【原创】拆解NEC芯片USB 2.0 HIGH SPEED HUB KRAKEN V3版本

newcathay

拆解NEC芯片USB 2.0 HIGH SPEED HUB  KRAKEN　V3版本（定版前最后一版）
特别提示：此版本为样板，非成品板，任何关于此板焊接、手工方面的挑刺将不会做出任何解答。成品当然是机贴。
简单说下这个HUB的基本特点
  1.NEC UPD720114 x2
  2.双电源隔离
  3.超低压降隔离电路，理论阻抗10~20毫欧(整板)
  4.超大电流负载能力，超过4A
  5.浪涌电流上报和切断，WINDOWS操作恢复
  6.所有端口高达15KV的ESD防护能力
  7.USB总线供电低压关断、告警
    8.外电源高、低压关断
    9.效率高达95%的1.5M DC-DC芯片为主芯片供电
    10.每个端口独立的短路保护,一端口短路不影响其他端口的正常工作
    11.USB总线供电和外电源供电的无缝切换

  12.固态电容储能，为下游设备提供充沛、稳定的电源
下面几张图即为KRAKEN的的全结构图，
俯视图

底面


侧视DC IN /USB IN 部分


侧视下游接口

从侧面图应可看出，整个HUB是由两块独立的电路板连接而成。
下图为位于下层的基板。基板的主要任务是负责信号的连接。相对于其他USB HUB，KRAKEN的基板有以下几点优势：

1.使用目前兼容性最好的芯片之一的NEC芯片，型号为uPD720114,这个芯片的优秀是在广大用户使用的基础上和i.HUB.4的优异性能上得已体现；
2.精心的PCB布局和布线：此单板对重要的几类线都做了精心设计，
i.信号线的差分阻抗的匹配和差分线精确的匹配（匹配精度达到5mil,也就是0.12mm，实际上一般达到20mil的匹配已很不错了），在信号线上使用了TDK的共模扼流圈滤除外界通过USB线带进来的共模干扰。什么叫共模干扰，就是相位相同的干扰，一般是在USB传输路径上受外界干扰而产生的。因为USB信号是差模的，所以共模干扰是无用信号，得去除。要理解这个共模干扰很简单，比如我们手头的电铬铁，工作电流很大，在般形开关的封合瞬间，会向外发出大量的无线干扰，而USB线这么长，形成一个天然的天线。随便拿一个USB键盘，在铬铁的几十公分处即可，开关铬铁，键盘就会出现无故上下线的情况，这就是因为省成本USB线上没做屏蔽或屏蔽不够，无线信号同时在USB线的各个线上产生了同相的干扰，共模扼流圈的功用就是为了去除这个干扰。在日产的HUB上，我们还能看得见一个四脚器件变成了两个直流的小电阻，那原来设计的就是共模扼流圈，但是共模扼流圈很贵啊，一个器件的价格比得上一个MOS管了，而且其效用很难为消费者所注意到，所以省成本第一个上来就该是他了。出于对日本人好东西一向留给自已用，笔者很阴暗的想是否在日本本土销售的HUB是有这些器件的！
ii.两个晶振均采用在滤波电容脚个同GND单点连通，保证晶振区的信号稳定；
iii. 所有的滤波电容均最大可能贴近电源管脚，也就紧大程度在保证了电源的最小回流路长，保证了滤波的效果和整板的售号完整性！
3. 高效率的电源模块，我们使用了600mA下效率高达95%的DC-DC模块，比之从山寨到贝尔金们都使用的1117的LDO电源的67%的效率，高了近30%。在HUB的全部接口都用上的情况下，HUB芯片的耗电达到最大，大约150mA，两个芯片300mA，功率接近1W。那么这两种电源解决方案的耗电差大约1.49-1.05=0.44W。对于USB2.0的受限的电源来说，这点节约下来的电流可不算小，算下来的话，可以驱动两个全带工作的鼠标或U盘或者5个USB键盘！

