Fejlett USB Hub NYÁK-gyártás és kulcsrakész összeszerelés

Minden USB hub – a 10 dolláros utazó dongle-től az 500 dolláros ipari 16 portos rack egységig – egyetlen NYÁK-on fut, amely integrált egy hub vezérlő IC-t, portonkénti tápellátás-kapcsolást, ESD-védelmet és impedanciavezérelt differenciális útvonaltervezést. A kiválasztott hub IC, a megadott rétegezés és a tervezett tápellátási architektúra határozza meg, hogy a termék az első mintán megfelel-e az USB-IF tanúsítványnak, vagy gyártás közben megbukik. Ez az útmutató megadja a pontos cikkszámokat, rétegezési szabályokat, költségtartományokat és elrendezési korlátokat a helyes megoldáshoz.

Tartalomjegyzék

1. Hub Controller IC kiválasztása: Minden nagyobb alkatrészszám összehasonlítása
2. Tápellátási architektúra: Buszról táplált vs. Saját tápellátású vs. USB-C PD bemenet
3. NYÁK-összeállítás, impedanciaszabályozás és differenciálpár-elvezetés
4. ESD-védelem, EMC-megfelelőség és csatlakozóválasztás
5. Termékkonfigurációk: 4-től 16 portig, fogyasztótól ipariig
6. USB hub NYÁK gyártás és összeszerelés

1. Hub Controller IC kiválasztása: Minden nagyobb alkatrészszám összehasonlítása

Az elosztó IC határozza meg az USB sebességét, a portok számát, a töltési képességet és a teljes anyagköltség 60%-át. A rossz IC kiválasztása olyan termékspecifikációhoz köt, amelyet a panel újraforgatása nélkül nem lehet megváltoztatni.

7-nél nagyobb portszám esetén két hub IC-t kell egymás mellé kötni – az egyik upstream módon táplálja a másodikat. Így épül fel az összes 10, 12 és 16 portos USB hub. Két VL817 kaszkádba kötve egy 8 portos USB 3.0 hubot hoz létre; két USB2517 pedig egy 14 portos USB 2.0 hubba köthető.

Az olyan termékek esetében, amelyek USB-C downstream portokkal rendelkeznek, amelyek támogatják a DisplayPort Alt módot, párosítsa a hub IC-t egy USB-C vezérlővel (TI TUSB544 retimer, VIA VL103), amely kezeli a CC lábegyeztetést és az alt módú sávváltást. Az egychipes hub + CC megoldások egyre inkább megjelennek, de a portok száma és rugalmassága továbbra is korlátozott.

A TUSB8044-hez hasonló BGA hub IC-k röntgenvizsgálattal ellátott BGA NYÁK-összeszerelést igényelnek – ellenőrizze ezt a képességet, mielőtt BGA tokozású hub IC-t választana.

2. Tápellátási architektúra: Buszról táplált vs. Saját tápellátású vs. USB-C PD bemenet

Az USB hubok visszatérésének elsődleges forrása a tápellátási architektúra. Egy buszról táplált hub, amely 4 portot ígér, de nem képes külső merevlemezt táplálni, 1 csillagos értékelést kap. A tápellátási költségvetést a tervezés előtt pontosan ismerd meg.

Buszról táplált. A feltöltési pontról érkező összes áram: max. 500 mA (USB 2.0) vagy max. 900 mA (USB 3.x). A hub IC-fogyasztása (~120 mA) után egy 4 portos hub minden portja nagyjából 100–200 mA-t kap. Elegendő egereknek, billentyűzeteknek, pendrive-oknak. Nem elég hordozható merevlemezeknek, LED-es webkameráknak vagy bármilyen töltésnek.

Saját tápellátású. Külső adapter (5 V / 2.5–5 A-es hengeres jack dugasz, vagy 12 V beépített feszültségcsökkentő konverterrel). Minden port a teljes specifikációnak megfelelő áramot szolgáltatja: 500 mA (USB 2.0), 900 mA (USB 3.x), vagy 1.5–2.4 A BC1.2 / Apple DCP / Qualcomm QC érzékeléssel. Portonként szükséges tápkapcsoló IC: TI TPS2042 (kettős, 500 mA), TI TPS2052B (kettős, 800 mA), Diodes Inc AP2176 (egyes, állítható).

