Isolierter aktiver Hochgeschwindigkeits-USB-Hub

Hallo.

Aufgrund der Tatsache, dass ich mich beruflich mit Hardware-Design beschäftigen möchte, habe ich mich entschieden, an einem bescheidenen Portfolio zu arbeiten. Ich lerne immer noch Altium Designer, also suche ich nach interessanten Ideen, die ich umsetzen kann. In diesem Fall ist es auch meine erste 4-Lagen-Leiterplatte und ich muss sagen, dass ich ab jetzt nur noch solche machen werde Dies ist auch die erste Platine, für die ich eine Lotpastenmaske bestellt habe. Ich muss zugeben, dass bei so vielen SMD-Bauteilen die Lotpastenmaske eine große Hilfe ist.

Da ein Projekt, das ich in Zukunft erstellen möchte, eine Hochspannungskomponente haben wird, dachte ich, dass die ST-LINK-Isolation nützlich sein könnte. Ein paar Mal ist es mir durch einen kleinen Kurzschluss gelungen, die CPU zu töten, und ich möchte nicht, dass mein Projekt irgendwann zum USB-KILLER wird.

Die Isolierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine davon ist die Trennung der CLK- und DATA-Signale der SWD-Schnittstelle. Nach kurzer Recherche stellte sich heraus, dass dies nicht die optimale Lösung ist. Beispielsweise hat der ADuM1250/51-Chip, der ein i2c-Bus-Isolator ist, der in diesem Fall verwendet werden könnte, eine maximale Geschwindigkeitsbegrenzung von 1 MHz. SWD wird funktionieren, aber wir werden gezwungen sein, das Timing unnötig zu reduzieren.

Man kann nach anderen, schnelleren Isolatoren suchen, aber diese Lösung wird immer noch einige Einschränkungen haben.

Die natürliche Wahl scheint also zu sein, den USB-Anschluss selbst zu isolieren. Nach eingehender Überlegung stellte ich fest, dass es gut wäre, eine Option der seriellen Schnittstelle zu haben und einen Logikanalysator anzuschließen, sobald der Programmierer angeschlossen ist. Ursprünglich wollte ich einzelne, vorgefertigte, passive USB 1.1-Isolatoren von aliexpress kaufen, aber ich fand, dass es entwicklungsfähiger wäre, etwas Eigenes zu machen. So entstand die Idee für den isolierten USB-Hub. Als Ergänzung habe ich mich entschieden, dort einen isolierten Umrichter hinzuzufügen, damit der Hub aktiv ist. Ursprünglich war ich überzeugt, dass USB Full Speed ausreichen würde, schließlich ist so ein Gerät recht spezifisch und Übertragungsgeschwindigkeit ist hier nicht die Hauptannahme. Es scheint mir, dass es um den Januar herum keinen USB2.0-Isolator bei Mouser gab. Es war auch schwierig, etwas in Google zu finden, also fiel die Wahl auf:

- ISOUSB111DWEVM - USB-Isolator mit voller Geschwindigkeit. In Version 0.2 geändert zu ADUM3166BRSZ - USB High Speed.
- USB2534I - HUB 4xUSB
- IES0205S05 - Isolierter 5V/5V 2W Umrichter für passives USB.
- LM5020 - Controller des Haupt-DC/DC-Wandlers.
- TPS2552DBVT - USB-Port-Leistungsregler mit einstellbarem maximalen Ausgangsstrom

Lassen Sie mich die Version 0.2 mit einigen Modifikationen besprechen, die dem Schaltplan auferlegt werden, und die PCB-Version 0.3, die vielleicht in naher Zukunft bestellt wird.

Der ADUM3166BRSZ-Chip ist fast eine Anwendung aus dem Datenblatt. Der Chip benötigt keine externen Widerstände, alles ist integriert und automatisch im Chip selbst konfiguriert. Die Sekundärseite der Schaltung erfordert den Anschluss einer isolierten 5-V-Spannung. Theoretisch ist ein 3,3V-Linearregler in der Schaltung, der zur Versorgung des U9-Chips verwendet werden kann, aber die Experimente in Version 0.1 haben gezeigt, dass die Stromausbeute beim Start nicht für einen stabilen Betrieb ausreicht (zumindest im USB111 Chip, um Überraschungen mit dem neuen Chip und der neuen Platine zu vermeiden, habe ich mich gleich für einen externen Stabilisator entschieden). Für einen ordnungsgemäßen Betrieb sind außerdem ein 24-MHz Quarzoszillator und mehrere Filterkondensatoren erforderlich.


Der USB2534I ist auch nicht sehr kompliziert und im Grunde ist seine Anwendung auch ein Datenblatt. Jede Konfiguration der Schaltung besteht darin, bestimmte Pins zu Strom oder Masse zu ziehen. In meinem Fall sind alle Ports auf Ports eingestellt, die Batterien laden (BC_ENx) und mit Einstellungen aus dem internen Eeprom (SCL/SDA) booten können. Der Hub-Aktivität-Pin und Informationen über Full-Speed-Kommunikation sind mit LEDs verbunden. Der LED0-Pin (Aktivität) muss über die MPLAB Connect Configurator-Anwendung konfiguriert werden, die Anwendung scheint jedoch ein Problem mit den entsprechenden Treibern unter Windows 10 zu haben. Ich habe derzeit keinen Laptop mit älterem Windows, daher ist diese Option nicht aktiv. Laut Datenblatt muss RBIAS 12 kΩ betragen, ein Präzision-Widerstand wird nahe der Schaltung empfohlen.

