【项目实战】【已开源】USB2.0 HUB 集线器的制作教程（详细步骤以及电路图解释）

写在前面

本文是一篇关于 USB2.0 HUB 集线器的制作教程，包括详细的步骤以及电路图解释。
本文记录了笔者制作 USB2.0 HUB 集线器的心路历程，希望对你有帮助。
本文以笔记形式呈现，通过搜集互联网多方资料写成，非盈利性质，万分感谢资料的提供者，如有侵权，请联系我删除，再次感谢！

一、电容滤波

一般用小电容滤高频，大电容滤低频。

1. 原理

① 阻抗概念

阻抗（Impedance）是电路中对交流电的阻碍程度。
在电路中，阻抗可以使用以下公式来计算：

Z = R + jX

其中：
Z 是阻抗，
R 是电阻的值（以欧姆为单位），
X 是电抗的值（以欧姆为单位），
j 是虚数单位。

• Z(电阻) = R + j0 = R
• Z(电感) = jωL
• Z(电容) = 1 / (jωC)

可以看到，对于电容和电感来说，其阻抗和频率有关。

② 电容的阻抗

从上面的公式可以看出，电容阻抗大小与频率和电容容值成反比。

也就是说，频率越高，电容呈现出来的阻抗越小，这也就是我们常说的电容 “隔直通交”。

③ 什么是电容滤波

利用电容 “隔直通交” 的特点，将电路中一定频率的信号导入地去除。一般将电容并联在要滤波的回落两端。

④ 使用不同电容滤不同频率信号的原理

一般用小电容滤高频，大电容滤低频。

这是因为上面说到：电容阻抗大小不仅和频率成反比，也和电容容值成反比。这里其实是一个 “相对” 的概念：
- 当电容较小时：
- 如果频率也较低，那么 ω 与 C 的乘积也较小，所以呈现的阻抗大，几乎等于断路
- 如果频率比较高，那么 ω 与 C 的乘积比较大，呈现的阻抗比较小，高频信号可以通过

所以小电容只能滤除高频信号，对于低频信号无能为力。

有人看到这里可能会想，为什么不只使用大电容滤波呢？根据理论，如果 C 大，不管对于高频还是低频， ω 与 C 的乘积都不会太小，呈现的阻抗也比较小，按理说应该可以起到滤波效果。
实际上是因为：

• ESL 的影响：
  
  现实生活中的电容器都不是理想电容器，除了电容本身还有 ESL（等效串联电感） 和 ESR（等效串联电阻）。
  大电容一般是电解电容，其 ESL 较大，由上文的阻抗公式可知，其表现出来的阻抗会由于 ESL 的影响而升高，所以对于高频信号来说，大电容的滤波效果较差。

可以这么理解，日常电容器上所标称的电容值都是在低频信号下测得的。而对于大电容来说，由于其较高的 ESL，在高频时其电容值可能衰减到比小电容还小，甚至开始呈现感性，对高频信号滤波效果差，所以此时需要加 ESL 较小的小电容来滤除高频信号。

⑤ 不同类型电容的选频特性

电容的品质因素：Q=1/ωCESR
ESR越大，Q就越小，频响特性曲线就比较平坦。

• ESR 较大，Q较小，频率响应范围较宽，前级板级滤波：钽电容、铝电解电容
• ESR 较小，Q较大，有一定选频能力：陶瓷电容

2. 不同频率下对电容的要求

频率（Hz）	容值	电容类型
0 - 100K	> 10uF	钽电容、铝电解电容
100K - 10M	0.1uF	陶瓷电容
10M - 100M	0.01uF	陶瓷电容
> 100M	0.001uF	陶瓷电容、地平面和电源平面电容

3. 使用大电容滤除高频信号的情况

有些情况下，比如功率要求高时不得不用大电容滤除高频信号时，可以使用多个大电容并联，在补偿高频时容值损失的同时也把 ESR 进行并联减小了。

4. 常见的应用范围

• DC - DC 电源的输入级：大容量钽电容
• LDO 稳压器的输入级：大容量钽电容
• 芯片引脚附近：0.1uF、10uF

二、TVS、ESD、齐纳二极管、压敏电阻的区别

1. 总结

这些器件的共性就是：当电压较小时，其电阻较大而且稳定，对于电路相当于开路；随着电压升高，电阻迅速下降，相当于短路，并联在电路两端时，可以将过电压导入地而不是传递给后级元件。

