基于VL812的USB3.0HUB

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#单片机 #嵌入式硬件

一、项目简介

基于VL812的USB3.0Hub，一路USB3.0输入，4路USB3.0输出，单电源5V供电，内部集成5V转3.3V，5V转1.2V电路。自带固件，焊接完成即可使用。

二、芯片介绍-VL812

超高速USB集线器控制器
支持超高速、高速、全速、低速四种模式
四个下行端口，一个上行端口
集成电压调节器，能够从5V输入产生所有所需的芯片电源
支持双状态指示灯
全面的USB电池充电支持

三、电路解析

3.1 限流保护电路分析

这是一个包含 MT9700 芯片的电路图，主要由电源、电容、电阻和芯片组成。以下是各部分的详细解释：

电路元件

电源
- VL_5V：这是一个 5V 的电源输入。
- VIN：连接到芯片 U2 的第 5 引脚，作为芯片的电源输入。
- GND：接地。
电容
- C21 和 C20：两个 10uF 的电容，分别连接在电源和地之间，用于滤波，减少电源波动。
电阻
- R11：一个 6.8kΩ 的电阻，连接在芯片 U2 的第 3 引脚（SET）和地之间，用于设置芯片的工作参数。
芯片
- U2（MT9700）：这是一个多功能芯片，具有多个引脚，包括 VIN（电源输入）、VOUT（电压输出）、GND（接地）、SET（设置引脚）和 EN（使能引脚）。

限流保护

在这个电路图中，限流保护主要通过以下方式实现：

电阻 R11 的作用
- 电阻 R11（6.8kΩ）连接在芯片 U2 的 SET 引脚和地之间。这个电阻用于设置芯片的工作电流限制。MT9700 芯片通常有内部电流限制机制，通过外部电阻可以调整这个限制值。具体的电流限制值可以通过芯片的数据手册来确定。
电容的作用
- 电容 C21 和 C20 用于电源滤波，确保电源电压的稳定。稳定的电源电压有助于芯片正常工作，并防止因电源波动导致的过流情况。
芯片内部机制
- MT9700 芯片内部可能有过流保护电路。当通过芯片的电流超过设定的限制值时，芯片会自动采取措施，例如降低输出电压或切断输出，以防止电路损坏。

工作原理

电源输入
- 5V 电源（VL_5V）通过 VIN 引脚进入芯片 U2，为芯片提供工作电压。
设置电流限制
- 电阻 R11 与芯片 U2 的 SET 引脚相连，用于设置芯片的电流限制。
使能控制
- EN 引脚可以用于控制芯片的使能状态，当 EN 引脚接收到合适的信号时，芯片开始工作。
输出
- 芯片 U2 的 VOUT 引脚可以输出经过处理的电压，具体的输出电压和电流取决于芯片的设置和输入条件。

通过这些元件的协同工作，这个电路能够实现对电流的限制和保护，确保电路在安全范围内工作。

3.2 设备检测电路分析

这是一个包含多个发光二极管（LED）的电路图，以下是详细讲解：

电路结构

电源输入
- 图中有四个电源输入点，分别标记为VL_RN1、VL_RN2、VL_RN3和VL_RN4。这些点可能连接到外部电源，为电路提供电能。
LED 部分
- 图中有四个发光二极管，分别标记为LED1、LED2、LED3和LED4。每个 LED 都有一个箭头，表示电流的流向，即从阳极（正极）流向阴极（负极）。
限流电阻
- 每个 LED 都串联了一个 470Ω 的电阻，分别标记为R12、R13、R14和R15。这些电阻起到限流的作用。
- 电阻的一端连接到 LED 的阴极，另一端连接到公共接地（GND）。

限流保护原理

限流电阻的作用
- 在这个电路中，限流保护主要通过串联在每个 LED 支路中的 470Ω 电阻来实现。根据欧姆定律（），当电源电压（）一定时，电阻（）的值决定了通过电路的电流（）的大小。
- 对于一个典型的 LED，其正向电压（）一般在 1.8 - 3.3V 之间（不同颜色的 LED 有所不同），假设电源电压为，电阻为，则通过 LED 的电流。
- 例如，如果电源电压，LED 的正向电压，电阻，则通过 LED 的电流。通过选择合适的电阻值，可以将电流限制在 LED 的额定电流范围内，防止 LED 因过流而损坏。
电阻值的选择
- 470Ω 的电阻是根据 LED 的额定电流和电源电压选择的。一般 LED 的额定电流在 10 - 20mA 之间，通过计算和实际测试，470Ω 电阻可以确保电流在安全范围内，同时使 LED 能够正常发光。

