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.

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

Pohodlí na stole. Stolní počítač v provedení tower pod stolem má na zadním panelu USB porty, ke kterým je obtížné se dostat. USB expandér umístěný na povrchu stolu a připojený k počítači jediným kabelem má všechny porty na dosah ruky. Toto je 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.

Rozbočovač USB 3.0 se 4 porty napájenými ze sběrnice. Produkt základní úrovně. Jeden integrovaný obvod rozbočovače (VIA VL817, Genesys Logic GL3520 nebo podobný) napájí čtyři porty USB-A pro přenos dat. Napájení ze sběrnice znamená, že rozbočovač 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 horní částí rozbočovače 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 – editory videa, zvukové producenty, vývojáře s více testovacími zařízeními. Vnitřní architektura kaskáduje dva nebo tři 4portové integrované obvody rozbočovačů. Vždy s vlastním napájením (externí adaptér), protože napájení ze sběrnice nedokáže napájet tolik portů. Prémiové produkty (Anker, Sabrent, UGREEN) se od generických alternativ odlišují přepínači napájení pro každý port a LED indikátory. Kusovník při velkém objemu: 8–15 USD.

Rozbočovače USB 2.0 vs. USB 3.0 rozbočovače. 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 diferenciální páry 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 upstream, USB-A pro downstream. Rostoucí segment produktů, který řeší „problém s hardwarovým klíčem“: notebook má pouze USB-C, ale všechna stávající periferie mají USB-A. Hub se připojuje k notebooku 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 na cesty a do kanceláře. 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 zařízení 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 konstrukcí HDI PCB pro rozvětvení pinů USB-C. Velikost desky přibližně 70 × 30 mm. Kusovník: 8–25 USD.

Dokovací stanice 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. Kusovník: 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 režimu, se rozvržení desky plošných spojů řídí standardními pravidly návrhu komunikačních desek plošných spojů 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. Obvykle 4–7 portů USB-A s adaptérem 12 V/2.5–5 A DC. Každý port dokáže dodat plný proud specifikovaný pro 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 rozbočovače – 7portový rozbočovač 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 roviny desky plošných spojů je kritický: distribuční stopy VBUS vedou celkový proud všech portů a musí být odpovídajícím způsobem dimenzovány. Pro rozbočovače s celkovým proudem nad 5 A je standardem silná měděná deska plošných spojů s 2 g mědi na napájecích vrstvách.

Kombinace nabíjecí stanice + rozbočovače. Produkt, který odděluje datové porty od portů pouze pro nabíjení. Datové porty se připojují přes integrovaný obvod rozbočovače jako obvykle. Porty pouze pro nabíjení zcela obcházejí integrovaný obvod rozbočovače – 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 rozbočovači připojuje přes USB-C. Rozbočovač má vstupní port USB-C PD připojený k nabíječce notebooku. Rozbočovač 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 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. Kovové pouzdro, 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 vysokou teplotou tepelné odolnosti (Tg ≥ 170 °C) pro prevenci delaminace při zvýšených teplotách. Shoda s normami EMC dle EN 61000-6-2 (průmyslová imunita) a EN 61000-6-4 (průmyslové emise) – výrazně přísnější než spotřebitelská FCC část 15.

Řízení napájení 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 USB hub integrovaný obvod, který rozšíří omezený počet USB portů čipové sady o interní řadič klávesnice, touchpad, webkameru, čtečku otisků prstů, Bluetooth rádio a externí konektory. Dalšími velkoobjemovými vestavěnými aplikacemi jsou vestavěné USB rozbočovače pro monitory (2–4 porty na zadní straně displeje) a rozbočovače pro kiosky/POS terminály. Výroba OEM desek plošných spojů pro vestavěné USB expandéry je jednou z kategorií s nejvyšším objemem montáže DPS.

Ochrana proti přepětí a vlivům 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 rozvody – chrání konformní povlak na sestavené desce plošných spojů před vlhkostí a kontaminací.

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 kupónů TDR (Time Domain Reflectometry) během výroby. Pro jakýkoli produkt s rozhraním USB 3.0 nebo vyšší rychlostí je vyžadována výroba desek plošných spojů s řízenou impedancí .

Ochrana proti elektrostatickému výboji (ESD). Soustava diod TVS na každém externím USB konektoru, umístěná do 1.5 mm od kontaktů konektoru. Toto je nezbytné – první událost ESD bez ochrany zničí integrovaný obvod rozbočovače 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 napájení. Trasy VBUS (5 V) musí být dimenzovány na celkový proud všech downstream portů. 7portový rozbočovač USB 3.0 se všemi zatíženými porty může celkem odebírat více než 6 A. Kalkulátory šířky tras (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 trasami.

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

Tepelný management. 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. Desky plošných spojů vícečipových dokovacích stanic mohou vyžadovat více tepelných zón a měděných odlitků určených pro rozvod tepla.

Návrh EMC. Tlumivky souhlasného režimu 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 imunity, které spotřebitelské návrhy 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. Vícevrstvá konstrukce s 2 až 12 vrstvami. Řízená impedance (90 Ω ±5 %) ověřená pomocí TDR kupónů. Možnost HDI se slepými/zapuštěnými průchody pro husté uspořádání USB-C. Vnitřní vrstvy z těžké mědi pro distribuci energie v nabíjecích hubech a dokovacích stanicích. Laminát s vysokým Tg pro průmyslové produkty pracující při zvýšených teplotách.

Osazování desek plošných spojů (PCB). Kompletní SMT + selektivní vlnové pájení pro konektory s průchozím otvorem (USB-A, USB-C, RJ-45, HDMI, sloty pro SD karty). Osazování BGA s rentgenovou kontrolou pro integrované obvody hubů a můstků. Získávání součástek prostřednictvím autorizovaných distributorů – klíčové pro integrované obvody USB řadičů, kde padělané díly představují zdokumentované riziko dodavatelského řetězce. Kompletní montáž desek plošných spojů zahrnuje veškeré pořízení a montáž součástek v rámci jedné objednávky.

Sestavení v krabici. Pro expandéry USB připravené k maloobchodnímu prodeji nabízíme kompletní sestavení elektronické krabice – desku plošných spojů, kryt, kabely, příslušenství, tištěné manuály a maloobchodní balení. Dodáváme jako hotový produkt 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 na každém portu, ověření propustnosti portu, dodávka proudu portu, bod vypnutí nadproudové ochrany, vyjednávání PD (u produktů s USB-C) a ověření video výstupu (u dokovacích stanic). Vlastní testovací přípravky navržené pro každý produkt.

Vyžádejte si cenovou nabídku na desku plošných spojů USB expandéru – uveďte typ produktu, konfiguraci portů, verzi USB, požadavky na napájení, specifikaci prostředí a cílový objem.

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