7口USB拓展坞

项目简介

本项目是基于FE2.1设计的7口USB拓展坞。设计初衷是因为本人的笔记本电脑只有一个USB口，一个TYPE-C口，对于一个经常要插鼠标、键盘、DAP调试器、USB转串口等工具的人来说，网上普通的4口拓展坞数量实在不够用，所以设计了这一款拓展坞。作为USB2.0的主控芯片，日常使用鼠标键盘绰绰有余。
设计如有不对之处，请指出，感谢！

项目功能

本设计的特点在于USB口之间的间隔较大，可以防止DAP调试器等大体积的设备挤占旁边的USB口。使用TYPE-C接口作为输入，即插即用。

项目参数

拓展坞大小

在有外壳的情况下，长约为103mm，宽约为48mm，高约为20mm，想了解其他具体参数可以在PCB中自己量一量。

传输速率

该拓展坞平时使用鼠标键盘没有问题，但是经过测试（向U盘里面复制文件），传输速率非常慢，而且经常会出现速率为0K/s的情况。如果大家能够发现并指出问题所在，本人不胜感激！

原理解析（硬件说明）

TYPE-C输入电路

选用16p TYPE-C座子作为输入，CC1、CC2引脚通过电阻接地，将拓展坞设置为从机（在USB-IF给出的TYPE-C协议参考文档里面，推荐使用5.1KΩ电阻，参考文档会放在附录），同时接了两个滤波电容。

FE2.1主控电路

接下来对FE2.1的引脚做简要说明，具体细节可以查阅数据手册（数据手册放在附录）。

LED[x] 引脚用于显示下游端口的状态，DRV 引脚用于驱动状态LED，TESTJ 引脚用于控制EEPROM，本设计中没有使用，所以将这些引脚悬空。如果想要使用，可以参考数据手册。

VDD5 引脚为5V电源输入引脚，同时是5V转3.3V降压输入引脚。

VD33_O 引脚为芯片内部5V转3.3V降压输出引脚，需要接一个10uF的电容。

VD33 引脚为3.3V电源输入引脚。

VD18_O 引脚为芯片内部3.3V转1.8V的降压输出引脚，需要连接一个10uF电容（本项目原理图忘记加上了，但是也能用，大家注意一下，最好还是加上去吧）

VD18 引脚为1.8V电源输入引脚。

VSS 引脚为接地引脚，直接连接GND即可。

VD_PLL 引脚为锁相环的电源输入引脚，输入1.8V电压。

VS_PLL 引脚为锁相环接地引脚，直接连接GND即可。

PWRJ 引脚为电源控制引脚，用于控制下游端口的电源，本设计直接将TYPE-C的VBUS连接到USB输出的VBUS，没有使用电源控制，所以将其悬空。如果需要使用电源控制，可以参考数据手册。

OVCJ[x] 引脚用于过流保护，低电平有效。本设计中没有使用，所以将其拉高到3.3V。

XIN和XOUT 引脚为12MHz晶振的输入输出引脚。

DP[x]和DM[x] 引脚为差分数据线的正引脚和负引脚。

REXT 引脚，用于提供内部偏置参考，应该连接一个2.7kΩ的电阻到GND。

XRSTJ 引脚，外部复位引脚，低电平有效。设计了复位电路（掉电时为低电平，上电后因为电容电压不能突变，保持一段时间的电平，随后变为高电平，电路开始正常工作）

VBUSM 引脚，用于检测上游端口的VBUS。查阅数据手册可以得到该芯片的高低电平范围。设计分压电路，使上电后的VBUSM引脚电压保持在3.3V左右。

USB输出电路

选用立式USB-A母座作为输出，每个母座接了一个100nF的滤波电容。

PCB布局

因为本人的DAP调试器体积较大，所以将USB母座的间隔设置的比较大。实际上如果不需要或者喜欢小体积的拓展坞，完全可以将体积缩小大约一半。

同时为了差分走线比较方便，上下的USB座子方向是相反的（个人使用没什么感觉，如果不喜欢可以自己改了）

晶振和滤波电容等器件也尽可能的靠近芯片摆放。

PCB布线

本设计的重点在于差分走线，如果实在一次性走不出等长的差分线，可以使用嘉立创的等长调节功能（不会的可以看我以前写的一篇https://oshwhub.com/u202213836/usb20-expansion-dock-based-on-sl21a）

同时为了更高的速率，也对USB的差分线做了阻抗匹配（虽然2.0没必要，而且做了好像也没什么用），USB差分线的阻抗为90Ω，使用四层板，经过嘉立创阻抗计算器( https://tools.jlc.com/jlcTools/index.html#/impedanceCalculatenew )计算，得到线宽为5.6mil，修改线宽即可阻抗匹配。（本人对阻抗匹配的理解就是这样，纯新手，如有不对还请大家指出）

既然使用了四层板，将其中一层设置为GND，一层设置为5V，使得拓展坞有更好的带载能力。

软件代码

本项目为纯硬件项目，不涉及软件。

注意事项

焊接

TYPE-C和FE2.1是该项目中焊接比较困难的部分。连接电脑之后，如果在设备管理器-通用串行总线控制器下没有找到“通用USB集线器”，或是弹出警告“前一个连接的USB设备错误”。如果原理图没有问题，可能是焊接出现了问题，仔细检查，保持耐心。

外壳组装

外壳侧面的TYPE-C开槽大小对于比较细的线足够，但是宽一些的线可能会插不上，本人用锉刀磨了一些，可以正常使用，或者也可以考虑将外壳与PCB之间的间隔缩小，可能可以改善这个问题。也可以自己设计更好的外壳。

组装流程

外壳使用嘉立创EDA专业版编辑，3D打印制造。
首先将四角的螺丝拧进去一些，初步固定电路板；然后使用热熔胶将电路板固定，防止其上下晃动；最后盖上盖子，将螺丝拧紧，即可组装完毕。

实物图

正面图

反面图

侧面图