Một cổng mở rộng USB3.2 đầu vào Type-C mã nguồn mở, 4 cổng USB3.2 Gen2 + cổng mạng 2.5G + đầu đọc thẻ TF/SD, hỗ trợ sạc nhanh PD làm nguồn cấp điện bổ sung, điện áp đầu vào từ 4 đến 20V, mạch Buck-Boost ổn áp đầu ra 5.1V, dựa trên chip VL160+VL822+RTL8156BG+GL3224.
Open-Source USB 10Gbps Hub with 2.5Gbps Ethernet & TF/SD Card Reader
Chưa từng làm dự án高速PCB高速PCB (mạch tốc độ cao) trước đây, đây là lần đầu tiên làm dự án loại này, nếu có điểm nào cần cải tiến hay sai sót mong các chuyên gia góp ý.
Đồng thời cũng đang tìm việc trực tuyến, các anh/chị nào ở Quảng Châu/Phật Sơn đang cần tuyển nhân viên có thể xem xét tôi. Xin mời ghé thăm trang chủ của tôi trên nền tảng mã nguồn mở LCSC để tham khảo các dự án mã nguồn mở: https://oshwhub.com/zeruns/works
Video demo dự án & video quá trình thiết kế: https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
Liên kết mã nguồn mở trên nền tảng LCSC: https://url.zeruns.com/U9sCt
Nhóm trao đổi kỹ thuật QQ (MCU/điện tử): 2169025065
Địa chỉ tải tài liệu ở cuối bài viết!
Giới thiệu dự án
Đây là một cổng mở rộng USB-C đầu vào, đầu ra gồm 4 cổng USB3.2 (10Gbps) USB-A (cổng đầu vào cũng có tốc độ 10Gbps nên tổng tốc độ là 10Gbps), thêm 1 cổng mạng 2.5G và đầu đọc thẻ TF/SD.
Phần cấp nguồn 5V sử dụng mạch Buck-Boost ổn áp đầu ra 5.1V (cao hơn 0.1V để bù hao hụt đường dây khi dòng lớn), có 2 cổng Type-C đầu vào:
- Một cổng là giao diện dữ liệu (cũng hỗ trợ cấp nguồn nhưng không hỗ trợ kích hoạt sạc nhanh, chỉ là đầu vào 5V, cũng đưa vào mạch Buck-Boost để tránh sụt áp khi dòng lớn).
- Một cổng là giao diện cấp nguồn (hỗ trợ giả lập PD sạc nhanh đầu ra 20V sau đó qua mạch Buck-Boost hạ xuống 5.1V).
Mạch cấp nguồn 5V hỗ trợ dòng đầu ra tối đa 9.5A, mỗi cổng USB-A đầu ra tối đa 2A.
Dự án sử dụng 2 chip VL822, một trong hai chip còn dư một cổng USB chưa dùng đến, có thể tự điều chỉnh như thêm cổng USB-A đầu ra, hoặc thêm MCU và mạch đo dòng/áp để thu thập điện áp/dòng điện thời gian thực của từng cổng USB và truyền lên máy tính qua USB, dùng để giám sát tiêu thụ điện khi debug thiết bị USB hoặc thiết bị nhúng (đây là kế hoạch ban đầu của tôi nhưng do giới hạn kích thước PCB nên không thực hiện, không muốn làm PCB quá lớn).
Dự án chia làm 2 lớp PCB: - Tầng trên chủ yếu là mạch Buck-Boost nguồn và mạch đầu đọc thẻ.
- Tầng dưới là mạch USB HUB và mạch cổng mạng 2.5G.
Hai tầng kết nối qua cáp FPC và cáp XH2.54.
Các chip chính sử dụng: VL160, VL822, RTL8156BG, GL3224, EA3036, MT2492, SC8703
Dự án này tham khảo dự án: USB3.2 Dock với bộ chuyển đổi DC-DC độc lập: https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter
Thông số kỹ thuật cổng mở rộng
- Giao diện đầu vào: USB-C
- Giao diện đầu ra: USB-A, RJ45, TF, SD
- Tốc độ tối đa đầu vào: 10Gbps
- Tốc độ tối đa đầu ra: USB:10Gbps|RJ45:2.5Gbps
- Công suất đầu vào tối đa TYPE-C: 5V@5A / 20V@5A
- Dòng đầu ra tối đa TYPE-A: 5V@2A (tổng dòng tất cả cổng tối đa 8A)
- Kích thước: 90 x 74 x 26.3 mm
Hình ảnh thực tế
Sau khi lắp vỏ
Đang hoạt động
Bảng mạch
Tầng dưới (mặt trước và sau)
Tầng trên (mặt trước và sau)
Giải pháp phần cứng dự án
Khi người dùng kết nối cổng mở rộng với cổng USB@5Gbps hoặc tốc độ cao hơn, sơ đồ khung bus tốc độ cao dự án:
Khi đó, tín hiệu USB từ cáp kết nối cổng mở rộng sẽ đi qua chip chuyển mức VL160 trước, thực hiện chức năng cắm thuận/nghịch. Tín hiệu USB đã chuyển mức được đưa đến chip hub VL822, chip này chia 1 cổng USB thành 4 cổng.
