TUSB8044A四端口USB 3.2第1代集线器：特性、应用与设计要点

在电子设备不断发展的今天，USB接口的应用越来越广泛，对USB集线器的性能和功能要求也越来越高。TUSB8044A作为一款四端口USB 3.2第1代集线器，凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，在电子设计领域备受关注。本文将详细介绍TUSB8044A的特性、应用以及设计过程中的注意事项，希望能为广大电子工程师提供一些有价值的参考。

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一、特性概述

1.1 高速连接

TUSB8044A支持四端口USB 3.2第1代（5Gbps）连接，在上行端口可提供同步超快速和高速/全速USB连接，下行端口则可提供超快速、高速、全速或者低速USB连接。不过，当上行端口连接到仅支持高速或全速/低速连接的电气环境中时，下行端口上的超快速USB连接将会禁用。这种灵活的连接方式能够适应不同设备的需求，确保数据的高效传输。

1.2 电池充电支持

该器件在电池充电方面表现出色，支持多种充电模式。在未连接或未配置上行端口的情况下，可支持D+/D - 分频器充电端口（ACP1、ACP2和ACP3），还能在未连接上行端口时支持自动模式，以便在DCP或ACP模式之间进行切换，同时支持Galaxy充电。此外，它还支持CDP模式（上行端口已连接）和DCP模式（上行端口未连接），其中DCP模式符合中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009。这使得TUSB8044A在为各种设备充电时具有很强的通用性和兼容性。

1.3 多功能配置

TUSB8044A支持作为一个USB 3.2第1代或者USB 2.0复合设备运行，同时支持USB告示板1.21。它还支持每端口或成组电源开关以及过流通知输入，能够有效保护设备免受电流过大的损害。此外，该器件支持四个外部下行端口且内部仅支持USB 2.0端口，适用于USB HID至I2C功能和USB2.0告示板，并且适用于通过USB HID以实现I2C控制的内部下行端口支持高速、全速运行，其运行速度与上行端口速度匹配。这种多功能的配置使得TUSB8044A能够满足不同应用场景的多样化需求。

1.4 定制配置

OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus从机接口可实现定制配置，包括VID和PID、端口定制、制造商和产品字符串（非通过OTP ROM）、序列号（非通过OTP ROM）等。此外，它还提供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。这种定制化的功能为开发者提供了更多的灵活性，使他们能够根据具体需求对设备进行个性化配置。

二、应用场景

TUSB8044A的应用场景非常广泛，主要包括计算机系统、扩展坞、监视器和机顶盒等。在计算机系统中，它可以增加USB端口的数量，方便用户连接更多的外部设备；在扩展坞中，它能够实现多种设备的快速连接和数据传输，提升工作效率；在监视器和机顶盒中，它可以为用户提供更多的USB接口选择，增强设备的实用性。

三、设计要点

3.1 电源供应

3.1.1 核心电源（VDD）

VDD应实现为单个电源平面，为TUSB8044A的核心部分提供1.1V（标称）电源。为了减少噪声，这个电源轨可以通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离。但需要注意的是，由于核心电源轨上的高电流消耗，铁氧体磁珠的直流电阻会影响提供给设备的电压。因此，可能需要调整核心电压调节器的输出，或者选择直流电阻低（小于0.05Ω）的铁氧体磁珠。

3.1.2 I/O和模拟电源（VDD33）

VDD33为TUSB8044A的I/O部分提供3.3V电源轨，同样可以通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离以降低噪声。所有电源轨都需要10µF电容或1µF电容来保证稳定性和抗干扰性。这些大容量电容可以放置在电源轨的任何位置，但较小的去耦电容应尽可能靠近TUSB8044A的电源引脚，每个引脚最佳组合是放置两个不同容量的电容。

