CN109858199A - 一种usb差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，包括HSD连接器、HUB芯片、第一USB接口、第二USB接口、BAT+连接器、EMI滤波、DC‑DC模块和PCB板，HSD连接器通过USB差分屏蔽布线和HUB芯片连接，HUB芯片的其中一个上行口对应HSD连接器的D1+和D1‑一组USB差分屏蔽布线，HUB芯片的其中一个上行口和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线连接，HUB芯片的其中一个下行口的D1+_TypeC和D1‑_TypeC和第一USB接口通过USB差分屏蔽布线连接，HUB芯片的一个上行口OTG对应HSD连接器的D2+和D2‑一组USB差分屏蔽布线，本发明提供了一种不同模块电路之间的相互独立，互不干扰，将各自的电磁辐射大为降低，同时能提供更高的抗干扰性能，满足不同模块电路之间的特性需要。

Description

一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器

技术领域

本发明涉及汽车电子产品技术领域，具体为一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器。

背景技术

目前，数字电路由于其信号抗干扰能力强，容易标准化，电路结构简单等优点而被广泛应用。当数字电路和模拟电路集成起来使用时，会出现一些不必要的干扰。虽然数字电路具有很强的抗干扰性，但如果干扰的能量等级过大，也会出现通信数据传输的误码，使得在信道传输中的真实信号失真，从而导致信号传输的不可靠。比如，在汽车上，用户的设备通过USB数据线和车载主机通信的时候，表现出来的主要现象是丢包和高误码率，更有甚者，会导致逻辑功能的紊乱，结果无法实现既定功能，引起用户的抱怨和不满。

另一方面，在当前模拟和数字电路设计中，有关于模拟电路和数字电路，或者开关电源和其它数字、模拟电路之间关系的介绍，以及设计应用实例，给出了各功能模块之间需要分开处理的总体大致方向，但实际应用中还会出现不同特性电路之间互相干扰的问题，导致各特性电路之间不能长期稳定地工作，以及在更严酷条件下系统可靠运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，包括HSD连接器、HUB芯片、第一USB接口、第二USB接口、BAT+连接器、EMI滤波、DC-DC模块和PCB板，HSD连接器通过USB差分屏蔽布线和HUB芯片连接，HUB芯片的其中一个上行口对应HSD连接器的D1+和D1-一组USB差分屏蔽布线，HUB芯片的其中一个上行口和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线连接，HUB芯片的其中一个下行口的D1+_TypeC和D1-_TypeC和第一USB接口通过USB差分屏蔽布线连接，HUB芯片的一个上行口OTG对应HSD连接器的D2+和D2-一组USB差分屏蔽布线，且HSD连接器的D1+、D1-和D2+、D2-的两组USB差分屏蔽布线分别放置在PCB板的中间两层，HUB芯片的一个上行口OTG和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线连接，HUB芯片的另一个下行口的D2+_TypeA和D2-_TypeA和第二USB接口通过USB差分屏蔽布线连接，BAT+连接器和EMI滤波连接，EMI滤波和DC-DC模块连接，DC-DC模块放置在PCB板的顶层，DC-DC模块的V-BUS和第一USB接口连接；DC-DC模块的V-BUS2和第二USB接口连接。

优选的，HSD连接器和外部的车载主机通过屏蔽线缆连接，HSD连接器的两组USB差分屏蔽布线分别与HUB芯片连接的两组上行口连接，且一组USB差分屏蔽布线由D1+和D1-组成，另一组USB差分屏蔽布线由D2+和D2-组成。

优选的，USB差分屏蔽布线周围设置有多个过孔，且每个过孔的间距值为1-2mm。

优选的，PCB板的顶层通过GND整块铺地覆盖在HUB芯片的两组上行口和两组下行口的USB差分屏蔽布线上方，HUB芯片的两组下行口USB差分屏蔽布线为D1+_TypeC、D1-_TypeC和D2+_TypeA、D2-_TypeA，HUB芯片的两组下行口USB差分屏蔽布线放置在PCB板的中间两层，HUB芯片的两组上行口和两组下行口USB差分屏蔽布线的周围均设置有过孔，过孔连接GND整块铺地。

优选的，PCB板的底层包括和HSD连接器连接的GND铺地、和第一USB接口连接的GND铺地、和第二USB接口连接的GND铺地、和DC-DC模块连接的GND铺地，HSD连接器、第一USB接口和第二USB接口连接的GND铺地均通过放置在USB差分屏蔽布线周围设置的过孔和顶层的GND铺地连接，DC-DC模块连接的GND铺地和和顶层的屏蔽罩连接。

