Johtava piirilevyjen ja piirilevyjen valmistaja USB-laajentimille

USB-laajennin lisää portteja ja porttityyppejä tietokoneeseen, jossa niitä ei ole tarpeeksi. Nykyaikaisissa kannettavissa tietokoneissa on yksi tai kaksi USB-C-porttia eikä mitään muuta – ei USB-A:ta, ei HDMI:tä, ei Ethernetiä, ei SD-korttipaikkaa. USB-laajennin ratkaisee tämän jakamalla yhden USB-liitännän useisiin alavirran portteihin, usein yhdistämällä USB-A:n, USB-C:n, HDMI:n, Ethernetin ja kortinlukijat yhteen laitteeseen. Tämä opas kattaa USB-laajenninlaitteiston tuotekategoriat, tärkeimmät komponentit, piirilevysuunnitteluun liittyvät näkökohdat ja valmistusvaatimukset.

Sisällysluettelo

1. Mitä USB-laajennus oikeastaan ​​tekee
2. USB-A-porttilaajennukset: Lisää USB-portteja
3. USB-C-monitoimilaajennukset: Portit ja muunnos
4. Virtalähteellä varustetut USB-laajentimet ja latausasemat
5. Teolliset ja sulautetut USB-laajentimet
6. PCB-suunnittelun perusteet USB-laajentimille
7. USB-laajennuslaitteiden valmistus Highleapissa

1. Mitä USB-laajennus oikeastaan ​​tekee

USB-laajennuslaite ottaa yhden isäntätietokoneen USB-portin ja muuttaa sen useiksi porteiksi. Yksinkertaisin versio on neliporttinen USB-A-keskitin – yksi kaapeli tietokoneeseen, neljä USB-A-porttia oheislaitteille. Edistynein versio on USB-C-telakointiasema, joka tarjoaa USB-A-, USB-C-, HDMI-, DisplayPort-, gigabitin Ethernet-, ääni- ja SD-korttipaikat yhdestä USB-C-liitännästä ja lataa kannettavaa tietokonetta USB Power Deliveryn kautta.

Kolme skenaariota ohjaavat lähes kaikkia USB-laajennuslaitteiden myyntiä:

Liian vähän portteja. Kannettava tietokone, jossa on kaksi USB-C-porttia, ei voi samanaikaisesti liittää hiirtä, näppäimistöä, ulkoista asemaa, web-kameraa ja puhelimen laturia. USB-laajennus lisää puuttuvat portit. Tämä on yleisin kuluttajakäyttötapaus ja eniten myyty tuotekategoria.

Väärät porttityypit. Vain USB-C-liitännällä varustettu kannettava tietokone ei voi liittää suoraan USB-A-oheislaitteita, HDMI-näyttöä tai Ethernet-kaapelia. Erilaisia ​​porttityyppejä sisältävä USB-laajennin kuroa umpeen kuilun – se toimii sekä porttivahvistimena että liitäntämuuntimena yhdessä laitteessa.

Pöytätietokoneen kätevyys. Pöydän alle sijoitetun pöytätietokoneen takapaneelissa on USB-portit, joihin on vaikea päästä käsiksi. Pöydän pinnalle asetettu USB-laajennuskortti, joka on kytketty tietokoneeseen yhdellä kaapelilla, tuo kaikki portit käden ulottuville. Tämä on suuri markkinasegmentti 4- ja 7-porttisille pöytätietokoneiden keskittimille.

Jokaisen USB-laajentimen ytimessä on USB-keskittimen mikropiiri – siru, joka toteuttaa USB-keskittimen spesifikaation ja hallitsee luettelointia, kaistanleveyden allokointia ja virranjakelua kaikissa alavirran porteissa. Erilaiset porttityypit (HDMI, Ethernet, ääni) vaativat lisää siltapiirejä samalle piirilevylle. Piirilevyn suunnittelu ja komponenttien valinta määräävät tuotteen suorituskyvyn, luotettavuuden ja kustannukset.

