USB2514i USB HUB及其应用

　　1 引言

　　通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)是一种快速、双向、同步、可动态监测的串行接口，广泛应用于个人电脑的外设连接。USB支持实时声音、音频数据和视频数据传输。而目前USB HUB(通用串行总线集线器)包含USB HUB和功能元件的USB设备不断涌现。因此要求在USB主机和复杂外围设备之间有一种高性能、高速的数据传输。SMSC的USB251x系列USB 2.0集线器控制器具有多功能、高性价比和低功耗等特点。该集线器控制器采用创新的MultiTRAK技术，能够在混合速度的USB环境中提供行业领先的数据吞吐量，适用于为那些要求低功耗、小体积、高性能的应用提供USB端口扩展。

　　2 USB2514i简介

　　USB2514i是USB25lxi-temp系列中的一款，具有1个USB上行端口、4个USB下行端口的工业级USB2.0 HUB器件，每个下行端口最大工作电流可为500 mA，最高速率为480 Mb／s，并在全速USB1.1(传输速率为12 Mb／s)和低速USB1.0(传输速率为1.5 Mb／s)的基础上提出第三种高速传输速率。USB2.0完全兼容USB1.1和USB1.0。USB HUB支持多个不同属性的USB外部设备，分层星形拓扑结构支持多达127个外部设备，为USB用户提供方便、简捷的连接方式。同时USB2514i也支持热插拔，即在不关机的情况下用户可直接插入或拔出设备。

　　USB2514i的主要特性如下：4个下行端口；4个高性能的事务转换器；36引脚QFN和48引脚QFN封装；与USB2513i和USB2512i(36引脚QFN)的封装相兼容；支持工业级的温度范围-40℃～85℃：MultiTRAK-每端口传输转译器，可在混合速度USB环境中提供最佳数据吞吐量；较低的工作电压(5 V)；片上通电复位；集成1.8 V电压调节器；完全集成USB终端和上拉／下拉电阻；板上24 MHz晶体振荡器驱动器或外部24 MHz时钟输入；USB主机／设备速度指示器，每个端口具有3种颜色的发光二极管驱动器指示USB主机／设备的连接速度；其中，高速(480 Mb／s)，全速(12 Mb／s)，低速(1.5 Mb／s)(48引脚QFN封装)；增强型EMI抑制和ESD保护。

　　3 USB2514i内部结构

　　USB2514i的内部结构框图如图1所示，包括转发器(HUB Repeater)、控制器(HUB Controller)和处理翻译器(Transaction Translator，TT)。USB2514i工作在信号传输、重新启动和等待3种状态，支持高速、全速和低速3种传输速率。其传输速率取决于面向主机的上行端口系统的连接状态和面向USB设备的HUB下行端口外围设备的传输状态。当HUB上行端口连接高速系统时，HUB必须工作在高速状态；当HUB的上行端口连接全速系统时，HUB必须工作在全速状态。HUB Repeater负责HUB上行端口和HUB下行端口工作在同一传输速率的连通性。HUB Repeater必须有1个端口连接至上行端口，并有1个或多个端口连接至下行端口。HUB Controller提供主机到HUB的状态和控制。当HUB工作在高速传输状态而同时又有全速或低速的外围设备与HUB相连时，处理翻译器则把高速信号分类处理并将其翻译成全速或低速处理信号。当一个外围没备与HUB的下行端口相连时，工作速率决定其路由逻辑是连接至HUB转发器还是HUB处理翻泽器。

　　SIE主要负责物理层和协议层的协议解析，控制器主要负责设备层的协议解析，缓冲区是SIE和控制器之间通信的桥梁，SIE把接收到的数据包存放在缓冲区中供控制器读取，控制器把需要发送的数据存放在缓冲区中供SIE读取。

　　SIE模块的主要功能包括：包的解析与组织，PID检测、产生，CRC校验码的识别、产生，地址检测，数据的串／并、并／串转换，比特填充、提取，NRZI编、解码，时钟与数据的分离等。在SIE中存在多个异步的时钟区域，典型的SIE都包含如下时钟区域：主机的12 MHz时钟，即从接收到的数据流中提取的数据时钟。本地48 MHz全局时钟和本地12 MHz发送时钟(由48 MHz全局时钟4分频得到)。SIE与其他模块的接口时钟，主要是SIE与控制器之间关于缓冲区和接口寄存器的读写握手信号。

　　其时钟区域最难实现同步的是本地时钟和主机时钟。本地时钟和主机时钟是由两个不同的晶体振荡器产生，它们之间可能存在±0.25的误差，所以SIE必须采用适当的方法实现位同步。一个典型的位同步方法就是采用一种特定结构的数字锁相环(PLL)。

　　4 USB2514i的应用电路

　　4.1应用电路

　　图2所示为USB2514i的应用电路。其电路外部供电电压为5 V是由PQlL333M2SP转换为3.3 V提供。4个USB下行端口的供电引脚分别经过两片MIC20261BM，其内部具有限流保护电路，当电路由于短路等原因导致电流过大时，MIC20261BM能够自动切断USB下行端口的供电引脚，从而有效保护设备和负载。通过设置USB下行端口的数据引脚(D+、D-)是否上拉可以控制USB下行端口是否使能。

 　　4.2 PCB设计

　　在PCB设计中，应着重考虑如何提高USB2.0信号的传输质量，减小电磁干扰(EMI)和静电干扰(ESD)。在电路设计中，为了减小高频干扰，提高速信号的传输质量，在数字电源和数字地之间应尽可能多放置去耦电容；在靠近USB2.0处多放置旁路电容，如果使用表面贴电容，则应尽可能扩大焊接点。在PCB设计中，首先限定USB2.0的2条差分对信号线D+／D-以及高速时钟线的长度，使布线最短；保持D+／D-2条信号线相同，且始终平行；尽可能增大每对儿信号线间和每对儿信号线与其他信号线间的距离．2条差分对信号线D+／D-、高速时钟线的距离越远越好；在可能的情况下，将USB2.0信号线布在靠近共地层；不要将USB布线在晶体振荡器、时钟和磁性设备或IC的下面；在只能用90°转角布线时，可利用2个45°转角代替1个90°转角。