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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 USB 허브를 선택하거나 만드는 방법. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
오늘날 USB 인터페이스는 주변 장치를 컴퓨터에 연결하는 데 가장 자주 사용됩니다. 그러나 조만간 사용자는 컴퓨터의 모든 USB 포트가 마우스, 키보드, 웹 카메라 및 기타 장치로 채워져 있으며 새로 구입한 프린터, TV 튜너, USB 오실로스코프 또는 기타 장치를 연결할 곳이 없다는 사실을 알게 됩니다. USB 사양에서 약속한 127개의 장치를 컴퓨터에 어떻게 연결합니까? 두 개 이상의 장치를 컴퓨터의 하나의 USB 포트에 연결할 수 있도록 집중 장치라고도 하는 허브(영어 허브 - 모든 스포크가 삽입되는 휠 허브)가 사용됩니다. 허브에는 컴퓨터에 연결되는 "업스트림" USB 포트와 주변 장치가 연결되는 여러 개의 "다운스트림" USB 포트가 있습니다. USB 사양에서는 최대 XNUMX개 허브의 데이지 체인 연결이 가능합니다. 컴퓨터 주변 장치를 판매하는 상점에서는 모든 취향, 색상 및 예산에 맞는 다양한 USB 허브를 판매합니다. 필요한 포트 수와 최소 가격으로 가장 매력적인 디자인 중 하나를 선택할 수 있는 것 같습니다. 결국 경험이 부족한 사용자는 허브를 두 대의 TV를 하나의 안테나에 연결하는 장치와 같은 것으로 상상하는 경우가 많습니다. 내부에는 한 쌍의 저항기 또는 소형 변압기가 있습니다. 그러나 이 경우 모든 것이 훨씬 더 복잡합니다. 나는 두 개의 USB 허브를 구입했을 때 이것을 확신했습니다. 하나는 트랜시버에 대한 디지털 인터페이스용이고 다른 하나는 외장 하드 드라이브를 데스크탑 PC에 연결하기 위한 것입니다. "DNS" 로고가 있는 XNUMX개의 포트에 대한 첫 번째 허브는 일반 상점에서 구입했고, 두 번째 허브(XNUMX개 포트에 대한 알 수 없는 제조업체)는 외국 온라인 상점에서 주문했습니다. 실험실 실험에 따르면 두 허브 모두 마우스, 키보드, USB-COM 어댑터 및 USB 인터페이스가 장착된 사운드 카드에서 문제 없이 작동하는 것으로 나타났습니다. 그러나 외장 하드 드라이브 및 FLASH 드라이브에서는 DNS 허브만 작동합니다. 이름이 지정되지 않은 허브를 통해 이러한 장치를 연결하면 컴퓨터에 "USB 장치가 감지되지 않습니다."라는 메시지가 표시됩니다. 트랜시버의 디지털 인터페이스에 대한 추가 실험에서는 여기에서 DNS 허브가 문제 없이 작동하는 것으로 나타났습니다. 그러나 이름이 지정되지 않은 허브를 사용하면 송신기를 켤 때마다 컴퓨터가 정지됩니다. 허브 없이 USB-COM 어댑터와 외장 사운드 카드를 컴퓨터에 직접 연결했을 때 모든 것이 문제 없이 작동했습니다. 이 상황에 관심이 생겼습니다. 나는 이 두 허브가 어떻게 다른지 알아보기로 결정했습니다. 하나는 기능을 완전히 수행하는 반면 두 번째는 원칙적으로 작동하지만 항상 그런 것은 아니며 모든 장치에서 작동하는 것은 아닙니다. 케이스를 연 후 두 허브가 동일한 요소 베이스에 완전히 동일한 회로에 따라 조립되었다는 사실이 밝혀졌을 때 제가 얼마나 놀랐는지 상상해 보십시오! XNUMX포트 XNUMX개에만 두 개의 동일한 USB 허브 컨트롤러 칩이 직렬로 설치되어 있습니다. 두 번째 유사한 컨트롤러의 업스트림 포트는 첫 번째 컨트롤러의 다운스트림 포트 XNUMX개 중 하나에 연결됩니다. 인쇄 회로 도체를 절단하여 두 번째 컨트롤러를 비활성화해도 상황은 바뀌지 않았습니다. 그 이유를 이해하려면 USB 버스의 설계와 작동에 대한 기본 사항을 알아야 했습니다. 