto je nejrychleji rostoucí kategorie expandérů USB. Jediný kabel USB-C z notebooku poskytuje datové porty USB, video výstup, síťové připojení a někdy i napájení – kombinuje rozšíření portů a konverzi rozhraní v jednom kompaktním zařízení.

Adaptéry USB-C 5 v 1 a 7 v 1. Oblíbený produkt pro cesty a kancelář. Typická konfigurace: 2× USB-A, 1× HDMI (4K@30 Hz nebo 4K@60 Hz), 1× čtečka SD karet, 1× USB-C PD pass-through pro nabíjení notebooku. Napájení ze sběrnice z hostitelského portu USB-C. Deska plošných spojů obsahuje integrovaný obvod USB hubu pro datové porty a integrovaný obvod převodníku DisplayPort-HDMI (Parade PS176, Lontium LT8711 nebo podobný) pro video výstup. Deska plošných spojů: 4–6 vrstev s HDI PCB Konstrukce pro rozvětvení pinů USB-C. Velikost desky přibližně 70 × 30 mm. Kusovník: 8–25 USD.

Dokovací stanice s USB-C. Prémiový segment. Polotrvalé stolní příslušenství, které nahrazuje každé kabelové připojení k notebooku jediným kabelem USB-C. Typická konfigurace: 2–3× USB-A, 1× USB-C data, duální HDMI nebo DisplayPort pro dva externí monitory, gigabitový Ethernet, 3.5mm audio, SD/microSD a 60–100W průchozí nabíjení přes USB PD. Deska plošných spojů je vícečipová: integrovaný obvod rozbočovače USB, řadič USB-C s režimem Alt, řadič PD, rozbočovač DisplayPort MST (pro dva monitory), převodník HDMI, ethernetový můstek (Realtek RTL8153) a audio kodek. Deska plošných spojů: 6–8 vrstev HDI, přibližně 100 × 60 mm. Kusová cena: 25–60 USD. Jedná se o nejsložitější kategorii spotřebitelských produktů USB a dosahuje nejvyšších maloobchodních marží.

Klíčové integrované obvody v multifunkčních expandérech:

U produktů používajících ethernetová nebo USB-C připojení, které vyžadují řízenou impedanci a správné potlačení souhlasného signálu, se rozvržení desky plošných spojů řídí standardem. návrh komunikačních desek plošných spojů pravidla pro směrování diferenciálních párů.

4. Napájené USB expandéry a nabíjecí stanice

Expandéry USB napájené ze sběrnice jsou omezeny výkonem dostupným z hostitelského portu – 500 mA pro USB 2.0, 900 mA pro USB 3.0. Pro periferie, které odebírají značnou energii (externí disky, telefony, tablety, DAC), je vyžadován expandér USB s vlastním napájením a externím zdrojem napájení.

Napájené stolní rozbočovače. Typicky 4–7 portů USB-A s adaptérem 12 V/2.5–5 A DC. Každý port dokáže dodat plný proud specifikace USB (500 mA pro porty USB 2.0, 900 mA pro porty USB 3.0) plus detekci nabíjení BC 1.2 na vybraných portech pro nabíjení telefonu/tabletu při 1.5 A. Kapacita napájecího zdroje musí překročit součet všech možných zátěží portů a režijní zátěž hubu – 7portový hub se všemi porty na 900 mA potřebuje alespoň 6.3 A při 5 V (31.5 W), což vyžaduje interní snižující měnič z 12V vstupu. Návrh napájecí desky plošných spojů je kritický: distribuční stopy VBUS nesou celkový proud všech portů a musí být odpovídajícím způsobem dimenzovány. Těžká měděná deska plošných spojů s 2 oz mědi na výkonových vrstvách je standardem pro rozbočovače s celkovým proudem nad 5 A.

Kombinace nabíjecí stanice + náboje. Produkt, který odděluje datové porty od portů pouze pro nabíjení. Datové porty se připojují přes integrovaný obvod hubu jako obvykle. Porty pouze pro nabíjení zcela obcházejí integrovaný obvod hubu – připojují se přímo k napájení prostřednictvím specializovaných integrovaných obvodů řadiče nabíjecího protokolu (s podporou BC 1.2, Qualcomm QC 3.0/4.0 nebo USB PD). Tato konstrukce umožňuje 2.4 A nebo více na nabíjecí port bez ovlivnění šířky pásma dat. Celkový proud systému může dosáhnout 10–15 A při 5 V, což vyžaduje pečlivé tepelné řízení desek plošných spojů a silné měděné vrstvy.

