TUSB8043A：高性能四端口USB 3.2 x1 Gen1集线器的深度解析

在当今数字化时代，电子设备对高速数据传输和多设备连接的需求日益增长。TUSB8043A作为一款四端口USB 3.2 x1 Gen1（5Gbps）集线器，凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，成为了电子工程师设计中的热门选择。今天，我们就来深入探讨一下TUSB8043A的各项特性、应用以及设计要点。

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特性剖析

端口与速度支持

TUSB8043A提供了四端口USB 3.2 x1 Gen1（5Gbps）连接，同时具备USB 2.0集线器特性。它在上行端口可实现同步超快速和高速/全速USB连接，下行端口则支持超快速、高速、全速或低速USB连接。不过，当上行端口连接到仅支持高速或全速/低速连接的环境时，下行端口的超快速USB连接会被禁用；若上行端口仅支持全速/低速连接，下行端口的超快速和高速连接都将被禁用。

电池充电支持

这是TUSB8043A的一大亮点。它支持多种电池充电模式，包括电池充电下行端口（CDP）、专用充电端口（DCP）、分频器充电端口（ACPx）模式以及Galaxy充电。在未连接上行端口时，可支持DCP模式，该模式符合中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009。同时，还能在未连接上行端口时实现自动模式，在ACP3、ACP2、ACP1和DCP模式之间自动切换。

电源管理

TUSB8043A支持每端口或成组电源开关以及过流通知输入。可通过端口电源单独控制集线器开关为每个下行端口上电或断电，也能在检测到过流事件时关闭相应端口或所有下行端口的电源。

定制配置

通过OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus从机接口，TUSB8043A可实现定制配置，如VID和PID、端口定制、制造商和产品字符串以及序列号等。此外，还支持读取和写入I2C的供应商请求，并且在100k和400k（默认）条件下支持EEPROM读取，I2C主机支持时钟扩展。

其他特性

它还支持作为一个USB 3.2第1代或者USB 2.0复合设备运行，提供128位通用唯一标识符（UUID），支持通过USB 2.0上行端口进行板载和系统内EEPROM编程，单个时钟输入可使用24MHz晶体或晶振，仅可对USB2.0下行端口进行配置，采用64引脚QFN封装（RGC）。

应用场景

TUSB8043A适用于多种需要额外USB端口的应用场景，如计算机系统、扩展坞、监视器和机顶盒等。以笔记本电脑为例，若其本身只有两个下游USB端口，使用TUSB8043A后，可将下游端口数量增加到五个，大大扩展了设备的连接能力。

设计要点

电源供应

• 核心电源（VDD）：应为1.1V（标称），可通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离以减少噪声。需注意铁氧体磁珠的直流电阻可能影响提供给设备的电压，可调整核心电压调节器的输出或选择低直流电阻（小于0.05Ω）的磁珠。同时，所有电源轨都需要10µF或1µF的电容来保证稳定性和抗噪性，较小的去耦电容应尽可能靠近TUSB8043A的电源引脚放置。
• I/O和模拟电源（VDD33）：提供3.3V电源，同样可通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离。
• 下游端口电源（VBUS）：必须由能够提供5V和每个端口高达900mA电流的电源供应。每个下游端口的VBUS需要一个22µF或更大的大容量低ESR电容来限制浪涌电流，并且建议在下游USB端口连接的VBUS引脚上使用铁氧体磁珠以提高ESD和EMI性能。

布局设计

• 元件放置：9.53K ±1%电阻应尽可能靠近TUSB8043A的USB_R1引脚；每个VDD和VDD33电源引脚附近应放置0.1µF电容；SSTXP和SSTXM网络上的100nF电容应靠近USB连接器；ESD和EMI保护设备若使用，应尽可能靠近USB连接器；若使用晶体，应放置在靠近TUSB8043A的XI和XO引脚处；电压调节器应远离TUSB8043A、晶体和差分对；每个电源轨的大容量电容应靠近电压调节器放置。
• 封装相关：TUSB8043A采用0.5mm引脚间距的封装，有6.0mm x 6.0mm的散热垫，该散热垫必须通过过孔系统连接到地，除连接到散热垫的过孔外，设备下方的所有过孔应进行阻焊处理。
• 差分对布局：所有差分对（如USB_DP_XX、USB_DM_XX等）必须设计为90Ω ±10%的差分阻抗；为减少串扰，高速信号应相互远离，每对之间应至少间隔信号走线宽度的5倍，也可使用接地隔离；差分对应在同一层相邻的实心接地平面上布线，避免跨越任何平面分割；添加测试点会导致阻抗不连续，若使用应串联且对称放置，避免在差分对上产生分支；差分走线应尽量避免90度转弯，使用弯曲时，左右弯曲数量应尽量相等，弯曲角度应≥135度；差分对走线长度应尽量缩短，SS差分对信号和USB 2.0差分对信号的最大推荐走线长度为八英寸；差分对走线长度应匹配，SS差分对信号与其互补信号之间的长度差应小于5mil，USB 2.0差分对的相对走线长度差不应超过50mil；差分对路径中应尽量减少过孔的使用，若使用，应确保同一对信号使用相同类型和位置的过孔，且过孔应靠近TUSB8043A设备；为方便布线，可交换SS差分对的极性，若交换USB2 DP和DM对的极性，应相应设置Px_usb2pol寄存器；不要在差分对走线上放置电源保险丝。

实际应用案例

以离散USB集线器产品为例，这是TUSB8043A的常见应用场景。该产品由外部5V DC电源适配器供电，TUSB8043A的上游端口通过USB电缆连接到USB主机控制器，下游端口则供用户连接USB硬盘驱动器、相机、闪存驱动器等设备。

在设计过程中，上游端口连接到USB3 Type B连接器，通过电压分压器确保VBUS信号满足USB_VBUS输入要求。下游端口1 - 4分别连接到USB3 Type A连接器，通过拉高BATENx引脚可启用电池充电支持。VBUS电源开关可选用德州仪器的TPS2561双通道精密可调电流限制电源开关。时钟、复位和杂项方面，PWRCTL_POL引脚未连接时，USB VBUS电源开关的电源使能为高电平有效；SMBUSz引脚未连接时，选择I2C模式；GRSTN引脚上的1µF电容仅在VDD11电源先于VDD33电源稳定时使用，电容大小可能需根据两个电源的斜坡情况进行调整。

总结

TUSB8043A凭借其丰富的特性、广泛的应用场景和合理的设计要求，为电子工程师在设计多端口USB设备时提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求，合理配置电源、精心设计布局，以充分发挥TUSB8043A的性能优势。各位工程师在使用过程中，是否遇到过一些独特的问题或者有一些巧妙的解决方案呢？欢迎在评论区分享交流。