• TVS：用于浪涌保护、静电防护
• ESD：用于静电防护
• 齐纳二极管：用于稳压电路
• 压敏电阻：静电容量大，可承受更大的浪涌

2. 浪涌和静电

① 不同点

• 产生原因不同：
  • 静电是指由电荷堆积所产生的电场，静电电荷可能在材料表面积累，例如在人体或工作环境中产生的静电。这些电荷可以通过触摸或接触导电元件来放电，引起故障或损坏。
  • 浪涌是指突然而短暂的电压和电流上升现象，通常由电力系统的瞬态事件引起，如电源开关、雷击等。这些过电压脉冲会通过电源线、通信线路或其它连接到电子设备的线路传播，可能引起电子设备的损坏。
• 能量不同：
  • 静电能量较低，而浪涌电压较高

② 相同点

• 电压高：
  • 静电和浪涌电压都很高
• 接地：
  • 要防护浪涌或者静电，良好的接地都很重要

3. TVS

TVS（Transient Voltage Suppressor）瞬态电压抑制二极管。

① 作用

TVS 是工作在反向区的二极管，有钳位电压的作用，一般用于浪涌保护和静电防护。

② 常用接线

当出现过电压时，TVS 被击穿，将电压钳位在钳位电压：

③ 参数说明

1. 最大反向工作电压：由于 TVS 反接入电路，故电路的正常工作电压不得超过最大反向工作电压
2. 反向击穿电压：超过这个电压的时 TVS 的电流迅速增大
3. 钳位电压：反向击穿后 TVS 迅速达到钳位电压，能把电压钳位在钳位电压处

④ TVS 的使用要求

1. 电路的正常工作电压不得超过最大反向工作电压，这是因为超过最大反向工作电压后，反向电流加大得快，漏电功率高；
2. 电路的最大工作电压不得小于钳位电压，这是因为当 TVS 触发钳位功能时，电压被钳位在钳位电压处，所以电路的最大工作电压不得小于钳位电压，否则即使过电压被钳位了，高于电路的最大工作电压的钳位电压也可能损害内部电路

• TVS 用于保护电路 齐纳二极管多用于稳压电路
• TVS 击穿电流较低（较低的电流就可以击穿） 齐纳二极管工作电流较大 （相对较大的电流才能起到稳压作用）
• TVS 响应速度快
• TVS 最大可承受功率较高 齐纳二极管最大可承受功率较低

4. TVS 和 ESD二极管 的区别

ESD（Electrostatic Discharge）是指由静电放电所引起的瞬间放电现象。从这个名字可以知道，ESD二极管 专门用于相比于浪涌能量较低的静电防护。

但是原理和连接方式上，ESD防护二极管和 TVS 是差不多的。

① 区别：

• 应用上
  • ESD 多用于板级的静电防护（在一些关键的引脚上）
  • TVS 多用于电源电路初 / 次级的保护
  • ESD 的结电容更低，用于类似 USB 传输信号线上可以保证信号完整性
• 参数上
  • ESD 看的抗静电等级 LEVEL，而TVS 看的是功率
• 封装上
  • ESD 体积小封装多样化，ESD防护集成芯片可同时接多路电路进行静电防护
  • TVS 体积较大、封装种类少、只能对单一路进行防护
• 功率上
  • TVS 最大可承受功率较高，用于浪涌比较好
  • ESD 一般用于小功率的静电防护
    

② 补充知识：结电容与信号完整性

• 信号传输延迟：较小的结电容可以降低信号传输延迟。结电容与传输线电阻一起决定了传输线的时钟速率和传输速度。当结电容较小时，电流能够更快地充电或放电，减小了信号的传输延迟。这对于高速数据传输和时序要求严格的应用非常重要。

• 信号的上升/下降时间：较小的结电容可以加快信号的上升/下降时间。结电容会影响信号从低电平到高电平或从高电平到低电平的过渡时间。通过减小结电容的大小，信号的切换速度可以更快，减少了信号的失真和形状变化，提高了信号完整性。

• 电源噪声减少：较小的结电容可以减少电源线上的噪声传播。结电容在电源线路上起到滤波作用，可以降低高频电源噪声的传播和干扰。通过减小结电容的大小，可以提高电源噪声的抑制效果，保持信号的纯净性。

5. TVS 与 齐纳二极管的区别

TVS	齐纳二极管
用于保护电路	多用于稳压电路
击穿电流较低	工作电流较大 （ 相对 ）
响应速度快	响应速度较慢
功率高	功率较低

6. TVS 与 压敏电阻的区别

区别	TVS	压敏电阻
保护方向	单向和双向两种	双向保护
响应速度	快	较慢
最大钳位电压和击穿电压	最大钳位电压偏离击穿电压较小	最大钳位电压偏离击穿电压较大
静电容量	较低	较高（承受更高的浪涌）
漏电流	较小	较大
结电容	较小	较大
线性特性	较线性	线性特性较差
可靠性	较高	较低
使用寿命	较长	较低