Průchozí rozbočovače USB-C PD. Notebook se k hubu připojuje přes USB-C. Hub má vstupní port USB-C PD připojený k nabíječce notebooku. Hub předává nabíjecí energii do notebooku (obvykle 60–100 W) a zároveň poskytuje datové porty. Integrovaný obvod řadiče PD vyjednává napětí a proud s nabíječkou a spravuje napájecí cestu. Jedná se o architekturu používanou ve všech moderních dokovacích stanicích s USB-C – jeden kabel pro data, video a napájení.

5. Průmyslové a vestavěné expandéry USB

Spotřebitelské USB expandéry kladou důraz na kompaktnost, estetiku a cenu. Průmyslové a vestavěné USB expandéry upřednostňují spolehlivost, odolnost vůči vlivům prostředí a vzdálenou správu.

Průmyslové rozbočovače na DIN lištu. Kovová skříň, montáž na DIN lištu 35 mm pro instalaci do rozvaděče. 4–16 USB portů. Široký vstupní stejnosměrný napájecí zdroj (9–48 V) s interním snižujícím měničem, ochranou proti přepólování a přepěťovým potlačením. Rozšířená provozní teplota: −40 °C až +85 °C, vyžaduje průmyslové komponenty a Laminát plošných spojů s vysokým Tg (Tg ≥ 170 °C) pro zabránění delaminace při zvýšených teplotách. Shoda s normami EMC dle EN 61000-6-2 (průmyslová odolnost) a EN 61000-6-4 (průmyslové emise) – výrazně přísnější než spotřebitelská norma FCC Part 15.

Řízení výkonu pro každý port. Průmyslové expandéry USB často poskytují softwarově ovladatelné zapínání/vypínání napájení pro každý port, monitorování proudu pro každý port a ochranu proti nadproudu pro každý port. To vyžaduje kromě integrovaného obvodu hubu i mikrokontrolér (STM32 nebo podobný) na desce plošných spojů, který čte proudové ADC a poskytuje řídicí rozhraní pro hostitele. Použití: zařízení pro testování chytrých telefonů a aktualizaci firmwaru, správa kiosků a sítě digitálního značení, kde je pro bezobslužný provoz nezbytný vzdálený reset portu USB.

Vestavěné OEM USB expandéry. Nejedná se o maloobchodní produkt – jde o desku plošných spojů nebo integrovaný obvod integrovaný do jiného produktu. Prakticky každý notebook obsahuje na základní desce alespoň jeden integrovaný integrovaný obvod USB hubu, který rozšiřuje omezený počet USB portů čipové sady o interní řadič klávesnice, touchpad, webkameru, čtečku otisků prstů, rádio Bluetooth a externí konektory. Dalšími velkoobjemovými vestavěnými aplikacemi jsou rozbočovače USB integrované do monitoru (2–4 porty na zadní straně displeje) a rozbočovače pro kiosky/POS terminály. Výroba desek plošných spojů OEM Výroba vestavěných expandérů USB je jednou z nejobjemnějších kategorií osazování desek plošných spojů.

Ochrana proti přepětí a ochraně životního prostředí. Kabelové trasy v průmyslovém prostředí jsou vystaveny elektrickému šumu a přechodovým napětím. Přepěťová ochrana (diody TVS, výbojky) na každém externím portu je povinná. Pro prostředí s vysokou vlhkostí – potravinářské závody, námořní průmysl, venkovní kryty – konformní povlak na sestavené desce plošných spojů chrání před vlhkostí a znečištěním.

6. Základy návrhu desek plošných spojů pro USB expandéry

Každý USB expandér sdílí společnou sadu požadavků na design desky plošných spojů na straně rozhraní USB, bez ohledu na konkrétní typ produktu:

Diferenciální párová impedance. USB 2.0 vyžaduje diferenciální impedanci 90 Ω ±10 %; USB 3.0/3.2 vyžaduje 90 Ω ±5 %. Dosaženo řízenou šířkou a roztečí stop na vnitřních vrstvách vícevrstvé desky plošných spojů, ověřeno pomocí TDR (Time Domain Reflectometry) kupónů během výroby. Výroba desek plošných spojů s impedančním řízením je vyžadován pro jakýkoli produkt s rozhraním USB 3.0 nebo vyšší rychlostí.

Ochrana proti elektrostatickému výboji (ESD). Součásti diod TVS na každém externím USB konektoru, umístěné do 1.5 mm od kontaktních plošek konektoru. Toto je nedílná součástka – první událost ESD bez ochrany zničí integrovaný obvod hubu nebo můstku. Součásti ochrany proti ESD musí být dimenzovány na přenosovou rychlost: pomalé TVS diody s vysokou kapacitou zhorší integritu signálu USB 3.0.