USB-C PD bemenet. Egyre inkább a prémium termékek szabványa. Egy USB-C PD vezérlő (TI TPS65987, Cypress CYPD3177) 9 V, 15 V vagy 20 V feszültséget biztosít a töltőtől, majd egy feszültségcsökkentő átalakító 5 V-ra csökkenti a feszültséget a downstream VBUS számára. Ez lehetővé teszi mind a hub funkciót, mind a PD áteresztő töltést egy laptophoz – a termék egyetlen kábeles dokkolóállomássá válik.

VBUS rézméretezése: 1 g-os réz esetén amperenként 30 mil vezetékszélességet kell biztosítani (10 °C-os emelkedés). Egy 7 portos elosztó 900 mA-es portonként = összesen 6.3 A – 190 mil (4.8 mm) vezetéket igényel, vagy praktikusabban egy dedikált VBUS tápsíkot egy belső rétegen. 2.4 A × 7 portos töltőelosztókhoz (16.8 A) a standard megoldás a 2 g-os belső rétegekkel ellátott, vastag réz NYÁK.

3. NYÁK-összeállítás, impedanciaszabályozás és differenciálpár-elvezetés

Az USB 2.0 differenciálpárok (D+/D−) 90 Ω ±10%-os ellenállást igényelnek. Az USB 3.x SuperSpeed ​​párok (TX/RX) 90 Ω ±5%-os ellenállást igényelnek. Ezek az impedanciacélok a portok számával kombinálva határozzák meg a minimális rétegszámot:

Hosszillesztés: ≤5 mil páron belüli USB 3.x esetén, ≤50 mil USB 2.0 esetén. Az árnyékolás érdekében a SuperSpeed ​​párokat a belső rétegeken, két földelő sík (szalagvezeték) között kell vezetni. Az USB 2.0 párokat a külső rétegeken kell vezetni – 480 Mbps sebességnél kevésbé kritikus. Soha ne vezessen USB párokat elosztott földelő síkon – a visszatérő áram megszakadása azonnali EMI hibát okoz.

A legnagyobb volumenű konfigurációt képviselő 4 rétegű USB elosztókhoz (hubok) szabványos rétegrendeket (stack-eket) használunk, amelyeket 90 Ω-os differenciálre optimalizáltunk 4 mil vastagságú prepregen. A 6-8 réteget és HDI kivezetést igénylő USB-C dokkolóállomásokhoz HDI NYÁK-kapacitásunk 0.1 mm-es lézerrel fúrt furatokat támogat.

4. ESD-védelem, EMC-megfelelőség és csatlakozóválasztás

Minden külső USB-csatlakozóhoz ESD-diódákra van szükség a csatlakozótüskéktől számított 1.5 mm-en belül – kivétel nélkül. Az első védelem nélküli ESD-esemény tönkreteszi a hub integrált áramkörét.

USB 2.0 D+/D−: TVS tömb, kapacitás ≤3 pF. TI TPD4S012, NXP IP4220CZ6, Nexperia PESD5V0U4BF.

USB 3.x TX/RX: Ultra-alacsony kondenzátorú TVS, ≤0.3 pF. TI TPD4S214, Diodes Inc DT1452-02. A nagyobb kapacitású ESD diódák az USB-IF megfelelőségi határértékek alá rontják az 5 Gbps-os szemdiagramokat.

VBUS: Kétirányú TVS, névleges feszültség 5.5 V (vagy magasabb PD esetén). Bourns CDSOT23-SM712.

Az EMC-megfelelőség érdekében (FCC B osztályú fogyasztó, CE EN 55032): az egyes USB-párokon található közös módusú fojtótekercsek csökkentik a sugárzott kibocsátást. Murata DLP21SN (USB 2.0), DLW32SH (USB 3.0). Az ESD-diódák után, a hub IC elé helyezendő. Sok USB 2.0 hub dizájn CMC-k nélkül nem felel meg az FCC előírásainak – ezeket érdemes a legelejétől beépíteni, ahelyett, hogy utólagos javításként tennénk.