2. USB-A-porttilaajennukset: Lisää USB-portteja

Yksinkertaisin ja tehokkain USB-laajennuslaite. Yksi USB-kaapeli isäntälaitteeseen, useita USB-A-portteja oheislaitteille. Ei protokollamuunnosta – laajennuslaite on puhdas USB-keskitin.

Väylästä virtansa saava 4-porttinen USB 3.0 -keskitin. Perustason tuote. Yksi keskittimen mikropiiri (VIA VL817, Genesys Logic GL3520 tai vastaava) ohjaa neljää USB-A-downstream-porttia. Väylästä virtansa saava keskitin ottaa kaiken virtansa isäntä-USB-portista – ulkoista sovitinta ei tarvita. Kompromissi: käytettävissä oleva kokonaisvirta on rajoitettu 900 mA:iin (USB 3.0 -spesifikaatio), ja se jaetaan keskittimen yläpuolella ja kaikissa neljässä portissa. Tämä riittää hiirille, näppäimistöille, muistitikuille ja kortinlukijoille, mutta ei ulkoisille kiintolevyille tai puhelimen lataamiseen. Piirilevy: 2–4 kerrosta, noin 60 × 30 mm. Osanumero tilavuudessa: 3–6 dollaria.

7- ja 10-porttiset keskittimet. Käyttäjille, jotka liittävät useita oheislaitteita – videoeditoijille, äänituottajille ja kehittäjille, joilla on useita testilaitteita. Sisäinen arkkitehtuuri sarjastaa kaksi tai kolme 4-porttista keskittimen integroitua piiriä. Aina omalla virtalähteellään (ulkoinen sovitin), koska väylä ei pysty syöttämään virtaa näin monelle portille. Porttikohtaiset virtakytkimet ja LED-merkkivalot ovat ominaisuuksia, jotka erottavat premium-tuotteet (Anker, Sabrent, UGREEN) geneerisistä vaihtoehdoista. Osanumero volyymilla: 8–15 dollaria.

USB 2.0 vs. USB 3.0 -keskittimet. USB 2.0 -keskittimet (480 Mbps jaettu kaistanleveys) käyttävät yksinkertaisempia ja halvempia mikropiirejä ja kaksikerroksisia piirilevyjä. USB 3.0 -keskittimet (5 Gbps) vaativat kontrolloidun impedanssin omaavia differentiaalipareja, tiukempia piirilevyjen asettelusääntöjä ja nelikerroksisia levyjä. USB 3.0 -keskittimet ylläpitävät myös taaksepäin yhteensopivia USB 2.0 -datapolkuja rinnakkain – keskittimen mikropiiri hallitsee molempia samanaikaisesti. Sovelluksiin, jotka tarvitsevat vain HID-laitteita (näppäimistöt, hiiret, viivakoodinlukijat), USB 2.0 -keskitin on kustannusoptimaalinen valinta.

USB-C ylävirtaan, USB-A alavirtaan. Kasvava tuotesegmentti, joka ratkaisee "dongle-ongelman": kannettavassa tietokoneessa on vain USB-C, mutta kaikissa olemassa olevissa oheislaitteissa on USB-A. Keskitin yhdistetään kannettavaan tietokoneeseen USB-C:n kautta ja tarjoaa USB-A-portteja vanhemmille laitteille. Piirilevy lisää USB-C CC (Configuration Channel) -nastojen hallinnan ylävirran porttiin, mikä vaatii lisäpiirejä verrattuna USB-A ylävirran suunnitteluun.

 3. USB-C-monitoimilaajennukset: Portit ja muunnos

Tämä on nopeimmin kasvava USB-laajennuslaitteiden kategoria. Yksi kannettavan tietokoneen USB-C-kaapeli tarjoaa USB-dataportteja, videolähdön, verkkoyhteyden ja joskus myös virransyötön – yhdistäen porttilaajennuksen ja liitäntämuunnoksen yhteen kompaktiin laitteeseen.

