Mở nguồn một dock mở rộng USB3.2 với đầu vào Type-C: 4 cổng USB3.2 Gen2 + Ethernet 2,5G + đầu đọc thẻ TF/SD, hỗ trợ sạc nhanh PD để cấp nguồn phụ, dải điện áp đầu vào từ 4 đến 20 V, mạch Buck-Boost điều chỉnh điện áp ra 5,1 V, dựa trên các chip VL160 + VL822 + RTL8156BG + GL3224.
Hub USB 10 Gbps mã nguồn mở với Ethernet 2,5 Gbps và đầu đọc thẻ TF/SD
Tôi chưa từng thực hiện dự án mạch PCB tốc độ cao nào như thế này trước đây — đây là lần đầu tiên của tôi. Mọi góp ý cải thiện hoặc chỉ ra lỗi sai đều được tôi trân trọng cảm ơn.
Nhân tiện, hiện tôi đang tìm việc trực tuyến. Nếu các nhà tuyển dụng ở Quảng Châu hoặc Phật Sơn có nhu cầu tuyển dụng, xin vui lòng xem xét hồ sơ của tôi. Bạn có thể tham khảo các dự án mã nguồn mở của tôi trên trang OSHWHub: https://oshwhub.com/zeruns/works
Video minh họa dự án & quá trình thiết kế: https://www.bilibili.com/video/BV145G1z9Em2/
Kho mã nguồn mở trên OSHWHub: https://url.zeruns.com/U9sCt
Nhóm QQ về Điện tử/Micrô điều khiển: 2169025065
Các liên kết tải về nằm ở cuối bài viết!
Tổng quan dự án
Đây là một dock mở rộng USB3.2 với đầu vào USB-C, bao gồm bốn cổng ra USB3.2 (10 Gbps) kiểu Type-A (cổng vào cũng đạt 10 Gbps, do đó tổng băng thông vẫn là 10 Gbps), thêm một cổng Ethernet 2,5 G và đầu đọc thẻ TF/SD.
Phần cấp nguồn 5 V sử dụng bộ chuyển đổi Buck-Boost để điều chỉnh điện áp ra 5,1 V (0,1 V dư để bù sụt áp khi dòng tải lớn). Có hai đầu vào Type-C: một là cổng dữ liệu (cũng nhận nguồn nhưng không kích hoạt sạc nhanh — chỉ nhận 5 V và được đưa qua bộ chuyển đổi để tránh sụt áp khi tải nặng), đầu còn lại là cổng nguồn (hỗ trợ sạc nhanh PD bằng cách thương lượng để lấy 20 V, sau đó hạ xuống 5,1 V qua bộ chuyển đổi). Nguồn 5 V có thể cung cấp tổng cộng đến 9,5 A, mỗi cổng USB-A hỗ trợ tối đa 2 A.
Dự án sử dụng hai chip VL822; một trong hai vẫn còn một giao diện USB chưa dùng đến, bạn có thể tận dụng lại — ví dụ như thêm một cổng Type-A nữa, hoặc tích hợp một vi điều khiển có cảm biến điện áp/dòng điện để thu thập dữ liệu tiêu thụ điện theo thời gian thực trên từng cổng USB và truyền về máy chủ qua USB. Điều này rất hữu ích cho việc gỡ lỗi nhúng hoặc giám sát năng lượng thiết bị USB (đây là kế hoạch ban đầu của tôi, nhưng đã bỏ vì giới hạn kích thước mạch in PCB và tránh làm bo mạch quá lớn).
Thiết kế được chia thành hai bo mạch: bo trên chứa mạch nguồn Buck-Boost 5 V và mạch đầu đọc thẻ, bo dưới chứa mạch hub USB và mạch Ethernet 2,5 G. Hai bo nối với nhau bằng cáp FPC và đầu nối XH2,54.
Các chip chính được sử dụng: VL160, VL822, RTL8156BG, GL3224, EA3036, MT2492, SC8703
Thiết kế này tham khảo dự án “Trạm dock USB3 với điều chỉnh điện áp độc lập”: https://oshwhub.com/leo_lin/usb3-dock-with-dc-dc-converter
Thông số kỹ thuật của dock mở rộng
- Giao diện đầu vào: USB-C
- Giao diện đầu ra: USB-A, RJ45, TF, SD
- Tốc độ dữ liệu đầu vào tối đa: 10 Gbps
- Tốc độ dữ liệu đầu ra tối đa: USB: 10 Gbps | RJ45: 2,5 Gbps
- Công suất đầu vào tối đa qua Type-C: 5 V@5 A / 20 V@5 A
- Dòng điện đầu ra tối đa cổng Type-A: 5 V@2 A (tổng tất cả các cổng lên đến 8 A)
- Kích thước: 90 × 74 × 26,3 mm
Ảnh sản phẩm
Với vỏ bọc lắp đầy đủ
Đang hoạt động, có điện
Bo mạch điện tử
Bo dưới, mặt trước và mặt sau
Bo trên, mặt trước và mặt sau
Triển khai phần cứng
Khi người dùng kết nối dock mở rộng vào một cổng USB có tốc độ 5 Gbps hoặc cao hơn,
Sơ đồ khối phần cứng bus tốc độ cao:
Trong trường hợp này, đường dữ liệu USB trước tiên đi qua chip chuyển mức VL160 (cho phép cắm đảo ngược cổng Type-C). Các tín hiệu USB đã được đảo mức sau đó được gửi đến chip hub VL822, chia một đầu vào USB thành bốn đầu ra USB.
