Type-C 입력 USB3.2 확장 허브 오픈소스, 4개의 USB3.2 Gen2 포트 + 2.5G 네트워크 포트 + TF/SD 카드리더기, PD 급속충전 추가 전원 공급 지원, 입력 전압 범위 4~20V, Buck-Boost 회로 정전압 출력 5.1V, VL160+VL822+RTL8156BG+GL3224 칩 기반
Open-Source USB 10Gbps Hub with 2.5Gbps Ethernet & TF/SD Card Reader
아직 고속 PCB 프로젝트 경험 없는 초보입니다. 첫 고속 PCB 설계이니 향후 개선점이나 오류 사항 있으시면 지도편달 부탁드립니다.
부가로 구인 정보 올립니다. 광저우/포산 지역에서 인재를 모집하는 사장님 있으시면 제 오픈소스 프로젝트를 확인해보세요: https://oshwhub.com/zeruns/works
프로젝트 동영상 시연 및 설계 과정: https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
Lichuang 오픈소스 플랫폼 개방 링크: https://url.zeruns.com/U9sCt
전자/마이크로컨트롤러 기술 교류 QQ 그룹: 2169025065
자료 다운로드 주소는 문서 말미에 있습니다!
프로젝트 개요
USB-C 입력 포트 기반 USB3.2 확장 허브로, 4개의 USB3.2 (10Gbps) A형 포트 출력을 제공합니다 (입력 포트도 10Gbps이므로 총 전송 속도는 10Gbps). 추가로 2.5G 네트워크 포트와 TF/SD 카드리더기를 탑재했습니다.
5V 전원부는 Buck-Boost 승압/강압 회로를 사용해 5.1V 정전압 출력을 제공합니다 (0.1V 높은 이유는 전류가 클 때의 선로 손실을 보상하기 위함). Type-C 입력 포트는 두 개를 사용했습니다. 하나는 데이터 인터페이스로, 전원 공급도 가능하지만 급속충전 기능은 트리거하지 않으며 단지 5V 입력만 제공합니다 (동시에 Buck-Boost 회로에 연결되어 큰 전류 시 출력 전압 강하를 방지). 다른 하나는 전용 전원 입력 포트로 PD 급속충전 유도를 통해 20V 입력을 받은 후 Buck-Boost 회로에서 5.1V로 강압합니다. 5V 전원 회로는 최대 9.5A 출력을 지원하며, 각 USB-A 포트는 최대 2A 출력을 제공합니다.
본 프로젝트는 VL822 칩 두 개를 사용했으며, 그 중 하나는 USB 인터페이스 하나를 비워두었습니다. 사용자는 필요에 따라 수정할 수 있습니다. 예를 들어, A형 포트를 추가하거나 마이크로컨트롤러와 전류/전압 샘플링 회로를 추가해 각 USB 포트의 실시간 전류/전압을 측정하고 이를 USB를 통해 상위 컴퓨터로 전송할 수 있습니다. 이는 임베디드 디버깅이나 다른 USB 장치의 전력 소모 모니터링에 활용할 수 있습니다 (본래 계획은 이랬으나 회로 기판 크기 제약으로 포기했습니다).
본 프로젝트는 상층과 하층 두 개의 기판으로 구성되었습니다. 상층 기판은 주로 5V Buck-Boost 전원 회로와 카드리더기 회로, 하층 기판은 USB 허브와 2.5G 네트워크 카드 관련 회로를 담당하며, 상하층 기판은 FPC 플렉시블 케이블과 XH2.54 배선 커넥터로 연결됩니다.
주요 사용 칩셋: VL160, VL822, RTL8156BG, GL3224, EA3036, MT2492, SC8703
본 프로젝트 설계 시 다음과 같은 프로젝트를 참고했습니다 - 독립적인 전원 정전압 회로를 갖춘 USB3.2 확장 허브: https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter
확장 허브 사양
- 입력 인터페이스: USB-C
- 출력 인터페이스: USB-A, RJ45, TF, SD
- 입력 인터페이스 최대 속도: 10Gbps
- 출력 인터페이스 최대 속도: USB:10Gbps|RJ45:2.5Gbps
- TYPE-C 인터페이스 최대 입력 전력: 5V@5A / 20V@5A
- TYPE-A 인터페이스 최대 출력 전류: 5V@2A (모든 포트 총합 최대 8A)
- 크기: 90 x 74 x 26.3 mm
제품 사진
케이스 장착 후
작동 중
기판 전체
하층 기판 양면
상층 기판 양면
하드웨어 구현 방안
사용자가 확장 허브를 USB@5Gbps 또는 그 이상의 인터페이스에 연결할 때, 고속 버스 하드웨어 블록 다이어그램:
이때, 사용자가 USB 데이터 케이블을 확장 허브에 연결하면 먼저 VL160 레벨 시프트 칩을 거쳐 인터페이스의 정/역방향 연결을 구현합니다. 레벨 시프트 처리된 USB 신호는 VL822 허브 칩으로 전달되어 1개의 USB 포트를 4개의 USB 포트로 분할합니다.
5Gbps 또는 그 이상의 인터페이스에 연결할 때와 비교해, 480Mbps 속도의 인터페이스에 연결할 경우 VL160 레벨 시프트 칩을 거치지 않고 바로 VL822 허브 칩에 입력되며, 후단 USB 최대 속도는 480Mbps로 제한됩니다.
