USB-porttilaajentimen piirilevy: Asettelu, valmistus, kokoonpano

USB-porttilaajennin muuttaa yhden USB-portin moneksi. Mutta "USB-porttilaajennin" kuvaa ainakin neljää täysin eri tuotekategoriaa – pöytätietokoneisiin virtansa saavat keskittimet, matkakäyttöön tarkoitetut moniporttisovittimet, kannettaviin tietokoneisiin ja näyttöihin sisäänrakennetut OEM-keskittimet sekä teollisuuskäyttöön tarkoitetut räkkiin asennettavat porttitoistimet. Jokaisella on erilaiset tuotetiedot, koko, virtalähde, sertifioinnin laajuus ja valmistusmäärä. Tämä opas erittelee ne kaikki teknisten tietojen, hinnoittelun ja kunkin taustalla olevien piirilevypäätösten avulla.

Sisällysluettelo

1. Neljä tuotekategoriaa yhden nimen alla
2. Pöytätietokoneille tarkoitetut keskittimet ja latausasemat
3. Matkakeskittimet, USB-C-moniporttisovittimet ja telakointiasemat
4. Upotetut USB-porttilaajennukset OEM-tuotteille
5. Teollisuusporttitoistimet ja räkkiin asennettavat USB-keskittimet
6. USB-porttilaajentimen tuominen markkinoille Highleapin avulla

1. Neljä tuotekategoriaa yhden nimen alla

Näillä neljällä kategorialla on sama ydinteknologia – piirilevyllä oleva USB-keskittimen mikropiiri – mutta ne eroavat toisistaan ​​​​kaikilta muilta osin: kotelointi, tehosuunnittelu, liitintyyppi, lämpötilaluokitus, sertifioinnin laajuus ja valmistusmäärä. Menestyvä tuote vastaa spesifikaatioitaan tarkasti kategoriaansa sen sijaan, että yrittäisi olla kaikki kaikessa.

2. Pöytätietokoneille tarkoitetut keskittimet ja latausasemat

Kuluttajille suunnattujen USB-tuotteiden äänenvoimakkuuden sweet spot. Asiakas haluaa lisää USB-portteja työpöydälleen irrottamatta olemassa olevia laitteita. Tuotearvostelujen taustalla olevat syyt: luotettava luettelo (jokainen portti toimii joka kerta) ja riittävä latausvirta (puhelimet todella latautuvat, eivätkä vain valu).

4-porttinen USB 3.0 -virtalähde. Vakiokokoinen pöytäkonetuote. VL817-keskittimen mikropiiri, 4 USB-A-liitintä alavirtaan, 12 V/2.5 A:n sovitin, porttikohtainen 900 mA ja BC1.2-latauksen tunnistus 1–2 portissa. Alumiinikotelo lämmön haihduttamiseksi ja ensiluokkaisen tuntuman takaamiseksi. Porttikohtaiset LED-merkkivalot ja erilliset virtakytkimet ovat ominaisuuksia, jotka erottavat premium-merkit (Anker, Sabrent, UGREEN) Amazonin tuntemattomista tuotteista. Piirilevy: 4-kerroksinen, 60 × 40 mm. Osahinta 10 000 kappaleen erässä: 5–8 dollaria.

7- ja 10-porttiset keskittimet. Työasemiin, videonmuokkaukseen ja äänituotantoon. Sisäinen arkkitehtuuri: kaksi kaskadissa olevaa 4-porttista keskitinpiiriä, jotka jakavat yhden ylävirran – tämä on kustannustehokkaampaa kuin yhden 7-porttisen mikropiirin käyttö useimmissa malleissa. Aina omalla virtalähteellä. Tuotehinta 10 000 dollarin tilaushinnalla: 8–15 dollaria.

Latausasema + keskitin -yhdistelmä. Erilliset dataportit (USB-A) ja pelkän latauksen portit (USB-C tai USB-A DCP/QC/PD-liitännällä). Latausportit eivät kulje keskittimen mikropiirin läpi – ne kytketään suoraan virtalähteeseen latausprotokollan ohjainpiirin kautta. Piirilevy vaatii vahvan kuparisen VBUS-reitityksen 10–15 A:n kokonaisvirroille. Vahva kuparinen piirilevy, jossa on 2 unssin sisäkerrokset, on vakiona tässä tuotetyypissä.