첫 번째 USB 1.0 사양은 1996년 초에 발표되었으며, 1998년 가을에 1.1 사양이 등장하여 초판에서 발견된 문제를 제거했습니다. USB 1.1 사양은 두 가지 정보 전송 모드를 정의합니다. 즉, 최대 1,5Mbit/s의 속도로 작동하는 저속(LS - 저속)과 최대 12Mbit/s의 속도로 작동하는 전속(FS - Full-speed)입니다. 에스. 2000년 봄에는 버스 대역폭이 2.0배 증가한 USB 40 사양이 발표되었습니다. 이전에 사용 가능한 두 가지 속도 모드 외에도 최대 480Mbit/s의 속도로 작동할 수 있는 세 번째 모드인 고속 HS(고속)가 도입되었습니다. 2008년에는 전송 속도가 3.0Gbit/s로 향상된 USB 5(초고속)이라는 새로운 표준이 등장했습니다. 그러나 이러한 속도를 달성하려면 커넥터와 케이블의 디자인을 심각하게 변경해야 했으며 이전 버전과의 완전한 호환성을 달성할 수 없었습니다. 이 인터페이스는 대용량 파일을 자주 전송해야 하는 경우 고속 하드 드라이브와의 통신에 사용하는 것이 좋습니다. 그러나 그것은 의심할 여지 없이 미래이다. "USB 2.0" 로고와 관련된 미묘한 점이 하나 있습니다. 이 인터페이스의 최대 처리량은 480Mbit/s이지만 사양에는 LS 및 FS 모드에서의 작동 가능성도 포함되어 있습니다. 따라서 480Mbit/s 처리량은 HS 모드에서 작동할 수 있는 장치에 의해서만 제공될 수 있습니다. USB 개발자들은 HS 장치에만 "USB 2.0" 로고를 사용할 것을 권장하지만, 시장에는 자체 법률이 있으며 많은 제조업체에서는 실제로 USB 1.1 사양만 충족하는 FS 장치에 이 로고를 사용합니다. 즉, 포장 "USB 2.0"의 표시는 아무 의미가 없습니다. 이 사양을 완전히 준수하는 장치에는 "USB 2.0 HI-SPEED"라는 라벨이 붙어 있어야 하며 480Mbps 기능을 명확하게 표시해야 합니다. 480Mbit/s의 속도로 통신 회선을 통해 전송되는 신호는 최대 480MHz의 주파수로 이동하는 직사각형 펄스입니다. 무선 공학에 대해 어느 정도 지식이 있는 사람은 인쇄 회로 기판을 개발할 때 해당 주파수의 직사각형 펄스를 왜곡 없이 전송하려면 마이크로 회로와 커넥터 사이의 전송 라인 특성 임피던스에 대한 요구 사항을 엄격하게 준수해야 한다는 것을 이해합니다. 라인 전체 길이에 걸쳐 일정함. 보드의 90선 차동 신호 라인의 특성 임피던스는 10Ω ± XNUMX%여야 합니다. 선은 대칭이어야 하며, 선과 보드의 다른 인쇄 도체 사이의 거리는 선 도체 사이 거리의 XNUMX배 이상이어야 합니다. 그 아래, 보드 뒷면에는 스크린 (공통 와이어) 전체에 연속적인 호일 층이 있어야합니다. 이러한 요구 사항이 충족되지 않는 라인 섹션(예: 마이크로 회로 핀 또는 커넥터 접점에 대한 접근 방식)은 최소 길이여야 합니다. 이러한 통신 회선을 추적할 때 발생하는 일반적인 오류는 그림 1에 나와 있습니다. 1, 여기서 2은 줄 아래의 화면 나누기입니다. 3 - 라인 도체에서 분기; 4 - 도체의 비평행성과 도체 사이의 간격 변화; XNUMX - 라인 옆에 있는 외부 도체.
물론 고주파 회로 설치에 대한 일반적인 요구 사항을 준수해야 합니다. 모든 도체의 길이는 최소이어야 하며 차단 커패시터는 마이크로 회로의 해당 핀에 최대한 가깝게 위치해야 합니다. 구입한 허브의 인쇄 회로 기판 사진을 보면 DNS 허브(그림 2)에서 이러한 요구 사항이 어느 정도 충족되는 것을 확인할 수 있습니다. 이름이 지정되지 않은 허브(그림 3)의 개발자는 단면 인쇄 회로 기판을 사용했기 때문에 통신 회선의 특성 임피던스가 표준 90Ω과 매우 다르며 전자기 간섭에 대한 민감도가 높습니다.