5-in-1 ja 7-in-1 USB-C-sovittimet. Suosittu matka- ja toimistotuote. Tyypillinen kokoonpano: 2 × USB-A, 1 × HDMI (4K@30 Hz tai 4K@60 Hz), 1 × SD-kortinlukija, 1 × USB-C PD -läpivienti kannettavan tietokoneen lataamiseen. Saa virransyötön USB-C-isännästä. Piirilevyllä on USB-keskittimen mikropiiri dataporteille sekä DisplayPort-HDMI-muuntimen mikropiiri (Parade PS176, Lontium LT8711 tai vastaava) videolähtöä varten. Piirilevy: 4–6-kerroksinen HDI-piirilevyn rakenne USB-C-nastaliitäntää varten. Levyn koko noin 70 × 30 mm. Valmistushinta: 8–25 dollaria.

USB-C-telakointiasemat. Premium-segmentti. Puolikiinteä työpöytälisävaruste, joka korvaa kaikki kannettavan tietokoneen kaapeliyhteydet yhdellä USB-C-kaapelilla. Tyypillinen kokoonpano: 2–3 × USB-A, 1 × USB-C-data, kaksois-HDMI- tai DisplayPort-liitäntä kahdelle ulkoiselle näytölle, gigabitin Ethernet, 3.5 mm:n ääniliitäntä, SD/microSD-kortti ja 60–100 W:n USB PD -läpivirtauslataus. Piirilevy on monisiruinen: USB-keskittimen integroitu piiri, USB-C-ohjain Alt-tilalla, PD-ohjain, DisplayPort MST -keskitin (kahdelle näytölle), HDMI-muunnin, Ethernet-silta (Realtek RTL8153) ja äänikoodekki. Piirilevy: 6–8-kerroksinen HDI, noin 100 × 60 mm. Tuotehinta: 25–60 dollaria. Tämä on monimutkaisin kuluttajille suunnattu USB-tuotekategoria ja sillä on korkeimmat vähittäismyyntikatteet.

Monitoimisten laajennusten keskeiset integroidut piirit:

Ethernet- tai USB-C-liitäntöjä käyttävissä tuotteissa, jotka vaativat kontrolloitua impedanssia ja asianmukaista yhteismuotoisen hylkäyksen, piirilevyn asettelu noudattaa differentiaaliparin reititystä koskevia tietoliikennepiirilevyn suunnittelun standardeja sääntöjä.

4. Virtalähteellä varustetut USB-laajentimet ja latausasemat

Väylästä virtansa saavien USB-laajennusten tehoa rajoittaa isäntäportin kautta saatavilla oleva virta – 500 mA USB 2.0:lle ja 900 mA USB 3.0:lle. Merkittävästi virtaa kuluttaville oheislaitteille (ulkoiset asemat, puhelimet, tabletit, DA-muuntimet) tarvitaan omalla virtalähteellä varustettu USB-laajennin, jossa on ulkoinen virtalähde.

Virtalähteellä varustetut pöytätietokoneiden keskittimet. Tyypillisesti 4–7 USB-A-porttia ja 12 V/2.5–5 A:n tasavirtasovitin. Jokainen portti pystyy syöttämään täyden USB-spesifikaation mukaisen virran (500 mA USB 2.0 -porteille, 900 mA USB 3.0 -porteille) sekä BC 1.2 -latauksen tunnistuksen valituissa porteissa puhelimen/tabletin lataamiseen 1.5 A:n virralla. Virtalähteen kapasiteetin on ylitettävä kaikkien mahdollisten porttikuormien ja keskittimen lisäkuormien summa – 7-porttinen keskitin, jonka kaikki portit tuottavat 900 mA:n virralla, tarvitsee vähintään 6.3 A 5 V:n jännitteellä (31.5 W), mikä edellyttää sisäistä buck-muunninta 12 V:n tulosta. Piirilevyn virtatason suunnittelu on kriittistä: VBUS-jakelulinjat kuljettavat kaikkien porttien kokonaisvirran ja ne on mitoitettava vastaavasti. Paksu kuparinen piirilevy , jossa on 2 unssia kuparia virtakerroksissa, on vakiona keskittimille, joiden kokonaisvirta on yli 5 A.