USB-C-upstream-keskittimet. Uusi standardi: USB-C-kaapeli kannettavaan tietokoneeseen, USB-A-portit vanhoille oheislaitteille, valinnainen PD-läpivienti kannettavan lataamiseen keskittimen kautta. Korjaa USB-A:n pois jättäneiden kannettavien aiheuttaman "dongle-ongelman". USB-C-integrointi upstream-porttiin lisää CC-pinnien hallinnan, PD-ohjaimen ja HDI-tuulettimen piirilevysuunnitteluun.

3. Matkakeskittimet, USB-C-moniporttisovittimet ja telakointiasemat

Matkasegmentissä priorisoidaan kompaktiutta, keveyttä ja väylästä saatavaa virtalähdettä (ei kannettavaa adapteria).

Kompakti 4-porttinen USB-A-keskitin. Perustason tuote. Väylästä virtansa saava, 50 × 30 mm:n pysyvästi kiinnitetty USB-kaapeli. 100–125 mA porttia kohden keskittimen yläpuolella olevan kaapeloinnin jälkeen. Sopii hiirille, näppäimistöille ja muistitikuille – ei ulkoisille asemille tai lataukseen. Vähittäishinta 8–20 dollaria. Piirilevy: 2-kerroksinen, osahinta 1.50–2.50 dollaria.

USB-C 5-in-1 / 7-in-1 -moniporttisovitin. Nopeimmin kasvava matkatuote. Yksi kannettavaan tietokoneeseen liitettävä USB-C-kaapeli tarjoaa: USB-A-portit, HDMI 4K -lähdön, SD-kortinlukijan, joskus Ethernetin ja USB-C PD -läpiviennin. Saa virransyötön USB-C-isännästä. Piirilevy: 4–6-kerroksinen HDI-piirilevy USB-C-tuuletusaukkoa varten, noin 70 × 30 mm. Valmistushinta: 8–25 dollaria. Vähittäishinta: 25–80 dollaria.

USB-C-telakointiasema. Suurempi kuin matkasovitin – puoliksi pysyvä pöytälisävaruste. Yksi USB-C-kaapeli korvaa kaikki kannettavan tietokoneen liitännät: USB, kaksi HDMI/DP-näyttöä, gigabitin Ethernet, ääni, 60–100 W:n lataus. Monisirupiirilevy (keskitin + CC + PD + video + Ethernet + ääni). 6–8-kerroksinen HDI, noin 100 × 60 mm. Tuotehinta: 25–60 dollaria. Vähittäishinta: 80–250 dollaria. Tämä on premium-segmentti, johon investoidaan eniten tuotekehitykseen.

Puhelimen OTG-keskittimet. USB OTG (On-The-Go) -keskittimet toimivat puhelimelle isäntäsovittimena, jonka avulla oheislaitteet voidaan liittää puhelimeen tai tablettiin. Kompakti, väylästä virtansa saava, tyypillisesti USB-C- tai Micro-USB-liitäntä ylävirtaan ja 2–3 USB-A-liitäntää alavirtaan. Piirilevy: 2–4 kerrosta, 30 × 15 mm. Vähittäishinta: 10–30 dollaria.

4. Upotetut USB-porttilaajennukset OEM-tuotteille

Upotetut USB-porttilaajennukset eivät ole vähittäismyyntituotteita – ne ovat piirilevyjä, jotka on integroitu kannettaviin tietokoneisiin, näyttöihin, all-in-one-tietokoneisiin, kioskeihin, ajoneuvoihin ja teollisuuslaitteisiin. Tässä on suurin kokonaisvolyymi: käytännössä jokaisessa myydyssä kannettavassa tietokoneessa on ainakin yksi upotettu USB-keskitinpiiri, joka laajentaa piirisarjan rajalliset USB-portit näppäimistöön, kosketuslevyyn, web-kameraan, sormenjälkitunnistimeen, Bluetooth-radioon ja ulkoisiin liittimiin.

