TUSB8020B：双端口USB 3.0集线器的技术解析与应用指南

在当今数字化时代，USB接口的应用无处不在，而USB 3.0集线器更是为设备扩展提供了便利。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的TUSB8020B双端口USB 3.0集线器。

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一、TUSB8020B概述

TUSB8020B是一款双端口USB 3.0兼容集线器，USBIF TID#330000057。它在上游端口提供同时支持SuperSpeed USB和高速/全速连接，在下游端口则支持SuperSpeed USB、高速、全速或低速连接。不过，其连接速度会根据上游端口所连接的电气环境而有所变化。当上游端口连接到仅支持高速或全速/低速连接的环境时，下游端口的SuperSpeed USB连接将被禁用；若上游端口仅支持全速/低速连接，下游端口的SuperSpeed USB和高速连接都会被禁用。

二、主要特性

（一）USB 2.0集线器特性

• 多事务转换器（MTT）集线器：配备两个事务转换器，每个事务转换器有四个异步端点缓冲区。
• 支持电池充电：具备CDP模式（上游端口连接时）和DCP模式（上游端口未连接时），其中DCP模式符合中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009。
• 支持端口或联动电源开关和过流保护：可以实现单个端口的电源控制，当检测到过流事件时，仅关闭受影响的下游端口电源；也支持联动模式，即任何一个端口需要供电时，所有下游端口都会通电，检测到过流事件时，所有下游端口电源都会关闭。
• 支持D + /D - 分压器模式：并且支持作为USB 3.0或USB 2.0复合设备运行。

（二）自定义配置接口

提供OTP ROM、串行EEPROM或I2C/SMBus从接口，可用于自定义配置，如VID和PID、端口自定义、制造商和产品字符串（OTP ROM除外）以及序列号（OTP ROM除外）。

（三）时钟与电源相关特性

• 单时钟输入：可使用24 - MHz晶体或振荡器，使用晶体时，需要在XI和XO之间连接一个1 - MΩ反馈电阻。
• 无特殊驱动要求：能在任何支持USB堆栈的操作系统上无缝工作。

三、规格参数

（一）绝对最大额定值

不同引脚的电压范围有所不同，例如VDD和VDD33的稳态电源电压范围分别为 - 0.3V至1.4V和 - 0.3V至3.8V，存储温度范围为 - 65°C至150°C。需要注意的是，超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

（二）ESD额定值

人体模型（HBM）下为 - 2000V至2000V，带电设备模型（CDM）下为 - 500V至500V。

（三）推荐工作条件

VDD的推荐电压为0.99V至1.26V，VDD33为3V至3.6V，不同型号的工作温度范围也有所差异，如TUSB8020B为0°C至70°C，TUSB8020BI为 - 40°C至85°C。

（四）热信息

给出了多种热指标，如结到环境的热阻为31.8°C/W等。

（五）3.3 - V I/O电气特性

包括高电平输入电压、低电平输入电压、输入滞后等参数。

（六）上电时序要求

对VDD和VDD33的上电顺序和时间有一定要求，例如VDD和VDD33稳定后，GRSTZ解除断言前需要3ms的时间。

（七）集线器输入电源电流

在不同工作模式下，如低功耗模式和活动模式，电流消耗有所不同。

四、详细功能描述

（一）电池充电特性

支持充电下游端口（CDP）和专用充电端口（DCP）模式，DCP模式符合中国标准。此外，还提供自动模式（AUTOMODE），可根据连接的便携式设备自动在分压器模式和DCP模式之间切换。默认分压器模式支持最高5W，可通过寄存器配置为高电流设置（最高10W）。需要注意的是，AUTOMODE启用时，CDP模式将不可用。

（二）USB电源管理

可通过寄存器和引脚配置为端口或联动电源启用控制和过流状态输入，支持高电平有效和低电平有效的电源启用控制。

（三）一次性可编程（OTP）配置

允许通过OTP非易失性存储器对设备进行配置，可配置的特性包括供应商ID、产品ID、端口可移动配置等。

（四）时钟生成

可接受晶体输入或外部时钟源。使用晶体时，晶体需满足一定的负载电容和频率稳定性要求；使用外部时钟源时，参考时钟也有相应的频率稳定性和抖动要求。

（五）上电和复位

对VDD和VDD33的上电顺序没有特定要求，但需要满足一些约束条件，如观察所有最大额定值和推荐工作条件等。复位持续时间至少需要3ms。

（六）外部配置接口

支持通过I2C EEPROM或SMBus主机控制器进行配置，模式由SMBUSz/SS_DN2终端的状态决定。

（七）寄存器映射

内部配置寄存器可通过字节边界访问，不同寄存器控制着设备的各种功能，如供应商ID、产品ID、电池充电支持、设备可移动配置等。

五、应用与实现

（一）应用信息

TUSB8020B可用于任何需要额外USB兼容端口的应用，例如笔记本电脑增加下游端口数量。

（二）典型应用

常见的应用是作为自供电的独立USB集线器产品，通过外部5 - V直流电源适配器供电，上游端口连接到USB主机控制器，下游端口供用户连接USB硬盘、相机、闪存驱动器等设备。

（三）设计要求与详细设计程序

在设计时，需要考虑电源供应、端口支持的USB速度、下游端口的可移动性、电池充电支持等参数。详细设计程序包括上游端口、下游端口、VBUS电源开关、时钟、复位和杂项以及电源的实现。例如，上游端口连接到USB3类型B连接器，VBUS信号需通过分压器；下游端口连接到USB3类型A连接器，可通过引脚控制电池充电支持和电源开关极性等。

六、电源供应建议

（一）电源供应

VDD和VDD33应分别实现为单个电源平面，可通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离以减少噪声。同时，需要使用电容来保证电源的稳定性和抗噪性。

（二）下游端口电源

下游端口的VBUS电源需由能够提供5V和至少900mA每端口的电源供应，每个端口的VBUS需要一个大容量低ESR电容来限制浪涌电流。

（三）接地

建议在设计中只使用一个电路板接地平面，TUSB8020B的热焊盘和电压调节器应通过过孔连接到该平面。

七、布局建议

（一）布局准则

包括元件的放置要求，如电阻、电容、晶体等应尽量靠近TUSB8020B；差分对的布局要求，如差分阻抗、避免串扰、路由规则等。

（二）布局示例

给出了上游端口、下游端口和热焊盘的布局示例。

八、设备和文档支持

TI提供了丰富的社区资源，如E2E在线社区和设计支持，方便工程师交流和获取帮助。同时，需要注意静电放电的问题，该设备内置的ESD保护有限，在存储或处理时应采取相应的防护措施。

总之，TUSB8020B是一款功能强大的双端口USB 3.0集线器，在设计过程中，电子工程师需要充分考虑其各项特性和参数，以确保设备的稳定运行和性能优化。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。