优选的，HUB芯片的上行口两组数据线的屏蔽地线和HSD连接器屏蔽外壳的地线连接，HUB芯片的下行口两组数据线的屏蔽地线和第一USB接口、第二USB接口屏蔽外壳的地线连接。

优选的，DC-DC模块电路的GND地线通过单点接地方式和数据通信部分电路的GND地线连接。

优选的，DC-DC模块外侧设置有屏蔽罩，屏蔽罩通过SMT贴片方式焊接的PCB板的顶层。

优选的，PCB板为四层板，且PCB板分为顶层、中间两层和底层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以提供两种主流USB接口TypeA和TypeC，支持USB高速数据传输和大电流充电，实现高速信号的稳定可靠传输，数字电路和开关电源模块互不干扰，本发明通过在USB差分屏蔽布线周围放置过孔的方式，在PCB板顶层和底层将这些过孔铺地，形成一个完整的屏蔽结构体，确保其差分线不受外界的干扰或者将干扰降低到可接收的最小程度，具有更优异的眼图效果和最低数据传输误码率，对DC-DC模块部分进行独特地电磁兼容和热设计，以及DC-DC电源模块单独使用屏蔽罩的方式抑制辐射干扰，DC-DC模块形成一个和USB差分屏蔽布线相对独立地存在，只是在输出端口构成统一体，从而实现差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，提供更优异的性能，本发明提供了一种不同模块电路之间的相互独立，互不干扰，将各自的电磁辐射大为降低，同时能提供更高的抗干扰性能，满足不同模块电路之间的特性需要，真正地将屏蔽和接地融为一体，落实到实际产品中，基于此方案，为类似的产品设计与开发提供了一条切实可行之路，同时，由于此方案可以在不使用额外电子器件的情况下，得到更高的性能。

附图说明

图1是一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器方框示意图；

图2是本发明中PCB板顶层走线和布局的方框示意图；

图3是本发明中PCB板底层走线和布局的方框示意图。

图中：1、HSD连接器；2、HUB芯片；3、第一USB接口；4、第二USB接口；5、BAT+连接器；6、EMI滤波；7、DC-DC模块；8、USB差分屏蔽布线；81、过孔；9、PCB板；10、屏蔽罩。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，包括HSD连接器1、HUB芯片2、第一USB接口3、第二USB接口4、BAT+连接器5、EMI滤波6、DC-DC模块7和PCB板9，HSD连接器1通过USB差分屏蔽布线8和HUB芯片2连接，HUB芯片2的其中一个上行口对应HSD连接器1的D1+和D1-一组USB差分屏蔽布线8，HUB芯片2的其中一个上行口和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线8连接，HUB芯片2的其中一个下行口的D1+_TypeC和D1-_TypeC和第一USB接口3通过USB差分屏蔽布线8连接，HUB芯片2的一个上行口OTG对应HSD连接器1的D2+和D2-一组USB差分屏蔽布线8，且HSD连接器1的D1+、D1-和D2+、D2-的两组USB差分屏蔽布线8分别放置在PCB板9的中间两层，HUB芯片2的一个上行口OTG和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线8连接，HUB芯片2的另一个下行口的D2+_TypeA和D2-_TypeA和第二USB接口4通过USB差分屏蔽布线8连接，BAT+连接器5和EMI滤波6连接，EMI滤波6和DC-DC模块7连接，DC-DC模块7放置在PCB板9的顶层，DC-DC模块7的V-BUS1和第一USB接口3连接，DC-DC模块7的V-BUS2和第二USB接口4连接。第一USB接口3和第二USB接口4放置ESD保护芯片，保护上行口4路信号线，如：D1+、D1-、D2+、D2-，保护下行口4路信号线，如：D1+_Type C、D1-_Type C和D2+_Type A、D2-_Type A，有效保护芯片及产品不受静电干扰。

HSD连接器1和外部的车载主机通过屏蔽线缆连接，HSD连接器1的两组USB差分屏蔽布线8分别与HUB芯片2连接的两组上行口连接，且一组USB差分屏蔽布线8由D1+和D1-组成，即Host模式，此模式定义主机为主，设备为从，另一组USB差分屏蔽布线8由D2+和D2-组成，即OTG模式，此模式定义主机为从，设备为主，Host模式和OTG模式在同一时间内只能有一种模式工作，由主机和设备之间进行切换动作。

