去年年底朋友调试的时候，使用了一个7口USB HUB，因操作失误导致短路，把电源、XDS仿真器、逻辑分析仪、包括USB HUB一连串全部烧了，甚至电脑的USB口也未能幸免。更离谱的是HDMI接口的显示器也跟着香消玉殒了！ 最新科技消息其实在工控设备调试现场，这种一个不小心烧一大串的案例真的是数不胜数。于是我从那个时候就萌生了做一个隔离USB HUB的想法。 对我而言，我经常调试板子，HUB上需要连接的设备有USB转TTL模块、JTAG仿真器等。还需要经常插读卡器来把相机SD卡的内容导出到电脑，偶尔还需要把固态移动硬盘的数据和电脑做交换。前一种场景，做一个隔离的USB2.0 HUB就足够了，但是后者涉及到数据读写量大的情况下需要更高速的USB3.0 HUB，但是这种很少有做隔离的，而我想把这所有的需求都整合到一个产品里。 于是，当前段时间看到南京沁恒出了一款USB3.0隔离HUB方案时，我就把之前这个想法提上了日程。到今天为止，这款USB3.0隔离HUB已经变成产品放在了我的桌子上，我才开始着手写这篇文章记录并分享给大家。 这款USB3.0隔离HUB使用的最关键的芯片是CH319M，这个芯片是沁恒推出的专门用于超高速USB信号的隔离、延长的控制芯片。它可以通过变压器实现5Gbps的USB信号kV级高压隔离、也可以通过光纤实现公里级的延长。 此外，这个芯片还自带USB超高速HUB的功能，符合USB3.2 Gen1协议规范。同一个芯片可以配置成上位机和下位机模式。 所以这个芯片便成了我做这个USB3.0隔离HUB的最佳选择。 我用这个芯片设计了原理图，图纸上左边和右边通过一个绿色的虚线隔离，左边有一颗CH319M，配置为上位机模式，用来连接电脑的USB口。右边也有一个CH319M，它配置为下位机模式，上行口通过三个变压器和左边的CH319M连接。它的四个下行口扩展出了四个USB3.0母座，用来连接USB设备。 电源方面，这个USB3.0 HUB既要能通过PC隔离供电为插入的USB设备供电。又要能通过外接电源为插入的USB设备供电。所以这里既有一个2W功率的DC-DC隔离电源模块，又有一个Type-C口的电源输入口。 有两个输入电源的情况下，势必要有供电优先级。这里采用了一个理想二极管Oring控制器，型号是TPS2121，它可以通过输入分压来设置优先级。当Type-C供电口未供电时，通过隔离电源供电；当Type-C上插入供电并提供5V电源时，CP2引脚处的电压大于PR1的电压，这时候TPS2121会切断从隔离模块过来的电源，转而采用Type-C的5V供电为后端供电。 这样的一个电源切换电路，可以保证优先使用Type-C接口的外接供电为插入的USB设备供电。 其实我一开始挺纠结，这个外接供电口是采用Type-C口好呢，还是采用DC供电口好呢？显然Type-C口供电是非常方便的，现在谁手里没有这种线和充电头呢，但是用这种头子它有个风险，就是有些用户可能会错误的把这个口也接到电脑上。这样就起不到任何隔离作用了，使用DC连接器供电大概率可以避免这个问题（为啥说大概率，因为可能有人会把USB线和DC公头接起来使用，这时候依然可以从电脑USB口取电）。 上面这个问题纠结了我挺长时间，但是有一天我突然想明白了：假如有一个人，他会把隔离供电口给连接到PC的USB口上，那说明这个人基本上不需要使用隔离USB HUB的。想到这一点，我豁然开朗了，当机立断决定使用Type-C口来做为隔离供电口。 于是我迅速完成了整个板子PCB设计。 PCB设计上，最关键的就是1.2V电源设计。芯片的每个1.2V电源供电引脚上都有一个100nF电容，注意过孔的位置，要让电源经过电容引脚之后再流入芯片1.2V电源管脚。 