Σχεδιασμός και κατασκευή PCB βάσης USB για επέκταση μέσω Hub

Ένας διανομέας USB επεκτείνει κυρίως τις θύρες δεδομένων USB. Μια βάση σύνδεσης USB προσθέτει γενικά άλλες χρήσιμες διεπαφές γύρω από αυτήν την αρχιτεκτονική διανομέα. Μια βάση σύνδεσης πολλαπλών λειτουργιών USB-C μπορεί επιπλέον να χρησιμοποιήσει δυνατότητες Type-C, όπως DisplayPort Alt Mode ή Power Delivery, εάν οι ελεγκτές και ο upstream host της τις υποστηρίζουν.

Ένας κόμβος USB απλώς επεκτείνει μια σύνδεση USB σε πολλαπλές θύρες USB. Μια βάση σύνδεσης USB συνήθως προσθέτει άλλες λειτουργίες όπως Ethernet, εξόδους οθόνης ή συσκευές ανάγνωσης καρτών. Μια βάση σύνδεσης πολλαπλών λειτουργιών USB-C μπορεί επίσης να χρησιμοποιεί λειτουργίες Alt και παροχή ρεύματος. Αυτές οι κατηγορίες αλληλεπικαλύπτονται στην αγορά, επομένως το άρθρο για την πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) πρέπει να ορίζει την αρχιτεκτονική-στόχο πριν συζητήσει την κατασκευή. Διαφορετικά, υπάρχει ο κίνδυνος να αποδοθούν λειτουργίες οθόνης ή φόρτισης σε προϊόντα που υλοποιούν μόνο δεδομένα USB.

Για το εργοστάσιο, αυτός ο ορισμός γίνεται ένας χάρτης θυρών και ένα διάγραμμα μπλοκ. Προσδιορίζει την ανοδική διεπαφή, τα επίπεδα κόμβων, τις θύρες κατάντη, τις προαιρετικές γέφυρες και τους ρόλους τροφοδοσίας. Αυτές οι πληροφορίες καθοδηγούν τον προγραμματισμό του ελεγκτή, τον πληθυσμό BOM και τη λειτουργική δοκιμή. Ένα καλά δομημένο RFQ θα πρέπει επομένως να το περιλαμβάνει μαζί με τα αρχεία Gerber και BOM αντί να περιμένει από τον assembler να ανακατασκευάσει τη λειτουργικότητα από τα αποτυπώματα των συνδέσμων.

Η διεπαφή upstream και ο ελεγκτής hub καθορίζουν τη διαθέσιμη διαδρομή δεδομένων USB. Η σηματοδότηση USB 2.0 και USB 3.x έχουν διαφορετικές απαιτήσεις δρομολόγησης και δοκιμής και το προϊόν ενδέχεται να υποστηρίζει περισσότερες από μία γενιές για συμβατότητα με παλαιότερες εκδόσεις.

Η διαδρομή USB ανοδικής ροής ορίζει τη δυνατότητα δεδομένων που μπορεί να μοιραστεί το υπόλοιπο τμήμα του κόμβου. Η επιλογή ελεγκτή κόμβου, ο κρυστάλλος/χρονισμός, η διαμόρφωση EEPROM ή υλικολογισμικού, η αλληλουχία επαναφοράς και η αντιστοίχιση θυρών κατάντη πρέπει να ταιριάζουν με τον κυκλοφορούντα σχεδιασμό. Οι διαδρομές USB 2.0 και SuperSpeed ​​ενδέχεται να συνυπάρχουν αλλά έχουν πολύ διαφορετικές απαιτήσεις δρομολόγησης, επομένως δεν πρέπει να συζητούνται ως ένα γενικό «σήμα USB».

Το MPN του ελεγκτή, ο χρονισμός αναφοράς, η διαμόρφωση EEPROM/υλικολογισμικού και η αντιστοίχιση θυρών downstream θα πρέπει να ελέγχονται με βάση τις αναθεωρήσεις. Ένας υποκατάστατος ελεγκτής κόμβου δεν αποτελεί απόφαση αγοράς drop-in εάν αλλάζει το υλικολογισμικό, την κατανομή λωρίδων, τη συμπεριφορά ισχύος ή τη συμβατότητα των προγραμμάτων οδήγησης.

