オープンソースのType-C入力USB3.2拡張ドック、4つのUSB3.2 Gen2ポート + 2.5G LANポート + TF/SDカードリーダー、PD急速充電による外部電源供給に対応、入力電圧範囲4～20V、Buck-Boost回路による5.1V安定出力、VL160+VL822+RTL8156BG+GL3224チップベース
Open-Source USB 10Gbps Hub with 2.5Gbps Ethernet & TF/SD Card Reader
まだ高速PCBの設計経験がありません。初めてのプロジェクトです。改善点や誤りがあれば、皆様のご指導をお願いします。
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プロジェクトの動画デモおよび設計過程の動画： https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
立創オープンソースプラットフォームのオープンソースリンク： https://url.zeruns.com/U9sCt
電子/マイコン技術交流QQグループ： 2169025065
資料ダウンロードリンクは記事末尾にあります！
プロジェクト概要
これはUSB-C入力のUSB3.2拡張ドックで、4つのUSB3.2（10Gbps）Type-A出力ポートがあります（入力ポートも10Gbpsのため、総転送速度は10Gbps）。さらに2.5G LANポートとTF/SDカードリーダーを搭載しています。
5V電源部はBuck-Boost昇降圧回路で5.1Vを出力（0.1V高めに設定することで、大電流時の配線損失を補償）。2つのType-C入力ポートを備え、一方はデータ通信ポート（電源供給にも対応しますが、急速充電をトリガーすることはできません。5V入力のみで、昇降圧回路にも接続され、大電流時の出力電圧降下を防ぎます）、もう一方は電源供給専用ポート（PD急速充電を誘導して20Vを出力し、昇降圧回路で5.1Vに降圧します）。5V電源回路は最大9.5Aの電流出力に対応し、各USB-Aポートは最大2Aの電流出力に対応します。
本プロジェクトでは2つのVL822チップを使用しています。片方のVL822はUSBポートが1つ空いており、追加のAポート出力や、マイコンと電流/電圧サンプリング回路を追加して、各USBポートのリアルタイム電圧/電流を測定し、USB経由でホストコンピュータに送信するなどのカスタマイズも可能です（元々はその予定でしたが、基板サイズの制約で断念しました。基板を大きくしたくありませんでした）。
本プロジェクトは上下2層基板構造で、上基板は主に5V昇降圧電源回路とカードリーダー回路を配置し、下基板はUSBハブと2.5G LANカード関連回路を配置しています。上下基板はFPCフラットケーブルとXH2.54フラットケーブルで接続されます。
使用した主なチップ：VL160、VL822、RTL8156BG、GL3224、EA3036、MT2492、SC8703
本プロジェクトはこのプロジェクトを参考に設計しました - 独立した安定化電源を備えたUSB3.2拡張ドック：https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter
拡張ドック仕様
- 入力インターフェース：USB-C
- 出力インターフェース：USB-A、RJ45、TF、SD
- 入力インターフェース最大速度：10Gbps
- 出力インターフェース最大速度：USB:10Gbps|RJ45:2.5Gbps
- TYPE-Cインターフェース最大入力電力：5V@5A / 20V@5A
- TYPE-Aインターフェース最大出力電流：5V@2A（すべてのポート合計で最大8A）
- 外形寸法：90 x 74 x 26.3 mm
実物写真
カバー装着後
通電作業時
基板
下基板表裏面
上基板表裏面
プロジェクトのハードウェア実装方法
ユーザーが拡張ドックをUSB@5Gbpsまたはそれ以上の高速インターフェースに接続した場合、プロジェクト高速バスハードウェアブロック図：
この場合、ユーザーがUSBケーブルを拡張ドックに接続すると、まずVL160のレべルシフトチップを通じてポートの正逆挿入に対応します。レべルシフトされたUSB信号はVL822ハブチップに送られ、VL822は1つのUSBを4つのUSBに分岐します。
5Gbpsまたはそれ以上の高速インターフェースに接続した場合と比較して、480Mbpsインターフェースに接続した場合はVL160レべルシフトチップを通らず、USB信号は直接VL822ハブチップに入力し、後段USBの最大速度は480Mbpsになります。
拡張ドック電源ハードウェアブロック図：
SY6288CAACは過電流保護機能付きの電力電子スイッチで、後段負荷が2Aを超えると電源供給を遮断し、OCピンをローにしてコントローラーに過電流を通知します。
ハードウェア性能テスト
TYPE-Aインターフェース出力リップルテスト
無負荷時のリップルは約18mV
1A負荷時のリップルは約6mV
電源変換効率テスト
| 入力電圧(V) | 入力電流(A) | 入力電力(W) | 出力電圧(V) | 出力電流(A) | 出力電力(W) | 変換効率(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 19.997 | 2.291 | 45.81 | 5.11 | 8 | 40.88 | 89.23% |
| 19.998 | 1.122 | 22.44 | 5.15 | 3.999 | 20.59 | 91.79% |
| 19.998 | 0.569 | 11.38 | 5.18 | 2.002 | 10.37 | 91.14% |
