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发布人：管理员 发布时间：2020-03-26
笔者近期接到2U云媒体服务器产品设计任务，该产品的应用领域为高清视频流，视频会议，在线课堂，视频监控和智能视频分析。这款产品需求2U机箱对外支持4个USB 2.0接口，用于外接扩展设备，如鼠标、键盘及U盘等。
根据设计需求，选取的芯片应满足其USB接口支持USB2.0标准，至少能扩展出4路USB接口，低功耗较，使用简单,无需复杂软件配置及切换操作，封装较小且易焊接及维护。基于这些因素评估多家USB HUB芯片后，笔者终选择瑞萨电子推出的UPD720114作为本次产品的解决方案。
UPD720114是一款支持USB2.0接口的1/4转换芯片。该芯片的5个USB接口可支持1.5Mbps，12Mbps及480Mbps三种传输速率。三种可选传输速率增加了设计的灵活性，便于设计人员依据不同接口的功能需求进行速率配置。在不同速率下的运行功耗也会有所改变，但在所有USB端口同时以高速模式传输数据时，UPD720114的电流损耗仍可控制在149mA范围内。在空闲状态下，UPD720114的电流损耗甚至可控制在10uA。由此可见该芯片的功耗较低。
本次设计主要是由CPU主芯片的一个USB接口通过UPD720114芯片扩展出4个USB接口用于接入4个USB插座。
在原理图设计阶段需考虑以下几点：
1）对接芯片的USB接口的传输速率是否匹配。
方案框图中CPU芯片的USB PHY是USB 2.0接口，那么在选择UPD720114芯片作为对接芯片前，就要核查下UPD720114是否支持USB 2.0接口或者更高速的USB3.0接口。2. UPD720114芯片和4个USB插座的供电信号由LDO芯片提供。
上述方案中USB接口的传输速率都规划为480Mbps。为了小化电源噪声对USB传输信号线的影响，建议使用LDO芯片输出的电压信号供给UPD720114芯片和4个USB插座使用。供给4个USB插座使用的LDO芯片可以考虑具有限流能力，用于保护USB接收器件被过大电流冲击出现损坏。
2）USB插座需要加入静电保护电路。
由于USB插座在使用过程中极有可能遇到静电问题。设计时可以将USB差分数据信号线接入TVS二级管进行保护。同时将USB插座的外接接入大地信号，在大地信号上接入大电容，给意外接入USB插座的静电信号以泄放通道，避免不必要的损坏。
原理图设计完成后，当然该考虑PCB布局布线问题了，在此阶段同时需考虑到以下几点：
1）UPD720114芯片外接晶振要尽量远离USB数据差分信号线，避免时钟信号与USB数据差分信号之间的串扰。
2）UPD720114芯片外接晶振的滤波电容尽量靠近UPD720114芯片，以保证接入UPD720114芯片的时钟信号质量。
3）UPD720114芯片尽量靠近USB插座，尽量缩短USB数据差分信号线长度。
4）UPD720114芯片供电信号上的去耦电容和磁珠要尽可能靠近UPD720114芯片，尽量减小传输线的电感和噪声对芯片影响。
5）静电保护器件TVS二级管要尽量靠近USB插座，[敏感词]化实现TVS二级管的保护功能。
6）五对USB数据差分信号线平行走线，长度误差控制在2mil内，两根数据线的长度不能超过4in，差分阻抗要控制在90Ω±15%的范围内，单根阻抗要控制住45Ω±10%。
7）五对USB数据差分信号线在走线过程中遇到需要打过孔问题，可以在过孔附近同时打上地孔，用于减小回流路径。
8）五对USB数据差分信号尽量远离供电芯片及供电信号。
以上就是我在使用UPD720114芯片的一点点设计经验分享，写于此希望能给其他工程师的设计以帮助。
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