TUSB2077A：7端口USB集线器的深度解析与设计应用

作为一名电子工程师，在日常的硬件设计开发中，我们常常会遇到需要扩展USB端口的场景。今天要给大家详细介绍一款颇受欢迎的USB集线器——德州仪器（TI）的TUSB2077A。它是一款符合USB 2.0规范的3.3V CMOS设备，最多可提供七个下游端口，为我们的设计带来了极大的便利。

文件下载：tusb2077a.pdf

产品特性与优势

功能特性丰富

• 全面兼容USB规范：作为全速集线器，TUSB2077A完全符合USB规范，集成了USB收发器，确保数据传输的稳定与高效。
• 双电源模式支持：支持总线供电和自供电两种模式。自供电模式下可支持七个下游端口，总线供电模式下支持四个下游端口，满足不同的应用需求。
• 高低速设备兼容：下游端口能够自动根据连接设备的速度设置转换速率，同时支持全速和低速设备。
• 可视化状态监控：配备三个LED指示灯控制输出引脚，可实现对集线器及其下游端口六种不同状态的可视化监控，方便我们实时了解设备的工作状态。

设计优势显著

• 无需软件编程：采用数字状态机而非微控制器实现，无需进行软件编程，简化了设计流程，降低了开发难度。
• 降低成本：引入了新的功能引脚，如DP0上拉电阻禁用端子DP0PUR，便于实现板载总线/自供电动态切换电路，同时减少了外部上拉电阻的使用，有效降低了整体板卡成本。
• 时钟灵活性高：可通过MODE引脚选择6MHz或48MHz的时钟源，为不同的应用场景提供了更多的选择。

引脚配置与功能详解

TUSB2077A共有48个引脚，每个引脚都有其特定的功能。下面为大家介绍一些关键引脚的作用：

• BUSPWR（10脚）：电源源指示引脚，低电平表示下游端口从USB电缆获取电源（总线供电模式），高电平（3.3V）表示从本地电源获取电源（自供电模式）。在设备运行过程中，该输入电平不能动态改变。
• DMO（4脚）和DPO（3脚）：构成上游USB端口的差分数据引脚，用于与主机进行数据通信。
• DM1 - DM7和DP1 - DP7：分别为下游USB端口的差分数据负端和正端，最多可支持七个下游端口。
• DPOPUR（2脚）：上拉电阻连接引脚，在系统复位或BUSPWR引脚电平变化后的15ms内，该引脚输出处于浮空状态，之后驱动至高电平（3.3V），直到下一次系统复位或BUSPWR引脚电平变化。
• EECLK（7脚）和EEDATA/GANGED（8脚）：当EXTMEM引脚为低电平时，它们构成串行EEPROM接口的时钟和数据引脚；当EXTMEM引脚为高电平时，EEDATA/GANGED引脚用于选择下游端口的过流检测模式（集中式或按端口式）。
• HUBCFG（40脚）、PORTPWR（41脚）和PORTDIS（42脚）：用于控制LED指示灯，分别指示集线器配置状态、端口供电状态和端口禁用状态。

技术规格参数

电气特性

• 电源电压范围：Vcc为3 - 3.6V，输入和输出电压范围为0 - Vcc。
• 工作温度范围：0 - 70°C，存储温度范围为 -65 - 150°C。
• ESD防护能力：人体模型（HBM）为±4000V，充电设备模型（CDM）为±1500V，具备一定的静电防护能力。

信号特性

• 差分驱动切换特性：在全速模式下，DP或DM的上升和下降时间为4 - 20ns；在低速模式下，上升和下降时间为75 - 300ns。
• 输入输出阈值：单端输入的正阈值为1.8V，负阈值为0.8V，输入滞后为0.3 - 0.7mV。

应用场景与设计案例

应用场景广泛

TUSB2077A适用于多种应用场景，如计算机系统、 docking 站等。在这些场景中，它可以为用户提供更多的USB端口，方便连接各种外设，如USB相机、键盘、打印机等。

典型设计案例

以一个自供电USB集线器产品为例，为大家介绍TUSB2077A的具体应用设计：

• 设计参数选择：Vcc电源为3.3V，下游端口数量为7个，采用按端口式电源管理，时钟源选择6MHz晶体，不使用外部EEPROM，电源源模式为自供电。
• 详细设计步骤
  • 电源管理：使用TPS2044作为外部电源管理设备，它能够为每个下游端口提供500mA的电流，并实现按端口式的电流限制。当检测到某个下游端口出现故障时，仅切断该端口的电源，其余端口仍可正常工作。
  • 信号处理：为了减少数据线上的浪涌电流和电压尖峰，使用SN75240瞬态抑制器。同时，在所有USB DP、DM信号对中串联约27Ω的电阻，确保信号的正确端接。
  • 滤波电容：根据USB规范，每个集线器至少需要120µF的滤波电容，但TI建议每个端口使用100µF、低ESR的钽电容，以提高对电压下降的抗干扰能力。此外，还可在集线器端子和串联电阻之间添加一个约22pF的可选滤波电容，用于抑制电磁干扰（EMI）。
  • 电压调节：使用TPS76333作为5V - 3.3V的低压差线性稳压器（LDO），为TUSB2077A提供稳定的3.3V电源。

设计注意事项

电源供应

• TUSB2077A电源：Vcc应采用单一电源平面设计，并通过铁氧体磁珠与其他电源轨隔离，以减少噪声干扰。同时，在电源轨上添加10µF或1µF的电容，以提高电源的稳定性和抗干扰能力。
• 下游端口电源：下游端口的电源VBUS必须能够提供5V电压和每个端口高达500mA的电流。在每个下游端口的VBUS上添加22µF或更大的大容量低ESR电容，以限制浪涌电流。此外，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防护能力。

布局设计

• 元件放置：将0.1µF的电容尽可能靠近Vcc电源引脚放置；ESD和EMI保护设备应靠近USB连接器；如果使用晶体，应将其放置在靠近XTAL1和XTAL2引脚的位置；电压调节器应远离TUSB2077A、晶体和差分对；与电源轨相关的大容量电容应靠近电压调节器放置。
• 差分对设计：差分对的设计应满足90Ω ±10%的差分阻抗要求，并在同一层上靠近实心接地平面布线。避免在差分对上进行平面分割，尽量减少测试点的使用，避免90度转弯，控制差分对的长度和长度差，减少过孔的使用。
• 接地设计：建议在设计中仅使用一个板级接地平面，为信号走线提供良好的镜像平面。TUSB2077A的散热垫和电压调节器应通过过孔连接到该接地平面。为了提高EMI和ESD防护能力，可在USB端口连接器附近设置一个单独的接地平面。

总结

TUSB2077A作为一款功能强大、设计灵活的7端口USB集线器，在电子工程师的硬件设计中具有广泛的应用前景。通过深入了解其特性、引脚功能、技术规格和设计注意事项，我们可以更好地利用这款产品，为我们的设计带来更多的可能性。在实际应用中，大家可以根据具体的需求和场景，合理选择设计参数和布局方案，确保产品的性能和稳定性。希望本文对大家在使用TUSB2077A进行设计开发时有所帮助。你在使用类似USB集线器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。