USB差分屏蔽布线8周围设置有多个过孔81，且每个过孔81的间距值为1-2mm。通过PCB的过孔81，将PCB顶层和底层的屏蔽地线包裹起来，类似于屏蔽线缆的外部地线包裹，实现完整的屏蔽效果，过孔81之间的间距取决于差分线的数据传输速率，根据目前USB2.0的传输速率为480MHz，过孔间距取值为1-2mm，可以保证很好的屏蔽效能。

PCB板9的顶层通过GND整块铺地覆盖在HUB芯片2的两组上行口和两组下行口的USB差分屏蔽布线8上方，HUB芯片2的两组下行口USB差分屏蔽布线8为D1+_TypeC、D1-_TypeC和D2+_TypeA、D2-_TypeA，HUB芯片2的两组下行口USB差分屏蔽布线8放置在PCB板9的中间两层，HUB芯片2的两组上行口和两组下行口USB差分屏蔽布线8的周围均设置有过孔81，过孔81连接GND整块铺地。

PCB板9的底层包括和HSD连接器1连接的GND铺地、和第一USB接口3连接的GND铺地、和第二USB接口4连接的GND铺地、和DC-DC模块7连接的GND铺地，HSD连接器1、第一USB接口3和第二USB接口4连接的GND铺地均通过放置在USB差分屏蔽布线8周围设置的过孔81和顶层的GND铺地连接，DC-DC模块7连接的GND铺地和和顶层的屏蔽罩10连接，形成完整的屏蔽结构，同时，USB差分数据传输部分的屏蔽结构和DC-DC模块7屏蔽结构之间相互隔离，且各自形成独立的屏蔽结构，HSD连接器1连接的GND铺地通过放置在USB差分屏蔽布线8周围设置的过孔81和顶层的GND铺地连接，形成顶层和底层的完整包地结构，通过以上附图2和附图3组成的顶层和底层相对完整的屏蔽接地效果，实现USB差分屏蔽布线8和DC-DC模块7独立布局，对于数据传输的可靠性及电源模块稳定性起到至关重要的作用。

HUB芯片2的上行口两组数据线的屏蔽地线和HSD连接器1屏蔽外壳的地线连接，HUB芯片2的下行口两组数据线的屏蔽地线和第一USB接口3、第二USB接口4屏蔽外壳的地线连接。为实现如图2中HUB芯片主电路模块功能，选用优异的USB2.0Hi-Speedhub芯片HUB_USB4925，其内部集成双Hub，对外拥有1个上行端口、1个反转的下行端口和2个双角色下行端口，支持充电方式：专用下行端口(DCP)、充电下行端口(CDP)和标准下行端口(SDP)。

DC-DC模块7电路的GND地线通过单点接地方式和数据通信部分电路的GND地线连接，确保数字部分和开关电源部分两者互不干扰，同时，两者之间的走线尽量做到远离且垂直走线，起到最佳的EMC电磁兼容效果。

DC-DC模块7外侧设置有屏蔽罩，屏蔽罩通过SMT贴片方式焊接的PCB板9的顶层。将整个DC-DC模块7集成在屏蔽罩10内，起到最佳的屏蔽效果，防止干扰外部的电路，DC-DC模块7属于整个系统中的发热严重部分，DC-DC模块7采用集成芯片方案，有效减小体积，同时，芯片内部集成低内阻的开关MOS管，有效减小其损耗，从而降低自身温升，可以确保在较恶劣环境下持续工作的要求。结合附图3，DC-DC模块7底层的铺地，可以设计为在PCB板9的底层绿漆开窗处理，并且在SMT制程中对开窗部分刷锡膏和过回流炉，有效地增加了过电流能力和增加散热面积，以上两点，从DC-DC模块7内部和外部都进行了相应地热设计，使得发热部分和其它部分模块电路隔离或者降低发热器件的温度，从而有效地阻隔由于热效应导致的系统不稳定。