• 线性特性对比（绿线为 TVS，蓝线为 压敏电阻）
  

• 静电容量对比
  

三、USB2.0

官方网站：
usb.org

USB2.0 资料下载：
https://usb.org/document-library/usb-20-specification

1. 引脚定义

1. VBUS：电源供电
2. D-D+：一对差分信号线（差分阻抗：90Ω差分阻抗）
3. GND：地线

2. 传输速率

1. Low-Speed USB（低速USB）: 低速USB的最大传输速度为 1.5 Mbps（兆位每秒），也被称为"USB 1.1低速模式"。它适用于一些低速率和低带宽需求的设备，例如鼠标、键盘和游戏手柄等。
2. Full-Speed USB（全速USB）: 全速USB的最大传输速度为 12 Mbps（兆位每秒），也被称为"USB 1.1全速模式"。它适用于较多的外围设备，例如打印机、扫描仪和某些音频设备等。
3. High-Speed USB（高速USB）: 高速 USB 是 USB 2.0 的核心特性，最大传输速度为 480 Mbps（兆位每秒）。它比低速和全速USB提供了更快的数据传输速度，适用于大多数常见的外围设备，包括存储设备、摄像头、移动硬盘和高速数据传输要求的设备。

3. VBUS

• 高电源口电压： 4.75 - 5.25v ， 供流能力大于 500mA
• 低电源口电压： 4.4V - 5.25v ， 供流能力大于 100mA
  

4. 限流保护

• 添加 限流IC 可以限制电流大小，防止短路等
  
• VBUS口可接入可恢复保险丝进行限流保护，主要是防止过流、短路
  • 最大电压：6V左右
  • 最大电流：根据 USB 口使用的电流进行一定冗余设计
    

5. ESD 防护

① 什么是 ESD

ESD（Electrostatic Discharge）：静电放电。它是指由于电荷积累在物体上引起的突然放电现象。当两个物体处于不同的电荷状态或者一个物体带有过多的电荷时，静电放电可能会发生。这种放电可以产生极高的电压和瞬间的电流，足以损坏敏感的电子元件或器件。

② USB2.0 的 ESD 防护设计

方案一：

• VBUS 位置加 ESD 防护器件（一般为单向）
  • 结电容大小不用过多考虑
  • 最大反向工作电压：5V
  • 击穿电压：6V左右
  • 钳位电压：十几伏左右
• 差分信号线位置加 ESD 防护器件（一般为双向），防止静电从信号线损坏芯片
  • 结电容：尽可能小，防止影响传输速率，最好在 1pF 以下
  • 最大反向工作电压：5V
  • 击穿电压：6V左右
  • 钳位电压：十几伏左右

方案二：（成本低廉）
直接在差分信号线上串联一对二十多Ω的电阻：

6. 接地

• USB 母座外壳接地：通过 1MΩ 电阻和 10nF 电容接到系统地

7. 上下拉电阻与速率

USB接口的电气连接：

① 协议对电阻的要求

根据协议文档第 7 节，USB2.0 需要对上下拉电阻进行控制来区分不同速率的设备。

1. USB主机端上的下拉终端电阻是15 kΩ ± 5%的电阻，与地相连
2. 设备端在USB数据线（D+或D-）上接一个上拉电阻（Rpu），用来区分不同速度的设备。该电阻阻值要求为1.5k欧姆±5%。

② 低速设备和全速设备的识别

1. 由于下拉电阻的存在，当没有 USB 设备接入时，主机 D+D- 数据线电平为低
2. 当有设备插入时，由于上拉电阻的存在，D+D- 数据线的其中一根会拉高
   • D+拉高：识别为全速设备
   • D- 拉高：识别为低速设备
3. 检测到设备连接后，集线器向主机报告，主机向集线器发送 Get_Port_Status 请求
4. 集线器接到 Get_Port_Status 请求后对设备进行复位，复位成功后，主机对设备进行枚举

③ 低速设备和全速设备的断开

1. 当总线空闲时，hub 检测设备断开连接信号，这个信号为 D+D-均为低电平的时间超过2.5us
2. 当 hub 检测到该信号时，向主机报告设备已断开
3. 设备端也可以通过断开上拉电阻实现设备断开（此时设备仍可插在USB口上）