확장 허브 전원 하드웨어 블록 다이어그램:
SY6288CAAC은 과전류 보호 기능을 갖춘 전력 전자 스위치로, 후단 부하 전류가 2A를 초과할 경우 전원 공급을 차단하고 OC 핀을 낮춤으로써 컨트롤러에게 과전류 발생을 알립니다.
하드웨어 성능 테스트
TYPE-A 인터페이스 출력 리플 테스트
무부하 시 리플 약 18mV
1A 부하 시 리플 약 6mV
전원 변환 효율 테스트
| 입력 전압(V) | 입력 전류(A) | 입력 전력(W) | 출력 전압(V) | 출력 전류(A) | 출력 전력(W) | 변환 효율(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 급속충전 유도 테스트
발열 상태 열화상도
5V 전원 회로가 8A 전류 출력 시 MOSFET 온도 약 81℃ (주변 온도 약 27℃)
VL822 칩이 최대 읽기/쓰기 상태 시 온도 약 70℃ (주변 온도 약 25℃)
GL3224 칩이 최대 읽기/쓰기 상태 시 온도 약 58℃ (주변 온도 약 27℃)
USB 인터페이스 속도 테스트
확장 허브를 컴퓨터의 USB@10Gbps 인터페이스에 연결한 후, 외장 하드 케이스를 확장 허브에 연결하여 AS SSD Benchmark 소프트웨어로 RTL9210B 컨트롤러 기반 외장 하드의 읽기/쓰기 속도를 테스트한 결과, 읽기 969.65MB/s, 쓰기 912.65MB/s입니다.
TF/SD 카드리더기 속도 테스트
삼성 EVO Plus TF 카드로 테스트한 결과, 읽기 93.04MB/s, 쓰기 20.13MB/s입니다.
2.5G 네트워크 포트 속도 테스트
내부 네트워크에 속도 테스트 서버를 구축하여 다운로드 속도 2089Mbps, 업로드 속도 2497Mbps 측정됨.
복제 시 주의사항
- 케이스는 3D 프린팅으로 제작했으며, 3D 모델 파일은 문서 말미의 자료 다운로드 주소에 있습니다.
- 케이스의 나사 구멍에는 M2.5 열 용융 너트를 사용해야 하며, 솔더링 인두로 가열하여 압입해야 합니다.
- PCB 제작 시 JLC04121H-3313 레이어 구조와 기판 두께 1.2mm를 선택해야 하며, 임피던스 정합이 필요합니다.
- 일부 시스템에서는 이더넷 속도가 최대치에 도달하지 못할 수 있으므로 드라이버 설치가 필요합니다. 드라이버 파일은
그린 USB 유선 네트워크 어댑터-RTL 칩-전체 시스템_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip압축 파일에 있습니다 (자료 다운로드 주소 참조). - 일부 시스템에서 카드리더기의 읽기/쓰기 속도에 문제가 있을 수 있으므로 펌웨어 업그레이드를 시도해볼 수 있습니다. 업그레이드 소프트웨어는 아래 자료의
GL3224 update tool v1.0디렉토리에 있으며, 출하 시 펌웨어 버전은 1532, 최신 펌웨어 버전은 1539입니다. 펌웨어 업그레이드가 필요하지 않은 경우 Flash 칩은 납땜하지 않아도 됩니다. - 30핀 FPC 케이블과 6핀 XH2.54 케이블은 모두 리버스 타입을 구매해야 합니다.
M2.5\*8\*4 열 용융 너트
회로도
상층 기판
하층 기판
PCB 설계
상층 기판
하층 기판
부품 구매 주소
이 프로젝트에 사용된 대부분의 부품 구매 주소는 다음과 같습니다:
- 0603 저항 및 커패시터 샘플 책: https://s.click.taobao.com/ri755xr
- VL160 칩: https://s.click.taobao.com/xRw35xr
- VL822 칩: https://s.click.taobao.com/o5V35xr
- GL3224 칩: https://s.click.taobao.com/lj98olr
- SC8703QDER 칩: https://s.click.taobao.com/n8fz4xr
- RTL8156B 칩: https://s.click.taobao.com/dkC3olr
- Type-C 메스 소켓 24P: https://s.click.taobao.com/kWht4xr
- Type-C 메스 소켓 16P: https://s.click.taobao.com/SaRr4xr
리차오 쇼핑몰에서 부품 구매 권장: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
리차오 오픈소스 링크의 BOM 표에서 바로 리차오 쇼핑몰로 주문하면 사용하는 부품을 장바구니에 일괄 추가할 수 있습니다.
자료 다운로드 주소
다운로드 링크는 다음과 같은 내용을 포함합니다: 리차오 EDA 프로젝트, 회로도 PDF 파일, PCB_Gerber 파일, 사용된 다양한 칩의 데이터 시트, 외관 3D 모델 파일, GL3224 펌웨어 업그레이드 소프트웨어, RTL8156B 드라이버.
바이두 드라이브 다운로드 링크: https://pan.baidu.com/s/1uY0DD40T5NeZS1X4UwaPng?pwd=nvbx 추출 코드: nvbx
123 클라우드 디스크 다운로드 링크: https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?추출코드:66SY
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