PCB板9为四层板，且PCB板9分为顶层、中间两层和底层。

工作原理：结合附图1和2，PCB板9的顶层布线和布局，HUB芯片2连接的两组上行口与HSD连接器1两组差分线连接，一组由D1+和D1-组成，即Host模式，此模式定义主机为主，设备为从，另一组由D2+和D2-组成，即OTG模式，此模式定义主机为从，设备为主，Host模式和OTG模式在同一时间内只能有一种模式工作，由主机和设备之间进行切换动作，DC-DC模块7放置在PCB板9的顶层且在屏蔽罩10内，结合附图1和3，PCB板9的底层布线和布局，HSD连接器1、、第一USB接口3和第二USB接口4连接的GND铺地通过放置USB差分屏蔽布线8周围的过孔81和PCB板9顶层GND铺地连接，形成顶层和底层的完整包地结构，USB差分数据传输部分的屏蔽结构和DC-DC模块7屏蔽结构之间相互隔离，且各自形成独立的屏蔽结构，通过以上附图2和附图3组成的顶层和底层相对完整的屏蔽接地效果，实现USB差分屏蔽布线8和DC-DC模块7独立布局，对于数据传输的可靠性及DC-DC模块7稳定性起到至关重要的作用，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，包括HSD连接器(1)、HUB芯片(2)、第一USB接口(3)、第二USB接口(4)、BAT+连接器(5)、EMI滤波(6)、DC-DC模块(7)和PCB板(9)，其特征在于：HSD连接器(1)通过USB差分屏蔽布线(8)和HUB芯片(2)连接，HUB芯片(2)的其中一个上行口对应HSD连接器(1)的D1+和D1-一组USB差分屏蔽布线(8)，HUB芯片(2)的其中一个上行口和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线(8)连接，HUB芯片(2)的其中一个下行口的D1+_TypeC和D1-_TypeC和第一USB接口(3)通过USB差分屏蔽布线(8)连接，HUB芯片(2)的一个上行口OTG对应HSD连接器(1)的D2+和D2-一组USB差分屏蔽布线(8)，且HSD连接器(1)的D1+、D1-和D2+、D2-的两组USB差分屏蔽布线(8)分别放置在PCB板(9)的中间两层，HUB芯片(2)的一个上行口OTG和HSD连接器通过USB差分屏蔽布线(8)连接，HUB芯片(2)的另一个下行口的D2+_TypeA和D2-_TypeA和第二USB接口(4)通过USB差分屏蔽布线(8)连接，BAT+连接器(5)和EMI滤波(6)连接，EMI滤波(6)和DC-DC模块(7)连接，DC-DC模块(7)放置在PCB板(9)的顶层，DC-DC模块(7)的V-BUS1和第一USB接口(3)连接，DC-DC模块(7)的V-BUS2和第二USB接口(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：HSD连接器(1)和外部的车载主机通过屏蔽线缆连接，HSD连接器(1)的两组USB差分屏蔽布线(8)分别与HUB芯片(2)连接的两组上行口连接，且一组USB差分屏蔽布线(8)由D1+和D1-组成，另一组USB差分屏蔽布线(8)由D2+和D2-组成。

3.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：USB差分屏蔽布线(8)周围设置有多个过孔(81)，且每个过孔(81)的间距值为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：PCB板(9)的顶层通过GND整块铺地覆盖在HUB芯片(2)的两组上行口和两组下行口的USB差分屏蔽布线(8)上方，HUB芯片(2)的两组下行口USB差分屏蔽布线(8)为D1+_TypeC、D1-_TypeC和D2+_TypeA、D2-_TypeA，HUB芯片(2)的两组下行口USB差分屏蔽布线(8)放置在PCB板(9)的中间两层，HUB芯片(2)的两组上行口和两组下行口USB差分屏蔽布线(8)的周围均设置有过孔(81)，过孔(81)连接GND整块铺地。

5.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：PCB板(9)的底层包括和HSD连接器(1)连接的GND铺地、和第一USB接口(3)连接的GND铺地、和第二USB接口(4)连接的GND铺地、和DC-DC模块(7)连接的GND铺地，HSD连接器(1)、第一USB接口(3)和第二USB接口(4)连接的GND铺地均通过放置在USB差分屏蔽布线(8)周围设置的过孔(81)和顶层的GND铺地连接，DC-DC模块(7)连接的GND铺地和和顶层的屏蔽罩(10)连接。

6.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：HUB芯片(2)的上行口两组数据线的屏蔽地线和HSD连接器(1)屏蔽外壳的地线连接，HUB芯片(2)的下行口两组数据线的屏蔽地线和第一USB接口(3)、第二USB接口(4)屏蔽外壳的地线连接。

7.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：DC-DC模块(7)电路的GND地线通过单点接地方式和数据通信部分电路的GND地线连接。

8.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：DC-DC模块(7)外侧设置有屏蔽罩，屏蔽罩通过SMT贴片方式焊接的PCB板(9)的顶层。

9.根据权利要求1所述的一种USB差分屏蔽布线和电源模块独立布局的集线器，其特征在于：PCB板(9)为四层板，且PCB板(9)分为顶层、中间两层和底层。