Edistynyt USB-keskittimen piirilevyjen valmistus ja avaimet käteen -kokoonpano

Jokainen USB-keskitin – 10 dollarin matkadonglesta 500 dollarin teollisuuskäyttöön tarkoitettuun 16-porttiseen räkkiyksikköön – toimii yhdellä piirilevyllä, joka integroi keskittimen ohjainpiirin, porttikohtaisen virtakytkimen, ESD-suojauksen ja impedanssiohjatun differentiaalireitityksen. Valitsemasi keskittimen piiri, määrittämäsi pinoaminen ja suunnittelemasi virta-arkkitehtuuri määräävät, läpäiseekö tuote USB-IF-sertifioinnin ensimmäisellä näytteellä vai epäonnistuuko se tuotannossa. Tämä opas antaa sinulle tarkat osanumerot, pinoamissäännöt, kustannushaarukat ja asettelurajoitukset, jotta saat sen oikein.

Sisällysluettelo

1. Hub-ohjaimen IC-valinta: Kaikki tärkeimmät osanumerot vertailussa
2. Virta-arkkitehtuuri: Väyläkäyttöinen vs. omakäyttöinen vs. USB-C PD -tulo
3. Piirilevyjen pinoaminen, impedanssin säätö ja differentiaaliparin reititys
4. ESD-suojaus, EMC-yhteensopivuus ja liittimien valinta
5. Tuotekokoonpanot: 4-portti - 16-portti, kuluttajasta teollisuuskäyttöön
6. USB-keskittimen piirilevyjen valmistus ja kokoonpano

1. Keskittimen ohjaimen IC-valinta: Kaikki tärkeimmät osanumerot vertailussa

Keskittimen mikropiiri määrittää USB-nopeuden, porttien määrän, latauskapasiteetin ja 60 % kokonaiskustannuksesta. Väärän mikropiirin valitseminen sitoo sinut tuotespesifikaatioihin, joita ei voida muuttaa ilman piirilevyn uudelleenpyöritystä.

Jos porttimäärä on yli 7, kytke kaksi keskittimen integroitua piiriä peräkkäin – yksi syöttää toista ylävirtaan. Näin kaikki 10-, 12- ja 16-porttiset USB-keskittimet on rakennettu. Kaksi peräkkäin kytkettyä VL817-piiriä muodostaa 8-porttisen USB 3.0 -keskittimen; kaksi USB2517-piiriä peräkkäin 14-porttisen USB 2.0 -keskittimen.

Jos tuotteessa on DisplayPort Alt Modea tukevat USB-C-downstream-portit, yhdistä keskittimen IC USB-C-ohjaimeen (TI TUSB544 retimer, VIA VL103), joka käsittelee CC-nastojen neuvottelun ja alt-tilan kaistanvaihdon. Yhden sirun keskitin + CC-ratkaisuja on tulossa, mutta niiden porttimäärä ja joustavuus ovat edelleen rajalliset.

BGA-keskitinpiirit, kuten TUSB8044, vaativat BGA-piirilevyn kokoonpanon röntgentarkastuksella – varmista tämä ominaisuus ennen BGA-koteloidun keskitinpiirin valitsemista.

2. Virta-arkkitehtuuri: Väylältä virtansa saava vs. omasta virtansa saava vs. USB-C PD -tulo

Virtalähteen arkkitehtuuri on USB-keskittimien palautusten ykköslähde. Väylästä virtansa saava keskitin, jossa on neljä porttia, mutta joka ei pysty syöttämään ulkoista kiintolevyä, saa yhden tähden arvostelun. Selvitä virtalähdebudjetti ennen suunnittelua.

Väylästä virtansa saava. Kaikki virta ylävirran isännältä: enintään 500 mA (USB 2.0) tai enintään 900 mA (USB 3.x). Keskittimen mikropiirin kulutuksen (~120 mA) jälkeen jokainen 4-porttisen keskittimen portti saa noin 100–200 mA. Riittää hiirille, näppäimistöille ja muistitikuille. Ei riitä kannettaville kiintolevyille, LED-valoilla varustetuille web-kameroille tai millekään lataukselle.

Omavirtalähde. Ulkoinen sovitin (5 V / 2.5–5 A:n tynnyriliitin tai 12 V sisäänrakennetulla buck-muuntimella). Jokainen portti tuottaa täyden spesifikaation mukaisen virran: 500 mA (USB 2.0), 900 mA (USB 3.x) tai 1.5–2.4 A BC1.2 / Apple DCP / Qualcomm QC -tunnistuksella. Vaadittu porttikohtainen virtakytkinpiiri: TI TPS2042 (kaksi, 500 mA), TI TPS2052B (kaksi, 800 mA), Diodes Inc AP2176 (yksi, säädettävä).