综上所述，这个电路图通过在每个 LED 支路中串联 470Ω 的限流电阻来实现对 LED 的限流保护，确保 LED 在正常工作电流范围内发光，防止因过流而损坏。

3.3 复位&检测电路

这是一个简单的电子电路，主要由电阻、电容和电源连接点组成。以下是对该电路图的详细讲解：

电路元件

电源连接点
- VL_3V3：这是一个 3.3V 的电源输入点。
- VL_5V：这是一个 5V 的电源输入点。
- VL_RESET：这是一个复位信号输入点。
- VL_DET：这是一个检测信号输出点。
- GND：这是电路的接地端，图中有两个接地端。
电阻
- R8：阻值为 10kΩ，连接在 VL_3V3 和 VL_DET 之间。
- R2：阻值为 4.7kΩ，连接在 VL_5V 和 VL_DET 之间。
- R3：阻值为 10kΩ，连接在 VL_DET 和地之间。
电容
- C2：电容值为 100nF，连接在 VL_RESET 和地之间。

限流保护

在这个电路图中，限流保护主要通过以下方式实现：

电阻的限流作用
- R8（10kΩ）：当电流从 VL_3V3 流向 VL_DET 时，R8 起到限流作用。根据欧姆定律（），在给定电压下，电阻越大，通过的电流越小。例如，如果 VL_3V3 的电压为 3.3V，通过 R8 的电流。
- R2（4.7kΩ）：当电流从 VL_5V 流向 VL_DET 时，R2 起到限流作用。如果 VL_5V 的电压为 5V，通过 R2 的电流。
- R3（10kΩ）：从 VL_DET 到地的电阻 R3 也起到限流作用，确保在 VL_DET 点的电流不会过大。
电容的作用
- C2（100nF）：C2 连接在 VL_RESET 和地之间，主要用于滤波和稳定 VL_RESET 信号。虽然它本身不直接参与限流，但它有助于保持电路信号的稳定性，间接有助于整个电路的正常工作，防止因信号不稳定导致的电流异常。

综上所述， VL812是低电平复位，这里使用10K电阻搭配100nf电容进行上电复位，满足时序要求。使用4.7K与10K组成分压电路，将5V电压分压为3.4V左右，注意不能直接将5V输入到引脚，可能会损坏芯片。

3.4 晶振电路分析

这是一个晶振电路。

电路结构

元件
- 晶振（X1）：这是电路的核心元件，通常用于产生稳定的时钟信号。图中的晶振有 4 个引脚，分别标记为 1、2、3、4。
- 电容（C3、C4）：两个 12pF 的电容，分别连接在晶振的引脚 1 和引脚 3 上。这些电容与晶振一起构成了一个振荡电路。
- 电源（VL_SSXi、VL_SSXO）：分别连接到晶振的引脚 2 和引脚 4，为晶振电路提供电源。
- 接地（GND）：有两个接地端，分别连接到电容 C3 和 C4 的另一端，确保电路有稳定的参考电位。

限流保护

在这个晶振电路中，并没有专门的限流电阻用于限流保护。晶振电路的主要功能是产生稳定的时钟信号，而不是处理大电流的情况。

工作原理

振荡原理
- 晶振（X1）在电路中起到产生稳定频率信号的作用。当电源（VL_SSXi 和 VL_SSXO）施加到晶振上时，晶振与电容 C3 和 C4 构成一个谐振回路。
- 电容 C3 和 C4 与晶振的内部等效电容共同决定了振荡频率。通常，晶振的频率是由其自身的物理特性决定的，但外接电容可以对频率进行微调。
信号输出
- 晶振产生的稳定频率信号可以通过引脚 2 和引脚 4 输出，供其他电路使用，例如微控制器的时钟输入等。

3.5 滤波电路分析

这是一个电源滤波电路。

电路结构

电源输入
- 图中有两个电源输入：VL_3V和VL_1V2。
- VL_3V是 3V 电源输入，VL_1V2是 1.2V 电源输入。
电容阵列
- 对于VL_3V电源输入：
  - 有 8 个电容（C22 - C29），每个电容的容量都是 100nF。这些电容的一端连接到VL_3V，另一端连接到地（GND）。
- 对于VL_1V2电源输入：
  - 有 10 个电容（C30 - C39），每个电容的容量都是 100nF。这些电容的一端连接到VL_1V2，另一端连接到地（GND）。

