基于USB5534B的四個端口USB3.0HUB設(shè)計

王東　郭陽

摘 要：集線器是USB系統(tǒng)金字塔型拓撲結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分。本文首先介紹USB3.0及HUB的特點，然后詳細論述基于USB5534B的四個端口USB3.0HUB設(shè)計，最后探討USB3.0端口ESD保護設(shè)計，驗證結(jié)果表明該設(shè)計的可行性以及未來應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：USB3.0 集線器 USB5534B ESD保護

中圖分類號：TN403 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0004-02

USB全稱是通用串行總線（Universal SerialBus），是由英特爾、IBM等多家IT巨頭聯(lián)合提出的接口標準，由于其具有支持熱插拔，即插即用，成本低廉等優(yōu)點，迅速在PC、消費電子產(chǎn)品、工業(yè)及軍事等諸多領(lǐng)域得到普及。

從1994年USB規(guī)范0.7版本問世，到2000年USB2.0版本推出，USB傳輸速率從1.5 Mb/s躍升到480 Mb/s。雖然短短幾年內(nèi)USB傳輸速率得到320倍的提升，但仍無法滿足當下以GB為數(shù)量級的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此USB3.0應(yīng)運而生。

HUB（集線器）是USB系統(tǒng)金字塔型拓撲結(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分，作為一類特殊的USB設(shè)備，它建立了主機與USB設(shè)備之間的橋梁。HUB實現(xiàn)USB接口擴展功能的同時，也負責(zé)電源管理，總線監(jiān)測，設(shè)備檢測和管理等功能，為用戶提供高效和友好的使用體驗。

1 USB3.0及HUB介紹

英特爾、HP、NXP等業(yè)界領(lǐng)先公司于2008年底正式發(fā)布USB3.0標準，SuperSpeedUSB理論最高速率達5.0Gbps，USB3.0數(shù)字設(shè)計采用雙總線結(jié)構(gòu)，向下兼容USB2.0以及更低版本。

在接口結(jié)構(gòu)方面，為兼容USB2.0及以下接口標準，USB3.0將接口巧妙的設(shè)計為上下兩層觸點相交錯的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。下層4個觸點中的D+和D-兩個觸點為USB2.0數(shù)據(jù)收發(fā)差分觸點，用來進行高速數(shù)據(jù)傳輸，兩側(cè)的GND和VBUS為電源觸點；上層新增加的5個觸點，USB3_TX是超高速數(shù)據(jù)發(fā)送差分觸點，USB3_RX是超高速數(shù)據(jù)接收差分觸點，中間GND觸點是為連接額外的信號接地線。

相比USB2.0的半雙工二線制總線，USB3.0采用對偶單純形四線制差分信號線，可支持雙向并發(fā)全雙工數(shù)據(jù)傳輸，這就是USB3.0傳輸速率猛增的關(guān)鍵原因。此外，USB3.0采取了新的電源管理機制，支持待機、休眠和暫停等狀態(tài)，還可為外設(shè)提供高達900 mA的電力支持。USB3.0性能不僅比USB2.0有大幅提高，在主要競爭對手中也脫穎而出，請參見表1。USB3.0的創(chuàng)新和優(yōu)勢必將使其獲得迅速推廣，廣泛認可。

USB3.0HUB設(shè)計與USB2.0及以下標準的HUB設(shè)計是相獨立，兩者互不干擾；USB3.0使用一組獨立的總線連接至USB3.0控制中心，而USB2.0及以下標準的控制中心則單獨設(shè)計。這種USB3.0HUB的設(shè)計方式可避免USB3.0設(shè)備在進行超高速數(shù)據(jù)傳輸時的干擾，也能對USB2.0及以下的標準實現(xiàn)良好的兼容。

2 USB3.0HUB電路設(shè)計

USB5534B是MICROCHIP公司推出的四下行端口超高速USBHUB控制器，其符合USB3.0規(guī)范要求，它的主要特點如下。

（1）所有下行端口均支持5 Gbps超高速（SS），480 Mbps高速（HS），12 Mbps全速（FS）和1.5 Mbps低速（LS）的USB傳輸速度。

（2）支持大多數(shù)電池供電設(shè)備的充電，符合USB-IF電池充電V1.2規(guī)范要求。

（3）具備優(yōu)化的低功耗、低發(fā)熱的芯片控制和管理。

（4）可以通過SPIROM、OTPROM或SMBus進行芯片配置。

（5）支持JTAG邊界掃描。

（6）支持Windows7，Vista，XP和Linux等操作系統(tǒng)。

2.1 HUB電源設(shè)計

USBHUB供電方案分為總線供電和自供電兩種。采用總線供電HUB可為所有下行USB設(shè)備提供總計小于900 mA電力支持，對下行設(shè)備有嚴格功耗限制，但其具有簡單、便攜等優(yōu)勢；而自供電HUB則可滿足每個下行USB設(shè)備高達900 mA電力需求，但是自供電HUB設(shè)計較復(fù)雜。本設(shè)計兼顧總線供電和自供電方案，用戶可根據(jù)實際需要自由選擇供電方案。

