摘 要：集线器是USB系统金字塔型拓扑结构中不可或缺的组成部分。本文首先介绍USB3.0及HUB的特点，然后详细论述基于USB5534B的四个端口USB3.0HUB设计，最后探讨USB3.0端口ESD保护设计，验证结果表明该设计的可行性以及未来应用前景。
关键词：USB3.0 集线器 USB5534B ESD保护
中图分类号：TN403 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0004-02
USB全称是通用串行总线（Universal SerialBus），是由英特尔、IBM等多家IT巨头联合提出的接口标准，由于其具有支持热插拔，即插即用，成本低廉等优点，迅速在PC、消费电子产品、工业及军事等诸多领域得到普及。
从1994年USB规范0.7版本问世，到2000年USB2.0版本推出，USB传输速率从1.5 Mb/s跃升到480 Mb/s。虽然短短几年内USB传输速率得到320倍的提升，但仍无法满足当下以GB为数量级的数据传输需求，因此USB3.0应运而生。
HUB（集线器）是USB系统金字塔型拓扑结构中不可或缺的组成部分，作为一类特殊的USB设备，它建立了主机与USB设备之间的桥梁。HUB实现USB接口扩展功能的同时，也负责电源管理，总线监测，设备检测和管理等功能，为用户提供高效和友好的使用体验。
1 USB3.0及HUB介绍
英特尔、HP、NXP等业界领先公司于2008年底正式发布USB3.0标准，SuperSpeedUSB理论最高速率达5.0Gbps，USB3.0数字设计采用双总线结构，向下兼容USB2.0以及更低版本。
在接口结构方面，为兼容USB2.0及以下接口标准，USB3.0将接口巧妙的设计为上下两层触点相交错的结构，如图1所示。下层4个触点中的D+和D-两个触点为USB2.0数据收发差分触点，用来进行高速数据传输，两侧的GND和VBUS为电源触点；上层新增加的5个触点，USB3_TX是超高速数据发送差分触点，USB3_RX是超高速数据接收差分触点，中间GND触点是为连接额外的信号接地线。
相比USB2.0的半双工二线制总线，USB3.0采用对偶单纯形四线制差分信号线，可支持双向并发全双工数据传输，这就是USB3.0传输速率猛增的关键原因。此外，USB3.0采取了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态，还可为外设提供高达900 mA的电力支持。USB3.0性能不仅比USB2.0有大幅提高，在主要竞争对手中也脱颖而出，请参见表1。USB3.0的创新和优势必将使其获得迅速推广，广泛认可。
USB3.0HUB设计与USB2.0及以下标准的HUB设计是相独立，两者互不干扰；USB3.0使用一组独立的总线连接至USB3.0控制中心，而USB2.0及以下标准的控制中心则单独设计。这种USB3.0HUB的设计方式可避免USB3.0设备在进行超高速数据传输时的干扰，也能对USB2.0及以下的标准实现良好的兼容。
2 USB3.0HUB电路设计
USB5534B是MICROCHIP公司推出的四下行端口超高速USBHUB控制器，其符合USB3.0规范要求，它的主要特点如下。
（1）所有下行端口均支持5 Gbps超高速（SS），480 Mbps高速（HS），12 Mbps全速（FS）和1.5 Mbps低速（LS）的USB传输速度。
（2）支持大多数电池供电设备的充电，符合USB-IF电池充电V1.2规范要求。
（3）具备优化的低功耗、低发热的芯片控制和管理。
（4）可以通过SPIROM、OTPROM或SMBus进行芯片配置。
（5）支持JTAG边界扫描。
（6）支持Windows7，Vista，XP和Linux等操作系统。
2.1 HUB电源设计
USBHUB供电方案分为总线供电和自供电两种。采用总线供电HUB可为所有下行USB设备提供总计小于900 mA电力支持，对下行设备有严格功耗限制，但其具有简单、便携等优势；而自供电HUB则可满足每个下行USB设备高达900 mA电力需求，但是自供电HUB设计较复杂。本设计兼顾总线供电和自供电方案，用户可根据实际需要自由选择供电方案。
根据参数手册，USB5534B在同时挂载四个超高速USB设备时最大功耗，此时需要3.3 V和1.25 V电源电流分别为60 mA和1177 mA。本设计选用TI公司TPS70302PWP低压差线性稳压器，其双路输出电压可编程，对应最大输出电流为1 A和2 A，输出电压由公式1计算得出：
，其中=1.224 V （1）
当=3.3V时，=51.1KΩ，=30.1 kΩ。
当=1.25V时，=0.64KΩ，=30.1 kΩ。