Kannettavien tietokoneiden sisäiset keskittimet: Keskittimen mikropiiri sijaitsee kannettavan emolevyllä, ei erillisellä piirilevyllä. Laitevalmistaja (OEM) määrittelee keskittimen mikropiirin (yleensä Microchip USB2422 2-porttiselle tai VL817 4-porttiselle USB 3.0:lle) osana emolevyn suunnittelua. Valmistusmäärä: miljoonia yksiköitä kannettavan tietokoneen mallisukupolvea kohden.

Näytön integroidut keskittimet: 2–4 USB-porttia näytön takana tai sivussa. Keskittimen piirilevy on integroitu näytön sisäiseen elektroniikkaan. Ylävirta kytketään käyttäjän tietokoneeseen näytön USB-ylävirtaportin kautta. Volyymi: kymmeniä miljoonia vuodessa maailmanlaajuisilla näyttömarkkinoilla.

Kioski- ja kassapäätekeskittimet: Kioskin sisällä 2–4 USB-porttia viivakoodinlukijalle, kuittitulostimelle, kortinlukijalle ja asiakasnäytölle. Teollisuuslaatu, laajennettu lämpötila. Piirilevy: 4-kerroksinen, noin 50 × 30 mm. Sulautettujen keskittimien OEM-piirilevyjen valmistus on yksi suurimmista kategorioista kaikissa USB-painotteisiin piirilevyjen kokoonpanolaitoksissa.

Ajoneuvojen tietoviihdekeskukset: AEC-Q100-hyväksytyt komponentit (TI TUSB8044-Q1), jatkuva lämpötila (−40 - +85 °C), tärinää kestävä kokoonpano ja autojen EMC-yhteensopivuus (CISPR 25). Piirilevyjen valmistus edellyttää autojen piirilevyjen valmistusprosesseja ja PPAP-dokumentaatiota.

5. Teollisuuskäyttöön tarkoitetut porttitoistimet ja räkkiin asennettavat USB-keskittimet

Teollisuuden USB-porttilaajentimet palvelevat tehdasautomaatiota, digitaalisia näyttöjä, laitehallintatiloja, vähittäiskauppaketjuja ja sotilas-/valtionhallinnon sovelluksia. Tärkeimmät erottavat tekijät kuluttajatuotteista:

DIN-kiskoasennus. Vakiomallinen 35 mm:n DIN-kisko ohjauskaappiasennusta varten. Kotelo on metallia (jauhemaalattua alumiinia tai ruostumatonta terästä), ei muovia. Piirilevyn mitat vastaavat kotelon jalanjälkeä, tyypillisesti 120 × 70 mm 4-porttiselle ja 200 × 120 mm 16-porttiselle.

Laaja-alueinen tasavirtatulo. Teollisuustuotteet hyväksyvät 9–48 V:n tasavirransyötön (ei kiinteää 5 V:n sovitinta). Sisäänrakennettu laaja-alainen buck-muunnin pudottaa jännitteen 5 V:iin USB VBUS -väylää varten. Tulosignaalin suojaus: käänteinen napaisuus, ylijännitesuojaus ja EMI-suodatus. Piirilevyn on oltava riittävän lähellä buck-muuntimen induktoria, MOSFET-transistoreita ja tulo-/lähtökondensaattoreita nimellisjännitteelle riittävällä etäisyydellä.

Porttikohtainen ohjaus ja valvonta. Teollisuuskeskittimet tarjoavat usein ohjelmistolla ohjattavan porttikohtaisen virran päälle/pois kytkemisen (USB HID -raporttien tai SNMP:n kautta verkkoon kytketyissä malleissa), porttikohtaisen virranvalvonnan ja porttikohtaisen LED-tilan. Tämä vaatii keskittimen mikropiirin lisäksi mikrokontrollerin (STM32, PIC tai vastaava) piirilevyllä – lukee virrantunnistus-ADC-kanavia ja kommunikoi isännän kanssa ohjauspäätepisteen kautta.

Laajennettu lämpötila ja sähkömagneettinen yhteensopivuus. −40 - +85 °C korkean Tg-arvon omaavalla piirilevylaminaatilla . EN 61000-6-2 (teollisuushäiriöiden sieto), EN 61000-6-4 (teollisuuspäästöt). Ylijännitesuojaus jokaisessa ulkoisessa portissa IEC 61000-4-5 -standardin mukaisesti.