根據(jù)參數(shù)手冊，USB5534B在同時掛載四個超高速USB設(shè)備時最大功耗，此時需要3.3 V和1.25 V電源電流分別為60 mA和1177 mA。本設(shè)計選用TI公司TPS70302PWP低壓差線性穩(wěn)壓器，其雙路輸出電壓可編程，對應(yīng)最大輸出電流為1 A和2 A，輸出電壓由公式1計算得出：

，其中=1.224 V （1）

當=3.3V時，=51.1KΩ，=30.1 kΩ。

當=1.25V時，=0.64KΩ，=30.1 kΩ。

HUB電源設(shè)計如圖2所示，HUB可使用上行總線供電工作，也可使用外置+5 V電源供電。當HUB使用自供電時，Q1A可自動切斷上行USB總線供電，降低主機功耗，防止電流倒灌，確保USB設(shè)備得到穩(wěn)定充足供電。D2對HUB電路進行過壓和過流保護。

2.2 HUB過流保護設(shè)計

考慮到USB設(shè)備的安全，USB3.0規(guī)范在11.4.1.1.1條對HUB過流保護提出明確要求。當所有下行端口總電流超過5.0 A預(yù)定值時，過電流保護電路應(yīng)該消除或減少相應(yīng)下行端口的功耗。預(yù)定值必須大于所允許的最大端口電流或時延的瞬態(tài)電流（例如開機，動態(tài)連接或重新配置時），并可以受到過電流保護。

本設(shè)計選用Diodes公司AP2176S雙通道過流保護芯片，可為兩個下行端口提供獨立的過流保護，其動作電流1 A，關(guān)斷延時0.1 ms，符合UL60950-1標準中必須限制短路電流在5 s內(nèi)小于8 A的要求。AP2176S的使能輸入ENx引腳和故障開漏輸出FLAGx引腳分別連接至USB5534B供電使能輸出PWRx引腳和過流監(jiān)測輸入OCSx引腳，電流輸出OUTx則連接至USB連接器V+引腳。當任意端口電流大于1 A時，F(xiàn)LAGx輸出低電平至OCSx，經(jīng)可編程的微秒級延時PWRx輸出低電平至ENx，相應(yīng)端口的電流被關(guān)斷。

2.3 外圍配置電路設(shè)計

穩(wěn)定性的振蕩源和可靠性的復(fù)位電路是硬件電路設(shè)計的重點。本設(shè)計中采用漂移低的24 MHz有源晶振，配合π型電源濾波網(wǎng)絡(luò)作為USB5534B時鐘電路。選用復(fù)位閾值電壓為3.08 V的MAX809T專用電壓監(jiān)控電路，為USB5534B提供可靠且抗干擾的低電平復(fù)位信號。

用戶可通過內(nèi)部寄存器、SPIFLASH或SMBus三種方式配置USB5534B芯片。當系統(tǒng)上電時，如USB5534B檢測不到有效的外置SPIFLASH或SMBus使能，則使用芯片內(nèi)部寄存器默認配置，此時MICROCHIP公司預(yù)設(shè)于內(nèi)部ROM中的VID、PID、DID等描述字在枚舉過程中被報告。對于絕大部分應(yīng)用默認配置即可滿足，本設(shè)計為后續(xù)可能的專業(yè)應(yīng)用預(yù)留SPI配置，用戶可通過SPIFLASH配置各端口的功耗管理、復(fù)合設(shè)備、過流保護延時等參數(shù)。

3 USB3.0端口ESD保護

根據(jù)USB3.0規(guī)范6.10.1條，所有信號和電源引腳必須能承受2 kV人體放電模型和500 V充電設(shè)備模型而不損壞。但實際應(yīng)用中靜電放電電壓甚至高達8 kV，靜電放電經(jīng)常會導(dǎo)致潛在損害或災(zāi)難性故障，額外的ESD保護成為USB端口生存的必要條件。在業(yè)界獲得廣泛認可的國際電工委員會在IEC61000-4-2條款定義了，在不同的環(huán)境和安裝條件中ESD測試水平，并建立了相應(yīng)的測試程序。按照IEC61000-4-2條款第4級的要求，超高速USB3.0端口一定要能夠承受至少8kV的接觸放電。

