Publicación de un dock de expansión USB3.2 con entrada Type-C: 4 puertos USB3.2 Gen2 + Ethernet 2.5G + lectores de tarjetas TF/SD, soporta carga rápida PD para alimentación auxiliar, rango de voltaje de entrada de 4 a 20 V, circuito Buck-Boost que regula la salida a 5,1 V, basado en los chips VL160 + VL822 + RTL8156BG + GL3224.
Centro USB de código abierto con velocidad de 10 Gbps, Ethernet de 2,5 Gbps y lector de tarjetas TF/SD
Nunca antes había realizado un proyecto de PCB de alta velocidad como este: es mi primera vez. Agradecería mucho cualquier sugerencia de mejora o corrección de errores.
Por cierto, actualmente estoy buscando trabajo en línea. Si alguna empresa en Guangzhou o Foshan está contratando, por favor tómeme en cuenta. Puede revisar mis proyectos de código abierto en mi perfil de OSHWHub: https://oshwhub.com/zeruns/works
Vídeos de demostración del proyecto y proceso de diseño: https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
Repositorio de código abierto en OSHWHub: https://url.zeruns.com/U9sCt
Grupo QQ de tecnología electrónica/microcontroladores: 2169025065
¡Los enlaces de descarga están al final del artículo!
Resumen del proyecto
Se trata de un dock de expansión USB3.2 con entrada USB-C, que incluye cuatro salidas USB3.2 (10 Gbps) tipo-A (el puerto de entrada también es de 10 Gbps, por lo que el ancho de banda total se mantiene en 10 Gbps), además de un puerto Ethernet de 2,5 G y lectores de tarjetas TF/SD.
La sección de alimentación de 5 V utiliza un convertidor Buck-Boost para regular la salida a 5,1 V (el 0,1 V adicional compensa la caída de voltaje bajo alta corriente). Existen dos entradas USB-C: una es un puerto de datos (que también acepta alimentación, pero no activa la carga rápida; solo acepta 5 V y pasa por el convertidor para evitar caídas de voltaje bajo carga pesada), y la otra es un puerto de alimentación (soporta carga rápida PD negociando una salida de 20 V, luego reduciéndola mediante el convertidor a 5,1 V). La fuente de 5 V puede entregar hasta 9,5 A en total, con cada puerto USB-A soportando hasta 2 A.
Este proyecto utiliza dos chips VL822; uno aún tiene una interfaz USB sin usar que podría reutilizarse, por ejemplo, añadiendo otra salida USB tipo-A o integrando un microcontrolador con sensores de voltaje y corriente para capturar métricas de potencia en tiempo real en cada puerto USB y enviarlas a una PC anfitriona mediante USB. Esto es útil para depuración embebida o monitoreo de potencia de dispositivos USB (que era mi plan inicial, pero lo omití debido a limitaciones de tamaño del PCB y para evitar que la placa fuera demasiado grande).
El diseño se divide en dos placas: la placa superior aloja el circuito Buck-Boost de 5 V y el circuito del lector de tarjetas, mientras que la placa inferior contiene el centro USB y el circuito Ethernet de 2,5 G. Las placas se conectan mediante un cable FPC y conectores XH2.54.
Chips principales utilizados: VL160, VL822, RTL8156BG, GL3224, EA3036, MT2492, SC8703
Este diseño toma como referencia el proyecto “Estación de acoplamiento USB3 con regulación de voltaje independiente”: https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter
Especificaciones del dock de expansión
- Interfaz de entrada: USB-C
- Interfaces de salida: USB-A, RJ45, TF, SD
- Tasa máxima de datos de entrada: 10 Gbps
- Tasas máximas de datos de salida: USB: 10 Gbps | RJ45: 2,5 Gbps
- Potencia máxima de entrada USB-C: 5 V@5 A / 20 V@5 A
- Corriente máxima de salida USB-A: 5 V@2 A (total en todos los puertos hasta 8 A)
- Dimensiones: 90 × 74 × 26,3 mm
Foto del producto
Con la carcasa instalada
Encendido y en funcionamiento
Placa de circuito
Placa inferior, frente y reverso
Placa superior, frente y reverso
Implementación de hardware
Cuando el usuario conecta el dock de expansión a una interfaz USB de 5 Gbps o superior,
Diagrama de bloques de bus de alta velocidad:
En este escenario, la línea de datos USB primero pasa por el chip VL160 de inversión de nivel (permitiendo inserción reversible del Type-C). Las señales USB invertidas luego se envían al chip centro VL822, que divide una entrada USB en cuatro salidas USB.
