최대 10Gbps의 오픈소스 USB 허브, 2.5Gbps 이더넷 및 TF/SD 카드 리더기 포함 (VL822+RTL8156BG+GL3224)

프로젝트 실습 오픈소스 프로젝트
, , , ,
1

USB-C 입력 방식의 USB3.2 익스펜션 도크 오픈소스 공개: 4개의 USB3.2 Gen2 포트 + 2.5G 이더넷 + TF/SD 카드 리더, 보조 전원용 PD 고속 충전 지원, 입력 전압 범위 4~20V, 출력을 5.1V로 조절하는 Buck-Boost 회로, VL160 + VL822 + RTL8156BG + GL3224 칩 기반

오픈소스 USB 10Gbps 허브(2.5G 이더넷 및 TF/SD 카드 리더 포함)

:round_pushpin: 저는 이전에 이런 고속 PCB 프로젝트를 해본 적이 없습니다. 처음 도전하는 프로젝트이므로, 개선을 위한 조언이나 오류 지적을 매우 환영합니다.

:rocket: 참고로 현재 온라인으로 구직 중입니다. 광저우 또는 포산 지역에서 채용 중인 기업 관계자 분들께서는 제 포트폴리오를 검토해 주시기 바랍니다. 제 오픈소스 프로젝트는 OSHWHub 프로필에서 확인하실 수 있습니다: https://oshwhub.com/zeruns/works

프로젝트 데모 및 설계 과정 영상: https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/

OSHWHub 오픈소스 저장소: https://url.zeruns.com/U9sCt

전자공학/마이크로컨트롤러 기술 QQ 그룹: 2169025065

다운로드 링크는 글 하단에 있습니다!

프로젝트 개요

:play_button: 본 프로젝트는 USB-C 입력 방식의 USB3.2 익스펜션 도크로, 4개의 USB3.2(10Gbps) Type-A 출력 포트를 갖추고 있습니다(입력 포트도 10Gbps이며, 총 대역폭은 10Gbps 유지). 추가로 2.5G 이더넷 포트와 TF/SD 카드 리더를 포함합니다.

:play_button: 5V 전원 공급부는 Buck-Boost 컨버터를 사용하여 출력을 5.1V로 조절합니다(0.1V 여유는 고전류 시 전압 강하를 보상하기 위함). Type-C 입력 포트는 두 개가 있으며, 하나는 데이터 포트(전원도 수신 가능하지만 고속 충전을 유도하지 않으며, 5V만 수신하고 컨버터를 통해 전달되어 고부하 시 전압 강하를 방지함), 다른 하나는 전원 전용 포트(PD 고속 충전을 지원하며 20V 출력을 협상한 후 컨버터를 통해 5.1V로 강압함). 5V 전원은 최대 9.5A까지 공급 가능하며, 각 USB-A 포트는 최대 2A를 지원합니다.

:play_button: 본 프로젝트는 두 개의 VL822 칩을 사용하였으며, 하나의 VL822 칩에는 여전히 미사용 USB 인터페이스가 남아 있습니다. 이를 활용해 추가 Type-A 출력을 더하거나, 전압/전류 감지 기능을 갖춘 마이크로컨트롤러를 추가하여 각 USB 포트의 실시간 전력 데이터를 수집하고 USB를 통해 호스트 PC로 전달할 수 있습니다. 이는 임베디드 디버깅이나 USB 장치의 전력 모니터링에 유용하며, 원래 제 계획이었으나 PCB 크기 제약과 보드 과대화를 피하기 위해 생략하였습니다.

:play_button: 설계는 두 개의 보드로 분리되었습니다. 상단 보드에는 5V Buck-Boost 전원 회로와 카드 리더 회로를, 하단 보드에는 USB 허브 및 2.5G 이더넷 회로를 배치하였습니다. 두 보드는 FPC 케이블과 XH2.54 헤더를 통해 연결됩니다.