Khi kết nối với cổng 480 Mbps thay vì 5 Gbps trở lên, tín hiệu USB bỏ qua chip VL160 và đi trực tiếp vào chip hub VL822, cho tốc độ tối đa đầu ra là 480 Mbps.
Sơ đồ khối phần cứng nguồn điện của dock mở rộng:
SY6288CAAC là một công tắc nguồn tích hợp bảo vệ quá dòng. Nếu tải đầu ra vượt quá 2 A, công tắc sẽ ngắt, cắt nguồn và kéo chân OC xuống thấp để báo điều kiện quá dòng cho bộ điều khiển.
Các bài kiểm tra hiệu suất
Gợn điện đầu ra cổng TYPE-A
Không tải: gợn ~18 mV
Tải 1 A: gợn ~6 mV
Hiệu suất chuyển đổi điện năng
| Điện áp vào (V) | Dòng điện vào (A) | Công suất vào (W) | Điện áp ra (V) | Dòng điện ra (A) | Công suất ra (W) | Hiệu suất (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Kiểm tra thương lượng sạc nhanh PD
Ảnh nhiệt
Nhiệt độ MOSFET ~81 °C khi mạch nguồn 5 V cung cấp dòng 8 A (nhiệt độ môi trường ~27 °C)
Nhiệt độ chip VL822 ~70 °C dưới tải đọc/ghi đầy (nhiệt độ môi trường ~25 °C)
Nhiệt độ chip GL3224 ~58 °C dưới tải đọc/ghi đầy (nhiệt độ môi trường ~27 °C)
Kiểm tra băng thông USB
Dock được nối vào cổng USB 10 Gbps của máy tính, sau đó nối thêm một hộp HDD (RTL9210B). AS SSD Benchmark cho kết quả: đọc 969,65 MB/s, ghi 912,65 MB/s.
Kiểm tra tốc độ đầu đọc thẻ TF/SD
Thử nghiệm với thẻ TF Samsung EVO Plus: đọc 93,04 MB/s, ghi 20,13 MB/s.
Kiểm tra tốc độ Ethernet 2,5 G
Sử dụng máy chủ kiểm tra tốc độ nội bộ: tải xuống 2089 Mbps, tải lên 2497 Mbps.
Ghi chú khi sao chép dự án1. Vỏ máy được in 3D; các tệp mô hình 3D có sẵn trong các liên kết tải xuống ở cuối bài viết.
- Các lỗ vít trên vỏ cần sử dụng đai ốc ép nhiệt M2.5 — hãy làm nóng chúng bằng mỏ hàn và ép chặt vào vị trí.
- Khi đặt hàng PCB, hãy chọn cấu trúc lớp JLC04121H-3313 với độ dày bảng mạch 1,2 mm, và chắc chắn thực hiện cân bằng trở kháng.
- Một số hệ thống có thể không đạt tốc độ Ethernet tối đa; bạn sẽ cần cài đặt trình điều khiển nằm trong tập tin nén
绿联USB有线网卡-RTL芯片-全系统_UGREEN_EthernetAdapter Driver_V1.01.zip(xem liên kết tải xuống ở cuối). - Một số hệ thống có thể gặp hiện tượng hiệu suất đầu đọc thẻ bị giảm; bạn có thể thử nâng cấp firmware bằng công cụ trong thư mục
GL3224 update tool v1.0trong phần tài nguyên bên dưới. Phiên bản firmware gốc là 1532, phiên bản mới nhất là 1539. Nếu bạn không cần nâng cấp, có thể bỏ qua việc hàn chip Flash. - Hãy chắc chắn đặt mua cáp FPC 30 chân và cáp XH2.54 6 chân theo hướng đảo ngược.
