王東　郭陽(yáng)

摘 要：集線(xiàn)器是USB系統(tǒng)金字塔型拓?fù)浣Y(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(diǎn)，然后詳細(xì)論述基于USB5534B的四個(gè)端口USB3.0HUB設(shè)計(jì)，最后探討USB3.0端口ESD保護(hù)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的可行性以及未來(lái)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：USB3.0 集線(xiàn)器 USB5534B ESD保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN403 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（a）-0004-02

USB全稱(chēng)是通用串行總線(xiàn)（Universal SerialBus），是由英特爾、IBM等多家IT巨頭聯(lián)合提出的接口標(biāo)準(zhǔn)，由于其具有支持熱插拔，即插即用，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，迅速在PC、消費(fèi)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(wèn)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(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)下以GB為數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸需求，因此USB3.0應(yīng)運(yùn)而生。

HUB（集線(xiàn)器）是USB系統(tǒng)金字塔型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不可或缺的組成部分，作為一類(lèi)特殊的USB設(shè)備，它建立了主機(jī)與USB設(shè)備之間的橋梁。HUB實(shí)現(xiàn)USB接口擴(kuò)展功能的同時(shí)，也負(fù)責(zé)電源管理，總線(xiàn)監(jiān)測(cè)，設(shè)備檢測(cè)和管理等功能，為用戶(hù)提供高效和友好的使用體驗(yàn)。

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(biāo)準(zhǔn)，SuperSpeedUSB理論最高速率達(dá)5.0Gbps，USB3.0數(shù)字設(shè)計(jì)采用雙總線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，USB3.0將接口巧妙的設(shè)計(jì)為上下兩層觸點(diǎn)相交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。下層4個(gè)觸點(diǎn)中的D+和D-兩個(gè)觸點(diǎn)為USB2.0數(shù)據(jù)收發(fā)差分觸點(diǎn)，用來(lái)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，兩側(cè)的GND和VBUS為電源觸點(diǎn)；上層新增加的5個(gè)觸點(diǎn)，USB3_TX是超高速數(shù)據(jù)發(fā)送差分觸點(diǎn)，USB3_RX是超高速數(shù)據(jù)接收差分觸點(diǎn)，中間GND觸點(diǎn)是為連接額外的信號(hào)接地線(xiàn)。

相比USB2.0的半雙工二線(xiàn)制總線(xiàn)，USB3.0采用對(duì)偶單純形四線(xiàn)制差分信號(hào)線(xiàn)，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(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)，還可為外設(shè)提供高達(dá)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中也脫穎而出，請(qǐng)參見(jiàn)表1。USB3.0的創(chuàng)新和優(yōu)勢(shì)必將使其獲得迅速推廣，廣泛認(rèn)可。

USB3.0HUB設(shè)計(jì)與USB2.0及以下標(biāo)準(zhǔn)的HUB設(shè)計(jì)是相獨(dú)立，兩者互不干擾；USB3.0使用一組獨(dú)立的總線(xiàn)連接至USB3.0控制中心，而USB2.0及以下標(biāo)準(zhǔn)的控制中心則單獨(dú)設(shè)計(jì)。這種USB3.0HUB的設(shè)計(jì)方式可避免USB3.0設(shè)備在進(jìn)行超高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的干擾，也能對(duì)USB2.0及以下的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)良好的兼容。

2 USB3.0HUB電路設(shè)計(jì)

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(diǎn)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(guò)SPIROM、OTPROM或SMBus進(jìn)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(jì)

USBHUB供電方案分為總線(xiàn)供電和自供電兩種。采用總線(xiàn)供電HUB可為所有下行USB設(shè)備提供總計(jì)小于900 mA電力支持，對(duì)下行設(shè)備有嚴(yán)格功耗限制，但其具有簡(jiǎn)單、便攜等優(yōu)勢(shì)；而自供電HUB則可滿(mǎn)足每個(gè)下行USB設(shè)備高達(dá)900 mA電力需求，但是自供電HUB設(shè)計(jì)較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)兼顧總線(xiàn)供電和自供電方案，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要自由選擇供電方案。

根據(jù)參數(shù)手冊(cè)，USB5534B在同時(shí)掛載四個(gè)超高速USB設(shè)備時(shí)最大功耗，此時(shí)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(jì)選用TI公司TPS70302PWP低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，其雙路輸出電壓可編程，對(duì)應(yīng)最大輸出電流為1 A和2 A，輸出電壓由公式1計(jì)算得出：