Cuando se conecta a una interfaz de 480 Mbps en lugar de 5 Gbps o superior, la señal USB omite el chip VL160 y entra directamente al centro VL822, obteniendo una tasa máxima descendente de 480 Mbps.
Diagrama de bloques de alimentación del dock de expansión:
El SY6288CAAC es un interruptor de alimentación con protección integrada contra sobrecorriente. Si la carga descendente supera los 2 A, el interruptor se abre, cortando la alimentación y llevando el pin OC a nivel bajo para alertar al controlador de la condición de sobrecorriente.
Pruebas de rendimiento
Rizado de salida del puerto TYPE-A
Sin carga: rizado ~18 mV
Con carga de 1 A: rizado ~6 mV
Eficiencia de conversión de potencia
| Voltaje de entrada (V) | Corriente de entrada (A) | Potencia de entrada (W) | Voltaje de salida (V) | Corriente de salida (A) | Potencia de salida (W) | Eficiencia (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | 5.20 | 2 | 10.40 | 91.58 |
| 4 | 8.063 | 32.25 | 5.17 | 5 | 25.85 | 80.15 |
Prueba de negociación de carga rápida PD
Imágenes térmicas
Temperatura del MOSFET ~81 °C cuando el circuito de alimentación de 5 V entrega 8 A (ambiente ~27 °C)
Temperatura del chip VL822 ~70 °C bajo carga completa de lectura/escritura (ambiente ~25 °C)
Temperatura del chip GL3224 ~58 °C bajo carga completa de lectura/escritura (ambiente ~27 °C)
Prueba de rendimiento USB
El dock se conectó a un puerto USB de 10 Gbps de una computadora, luego se conectó una caja de disco duro (RTL9210B). AS SSD Benchmark arrojó: lectura de 969,65 MB/s, escritura de 912,65 MB/s.
Prueba de velocidad del lector de tarjetas TF/SD
Prueba con una tarjeta TF Samsung EVO Plus: lectura de 93,04 MB/s, escritura de 20,13 MB/s.
Prueba de velocidad Ethernet 2,5 G
Usando un servidor interno de prueba de velocidad: descarga de 2089 Mbps, subida de 2497 Mbps.
Notas para la replicación1. La carcasa fue impresa en 3D; los archivos del modelo 3D están disponibles en los enlaces de descarga al final del artículo.
- Los orificios roscados de la carcasa requieren tuercas térmicas M2.5: caliéntalas con un soldador y presiónalas en su lugar.
- Al pedir la PCB, seleccione la estructura de laminado JLC04121H-3313 con un espesor de placa de 1,2 mm, y asegúrese de realizar el ajuste de impedancia.
- Algunos sistemas pueden no alcanzar velocidades máximas de Ethernet; necesitará instalar el controlador incluido en el archivo comprimido
绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip(véanse los enlaces de descarga al final). - Algunos sistemas pueden experimentar un rendimiento reducido del lector de tarjetas; puede intentar actualizar el firmware utilizando la herramienta en la carpeta
GL3224 update tool v1.0en los recursos a continuación. La versión de firmware de fábrica es 1532 y la más reciente es 1539. Si no necesita actualizar, puede omitir soldar el chip Flash. - Asegúrese de pedir el cable FPC de 30 pines y el cable XH2.54 de 6 pines en orientación inversa.
