Изготовление печатных плат современных USB-концентраторов и сборка "под ключ".

Каждый USB-концентратор — от портативного адаптера за 10 долларов до промышленного 16-портового стоечного блока за 500 долларов — работает на одной печатной плате, которая объединяет микросхему контроллера концентратора, переключение питания для каждого порта, защиту от электростатического разряда и дифференциальную трассировку с управлением импедансом. Выбор микросхемы концентратора, заданная структура выводов и разработанная архитектура питания определяют, пройдет ли продукт сертификацию USB-IF с первого раза или потерпит неудачу в производстве. Это руководство предоставит вам конкретные номера компонентов, правила построения выводов, диапазоны цен и ограничения компоновки, чтобы все сделать правильно.

Содержание

1. Выбор микросхемы контроллера концентратора: сравнение всех основных артикулов.
2. Архитектура питания: питание от шины, автономное питание и вход USB-C PD.
3. Структура печатной платы, контроль импеданса и трассировка дифференциальных пар.
4. Защита от электростатического разряда, соответствие требованиям электромагнитной совместимости и выбор разъемов.
5. Конфигурации продукции: от 4 до 16 портов, от бытовых до промышленных.
6. Изготовление и сборка печатных плат для USB-концентраторов.

1. Выбор микросхемы контроллера концентратора: сравнение всех основных артикулов.

Микросхема концентратора определяет скорость USB, количество портов, возможности зарядки и составляет 60% от общей стоимости комплектующих. Выбор неправильной микросхемы привязывает вас к спецификации продукта, которую нельзя изменить без переделки платы.

Для количества портов более 7, два микросхемы концентратора подключаются каскадно — одна подается на вход второго. Так устроены все 10-, 12- и 16-портовые USB-концентраторы. Два микросхемы VL817, подключенные каскадно, образуют 8-портовый USB 3.0-концентратор; два микросхемы USB2517, подключенные каскадно, образуют 14-портовый USB 2.0-концентратор.

Для устройств с нисходящими портами USB-C, поддерживающими режим DisplayPort Alt Mode, следует использовать микросхему концентратора в паре с контроллером USB-C (TI TUSB544 retimer, VIA VL103), который обрабатывает согласование контактов CC и переключение линий в режиме Alt Mode. Появляются решения на базе одного чипа, объединяющие концентратор и контроллер CC, но они по-прежнему ограничены по количеству портов и гибкости.

Для сборки микросхем BGA-концентратора, таких как TUSB8044, требуется сборка печатной платы в корпусе BGA с рентгеновским контролем — убедитесь в наличии такой возможности, прежде чем выбирать микросхему BGA-концентратора.

2. Архитектура питания: питание от шины, автономное питание или вход USB-C PD.

Основная причина возврата USB-концентраторов — это особенности его питания. Концентратор с питанием от шины, который обещает 4 порта, но не может обеспечить питание внешнего жесткого диска, получает оценку в 1 звезду. Правильно рассчитайте энергопотребление до начала проектирования.

Питание от шины. Весь ток поступает от вышестоящего хоста: максимум 500 мА (USB 2.0) или 900 мА (USB 3.x). После потребления микросхемой концентратора (~120 мА) каждый порт 4-портового концентратора получает примерно 100–200 мА. Этого достаточно для мышей, клавиатур, флеш-накопителей. Недостаточно для портативных жестких дисков, веб-камер со светодиодами или любой зарядки.

Автономное питание. Внешний адаптер (5 В / 2.5–5 А, или 12 В с встроенным понижающим преобразователем). Каждый порт обеспечивает ток, соответствующий заявленным характеристикам: 500 мА (USB 2.0), 900 мА (USB 3.x) или 1.5–2.4 А с BC1.2 / Apple DCP / обнаружением Qualcomm QC. Требуется микросхема управления питанием для каждого порта: TI TPS2042 (двойная, 500 мА), TI TPS2052B (двойная, 800 мА), Diodes Inc AP2176 (одиночная, регулируемая).