Η κατασκευή πρέπει επίσης να διατηρεί τις αντιστάσεις ιμάντα ελεγκτή-διανομέα, τη μνήμη διαμόρφωσης και τα εγκεκριμένα εξαρτήματα ρολογιού, επειδή μικρές αλλαγές στο BOM μπορούν να αλλάξουν την απαρίθμηση ή τη συμπεριφορά των θυρών. Κατά τη διάρκεια της πρώτης κατασκευής, επαληθεύστε την ταυτότητα της συσκευής και την αντιστοίχιση θυρών πριν από την πλήρη παραγωγή. Αυτό εντοπίζει σφάλματα διαμόρφωσης νωρίτερα από τη δοκιμή στο τέλος της γραμμής, όπου η πλακέτα μπορεί να απαριθμήσει αλλά να εκθέσει λάθος αριθμό ή τύπο θυρών.

Η τοπολογία του κόμβου επηρεάζει επίσης την κοινή χρήση εύρους ζώνης και τη συμπεριφορά των θυρών. Τα στάδια κόμβου σε διαδοχική σειρά, οι εσωτερικές συσκευές γέφυρας και οι μεταφραστές συναλλαγών μπορούν να δημιουργήσουν εξαρτήσεις που είναι αόρατες μόνο από τον αριθμό των συνδέσμων. Το εργοστάσιο δεν χρειάζεται να επανασχεδιάσει αυτήν την τοπολογία, αλλά θα πρέπει να επαληθεύσει ότι ο σωστός πληθυσμός και η διαμόρφωση ελεγκτών έχουν φορτωθεί για τον χάρτη θυρών που έχει κυκλοφορήσει πριν από τη δοκιμή στο τέλος της γραμμής.

Για προϊόντα USB-C, η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) μπορεί να περιλαμβάνει Type-C/CC ή Έλεγχος PD, προσανατολισμός muxing και δρομολόγηση λωρίδων υψηλής ταχύτητας. Η λειτουργία DisplayPort Alt επαναχρησιμοποιεί τις λωρίδες υψηλής ταχύτητας Type-C για DisplayPort όταν υποστηρίζεται. Το USB PD διαπραγματεύεται την τροφοδοσία ανεξάρτητα.

Μια υποδοχή USB-C μπορεί να υποστηρίξει μόνο βασικά δεδομένα USB ή έναν πολύ πιο πλούσιο συνδυασμό ρόλων. Η λειτουργία DisplayPort Alt, η παροχή ρεύματος USB και οι λειτουργίες USB/USB4 υψηλότερης ταχύτητας εξαρτώνται από την ικανότητα του ελεγκτή και τον σχεδιασμό του συστήματος. Επομένως, το άρθρο θα πρέπει να χρησιμοποιεί διατύπωση υπό όρους και να απαιτεί τον ορισμό του ρόλου θύρας του έργου αντί να παρουσιάζει αυτά τα χαρακτηριστικά ως εγγενή στο USB-C.

Επειδή αυτές οι δυνατότητες είναι προαιρετικές, το πακέτο κατασκευής θα πρέπει να αναφέρει εάν η θύρα upstream είναι μόνο για δεδομένα, υποστηρίζει τη λειτουργία Alt, δέχεται ή παρέχει τροφοδοσία PD και ποιες θύρες Type-C downstream έχουν ποιους ρόλους. Οι ετικέτες θυρών από μόνες τους δεν αποτελούν επαρκή ορισμό παραγωγής.

Όπου περιλαμβάνεται η λειτουργία Alt ή η λειτουργία PD, η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) μπορεί να προσθέσει έλεγχο CC/PD, πολυπλεξία λωρίδας, επεξεργασία σήματος και προστατευμένες διαδρομές υψηλού ρεύματος. Το υλικολογισμικό και τα εγκεκριμένα στοιχεία διαδρομής σήματος αποτελούν μέρος της επικυρωμένης διαμόρφωσης. Οι εργοστασιακές δοκιμές θα πρέπει να επαληθεύουν τις διαπραγματευμένες λειτουργίες που καθορίζονται από τον πελάτη, ενώ οι δοκιμές συμμόρφωσης/πιστοποίησης παραμένουν ξεχωριστές από τους ρουτινικούς λειτουργικούς ελέγχους PCBA.