Csatlakozótípusok alkalmazás szerint: Az USB Type-A szabványos csatlakozó a fogyasztói elosztók letöltési portjaihoz. Az USB Type-C egyre inkább használatos feltöltési (host) és néha letöltési (prémium dokkolókon) portokhoz. Az USB Type-B ritka, de néhány ipari berendezésben használják. A Micro USB feltöltési csatlakozó régi – az új konstrukciókban kerülendő. A gyakori csatlakoztatási/leválasztási ciklusoknak kitett termékeknél a csatlakozók mechanikai megbízhatósága érdekében a tiszta SMT csatlakozók helyett érdemes átmenő furatú rögzítőfüleket választani. A kiválasztási részletekért lásd a NYÁK-csatlakozók útmutatónkat .

5. Termékkonfigurációk: 4-től 16-portig, fogyasztótól ipariig

Hosszan tartó hőmérséklet esetén (−40 °C és +85 °C között): ipari minőségű alkatrészeket és magas Tg-értékű NYÁK-laminátot (Tg ≥ 170 °C) használjon. Autóiparban: a TI TUSB8044-Q1 az egyetlen jelentős AEC-Q100 minősítésű USB 3.x hub IC.

Az elosztót, videót és töltést kombináló USB-C dokkolóállomások esetében a NYÁK 4-6 különböző vezérlő IC-t integrál (elosztó, USB-C CC, DisplayPort újratimer, Ethernet PHY, PD vezérlő, audio kodek). Ez a legösszetettebb USB termékkategória – az elrendezés megköveteli a nagysebességű digitális, analóg audio és nagyáramú tápegységek gondos elválasztását a NYÁK-on.

6. USB elosztó NYÁK gyártása és összeszerelése

Három gyártási követelmény vonatkozik az USB hub NYÁK-okra, amelyeket megrendelés előtt ellenőrizni kell a gyártópartnerrel:

Impedancia-ellenőrzés. Minden gyártási tételnél TDR-tesztet kell végezni a differenciálpárokon a 90 Ω ±5% (USB 3.x) vagy ±10% (USB 2.0) ellenállás megerősítésére. Az FR-4 dielektromos állandója az anyagtételek között ±5–10%-kal változik – tesztellenőrzés nélkül az impedancia-eltolódás észrevétlen marad, amíg a funkcionális teszthibák fel nem halmozódnak. A Highleap impedanciavezérelt NYÁK-gyártása minden szabályozott impedanciájú megrendelésnél TDR-tesztet is magában foglal.

Vegyes technológiájú összeszerelés. Az USB hub kártyák SMT alkatrészeket (hub IC, ESD diódák, teljesítménykapcsolók, leválasztás) kombinálnak átmenő furatú alkatrészekkel (USB Type A csatlakozók, hengeres jack aljzatok). Összeszerelési sorrend: Először SMT újraömlesztés, majd szelektív hullámforrasztás az átmenő furathoz. A sorrend megfordítása forrasztási hibákat okoz az SMT oldalon. A kulcsrakész összeszerelés hivatalos forgalmazói alkatrész-beszerzéssel kiküszöböli a hamisított hub IC kockázatát, amely a szürkepiaci ellátási láncokat sújtja.

Funkcionális teszt. Minden összeszerelt elosztót tesztelni kell: USB-felsorolás minden porton, adatátviteli sebesség névleges sebességen, portonkénti áramleadás és túláramvédelem kioldási pontja. Egy funkcionális teszt nélkül szállított USB-elosztó 3–8%-os rejtett hibaaránnyal rendelkezik az összeszerelésből eredően – hidegforrasztási kötések, marginális impedancia, hiányzó alkatrészek. Ezeknek a terepi hibakeresése a gyári teszt költségének 10–20-szorosa.

A Highleap Electronics USB hub NYÁK-okat gyárt 5 darabos prototípusoktól egészen a 100 ezer darabnál is több darab gyártásáig. Küldje el USB hub NYÁK-tervét árajánlatért – Gerber fájlok, darabjegyzék, mennyiség és tanúsítási terjedelem mellékelésével.

Kapcsolódó: Hogyan értékeljünk egy USB hub NYÁK-gyártót · USB-C csatlakozó NYÁK-integráció · USB portbővítő termékek · USB átalakító tervezése · USB bővítőrendszerek