Latausasema + keskitin -yhdistelmät. Tuote, joka erottaa dataportit pelkkään latausta varten tarkoitetuista porteista. Dataportit kytketään normaalisti keskittimen mikropiirin kautta. Pelkän latauksen portit ohittavat keskittimen mikropiirin kokonaan – ne kytketään suoraan virtalähteeseen erillisten latausprotokollan ohjainpiirien kautta (tukevat BC 1.2:ta, Qualcomm QC 3.0/4.0:aa tai USB PD:tä). Tämä rakenne sallii 2.4 A:n tai enemmän latausporttia kohden vaikuttamatta datan kaistanleveyteen. Järjestelmän kokonaisvirta voi olla 10–15 A 5 V:n jännitteellä, mikä vaatii huolellista piirilevyn lämmönhallintaa ja paksuja kuparikerroksia.

USB-C PD -läpivientikeskittimet. Kannettava tietokone yhdistetään keskittimeen USB-C-liitännän kautta. Keskittimessä on USB-C PD -tuloportti, joka on yhdistetty kannettavan tietokoneen laturiin. Keskitin syöttää latausvirtaa kannettavaan tietokoneeseen (yleensä 60–100 W) ja tarjoaa samanaikaisesti dataportteja. PD-ohjainpiiri neuvottelee jännitteestä ja virrasta laturin kanssa ja hallitsee virransyöttöä. Tätä arkkitehtuuria käytetään kaikissa nykyaikaisissa USB-C-telakointiasemissa – yksi kaapeli datalle, videolle ja virralle.

5. Teolliset ja sulautetut USB-laajentimet

Kuluttajille tarkoitetut USB-laajentimet priorisoivat kompaktiutta, estetiikkaa ja hintaa. Teollisuus- ja sulautettujen USB-laajennusten painopisteinä ovat luotettavuus, ympäristön sietokyky ja etähallittavuus.

DIN-kiskoon asennettavat teollisuuskeskittimet. Metallikotelo, 35 mm:n DIN-kiskoon kiinnitys ohjauskaappiasennukseen. 4–16 USB-porttia. Laaja tasavirtatulo (9–48 V) sisäisellä buck-muuntimella, napaisuuden suojauksella ja ylijännitesuojauksella. Laajennettu käyttölämpötila: −40 °C - +85 °C, mikä edellyttää teollisuusluokan komponentteja ja korkean Tg-pitoisuuden omaavaa piirilevylaminaattia (Tg ≥ 170 °C) delaminaation estämiseksi korkeissa lämpötiloissa. EMC-yhteensopivuus standardien EN 61000-6-2 (teollisuusimmuniteetti) ja EN 61000-6-4 (teollisuuspäästöt) kanssa – huomattavasti tiukempi kuin kuluttajille tarkoitettu FCC Part 15.

Porttikohtainen virransäätö. Teollisuuden USB-laajennuksissa on usein ohjelmistolla ohjattava porttikohtainen virrankytkentä/katkaisu, porttikohtainen virranvalvonta ja porttikohtainen ylivirtasuoja. Tämä vaatii keskittimen IC:n lisäksi mikrokontrollerin (STM32 tai vastaava), joka lukee virrantunnistus-AD-muuntimia ja tarjoaa ohjausliitännän isännälle. Sovellukset: laitetilat älypuhelinten testaukseen ja laiteohjelmiston päivitykseen, kioskien hallinta ja digitaaliset näyttöverkot, joissa USB-portin etänollaus on välttämätöntä valvomattoman toiminnan kannalta.

