Открытый хаб USB3.2 с входом Type-C, 4 портами USB3.2 Gen2 + 2,5 Гб/с порт Ethernet + кардридер TF/SD, поддерживающий PD-быструю зарядку для дополнительного питания, диапазон входного напряжения 4–20 В, стабилизированный выход 5,1 В с преобразователем Buck-Boost, на основе чипов VL160+VL822+RTL8156BG+GL3224
Открытый хаб USB 10 Гб/с с 2,5 Гб/с Ethernet и кардридером TF/SD
Еще не работал с проектами высокоскоростных печатных плат. Это мой первый такой проект. Если есть ошибки или что-то можно улучшить, прошу опытных коллег подсказать.
Также ищу работу. Если есть работодатели из Гуанчжоу/Фошаня, готов рассмотреть предложения. Можете посмотреть мои открытые проекты на странице платформы Open-Source Hardware: https://oshwhub.com/zeruns/works
Видео проекта и процесса разработки: https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
Ссылка на проект на платформе Open-Source Hardware: https://url.zeruns.com/U9sCt
Группа QQ для обсуждения электроники и микроконтроллеров: 2169025065
Ссылки для загрузки материалов в конце статьи!
О проекте
Это USB-хаб с входом USB-C, расширяющий 1 порт USB3.2 (10 Гб/с) до 4 портов USB3.2 (10 Гб/с) + 2,5 Гб/с порт Ethernet + кардридер TF/SD.
Входной порт также поддерживает скорость 10 Гб/с, поэтому общая пропускная способность 10 Гб/с.
Питание 5 В реализовано через преобразователь Buck-Boost, стабилизированный на 5,1 В (0,1 В выше для компенсации потерь в кабелях при высоком токе).
Два входных порта Type-C:
- Один для данных (также поддерживает питание, но не активирует быструю зарядку, просто 5 В, подключено к преобразователю Buck-Boost чтобы избежать просадки напряжения при высоком токе).
- Второй для питания (поддерживает PD-быструю зарядку, принимает 20 В, затем преобразователь снижает до 5,1 В).
Максимальный выходной ток цепи питания 9,5 А, каждый порт USB-A выдает до 2 А.
В проекте использованы два чипа VL822. Один из них имеет неиспользованный USB-порт, который можно модифицировать:
- Добавить еще один порт USB-A.
- Подключить микроконтроллер и схему измерения тока/напряжения для мониторинга в реальном времени через USB на верхний компьютер (изначально планировалось, но из-за размера платы отказалось от реализации).
Проект разделен на верхнюю и нижнюю платы:
- Верхняя плата: цепь питания 5 В и кардридер.
- Нижняя плата: USB-хаб и 2,5 Гб/с Ethernet.
Соединение между платами через FPC-шлейф и разъемы XH2,54.
Основные использованные чипы: VL160, VL822, RTL8156BG, GL3224, EA3036, MT2492, SC8703.
Проект вдохновлен этим: USB3-хаб с отдельным стабилизированным питанием.
Характеристики хаба
- Входной интерфейс: USB-C
- Выходные интерфейсы: USB-A, RJ45, TF, SD
- Максимальная скорость входа: 10 Гб/с
- Максимальная скорость выхода: USB: 10 Гб/с | RJ45: 2,5 Гб/с
- Максимальная мощность через Type-C: 5 В @ 5 А / 20 В @ 5 А
- Максимальный выходной ток через Type-A: 5 В @ 2 А (суммарный ток всех портов до 8 А)
- Размеры: 90 x 74 x 26,3 мм
Фото устройства
С установленным корпусом
В рабочем состоянии
Печатная плата
Нижняя плата (лицевая и обратная сторона)
Верхняя плата (лицевая и обратная сторона)
Схема реализации
Аппаратная схема высокоскоростной шины при подключении к USB@10 Гб/с или более высокому интерфейсу:
После подключения USB-кабеля сигнал проходит через VL160 (чип коррекции полярности), затем направляется на VL822 (хаб), который разделяет один USB на четыре.