，其中=1.224 V （1）

當(dāng)=3.3V時(shí)，=51.1KΩ，=30.1 kΩ。

當(dāng)=1.25V時(shí)，=0.64KΩ，=30.1 kΩ。

HUB電源設(shè)計(jì)如圖2所示，HUB可使用上行總線(xiàn)供電工作，也可使用外置+5 V電源供電。當(dāng)HUB使用自供電時(shí)，Q1A可自動(dòng)切斷上行USB總線(xiàn)供電，降低主機(jī)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(duì)HUB電路進(jìn)行過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。

2.2 HUB過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)

考慮到USB設(shè)備的安全，USB3.0規(guī)范在11.4.1.1.1條對(duì)HUB過(guò)流保護(hù)提出明確要求。當(dāng)所有下行端口總電流超過(guò)5.0 A預(yù)定值時(shí)，過(guò)電流保護(hù)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(shí)延的瞬態(tài)電流（例如開(kāi)機(jī)，動(dòng)態(tài)連接或重新配置時(shí)），并可以受到過(guò)電流保護(hù)。

本設(shè)計(jì)選用Diodes公司AP2176S雙通道過(guò)流保護(hù)芯片，可為兩個(gè)下行端口提供獨(dú)立的過(guò)流保護(hù)，其動(dòng)作電流1 A，關(guān)斷延時(shí)0.1 ms，符合UL60950-1標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)漏輸出FLAGx引腳分別連接至USB5534B供電使能輸出PWRx引腳和過(guò)流監(jiān)測(cè)輸入OCSx引腳，電流輸出OUTx則連接至USB連接器V+引腳。當(dāng)任意端口電流大于1 A時(shí)，F(xiàn)LAGx輸出低電平至OCSx，經(jīng)可編程的微秒級(jí)延時(shí)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(jì)

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(jì)的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路。選用復(fù)位閾值電壓為3.08 V的MAX809T專(zhuān)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(hào)。

用戶(hù)可通過(guò)內(nèi)部寄存器、SPIFLASH或SMBus三種方式配置USB5534B芯片。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，如USB5534B檢測(cè)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(rèn)配置，此時(shí)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(guò)程中被報(bào)告。對(duì)于絕大部分應(yīng)用默認(rèn)配置即可滿(mǎn)足，本設(shè)計(jì)為后續(xù)可能的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用預(yù)留SPI配置，用戶(hù)可通過(guò)SPIFLASH配置各端口的功耗管理、復(fù)合設(shè)備、過(guò)流保護(hù)延時(shí)等參數(shù)。

3 USB3.0端口ESD保護(hù)

根據(jù)USB3.0規(guī)范6.10.1條，所有信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中靜電放電電壓甚至高達(dá)8 kV，靜電放電經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致潛在損害或?yàn)?zāi)難性故障，額外的ESD保護(hù)成為USB端口生存的必要條件。在業(yè)界獲得廣泛認(rèn)可的國(guó)際電工委員會(huì)在IEC61000-4-2條款定義了，在不同的環(huán)境和安裝條件中ESD測(cè)試水平，并建立了相應(yīng)的測(cè)試程序。按照IEC61000-4-2條款第4級(jí)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(hù)效果很不理想，USB2.0的ESD保護(hù)方案也不再適用。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)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(lái)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(hù)，使所有USB3.0數(shù)據(jù)線(xiàn)處于防護(hù)之下。SP3012二極管對(duì)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(hào)線(xiàn)串聯(lián)100nF電容可消除低頻干擾，USB外殼經(jīng)過(guò)阻容泄放接地，改善系統(tǒng)的EMI特性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于USB5534B的USB3.0 HUB嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)USB規(guī)范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark軟件測(cè)試USBHUB的傳輸速度，其讀取數(shù)據(jù)可達(dá)到960 Mbit/s，寫(xiě)入速度可達(dá)到872 Mbit/s。由于軟硬件、線(xiàn)纜等因素影響，雖然實(shí)測(cè)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(diǎn)，且為后續(xù)開(kāi)發(fā)預(yù)留充分，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子消費(fèi)品和工業(yè)等領(lǐng)域。伴隨USB3.0主機(jī)和設(shè)備的迅速普及，該產(chǎn)品將有很好的市場(chǎng)潛力。

參考文獻(xiàn)

[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(jì)

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(jì)的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路。選用復(fù)位閾值電壓為3.08 V的MAX809T專(zhuān)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(hào)。

用戶(hù)可通過(guò)內(nèi)部寄存器、SPIFLASH或SMBus三種方式配置USB5534B芯片。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，如USB5534B檢測(cè)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(rèn)配置，此時(shí)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(guò)程中被報(bào)告。對(duì)于絕大部分應(yīng)用默認(rèn)配置即可滿(mǎn)足，本設(shè)計(jì)為后續(xù)可能的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用預(yù)留SPI配置，用戶(hù)可通過(guò)SPIFLASH配置各端口的功耗管理、復(fù)合設(shè)備、過(guò)流保護(hù)延時(shí)等參數(shù)。