4.　所以的滤波电容均采用小体积的0402电容，虽然加工成本和难度大了不少，但是相对于0603电容体积上的减少所带来的体电感的减少，进而对高频信号的滤波效果提升来说，这个成本是值得的！对于储能电容，KRAKEN也演进为便用业界电容制造的顶端，0603/10uF/X5R的电容。
5.　接口：KRAKEN使用的接口均为全黄铜外壳，磷铜触点镀金工艺的。这样带来几点好处：一是黄铜壳相对普通铁壳来说，弹性更好，接口的上下压力弹片能保证在长期插拨以后不会出现铁壳那样的弹性降低，压不紧插头的情况；二是黄铜外壳不会不现铁壳长期使用后的锈迹斑斑的情况；三是磷铜触点弹性高，韧性好，长期插拨后能保证触点不下塌，保证插头的良好接触；四是镀金能护防止铜触点接触空气后生成氧化层影响触点的接触性能从而影响信号质量和电气传输质量！
下面是用过一段时间以后的铁壳USB的情况，可以很明显的看到表面的锈斑。

6.　保护


下图是上面的电源板的顶面和底面的俯视图，从图中一眼可以看出，和基板相比，器件更多，结构复杂。这块板主要是来处理电源相关的保护和通路的。这块板子的保证了KRAKEN的优秀的下游驱动能力和保护能力。
顶面


底面


背面的这几颗除固态电容以外的环形分布的大个头的器件是保证KRAKEN驱动能力的重点，由他们再加上PCB布线组成的通路保证每条至下游的通路的阻抗差不多只有10几个毫欧，这在带隔离的HUB中是绝无仅有的，此前驱动能力最好的小日本的继电器隔离的所带来的触点的接触阻抗那是绝对大于KRAKEN这个由优选器件所组成的纯电子的隔离电路。
说完驱动电路，又得来说说KRAKEN的电源部分的另一亮点：保护。KRAKEN现在设计来是对每个端口分别做保护，当其中任一端口出现短路情况时，KRAKEN会关闭当前这个端口并上告主机此端口出现故障，由计算机在屏幕右下角提出警告，而同时其他口仍可续继工作，不受任何影响。用户可选择移动当时短路源后再直接在计算机上操作重新打开这个端口。在端口关闭期间，该端口的亮橙黄灯，提示用户该端口故障。
另一方面，在USB端口侧，还存在一个低压锁定电路，当USB总线供电低于民用5V的最低标准值4.75V几百毫秒以后（这个不是很紧急的，所以设定为几百毫秒），电路会切断由USB总线过来的电源，并亮一橙黄灯警示用户：1.该路USB总线供电已断；2.USB口供电不足以驱动下游设备，需要外接电源。
在外接电源侧，为了保证外接电源的供电质量，我们设定了民用的4.75~5.25为限，任何在此电源范围外的电源插入后，将不会有任何反应，因为通路被关闭了。这会有两个结果：1.电源范围外的电源，比如3.3/7.5/12V的供电电源即使接上去也不会有任何反应，因为这些电源的供电在设定范围外，通路关闭；2.使用了较差的电源，当驱动下游设备时，其输出跌落至民用5V的标准，也就是4.75V之外，通路会直接关闭。这样就保证了下游电路的供电质量。

说到这里，不得不提一下KRAKEN的灯，KRAKEN的外壳目前考虑是采用磨砂半透明的材质，分为电源和端口指示两种灯。电源灯为三盏，USB总线供电和外电源供电各一盏，指示当前HUB供电源是哪种，其中外电供电时，靠近插座的灯会发出蓝色光；USB总线供电时，靠近USB IN座的灯会发出翠绿色的光；另外一盏为橙色的USB供电欠压锁定灯，当USB总线供电由于欠压时间过长而被锁定后该灯亮，指示客户USB驱动不足并被关闭，需要外接电源为HUB供电。
差点还忘了提到外电源入口处的两个圆滚滚的大家伙，这个叫宽频磁珠　Wide Band Chokes ，主要是消除从电源上过来的干扰和杂波。如果要从大家明显能感受到的效果来说，就是下游音箱里的电流声没有了。看看下图，是这个器件的阻抗曲线