Οι λωρίδες USB SuperSpeed ​​είναι ευαίσθητες σε σύνθετη αντίσταση, ασυνέχειες και ποιότητα διαδρομής επιστροφήςΟι εκκινήσεις των συνδέσμων, οι συσκευές ESD, τα στοιχεία κοινής λειτουργίας όπου χρησιμοποιούνται, οι οπές διέλευσης και οι μεταβάσεις στρώσεων συμβάλλουν όλα στο κανάλι.

Η δρομολόγηση SuperSpeed ​​USB είναι ευαίσθητη σε ασυνέχειες σύνθετης αντίστασης, stubs και παρασιτική χωρητικότητα από τα εξαρτήματα προστασίας. Η εκκίνηση του συνδέσμου, η συσκευή ESD, το common-mode choke όπου χρησιμοποιείται, μέσω πεδίου και breakout ελεγκτή συμβάλλουν όλα στο κανάλι. Ο κατασκευαστής θα πρέπει να εργάζεται από τις απαιτήσεις της απελευθερωμένης στοίβας και του ελεγχόμενου δικτύου αντί να αντιμετωπίζει την σύνθετη αντίσταση ως τελική μέτρηση μόνο με κουπόνι.

Το εργαστήριο πλακετών μπορεί να κατασκευάσει πλακέτες ελεγχόμενης σύνθετης αντίστασης και να ελέγξει απαιτήσεις PCB υψηλής ταχύτητας έναντι της στοίβαξης του πελάτη. Η προστασία ESD θα πρέπει να τοποθετείται και να συναρμολογείται σύμφωνα με τον σχεδιασμό που έχει εκδοθεί. Η προσθήκη υπερβολικής χωρητικότητας μέσω μη εγκεκριμένης αντικατάστασης μπορεί να επηρεάσει τα περιθώρια κέρδους υψηλής ταχύτητας.

• Διατηρήστε τη γεωμετρία των διαφορικών ζευγών και τα επίπεδα αναφοράς.
• Ελαχιστοποιήστε τα απρογραμμάτιστα stubs και τις περιττές μεταβάσεις στρώσεων.
• Διατηρήστε τα αποτυπώματα προστασίας και σύνδεσης συνδεδεμένα με τα κατάλληλα εξαρτήματα.
• Ορίστε την αντίσταση και τυχόν απαιτήσεις κουπονιού/δοκιμής στις σημειώσεις κατασκευής.

Η προστασία από ηλεκτροστατική εκκένωση (ESD) αποτελεί επίσης κίνδυνο προμήθειας. Η αντικατάσταση μιας συσκευής προστασίας με μια συσκευή που έχει σημαντικά διαφορετική χωρητικότητα ή γεωμετρία συσκευασίας μπορεί να μειώσει το περιθώριο υψηλής ταχύτητας, ακόμη και αν η ονομαστική της τιμή υπερτάσεων φαίνεται κατάλληλη. Συνεπώς, θα πρέπει να απαιτείται έγκριση μηχανικού για τις αντικαταστάσεις διαδρομής σήματος. Αυτό είναι το είδος της λεπτομέρειας που καθιστά το άρθρο επαγγελματικά χρήσιμο για τις προμήθειες αντί να αναφέρει απλώς την «προστασία από ηλεκτροστατική εκκένωση» ως χαρακτηριστικό.

Ακόμα και ένας διανομέας USB που εστιάζει σε δεδομένα διανέμει ενέργεια σε συσκευές downstream. Οι πιο ικανές βάσεις σύνδεσης μπορούν να προσθέσουν θύρες USB-C υψηλότερης ισχύος ή φόρτιση κεντρικού υπολογιστή. Αυτό μετατρέπει την τρέχουσα χωρητικότητα του συνδετήρα, διακόπτες ισχύος, προστασία και θερμικά στοιχεία ρυθμιστή σε κεντρικά σημεία PCB.

Η ισχύς της θύρας downstream πρέπει να προϋπολογίζεται σε ολόκληρη την αποβάθρα. Τα σχέδια που τροφοδοτούνται με δίαυλο περιορίζονται από την παροχή της σύνδεσης upstream. Οι αυτοτροφοδοτούμενες αποβάθρες μπορούν να έχουν περισσότερη διαθέσιμη ισχύ, αλλά εξακολουθούν να χρειάζονται περιορισμό ρεύματος, προστασία και θερμική διαχείριση για κάθε ομάδα θυρών. Οι θύρες downstream τύπου C ενδέχεται επίσης να έχουν τη δική τους διαφημιζόμενη συμπεριφορά ρεύματος ή PD ανάλογα με το σχέδιο.