Вход USB-C PD. Всё чаще становится стандартом для продуктов премиум-класса. Контроллер USB-C PD (TI TPS65987, Cypress CYPD3177) согласовывает напряжение 9 В, 15 В или 20 В с зарядного устройства, затем понижающий преобразователь понижает его до 5 В для последующего подключения к VBUS. Это позволяет использовать как функцию концентратора, так и сквозную зарядку PD для ноутбука — устройство превращается в док-станцию ​​с одним кабелем.

Расчет сечения медных проводников для VBUS: при толщине меди 1 унция (28 унции) следует учитывать ширину дорожек 30 мил на ампер (при повышении температуры на 10 °C). Для 7-портового концентратора с током 900 мА на порт = 6.3 А (всего) требуется дорожка 190 мил (4.8 мм) или, что более практично, выделенная плоскость питания VBUS на внутреннем слое. Для зарядных концентраторов с током 2.4 А × 7 портов (16.8 А) стандартным решением является печатная плата из толстой меди с внутренними слоями толщиной 2 унции (58 унций) .

3. Структура печатной платы, контроль импеданса и трассировка дифференциальных пар.

Для дифференциальных пар USB 2.0 (D+/D−) требуется сопротивление 90 Ом ±10%. Для пар USB 3.x SuperSpeed ​​(TX/RX) требуется сопротивление 90 Ом ±5%. Эти целевые значения импеданса в сочетании с количеством портов определяют минимальное количество слоев:

Согласование длины: ≤5 мил внутри пары для USB 3.x, ≤50 мил для USB 2.0. Для экранирования размещайте пары SuperSpeed ​​на внутренних слоях между двумя заземляющими плоскостями (полосковая линия). Пары USB 2.0 прокладывайте на внешних слоях — это менее критично при скорости 480 Мбит/с. Никогда не прокладывайте пары USB через разветвление заземляющей плоскости — нарушение обратного тока приводит к немедленному нарушению электромагнитной совместимости.

Для 4-слойных USB-концентраторов — самой массовой конфигурации — наша технология изготовления 4-слойных печатных плат использует стандартные структуры, оптимизированные для дифференциального сопротивления 90 Ом на препреге толщиной 4 мил. Для док-станций USB-C, требующих 6–8 слоев с разветвлением HDI, наша технология изготовления печатных плат HDI поддерживает лазерное сверление переходных отверстий диаметром 0.1 мм.

4. Защита от электростатического разряда, соответствие требованиям электромагнитной совместимости и выбор разъемов.

Для каждого внешнего USB-разъема без исключения необходимы антистатические диоды, расположенные на расстоянии не более 1.5 мм от контактов разъема. Первое же воздействие электростатического разряда без защиты выводит из строя микросхему концентратора.

USB 2.0 D+/D−: массив TVS, емкость ≤3 пФ. TI TPD4S012, NXP IP4220CZ6, Nexperia PESD5V0U4BF.

USB 3.x TX/RX: сверхнизкоемкостные TVS-диоды, ≤0.3 пФ. TI TPD4S214, Diodes Inc DT1452-02. Диоды с большей емкостью, предотвращающие электростатический разряд, ухудшают диаграммы глазков на скорости 5 Гбит/с, снижая их до значений, соответствующих стандарту USB-IF.

VBUS: Двунаправленный TVS-разъем, рассчитанный на 5.5 В (или выше для PD). Используется микросхема Bourns CDSOT23-SM712.

Для соответствия требованиям ЭМС (FCC Class B для потребительских устройств, CE EN 55032): дроссели синфазного режима на каждой паре USB-портов снижают уровень излучаемых помех. Murata DLP21SN (USB 2.0), DLW32SH (USB 3.0). Размещайте после антистатических диодов, перед микросхемой концентратора. Многие конструкции USB 2.0-концентраторов не соответствуют требованиям FCC без использования дросселей синфазного режима — их следует добавлять с самого начала, а не в качестве доработки после сертификации.

