Architecting Life

作为一个电子 DIY 爱好者，在平时做开发的时候会有众多低速 USB 设备需要使用，例如 USB 转串口、小功率设备 USB 供电等，一般电脑并没有那么多 USB 接口可供使用。

但是作为一个成熟的电子 DIY 爱好者，也该学会自己解决这个问题了，直接买芯片 DIY 一个四口 USB 2.0 Hub 吧 😃，也可以顺便学习一下差分布线以及 PCB 阻抗特性。

成品照片

功能需求

对于一个简单场景使用的 USB 2.0 Hub 来说，没有太多功能需求，主打一个能用就行，满足以下几个需求就可以：

• USB Type-C 连接，便于使用现有线材
• 四口输出，体积需要小巧一点
• 带过流保护，防止损坏上级电路

硬件选型

USB 2.0 Hub 芯片有不少，例如 CH334、FE1.1S、SL2.1A 等，最后综合功能需求、可参考项目、芯片封装等因素，选择了 SL2.1A。

SL2.1A 是一颗高集成度,高性能，低功耗的 USB2.0 集线器主控芯片；该芯片采用 STT 技术，单电源供电方式，芯片供电电压为 5V，内部集成 5V 转 3.3V，只需在外部电源添加滤波电容；芯片自带复位电路，低功耗技术让他更加出众。

芯片可以使用外部晶体，也可以使用内置晶体。如果使用内置晶体，需要将芯片的 XI 输入接地。

SL2.1A 主要特点：

• 完美支持 USB2.0 高速（480MHz），USB2.0 全速（12MHz），和低速模式（1.5MHz）
• 集成 12M 晶体振荡器
• 集成 12MHz-to-480MHz PPL (Phase Lock Loop)
• 采用 Single Transaction Translator (STT) 技术，是 *TT 系列中最具成本和效率方案
• 支持自供电到总线供电的自动枚举切换

根据 SL2.1A 数据手册中的典型应用参考，SL2.1A 需要的外围元件极少，因此完成这个 USB Hub 的成本也相对低廉，整体只需要 5 元以内，主要成本就是 SL2.1A、USB Type-A 母座、USB Type-C 16P 母座这几个。

原理图设计

SL2.1A USB Hub 的原理图很简单，基本上照着数据手册中的典型应用画就可以。

这里有几点不一样的地方需要注意：

• 为了更稳定的运行，根据数据手册的建议，增加了外部晶振
• 每个 USB Type-A 输出口都加了 100uF 的滤波电容，保障输出电压的稳定
• VBUS 输入增加了 2A 的保险丝
• USB Type-C 母座 CC1、CC2 需要连接 5.1K 电阻到地，避免使用 USB C-C 数据线时无法供电
• 这里的电源指示灯 LED 可选，一般情况下也可以直接省掉

PCB 设计

为了让整个 USB Hub 的体积更紧凑一点，我将四个 USB 输出口都竖向排列，在每两个 Type-A 口中间，刚好可以放一个输出电容。

PCB 布线也没有什么特殊的地方，主要是 USB 2.0 数据线需要注意：

• USB 2.0 D+、D- 需要差分走线，尽量保证等长，组间长度差距 10mil 以内，不过 USB 2.0 速率不高这个问题不大
• USB 2.0 数据线需要使用 90 欧姆阻抗设计，线宽、线距这些可以使用嘉立创阻抗神器完成计算，这里使用 11.2mil 线宽，6mil 间距

嘉立创阻抗计算神器

这里使用双层板，线距 6mil、阻抗线到铜距离 6mil 计算，可以得出 90 欧姆阻抗的线宽是 11.16mil，最终取 11.2mil 作为 USB D+、D- 的布线线宽。

PCB 3D 渲染图

布完线就可以使用嘉立创 EDA 的 3D 预览功能查看最终效果图。

外壳设计

这个 USB Hub 就使用三明治结构，外壳分为上盖和底板两部分，使用 4 颗 M2*10 自攻螺丝将底板固定在上盖上。s

焊接与调试

使用嘉立创的每月免费打样服务，很快就可以拿到 SL2.1A USB Hub 的 PCB 了，元件总共也没有几个，铁板烧一次可以搞定多块。

焊接完成后，先检测一下是否短路，防止 USB Type-C 接口焊接不好导致的短路问题。

最后将外壳与 PCB 组装起来，一个像模像样的 USB 2.0 Hub 就开发完成了～

USB 读写速度测试

将这个 SL2.1A USB Hub 连接在 MacBook 上，再插上一个 U 盘，读写速度基本上也满足 USB 2.0 带宽的预期了。

项目开源地址

硬件开源地址

https://oshwhub.com/wandaeda/sl2-1a-usb-hub

原理图、PCB、外壳模型 STL 文件等都在立创开源平台发布了。