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無線電子工学および電気工学の百科事典 USBハブの選び方・作り方。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
現在、USB は周辺機器をコンピュータに接続するために最も一般的に使用されています。 しかし、ユーザーは遅かれ早かれ、自分のコンピュータで利用可能なすべての USB ポートがマウス、キーボード、WEB カメラ、その他のデバイスで占有されており、新しく購入したプリンタ、TV チューナー、USB オシロスコープなどを接続する場所がないことに気づきます。 。 では、USB 仕様で約束されている 127 個のデバイスをコンピュータに接続するにはどうすればよいでしょうか? コンピューターの XNUMX つの USB ポートに複数のデバイスを接続できるようにするために、ハブ (英語のハブ - すべてのスポークが挿入されるホイール ハブ) が使用され、ハブとも呼ばれます。 ハブには、コンピュータに接続される「アップストリーム」(アップストリーム) USB ポートと、周辺機器が接続されるいくつかの「ダウンストリーム」(ダウンストリーム) USB ポートがあります。 USB 仕様では、最大 XNUMX つのハブをデイジーチェーン接続できます。 コンピューター周辺機器を販売する店では、あらゆる好み、色、予算に合わせて、USB ハブの品揃えが非常に豊富です。 適切な数のポートを備え、最も低価格で、最も魅力的なデザインを選択することをお勧めします。 結局のところ、経験の浅いユーザーはハブを、XNUMX 台の TV を XNUMX つのアンテナに接続するためのデバイス (一対の抵抗または小型変圧器の中にある) のようなものとして想像することがよくあります。 ただし、この場合、すべてがはるかに複雑になります。 USB ハブを XNUMX つ購入したとき、私はこれを確信しました。XNUMX つはトランシーバーへのデジタル インターフェイス用で、もう XNUMX つは外付けハード ドライブを固定 PC に接続するためです。 「DNS」ロゴが付いた XNUMX ポート用の最初のハブは正規店で購入し、XNUMX 番目の XNUMX ポート用は不明のメーカーから海外のオンライン ストアで注文しました。 実験室条件での実験では、両方のハブがマウス、キーボード、USB-COM アダプター、および USB インターフェイスを備えたサウンド カードで問題なく動作することが示されています。 ただし、外付けハード ドライブとフラッシュ ドライブを使用できるのは DNS ハブのみです。 名前のないハブを介してこのようなデバイスを接続すると、コンピューターに「USB デバイスが検出されません」というメッセージが表示されます。 トランシーバーのデジタル インターフェイスを使った追加の実験では、DNS ハブが問題なく動作することが示されましたが、名前のないハブを使用すると、トランスミッターの電源を入れるたびにコンピューターが「フリーズ」します。 USB-COM アダプターと外部サウンド カードをハブなしでコンピューターに直接接続すると、すべて問題なく動作しました。 この状況は私に興味をそそりました。 これら XNUMX つのハブがどのように異なるのかを調べてみることにしました。 XNUMX つはその機能を完全に実行し、XNUMX つ目は原則として機能しますが、常に機能するとは限らず、すべてのデバイスで機能するとは限らないのはなぜですか? ケースを開けた後、両方のハブが同じ要素ベースでまったく同じスキームに従って組み立てられていることが判明したときの私の驚きを想像してみてください。 XNUMX ポートの場合のみ、XNUMX つの同一の USB ハブ コントローラ チップが直列にインストールされます。XNUMX 番目の同様のコントローラの上流ポートは、最初のコントローラの XNUMX つのダウンストリーム ポートの XNUMX つに接続されます。 印刷された導体を切断して XNUMX 番目のコントローラーを無効にしても、状況は変わりませんでした。 その理由を理解するには、デバイスの基本と USB バスの動作を理解する必要がありました。 最初の USB 1.0 仕様は 1996 年初頭に発行され、1998 年の秋には、初版で見つかった問題を修正した 1.1 仕様が登場しました。 USB 1.1 仕様では、最大 1,5 Mbps の速度で動作する低速 (LS - 低速) と、最大速度 12 Mbps のフルスピード (FS - フルスピード) の XNUMX つの情報転送モードが定義されています。 2000 年の春に、バス帯域幅を 2.0 倍に拡大する USB 40 仕様が発表されました。 以前に利用可能な 480 つの速度モードに加えて、最大 XNUMX Mbps の速度で動作できる XNUMX 番目の速度モードである高速 HS (高速) が導入されました。 2008年に、新しい規格であるUSB 3.0（スーパースピード）が登場し、それに従って転送速度が5 Gb / sに増加しました。 ただし、この速度を達成するには、コネクタとケーブルの設計を大幅に変更する必要があり、以前のバージョンとの完全な互換性は達成できませんでした。 このインターフェイスは、大きなファイルを頻繁に転送する必要がある場合に、高速ハード ドライブとの通信に役立ちます。 