:play_button: 주요 사용 칩: VL160, VL822, RTL8156BG, GL3224, EA3036, MT2492, SC8703

:play_button: 본 설계는 프로젝트 “독립 전압 조절 기능을 갖춘 USB3 도킹 스테이션”을 참조하였습니다: https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter

익스펜션 도크 사양

  • 입력 인터페이스: USB-C
  • 출력 인터페이스: USB-A, RJ45, TF, SD
  • 최대 입력 데이터 속도: 10 Gbps
  • 최대 출력 데이터 속도: USB: 10 Gbps | RJ45: 2.5 Gbps
  • Type-C 최대 입력 전력: 5V@5A / 20V@5A
  • Type-A 최대 출력 전류: 5V@2A (모든 포트 합계 최대 8A)
  • 크기: 90 × 74 × 26.3 mm

제품 사진

케이스 장착 상태

5176×3600 445 KB

5824×2414 405 KB

3541×3781 298 KB

작동 중 상태

5824×4368 404 KB

회로 기판

4368×4691 1.08 MB

하단 보드 (앞면 및 뒷면)

5824×3175 880 KB

상단 보드 (앞면 및 뒷면)

5824×3364 809 KB

4800×4800 1.57 MB

하드웨어 구현

사용자가 익스펜션 도크를 5Gbps 이상의 USB 인터페이스에 연결할 경우,
고속 버스 하드웨어 블록 다이어그램:

2410×831 264 KB

이 경우, USB 데이터 라인은 먼저 VL160 레벨 플립 칩을 통과합니다(Type-C의 양면 삽입 가능성을 지원). 이후 플립된 USB 신호는 VL822 허브 칩으로 전달되어 하나의 USB 입력을 네 개의 USB 출력으로 분배합니다.

반면, 5Gbps 이상이 아닌 480Mbps 인터페이스에 연결할 경우, USB 신호는 VL160 칩을 우회하고 직접 VL822 허브 칩으로 들어가며, 최대 하류 속도는 480Mbps입니다.

익스펜션 도크 전원 하드웨어 블록 다이어그램:

2628×1356 169 KB

SY6288CAAC은 내장형 과전류 보호 기능을 갖춘 전원 스위치입니다. 하류 부하가 2A를 초과하면 스위치가 열리며 전원을 차단하고, OC 핀을 저전압으로 끌어내려 과전류 상태를 컨트롤러에 알립니다.

성능 테스트

TYPE-A 포트 출력 리플

무부하 시: 약 18mV 리플

5824×4134 442 KB

1A 부하 시: 약 6mV 리플

5824×4066 482 KB

전력 변환 효율

입력 전압 (V) 입력 전류 (A) 입력 전력 (W) 출력 전압 (V) 출력 전류 (A) 출력 전력 (W) 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 5.20 2 10.40 91.58
4 8.063 32.25 5.17 5 25.85 80.15

4368×5824 3.64 MB

PD 고속 충전 협상 테스트

4368×5824 831 KB

열화상 촬영

5V 전원 회로가 8A 출력 시 MOSFET 온도 약 81°C (주변 온도 약 27°C)

1680×1260 218 KB

VL822 칩은 전면 읽기/쓰기 부하 시 약 70°C (주변 온도 약 25°C)

1288×1717 196 KB

GL3224 칩은 전면 읽기/쓰기 부하 시 약 58°C (주변 온도 약 27°C)

1717×1288 211 KB

USB 처리량 테스트

도크를 컴퓨터의 USB 10Gbps 포트에 연결한 후, HDD 외장 케이스(RTL9210B)를 연결하여 테스트. AS SSD 벤치마크 결과: 읽기 969.65MB/s, 쓰기 912.65MB/s.

874×821 177 KB

TF/SD 카드 리더 속도 테스트

삼성 EVO Plus TF 카드로 테스트: 읽기 93.04MB/s, 쓰기 20.13MB/s.

874×821 158 KB

2.5G 이더넷 속도 테스트

내부 속도 테스트 서버 사용: 다운로드 2089Mbps, 업로드 2497Mbps.