При подключении к интерфейсу 480 Мб/с VL160 не используется, сигнал напрямую подается на VL822, максимальная скорость USB при этом 480 Мб/с.
Схема питания хаба:
SY6288CAAC — электронный ключ с защитой от перегрузки по току. При нагрузке свыше 2 А ключ отключает питание и сигнализирует контроллеру через OC-вывод.
Тестирование оборудования
Тест пульсаций на порту USB-A
Пульсации без нагрузки: ~18 мВ
Пульсации при нагрузке 1 А: ~6 мВ
Тест эффективности преобразования питания
| Входное напряжение (В) | Входной ток (А) | Входная мощность (Вт) | Выходное напряжение (В) | Выходной ток (А) | Выходная мощность (Вт) | КПД (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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% |
Тест PD-быстрой зарядки
Термография
Температура MOSFET при выходном токе 8 А в цепи 5 В: ~81 °C (температура окружающей среды ~27 °C)
Температура чипа VL822 при максимальной нагрузке: ~70 °C (температура окружающей среды ~25 °C)
Температура чипа GL3224 при максимальной нагрузке: ~58 °C (температура окружающей среды ~27 °C)
Тест скорости USB-портов
Подключение хаба к USB@10 Гб/с на компьютере, затем подключение внешнего диска с контроллером RTL9210B. Тест через AS SSD Benchmark:
Чтение: 969,65 МБ/с
Запись: 912,65 МБ/с
Тест скорости кардридера TF/SD
Использовалась карта Samsung EVO Plus. Результаты:
Чтение: 93,04 МБ/с
Запись: 20,13 МБ/с
Тест скорости 2,5 Гб/с Ethernet
Скорость загрузки: 2089 Мб/с
Скорость отдачи: 2497 Мб/с
Рекомендации по повторению
- Корпус изготовлен методом 3D-печати (файлы модели в конце статьи).
- Для крепления корпуса использовать термостойкие гайки M2,5, вдавливаемые паяльником.
- При заказе печатной платы выбрать структуру слоев JLC04121H-3313, толщину платы 1,2 мм, выполнить согласование импеданса.
- В некоторых системах Ethernet может не достигать максимальной скорости — требуется установка драйвера из архива
绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip(ссылка в конце статьи). - Для кардридера GL3224 возможно обновление прошивки до версии 1539 (текущая версия 1532). Архив
GL3224 update tool v1.0в материалах. Для пропуска обновления не паяйте чип Flash. - Для соединения плат требуется 30P FPC-шлейф и 6P XH2,54-шлейф обратной полярности.
Термостойкая гайка M2,584
Схемы
Верхняя плата
Нижняя плата
Печатные платы
Верхняя плата
Нижняя плата
Ссылки на компоненты
Большинство компонентов проекта можно найти здесь:
- Образцы резисторов и конденсаторов 0603: https://s.click.taobao.com/ri755xr
- Чип VL160: https://s.click.taobao.com/xRw35xr
- Чип VL822: https://s.click.taobao.com/o5V35xr
- Чип GL3224: https://s.click.taobao.com/lj98olr
- Чип SC8703QDER: https://s.click.taobao.com/n8fz4xr
- Чип RTL8156B: [https://s.click.taobao.com/dkC3olr](https://s.click.taobao.com/t?e=m%3D2%26s%3Di1aAw2M6sbdw4vFB6t2Z2ueEDrYVVa64g3vZOarmkFi53hKxp7mNFupH%2BKVf1VvfTrwYgGkuGEX0JlhLk0Jl4QTquP0kWxBLBDnvz6xo38xspWc9%2BCL4bTGF1ceZMhPo8mL8HhJ3EdVrH4ks4QyiY4z4rjZDGVMAvOMeg%2FCXWIQ%2BxTkjxeW0O5ESMSI