3 USB3.0端口ESD保護(hù)

根據(jù)USB3.0規(guī)范6.10.1條，所有信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中靜電放電電壓甚至高達(dá)8 kV，靜電放電經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致潛在損害或?yàn)?zāi)難性故障，額外的ESD保護(hù)成為USB端口生存的必要條件。在業(yè)界獲得廣泛認(rèn)可的國(guó)際電工委員會(huì)在IEC61000-4-2條款定義了，在不同的環(huán)境和安裝條件中ESD測(cè)試水平，并建立了相應(yīng)的測(cè)試程序。按照IEC61000-4-2條款第4級(jí)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(hù)效果很不理想，USB2.0的ESD保護(hù)方案也不再適用。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)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(lái)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(hù)，使所有USB3.0數(shù)據(jù)線(xiàn)處于防護(hù)之下。SP3012二極管對(duì)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(hào)線(xiàn)串聯(lián)100nF電容可消除低頻干擾，USB外殼經(jīng)過(guò)阻容泄放接地，改善系統(tǒng)的EMI特性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于USB5534B的USB3.0 HUB嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)USB規(guī)范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark軟件測(cè)試USBHUB的傳輸速度，其讀取數(shù)據(jù)可達(dá)到960 Mbit/s，寫(xiě)入速度可達(dá)到872 Mbit/s。由于軟硬件、線(xiàn)纜等因素影響，雖然實(shí)測(cè)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(diǎn)，且為后續(xù)開(kāi)發(fā)預(yù)留充分，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子消費(fèi)品和工業(yè)等領(lǐng)域。伴隨USB3.0主機(jī)和設(shè)備的迅速普及，該產(chǎn)品將有很好的市場(chǎng)潛力。

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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.

2.3 外圍配置電路設(shè)計(jì)

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(jì)的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路。選用復(fù)位閾值電壓為3.08 V的MAX809T專(zhuān)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(hào)。

用戶(hù)可通過(guò)內(nèi)部寄存器、SPIFLASH或SMBus三種方式配置USB5534B芯片。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，如USB5534B檢測(cè)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(rèn)配置，此時(shí)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(guò)程中被報(bào)告。對(duì)于絕大部分應(yīng)用默認(rèn)配置即可滿(mǎn)足，本設(shè)計(jì)為后續(xù)可能的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用預(yù)留SPI配置，用戶(hù)可通過(guò)SPIFLASH配置各端口的功耗管理、復(fù)合設(shè)備、過(guò)流保護(hù)延時(shí)等參數(shù)。

3 USB3.0端口ESD保護(hù)

根據(jù)USB3.0規(guī)范6.10.1條，所有信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中靜電放電電壓甚至高達(dá)8 kV，靜電放電經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致潛在損害或?yàn)?zāi)難性故障，額外的ESD保護(hù)成為USB端口生存的必要條件。在業(yè)界獲得廣泛認(rèn)可的國(guó)際電工委員會(huì)在IEC61000-4-2條款定義了，在不同的環(huán)境和安裝條件中ESD測(cè)試水平，并建立了相應(yīng)的測(cè)試程序。按照IEC61000-4-2條款第4級(jí)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(hù)效果很不理想，USB2.0的ESD保護(hù)方案也不再適用。本設(shè)計(jì)選用美國(guó)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(lái)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(hù)，使所有USB3.0數(shù)據(jù)線(xiàn)處于防護(hù)之下。SP3012二極管對(duì)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(hào)線(xiàn)串聯(lián)100nF電容可消除低頻干擾，USB外殼經(jīng)過(guò)阻容泄放接地，改善系統(tǒng)的EMI特性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于USB5534B的USB3.0 HUB嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)USB規(guī)范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark軟件測(cè)試USBHUB的傳輸速度，其讀取數(shù)據(jù)可達(dá)到960 Mbit/s，寫(xiě)入速度可達(dá)到872 Mbit/s。由于軟硬件、線(xiàn)纜等因素影響，雖然實(shí)測(cè)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(diǎn)，且為后續(xù)開(kāi)發(fā)預(yù)留充分，可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子消費(fèi)品和工業(yè)等領(lǐng)域。伴隨USB3.0主機(jī)和設(shè)備的迅速普及，該產(chǎn)品將有很好的市場(chǎng)潛力。

參考文獻(xiàn)

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