Οι απαιτήσεις ισχύος θα πρέπει να εκφράζονται ως προϋπολογισμός ανά θύρα και σε επίπεδο συστήματος. Το συνεργείο πλακέτας και ο συναρμολογητής μπορούν να διατηρήσουν τις διαδρομές χαλκού και τα θερμικά χαρακτηριστικά, ενώ οι λειτουργικές δοκιμές επαληθεύουν συμπεριφορά ορίου ρεύματος ή PD σύμφωνα με τα όρια του πελάτη.

Η θερμική αξιολόγηση θα πρέπει να παραμένει συνδεδεμένη με τον προϋπολογισμό ισχύος που απελευθερώνεται και το σενάριο φόρτωσης και όχι με έναν καθολικό ισχυρισμό σχετικά με την ονομαστική ισχύ της βάσης USB.

Η κατασκευή των PCB θα πρέπει να διατηρεί τα επίπεδα υψηλού ρεύματος, τον χάλκινο σύνδεσμο και τα θερμικά χαρακτηριστικά, ενώ η λειτουργική δοκιμή εφαρμόζει τις περιπτώσεις φορτίου που ορίζονται από τον πελάτη. Μια θύρα που διαβιβάζει δεδομένα δεν αποδεικνύει ότι η διαδρομή ισχύος της είναι σωστή και ένας έλεγχος τάσης χωρίς φορτίο δεν αποδεικνύει την κατανομή ρεύματος σε πολλαπλές συσκευές. Ο ορισμός αντιπροσωπευτικών συνδυασμών φορτίου για το NPI παρέχει στη μηχανική πολύ ισχυρότερα στοιχεία πριν από την απελευθέρωση όγκου.

Ο σωστός αριθμός επιπέδων εξαρτάται από τον αριθμό των λωρίδων SuperSpeed, τις προαιρετικές διεπαφές οθόνης/δικτύου, την κατανομή ισχύος και την περιοχή της πλακέτας. Ένας μικρός διανομέας USB μπορεί να είναι πολύ πιο απλός από μια πολυλειτουργική βάση σύνδεσης USB-C, παρόλο που και οι δύο στοχεύουν στη λέξη-κλειδί "βάση σύνδεσης USB".

Ο αριθμός των επιπέδων σύνδεσης USB εξαρτάται από την ταχύτητα της θύρας, την πυκνότητα του ελεγκτή και τις προαιρετικές λειτουργίες οθόνης/δικτύου. Ένας απλός κόμβος μπορεί να είναι σχετικά μέτριος. Ένας πολυλειτουργικός σταθμός σύνδεσης μπορεί να απαιτεί περισσότερα επίπεδα αναφοράς και επίπεδα δρομολόγησης. Η στοίβα θα πρέπει να διατηρεί τα ζεύγη SuperSpeed ​​κοντά σε συνεχείς αναφορές, να παρέχει επαρκή μετατροπή ισχύος σε χαλκό και να αποφεύγει τη δημιουργία διαχωρισμών επιπέδων κάτω από ευαίσθητες διαδρομές.

Χρησιμοποιήστε μόνο πολυστρωματική, διαμπερή και πολυπλοκότητα υλικών για να καλύψετε τις ανάγκες ακεραιότητας και πυκνότητας του απελευθερωμένου σήματος. Το εύρος παραγωγής μπορεί να υποστηρίξει κατασκευή πολυστρωματικών PCB όταν απαιτείται από το σχεδιασμό.

Η ανασκόπηση κατασκευής θα πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη την πυκνότητα των άκρων του συνδετήρα και τη μηχανική επιπεδότητα. Οι μεγάλοι συνδετήρες USB-A, Type-C, HDMI ή Ethernet μπορούν να ασκήσουν τάση κατά μήκος της άκρης της πλακέτας, ενώ οι ανώμαλες κατασκευές από χαλκό ή οι λεπτές κατασκευές μπορούν να επηρεάσουν την ομοεπιπεδότητα. Η στρατηγική για την τοποθέτηση πάνελ, τα εργαλεία και την αποπίνακα θα πρέπει να συμφωνηθούν πριν από την NPI, ώστε τα προβλήματα ευθυγράμμισης των συνδετήρων να μην ανακαλύπτονται μόνο κατά τη συναρμολόγηση του περιβλήματος.