HUB电源设计如图2所示，HUB可使用上行总线供电工作，也可使用外置+5 V电源供电。当HUB使用自供电时，Q1A可自动切断上行USB总线供电，降低主机功耗，防止电流倒灌，确保USB设备得到稳定充足供电。D2对HUB电路进行过压和过流保护。
2.2 HUB过流保护设计
考虑到USB设备的安全，USB3.0规范在11.4.1.1.1条对HUB过流保护提出明确要求。当所有下行端口总电流超过5.0 A预定值时，过电流保护电路应该消除或减少相应下行端口的功耗。预定值必须大于所允许的最大端口电流或时延的瞬态电流（例如开机，动态连接或重新配置时），并可以受到过电流保护。
本设计选用Diodes公司AP2176S双通道过流保护芯片，可为两个下行端口提供独立的过流保护，其动作电流1 A，关断延时0.1 ms，符合UL60950-1标准中必须限制短路电流在5 s内小于8 A的要求。AP2176S的使能输入ENx引脚和故障开漏输出FLAGx引脚分别连接至USB5534B供电使能输出PWRx引脚和过流监测输入OCSx引脚，电流输出OUTx则连接至USB连接器V+引脚。当任意端口电流大于1 A时，FLAGx输出低电平至OCSx，经可编程的微秒级延时PWRx输出低电平至ENx，相应端口的电流被关断。
2.3 外围配置电路设计
稳定性的振荡源和可靠性的复位电路是硬件电路设计的重点。本设计中采用漂移低的24 MHz有源晶振，配合π型电源滤波网络作为USB5534B时钟电路。选用复位阈值电压为3.08 V的MAX809T专用电压监控电路，为USB5534B提供可靠且抗干扰的低电平复位信号。
用户可通过内部寄存器、SPIFLASH或SMBus三种方式配置USB5534B芯片。当系统上电时，如USB5534B检测不到有效的外置SPIFLASH或SMBus使能，则使用芯片内部寄存器默认配置，此时MICROCHIP公司预设于内部ROM中的VID、PID、DID等描述字在枚举过程中被报告。对于绝大部分应用默认配置即可满足，本设计为后续可能的专业应用预留SPI配置，用户可通过SPIFLASH配置各端口的功耗管理、复合设备、过流保护延时等参数。
3 USB3.0端口ESD保护
根据USB3.0规范6.10.1条，所有信号和电源引脚必须能承受2 kV人体放电模型和500 V充电设备模型而不损坏。但实际应用中静电放电电压甚至高达8 kV，静电放电经常会导致潜在损害或灾难性故障，额外的ESD保护成为USB端口生存的必要条件。在业界获得广泛认可的国际电工委员会在IEC61000-4-2条款定义了，在不同的环境和安装条件中ESD测试水平，并建立了相应的测试程序。按照IEC61000-4-2条款第4级的要求，超高速USB3.0端口一定要能够承受至少8kV的接触放电。
USB3.0传输速度的上升和通道电容的下降，使得分离器件保护效果很不理想，USB2.0的ESD保护方案也不再适用。本设计选用美国力特公司SP3012-06UTGTVS阵列，其内部二极管能吸收瞬态电流，泻放电流，利用雪崩二极管来钳制电压电平。SP3012能够在μDFN14的小体积封装内提供6路±12 kVESD保护，使所有USB3.0数据线处于防护之下。SP3012二极管对地电容典型值为0.5pF，低于USB3.0要求1pF极限值，最大限度的保持了USB3.0数据完整性。数据发送信号线串联100nF电容可消除低频干扰，USB外壳经过阻容泄放接地，改善系统的EMI特性。
4 结语
本文设计的基于USB5534B的USB3.0 HUB严格实现USB规范中要求的全部功能。利用ATTODiskBenchmark软件测试USBHUB的传输速度，其读取数据可达到960 Mbit/s，写入速度可达到872 Mbit/s。由于软硬件、线缆等因素影响，虽然实测传输速度较USB3.0理论最大值5 Gbit/s有一定的差距，但应是USB2.0传输速度6倍以上。
该USB3.0HUB具有体积小巧，安全可靠，成本低廉等优点，且为后续开发预留充分，可应用于计算机、电子消费品和工业等领域。伴随USB3.0主机和设备的迅速普及，该产品将有很好的市场潜力。
参考文献
[1]UniversalSerialBus3.0Specification Revision1.0[Z].
[2]USB5534B4-PortSS/HSUSBHUBCon trollerDataSheetREVA[Z].
[3]DUAL-OUTPUTLOWDROPOUTVOL TAGEREGULATORSWITHINTEG RATEDSVSFORSPLITVOLT AGESYSTEMSRevisionH[Z].
[4]王宗超，倪凯，等.新一代高速串行接口USB3.0介绍[J].技术论坛，2010（2）：32-34.