工作原理

滤波功能
- 该电路的主要功能是对电源进行滤波。当电源（VL_3V和VL_1V2）中有高频噪声或纹波时，这些电容可以起到滤波的作用。
- 电容的特性是对交流信号（高频噪声）呈现低阻抗，对直流信号（电源电压）呈现高阻抗。因此，当电源中的高频噪声通过这些电容时，会被旁路到地，从而使输出的电源更加纯净和平稳。

限流保护

在这个电源滤波电路中，并没有直接的限流保护机制。这是因为该电路的主要目的是滤波，而不是控制电流大小。如果需要在电源电路中实现限流保护，可以采用以下方法：

串联电阻
- 在电源输入线路中串联一个合适阻值的电阻。根据欧姆定律（I=V/R），当电阻确定后，通过电阻的电流大小取决于电阻两端的电压。这样可以限制通过电路的电流大小。
使用专门的限流芯片
- 可以使用专门的限流芯片，如线性稳压器或开关稳压器中的限流功能模块。这些芯片可以根据设定的电流限制值，自动调整输出电流，防止过流。

这个电源滤波电路主要用于对电源进行滤波，使其输出更加纯净和平稳，但本身并不具备限流保护功能。如果需要限流保护，可以通过串联电阻或使用专门的限流芯片来实现。

3.6 TYPEA-输入接口电路分析

这是一个 USB - TYPEA 输入接口的电路图，以下是详细讲解：

电路结构

USB1 接口
- 图中左侧是 USB1 接口，共有 11 个引脚。引脚分别标记为：
  - 11 号引脚：VBUS（电源总线），通常用于提供 5V 电源。
  - 10 号引脚：StdB_SSRX+（标准 B 型超高速接收正信号）。
  - 9 号引脚：StdB_SSRX-（标准 B 型超高速接收负信号）。
  - 8 号引脚：GND_DRAIN（接地排）。
  - 7 号引脚：StdB_SSTX+（标准 B 型超高速发送正信号）。
  - 6 号引脚：StdB_SSTX-（标准 B 型超高速发送负信号）。
  - 5 号引脚：D+（USB 数据正信号）。
  - 4 号引脚：D-（USB 数据负信号）。
  - 3 号引脚：VL_DP+（可能是另一种数据正信号，VL 可能表示电压等级）。
  - 2 号引脚：VL_DP-（可能是另一种数据负信号）。
  - 1 号引脚：GND（接地）。
TYPEA - 输入接口
- 图中右侧是 TYPEA - 输入接口，包括：
  - VIN（输入电压）和 GND（接地）。
  - 两个 100nF 的电容（C5 和 C6）分别连接在 VL_SSTX0 + 和 VL_SSTX0-、VL_SSRX0 + 和 VL_SSRX0 - 之间，用于滤波，减少信号干扰。
  - 一个 10uF 的电容（C7）连接在 VIN 和 GND 之间，用于电源滤波，稳定输入电压。
  - 一个二极管（D1）连接在 VIN 和 GND 之间，可能用于防止电源反接，起到保护电路的作用。

限流保护

电容的作用
- 电容 C5、C6 和 C7 虽然主要功能是滤波，但在一定程度上可以影响电流的变化。例如，C7 可以在电源瞬间波动时提供一定的电流缓冲，防止过大的电流冲击电路。
二极管的作用
- 二极管 D1 主要用于防止电源反接。当电源正接时，二极管导通，电路正常工作；当电源反接时，二极管截止，阻止反向电流通过，从而保护电路中的其他元件不被损坏。这间接起到了保护电路不过载（包括限流）的作用。

在这个电路图中，并没有专门的限流电阻用于直接限流。但是通过电容的滤波缓冲作用和二极管的电源反接保护作用，可以在一定程度上保护电路的稳定性和安全性，防止因电源波动或反接导致的过流问题。