Sulautetut OEM-USB-laajentimet. Ei vähittäismyyntituote – toiseen tuotteeseen integroitu piirilevy tai mikropiiri. Lähes jokaisessa kannettavassa tietokoneessa on emolevyllä ainakin yksi sulautettu USB-keskitin-mikropiiri, joka laajentaa piirisarjan rajalliset USB-portit sisäiseen näppäimistöohjaimeen, kosketuslevyyn, web-kameraan, sormenjälkitunnistimeen, Bluetooth-radioon ja ulkoisiin liittimiin. Näyttöihin sulautetut USB-keskittimet (2–4 porttia näytön takana) ja kioski-/kassapäätekeskittimet ovat muita suuren volyymin sulautettuja sovelluksia. OEM-piirilevyjen valmistus sulautettuja USB-laajentimia varten on yksi suurimmista piirilevykokoonpanokategorioista.

Ylijännite- ja ympäristönsuojaus. Teollisuusympäristöissä kaapelit altistuvat sähköiselle kohinalle ja transienttijännitteille. Ylijännitesuojaus (TVS-diodit, kaasupurkausputket) jokaisessa ulkoisessa portissa on pakollinen. Korkean kosteuden ympäristöissä – elintarviketehtaissa, meriteollisuudessa, ulkokoteloissa – kootun piirilevyn muotoiltu pinnoite suojaa kosteudelta ja kontaminaatiolta.

6. PCB-suunnittelun perusteet USB-laajentimille

Jokaisella USB-laajentimella on yhteiset piirilevysuunnitteluvaatimukset USB-liitännän puolella tuotetyypistä riippumatta:

Differentiaaliparin impedanssi. USB 2.0 vaatii 90 Ω ±10 % differentiaaliimpedanssin; USB 3.0/3.2 vaatii 90 Ω ±5 %. Saavutetaan kontrolloidulla johtimien leveydellä ja etäisyydellä monikerroksisen piirilevyn sisäkerroksissa, mikä on varmistettu TDR (Time Domain Reflectometry) -kokeilla valmistuksen aikana. Impedanssikontrolloitu piirilevyn valmistus vaaditaan kaikille USB 3.0- tai nopeammille tuotteille.

ESD-suojaus. TVS-diodiryhmät jokaisessa ulkoisessa USB-liittimessä, 1.5 mm:n säteellä liitinpinnoista. Tästä ei voida tinkiä – ensimmäinen suojaamaton ESD-tapahtuma tuhoaa keskittimen tai sillan mikropiirin. ESD-suojauskomponentit on mitoitettava tiedonsiirtonopeudelle: hitaat, mutta suuren kapasitanssin omaavat TVS-diodit heikentävät USB 3.0 -signaalin eheyttä.

Virranjakelu. VBUS (5 V) -johtimet on mitoitettava kaikkien alavirran porttien kokonaisvirran mukaan. 7-porttinen USB 3.0 -keskitin, jonka kaikki portit ovat kuormitettuja, voi kuluttaa yhteensä yli 6 A. Johdinleveyden laskurit (IPC-2152) määrittävät tarvittavan kuparileveyden tietyllä virralla ja lämpötilan nousulla. Suurvirtasuunnittelussa suositellaan sisäisiä tehotasoja 2 unssin kuparikerroksilla reititettyihin johtimiin verrattuna.

Kerrosten pinoaminen. Perus-USB 2.0 -keskittimet toimivat kaksikerroksisilla piirilevyillä. USB 3.0 -keskittimet vaativat vähintään neljä kerrosta (signaali-maa-virta-signaali) impedanssin hallintaa varten. Monitoimiset USB-C-laajennuskortit, joissa on HDMI-, Ethernet- ja PD-liitäntä, vaativat tyypillisesti 6–8 kerrosta HDI-rakenteella (sokkoutetut/haudatut reiät) tiheää USB-C-liittimen tuuletusta varten.

