PCB expandéru USB portů: Rozvržení, výroba, montáž

Expandér USB portů promění jeden USB port v mnoho. „Expandér USB portů“ však popisuje nejméně čtyři zcela odlišné kategorie produktů – rozbočovače napájené z počítače, cestovní víceportové adaptéry, integrované OEM rozbočovače zabudované do notebooků a monitorů a průmyslové replikátory portů do racku. Každý z nich má jinou cenu v kusovníku, tvarový faktor, zdroj napájení, rozsah certifikace a objem výroby. Tato příručka je všechny rozebírá se specifikacemi, cenami a rozhodnutími o deskách plošných spojů, na kterých se za nimi uplatňuje.

Obsah

1. Čtyři kategorie produktů pod jedním názvem
2. Stolní rozbočovače a nabíjecí stanice napájené z elektroniky
3. Cestovní rozbočovače, víceportové adaptéry USB-C a dokovací stanice
4. Vestavěné expandéry USB portů pro OEM produkty
5. Průmyslové replikátory portů a rackové USB rozbočovače
6. Uvedení expandéru USB portů na trh s Highleap

1. Čtyři kategorie produktů pod jedním názvem

Tyto čtyři kategorie sdílejí stejnou základní technologii – integrovaný obvod USB hubu na desce plošných spojů – ale liší se ve všech ostatních rozměrech: kryt, konstrukce napájení, typ konektoru, teplotní třída, rozsah certifikace a objem výroby. Úspěšný produkt přesně odpovídá specifikaci své kategorii, spíše než aby se snažil být vším.

2. Stolní rozbočovače a nabíjecí stanice

Nejlepší volba pro spotřebitelské USB produkty. Zákazník chce na svém stole více USB portů, aniž by musel odpojovat stávající zařízení. Co ovlivňuje recenze produktů: spolehlivý výčet (každý port funguje vždy) a dostatečný nabíjecí proud (telefony se skutečně nabíjejí, nejen dobíjejí).

4portový napájený hub přes USB 3.0. Standardní stolní produkt. Integrovaný obvod hubu VL817, 4 USB-A downstream, adaptér 12 V/2.5 A, 900 mA na port s detekcí nabíjení BC1.2 na 1–2 portech. Hliníkové pouzdro pro odvod tepla a prémiový vzhled. LED indikátory napájení na portu a samostatné vypínače jsou vlastnosti, které odlišují prémiové značky (Anker, Sabrent, UGREEN) od neznámých produktů Amazonu. Deska plošných spojů: 4vrstvá, 60 × 40 mm. Kusovník při 10 000 kusech: 5–8 USD.

7portové a 10portové rozbočovače. Pro pracovní stanice, střih videa, zvukovou produkci. Vnitřní architektura: dva kaskádované 4portové rozbočovače sdílející jeden proti proudu – to je nákladově efektivnější než použití jednoho 7portového integrovaného obvodu u většiny návrhů. Vždy s vlastním napájením. Kusovník při 10 000 USD: 8–15 USD.

Kombinace nabíjecí stanice a hubu. Samostatné datové porty (USB-A) a porty pouze pro nabíjení (USB-C nebo USB-A s DCP/QC/PD). Nabíjecí porty neprocházejí integrovaným obvodem hubu – připojují se přímo k napájení prostřednictvím integrovaného obvodu řadiče nabíjecího protokolu. Deska plošných spojů vyžaduje silnou měděnou VBUS trasu pro celkové proudy 10–15 A. Silná měděná deska plošných spojů s 2 mm vnitřními vrstvami je pro tento typ produktu standardem.

Rozbočovače USB-C pro upstream. Nový standard: kabel USB-C k notebooku, porty USB-A pro starší periferie, volitelný průchod PD pro nabíjení notebooku přes hub. Řeší „problém s hardwarovým klíčem“, který způsobují notebooky, které USB-A vynechaly. Integrace USB-C na portu pro upstream přidává do návrhu desky plošných spojů správu pinů CC, řadič PD a rozvětvení HDI.

3. Cestovní rozbočovače, víceportové adaptéry USB-C a dokovací stanice

Cestovní segment klade důraz na kompaktnost, nízkou hmotnost a provoz napájený z autobusu (není třeba nosit adaptér).

Kompaktní 4portový USB-A hub. Základní produkt. Napájení ze sběrnice, 50 × 30 mm, trvale připojený USB kabel. 100–125 mA na port za hubem. Vhodné pro myši, klávesnice, flash disky – ne pro externí disky ani nabíjení. Maloobchodní cena 8–20 USD. DPS: 2vrstvá, kusovník 1.50–2.50 USD.