USB3.0傳輸速度的上升和通道電容的下降，使得分離器件保護效果很不理想，USB2.0的ESD保護方案也不再適用。本設(shè)計選用美國力特公司SP3012-06UTGTVS陣列，其內(nèi)部二極管能吸收瞬態(tài)電流，瀉放電流，利用雪崩二極管來鉗制電壓電平。SP3012能夠在μDFN14的小體積封裝內(nèi)提供6路±12 kVESD保護，使所有USB3.0數(shù)據(jù)線處于防護之下。SP3012二極管對地電容典型值為0.5pF，低于USB3.0要求1pF極限值，最大限度的保持了USB3.0數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)發(fā)送信號線串聯(lián)100nF電容可消除低頻干擾，USB外殼經(jīng)過阻容泄放接地，改善系統(tǒng)的EMI特性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于USB5534B的USB3.0 HUB嚴格實現(xiàn)USB規(guī)范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark軟件測試USBHUB的傳輸速度，其讀取數(shù)據(jù)可達到960 Mbit/s，寫入速度可達到872 Mbit/s。由于軟硬件、線纜等因素影響，雖然實測傳輸速度較USB3.0理論最大值5 Gbit/s有一定的差距，但應(yīng)是USB2.0傳輸速度6倍以上。

該USB3.0HUB具有體積小巧，安全可靠，成本低廉等優(yōu)點，且為后續(xù)開發(fā)預(yù)留充分，可應(yīng)用于計算機、電子消費品和工業(yè)等領(lǐng)域。伴隨USB3.0主機和設(shè)備的迅速普及，該產(chǎn)品將有很好的市場潛力。

參考文獻

[1] UniversalSerialBus3.0Specification Revision1.0[Z].

[2] USB5534B4-PortSS/HSUSBHUBCon trollerDataSheetREVA[Z].

[3] DUAL-OUTPUTLOWDROPOUTVOL TAGEREGULATORSWITHINTEG RATEDSVSFORSPLITVOLT AGESYSTEMSRevisionH[Z].

[4] 王宗超，倪凱，等.新一代高速串行接口USB3.0介紹[J].技術(shù)論壇，2010（2）：32-34.

2.3 外圍配置電路設(shè)計

穩(wěn)定性的振蕩源和可靠性的復(fù)位電路是硬件電路設(shè)計的重點。本設(shè)計中采用漂移低的24 MHz有源晶振，配合π型電源濾波網(wǎng)絡(luò)作為USB5534B時鐘電路。選用復(fù)位閾值電壓為3.08 V的MAX809T專用電壓監(jiān)控電路，為USB5534B提供可靠且抗干擾的低電平復(fù)位信號。

用戶可通過內(nèi)部寄存器、SPIFLASH或SMBus三種方式配置USB5534B芯片。當系統(tǒng)上電時，如USB5534B檢測不到有效的外置SPIFLASH或SMBus使能，則使用芯片內(nèi)部寄存器默認配置，此時MICROCHIP公司預(yù)設(shè)于內(nèi)部ROM中的VID、PID、DID等描述字在枚舉過程中被報告。對于絕大部分應(yīng)用默認配置即可滿足，本設(shè)計為后續(xù)可能的專業(yè)應(yīng)用預(yù)留SPI配置，用戶可通過SPIFLASH配置各端口的功耗管理、復(fù)合設(shè)備、過流保護延時等參數(shù)。

3 USB3.0端口ESD保護

根據(jù)USB3.0規(guī)范6.10.1條，所有信號和電源引腳必須能承受2 kV人體放電模型和500 V充電設(shè)備模型而不損壞。但實際應(yīng)用中靜電放電電壓甚至高達8 kV，靜電放電經(jīng)常會導(dǎo)致潛在損害或災(zāi)難性故障，額外的ESD保護成為USB端口生存的必要條件。在業(yè)界獲得廣泛認可的國際電工委員會在IEC61000-4-2條款定義了，在不同的環(huán)境和安裝條件中ESD測試水平，并建立了相應(yīng)的測試程序。按照IEC61000-4-2條款第4級的要求，超高速USB3.0端口一定要能夠承受至少8kV的接觸放電。

USB3.0傳輸速度的上升和通道電容的下降，使得分離器件保護效果很不理想，USB2.0的ESD保護方案也不再適用。本設(shè)計選用美國力特公司SP3012-06UTGTVS陣列，其內(nèi)部二極管能吸收瞬態(tài)電流，瀉放電流，利用雪崩二極管來鉗制電壓電平。SP3012能夠在μDFN14的小體積封裝內(nèi)提供6路±12 kVESD保護，使所有USB3.0數(shù)據(jù)線處于防護之下。SP3012二極管對地電容典型值為0.5pF，低于USB3.0要求1pF極限值，最大限度的保持了USB3.0數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)發(fā)送信號線串聯(lián)100nF電容可消除低頻干擾，USB外殼經(jīng)過阻容泄放接地，改善系統(tǒng)的EMI特性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于USB5534B的USB3.0 HUB嚴格實現(xiàn)USB規(guī)范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark軟件測試USBHUB的傳輸速度，其讀取數(shù)據(jù)可達到960 Mbit/s，寫入速度可達到872 Mbit/s。由于軟硬件、線纜等因素影響，雖然實測傳輸速度較USB3.0理論最大值5 Gbit/s有一定的差距，但應(yīng)是USB2.0傳輸速度6倍以上。