Tuercas térmicas M2.5 × 8 × 4
Esquemáticos
Placa Superior
Placa Inferior
Distribución de la PCB
Placa Superior
Placa Inferior
Enlaces para la compra de componentes
La mayoría de los enlaces para comprar componentes de este proyecto se pueden encontrar aquí:- Muestra de resistencias y condensadores 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
- Conector hembra Type-C 24 pines: https://s.click.taobao.com/kWht4xr
- Conector hembra Type-C 16 pines: https://s.click.taobao.com/SaRr4xr
Se recomienda comprar los componentes en la tienda en línea LCSC: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
Al hacer clic en la tabla BOM del enlace de código abierto de LCSC, puedes importar instantáneamente todos los componentes necesarios a tu carrito de compras de LCSC.
Enlaces para descarga de recursos
Los siguientes enlaces incluyen el proyecto LCSC EDA, esquemáticos en PDF, archivos Gerber de PCB, hojas de datos (datasheets) de todos los chips utilizados, modelos 3D del estuche, herramienta de actualización de firmware para GL3224 y el controlador para RTL8156B.
Baidu Netdisk: https://pan.baidu.com/s/1uY0DD40T5NeZS1X4UwaPng?pwd=nvbx (Código de extracción: nvbx)
123 Cloud Drive: https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?提取码:66SY
Si consideras útil este material, puedes mostrarme tu agradecimiento enviándome una propina a través del enlace de 123 Cloud Drive anterior. Si esto aparece como un artículo de WeChat (cuenta pública: zeruns-gzh), también puedes hacer clic en el botón «Apoyar al autor» debajo del artículo para apoyarme. Gracias.
Otras recomendaciones de proyectos de código abierto- Publicó un medidor de energía trifásico de código abierto para monitoreo de energía doméstica fácil: https://blog.zeruns.com/archives/771.html
- Una plantilla de proyecto LVGL basada en STM32F407 (pantalla MSP3526), que incluye versiones con FreeRTOS y bare-metal: https://blog.zeruns.com/archives/788.html
- Abrió el código fuente de una fuente de alimentación digital síncrona Buck–Boost basada en STM32: https://blog.zeruns.com/archives/791.html
- Módulo de alimentación DCDC ajustable auto boost/buck LM25118: https://blog.zeruns.com/archives/727.html
- Módulo boost de alta potencia y rectificación síncrona EG1164 de código abierto, con eficiencia hasta del 97 %: https://blog.zeruns.com/archives/730.html
- Nodo de monitoreo ambiental 4G basado en Gizwits Air700E (temperatura, humedad, presión, etc.), que envía datos a Alibaba Cloud IoT mediante MQTT: https://blog.zeruns.com/archives/747.html
- Abrió el código fuente de una carga electrónica inteligente basada en CH32V307 (participación en concurso embebido): https://blog.zeruns.com/archives/785.html
- Módulo de alimentación buck–boost de alta potencia y rectificación síncrona EG1151 de código abierto (soporta entrada Type-C PD rápida): https://blog.zeruns.com/archives/794.html
- Módulo de carga rápida PD 3.1 buck–boost de 140 W + 65 W de código abierto (2 puertos C + 1 A), IP6557 + IP6538, para una fuente de escritorio de 205 W: https://blog.zeruns.com/archives/801.html
Lecturas recomendadas
- Recomendaciones de VPS/servidores en la nube económicos y asequibles: https://blog.zeruns.com/archives/383.html
- Tutorial de configuración de servidor Minecraft: https://blog.zeruns.com/tag/mc/
- Guía paso a paso de 1Panel para despliegue de blog Halo con un clic | Tutorial de configuración de sitio web empresarial/blog personal: https://blog.zeruns.com/archives/858.html
- Resumen de 4 paneles de control fáciles de usar para lanzamiento rápido de diversos servidores (paquetes de mods de Minecraft, Palworld, 7 Days to Die, CSGO, etc.): https://blog.zeruns.com/archives/808.html
- Revisión rápida de desempaque de las placas base Ultra7-265K y GIGABYTE Z890M-AORUS-ELITE-WIFI7: https://blog.zeruns.com/archives/863.html
- Tutorial de instalación de foro Flarum—crea un foro comunitario desde cero: https://blog.zeruns.com/archives/866.html