在前面兩篇博客提到了CH340的電路設(shè)計(jì)以及芯片選型，本文將重點(diǎn)放在使用CH340芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)與注意事項(xiàng)。
CH340 芯片通過 USB 轉(zhuǎn)換出來的 TTL 串口輸出和輸入電壓是根據(jù)芯片供電電壓是自適應(yīng)的。也即，如果芯片是 5V 供電，那么串口輸出和采樣都是 5V；如果是 3.3V 供電，那么標(biāo)準(zhǔn)就成了 3.3V，因此在實(shí)際使用的時(shí)候，串口連接到的對端設(shè)備需要注意電壓匹配的問題。其中在 5V 供電模式下，是可以與 3.3V 系統(tǒng)兼容的，反過來則不可以，如果 CH340 是 3.3V 供電，那么不可以接 5V 系統(tǒng)，會損壞芯片。另外如果對端是 1.8V 系統(tǒng)，那么是不能與 CH340 的 3.3V 模式兼容的，此時(shí)輸出和采樣會出錯(cuò)。最好加一些器件來升降壓來進(jìn)行電壓匹配。因此設(shè)計(jì)時(shí)確認(rèn)好對端串口電平范圍，然后決定 CH340 工作在 3.3V 或者 5V 工作模式。在前面文章中也有提及，在電路設(shè)計(jì)原理上，5V 供電時(shí)芯片 V3 引腳需要接一個(gè) 104 電容到地，3.3V 供電時(shí)直接將 V3 腳與 3.3V 電源引腳短接就可以了。
在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng) CH340 與其他 IC 譬如 MCU 等器件一同使用時(shí)，如果串口直連的雙方器件有一方不需要供電工作時(shí)，要注意電流倒灌導(dǎo)致未供電的芯片繼續(xù)工作的情況，或者是在串口下載場景中，當(dāng) MCU 需要復(fù)位以實(shí)現(xiàn)下載時(shí)，發(fā)現(xiàn)復(fù)位不成功，可能也是由于該原因造成的。因此，在電路設(shè)計(jì)中可以做如下改動來防止 CH340 與對端 IC 出現(xiàn)任何一方被倒灌電的情況。原理圖如下：
也就是在 CH340 芯片的 發(fā)送引腳 TXD 上接一個(gè)反向二極管，然后再連接到對端 IC。在接收引腳上加一個(gè)限流電阻來防止對端 IC 對CH340 倒灌電。
通過反向二極管的原理是：在 CH340 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送高電平時(shí)二極管截止，但是由于對端 RXD 默認(rèn)上拉也是高電平不會有采樣問題，而發(fā)送低電平時(shí)二極管導(dǎo)通，對端 RXD 接收到低電平，因此可以正常通訊。并防止了 CH340 的 TXD 發(fā)送引腳將電流倒灌到對端 IC。
通過限流電阻的原理是：倒灌電流導(dǎo)致芯片工作甚至閂鎖效應(yīng)，是由于引腳電流過大超過了芯片設(shè)計(jì)時(shí)容忍的上限導(dǎo)致芯片內(nèi)部電路出現(xiàn)異常。因此加一個(gè)限流電阻就可以了，其他通訊場景也可以仿照此方法進(jìn)行嘗試。
V3 的引腳除了在不同電壓供電模式下接法不同，對于電容數(shù)值選用也是需要注意的。V3 引腳的電容用于內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，來改善 USB 傳輸過程中的 EMI，通常容量在 4700pF 到 0.1uF 范圍，建議容量為 0.01uF，即 103 電容。
在這里參考了沁恒官網(wǎng)提供的文章《USB芯片的電路及PCB設(shè)計(jì)的重要注意事項(xiàng)》。需要設(shè)計(jì) USB 電路的工程師可以下載下來參考學(xué)習(xí)。 因?yàn)?USB 信號屬于模擬信號，所以在 CH340 等 USB 芯片內(nèi)部包含數(shù)字電路和一些模擬電路，另外，USB 芯片中還包含時(shí)鐘震蕩及 PLL 倍頻電路，電路的公共地端在芯片內(nèi)部已經(jīng)連接在一起并連接到芯片的 GND 引腳。
如果 USB 芯片有時(shí)工作不正常、或者 USB 數(shù)據(jù)傳輸隨機(jī)性失敗、或者抗干擾能力差，那么就應(yīng)該考慮 USB 芯片是否穩(wěn)定工作。影響 USB 芯片工作穩(wěn)定性的幾大因素有：
時(shí)鐘信號不穩(wěn)定通常是 PCB 布線中 GND 走線不佳。參考下圖，該圖適用于 USB 類芯片，圖中有 6個(gè)接地點(diǎn)，分別是 A、B、C、D、E、F，設(shè)計(jì)電路及 PCB 時(shí)應(yīng)該盡量避免這 6 個(gè) GND 點(diǎn)之間存在電壓差（主要是指數(shù)字電路中的高頻毛刺電壓，也就是數(shù)字噪聲）。
解決方法是：
1.盡量縮短這 6 個(gè)點(diǎn)之間的距離；
2.類似模擬電路設(shè)計(jì)中的單點(diǎn)接地；
3.大面積 GND 鋪銅及 GND 多點(diǎn)過孔 VIA 降低高頻信號阻抗。圖中最關(guān)鍵的是 E 點(diǎn)、F 點(diǎn)與 D 點(diǎn)之間不能存在高頻毛刺電壓差，可以用示波器探頭接 D 點(diǎn)測量時(shí)鐘輸入端 XI 引腳的 12MHz 時(shí)鐘波形是否有抖動。
下圖適用于 CH375 或 CH374 或者 CH341 等 GND 引腳緊靠 XI 引腳和 XO 引腳的 USB 芯片，比較容易走線。
下圖適用于 CH372/CH374 等 GND 在時(shí)鐘腳對側(cè)的 USB 系列芯片，此時(shí) GND 引腳借助過孔 VIA 及冗余 GND 線連接時(shí)鐘振蕩電路等。
下圖適用于 CH372/CH374 等 GND 遠(yuǎn)離 XI 引腳和 XO 引腳的 USB 芯片，GND 走線和時(shí)鐘信號線都比較短，時(shí)鐘信號受到 GND 屏蔽保護(hù)。
下圖中 USB 芯片 CH372 的引腳 D 點(diǎn)遠(yuǎn)離電容 C1 和 C2 的 GND 端 E 點(diǎn) 和 F 點(diǎn)，并且 C1 和 C2 的 GND 端與單片機(jī) MCU 的 GND 連接，所以 MCU 的數(shù)字噪聲將被引入 CH372 的 XI 引腳和 XO 引腳。建議改為：在 C1 和 C2 的 GND 端與 CH372 的 GND 引腳之間連接短線甚至斷開 MCU 的GND（實(shí)際上這幾個(gè) GND 之間仍然是物理相通的）。
客觀地講，CH372、CH375、CH341 等 USB 芯片時(shí)鐘的穩(wěn)定性要求較高，稍有不穩(wěn)定就會影響 USB 傳輸甚至不工作。因此，類似于下圖的設(shè)計(jì)，強(qiáng)烈建議改進(jìn) PCB 布線以提高穩(wěn)定性。
以上就是在 CH340 或者 USB 芯片電路設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的問題了，實(shí)際應(yīng)用中還會有很多未提及的問題出現(xiàn)，當(dāng)然也有相應(yīng)的解決方案，譬如進(jìn)行對電路進(jìn)行電氣隔離和增加電流保護(hù)，提升 ESD 性能等。
如果有疑問或者好的想法，可以給我郵件或者評論~:-D