④ 高速设备的识别

1. 高速设备和全速设备一样，也是 D+ 上有一个1.5k的上拉电阻，所以，当高速设备接入后，前面的识别过程与全速设备的识别过程一致
2. 在 hub 对设备进行复位的过程中（这个过程表现为 hub 通过驱动数据线到复位状态SE0，即D+和D-全为低电平，并持续至少10ms），高速设备通过内部的电流源向 D- 线持续灌大小为17.78mA电流（此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销）。在hub端，全速/低速驱动器形成一个阻抗为 45Ω 的终端电阻，所以在 hub 端看到一个约 800mV 的电压（45欧姆*17.78mA），这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms~7ms
3. 在 hub 端，虽然下达了复位信号，但USB2.0的高速接收器一直在检测 Chirp K 信号
   • 如果检测不到 Chirp K 信号，就继续复位操作直到复位结束，之后就在全速模式下操作
   • 如果检测到 Chirp K 信号，Chirp K 信号结束后 100us 内，hub必须开始回复一连串的 KJKJKJ… 序列，向设备表明这是一个 USB2.0 的 hub。这里的 KJ 序列是连续的，中间不能间断，而且每个 K 或 J 的持续时间在 40 - 60us 之间。KJ 序列停止后的 100 - 500us 内结束复位操作。hub 发送 Chirp KJ 序列的方式和设备一样，通过电流源向差分数据线交替灌 17.78mA 的电流实现。
4. 设备检测到 6 个 hub 发出的 Chirp 信号后（3 对 KJ 序列），它必须在 500us 内切换到高速模式。切换动作有：
   • 断开 1.5k 的上拉电阻
   • 连接 D+/D- 上的高速终端电阻（45欧姆），实际上就是全速/低速差分驱动器
   • 进入默认的高速状态
5. 设备端挂载新的终端电阻后，配上原先 hub 端的终端电阻，并联后的阻抗是 22.5Ω。hub 发送出来的 Chirp KJ 序列幅值降到了原先的一半，400mV 就是由 17.78*22.5 得来。以后高速操作的信号幅值就是 400mV 而不像全速/低速那样的 3V。
6. 至此，高速设备与 USB2.0 hub握手完毕，进行后续的 480Mbps 高速信号通信

⑤ 高速设备的断开

• 由于高速设备运行是断开1.5K上拉电阻的，故不能通过检测SE0信号判断设备的断开
• 当高速设备断开时，D+和 D-线上的差分信号幅度将会变成两倍大小， 主机端下行收发器中的断开包络检波器感应到这个两倍大小的电压后输出为高，表示设备已断开

四、差分线的绘制

1. 差分概述

USB 使用差分信号传输数据，对于每一对信号，其中一个是正极（DP，Data Plus），另一个是负极（DM，Data Minus）。

差分信号传输是一种通过两个相等但相反的信号来传递信息的通信方式。在USB中，DP信号和DM信号之间的电压差异表示数字数据的模式，例如逻辑0和逻辑1。通过使用差分信号传输，USB能够提供更好的抗干扰能力和信号完整性，从而提供可靠的数据传输。

为了区分差分信号中的正极和负极，USB协议规定了 DP 和 DM 表示正负信号极性的命名约定。实际上，这种命名方式在不同类型的差分信号传输中很常见，不仅仅适用于 USB。因此，DM信号表示Data Minus（数据负线），而DP信号表示Data Plus（数据正线）。

2. 差分线绘制要求技巧

1. 差分线尽量短
2. 优先绘制差分线
3. 差分线上尽量不超过两对过孔（过孔会增加线路的寄生电感，影响信号完整性）
4. 平行紧密走线
5. 长度差尽量小（控制在 5mil以内）
6. 与其它信号网络以及地的距离尽量在 20mil 以上
7. 两侧的测试点、串联的电阻电容、上下拉电阻的摆放尽量避免直角
   

3. PCB差分阻抗

• 在高速信号传输中，差分阻抗的匹配可以提供信号完整性，减少信号的反射和干扰
• USB2.0 要求的差分阻抗是 90Ω±10%

① 什么是 PCB 阻抗匹配

1. 差分线是由两根平行绘制在PCB板表层的微带线组成的，在边缘耦合效应下工作
2. 差分线的阻抗由两根微带线的阻抗和线间距共同决定
3. 微带线的阻抗由微带线的线宽、走线的铜皮厚度、到最近参考平面的距离以及PCB板材料的介电常数决定
4. 差分线的耦合效应与两根微带线的线间距相关，线间距增加时，耦合效应减弱，差分阻抗增大；线间距减小时，耦合效应增强，差分阻抗减小

② 差分阻抗匹配我们可以做什么

作为工程师，我们能控制的就是线宽和线距，其他的由 PCB生产商决定。

• 嘉立创针对自己的板子做了一个阻抗计算器
  嘉立创阻抗计算器
  嘉立创阻抗设计说明
  嘉立创阻抗计算器使用说明
  通过这个计算器，我们可以得出得到阻抗要求需使用的线宽

• 在下单打板的时候，可以将阻抗管控要求提供给 PCB 生产厂商，让他们帮你做阻抗匹配

五、项目实战 —— USB2.0 HUB 的制作

板子已经画出来了，待验证…（挖坑）
原理图：

PCB：

六、什么是 TT

待补充…（挖坑）

后记

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