16- ja 32-porttiset laitefarmit. Käytetään älypuhelin-/tablettilaitefarmeihin (sovellustestaus, laiteohjelmiston flashaus, MDM-hallinta), kryptovaluuttalaitteistolompakoihin ja sulautettujen järjestelmien eräajo-ohjelmointiin. Kaskaditettu keskitintopologia porttikohtaisella virransyötön kytkennällä ja valvonnalla. Piirilevy: 8-kerroksinen, yli 200 mm pitkä, raskas kuparinen VBUS. Valmistushinta: 35–100 dollaria+ porttimäärästä ja ominaisuuksista riippuen.

6. USB-porttilaajentimen tuominen markkinoille Highleapin avulla

Highleap Electronics valmistaa USB-porttilaajennuspiirilevyjä vähittäiskauppiaille, laitevalmistajille, järjestelmäintegraattoreille ja omien merkkien myyjille. Palvelumme kattaa koko kehitysprosessin tuotantoon:

Referenssisuunnitelmat. Asiakkaille, joilla ei ole olemassa olevia suunnitelmia, tarjoamme toimivia referenssisuunnitelmia yleisiin kokoonpanoihin: 4-porttinen USB 3.0 -pöytäkonekeskitin, USB-C 7-in-1 -matkasovitin, sulautettu 2-porttinen kannettavan tietokoneen keskitin, teollisuuskäyttöön tarkoitettu 8-porttinen DIN-kiskoyksikkö. Referenssisuunnitelman käyttö lyhentää kehitysaikaa kuukausista viikkoihin.

Piirilevyjen valmistus. 2–12-kerroksinen monikerrosrakenne. Kontrolloitu impedanssi (90 Ω ±5 %), joka on varmistettu TDR-kupongeilla. Impedanssikontrolloitu valmistus USB-differentiaalipareille. HDI-ominaisuus tiheille USB-C-asennuksille. Paksu kupari latausasemien virransyöttötasoille.

Kokoonpano. Täysi SMT + selektiivinen aaltojuotos. Valtuutettu jälleenmyyjä komponenttien hankinnassa. AOI + röntgen BGA-keskittimen integroiduille piireille. 100 %:n toiminnallinen testaus jokaiselle kootulle piirilevylle: USB-luettelointi, porttikohtainen läpimenoaika, porttikohtainen virransyöttö, OCP:n laukaisupiste.

Laatikkokokoonpano. Vähittäismyyntivalmiille tuotteille: laatikkokokoonpano — piirilevy, kotelo, kaapelit, lisävarusteet, pakkaus, painetut materiaalit. Toimitetaan valmiina tuotteena, joka on valmis vähittäismyyntiin tai jakeluun. Saatavilla omien merkkien pakkauksia, monikielisiä käyttöohjeita ja maakohtaisia ​​virtalähteitä.

Lähetä USB-porttilaajentimesi tuotetiedot valmistustarjousta varten – sisällytä mukaan tuotekategoria, porttimäärä, USB-versio, tehontarve, tavoitetilavuus ja sertifioinnin laajuus.

Aiheeseen liittyvää: USB-keskittimen piirilevyn suunnittelu · USB-keskittimen piirilevyn valmistajan valinta · USB-muunnintuotteet · USB-laajennusjärjestelmät · USB-C-liittimen integrointi

4. USB-C-moniporttiset telakat: Konvergenssituote

Nopeimmin kasvava USB-muuntimien kategoria yhdistää useita siltoja yhdeksi tuotteeksi – USB-C-telakointiasemaksi. Yksi kannettavan tietokoneen kaapeli tarjoaa: USB-datan (keskitin), videon (HDMI/DP), verkon (Ethernet), äänen, kortinlukijan ja virran (PD-läpivienti). Tyypillinen IC-pino:

Piirilevy: 6–8-kerroksinen HDI, noin 100 × 60 mm. Osanumero: 25–60 dollaria. Vähittäismyyntihinta: 80–250 dollaria. Tämä on monimutkaisin kuluttajille suunnattu USB-tuote – asettelu vaatii huolellisen eristämisen suurnopeuksisille digitaalisille, analogisille ääni- ja suurvirtaosille. HDI-piirilevyjen valmistus sokkorei'illä/haudatuilla reikillä on standardi tässä tuotekategoriassa.