Distribuce energie. Stopy VBUS (5 V) musí být dimenzovány na celkový proud všech downstream portů. 7portový rozbočovač USB 3.0 se všemi zatíženými porty může celkem odebírat přes 6 A. Kalkulátory šířky stop (IPC-2152) určují požadovanou šířku mědi pro daný proud a nárůst teploty. U konstrukcí s vysokým proudem se upřednostňují vnitřní napájecí roviny na 2 oz měděných vrstvách před směrovanými stopami.

Vrstvy stohování. Základní rozbočovače USB 2.0 fungují na dvouvrstvých deskách plošných spojů. Rozbočovače USB 3.0 vyžadují pro řízení impedance minimálně 4 vrstvy (signál-zem-napájení-signál). Multifunkční expandéry USB-C s HDMI, Ethernetem a PD obvykle vyžadují 6–8 vrstev s... Konstrukce HDI (slepé/zapuštěné průchody) pro husté rozvětvení konektoru USB-C.

Tepelné řízení. Integrované obvody rozbočovačů a můstků s výkonem vyšším než 1 W potřebují tepelné průchodky pod pouzdrem integrovaného obvodu, které se připojují k vnitřním zemnícím rovinám. Bez dostatečného odvodu tepla teplota spoje integrovaného obvodu překročí jeho jmenovitou hodnotu, což způsobí škrcení nebo předčasné selhání. Vícečipové desky plošných spojů dokovacích stanic mohou vyžadovat více tepelných zón a měděných odlitků určených pro rozvod tepla.

Návrh EMC. Soufázové tlumivky na diferenciálních párech USB, feritové korálky na napájecím vstupu a spojité zemnící plochy na každé signálové vrstvě. Produkty určené k průmyslové nebo lékařské certifikaci musí projít přísnými testy odolnosti, které spotřebitelské designy neprojdou.

7. Výroba expandérů USB ve společnosti Highleap

Highleap Electronics je továrna na výrobu a montáž desek plošných spojů (PCB). Vyrábíme expandéry USB pro spotřebitelské značky, OEM zákazníky, systémové integrátory a prodejce privátních značek – od jednoduchých 4portových USB-A rozbočovačů až po komplexní dokovací stanice USB-C.

Výroba desek plošných spojů. 2 až 12vrstvá vícevrstvá konstrukce. Řízená impedance (90 Ω ±5 %) ověřená pomocí TDR kupónů. Možnost HDI se slepými/zapuštěnými průchodkami pro husté uspořádání USB-C. Vnitřní vrstvy z těžké mědi pro distribuci napájení v nabíjecích hubech a dokovacích stanicích. Laminát s vysokým Tg pro průmyslové produkty pracující při prodloužených teplotách.

Montáž PCB. Plně SMT + selektivní vlnové pájení pro konektory s průchozím otvorem (USB-A, USB-C, RJ-45, HDMI, sloty pro SD karty). Osazení BGA s rentgenovou kontrolou pro integrované obvody hubů a můstků. Získávání součástek prostřednictvím autorizovaných distributorů – zásadní pro integrované obvody USB řadičů, kde padělané díly představují zdokumentované riziko dodavatelského řetězce. Montáž DPS na klíč zajišťují veškeré nákupy a montáže komponentů v rámci jedné objednávky.

Konstrukce krabice. Pro expandéry USB připravené k prodeji dodáváme kompletní montáž elektronické krabice — Deska plošných spojů, kryt, kabely, příslušenství, tištěné manuály a maloobchodní balení. Dodáváno jako hotový výrobek do vašeho skladu nebo distribučního kanálu. K dispozici je balení pod privátní značkou, vícejazyčná dokumentace a napájecí adaptéry specifické pro danou zemi.

Funkční test. 100 % sestavených desek prochází funkčním testováním: výčet USB portů na každém portu, ověření propustnosti portů, dodávka proudu na port, bod vypnutí ochrany proti nadproudu, vyjednávání PD (u produktů s USB-C) a ověření video výstupu (u dokovacích stanic). Testovací přípravky navržené pro každý produkt na míru.

Vyžádejte si cenovou nabídku na desce plošných spojů USB expandéru — uveďte typ produktu, konfiguraci portů, verzi USB, požadavky na napájení, specifikaci prostředí a cílový svazek.

Související: Návrh plošných spojů USB hubu · Produkty pro expandéry USB portů · Návrh USB převodníku · Integrace konektoru USB-C