두 허브 모두 동일한 FE1.1s USB 허브 컨트롤러 칩을 사용합니다. 제조업체인 jfd-ic.com의 웹사이트는 안타깝게도 중국어로만 제공됩니다. 이 마이크로 회로에 대한 가능한 연결 다이어그램이 그림 4에 나와 있습니다. 1.1. 활성 포트의 LED 표시기와 추가 비휘발성 메모리 칩이 없다는 점에서 표준과 다릅니다. FE1s 칩의 특성과 기능에 대한 자세한 내용은 [XNUMX](영문)에서 확인할 수 있습니다.
허브의 성능 저하가 PCB 토폴로지에 대한 USB 사양 요구 사항을 무시하여 발생한다는 가정을 테스트하기 위해 자체 버전의 보드를 개발했습니다. 일반적으로 위쪽에 인쇄된 도체의 그림이 그림 5에 나와 있습니다. 6. 공통선에 연결되지 않은 부품의 리드용 카운터싱크 구멍을 제외하고 바닥면의 호일은 완전히 보존됩니다. 보드 양쪽의 부품 위치는 그림 XNUMX에 나와 있습니다. XNUMX. 보드 양쪽에 납땜된 주석 도금 와이어 조각이 비아 홀에 삽입됩니다(채워져 있는 것으로 표시됨).
필요한 특성 임피던스를 얻기 위한 신호 라인의 기하학적 치수는 TX-LINE 프로그램[2]을 사용하여 계산되었습니다. 무료이며 사이트에 등록한 후 다운로드할 수 있습니다. 이 프로그램은 설치가 필요하지 않으며 작업이 직관적입니다. 프로그램을 실행하고 결합된 마이크로스트립 라인(결합된 MS 라인) 탭으로 이동하여 라인 도체의 재질인 구리(구리)를 선택하고 유리 섬유의 유전 상수를 5,5로 입력하고 라인 치수를 입력해야 합니다. . 유리 섬유 두께 1mm, 인쇄 도체 폭 0,7mm, 도체 사이의 거리 0,5mm, 포일 두께 0,02mm를 사용하여 500MHz의 주파수에서 약 93Ω의 파동 임피던스를 얻습니다. 표면 장착을 위한 모든 수동 소자는 표준 크기 1206 또는 0805입니다. 산화물 커패시터 C1, C3, C5, 수정 공진기 ZQ1 및 외부 전원 커넥터 XS5는 솔리드 포일 측면에 장착되고 나머지 요소는 인쇄된 측면에 장착됩니다. 지휘자. 허브를 수동 허브로만 사용하는 경우(허브에 연결된 모든 장치는 컴퓨터에서 전원을 공급받음) VD1 다이오드를 점퍼로 교체할 수 있습니다. 500mA 이상을 소비하는 장치를 허브에 연결하면 컴퓨터의 전력이 충분하지 않습니다. 이 경우 점퍼를 제거하고 VD1 다이오드를 설치하지 않고 필요한 전력 5V의 안정화된 전압 소스를 XS5 커넥터에 연결해야 합니다. 납땜 없이 패시브 모드와 액티브 모드 모두에서 허브를 작동하려면 쇼트키 배리어 다이오드 VD1을 설치해야 합니다. 이렇게 하면 외부 전원 공급 장치의 전압이 컴퓨터의 USB 포트로 유입되는 것을 방지할 수 있습니다. 원칙적으로 보드의 두께를 줄이기 위해 모든 부품을 인쇄된 도체 측면에 배치할 수 있지만 구멍을 금속화하지 않으면 설치가 복잡해집니다. 필요한 경우 인쇄된 도체의 패턴을 약간 조정하여 보드 크기와 uSb 커넥터 위치를 변경할 수 있습니다. 1.1포트 허브에서 FE28 s 칩을 제거했는데 인터넷에서 별도로 구매할 수도 있습니다. 이는 핀 피치가 0,64mm인 SSOP-XNUMX 패키지로 생산된 몇 안되는 USB 허브 컨트롤러 중 하나입니다. 이러한 케이스용 보드는 디자인을 호일에 열전사하여 쉽게 만들 수 있습니다. 제조된 허브를 테스트한 결과 전자기 방사의 영향이 완전히 사라진 것을 발견했습니다. XNUMX개의 포트 중 XNUMX개는 FLASH 드라이브 및 USB 하드 드라이브에서 잘 작동하지만 나머지 XNUMX개는 마우스에서만 작동합니다. XNUMX포트 허브에서 두 번째 컨트롤러를 제거하고 집에서 만든 보드의 첫 번째 컨트롤러를 그것으로 교체해야 했습니다. 이제 XNUMX개의 포트 중 XNUMX개가 완전히 작동됩니다. 