1. 핵심 칩 솔루션의 장점
AWP35817는 고속 멀티 포트USB확장 시나리오를 위해 특별히 제작된USB3.2 Gen1프로토콜HUB컨트롤러 단일 칩 솔루션으로,통합도가 높고 주변 회로가 간소하며 산업급 안정성이 강력하여 추가 제어 칩 없이도 원스톱으로1입력4출력USB포트 확장을 실현할 수 있어 하드웨어 설계를 크게 단순화하고PCB점유 면적을 축소하여 양산 개발 요구에 적합합니다.
칩 내에는 독립적인USB3.0 SS고속HUB컨트롤러,USB2.0고속HUB컨트롤러 및 전용 전원 컨트롤러가 내장되어 있으며,5그룹과USB3.0 SS PHY그룹5를 탑재하여 하드웨어 자원이 충분하므로 멀티 포트 동시 고속 전송을 지원하며 대역폭 병목 현상이 없습니다.USB2.0 PHY전송 속도 호환성 측면에서 칩은 모든 포트 프로토콜 적응이 완비되어 있습니다: 업스트림 포트는
초고속,USB3.0 5Gbps고속,USB2.0 480Mbps전속 모드를 지원하며; 다운스트림 포트는12Mbps,5Gbps,480Mbps,12Mbps저속의 네 가지 전송 모드를 모두 커버하여 다양한1.5Mbps주변기기와 완벽하게 호환되며USB드라이브, 키보드/마우스, 산업용 센서, 고속 하드 디스크 등 다양한 장치에 적응합니다.U동시에 칩은 고성능
동시 처리 모드를 지원하여 여러 포트가 동시에 작동할 때 대역폭을 합리적으로 할당함으로써 단일 포트의 과도한 점유로 인한 전체 속도 저하 및 끊김 문제를 방지합니다. 산업급 설계 기준으로 인해 광온도 및 복잡한 전자기 환경을 견딜 수 있으며, 일반 소비자급MTT칩에 비해HUB간섭 저항 능력, 작동 안정성, 수명이 크게 향상되었습니다. 이는 소비자용 및 산업용 제품 설계 요구를 모두 충족합니다.그림
기능 블록도 1 AWP35817
II. 주요 적용 시나리오
높은 통합도, 높은 호환성, 높은 안정성이라는 핵심 특성을 바탕으로,AWP358171 대 4USB3.2 Gen1 HUB솔루션은 다양한 분야의 하드웨어 제품에 적합하며, 주요 적용 시나리오는 다음과 같습니다:
• 소비자용 주변기기: 데스크톱USB도킹 스테이션,Type-C다기능 확장기, 노트북 외장USB허브로 일상적인 다중 주변기기 동시 접속 및 고속 데이터 전송 요구 사항 충족
• 산업 제어 장비: 산업용 PC 메인보드, 산업용 임베디드 메인보드, 산업용USB수집 모듈로 산업 현장의 복잡한 작동 조건에 적응하여 산업용 센서, 수집 장비, 제어 단말기의 안정적인 통신 보장
• 임베디드 시스템: 스마트 하드웨어, IoT 단말기, 차량용 임베디드 장비, 보안 감시 장비로 임베디드 시스템에 다중 표준화USB확장 인터페이스 제공
• 컴퓨터 하드웨어 액세서리: 데스크톱 PC 메인보드 전면USB확장 모듈, 올인원 PCUSB인터페이스 확장 컴포넌트로 기본 포트 부족 문제 보완
그림 2 컴퓨터 호스트,USB도킹 스테이션, 산업용 PC, 임베디드 시스템 개발 보드 개요
III. 주요 부품 선정 및 회로도 설계 규격
전원 및 수동 소자의 선정과 배치 적합성은HUB칩의 전원 공급 안정성과 신호 순도를 직접적으로 결정하며, 전송 끊김, 리플 간섭, 장치 인식 이상을 방지하는 핵심 요소입니다.awinicAWP35817칩의 하드웨어 특성을 기반으로 한 표준화된 부품 선정 및 회로 설계 요구 사항은 다음과 같습니다:
3.1 1.25V DCDC전원 회로 설계
AWP35817내장DCDC강압 모듈로VDD5핀의5V전압을1.25V로 강압하여 공급하며, 이 전원 네트워크의 작업 피크 전류는 약500mA로 칩 코어에 전원을 공급하고 전원 리플에 매우 민감합니다. 설계 시근접 배치 원칙을 엄격히 준수해야 하며, 칩1.25V전원 공급 핀 주변에0.1μF고주파 필터링 커패시터를 밀집 배치하여 고주파 노이즈를 제거해야 합니다.