Οι σημειώσεις κατασκευής θα πρέπει να προσδιορίζουν ποια διαφορικά ζεύγη απαιτούν ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση, ποιες διόδους ή στόμια είναι περιορισμένες και εάν καθορίζεται στην πραγματικότητα κάποιο όριο απώλειας υλικού. Αυτό αποτρέπει την υπερβολική κατασκευή μιας πλακέτας κόμβου χαμηλού κόστους όπως σε ένα σχέδιο Thunderbolt, ενώ παράλληλα παρέχει σε μια πολυλειτουργική βάση USB τους ελέγχους που πραγματικά χρειάζονται η SuperSpeed ​​και οι διαδρομές εμφάνισης.

Η συναρμολόγηση συνδυάζει διανομέα/ελεγκτές, συσκευές τροφοδοσίας, εξαρτήματα ESD και μηχανικά φορτισμένους συνδετήρες. Επιταγές πρώτου τεμαχίου θα πρέπει να επιβεβαιώσει τον τύπο του συνδετήρα, τον προσανατολισμό, την πλήρωση των επιλογών και την προγραμματισμένη διαμόρφωση πριν από τη συνέχιση της παρτίδας.

Ο έλεγχος της διαδικασίας συναρμολόγησης θα πρέπει να αντικατοπτρίζει το μείγμα ελεγκτών πλήμνης/γέφυρας λεπτού βήματος, μικρών εξαρτημάτων ESD, συσκευών τροφοδοσίας και μεγάλων συνδετήρων. Η επαλήθευση πρώτου τεμαχίου είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε πλακέτες πολλαπλών θυρών, επειδή παρόμοιοι συνδετήρες ή επαναλαμβανόμενες συστοιχίες ESD μπορούν να φορτωθούν λανθασμένα σε πολλές θέσεις. Οι δευτερεύουσες εργασίες συγκόλλησης ή οι χειροκίνητες λειτουργίες θα πρέπει να προσδιορίζονται ρητά στον οδηγό και να μην αφήνονται στην ερμηνεία του χειριστή.

Ένα σχέδιο δοκιμής βάσης USB θα πρέπει να απαριθμεί κάθε εγκατεστημένη θύρα. Ελέγξτε την επικοινωνία USB 2.0/3.x, όπως ισχύει, και στη συνέχεια επαληθεύστε ξεχωριστά τις προαιρετικές λειτουργίες Ethernet, οθόνης, συσκευής ανάγνωσης καρτών, ήχου ή PD. Η παραγωγή μπορεί να εκτελέσει λειτουργικές δοκιμές από διαδικασίες και εξαρτήματα που ορίζονται από τον πελάτη.

Η δοκιμή στο τέλος της γραμμής θα πρέπει να περιλαμβάνει τον χάρτη των απελευθερωμένων θυρών: απαρίθμηση ανάντη ροής, κάθε θύρα USB κατάντη ροής, προαιρετικές διεπαφές Ethernet/οθόνης/κάρτας και λειτουργίες τροφοδοσίας. Όταν η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος υποστηρίζει πολλαπλά SKU, το λογισμικό δοκιμής θα πρέπει να διαβάζει ή να του αντιστοιχίζεται η σωστή παραλλαγή, ώστε οι σκόπιμα μη συμπληρωμένες θύρες να μην δημιουργούν ψευδείς αποτυχίες. Τα ιχνηλασιμα αποτελέσματα βοηθούν επίσης στην απομόνωση του εάν ένα πρόβλημα πεδίου αφορά συγκεκριμένα τη διεπαφή ή ολόκληρη την παρτίδα.

A Πλακέτα βάσης USB Η RFQ θα πρέπει να αναφέρει τον σύνδεσμο/τύπο ανοδικής ροής, τις γενιές USB, τον χάρτη θυρών κατάντη, τους ρόλους Type-C, τις απαιτήσεις Alt Mode/PD, τους προαιρετικούς ελεγκτές, τη στοίβαξη και τον πίνακα δοκιμών. Αυτό εμποδίζει μια γενική προσφορά να αποκρύψει την πραγματική πολυπλοκότητα της βάσης σύνδεσης.