Type-C入力対応のUSB3.2エキスパンションドックをオープンソース化：4つのUSB3.2 Gen2ポート＋2.5G Ethernet＋TF/SDカードリーダー、PD急速充電による補助電源対応、入力電圧範囲は4～20V、Buck-Boost回路で出力を5.1Vに調整、VL160＋VL822＋RTL8156BG＋GL3224チップ採用
10 Gbps対応のオープンソースUSBハブ（2.5 Gbps EthernetおよびTF/SDカードリーダー内蔵）
私はこれまでこのような高速PCBプロジェクトを手掛けたことがありません。初めての挑戦です。改善点や誤りに関するご指摘・アドバイスを大歓迎いたします。
ちなみに、現在オンラインで就職活動中です。広州または仏山で採用をご検討中の企業様がいらっしゃいましたら、ぜひご検討ください。私のオープンソースプロジェクトはOSHWHubのプロフィールからご覧いただけます：https://oshwhub.com/zeruns/works
プロジェクトのデモおよび設計プロセス動画：https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
OSHWHub上のオープンソースリポジトリ：https://url.zeruns.com/U9sCt
電子工学/マイコン技術QQグループ：2169025065
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
本プロジェクトはUSB-C入力に対応したUSB3.2エキスパンションドックで、4つのUSB3.2（10 Gbps）Type-A出力ポートを備えています（入力ポートも10 Gbps対応のため、合計帯域は10 Gbpsのまま）。さらに2.5G EthernetポートとTF/SDカードリーダーも搭載しています。
5V電源部にはBuck-Boostコンバータを使用し、出力を5.1Vに調整しています（0.1Vの余裕を持たせることで、高電流時の電圧降下を補償）。Type-C入力ポートは2つあり、一方はデータポート（電源供給にも使用可能だが、急速充電は発動せず5Vのみ受け入れる。重負荷時の電圧低下を防ぐため、この電源はコンバータを通じて供給される）、もう一方は電源専用ポート（PD急速充電に対応し、20V出力をネゴシエート後、コンバータで5.1Vに降圧する）。5V電源は最大9.5Aまで供給可能で、各USB-Aポートは最大2Aまでサポートします。
本プロジェクトでは2つのVL822チップを使用しています。片方のチップには未使用のUSBインターフェースが残っており、例えば追加のType-A出力を接続したり、電圧・電流センシング機能付きマイコンを組み込んで各USBポートのリアルタイム電力情報をホストPCに送信するなど、拡張利用が可能です。これは当初の構想でしたが、PCBサイズの制約およびボードの大型化回避のため省略しました。
設計は2枚の基板に分かれています。上部基板には5V Buck-Boost電源回路およびカードリーダー回路を配置し、下部基板にはUSBハブおよび2.5G Ethernet回路を実装しています。両基板はFPCケーブルとXH2.54ヘッダーで接続されています。
主な使用チップ：VL160、VL822、RTL8156BG、GL3224、EA3036、MT2492、SC8703
本設計はプロジェクト「独立した電圧レギュレーションを備えたUSB3ドッキングステーション」を参考にしています：https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter
エキスパンションドック仕様
- 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
- 最大入力データレート：10 Gbps
- 最大出力データレート：USB：10 Gbps｜RJ45：2.5 Gbps
- Type-C 最大入力電力：5 V@5 A / 20 V@5 A
- Type-A 最大出力電流：5 V@2 A（全ポート合計最大8 A）
- 外形寸法：90 × 74 × 26.3 mm
製品写真
筐体装着時
通電・動作中
回路基板
下部基板（表裏）
上部基板（表裏）
ハードウェア構成
ユーザーが5 Gbps以上対応のUSBインターフェースにエキスパンションドックを接続した場合の
高速バスハードウェアブロック図：
この場合、USBデータラインはまずVL160レベルフリップチップを通過し（Type-Cの逆挿し対応）、その後フラットされた信号がVL822ハブチップに入力され、1つのUSB入力を4つのUSB出力に分割します。
480 Mbpsのインターフェースに接続した場合は、USB信号がVL160チップをバイパスして直接VL822ハブに入力され、下流の最大速度は480 Mbpsになります。
エキスパンションドック電源ハードウェアブロック図：
SY6288CAACは過電流保護機能内蔵の電源スイッチです。下流の負荷が2Aを超えるとスイッチが遮断され、電源が遮られると同時にOCピンがローになり、コントローラーに過電流状態を通知します。
性能テスト
TYPE-Aポート出力リップル