3.2 下游端口电源

下游端口电源（VBUS）必须由能够为每个端口提供5V和高达900mA电流的电源提供。下游端口电源开关可以由TUSB8044A信号控制，也可以选择始终启用下游端口电源。每个下游端口的VBUS上需要一个22µF或更大的大容量低ESR电容，以限制浪涌电流。此外，出于ESD和EMI的考虑，建议在下游USB端口连接的VBUS引脚上使用铁氧体磁珠，并在铁氧体的USB连接器一侧添加一个0.1µF电容，为可能从电缆耦合到VBUS迹线的快速上升时间ESD电流提供低阻抗接地路径。

3.3 布局设计

3.3.1 元件放置

• 连接到引脚USB_R1的9.53K +/- 1%电阻应尽可能靠近TUSB8044A放置。
• 每个VDD和VDD33电源引脚旁应尽可能靠近放置0.1µF电容。
• SSTXP和SSTXM网络上的100nF电容应靠近USB连接器（如Type A、Type B等）放置。
• 如果使用ESD和EMI保护器件，应将其尽可能靠近USB连接器放置。
• 若使用晶体，必须将其尽可能靠近TUSB8044A的XI和XO引脚放置。
• 电压调节器应尽可能远离TUSB8044A、晶体和差分对。
• 通常，与每个电源轨相关的大容量电容应尽可能靠近电压调节器放置。

3.3.2 封装相关

• TUSB8044A采用0.5mm引脚间距的封装。
• 该封装具有6.0mm x 6.0mm的散热垫，必须通过过孔系统连接到地。
• 除连接到散热垫的过孔外，器件下方的所有过孔都应进行阻焊处理，以避免散热垫布局可能出现的问题。

3.3.3 差分对布局

• 所有差分对（如USB_DP_XX、USB_DM_XX、USB_SSTXP_XX等）的设计差分阻抗应为90Ω ± 10%。
• 为了最小化串扰，建议高速信号之间保持一定距离，每对信号之间的间距至少应为信号迹线宽度的5倍，并且可以使用接地隔离来进一步减少串扰。
• 所有差分对应在同一层上靠近实心接地平面布线。
• 避免差分对布线跨越任何平面分割。
• 测试点会导致阻抗不连续，影响信号性能。如果需要使用测试点，应将其串联且对称放置，避免在差分对上形成短截线。
• 尽量避免在迹线中使用90度转弯，差分迹线中的弯曲应尽量减少。如果必须使用弯曲，左右弯曲的数量应尽可能相等，弯曲角度应≥135度，以最小化弯曲引起的长度不匹配和对EMI的影响。
• 尽量缩短差分对迹线的长度，SS差分对信号和USB 2.0差分对信号的最大推荐迹线长度为8英寸。较长的迹线需要非常仔细的布线以确保信号完整性。
• 匹配差分对迹线的蚀刻长度（如DP和DM、SSRXP和SSRXM、SSTXP和SSTXM），SS差分对信号与其互补信号之间的差异应小于5密耳，USB 2.0差分对的相对迹线长度差异不应超过50密耳。
• 差分对组的蚀刻长度不需要匹配，但所有迹线长度都应尽量缩短。
• 尽量减少差分对路径中过孔的使用。如果无法避免，确保一对信号使用相同类型和位置的过孔，并将过孔尽可能靠近TUSB8044A器件放置。
• 为了便于布线，可以交换SS差分对的极性；如果交换USB2 DP和DM对的极性，必须相应设置Px_usb2pol寄存器（x = 0,1,2,3或4）。同时，不要在差分对迹线上放置电源保险丝。

四、总结

TUSB8044A作为一款功能强大的四端口USB 3.2第1代集线器，具有高速连接、电池充电支持、多功能配置和定制化等诸多特性，适用于多种应用场景。在设计过程中，工程师需要充分考虑电源供应和布局设计等方面的要点，以确保设备的性能和稳定性。通过合理运用TUSB8044A的特性和遵循设计要点，相信能够开发出更加优秀的电子产品。大家在使用TUSB8044A的过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。