DCDC모듈 외장 전력 소자 선정: 인덕터는 인덕턴스 값2.2μH를 권장하며, 포화 전류는2A이상이어야 대전류 작동 조건에서 인덕터 포화 및 전압 강하 이상을 방지할 수 있습니다. 출력 커패시터는0.1μF~1μF소형 커패시터와10μF대형 커패시터를 병렬로 조합하여 고주파 필터링과 저주파 전압 안정화 효과를 모두 확보해야 하며, 모든 커패시터와 인덕터는 칩 핀에 최대한 가까이 배치하고 커패시터는 인덕터 출력 후단에 우선 배치하여 전원 리플 노이즈를 최대화하여 억제해야 합니다. 동시에 칩FB피드백 핀 근처에0.1μF커패시터를 배치하여 피드백 루프 노이즈를 효과적으로 줄이고 전압 안정화 정밀도를 보장해야 합니다.
3.2 3.3V전원 회로 설계
칩3.3V전원 공급 네트워크의 피크 전류는 약100mA이며,AVDD33주 전원 핀 근처에는 접지 필터링 커패시터를 배치해야 합니다.권장0.1μF고주파 커패시터 병렬4.7μF~10μF전해/세라믹 커패시터 조합, 고저주파 노이즈를 완전히 필터링하여 메인 전원 공급의 순도를 보장합니다. 내장된3.3V LDO전압 레귤레이터 모듈,LDO출력 단자는 칩 핀에 가깝게 배치해야 합니다1μF필터링 커패시터를 사용하여 출력 전압을 안정화하고, 전압 변동으로 인한 칩 작동 이상을 방지합니다.
3.3 다중 입력 전원 핀 설계
두 개의 독립적인VDD5전원 공급 핀 기능은 명확하게 구분됩니다:PIN53는1.25V DCDC모듈 입력 전원 공급 핀이며,PIN54는3.3V LDO모듈 입력 전원 공급 핀입니다.회로 설계 시,PIN53근처에 배치합니다10μF입력 필터링 커패시터를,PIN54근처에 배치합니다1μF입력 필터링 커패시터를; 배선을 단순화하기 위해 두 경로 전원 커패시터를1μF병렬10μF의 범용 조합으로 통합하여VDD5핀 영역에 통일적으로 배치할 수 있으며, 필터링 효과와 배선 간결성을 모두 고려합니다.
3.4 크리스탈 오실레이터 회로 설계
크리스탈 오실레이터는 칩의 고속 신호 전송을 위한 기준 클록을 제공하며,파라미터 정밀도는 직접적으로USB전송 안정성을 결정합니다.설계 시 반드시24MHz표준 크리스탈 오실레이터를 선택해야 하며, 주파수 편차는 엄격히50ppm이내로 제어해야 합니다, 클록 오프셋으로 인한 패킷 손실, 연결 끊김, 전송 속도 저하 문제를 방지합니다. 동시에 크리스탈 오실레이터는 칩 클록 핀에 밀착하여 배치하고 배선 길이를 단축하여 외부 전자기 간섭을 줄여야 합니다.
3.5 USB3.0고속 신호 회로 설계
USB3.0차동 송신 신호 라인TXA/TXB는 직렬로 연결해야 합니다AC 커플링 커패시터를, DC 를 차단하고 고속 신호 링크를 보호합니다. 커패시터 권장 용량은0.1μF이며, 우선적으로0402,0201소형 패키지를 선택하여 기생 파라미터를 줄입니다;커패시터는USB포트 플러그인 근처에 대칭적으로 배치해야 합니다, 차동 링크 파라미터 일관성을 보장하고 신호 오프셋 및 임피던스 불일치를 방지합니다.
그림 3 AWP35817 전형적인 적용 회로
4.PCB레이아웃 핵심 규격
USB3.2 Gen1는 고속 신호 전송 프로토콜에 속하며,5Gbps고대역폭 특성은PCB배선, 임피던스, 접지, 간격에 대해 엄격한 요구 사항을 갖습니다, 부적절한 레이아웃은 신호 감쇠, 반사, 크로스토크, 임피던스 불일치 등의 문제를 유발하여 직접적으로 전송 불안정성 및 호환성 저하를 초래합니다. 결합AWP35817칩 특성 정리PCB레이아웃 핵심 기준은 다음과 같습니다:
4.1 전원 네트워크 레이아웃 규격
VDD5、AVDD33、DVDD12、UP_VDD12、P_VDD12、VFB등 모든 전원 및 피드백 핀의 필터 커패시터는 칩의 해당 핀에 최대한 가까이 배치해야 하며, 긴 배선으로 인한 필터링 실패를 방지해야 합니다. 모든 전원 네트워크 배선의 선폭은0.7mm이상이어야 하며, 이는 라인 임피던스를 낮추고 전압 강하 손실을 줄여 대전류 조건에서 충분한 전력을 공급하도록 보장합니다.