So với kết nối cổng 480Mbps, kết nối cổng 5Gbps trở lên phải đi qua chip chuyển mức VL160, còn kết nối 480Mbps thì tín hiệu USB đi trực tiếp vào chip hub VL822, tốc độ tối đa sau cấp là 480Mbps.
Sơ đồ khung nguồn cổng mở rộng:
SY6288CAAC là một công tắc điện tử có chức năng bảo vệ quá dòng, khi tải phía sau vượt quá 2A, công tắc sẽ ngắt nguồn và kéo thấp chân OC để báo controller xảy ra quá dòng.
Thử nghiệm chỉ số phần cứng
Thử nghiệm gợn điện áp cổng TYPE-A đầu ra
Gợn điện áp không tải khoảng 18mV
Gợn điện áp khi tải 1A khoảng 6mV
Thử nghiệm hiệu suất chuyển đổi nguồn
| Điện áp đầu vào(V) | Dòng điện đầu vào(A) | Công suất đầu vào(W) | Điện áp đầu ra(V) | Dòng điện đầu ra(A) | Công suất đầu ra(W) | Hiệu suất chuyển đổi(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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% |
Thử nghiệm giả lập PD sạc nhanh
Hình ảnh nhiệt khi hoạt động
Nhiệt độ MOSFET mạch nguồn 5V khi đầu ra 8A khoảng 81℃ (nhiệt độ môi trường khoảng 27℃)
Nhiệt độ chip VL822 khi đọc/ghi đầy tải khoảng 70℃ (nhiệt độ môi trường khoảng 25℃)
Nhiệt độ chip GL3224 khi đọc/ghi đầy tải khoảng 58℃ (nhiệt độ môi trường khoảng 27℃)
Thử nghiệm tốc độ cổng USB
Kết nối cổng mở rộng với cổng USB@10Gbps trên máy tính, sau đó kết nối hộp ổ cứng với cổng mở rộng, dùng phần mềm AS SSD Benchmark thử nghiệm tốc độ đọc/ghi hộp ổ cứng dùng chip điều khiển RTL9210B, kết quả như hình: Đọc 969.65MB/s, Ghi 912.65MB/s.
Thử nghiệm tốc độ đầu đọc thẻ TF/SD
Dùng thẻ TF Samsung EVO Plus, kết quả như hình: Đọc 93.04MB/s, Ghi 20.13MB/s.
Thử nghiệm tốc độ cổng mạng 2.5G
Tạo máy chủ đo tốc độ nội bộ mạng, tốc độ tải xuống 2089Mbps, tải lên 2497Mbps.
Lưu ý khi sao chép dự án
- Vỏ ngoài tôi dùng công nghệ in 3D, file mô hình 3D có trong địa chỉ tải tài liệu ở cuối bài.
- Lỗ bắt vít vỏ ngoài cần dùng đai ốc nhiệt M2.5, dùng mỏ hàn gia nhiệt ép vào.
- Khi đặt hàng PCB cần chọn cấu trúc ép lớp JLC04121H-3313, độ dày tấm 1.2mm, cần thực hiện phối hợp trở kháng.
- Một số hệ điều hành có thể gặp tình trạng tốc độ mạng không đạt tối đa, cần cài driver có trong file nén
绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip(có trong địa chỉ tải tài liệu cuối bài). - Một số hệ điều hành có thể gặp vấn đề tốc độ đọc/ghi đầu đọc thẻ, có thể thử cập nhật firmware, phần mềm cập nhật có trong thư mục
GL3224 update tool v1.0của tài liệu tải về, firmware xuất xưởng là phiên bản 1532, firmware mới nhất là 1539, nếu không cần cập nhật firmware có thể không hàn chip Flash đó. - Cáp FPC 30P và cáp XH2.54 6P đều phải mua loại ngược.