USB-C PD -tulo. Yhä useammin premium-tuotteiden standardi. USB-C PD -ohjain (TI TPS65987, Cypress CYPD3177) neuvottelee 9 V, 15 V tai 20 V laturista, minkä jälkeen buck-muunnin pienentää jännitteen 5 V:iin alavirran VBUS-väylää varten. Tämä mahdollistaa sekä keskitintoiminnon että PD-läpilatauksen kannettavaan tietokoneeseen – tuotteesta tulee yksikaapelinen telakointiasema.

VBUS-väylän kuparimitoitus: 1 unssin kuparilla on käytettävä 30 milin johtimen leveyttä ampeeria kohden (10 °C:n nousu). 7-porttinen keskitin, jonka portti on 900 mA = yhteensä 6.3 A, vaatii 190 milin (4.8 mm) johtimen tai käytännöllisemmin erillisen VBUS-virtalähteen sisäkerroksessa. Latauskeskittimille, joiden portti on 2.4 A × 7 (16.8 A), vakioratkaisuna on paksu kuparinen piirilevy, jossa on 2 unssin sisäkerrokset .

3. Piirilevyjen pinoaminen, impedanssin säätö ja differentiaaliparin reititys

USB 2.0 -differentiaaliparit (D+/D−) vaativat 90 Ω ±10 %. USB 3.x SuperSpeed ​​-parit (TX/RX) vaativat 90 Ω ±5 %. Nämä impedanssitavoitteet yhdessä porttimäärän kanssa määrittävät vähimmäiskerrosmäärän:

Pituuden sovitus: ≤5 mil parin sisäinen USB 3.x:lle, ≤50 mil USB 2.0:lle. Pidä SuperSpeed-parit sisäkerroksissa kahden maadoitustason (liuskajohdon) välissä suojauksen vuoksi. Reititä USB 2.0 -parit ulkokerroksiin – vähemmän kriittinen nopeudella 480 Mbps. Älä koskaan reititä USB-pareja maadoitustason jaon yli – paluuvirran häiriö aiheuttaa välittömän EMI-vian.

4-kerroksisissa USB-keskittimissä – suurimmassa volyymikokoonpanossa – 4-kerroksisten piirilevyjemme valmistuksessa käytetään standardipinoamista, jotka on optimoitu 90 Ω:n differentiaaliresistanssille 4 milin prepreg-levyllä. USB-C-telakointiasemissa, jotka vaativat 6–8 kerrosta HDI-ulostulolla, HDI-piirilevyominaisuutemme tukee 0.1 mm:n laserporattuja reikiä.

4. ESD-suojaus, EMC-vaatimustenmukaisuus ja liittimien valinta

Jokainen ulkoinen USB-liitin tarvitsee ESD-diodit 1.5 mm:n etäisyydellä liittimen nastoista – poikkeuksetta. Ensimmäinen suojaamaton ESD-tapahtuma tuhoaa keskittimen mikropiirin.

USB 2.0 D+/D−: TVS-ryhmä, kapasitanssi ≤3 pF. TI TPD4S012, NXP IP4220CZ6, Nexperia PESD5V0U4BF.

USB 3.x TX/RX: Erittäin matalan kapasitanssin TVS, ≤0.3 pF. TI TPD4S214, Diodes Inc DT1452-02. Suuremman kapasitanssin omaavat ESD-diodit heikentävät 5 Gbps:n silmädiagrammeja USB-IF-yhteensopivuusrajojen alapuolelle.

VBUS: Kaksisuuntainen TVS, jonka nimellisjännite on 5.5 V (tai korkeampi PD:lle). Bourns CDSOT23-SM712.

EMC-yhteensopivuuden varmistamiseksi (FCC-luokka B kuluttajakäyttöön, CE EN 55032): jokaisen USB-parin yhteismuotoiset kuristimet vähentävät säteilypäästöjä. Murata DLP21SN (USB 2.0), DLW32SH (USB 3.0). Sijoita ESD-diodien jälkeen, ennen keskittimen integroitua piiriä. Monet USB 2.0 -keskitinmallit eivät läpäise FCC-testejä ilman CMC-moduuleja – lisää ne alusta alkaen eikä jälkisertifioinnin korjauksena.