| 4 | 2.839 | 11.36 | 5.2 | 2 | 10.40 | 91.58% |
| 4 | 8.063 | 32.25 | 5.17 | 5 | 25.85 | 80.15% |
PD急速充電誘導テスト
発熱状況のサーモグラフィ
5V電源回路が8A出力時のMOSトランジスタ温度は約81℃（環境温度約27℃）
VL822チップがフル読み書き時の温度は約70℃（環境温度約25℃）
GL3224チップがフル読み書き時の温度は約58℃（環境温度約27℃）
USBポート転送速度テスト
拡張ドックをパソコンのUSB@10Gbpsポートに接続し、さらにハードディスクケースを拡張ドックに接続してAS SSD BenchmarkソフトウェアでRTL9210Bコントローラーのハードディスクケースの読み書き速度をテストした結果、読み取り速度969.65MB/s、書き込み速度912.65MB/sでした。
TF/SDカードリーダー速度テスト
テストに使用したのはSamsung EVO Plus TFカードで、結果は読み取り93.04MB/s、書き込み20.13MB/sでした。
2.5G LANポート速度テスト
内網に速度テストサーバーを構築し、ダウンロード速度2089Mbps、アップロード速度2497Mbpsを記録しました。
複製時の注意点
- ケースは3Dプリントで制作しました。3Dモデルファイルは記事末尾の資料ダウンロードリンクにあります。
- ケースのネジ穴にはM2.5の熱熔ナットを使用し、はんだごてで加熱して押し込みます。
- PCB発注時はJLC04121H-3313の層構成と基板厚1.2mmを選択し、インピーダンスマッチングを実施する必要があります。
- 一部のシステムではイーサネット速度が最大まで出ない場合があり、ドライバのインストールが必要です。ドライバファイルは
绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip圧縮ファイル内にあります（記事末尾の資料ダウンロードリンク）。 - 一部のシステムでカードリーダーの読み書き速度に問題がある場合、ファームウェアのアップグレードを試してみてください。アップグレードソフトウェアは資料の
GL3224 update tool v1.0ディレクトリ内にあります。出荷時のファームウェアバージョンは1532、最新バージョンは1539です。ファームウェアアップグレードが必要ない場合はFlashチップの実装は不要です。 - 30ピンFPCフラットケーブルと6ピンXH2.54フラットケーブルは逆向きのものを購入する必要があります。
M2.5\*8\*4熱熔ナット
回路図
上基板
下基板
PCBレイアウト
上基板
下基板
電子部品購入リンク
このプロジェクトで使用した電子部品の大部分は以下のリンク先で購入できます：
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0603抵抗器・コンデンササンプル帳：https://s.click.taobao.com/ri755xr
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VL160チップ：[https://s.click.taobao.com/xRw35xr](https://s.click.taobao.com/t?e=m%3D2%26s%3D8
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三相電力量測定器を開発し、家庭内の電力消費を簡単に監視できるようになりました： https://blog.zeruns.com/archives/771.html
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STM32F407ベースのLVGLプロジェクトテンプレート（MSP3526ディスプレイ） - FreeRTOS版およびベアメタル版：https://blog.zeruns.com/archives/788.html
-
STM32ベースの同期整流Buck-Boostデジタル電源（オープンソース）： https://blog.zeruns.com/archives/791.html
-
LM25118オートバイポーダブルDCDC電源モジュール：https://blog.zeruns.com/archives/727.html
-
EG1164高電力同期整流昇圧モジュール（最大効率97%）：https://blog.zeruns.com/archives/730.html
-
合宙Air700Eベースの4G環境モニタリングノード（温度・湿度・気圧など） - MQTT経由でアリババクラウドIoTプラットフォームに接続：https://blog.zeruns.com/archives/747.html
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CH32V307ベースのスマート電子負荷（組み込みコンテスト作品）： https://blog.zeruns.com/archives/785.html
-
EG1151高電力同期整流可変昇降圧電源モジュール（TypeC PD充電対応）：https://blog.zeruns.com/archives/794.html
-
オープンソース 140W+65W昇降圧PD3.1充電モジュール（2C+1Aポート） - IP6557+IP6538搭載 205Wデスクトップ充電器：https://blog.zeruns.com/archives/801.html
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