Đai ốc ép nhiệt M2.5 × 8 × 4
Sơ đồ mạch
Mạch trên
Mạch dưới
Bố trí PCB
Mạch trên
Mạch dưới
Liên kết mua linh kiện
Hầu hết các liên kết mua linh kiện cho dự án này đều có tại đây:- Sách mẫu điện trở, tụ điện 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
- Đầu nối Type-C cái 24 chân: https://s.click.taobao.com/kWht4xr
- Đầu nối Type-C cái 16 chân: https://s.click.taobao.com/SaRr4xr
Khuyến nghị mua linh kiện từ cửa hàng trực tuyến LCSC: https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
Bằng cách nhấp vào bảng BOM trong liên kết mã nguồn mở LCSC, bạn có thể nhập ngay lập tức tất cả các linh kiện cần thiết vào giỏ hàng LCSC của mình.
Liên kết tải tài nguyên
Các liên kết sau đây bao gồm dự án EDA LCSC, sơ đồ mạch PDF, file Gerber PCB, bảng dữ liệu (datasheet) cho tất cả các chip được sử dụng, mô hình 3D của hộp đựng, công cụ cập nhật firmware GL3224 và trình điều khiển RTL8156B.
Ổ đĩa Baidu: https://pan.baidu.com/s/1uY0DD40T5NeZS1X4UwaPng?pwd=nvbx (Mã truy cập: nvbx)
123 Cloud Drive: https://www.123684.com/s/2Y9Djv-106vH?提取码:66SY
Nếu bạn thấy nội dung này hữu ích, hãy ủng hộ tôi bằng cách gửi một khoản tiền cảm ơn thông qua liên kết 123 Cloud Drive ở trên. Nếu bài viết này xuất hiện dưới dạng bài viết WeChat (tài khoản công cộng: zeruns-gzh), bạn cũng có thể nhấn nút “Thích Tác giả” ở dưới bài viết để hỗ trợ tôi. Xin cảm ơn.
Gợi ý các dự án mã nguồn mở khác- Đã công bố đồng hồ đo điện năng ba pha mã nguồn mở để dễ dàng giám sát điện năng tại nhà: https://blog.zeruns.com/archives/771.html
- Mẫu dự án LVGL dựa trên STM32F407 (màn hình MSP3526), bao gồm cả phiên bản dùng FreeRTOS và không dùng hệ điều hành: https://blog.zeruns.com/archives/788.html
- Công khai mã nguồn bộ nguồn kỹ thuật số Buck–Boost chỉnh lưu đồng bộ dựa trên STM32: https://blog.zeruns.com/archives/791.html
- Mô-đun nguồn DCDC tự động tăng/giảm áp LM25118: https://blog.zeruns.com/archives/727.html
- Mô-đun tăng áp hiệu suất cao EG1164, chỉnh lưu đồng bộ, hiệu suất lên tới 97%: https://blog.zeruns.com/archives/730.html
- Nút giám sát môi trường 4G dựa trên Gizwits Air700E (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, v.v.), tải dữ liệu lên nền tảng IoT Alibaba Cloud thông qua giao thức MQTT: https://blog.zeruns.com/archives/747.html
- Công khai mã nguồn thiết bị tải điện tử thông minh dựa trên CH32V307 (dự án tham gia cuộc thi điện tử nhúng): https://blog.zeruns.com/archives/785.html
- Mô-đun nguồn Buck–Boost hiệu suất cao EG1151, chỉnh lưu đồng bộ, có thể điều chỉnh (hỗ trợ đầu vào sạc nhanh Type-C PD): https://blog.zeruns.com/archives/794.html
- Mô-đun sạc nhanh PD 3.1 công suất 140 W + 65 W sử dụng Buck–Boost (2 cổng C + 1 cổng A), IP6557 + IP6538, dùng cho bộ sạc để bàn 205 W: https://blog.zeruns.com/archives/801.html
Bài viết đề xuất đọc
- Gợi ý các VPS/máy chủ đám mây giá rẻ và hiệu quả về chi phí: https://blog.zeruns.com/archives/383.html
- Hướng dẫn thiết lập máy chủ Minecraft: https://blog.zeruns.com/tag/mc/
- Hướng dẫn từng bước triển khai blog Halo bằng 1Panel | Hướng dẫn thiết lập trang web doanh nghiệp/blog cá nhân: https://blog.zeruns.com/archives/858.html
- Tổng quan về 4 bảng điều khiển thân thiện người dùng giúp khởi chạy nhanh nhiều loại máy chủ (gói mod Minecraft, Palworld, 7 Days to Die, CSGO, v.v.): https://blog.zeruns.com/archives/808.html
- Đánh giá nhanh trải nghiệm mở hộp bo mạch chủ Ultra7-265K và GIGABYTE Z890M-AORUS-ELITE-WIFI7: https://blog.zeruns.com/archives/863.html
- Hướng dẫn thiết lập diễn đàn Flarum — xây dựng diễn đàn cộng đồng từ đầu: https://blog.zeruns.com/archives/866.html