Типы разъемов в зависимости от области применения: USB Type-A является стандартом для нисходящих портов на потребительских концентраторах. USB Type-C все чаще используется для восходящего (к хосту) и иногда для нисходящего (на док-станциях премиум-класса) потока. USB Type-B встречается редко, но используется в некотором промышленном оборудовании. Восходящий порт Micro-USB — устаревший, его следует избегать в новых конструкциях. Для обеспечения механической надежности разъемов в изделиях, подверженных частым циклам подключения/отключения, следует рассмотреть возможность использования монтажных выступов для сквозного монтажа, а не чисто SMT-разъемов. Подробную информацию о выборе см. в нашем руководстве по разъемам для печатных плат .

5. Конфигурации продукции: от 4 до 16 портов, от бытовых до промышленных.

Для работы в широком диапазоне температур (от -40 °C до +85 °C): используйте компоненты промышленного класса и печатную плату с высокой температурой стеклования (Tg ≥ 170 °C). Для автомобильной промышленности: TI TUSB8044-Q1 — единственная крупная микросхема USB 3.x-концентратора, соответствующая стандарту AEC-Q100.

Для док-станций USB-C, объединяющих в себе функции концентратора, видеоконтроллера и зарядного устройства: на печатной плате интегрировано 4–6 различных микросхем контроллеров (концентратор, контроллер USB-C, ретаймер DisplayPort, Ethernet PHY, контроллер PD, аудиокодек). Это самая сложная категория USB-устройств — компоновка требует тщательного разделения высокоскоростных цифровых, аналоговых аудио- и сильноточных силовых секций на печатной плате.

6. Изготовление и сборка печатной платы USB-концентратора

Для печатных плат USB-концентраторов существуют три специфических производственных требования, которые необходимо согласовать с партнером по изготовлению перед размещением заказа:

Проверка импеданса. Каждая производственная партия должна включать тестирование образцов методом TDR для подтверждения импеданса 90 Ом ±5% (USB 3.x) или ±10% (USB 2.0) на дифференциальных парах. Диэлектрическая постоянная FR-4 варьируется ±5–10% между партиями материала — без проверки образцов дрейф импеданса остается незамеченным до тех пор, пока не накапливаются сбои при функциональном тестировании. Изготовление печатных плат с контролем импеданса в Highleap включает тестирование методом TDR для каждого заказа с контролируемым импедансом.

Сборка с использованием смешанных технологий. Платы USB-концентраторов сочетают в себе компоненты поверхностного монтажа (микросхемы концентратора, антистатические диоды, силовые переключатели, развязывающие элементы) с компонентами сквозного монтажа (разъемы USB Type-A, цилиндрические разъемы). Последовательность сборки: сначала пайка оплавлением для поверхностного монтажа, затем селективная волновая пайка для сквозного монтажа. Обратное выполнение этой последовательности приводит к дефектам пайки на стороне поверхностного монтажа. Сборка «под ключ» с поставкой компонентов от авторизованных дистрибьюторов исключает риск подделки микросхем концентратора, который является проблемой для цепочек поставок на сером рынке.

Функциональное тестирование. Каждый собранный концентратор должен быть протестирован: идентификация USB-портов на каждом порту, пропускная способность данных на номинальной скорости, подача тока на каждый порт и точка срабатывания защиты от перегрузки по току. USB-концентратор, поставляемый без функционального тестирования, будет иметь 3–8% скрытых дефектов, возникших еще на этапе сборки — некачественная пайка, низкое сопротивление, отсутствующие компоненты. Стоимость устранения этих дефектов в полевых условиях в 10–20 раз превышает стоимость заводского тестирования.

Компания Highleap Electronics производит печатные платы для USB-концентраторов, начиная от прототипов в количестве 5 единиц и заканчивая серийным производством более 100 000 единиц. Отправьте свой проект печатной платы для USB-концентратора, чтобы получить ценовое предложение — укажите файлы Gerber, спецификацию материалов, объем производства и область сертификации.

См. также: Как оценить производителя печатных плат для USB-концентраторов · Интеграция разъема USB-C на печатной плате · Продукты для расширения USB-портов · Разработка USB-конвертеров · Системы расширения USB