1.2V电源平面放在板子的第三层，上图中是黄色的shape，要保证这个电源平面够粗够短。 另外，隔离变压器摆放的位置，对PCB进行了挖槽处理，器件布局要能保证USB走线严格按照差分等长的方式，避免T形节点出现。 USB3.0的信号走线，要严格按照差分等长来走。 我这里设置了规则。对于USB3.0的信号线，也就是SS_TX和SS_RX差分对，按照3mil等长来做，对于USB2.0信号，DM和DP差分对，按照5mil等长来做。 顶层不做铺铜，USB信号的参考层是第二层，第二层作为完整的地平面来设置。 这是电源选择电路。输出的DVDD5通过过孔进入第三层的电源平面。 板子设计好之后就可以进行drc检查并导出gerber进行投板了。 经过三天的等待，终于拿到板子了。 准备好了钢网。 对正开孔和板子上的焊盘。这里拍照时还没完全对正。 把提前拿出来解冻的锡膏打开，搅拌均匀。 这是刷好锡膏的板子。 放大查看，锡膏刷的还是稍微有点歪，但是这已经不影响焊接了。 由于只焊接一个测试样板，没上贴片机，直接手工摆件。 所有器件摆好了。 放进回流焊炉焊接出炉。焊接的非常好，CH319M是密脚QFN封装，在这里焊接也没有任何问题。 板子上用了三个变压器，其中两个是5100M带宽，另外一个是500M带宽。 到这一步可以用万用表打一下，看看电源和地有没有短路、信号之间有没有短路等情况，再目视检查有没有明显的焊接问题。没有问题的话可以把插件器件焊接上了。 所有的插件焊接上之后，这个板子看起来就像那么回事了。 至此，完成了这个USB3.0隔离HUB的硬件设计、焊接等工作。接下来需要测试。 连接到电脑之后，打开USB Device Tree Viewer，可以看到插入之后，出现了一个USB 3.2 Gen 1 hub，下面有四个口，另外还有一个USB 2.1 HUB，下面也有四个口。 找个固态硬盘盒插入之后，提示出现在USB 3.2 Gen 1 HUB的口了。 往这个固态硬盘写入的速度是384MB/s。 读取的速度是442MB/s。 为了通过对比确认隔离HUB有没有降速，我直接把这个固态硬盘插在电脑的同一个USB口，然后尝试读写操作。 测试发现写入的速度是389MB/s。 <section">读取的速度是443MB/s。 通过测试发现，二者速度几乎没有任何区别，但是从曲线看，通过隔离HUB传输的速度更稳，我考虑这可能是因为固态硬盘高速读写需要大电流供电，而隔离HUB通过外接供电口提供了更大电流的供电能力，但是电脑上的USB3.0接口因为供电不足导致速度不够稳定。 由于我平时经常会把相机SD卡里的照片和视频导出到电脑。所以我又做了以下测试： 这是我用相机拍下的焊接板子的视频，大小为28GB。 我先直接把读卡器插在电脑的USB口上，然后把这个文件复制到电脑桌面的速度是275MB/s左右。= 然后又尝试把这个读卡器插在自制的USB3.0隔离HUB上，发现复制到电脑桌面的速度也是在276MB/s左右。也就是说，在这个链路中，影响速度的是读卡器和SD卡，这275MB/s的速度已经是读卡器和SD卡速度的上线了，但是远远不是USB3.0隔离HUB的上限。 作为一个隔离设备，自己没有外壳可不行。所以我又花了点时间给它画了个外壳，然后3D打印出来，先装进去用。后续找个会工业设计的，把外壳画的漂亮点。 装好外壳的USB 3.0隔离HUB。四个下行USB 3.0接口，一个Type-C供电口，一颗电源指示灯，一颗连接状态指示灯。 上行口用的是B型口。这种口好处是结实，方便与端接驳。这一端也有电源指示灯和连接状态指示灯。 以后在调试电机、强电设备的时候，再也不怕一烧烧一串了。