1130×1019 58 KB

제작 시 참고 사항1. 외함은 3D 프린팅으로 제작되었으며, 3D 모델 파일은 본문 끝부분의 다운로드 링크에서 확인할 수 있습니다.

  1. 외함의 나사 구멍에는 M2.5 열압입 너트를 사용해야 합니다. 납땜 인두로 너트를 가열한 후 구멍에 단단히 압입하세요.
  2. PCB를 주문할 때는 JLC04121H-3313 적층 구조와 1.2mm 두께의 기판을 선택하고, 반드시 임피던스 매칭을 수행해야 합니다.
  3. 일부 시스템에서는 최대 이더넷 속도에 도달하지 못할 수 있습니다. 이 경우 绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip 압축 파일에 포함된 드라이버를 설치해야 합니다(아래 다운로드 링크 참조).
  4. 일부 시스템에서 카드 리더 성능이 저하될 수 있습니다. 아래 제공된 자료의 GL3224 update tool v1.0 폴더에 있는 툴을 사용하여 펌웨어를 업그레이드해 볼 수 있습니다. 공장 출하 펌웨어 버전은 1532이며, 최신 버전은 1539입니다. 업그레이드가 필요하지 않은 경우 플래시 칩 납땜을 생략할 수 있습니다.
  5. 30핀 FPC 케이블과 6핀 XH2.54 케이블은 반드시 반전된 방향으로 주문하세요.

974×706 108 KB

M2.5 × 8 × 4 열압입 너트

2458×1960 344 KB

회로도

상판

1675×1190 143 KB

하판

1675×1190 158 KB

1676×1201 279 KB

PCB 레이아웃

상판

1150×1364 507 KB

1174×1391 478 KB

1154×1363 520 KB

하판

1091×1576 732 KB

1446×1700 1.47 MB

1450×1707 1.54 MB

부품 구매 링크

이 프로젝트에 필요한 대부분의 부품 구매 링크는 다음 위치에서 확인할 수 있습니다:- 0603 저항 및 커패시터 샘플북: https://s.click.taobao.com/ri755xr\n- VL160 칩: https://s.click.taobao.com/xRw35xr\n- VL822 칩: https://s.click.taobao.com/o5V35xr\n- GL3224 칩: https://s.click.taobao.com/lj98olr\n- SC8703QDER 칩: https://s.click.taobao.com/n8fz4xr\n- RTL8156B 칩: https://s.click.taobao.com/dkC3olr\n- Type-C 수신 포트 24P: https://s.click.taobao.com/kWht4xr\n- Type-C 수신 포트 16P: https://s.click.taobao.com/SaRr4xr\n\n모든 부품은 LCSC 온라인 스토어에서 구매하는 것을 권장합니다: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html\n\nLCSC 오픈소스 링크의 BOM 테이블을 클릭하면 필요한 모든 부품을 즉시 LCSC 장바구니에 가져올 수 있습니다.\n\n## 리소스 다운로드 링크\n\n다음 링크에는 LCSC EDA 프로젝트, PDF 회로도, PCB 제버 파일, 사용된 모든 칩의 데이터시트, 3D 외함 모델 파일, GL3224 펌웨어 업그레이드 도구 및 RTL8156B 드라이버가 포함되어 있습니다.\n\nBaidu 넷디스크: https://pan.baidu.com/s/1uY0DD40T5NeZS1X4UwaPng?pwd=nvbx (추출 코드: nvbx)\n\n123 클라우드 드라이브: https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?提取码:66SY\n\n이 정보가 유용하다고 생각되시면 위의 123 클라우드 드라이브 링크를 통해 후원해 주세요. 이 콘텐츠가 WeChat 아티클(공식 계정: zeruns-gzh)로 표시된다면, 아래의 ‘작성자에게 좋아요’ 버튼을 눌러 지원하실 수도 있습니다. 감사합니다.\n\n## 기타 추천 오픈소스 프로젝트\n\n- 가정용 전력 모니터링을 위한 오픈소스 3상 에너지 미터 출시: https://blog.zeruns.com/archives/771.html

추천 읽기