Výroba pokročilých desek plošných spojů USB hubu a montáž na klíč

Každý USB hub – od cestovního adaptéru za 10 dolarů až po průmyslový 16portový rackový hub za 500 dolarů – běží na jediné desce plošných spojů, která integruje integrovaný obvod řadiče hubu, přepínání napájení pro každý port, ochranu proti elektrostatickému výboji (ESD) a impedančně řízené diferenciální směrování. Integrovaný obvod hubu, který si vyberete, vámi zadané uspořádání a navržená architektura napájení určují, zda produkt projde certifikací USB-IF u prvního vzorku, nebo zda selže ve výrobě. Tato příručka vám uvede konkrétní čísla dílů, pravidla uspořádání, cenové rozpětí a omezení uspořádání, abyste vše správně nastavili.

Obsah

1. Výběr integrovaného obvodu řadiče hubu: Porovnání všech hlavních čísel dílů
2. Architektura napájení: Napájení ze sběrnice vs. vlastní napájení vs. vstup USB-C PD
3. Skládání desek plošných spojů, řízení impedance a směrování diferenciálních párů
4. Ochrana ESD, shoda s EMC a výběr konektoru
5. Konfigurace produktu: 4 až 16 portů, pro spotřebitele i průmysl
6. Výroba a montáž desek plošných spojů USB Hub

1. Výběr integrovaného obvodu řadiče hubu: Porovnání všech hlavních čísel dílů

Integrovaný obvod hubu definuje rychlost USB, počet portů, nabíjecí kapacitu a 60 % celkových nákladů na kusovník. Výběr nesprávného integrovaného obvodu vás uvězní u specifikace produktu, kterou nelze změnit bez opětovného roztočení desky.

Pro počet portů nad 7 zapojte do kaskády dva integrované obvody hubů – jeden proti proudu napájí druhý. Takto jsou konstruovány všechny 10portové, 12portové a 16portové USB huby. Dva VL817 zapojené do kaskády vytvoří 8portový USB 3.0 hub; dva USB2517 zapojte do 14portového USB 2.0 hubu.

U produktů s downstream porty USB-C podporujícími režim DisplayPort Alt spárujte integrovaný obvod hubu s řadičem USB-C (retimer TI TUSB544, VIA VL103), který se stará o vyjednávání pinů CC a přepínání pruhů v režimu Alt-Mode. Objevují se jednočipová řešení hubu + CC, ale zůstávají omezená, co se týče počtu portů a flexibility.

Integrované obvody BGA hubu, jako je TUSB8044, vyžadují sestavení BGA plošných spojů s rentgenovou kontrolou – před výběrem integrovaného obvodu hubu v pouzdře BGA ověřte tuto možnost.

2. Architektura napájení: Napájení ze sběrnice vs. vlastní napájení vs. vstup USB-C PD

Architektura napájení je hlavním zdrojem vrácení produktů USB hub. Hub napájený ze sběrnice, který slibuje 4 porty, ale nemůže napájet externí pevný disk, dostává 1 hvězdičku. Před rozvržením si zjistěte rozpočet na napájení.

Napájení ze sběrnice. Veškerý proud z nadřazeného hostitele: max. 500 mA (USB 2.0) nebo max. 900 mA (USB 3.x). Po spotřebě integrovaným obvodem hubu (~120 mA) dostává každý port 4portového hubu zhruba 100–200 mA. Dostatečně pro myši, klávesnice, flash disky. Nestačí pro přenosné pevné disky, webové kamery s LED diodami nebo jakékoli nabíjení.

Vlastní napájení. Externí adaptér (5 V / 2.5–5 A válcový konektor nebo 12 V s integrovaným buck měničem). Každý port poskytuje proud s plnou specifikací: 500 mA (USB 2.0), 900 mA (USB 3.x) nebo 1.5–2.4 A s detekcí BC1.2 / Apple DCP / Qualcomm QC. Vyžadován integrovaný obvod pro přepínání napájení na port: TI TPS2042 (duální, 500 mA), TI TPS2052B (duální, 800 mA), Diodes Inc AP2176 (jednoduchý, nastavitelný).