Víceportový adaptér USB-C 5 v 1 / 7 v 1. Nejrychleji rostoucí cestovní produkt. Jeden kabel USB-C k notebooku poskytuje: porty USB-A, výstup HDMI 4K, čtečku SD karet, někdy Ethernet a průchod USB-C PD. Napájení ze sběrnice z hostitelského zařízení USB-C. Deska plošných spojů: 4–6 vrstev s HDI deskou plošných spojů pro rozvětvení USB-C, přibližně 70 × 30 mm. Kusová cena: 8–25 USD. Maloobchodní cena: 25–80 USD.

Dokovací stanice USB-C. Větší než cestovní adaptér – polopermanentní stolní doplněk. Jeden kabel USB-C nahrazuje všechna připojení notebooku: USB, dva monitory HDMI/DP, gigabitový Ethernet, audio, nabíjení PD s výkonem 60–100 W. Vícečipová deska plošných spojů (hub + CC + PD + video + Ethernet + audio). 6–8 vrstev HDI, přibližně 100 × 60 mm. Kusovník: 25–60 USD. Maloobchod: 80–250 USD. Toto je prémiový segment, který je hnací silou investic do vývoje produktů.

Telefonní OTG rozbočovače. USB OTG (On-The-Go) rozbočovače slouží telefonu jako hostitelský adaptér, který umožňuje připojení periferních zařízení k telefonu nebo tabletu. Kompaktní, napájené ze sběrnice, obvykle pro USB-C nebo Micro-USB upstream s 2–3 USB-A downstream. Deska plošných spojů: 2–4 vrstvy, 30 × 15 mm. Maloobchodní cena: 10–30 USD.

4. Vestavěné expandéry USB portů pro OEM produkty

Vestavěné expandéry USB portů nejsou maloobchodní produkty – jedná se o desky plošných spojů integrované do notebooků, monitorů, all-in-one počítačů, kiosků, vozidel a průmyslového zařízení. Právě zde existuje největší celkový objem: prakticky každý prodaný notebook obsahuje alespoň jeden integrovaný USB hub, který rozšiřuje omezený počet USB portů čipové sady o klávesnici, touchpad, webkameru, čtečku otisků prstů, Bluetooth rádio a externí konektory.

Interní rozbočovače notebooků: Integrovaný obvod rozbočovače je umístěn na základní desce notebooku, nikoli na samostatné desce plošných spojů. Výrobce originálního vybavení (OEM) specifikuje integrovaný obvod rozbočovače (obvykle Microchip USB2422 pro 2portový port nebo VL817 pro 4portový port USB 3.0) jako součást návrhu základní desky. Objem: miliony kusů na generaci modelu notebooku.

Rozbočovače integrované do monitoru: 2–4 USB porty na zadní nebo boční straně displeje. Deska plošných spojů rozbočovače je integrována do vnitřní elektroniky monitoru. Upstream se připojuje k počítači uživatele přes upstream port USB monitoru. Objem: desítky milionů ročně na globálním trhu s monitory.

Rozbočovače pro kiosky a pokladní terminály: 2–4 USB porty uvnitř kiosku pro čtečku čárových kódů, tiskárnu účtenek, čtečku karet a zákaznický displej. Průmyslová třída s prodlouženou teplotou. Deska plošných spojů: 4vrstvá, přibližně 50 × 30 mm. Výroba desek plošných spojů OEM pro vestavěné rozbočovače je jednou z nejobjemovějších kategorií v jakémkoli závodě na montáž desek plošných spojů zaměřeném na USB.

Informační a zábavní rozbočovače vozidel: komponenty splňující normu AEC-Q100 (TI TUSB8044-Q1), odolné vůči vibracím a splňují normu EMC pro automobilový průmysl (CISPR 25). Desky plošných spojů (PCB) vyžadují výrobní procesy automobilových desek plošných spojů s dokumentací PPAP.

5. Průmyslové replikátory portů a rackové USB rozbočovače

Průmyslové expandéry USB portů slouží pro automatizaci výroby, digitální signage, správu zařízení, maloobchodní řetězce a vojenské/vládní aplikace. Klíčové rozdíly oproti spotřebním produktům:

Montáž na DIN lištu. Standardní 35mm DIN lišta pro instalaci do rozvaděče. Kryt je kovový (hliník s práškovým nástřikem nebo nerezová ocel), nikoli plastový. Rozměry desky plošných spojů odpovídají půdorysu skříně, obvykle 120 × 70 mm pro 4portový systém až 200 × 120 mm pro 16portový systém.