Der TPS2552DBVT-Chip ist ein USB-Port-Controller. Die Stromversorgung des Ports ist immer eingeschaltet (Enable-Pin auf Masse gezogen). Der Widerstand R6 stellt den maximalen Ausgangsstrom ein. Wenn dieser Strom überschritten wird, wird das Fehlersignal mit Masse kurzgeschlossen und in Windows wird eine Meldung angezeigt, dass die Spannung am USB-Anschluss instabil ist. Bei einem 210-kΩ-Widerstand liegt die Strombegrenzung bei ca. 100 mA. Beim Auftreten von 5 V Spannung vom Haupt-DC/DC-Wandler wird zusätzlich ein 66-kΩ-Widerstand zugeschaltet, wodurch der maximale Strom auf ca. 550 mA erhöht wird. Auf jeder Stromleitung befindet sich ein 120-µF-Kondensator gemäß der Spezifikation von USB 8. Ein Kondensator und ein Widerstand am USB-Anschluss können installiert sein oder nicht - abhängig von der Frage der Erdung von der Host-Seite. In meinem Fall sind diese Elemente nicht gelötet.

Der IES0205S05 ist ein isolierter Wandler 5 V/5 V 2 W, der die Ports, den Isolator und den Hub im passiven Modus mit Strom versorgt. Grundsätzlich wollte ich, dass jeder Port auf 100 mA begrenzt wird (was bei maximaler Stromaufnahme aller Ports theoretisch zu viel wäre). Theorie ist Theorie, die Praxis hat gezeigt, dass der den Ausgangsstrom begrenzende Widerstand mit 210 kΩ etwas zu groß ist und selbst beim Anschluss eines normalen USB-Sticks der Strom abgeschaltet wird und in Windows die Meldung „instabile Stromversorgung“ erscheint. Am Ende wurde der Widerstandswert auf 150 kΩ festgelegt (der Ausgangsstrom beträgt also etwa 180 mA). Bei einer maximalen Belastung von 2 Ports ist der Spannungsabfall auf dem USB so stark, dass die Meldung trotzdem erscheint und die Versorgungsspannung vom Port getrennt wird. Im passiven Modus muss man also natürlich aufpassen, aber bei Überlastung geht nichts kaputt. Höhere Stromaufnahme = Spannungsabfall = Lastabschaltung durch TPS2522.
D5 und Q2 ist die Stromumschaltung zwischen aktiv und passiv - falls 5 V niedriger als 5 V DC/DC sind, wird letzteres mit dem Q2-Mosfet vollständig getrennt, wenn eine externe Stromversorgung angeschlossen wird.

Der LM5020 ist der Haupt-Flyback-Controller. Der verwendete Transformator ist POE13F-50LD. Die Ausgangsspannung beträgt 5 V, der maximale Strom bei 2 miteinander verbundenen Wicklungen beträgt 2,5 A. Der Wandler verfügt über einen Überstromschutz in Form einer Spannungsmessung an den Widerständen R41 und R42. Es gibt einen kleinen Fehler im aktuellen Schaltplan und Leiterplatte. Der Punkt zwischen den Widerständen R30 und R31 ist nicht miteinander verbunden, und dem Schaltplan fehlt eine Verbindung zwischen ihnen und C20. Jedenfalls aktiviert eine einfache Modifikation in Form des Entfernens aller Komponenten und des Einlötens eines 1-µF-Kondensators den internen LDO-Regler, der zur Steuerung des Gates des Transistors verwendet wird.
Die Ausgangsspannung des Wandlers wurde auf 5,3 V eingestellt, um den an der Diode D5 auftretenden Spannungsabfall zu kompensieren.

Etwas fraglich ist, ob ein isolierter Konverter benötigt wird, schließlich kann jedes Ladegerät verwendet werden. Ja, es besteht die Möglichkeit, dass der PC und der HUB dieselbe 24-V-Stromversorgung haben, aber dann ist eine Isolierung auf der Hub-Platine erforderlich.

Die Platine ist passend für das Gehäuse 546-1455L801RD von Mouser. Ich habe mich für Rot und Schwarz entschieden, daher kann der Hub auch als Gaming-Hub bezeichnet werden Alle Löcher werden mit einer Tischbohrmaschine und Feilen handgefertigt. Es ist nicht perfekt, aber als Bastelarbeit bin ich damit zufrieden. Einige Beschriftungen und ein Logo fehlen, vielleicht mache ich irgendwann mal was mit Thermotransfer. Vorerst lasse ich es so wie es ist Die Platine passt ohne Probleme inn das Gehäuse, sie hat etwas Spiel, das mit jedem Schaumstoff ausgeglichen werden kann. Wenn es so kommt, dass ich die Version 0.3 mache, wird die Platine um 3 mm verlängert, damit sie "mit Kontakt" passt.

In den Anhängen hinterlasse ich Schaltpläne und Gerber-Dateien, falls jemand Interesse an Projektdateien hat, bitte PN an mich.