しかし、彼にとってはもちろん未来です。 微妙なポイントの2.0つは、「USB 480」ロゴに接続されています。 このインターフェイスの最大スループットは 480 Mbps ですが、仕様には LS および FS モードでの動作の可能性も含まれています。 したがって、HS モードで動作できるデバイスのみが XNUMX Mbps のスループットを提供できます。 USB 開発者は、HS デバイスにのみ「USB 2.0」ロゴを使用することを推奨していますが、市場には独自の法律があり、多くのメーカーが実際には USB 1.1 仕様のみを満たす FS デバイスにこのロゴを使用しています。 つまり、パッケージの「USB 2.0」という表記はまだ何も語っていません。 この仕様に完全に準拠するデバイスには、2.0 Mbps の機能を明確に示す「USB 480 HI-SPEED」のラベルを付ける必要があります。 通信回線を介して 480 Mbps の速度で送信される信号は、最大 480 MHz の周波数で続く方形パルスです。 多かれ少なかれ無線工学に精通している人であれば、このような周波数の矩形パルスを歪みなく送信するには、超小型回路とコネクタ間の伝送線路の波のインピーダンスと、その全長に沿ったその一定性の要件に厳密に準拠する必要があることを理解しています。プリント基板を開発する際のライン。 基板上の 90 線式差動信号線の特性インピーダンスは 10 Ω ± XNUMX% である必要があります。 ラインは対称である必要があり、ラインと基板上の他のプリント導体との間の距離は、ライン導体間の距離の少なくとも XNUMX 倍でなければなりません。 それらの下のボードの裏側には、全長にわたって連続した箔の層、つまりスクリーン（共通ワイヤー）があるはずです。 これらの要件が満たされないラインのセクション (たとえば、超小型回路のピンやコネクタの接点へのアプローチ) は、最小限の長さでなければなりません。 このような通信回線を追跡する際の典型的なエラーを図に示します。 1、ここで 1 - 行の下のスクリーンブレーク。 2 - 線路導体から分岐します。 3 - 導体の非平行性と導体間のギャップの変化。 4 - 線路の隣にある無関係な導体。
そしてもちろん、高周波回路の設置に関する通常の要件に従う必要があります。 すべての導体はできるだけ短くし、バイパス コンデンサはマイクロ回路の対応するピンのできるだけ近くに配置する必要があります。 購入したハブのプリント基板の写真を見ると、DNS ハブ (図 2) ではこれらの要件がほぼ満たされていることがわかります。 名前のないハブ (図 3) の開発者は、片面プリント基板を内部に使用したため、通信回線の電波インピーダンスは標準の 90 オームとは大きく異なり、電磁干渉に対する感度が高くなります。
どちらのハブも同じ FE1.1s USB ハブ コントローラー チップを使用しています。 残念ながら、製造元の jfd-ic.com のサイトは中国語でのみ利用できます。 このマイクロ回路をオンにする可能な回路を図に示します。 4. これは、アクティブ ポートの LED インジケータがないことと、追加の不揮発性メモリ チップが標準のものとは異なります。 FE1.1s チップの特性と機能の詳細については、[1] (英語) を参照してください。
ハブのパフォーマンス低下の原因が PCB トポロジの USB 仕様の要件を無視していることであるという仮定をテストするために、独自のバージョンのボードを開発しました。 条件付き上側の印刷導体の図を図に示します。 5. 底面のフォイルは、共通のワイヤに接続されていない部品のリード線用の穴の皿穴を除いて、完全に保存されています。 基板の両側の部品の位置は図の通りです。 6. ビア (埋め込まれた状態を示す) には錫メッキ線が充填され、基板の両面にはんだ付けされます。
必要な電波インピーダンスを取得するための信号線の幾何学的寸法は、TX-LINE プログラム [2] を使用して計算されました。 無料で、サイトに登録するとダウンロードできます。 このプログラムはインストールする必要がなく、直感的に操作できます。 プログラムを起動して結合マイクロストリップライン（結合MSライン）のタブに移動したら、ライン導体の材質（銅）を選択し、5,5に等しいグラスファイバーの誘電率とラインの寸法を入力する必要があります。 グラスファイバーの厚さ 1 mm、印刷導体の幅 0,7 mm、それらの間の距離 0,5 mm、箔の厚さ 0,02 mm を使用すると、500 MHz の周波数で約 93 オームの波動インピーダンスが得られます。 表面実装を目的としたすべての受動素子は、サイズ 1206 または 0805 です。酸化物コンデンサ C1、C3、C5、水晶共振子 ZQ1、および外部電源コネクタ XS5 は固体箔側に実装され、残りの要素は表面実装側に実装されます。プリント導体。 ハブをパッシブとしてのみ使用する場合 (ハブに接続されているすべてのデバイスがコンピュータから電力を供給される)、VD1 ダイオードをジャンパに置き換えることができます。 500mAを超えるデバイスをハブに接続する場合、コンピューターからの電力では十分ではありません。 この場合、ジャンパを取り外し、VD1 ダイオードを取り付けずに、必要な電力の 5 V の安定化電圧源を XS5 コネクタに接続する必要があります。 