Đai ốc nhiệt M2.5\*8\*4
Sơ đồ mạch
Tầng trên
Tầng dưới
PCB
Tầng trên
Tầng dưới
Địa chỉ mua linh kiện
Đa số linh kiện dùng trong dự án này có địa chỉ mua hàng tại đây:
- Mẫu điện trở tụ 0603: https://s.click.taobao.com/ri755xr
- Chip VL160: https://s.click.taobao.com/xRw35xr
- Chip VL822: https://s.click.taobao.com/o5V35xr
- Chip GL3224: https://s.click.taobao.com/lj98olr
- Chip SC8703QDER: https://s.click.taobao.com/n8fz4xr
- Chip RTL8156B: https://s.click.taobao.com/dkC3olr
- TypeC female 24P: https://s.click.taobao.com/kWht4xr
- TypeC female 16P: https://s.click.taobao.com/SaRr4xr
Nên mua linh kiện tại LCSC Mall: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
Tại bảng BOM trong liên kết mã nguồn mở LCSC, nhấn “Đặt hàng ngay” để tự động thêm các linh kiện cần dùng vào giỏ hàng.
Địa chỉ tải tài liệu
Liên kết tải về bên dưới bao gồm: Dự án EDA LCSC, file PDF sơ đồ nguyên lý, file PCB_Gerber, datasheet các chip sử dụng, file mô hình 3D vỏ ngoài, phần mềm cập nhật firmware GL3224, driver RTL8156B.
Liên kết tải từ Baidu Netdisk: https://pan.baidu.com/s/1uY0DD40T5NeZS1X4UwaPng?pwd=nvbx Mật khẩu: nvbx
Liên kết tải từ 123 Cloud: [https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?mật khẩu:66SY](https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?mật khẩu:66SY)
Nếu thấy hữu ích, bạn có thể vào liên kết 123 Cloud phía trên để ủng hộ tôi. Nếu là bài viết WeChat (công chúng: zeruns-gzh) bạn cũng có thể nhấn vào “Thích tác giả” dưới bài viết để ủng hộ. Cảm ơn!
Gợi ý dự án mã nguồn mở khác
- Đã phát triển một bộ thu thập dữ liệu điện 3 pha mã nguồn mở, có thể dễ dàng giám sát tình trạng sử dụng điện trong nhà: https://blog.zeruns.com/archives/771.html
- Mẫu dự án LVGL dựa trên STM32F407 (màn hình MSP3526), bao gồm phiên bản FreeRTOS và phiên bản bare-metal (không hệ điều hành): https://blog.zeruns.com/archives/788.html
- Bộ nguồn kỹ thuật số Buck-Boost chỉnh lưu đồng bộ mã nguồn mở dựa trên STM32: https://blog.zeruns.com/archives/791.html
- Mô-đun nguồn DCDC tự động Buck-Boost LM25118 điều chỉnh được: https://blog.zeruns.com/archives/727.html
- Mô-đun nâng áp đồng bộ EG1164 công suất cao mã nguồn mở, hiệu suất tối đa 97%: https://blog.zeruns.com/archives/730.html
- Nút giám sát môi trường 4G dựa trên hợp trục Air700E (dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển, v.v.), tải lên nền tảng IoT Alibaba Cloud qua MQTT: https://blog.zeruns.com/archives/747.html
- Tải trọng điện tử thông minh mã nguồn mở dựa trên CH32V307, tác phẩm dự thi cuộc thi nhúng mã nguồn mở: https://blog.zeruns.com/archives/785.html
- Mô-đun nguồn Buck-Boost đồng bộ EG1151 công suất cao điều chỉnh được (hỗ trợ đầu vào TypeC PD nhanh): https://blog.zeruns.com/archives/794.html
- Mô-đun sạc nhanh PD3.1 140W+65W (2 cổng TypeC + 1 cổng USB-A) mã nguồn mở, IP6557+IP6538, bộ sạc để bàn 205W: https://blog.zeruns.com/archives/801.html
Bài đọc đề xuất
- Gợi ý VPS/máy chủ đám mây giá tốt và hiệu quả cao: https://blog.zeruns.com/archives/383.html
- Hướng dẫn tạo máy chủ Minecraft: https://blog.zeruns.com/tag/mc/
- Hướng dẫn triển khai blog Halo bằng bảng điều khiển 1Panel | Hướng dẫn xây dựng trang web doanh nghiệp/cá nhân: https://blog.zeruns.com/archives/858.html
- Giới thiệu 4 bảng điều khiển hữu ích, có thể一键 (một nhấn) tạo máy chủ Minecraft, Palworld, 7 Days to Die, CSGO, v.v.: https://blog.zeruns.com/archives/808.html
- Đánh giá nhanh Ultra7-265K và bo mạch chủ Gigabyte Z890M AORUS ELITE WIFI7: https://blog.zeruns.com/archives/863.html
- Hướng dẫn xây dựng diễn đàn Flarum từ đầu, tạo cộng đồng trực tuyến dễ dàng: https://blog.zeruns.com/archives/866.html
Phiên bản tiếng Anh của bài viết: https://blog.zeruns.top/archives/53.html