基于VL813的USB3.0-HUB设计

前言：最近为给工位腾出更大的空间，将工位电脑放地上了。空间是大了，但带来的麻烦是每次插U盘或者插其他设备时需要钻到桌子下面，非常的难受。此时就需要有一个USB-HUB放桌面上。但在网上找了很久，发现很少有TYPE-C接口输入的USB-HUB，对于我来说没有TYPE-C接口那可不行。于是就有了自己做一个的想法。USB2.0的HUB太简单，做着没意思，就想着做一个支持TYPE-C接口输入的USB3.0-HUB。于是就有了下面的作品。
前期也是做了很多准备，也在立创开源论坛看过许多优秀设计。也是为我后期设计提供了重要的参考，在这里提出感谢！

• 这个项目对我来说没有什么难度，但前前后后跨越了接近一年时间。今天要上传的版本其实在年初就做好了，楼主也手工焊接了几块送给了朋友。楼主是做服务器硬件开发的，从年初到现在连着开发了两块单板，精力全放到工作上了。每天下班都比较晚，然后回到家基本就沉迷于短视频了。虚假的双休，只有周末有空可以拿起相机出去拍拍照。不得不说还是大学时间最充裕，有的是时间发展兴趣。
• 这个USB HUB项目不出意外的话，后面不会更新了。由于之前忙于工作，加之这个社区在网页，所以少有关注到大家的私信与评论，也导致大家在复刻我的工程时出现问题无法得到解答，我得说声抱歉。
• 评论与私信我看了一部分，大家的问题应该主要存在于焊接上，所以一定要确保焊接没问题。同时这个项目我是用AD开发的，后期是接导入到了立创的EDA软件，未做Review，所以立创EDA可能会有DRC，这些问题我有做说明的，希望大家在看文档时能多看看作者的提示。我的建议是大家如果想直接生产就使用我工程包里的源文件。若想用立创EDA的可以自己检查修改下。
• 我是爱电子DIY的，也是爱开源的，后续我会继续创作，分享开源。

一、简述

VL813是一款先进的4端口USB 3.0集线器控制器。内部集成5V转3.3V，1.2V稳压器可节省BOM成本。并且每个端口都有接入指示灯。

• 本方案使用TYPE-C接口作为数据以及电力输入，方便美观。
• 通过自动识别接口插入来切换供电。
• 电路中增加VL160用于Type-C正反插识别。
• 整板除接口外全使用单面贴片封装，方便使用加热台等方式贴片。
• 使用双面板制作，降低成本。虽然TYPE-C的高速线出线有交叉，但目前来看影响不是致命的,速度方面并未打折扣。

二、版本及说明

• VER1.0版本 完成时间2022年11月20日 有以下注意事项
  1、此版本电源切换电路存在一定缺陷，不过不妨碍使用。缺陷详见原理图，计划下个版本改进。
  2、使用支持USB3.0的USB-A转TYPE-C的线，TYPE-C端不支持正反插检测。原因是USB-A接口无CC引脚，无法识别。一面最高支持到USB3.0，一面最高支持到USB2.0。
  3、EEPROM用于存放固件升级，不焊接也不会影响使用。
  4、阻抗按1.0mm板厚双层板设计，使用嘉立创的计算工具得到。为更好的阻抗匹配打样时请打样1.0mm的板厚。

• VER1.1版本 完成时间2022年12月09日 有以下注意事项
  1、此版本只更新外壳设计，电路方案未做修改。3D打印文件已上传，外壳是否可用待验证。
  2、更正VER1.0提及的第二点。之前只有一面USB3.0是芯片问题，焊接新的芯片后无论USBA-TypeC还是TypeC-TypeC都能实现双面USB3.0速度。
  注意：需使用支持USB3.0及以上的线缆，一般手机充电线只支持USB2.0。
  3、使用2.5寸硬盘测试过，在HUB不外接电源时读取速度能达到290M/S。2.5寸硬盘直接接电脑测速为280M/S左右。

• VER1.2版本 上传时间2022年08月27日 有以下注意事项
  1、此版本打样验证了外壳，外壳现在是可用的了。
  2、对上一版本的电路稍作优化，优化了供电部分，增加了eFUSE。其他部分几乎未作变动，算是修复了之前版本的供电方面的bug。
  3、这个版本已打样验证测试过。但仅限于测试了功能，对比了接此HUB前后的速度（HUB上四个口接SSD硬盘时测试的速率基本和SSD直接插电脑的速率基本一致）。若大家有精力可以做做其他的测试，看看是否还有其它的问题。
• 后续这个设计应该不会更新了。。。。。。

三、外观

下图是焊接好后的外观图片

下图是成品渲染图片

四、测试

下图是测试USB3.0以及USB2.0接口速率的结果

五、设计

1、USB3.0与USB2.0差异

• USB2.0的座子一般为白色，USB3.0的座子一般为蓝色。
• USB2.0只有一组差分线DP/DM。USB3.0有两组差分线TX_P&TX_N/RX_P&RX_N。
• USB3.0速率最高为480Mbps，而USB3.0根据不同Gen有不同速率，具体可见下图。
  下图是USB各代的速率及简介
  

2、接口定义介绍

刚开始做的时候被接口的定义整的云里雾里。在这里我将接口定义给贴出来，方便查看。
下图是USB-A 最高支持USB2.0的母头的引脚功能及定义。

下图是USB-A 最高支持USB3.0的母头的引脚功能及定义。

下图是24Pin TYPE-C公头和母头的引脚功能及定义。

3、USB3.0设计注意事项

• 阻抗控制： 建议USB3.0的差分阻抗控制90Ω误差10%，USB2.0差分阻抗控制90Ω误差10%。
• 时延控制： 建议USB3.0差分对内需等长设计，误差小于5mil。USB2.0等长误差控制小于10mil。
• 隔直电容： 建议选取0402以下封装电容，容值官方SPEC要求75nF-265nF之间，布局时靠近端子放置。
• 对内交叉： USB3.0 的P/N如果走线上有交差，可以将差分对的P/N交换，USB3允许P/N反转。

4、其它设计知识

• CC引脚： Configuration Channel，通道配置引脚。这是 Type-C 的关键通道。它的作用有检测正反插、检测USB连接识别、提供多大电压和电流、USB设备间数据与VBUS的连接建立与管理等。市面上通用快充线与普通数据线（双Type-C接口）区别就在CC引脚。
• DFP： Downstream Facing Port，下行端口，可以理解为Host，DFP提供VBUS、数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输，笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。典型的DFP设备是电源适配器。
• UFP： Upstream Facing Port，上行端口，可以理解为Device，UFP从VBUS中取电，并可提供数据。典型的UFP设备是U盘，移动硬盘。