Širokopásmové vstupní stejnosměrné napájení. Průmyslové produkty akceptují vstupní napětí 9–48 V DC (ne pevný adaptér 5 V). Integrovaný širokopásmový snižovací měnič snižuje napětí na 5 V pro USB VBUS. Ochrana vstupu: přepólování, potlačení přepětí a filtrování EMI. Deska plošných spojů musí pojmout induktor snižovacího měniče, MOSFETy a vstupní/výstupní kondenzátory s dostatečnou roztečí pro jmenovité vstupní napětí.

Řízení a monitorování portů. Průmyslové rozbočovače často poskytují softwarově ovladatelné zapínání/vypínání napájení pro každý port (prostřednictvím reportů USB HID nebo SNMP u modelů připojených k síti), monitorování proudu pro každý port a stavové LED diody pro každý port. To vyžaduje kromě integrovaného obvodu rozbočovače i mikrokontrolér (STM32, PIC nebo podobný) na desce plošných spojů – čte kanály ADC pro snímání proudu a komunikuje s hostitelem přes řídicí bod.

Rozšířená teplotní odolnost a EMC. −40 až +85 °C s laminátem plošných spojů s vysokou teplotou Tg . EN 61000-6-2 (průmyslová imunita), EN 61000-6-4 (průmyslové emise). Přepěťová ochrana na každém externím portu dle IEC 61000-4-5.

Farmy zařízení s 16 a 32 porty. Používá se pro farmy zařízení se chytrými telefony/tablety (testování aplikací, aktualizace firmwaru, správa MDM), hardwarové peněženky pro kryptoměny a dávkové programování vestavěných systémů. Kaskádová topologie hubu s přepínáním a monitorováním napájení na portu. Deska plošných spojů: 8vrstvá, 200+ mm dlouhá, silná měděná sběrnice VBUS. Kusovník: 35–100+ USD v závislosti na počtu portů a funkcích.

6. Uvedení expandéru USB portů na trh s Highleap

Společnost Highleap Electronics vyrábí desky plošných spojů pro expandéry USB portů pro maloobchodní značky, výrobce originálního vybavení (OEM), systémové integrátory a prodejce privátních značek. Naše služby zahrnují kompletní proces od vývoje až po výrobu:

Referenční návrhy. Pro zákazníky bez stávajících návrhů nabízíme osvědčené referenční návrhy pro běžné konfigurace: 4portový stolní rozbočovač USB 3.0, cestovní adaptér USB-C 7 v 1, vestavěný 2portový rozbočovač pro notebook, průmyslovou 8portovou jednotku na DIN lištu. Použití referenčního návrhu zkracuje dobu vývoje z měsíců na týdny.

Výroba desek plošných spojů. Vícevrstvá konstrukce s 2 až 12 vrstvami. Řízená impedance (90 Ω ±5 %) ověřená pomocí TDR kupónů. Výroba s řízenou impedancí pro diferenciální páry USB. Možnost HDI pro husté rozložení USB-C. Silná měď pro napájecí desky nabíjecích stanic.

Osazování. Kompletní SMT + selektivní vlnové pájení. Součástky od autorizovaného distributora. AOI + rentgen pro integrované obvody BGA hubů. 100% funkční test každé sestavené desky: výčet USB, propustnost portu, dodávka proudu portu, bod vypnutí OCP.

Sestavení v krabici. Pro produkty připravené k maloobchodnímu prodeji: sestavení v krabici – deska plošných spojů, kryt, kabely, příslušenství, balení, tištěné materiály. Dodáváno jako hotový produkt připravený k maloobchodnímu prodeji nebo distribuci. K dispozici je balení pod privátní značkou, vícejazyčné manuály a napájecí adaptéry specifické pro danou zemi.

Zašlete specifikaci vašeho expandéru USB portů pro výrobní cenovou nabídku – uveďte kategorii produktu, počet portů, verzi USB, požadavky na napájení, cílový objem a rozsah certifikace.