Vstup USB-C PD. Stále více standardem pro prémiové produkty. Řadič USB-C PD (TI TPS65987, Cypress CYPD3177) vyjednává 9 V, 15 V nebo 20 V z nabíječky, poté převodník buck snižuje napětí na 5 V pro následný VBUS. To umožňuje jak funkci hubu, tak i průchozí nabíjení PD do notebooku – produkt se stává dokovací stanicí s jedním kabelem.

Dimenzování mědi pro VBUS: při 1 g mědi počítejte s šířkou vodiče 30 mil na ampér (nárůst o 10 °C). 7portový rozbočovač s 900 mA na port = celkem 6.3 A – vyžaduje vodič 190 mil (4.8 mm) nebo, praktičtěji řečeno, vyhrazenou napájecí rovinu VBUS na vnitřní vrstvě. Pro nabíjecí rozbočovače s 2.4 A × 7 porty (16.8 A) je standardním řešením silná měděná deska plošných spojů s 2 g vnitřními vrstvami .

3. Skládání desek plošných spojů, řízení impedance a směrování diferenciálních párů

Diferenciální páry USB 2.0 (D+/D−) vyžadují 90 Ω ±10 %. Páry USB 3.x SuperSpeed ​​(TX/RX) vyžadují 90 Ω ±5 %. Tyto cílové hodnoty impedance v kombinaci s počtem portů určují minimální počet vrstev:

Přizpůsobení délky: ≤5 mil v rámci páru pro USB 3.x, ≤50 mil pro USB 2.0. Páry SuperSpeed ​​ponechte na vnitřních vrstvách mezi dvěma zemnícími rovinami (páskovým vedením) pro stínění. Páry USB 2.0 veďte na vnějších vrstvách – méně kritické při 480 Mb/s. Nikdy neveďte páry USB přes rozdělenou zemnící rovinu – narušení zpětného proudu způsobí okamžité selhání EMI.

Pro čtyřvrstvé USB rozbočovače – konfiguraci s nejvyšším objemem výroby – naše čtyřvrstvá výroba desek plošných spojů využívá standardní vrstvy optimalizované pro diferenciální odpor 90 Ω na prepregu o tloušťce 4 mil. Pro dokovací stanice USB-C vyžadující 6–8 vrstev s rozvětvením HDI podporuje naše HDI PCB laserem vrtané průchodky o průměru 0.1 mm.

4. Ochrana proti elektrostatickému výboji (ESD), shoda s EMC a výběr konektoru

Každý externí USB konektor potřebuje ESD diody do 1.5 mm od pinů konektoru – bez výjimky. První událost ESD bez ochrany zničí integrovaný obvod rozbočovače.

USB 2.0 D+/D−: TVS pole, kapacita ≤3 pF. TI TPD4S012, NXP IP4220CZ6, Nexperia PESD5V0U4BF.

USB 3.x TX/RX: TVS s velmi nízkou kapacitou, ≤0.3 pF. TI TPD4S214, Diodes Inc DT1452-02. ESD diody s vyšší kapacitou degradují oční diagramy 5 Gbps pod limity shody s USB-IF.

VBUS: Obousměrný TVS s napětím 5.5 V (nebo vyšším pro PD). Bourns CDSOT23-SM712.

Pro shodu s EMC (FCC třída B pro spotřebitele, CE EN 55032): tlumivky souhlasného režimu na každém páru USB snižují vyzařované emise. Murata DLP21SN (USB 2.0), DLW32SH (USB 3.0). Umístěte za ESD diody, před integrovaný obvod hubu. Mnoho návrhů rozbočovačů USB 2.0 nesplňuje FCC bez CMC – přidejte je hned od začátku, a ne jako opravu po certifikaci.