게다가 첫 번째 컨트롤러에서는 문제 없이 작동하던 포트가 HS 모드에서는 작동이 멈췄습니다. FE1.1 칩에 대한 문서에는 모든 복사본이 제조 후 최종 검사를 받는다고 나와 있습니다. 분명히 결함이 있는 사본은 쓰레기통이 아닌 이름 없는 제조업체로 보내집니다. 또는 컨트롤러에 문서화되지 않은 일부 설계 옵션이 있습니다. 어떤 식으로든 2.0개의 완전한 USB XNUMX 포트가 있는 옵션이 나에게 적합했습니다. 외부 전원 공급 장치를 연결하기 위한 커넥터가 있는 거의 모든 저렴한 허브에는 외부 전원 공급 장치 회로와 내부 전원 공급 장치 회로가 분리되어 있지 않습니다. 모든 커넥터의 전원 접점은 서로 간단하게 연결됩니다. 결과적으로, 허브에 연결된 외부 전원 공급 장치에서 전압을 가하여 컴퓨터의 USB 포트가 손상될 가능성이 있습니다. 구입한 허브에 외부 전원 공급 장치를 연결하려면 허브 케이스를 열고 업스트림 포트 커넥터(컴퓨터에 연결된 커넥터)의 핀 1에서 나오는 도체를 잘라야 합니다. 패시브 모드에서 허브를 사용하는 기능을 유지하려면 그림 1의 다이어그램에서 VD4과 유사한 다이오드를 이 위치에 납땜할 수 있습니다. 1. 쇼트키 장벽(전압 강하를 줄이기 위해)과 최소 XNUMXA의 허용 순방향 전류가 있어야 합니다. USB 2.0 사양에 따라 연결 케이블은 차폐되어야 합니다. 하지만 케이블을 구매할 때 화면이 있는지 여부를 판단하기 어려울 수 있습니다. 화면이 있음을 나타낼 수 있는 유일한 것은 케이블에 표시된 "USB 2.0 High Speed"입니다. 간접적인 신호는 끝부분에 있는 소음 억제 페라이트 "래치"입니다. 그러나 표시나 걸쇠는 화면 품질에 대해 아무 말도 하지 않습니다. 좋은 케이블은 와이어 하니스를 호일로 감싸고 그 위에 편조 구리 "스타킹"을 씌워야 합니다. 제조업체는 전체 화면 대신 여러 개의 구리 도금 강철 코어를 사용하여 생산 비용을 줄이는 경우가 많습니다. 실드의 품질은 케이블 양쪽 끝에 있는 커넥터의 금속 하우징 사이의 저항을 측정하여 평가할 수 있습니다. 3에 가까우면 케이블에 전체 구리 스크린이 있는 것입니다. 저항이 4...XNUMXΩ 이상이면 스크린이 있지만 강철선으로 만들어진 것입니다. 이 케이블은 일반적으로 더 얇지만 전자기 간섭이 있는 환경에서 사용하면 컴퓨터가 오작동할 수 있습니다. 예를 들어 케이블 옆에 휴대폰이 있거나 근처에서 아마추어 트랜시버가 작동 중인 경우입니다. 커넥터 하우징 사이의 저항이 무한대이면 케이블이 차폐되지 않아 고속 모드 작동에 적합하지 않음을 의미합니다. 어떠한 경우에도 커넥터 본체를 해당 핀에 연결해서는 안 됩니다. 독립적인 납땜, 전선 접합, 차폐 또는 케이블 커넥터 교체는 허용되지 않습니다. 가장 신뢰할 수 있는 선택 기준은 고품질 차폐 브레이드가 명확하게 보이는 케이블의 투명한 외부 피복입니다. 그리고 양쪽 끝에 페라이트 래치가 있으면 해당 케이블은 PRO로 안전하게 분류될 수 있습니다. 지금까지 말한 내용을 요약하기 위해 고속 정보 교환을 위한 USB 2.0 허브를 선택하는 주요 기준을 공식화하겠습니다. - 허브를 반품하거나 다른 모델로 교환할 가능성을 미리 규정하여 소매점에서 허브를 구입하는 것이 좋습니다.
판매된 허브 모델 중 자신에게 적합한 모델이 없으면 위에서 설명한 대로 직접 만들어보세요. Sprint Layout 6.0 형식의 PCB 파일: ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip 문학
저자: N. Khlyupin
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