はんだ付けせずにハブをパッシブ モードとアクティブ モードの両方で動作させるには、VD1 ショットキー バリアを持つダイオードをハブに取り付ける必要があります。 外部電源の電圧がコンピューターの USB ポートに入力されるのを防ぎます。 原則として、基板の厚さを減らすために、すべての部品をプリント導体の側面に配置できますが、穴にメッキを施さないと、取り付けが複雑になります。 必要に応じて、プリント導体のパターンをわずかに調整することで、ボードの寸法と USB コネクタの位置を変更できます。 私は 1.1 ポート ハブから FE28s チップのはんだ付けを外しましたが、インターネットで個別に購入することもできます。 これは、0,64mm ピン ピッチの SSOP-XNUMX パッケージで入手可能な数少ない USB ハブ コントローラーの XNUMX つです。 このような場合の基板は、パターンを箔に熱転写することによって作成できます。 製造されたハブをテストしたところ、電磁放射の影響が完全になくなり、XNUMX つのポートのうち XNUMX つはフラッシュ ドライブと USB ハード ドライブで完全に動作しましたが、他の XNUMX つはマウスでのみ動作したことがわかりました。 XNUMX ポート ハブから XNUMX 番目のコントローラーのはんだを外し、自家製ボード上の最初のコントローラーと交換する必要がありました。 これで、XNUMX つのポートのうち XNUMX つが完全に機能するようになりました。 さらに、最初のコントローラーでは問題なく機能していたポートが HS モードで機能しなくなってしまいました。 FE1.1 s チップのドキュメントには、すべてのコピーが製造後に最終管理を受けると記載されています。 明らかに、欠陥のあるコピーはゴミ箱に送られるのではなく、無名のメーカーに送られます。 または、コントローラーに文書化されていないバージョンがいくつかあります。 いずれにしても、本格的な USB 2.0 ポートを XNUMX つ備えたオプションが私には合いました。 外部電源を接続するためのコネクタを備えたほとんどすべての安価なハブには、外部電源回路と内部電源回路の間にデカップリングがまったくないという事実に注意してください。 すべてのコネクタの電源接点は単純に相互接続されます。 その結果、ハブに接続された外部電源からコンピュータの USB ポートに電圧を印加することにより、コンピュータの USB ポートが無効になる可能性があります。 購入したハブに外部電源を接続する必要がある場合は、ハブのケースを開け、上流ポート コネクタ (コンピュータに接続されているもの) のピン 1 からの導体を切断する必要があります。 ハブをパッシブモードで使用できるようにするために、図の図の VD1 と同様に、この場所にダイオードをはんだ付けできます。 4. ショットキーバリア (電圧降下を低減するため) があり、許容順電流が少なくとも 1 A である必要があります。 USB 2.0 仕様によれば、接続ケーブルはシールドされている必要があります。 ただし、ケーブルを購入する場合、そのケーブルに画面が付いているかどうかを判断するのは難しい場合があります。 画面の存在を示すことができる唯一のものは、ケーブル上の「USB 2.0 High Speed」マークです。 間接的な兆候は、端にある干渉を抑制するフェライトの「ラッチ」です。 ただし、マークもラッチも画面の品質については何も語っていません。 優れたケーブルでは、ワイヤーハーネスの周りにホイルを巻き、その上に編組銅の「ストッキング」をかぶせます。 多くの場合、メーカーは本格的なスクリーンの代わりに銅メッキ鋼線を数本使用することで生産コストを削減します。 スクリーンの品質は、ケーブルの両端にあるコネクタの金属ハウジング間の抵抗を測定することで評価できます。 ゼロに近い場合、ケーブルには本格的な銅スクリーンが付いています。 抵抗が3 ... 4オーム以上の場合、スクリーンはありますが、鋼線でできています。 このケーブルは通常細いですが、EMI 環境で使用するとコンピュータが誤動作する可能性があります。 たとえば、ケーブルの隣に携帯電話がある場合や、アマチュア無線機が近くで動作している場合などです。 コネクタ ハウジング間の抵抗が無限大の場合、ケーブルはシールドされていないため、高速動作には適していません。 いずれの場合も、コネクタの本体をどのピンにも接続しないでください。 ケーブル内のコネクタの自己はんだ付け、接合、シールド、交換は許可されません。 最も信頼できる選択基準は、高品質のシールド編組がはっきりと見えるケーブルの外側シースです。 また、同時に両端にフェライト ラッチがある場合、そのようなケーブルは安全に PRO として分類できます。 これまで述べてきたことをまとめると、高速情報交換用の USB 2.0 ハブを選択するための主な基準を定式化できます。 - ハブを小売店で購入し、返品または別のモデルとの交換の可能性を事前に規定することをお勧めします。
販売されているハブのモデルがどれも自分に合わない場合は、上記のように自分でハブを作成してください。 Sprint Layout 6.0 フォーマットの PCB ファイル: ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip 文学
著者: N. クリューピン
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