無負荷時：約18 mVリップル
1A負荷時：約6 mVリップル
電力変換効率
| 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) | 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 | 5.20 | 2 | 10.40 | 91.58 |
| 4 | 8.063 | 32.25 | 5.17 | 5 | 25.85 | 80.15 |
PD急速充電ネゴシエーションテスト
熱画像
5V電源回路が8A出力時のMOSFET温度：約81°C（周囲温度約27°C）
フル読み書き負荷時のVL822チップ温度：約70°C（周囲温度約25°C）
フル読み書き負荷時のGL3224チップ温度：約58°C（周囲温度約27°C）
USBスループットテスト
ドックをコンピュータのUSB 10 Gbpsポートに接続し、HDDエンクロージャ（RTL9210B）を接続。AS SSD Benchmark測定結果：読み取り969.65 MB/s、書き込み912.65 MB/s。
TF/SDカードリーダー速度テスト
Samsung EVO Plus TFカードを使用：読み取り93.04 MB/s、書き込み20.13 MB/s。
2.5G Ethernet速度テスト
内部スピードテストサーバー使用：ダウンロード2089 Mbps、アップロード2497 Mbps。
複製に関する注意事項1. エンクロージャーは3Dプリント製です。3Dモデルファイルは、記事末尾のダウンロードリンクから入手できます。
- エンクロージャーのネジ穴にはM2.5の圧入ナットを使用してください。半田ごてで温めてから押し込んで固定します。
- PCBを発注する際は、JLC04121H-3313の積層構造と1.2mmの基板厚を選択し、必ずインピーダンスマッチングを実施してください。
- 一部のシステムでは最大のEthernet速度に達しない場合があります。その場合は、
绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zipアーカイブ内に含まれるドライバーをインストールしてください（記事末尾のダウンロードリンク参照）。 - 一部のシステムではカードリーダーのパフォーマンスが低下する可能性があります。その場合は、以下のリソースにある
GL3224 update tool v1.0フォルダー内のツールを使用してファームウェアをアップグレードしてみてください。出荷時のファームウェアバージョンは1532で、最新は1539です。アップグレードが必要ない場合は、Flashチップの半田付けを省略してもかまいません。 - 30ピンFPCケーブルおよび6ピンXH2.54ケーブルは、逆方向（リバース）仕様で発注してください。
M2.5 × 8 × 4 圧入ナット
回路図
上側基板
下側基板
PCBレイアウト
上側基板
下側基板
部品購入リンク
このプロジェクトのほとんどすべての部品の購入リンクは、以下の場所にあります：- 0603抵抗・コンデンササンプル帳：https://s.click.taobao.com/ri755xr
- VL160チップ：https://s.click.taobao.com/xRw35xr
- VL822チップ：https://s.click.taobao.com/o5V35xr
- GL3224チップ：https://s.click.taobao.com/lj98olr
- SC8703QDERチップ：https://s.click.taobao.com/n8fz4xr
- RTL8156Bチップ：https://s.click.taobao.com/dkC3olr
- TypeCメスソケット24P：https://s.click.taobao.com/kWht4xr
- TypeCメスソケット16P：https://s.click.taobao.com/SaRr4xr
部品の購入は、LCSCオンラインストアから行うことをお勧めします：https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
LCSCのオープンソースリンクにあるBOM表をクリックすることで、必要なすべての部品を即座にLCSCのショッピングカートにインポートできます。
リソースダウンロードリンク
以下のリンクには、LCSC EDAプロジェクト、PDF形式の回路図、PCB Gerberファイル、使用したすべてのチップのデータシート、3D筐体モデルファイル、GL3224ファームウェアアップグレードツール、およびRTL8156Bドライバが含まれています。
百度ネットディスク：https://pan.baidu.com/s/1uY0DD40T5NeZS1X4UwaPng?pwd=nvbx （提取コード: nvbx）
123クラウドドライブ：https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?提取码:66SY
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