Typy konektorů podle aplikace: USB typu A je standardem pro downstream porty na spotřebitelských rozbočovačích. USB typu C se stále častěji používá pro upstream (k hostování) a někdy i downstream (na prémiových dokovacích stanicích). USB typu B je vzácné, ale používá se v některých průmyslových zařízeních. Micro-USB upstream je starší – u nových designů se mu vyhněte. Pro mechanickou spolehlivost konektorů u produktů vystavených častým cyklům zapojení/odpojení zvažte spíše výstupky pro montáž do otvoru než čisté SMT konektory. Podrobnosti o výběru naleznete v našem průvodci konektory PCB.

5. Konfigurace produktu: 4 až 16 portů, pro spotřebitele i průmysl

Pro prodloužené provozní teploty (−40 °C až +85 °C): použijte průmyslové součástky a laminát plošných spojů s vysokou teplotou topení (Tg ≥ 170 °C). Pro automobilový průmysl: TI TUSB8044-Q1 je jediný hlavní integrovaný obvod pro rozbočovač USB 3.x s certifikací AEC-Q100.

Pro dokovací stanice USB-C, které kombinují hub, video a nabíjení: deska plošných spojů integruje 4–6 různých řadičů (hub, USB-C CC, časovač DisplayPort, ethernetový fyzický obvod, řadič PD, audio kodek). Jedná se o nejsložitější kategorii produktů USB – uspořádání vyžaduje pečlivé oddělení vysokorychlostních digitálních, analogových audio a vysokonapěťových napájecích sekcí na desce plošných spojů.

6. Výroba a montáž desek plošných spojů USB hubu

Pro desky plošných spojů s USB hubem platí tři specifické výrobní požadavky, které je nutné před objednáním ověřit s výrobním partnerem:

Ověření impedance. Každá výrobní šarže musí zahrnovat testování TDR s použitím kupónu k potvrzení 90 Ω ±5 % (USB 3.x) nebo ±10 % (USB 2.0) na diferenciálních párech. Dielektrická konstanta FR-4 se u jednotlivých šarží materiálu liší o ±5–10 % – bez ověření kupónu zůstává drift impedance nezjištěn, dokud se nenahromadí selhání funkčních testů. Výroba desek plošných spojů s řízenou impedancí ve společnosti Highleap zahrnuje testování TDR u každé objednávky s řízenou impedancí.

Montáž kombinovanou technologií. Desky USB hubů kombinují SMT komponenty (integrovaný obvod hubu, ESD diody, napájecí spínače, oddělovací prvky) s komponenty pro montáž do otvorů (konektory USB typu A, válcové jacky). Postup montáže: Nejprve SMT reflow, poté selektivní vlnové pájení pro montáž do otvorů. Opakované pořadí způsobuje vady pájky na straně SMT. Montáž na klíč s autorizovaným distributorem komponent eliminuje riziko padělaných integrovaných obvodů hubu, které sužuje dodavatelské řetězce na šedém trhu.

Funkční test. Každý sestavený rozbočovač musí být testován: výčet USB portů na každém portu, propustnost dat při jmenovité rychlosti, dodávka proudu na port a bod vypnutí ochrany proti nadproudu. Rozbočovač USB dodávaný bez funkčního testu bude mít 3–8 % skrytých vad z montáže – studené pájené spoje, mezní impedance, chybějící komponenty. Náklady na ladění těchto vad v terénu jsou 10–20násobek nákladů na tovární test.

Společnost Highleap Electronics vyrábí desky plošných spojů pro USB huby od prototypů o objemu 5 kusů až po produkci s více než 100 000 kusy. Zašlete nám návrh desek plošných spojů pro USB hub a získejte cenovou nabídku – včetně souborů Gerber, kusovníku, objemu a rozsahu certifikace.

Související: Jak vyhodnotit výrobce desek plošných spojů s USB hubem · Integrace desek plošných spojů s USB-C konektorem · Produkty pro expandéry USB portů · Návrh USB převodníku · Systémy expandéru USB