下面是我们常用的片状磁珠的频率-阻抗图

其实从等效电阻来看，一眼就可看出差别，宽频磁珠的在很广的范围内的消噪效果都不错，叫宽频磁珠的确是非常的贴切。
市面上的普通宽频磁珠一般使用铜包钢或者铜包铝线，我们的磁珠则是专门订做的，用的铜线做导线，限于篇幅，铜线的相比钢和铝在电传输和热性能方面的优势就不多说了。

rtm009

拜拜强人

kaiza

留名 什么时候上市 出国前想弄一个

pingyuanjun

希望你的步伐再快一些，等得我都快没激情了

anamd

提醒一下lz
注意挑选元件的质量、加工工艺和结构设计
看到有些ihub4出问题了，感觉一个是元件有问题
一个是结构或者加工上有问题
还有一点比较担心的是售后怎么样

newcathay

QUOTE:

Posted by anamd on 2010-8-19 21:03
提醒一下lz
注意挑选元件的质量、加工工艺和结构设计
看到有些ihub4出问题了，感觉一个是元件有问题
一个是结构或者加工上有问题
还有一点比较担心的是售后怎么样

ihub4的问题主要是结构问题带来的！器件上问题不多。
结构上问题是属于无法根本解决的，所以为啥舍了ihub4，这是一个主要原因！

zwrobert

可惜，楼主还是没听从建议，仍旧采用这个圆形的外观，中看不中用的设计，我肯定不会买这个了。放在桌子上不仅占地方，而且线材太乱，对拥有很多USB设备的人肯定不适用。

独来独往

i.HUB.4我用着还可以，至于这个圆形的HUB，我个人不是很喜欢，楼上说的不好理线是其中一个原因。

明亮的夜

支持一下 ，非常不错的东东！

zlq125

什么时候出来看价格怎样入一个

newcathay

QUOTE:

Posted by zlq125 on 2010-8-21 11:02
什么时候出来看价格怎样入一个

预售已开始，要现货的话，兄弟们就需要再等等！

zju_amon

没看到外壳，hub这个东西外观挺重要的

cw9259

楼主强人，一直关注这新版HUB，具体啥时候能够买到呢？PM一下亦可！

newcathay

QUOTE:

Posted by cw9259 on 2010-8-22 08:30
楼主强人，一直关注这新版HUB，具体啥时候能够买到呢？PM一下亦可！

9月现货

axlyyj

一直在等这个hub，现在都没有hub用了，呵呵

freebeing

这东西弄成圆形见仁见智吧，
那么多灯仔晚上光污染太厉害了，
hub这种东东基本上属于插好不管型，不看重外形

newcathay

QUOTE:

Posted by freebeing on 2010-8-30 22:01
这东西弄成圆形见仁见智吧，
那么多灯仔晚上光污染太厉害了，
hub这种东东基本上属于插好不管型，不看重外形

1.同意圆形的看法，这个的确是很个人的事情，稀饭馒头各有所爱；
2.灯都是通过磨砂半透的方式透出的，没有直接出或经过高透的导光柱出，经过外壳的大量减光，这个灯已很弱了，从我们的目的：有悦目指示，无扰人眼境。来说，应算是达到这个要求了。

zhuyming

很不错的东东，最近正在关注中

dhll

还是希望楼主做个插排状的usb hub
朝上开7口 一排4个 一排3个 带一个开关的
= = = 开
= = = =
就这样的

newcathay

QUOTE:

Posted by dhll on 2010-10-7 18:51
还是希望楼主做个插排状的usb hub
朝上开7口 一排4个 一排3个 带一个开关的
= = = 开
= = = =
就这样的

i.hub.7 KRAKEN 即将出货，板子电路各方面都很成熟了。做一个您所说的，其实不难，电路都不用怎么改。但这种形状的铁定是要重新开模的，KRAKEN还末经市场考验，老兄您说我敢马上就上这种规格的吗？
除非人气够旺，网站、论坛能组织次定制，比如为51NB定制一款，有一定量的基础，这倒是可行的。