Související: Návrh desek plošných spojů USB hubu · Výběr výrobce desek plošných spojů USB hubu · Produkty USB převodníků · Systémy expandéru USB · Integrace konektoru USB-C

4. Víceportové dokovací stanice USB-C: Konvergenční produkt

Nejrychleji rostoucí kategorie USB převodníků kombinuje několik můstků do jednoho produktu – dokovací stanice USB-C. Jeden kabel z notebooku poskytuje: USB data (hub), video (HDMI/DP), síť (Ethernet), zvuk, čtečku karet a napájení (PD pass-through). Typický stack integrovaných obvodů:

DPS: 6–8 vrstev HDI, přibližně 100 × 60 mm. Kusovník: 25–60 USD. Maloobchodní cena: 80–250 USD. Toto je nejsložitější spotřebitelský USB produkt – rozvržení vyžaduje pečlivé rozdělení vysokorychlostních digitálních, analogových audio a silnoproudých napájecích sekcí. Výroba DPS HDI se slepými/zapuštěnými průchody je pro tuto kategorii produktů standardem.

5. Pravidla pro návrh desek plošných spojů, která platí pro všechny USB převodníky

Bez ohledu na konkrétní typ převodníku sdílí každá deska plošných spojů s USB převodníkem tyto požadavky na straně USB:

Impedance diferenciálního páru USB: 90 Ω ±10 % (USB 2.0) nebo ±5 % (USB 3.x). Použijte výrobu desek plošných spojů s řízenou impedancí s kupóny ověřenými TDR.

Ochrana proti elektrostatickému výboji (ESD): Diodová pole TVS na každém externím USB konektoru, do 1.5 mm od kontaktních plošek. Žádné výjimky – první událost ESD bez ochrany zničí integrovaný obvod můstku.

Oddělení: 100 nF X7R keramika do 2 mm od každého napájecího pinu můstkového integrovaného obvodu. 10 µF objem na každé hlavní kolejnici. U můstkových integrovaných obvodů pracujících interně nad 1 GHz jsou k dispozici další kondenzátory 1–10 nF pro pokrytí středních až vysokých frekvencí.

Umístění krystalu/oscilátoru: Většina integrovaných obvodů USB můstku vyžaduje krystal 12 MHz (±50 ppm) se zatěžovacími kondenzátory 18 pF. Krystal umístěte do 5 mm od integrovaného obvodu s krátkými, symetrickými vodiči. Pro snížení šumu veďte uzemněnou měď pod krystalem.

Shoda výstupního rozhraní: Ethernet vyžaduje magnetické rozhraní IEEE 802.3; HDMI vyžaduje řízení impedance TMDS; CAN vyžaduje shodu transceiveru s normou ISO 11898. Každý výstup má svá vlastní omezení na desce plošných spojů – strana USB je pouze polovinou návrhu.

Tepelná regulace: Integrované obvody můstků s výkonem vyšším než 1 W (Ethernet, video, audio se sluchátkovým zesilovačem) potřebují pod integrovaným obvodem tepelné průchodky, které se připojují k vnitřním zemnícím rovinám. Bez nich integrovaný obvod pracuje nad jmenovitou teplotou přechodu a buď snižuje výkon, nebo předčasně selhává.

6. Výroba desek plošných spojů s USB převodníky ve společnosti Highleap

Společnost Highleap vyrábí desky plošných spojů s USB převodníky ve všech kategoriích – od kabelů USB-UART v cenové relaci 0.50 USD až po dokovací stanice USB-C v cenové relaci přes 50 USD.

Flexibilita objemu: Prototypy s 50 kusy pro specializované průmyslové převodníky až po více než 100 000 kusů pro spotřební produkty. Stejné procesy DFM a kvality na všech úrovních.

Smíšená technologie montáže: SMT (můstkové integrované obvody, ESD, oddělení) + montáž do otvoru (USB konektory, RJ-45, DB9, svorkovnice, válcové konektory). Nejprve SMT pájení reflow, poté selektivní vlnové pájení pro TH konektory. Kompletní montáž plošných spojů na klíč zajišťuje veškeré dodávky součástek prostřednictvím autorizovaných kanálů.

Funkční test: Vlastní testovací přípravek pro každý produkt: výčet USB, propustnost na převedeném rozhraní (přesnost přenosové rychlosti UART, ztráta ethernetových paketů, ověření video výstupu), izolační test pro průmyslové převodníky.

Vyžádejte si cenovou nabídku na desku plošných spojů s USB převodníkem – uveďte typ převodníku, objem a případné požadavky na certifikaci.

Související: Návrh desky plošných spojů USB hubu · Integrace konektoru USB-C · Systémy expandéru USB · Produkty pro expanzi USB portů