5. Piirilevyjen suunnittelusäännöt, jotka koskevat kaikkia USB-muuntimia

Muuntimen tyypistä riippumatta jokaisella USB-muuntimen piirilevyllä on seuraavat vaatimukset USB-puolella:

USB-differentiaaliparin impedanssi: 90 Ω ±10 % (USB 2.0) tai ±5 % (USB 3.x). Käytä impedanssisäädeltyä piirilevyvalmistusta TDR-verifioiduilla kuorilla.

ESD-suojaus: TVS-diodiryhmät jokaisessa ulkoisessa USB-liittimessä 1.5 mm:n etäisyydellä liitinsiteistä. Ei poikkeuksia – ensimmäinen suojaamaton ESD-tapahtuma tuhoaa sillan mikropiirin.

Irtikytkentä: 100 nF X7R -keraami 2 mm:n sisällä jokaisesta siltapiirin tehonastasta. 10 µF:n kapasiteetti jokaisella pääkiskolla. Yli 1 GHz:n sisäisesti toimivissa siltapiireissä tarvitaan lisäksi 1–10 nF:n kondensaattoreita keski- ja korkeille taajuuksille.

Kiteen/oskillaattorin sijoittelu: Useimmat USB-siltapiirit vaativat 12 MHz:n kiteen (±50 ppm) ja 18 pF:n kuormakondensaattorit. Aseta kide 5 mm:n säteelle mikropiiristä lyhyillä, symmetrisillä johtimilla. Reititä maadoitettu kupari kiteen alle kohinan vähentämiseksi.

Lähtöliitännän yhteensopivuus: Ethernet vaatii IEEE 802.3 -magneettiset ominaisuudet; HDMI vaatii TMDS-impedanssin säädön; CAN vaatii ISO 11898 -lähetin-vastaanottimen yhteensopivuuden. Jokainen lähtö lisää omat piirilevyrajoitteensa – USB-puoli on vain puolet suunnittelusta.

Lämpöhallinta: Yli 1 W:n tehoa kuluttavat siltapiirit (Ethernet, video, ääni kuulokevahvistimella) tarvitsevat piirin alla lämpöläpiviennit, jotka on kytketty sisäisiin maatasoihin. Ilman niitä piiri toimii nimellisliitoslämpötilansa yläpuolella ja joko rajoittaa suorituskykyä tai vikaantuu ennenaikaisesti.

6. USB-muuntimien piirilevyjen valmistus Highleapissa

Highleap valmistaa USB-muuntimien piirilevyjä kaikissa kategorioissa – 0.50 dollarin hintaisista BOM USB-UART-kaapeleista yli 50 dollarin BOM USB-C -telakointiasemiin.

Määräjoustavuus: 50 yksikön prototyyppien valmistus erikoisteollisuuden muuntimille aina yli 100 000 yksikön prototyyppien valmistukseen kuluttajatuotteille. Samat tuotantoprosessit ja laatuprosessit kaikilla tasoilla.

Sekateknologiakokoonpano: SMT (silta-IC, ESD, irtikytkentä) + läpivientireikä (USB-liittimet, RJ-45, DB9, riviliittimet, holkkiliittimet). Ensin SMT-juotos, sitten selektiivinen aaltojuotos TH-liittimille. Avaimet käteen -periaatteella tapahtuva piirilevykokoonpano hoitaa kaikkien komponenttien hankinnan valtuutettujen kanavien kautta.

Toiminnallinen testi: Tuotekohtainen räätälöity testilaitteisto: USB-luettelointi, muunnetun liitännän läpäisykyky (UART-baudin tarkkuus, Ethernet-pakettihäviö, videolähdön validointi), teollisuusmuuntimien eristystesti.

Pyydä tarjous USB-muuntimen piirilevystä — sisällytä pyyntöön muuntimen tyyppi, äänenvoimakkuus ja mahdolliset sertifiointivaatimukset.

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