4.2 고속 차동 배선 길이 제어
USB3.0고속 신호 쌍의 배선 길이는 매우 민감하며, 배선이 너무 길면 신호 에너지 감쇠와 전송 반사가 발생하여 신호 무결성을 해칩니다. 일반적인FR4기판 파라미터를 기반으로 보드 단에서-7dB의 신호 손실을 설계 예산으로 삼을 때, 기판의 전형적인 작동 조건에서는 최대17.8cm의 배선 길이를 지원하며, 고손실 조건에서는 안전 길이가14.2cm에 불과합니다. 실제PCB레이아웃은 엄격하게14cm이내로 제어하는 것이 좋으며, 정밀한 손실 파라미터는PCB기판 제조사와 확인해야 합니다.
전체 시스템 링크 차원에서USB3.2 Gen1프로토콜의 총 삽입 손실 상한선은-20dB이며, 호스트 단에-7dB, 디바이스 단에-6dB,Type-C대공 케이블에-7dB의 손실 예산을预留하므로, 전체 시스템配套USB데이터 케이블 길이는1.8미터를 초과하지 않는 것이 좋으며, 고속 전송 안정성을 더욱 보장하기 위해USB-IF공식 인증 케이블을 우선적으로选用해야 합니다.
4.3 차동 임피던스 및 등길이 설계
송수신 단의 임피던스 매칭을 실현하기 위해USB3.0차동 신호 배선의 특성 임피던스는 표준 값과 엄격하게 일치해야 하며,임피던스 오차는±5%이내로 제어하고임피던스 급변으로 인한 신호 반사와 왜곡을 방지해야 합니다.
차동 쌍은 전체 구간 동안 평행하게 배선해야 하며 간격을 균일하고 일정하게 유지해야 하고, 배선 간격의 급변을 금지해야 합니다. 각 차동 신호 선의 길이 차이는 엄격하게±5mil이내로 제어하여 신호의 동기화된 전송을 보장해야 합니다. 등길이 최적화는 구역별로 처리해야 합니다:USB인터페이스 커넥터 근처에서USB2.0신호 선과USB3.0 RX신호 선의 길이를 조정하고, 칩 핀 근처에서USB3.0 TX신호 선의 길이를 조정하여 고속 신호 전송 타이밍 요구사항에 최대한 부합하도록 해야 합니다.
4.4 접지 및 격리 설계
USB3.0차동 배선 아래에는 완전하고 분할되거나 슬롯이 없는 참조 그라운드 평면을 반드시 유지하여신호 귀환 경로의 연속성과 안정성을 보장하고, 임피던스 이상 변화와 신호 왜곡을 방지해야 합니다.고속 차동 신호는 간섭 저항 능력이 약하므로 크리스털 오실레이터 배선, 클록 신호, 전원 선, 저주파 제어 선과0.5mm이상의 안전 거리를 유지하여 크로스토크 간섭을 방지해야 합니다.
4.5 배선 공정 및 비아 규격
USB3.0차동 배선은 코너를 최소화해야 하며90°직각 배선을 금지해야 합니다. 방향 전환이 필요할 경우 아크형 배선을 우선 사용하여 신호 반사와 임피던스 변동을 줄여야 하며, 고속 신호 링크에는 스터브(Stub)가 나타나지 않도록 하여 신호 산란 반사를 방지해야 합니다.
차동 쌍의 비아 수를 엄격하게 제어하여 각 차동 선 쌍의 비아 수는2개이며, 비아는 대칭적으로 분포되어야 하고 비아 임피던스는 트레이스 임피던스와 일치해야 하여 비아로 인한 신호 손실을 방지해야 합니다. 또한USB3.0차동 트레이스에 대해 전체 구간에 그라운드 쉴딩을 적용하고, 일정 간격마다 리턴 그라운드 비어를 배치하여 외부 전자기 간섭을 추가로 차단하고 신호의 내간섭 성능을 향상시키는 것을 권장합니다.
5. 솔루션 요약
기반AWP35817의USB3.2 Gen11 대 4Hub솔루션은단일 칩 고집적 아키텍처, 산업용 등급 안정성, 전체 프로토콜 호환 특성을 바탕으로 소비자, 산업 제어, 임베디드 등 다양한 시나리오에서의 고속 포트 확장 요구사항에 완벽하게 부합합니다.솔루션은 주변 회로가 간소화되어 양산성이 우수하며, 표준화된 소자 선정, 전원 필터링 설계, 고속PCB레이아웃 규범을 통해 고속 전송 시나리오에서 발생할 수 있는신호 왜곡, 리플 간섭, 전송 불안정, 장치 호환성 이상등의 일반적인 문제를 예방할 수 있습니다.
본 설계 가이드는 회로도 설계, 소자 선정,PCB레이아웃 전 과정의 주요 포인트를 포괄하며,USB3.2 Gen14 포트HUB제품 개발, 디버깅, 양산을 위한 표준화된 참조 기준으로 활용될 수 있어 엔지니어가 고성능 및 고신뢰성의USB확장 하드웨어 제품을 신속하게 구현하는 데 기여합니다.
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