該USB3.0HUB具有體積小巧，安全可靠，成本低廉等優(yōu)點，且為后續(xù)開發(fā)預(yù)留充分，可應(yīng)用于計算機、電子消費品和工業(yè)等領(lǐng)域。伴隨USB3.0主機和設(shè)備的迅速普及，該產(chǎn)品將有很好的市場潛力。

參考文獻

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2.3 外圍配置電路設(shè)計

穩(wěn)定性的振蕩源和可靠性的復(fù)位電路是硬件電路設(shè)計的重點。本設(shè)計中采用漂移低的24 MHz有源晶振，配合π型電源濾波網(wǎng)絡(luò)作為USB5534B時鐘電路。選用復(fù)位閾值電壓為3.08 V的MAX809T專用電壓監(jiān)控電路，為USB5534B提供可靠且抗干擾的低電平復(fù)位信號。

用戶可通過內(nèi)部寄存器、SPIFLASH或SMBus三種方式配置USB5534B芯片。當系統(tǒng)上電時，如USB5534B檢測不到有效的外置SPIFLASH或SMBus使能，則使用芯片內(nèi)部寄存器默認配置，此時MICROCHIP公司預(yù)設(shè)于內(nèi)部ROM中的VID、PID、DID等描述字在枚舉過程中被報告。對于絕大部分應(yīng)用默認配置即可滿足，本設(shè)計為后續(xù)可能的專業(yè)應(yīng)用預(yù)留SPI配置，用戶可通過SPIFLASH配置各端口的功耗管理、復(fù)合設(shè)備、過流保護延時等參數(shù)。

3 USB3.0端口ESD保護

根據(jù)USB3.0規(guī)范6.10.1條，所有信號和電源引腳必須能承受2 kV人體放電模型和500 V充電設(shè)備模型而不損壞。但實際應(yīng)用中靜電放電電壓甚至高達8 kV，靜電放電經(jīng)常會導(dǎo)致潛在損害或災(zāi)難性故障，額外的ESD保護成為USB端口生存的必要條件。在業(yè)界獲得廣泛認可的國際電工委員會在IEC61000-4-2條款定義了，在不同的環(huán)境和安裝條件中ESD測試水平，并建立了相應(yīng)的測試程序。按照IEC61000-4-2條款第4級的要求，超高速USB3.0端口一定要能夠承受至少8kV的接觸放電。

USB3.0傳輸速度的上升和通道電容的下降，使得分離器件保護效果很不理想，USB2.0的ESD保護方案也不再適用。本設(shè)計選用美國力特公司SP3012-06UTGTVS陣列，其內(nèi)部二極管能吸收瞬態(tài)電流，瀉放電流，利用雪崩二極管來鉗制電壓電平。SP3012能夠在μDFN14的小體積封裝內(nèi)提供6路±12 kVESD保護，使所有USB3.0數(shù)據(jù)線處于防護之下。SP3012二極管對地電容典型值為0.5pF，低于USB3.0要求1pF極限值，最大限度的保持了USB3.0數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)發(fā)送信號線串聯(lián)100nF電容可消除低頻干擾，USB外殼經(jīng)過阻容泄放接地，改善系統(tǒng)的EMI特性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于USB5534B的USB3.0 HUB嚴格實現(xiàn)USB規(guī)范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark軟件測試USBHUB的傳輸速度，其讀取數(shù)據(jù)可達到960 Mbit/s，寫入速度可達到872 Mbit/s。由于軟硬件、線纜等因素影響，雖然實測傳輸速度較USB3.0理論最大值5 Gbit/s有一定的差距，但應(yīng)是USB2.0傳輸速度6倍以上。

該USB3.0HUB具有體積小巧，安全可靠，成本低廉等優(yōu)點，且為后續(xù)開發(fā)預(yù)留充分，可應(yīng)用于計算機、電子消費品和工業(yè)等領(lǐng)域。伴隨USB3.0主機和設(shè)備的迅速普及，該產(chǎn)品將有很好的市場潛力。

參考文獻

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[4] 王宗超，倪凱，等.新一代高速串行接口USB3.0介紹[J].技術(shù)論壇，2010（2）：32-34.