Liitintyypit sovelluksen mukaan: USB Type-A on standardi kuluttajakeskittimien alavirran porteille. USB Type-C:tä käytetään yhä enemmän ylävirran porteissa (isännöintiin) ja joskus alavirran porteissa (premium-telakointiasemissa). USB Type-B on harvinainen, mutta sitä käytetään joissakin teollisuuslaitteissa. Micro-USB-alavirran liitäntä on perinteinen liitäntä – sitä ei suositella uusissa malleissa. Liittimien mekaanisen luotettavuuden varmistamiseksi tuotteissa, jotka altistuvat usein toistuville kytkentä- ja irrotussykleille, kannattaa harkita läpirei'itettyjä kiinnityskielekkeitä pelkkien SMT-liittimien sijaan. Katso valintaohjeet piirilevyliitinoppaastamme .

5. Tuotekokoonpanot: 4-portti - 16-portti, kuluttajasta teollisuuteen

Jatkuviin lämpötiloihin (−40 °C - +85 °C): käytä teollisuusluokan komponentteja ja korkean Tg-arvon omaavaa piirilevylaminaattia (Tg ≥ 170 °C). Autoteollisuuteen: TI TUSB8044-Q1 on ainoa merkittävä AEC-Q100-hyväksytty USB 3.x -keskittimen mikropiiri.

USB-C-telakointiasemissa, jotka yhdistävät keskittimen, videon ja latauksen: piirilevyllä on 4–6 erilaista ohjain-IC:tä (keskitin, USB-C CC, DisplayPort-uudelleenajastin, Ethernet PHY, PD-ohjain, äänikoodekki). Tämä on monimutkaisin USB-tuotekategoria – asettelu vaatii huolellisen erottelun suurnopeuksisille digitaalisille, analogisille ääni- ja suurvirtaosille piirilevyllä.

6. USB-keskittimen piirilevyn valmistus ja kokoonpano

Kolme valmistusvaatimusta koskee erityisesti USB-keskittimen piirilevyjä, ja ne on tarkistettava valmistuskumppanin kanssa ennen tilaamista:

Impedanssin varmennus. Jokaisen tuotantoerän on sisällettävä TDR-kuponkitestaus, jolla vahvistetaan 90 Ω ±5 % (USB 3.x) tai ±10 % (USB 2.0) differentiaalipareilla. FR-4:n dielektrinen vakio vaihtelee ±5–10 % materiaalierien välillä – ilman kupongin varmennusta impedanssin ryömintä jää huomaamatta, kunnes toiminnalliset testivirheet kasaantuvat. Impedanssisäädellyn piirilevyn valmistus Highleapissa sisältää TDR-testauksen jokaiselle säädetyn impedanssin tilaukselle.

Sekateknologiakokoonpano. USB-keskitinlevyt yhdistävät SMT-komponentteja (keskittimen IC, ESD-diodit, virtakytkimet, irtikytkentä) läpivientikomponentteihin (USB Type A -liittimet, tynnyriliittimet). Kokoonpanojärjestys: Ensin SMT-juotos, sitten selektiivinen aaltojuotos läpivientiä varten. Tämän järjestyksen kääntäminen aiheuttaa juotosvirheitä SMT-puolella. Avaimet käteen -kokoonpano valtuutetulta jakelijalta toimitettavien komponenttien avulla poistaa väärennettyjen keskittimien IC-komponenttien riskin, joka vaivaa harmaita markkinoita.

Toiminnallinen testi. Jokainen koottu keskitin on testattava: USB-luettelointi jokaisessa portissa, tiedonsiirto nimellisnopeudella, porttikohtainen virransyöttö ja ylivirtasuojauksen laukaisupiste. Ilman toiminnallista testiä toimitetussa USB-keskittimessä on 3–8 %:n piilevien kokoonpanovirheiden määrä – kylmäjuotosliitokset, rajaimpedanssi, puuttuvat komponentit. Näiden virheenkorjaus kentällä maksaa 10–20 × tehdastestauksen kustannukset.

Highleap Electronics valmistaa USB-keskittimen piirilevyjä viiden yksikön prototyypeistä yli 100 5 kappaleen tuotantoon. Lähetä USB-keskittimen piirilevysuunnitelmasi tarjouksen saamiseksi – liitä mukaan Gerber-tiedostot, osaluettelo, volyymi ja sertifioinnin laajuus.

Aiheeseen liittyvää: USB-keskittimen piirilevyn valmistajan arviointi · USB-C-liittimen piirilevyn integrointi · USB-porttilaajennustuotteet · USB-muuntimen suunnittelu · USB-laajennusjärjestelmät