3.7 USB3.0-输出接口电路分析

这是一个 USB 3.0 输出接口的电路图，以下是详细讲解：

电路结构

USB2 接口部分
- 引脚功能
  - 11 号引脚和 1 号引脚：标记为 “SHELL”，通常是 USB 接口的金属外壳，起到屏蔽和接地的作用。
  - 10 号引脚：标记为 “StdA_SSTX+”，这是 USB 3.0 标准 A 型超高速传输的正信号引脚。
  - 9 号引脚：标记为 “StdA_SSTX-”，这是 USB 3.0 标准 A 型超高速传输的负信号引脚。
  - 8 号引脚：标记为 “GND_DRAIN”，这是接地引脚，用于排放静电等。
  - 7 号引脚：标记为 “StdA_SSRX+”，这是 USB 3.0 标准 A 型超高速接收的正信号引脚。
  - 6 号引脚：标记为 “StdA_SSRX-”，这是 USB 3.0 标准 A 型超高速接收的负信号引脚。
  - 5 号引脚：标记为 “D+”，这是 USB 2.0 的数据正信号引脚。
  - 4 号引脚：标记为 “D-”，这是 USB 2.0 的数据负信号引脚。
  - 3 号引脚：标记为 “VL_HP1+”，可能是高速信号的正引脚。
  - 2 号引脚：标记为 “VL_HP1-”，可能是高速信号的负引脚。
  - 1 号引脚：标记为 “Vbus”，这是 USB 的电源总线，通常提供 5V 电源。
- 滤波电容
  - 在 USB2 接口部分，有多个 100nF 的电容（C8、C9）分别连接在超高速传输和接收信号引脚（StdA_SSTX+、StdA_SSTX-、StdA_SSRX+、StdA_SSRX-）与地之间，用于滤波，减少信号干扰。
USB3.0 - 输出接口 1 部分
- 电源和接地
  - 有一个 5V 电源（VL_5V）连接到 USB3.0 输出接口，并且有多个接地（GND）连接，确保电路的稳定。
- 滤波电容
  - 有两个 100nF 的电容（C8、C9）连接在超高速传输信号引脚（VL_SSTX1+、VL_SSTX1-、VL_SSRX1+、VL_SSRX1-）与地之间，用于滤波。
  - 有一个 10uF 的电容（C10）连接在 5V 电源（VL_5V）和地之间，用于电源滤波，稳定输入电压。
- 二极管（D2）
  - 有一个二极管（D2）连接在 5V 电源（VL_5V）和地之间，可能用于防止电源反接，起到保护电路的作用。

限流保护

电容的作用
- 电容（C8、C9、C10）主要用于滤波，但在一定程度上可以影响电流的变化。例如，C10 可以在电源瞬间波动时提供一定的电流缓冲，防止过大的电流冲击电路。
二极管的作用
- 二极管 D2 主要用于防止电源反接。当电源正接时，二极管导通，电路正常工作；当电源反接时，二极管截止，阻止反向电流通过，从而保护电路中的其他元件不被损坏。这间接起到了保护电路不过载（包括限流）的作用。

3.8 主控芯片电路分析

这是一个主控电路的电路图，以下是对该电路图的详细讲解：

电路元件与连接

电源部分
- 图中有多个电源输入点，如VL 3V3、VL 5V等。这些电源为电路中的不同元件提供所需的工作电压。
- 例如，VL 3V3电源通过一些连接为芯片的部分引脚供电，VL 5V电源也有类似的供电路径。
- 存在一些滤波电容，如C40、C41等（100nF），它们连接在电源和地之间，用于滤除电源中的高频噪声，稳定电源电压。
电阻部分
- 有多个电阻，如R1（6.04kΩ）等。这些电阻在电路中起到分压、限流等作用。
- 例如，R1连接在VL 3V3电源和某些引脚之间，可能起到分压或限流的作用。
芯片与引脚连接
- 图中有多个芯片引脚，如SSREXT、SMDAT、SMCLK等。这些引脚通过连线与其他元件或电源相连。
- 例如，SSREXT引脚通过连线与其他元件相连，可能用于芯片的外部复位或其他功能。
- 有一些引脚标注了功能，如USBHGRN1、USBHGRN2等，可能与 USB 接口相关。
电感与电容组合（LC 滤波）
- 在图的右下角，有一个电感L1（100uH）和电容C1（10uF）组成的 LC 滤波电路。这种电路常用于滤除电源中的低频噪声，使电源更加纯净。

限流保护

电阻的限流作用
- 电阻如R1（6.04kΩ）在电路中起到限流作用。根据欧姆定律I = V/R，在给定电压下，电阻越大，通过的电流越小。
- 例如，如果在R1两端施加VL 3V3电压，通过R1的电流I = 3.3V/6.04kΩ≈0.546mA。这种限流作用可以防止过大电流损坏与之相连的芯片引脚或其他元件。
电源管理芯片的内置保护
- 许多主控电路中的电源管理芯片都内置了限流保护机制。虽然图中没有明确标注电源管理芯片，但在实际应用中，这些芯片可以监测和限制流入或流出芯片的电流。
- 例如，当电路中出现短路或过载情况时，电源管理芯片可以自动限制电流，防止芯片过热或损坏。
LC 滤波电路的间接作用
- LC 滤波电路（L1和C1）虽然主要功能是滤波，但也可以在一定程度上起到保护电路的作用。
- 在电源波动较大时，LC 滤波电路可以防止瞬间大电流对电路的冲击，从而间接起到限流保护的作用。