设计和构建您自己的大功率USB集线器端口扩展器

今天，我们的办公桌上满是需要通过USB与PC连接的设备，或者我们需要使用多种具有USB的东西。这成了一个问题，因为笔记本电脑缺乏多个端口，这就是USB集线器或USB端口扩展器派上用场的地方。

USB集线器是一种有用的设备，它提供了将单个通用串行总线(USB)端口转换为多端口系统的灵活性，因此我们可以将更多设备连接到主机系统。在多端口USB HUB系统中，我们可以使用多个USB设备，如鼠标、键盘、笔式驱动器等，主机USB的带宽在它们之间共享。在这个项目中，我们将讨论如何设计一个USB集线器，它可以帮助您将一个USB端口扩展到四个。在此过程中，我们还将学习如何实现USB输入/输出保护电路以及如何为此设计PCB。

这个项目的USB集线器PCB板是由我们的长期赞助商pcbway.com制造的。对于那些新来的人来说，PCBWay是一家制造和组装服务提供商，可以为原型和制造数量提供高质量，全功能的定制pcb。我们稍后将讨论更多关于如何使用他们的服务，但如果您想获得这些USB集线器PCB板，您也可以查看项目赠品!这在本页底部链接的视频中有解释。

USB集线器规格：

•USB2.0设备

•4专用端口。

•自电源和外部电源选项

USB集线器将支持USB2.0设施，并将有4个专用USB端口。它可以自供电，这意味着它将从主机USB端口获取电力并将其分配到其他连接的USB设备，或者外部5V电源将允许它为外部设备供电。

物料清单在PCB上有元件标示。对于原理图和PCB，让我们移动到下一节-

DIY USB集线器电路图

DIY USB集线器的完整原理图如下：

让我们看看这些组件是如何连接的。为了更好地理解，根据每个主要组件的工作原理，将原理图的每个部分分开作为一个块。

GL850G控制器：

GL850G是本应用的主要集成电路。它来自Genesys Logic的高级版本集线器解决方案，完全符合通用串行总线规范修订2.0。

我们选择了这一点，因为它在USB集线器的设计过程中提供了主要优势。

它将5V至3.3V和3.3V至1.8V压降稳压器集成到一个芯片中，因此不需要外部ldo，可以节省成本。

简而言之，GL850G使用8位RISC处理器来操作控制/状态寄存器并响应来自USB主机的请求。GL850G还预装了固件，可以控制其通用I/O并访问外部EEPROM。

在上述原理图中，我们使用连接为DP1、DM1、DP2、DM2等的4个下游端口，直至DP4、DM4。这是主要的USB D+和D-连接到各自的USB设备。

它通过引脚25 (5V线)和引脚24 (3.3V引脚)供电。3.3V部分有一个0.1uF的PI滤波器和10uF的电容，以及一个铁氧体磁头作为模拟电压提供干净的电源。

引脚可以看到在下面-

USB主机连接和过流部分：

这是USB的输入。它有一个男性USB插座，将插入到PC，笔记本电脑，或具有USB集线器功能的设备。还有一个正在使用的ESD保护，具有IC4，将保护该上游端口免受ESD影响。

过流分压器用于偏置过流引脚。分压器设置为在该引脚处提供3.3V，以激活4端口上USB总线的过流保护功能。

4x下行端口：

在上图中，显示了4个下游端口。所有都在电源线中使用单独的过滤器，为USB设备提供清洁电源。然而，有4个PTC可用于保护大电流驱动器。

除此之外，IC2和IC3是TVS二极管，用于保护内部器件免受ESD浪涌的影响。

外围电路:

第一个是复位电路。这是一个用于复位的简单分压器，其输出电压为4V。因此，当5V变低时，它可以改变GL850G复位的阈值电压。

中间的是GANG指示灯。当有4个usb激活时，此指示灯将点亮。

最后一个是12Mhz晶体振荡器，由GL850G使用。

外部供电及逻辑：

在上述电路中，使用电池连接器逻辑控制MOSFET。在正常情况下，MOSFET关闭，但是当有人插入连接器时，直流筒形连接器开关断开，5V的电源通过MOSFET与供电轨道连接。

制作USB集线器的PCB

PCB设计合理，采用合适的差分对端子。重要的走线如下所示，其中USB差分对长度匹配。如果您是PCB设计中的差分布线新手，您可以查看这篇文章，该文章解释了差分对布线的重要性以及如何使用它。

下面的部分是输入USB。

这是USB 1跟踪。

这是USB 2的踪迹。

这是USB 3的踪迹。

这是USB 4的踪迹。

这是整个PCB

在进行设计之前，将PCB转换为3D

从PCBWay订购PCB

现在设计完成后，您可以继续订购PCB：

第一步：登录，如果是第一次，就注册。然后，在PCB Prototype选项卡中，输入PCB的尺寸、层数和所需PCB的数量。

第二步：点击“现在报价”按钮。您将被带到一个页面，其中设置一些额外的参数，如板类型，层，PCB材料，厚度等，其中大多数是默认选择的，如果您选择任何特定参数，您可以在这里选择它。

步骤3：最后一步是上传Gerber文件并继续付款。为了确保付款过程顺利进行，PCBWAY会在付款前验证您的Gerber文件是否有效。这样，您可以确保您的PCB是制造友好的，并将达到您的承诺。

组装PCB

订购后，几天后，它通过快递送到了我手中，装在一个标签整齐、包装良好的盒子里。PCB质量一如既往的好。板的顶层和底层如下图所示：

在确认痕迹和脚印是正确的之后。我继续组装PCB板。完全焊接板看起来像下面：

3d打印USB端口扩展器外壳

在组装PCB并确保一切都很好后，我为PCB打印了一个外壳。为此，我测量了电路板的尺寸，所有的USB端口和桶千斤顶，为我的设置设计一个外壳。我的设计完成后看起来像下面这样。

当我对设计满意后，我将其导出为STL文件，并根据打印机设置进行切片，最后进行打印。STL文件也可以从Thingiverse下载，你可以使用它打印自己的大小写。

打印完成后，我继续在一个永久的外壳中组装项目设置，以备将来使用，一切都很好地适合，你可以在下面看到：

测试USB集线器

在组装好PCB并将其固定在3d打印外壳内后，我将其插入笔记本电脑的一个USB端口，然后将4个USB设备连接到USB端口上。连接到这个USB集线器的所有四个设备都可以无缝地工作。

本文编译自circuitdigest