Lämmönhallinta. Yli 1 W:n tehoa haihduttavat keskitin- ja siltapiirit tarvitsevat lämpöläpiviennit piirilevykotelon alla, jotka on kytketty sisäisiin maatasoihin. Ilman riittävää jäähdytystä piirilevyjen liitoskohdan lämpötila ylittää nimellislämpötilansa, mikä aiheuttaa kuristumista tai ennenaikaista vikaantumista. Monisiruisten telakointiasemien piirilevyt saattavat vaatia useita lämpövyöhykkeitä ja kuparivaluja lämmön levittämiseksi.

EMC-suunnittelu. Yhteismuotoiset kuristimet USB-differentiaalipareissa, ferriittihelmet virransyötössä ja jatkuvat maatasot jokaisessa signaalikerroksessa. Teollisuus- tai lääketieteelliseen sertifiointiin tarkoitettujen tuotteiden on läpäistävä tiukat immuniteettitestit, jotka kuluttajaluokan mallit eivät kestä.

7. USB-laajennuslaitteiden valmistus Highleapissa

Highleap Electronics on piirilevyjen valmistus- ja kokoonpanotehdas. Valmistamme USB-laajennuspiirilevyjä kuluttajabrändeille, OEM-asiakkaille, järjestelmäintegraattoreille ja omien merkkien myyjille – yksinkertaisista 4-porttisista USB-A-keskittimistä monimutkaisiin USB-C-telakointiasemiin.

Piirilevyjen valmistus. 2–12-kerroksinen monikerrosrakenne. Kontrolloitu impedanssi (90 Ω ±5 %), joka on varmistettu TDR-testeillä. HDI-yhteensopivuus sokko-/haudattujen reikien avulla tiheitä USB-C-asennuksia varten. Paksut kupariset sisäkerrokset virranjakeluun latauskeskittimissä ja telakointiasemissa. Korkean Tg-lujuuslujuuden omaava laminaatti teollisuusluokan tuotteille, joita käytetään pitkissä lämpötiloissa.

Piirilevykokoonpano. Täysi SMT + selektiivinen aaltojuotos läpivientiliittimille (USB-A, USB-C, RJ-45, HDMI, SD-korttipaikat). BGA-asennus röntgentarkastuksella keskittimien ja siltojen integroiduille piireille. Komponenttien hankinta valtuutettujen jakelijoiden kautta – kriittistä USB-ohjainten integroiduille piireille, joissa väärennetyt osat ovat dokumentoitu toimitusketjun riski. Avaimet käteen -periaatteella tapahtuva piirilevykokoonpano hoitaa kaikki komponenttien hankinnan ja kokoonpanon yhdellä tilauksella.

Laatikkokokoonpano. Tarjoamme vähittäismyyntivalmiita USB-laajennustuotteita varten täydellisen elektronisen laatikkokokoonpanon — piirilevyn, kotelon, kaapelit, lisävarusteet, painetut käyttöohjeet ja vähittäismyyntipakkaukset. Toimitetaan valmiina tuotteena varastoosi tai jakelukanavaasi. Saatavilla on yksityismerkinnällä varustettuja pakkauksia, monikielinen dokumentaatio ja maakohtaisia ​​virtalähteitä.

Toiminnallinen testi. 100 % kootuista piirilevyistä käy läpi toiminnallisen testauksen: USB-luettelointi jokaisessa portissa, porttikohtaisen läpäisykyvyn varmennus, porttikohtaisen virranjakelun varmennus, ylivirtasuojan laukaisupiste, PD-neuvottelu (USB-C-tuotteille) ja videolähdön validointi (telakointiasemille). Tuotekohtaisesti suunnitellut räätälöidyt testilaitteet.

Pyydä tarjous USB-laajennuskortin piirilevystä — sisällytä pyyntöön tuotetyyppi, porttikokoonpano, USB-versio, tehovaatimukset, ympäristötiedot ja tavoitetilavuus.

Aiheeseen liittyvää: USB-keskittimen piirilevyjen suunnittelu · USB-porttilaajennustuotteet · USB-muuntimen suunnittelu · USB-C-liittimen integrointi