硬件电路设计之USB转串口电路设计

1 简介

今天我们重点要讲述的是USB转串口功能，单板设计过程中，往往需要留至少一个调试接口，比较常见的是串口、网口、USB等。其中，串口作为调试接口时，需要将其转换为USB接口后，再连接到电脑上。CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口或者USB转打印口。

2 特点

• 全速USB设备接口，兼容USB V2.0。
• 仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。
• 计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。
• 硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。
• 支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。
• 通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。
• CH340R芯片支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。
• 内置固件，软件兼容CH341，可以直接使用CH341的VCP驱动程序。
• 支持5V电源电压和3.3V电源电压。
• CH340C/N/K/E/X/B内置时钟，无需外部晶振，CH340B还内置EEPROM用于配置序列号等。
• 提供SOP16、SOP8和SSOP20以及ESSOP10、MSOP10无铅封装，兼容RoHS。

3 封装

注意：

• CH340C、CH340N、CH340K、CH340E、CH340X、CH340B内置时钟，无需外部晶振。
• CH340B内置EEPROM用于配置序列号，以及部分功能可定制等。如需小体积建议用CH343P。
• CH340K内置三个二极管用于防止独立供电时MCU通过I/O引脚对CH340电流倒灌。
• CH340K的底板是0#引脚GND，是可选连接；3#引脚GND是必要连接。
• CH340X基于CH340E改进，增加了3.3V供电时的IO耐受5V特性。
• CH340X的6#引脚如果外加电阻可以将6#引脚从TNOW切换为DTR#。
• CH340C如果批号4开头且末3位大于B40，则可为8#引脚加4.7KΩ下拉电阻将其改为DTR#。
• CH340R提供反极性TXD和MODEM信号，已停产。
• CH340的USB收发器按USB2.0全内置设计，UD+和UD-引脚建议不要额外串接电阻。

4 硬件电路设计实战

CH340 芯片支持 5V 电源电压或者 3.3V 电源电压。

• 当使用5V工作电压时，CH340芯片的VCC引脚 输入外部5V电源，并且 V3 引脚应该外接容量为 0.1uF的电源退耦电容 。
• 当使用3.3V工作电压时，CH340芯片的V3引脚应该与VCC引脚相连接，同时输入外部的 3.3V 电源，并且与CH340芯片相连接 的其它电路的工作电压不能超过3.3V。

CH340芯片 支持USB设备自动挂起以节约功耗 ， NOS#引脚为低电平时将禁止USB 设备挂起。 CH340芯片的DTR#引脚在USB配置完成之前作为配置输入引脚，可以外接4.7KΩ的下拉电阻，USB在枚举期间产生默认的低电平，通过配置描述符向 USB 总线申请更大的电源电流。异步串口方式下CH340芯片的引脚包括： 数据传输引脚 、 MODEM联络信号引脚 、 辅助引脚 。数据传输引脚包括：TXD引脚和 RXD 引脚 。串口输入空闲时RXD应为高电平。对于CH340G/C/T/R 芯片，如果 R232 引脚为高电平启用辅助RS232功能，那么RXD引脚内部自动插入一个反相器，默认为低电平。串口输出空闲时，CH340G/C/N/E/B/T 芯片的TXD为高电平，CH340K芯片的TXD为微弱的高电平，CH340R芯片的TXD为低电平。

5 相关硬件

• USB转RS232串口电路

图中USB转RS232电路最常用的3线制RS232串口，U5为MAX232/ICL232/SP232 等。CH340没有使用到的信号线都可以悬空。对于CH340C/N/K/E/B芯片，无需X4和C21及C22。

• USB转RS232串口电路（简化版）

图中也是USB转3线制RS232串口，该电路与上一节的功能相同，只是输出RS232信号的电平幅度略低。CH340的R232引脚为高电平，启用了辅助RS232功能，只需外加二极管、三极管、电阻 和电容就可代替上一节中专用的电平转换电路U5，所以硬件成本更低。

• 连接单片机串口，统一供电

下图是统一供电方式下MCU单片机通过TTL串口连接CH340芯片实现USB通讯的参考电路。该产品选择自供电方式，VCC支持5V或者3.3V（VCC为3.3V时，V3需短接到VCC），完全不使用USB总线电源VBUS（如有需要MCU可以通过I/O串电阻后检测其是否有效）。CH340与MCU使用同一电源VCC，所以CH340与MCU之间不存在双电源通过I/O相互电流倒灌的情形。

• 连接单片机串口，各自供电

上图是双供电方式下MCU单片机通过TTL串口连接CH340芯片实现USB通讯的参考电路。CH340由USB总线供电VBUS，MCU使用另一电源VDD，VDD支持5V、3.3V 甚至 2.5V、1.8V，图中二极管D6和D7用于缓解双电源方式下CH340与MCU之间通过 RXD或RX内部二极管产生电流倒灌的问题。图中MCU的RX引脚应该启用内部上拉电阻，如没有，则建议对RX引脚外加 8KΩ～30KΩ的上拉电阻。二极管D6针对CH340无电但MCU有电且TX高电平通过RXD内部二极管向CH340倒灌电流的情形；

二极管优先用小功率的Schottky肖特基二极管。一般情况下，不建议CH340与 MCU 分开各自供电。如果确有必要，那么推荐使用CH340K或者有VIO电源引脚支持I/O独立供电的USB转串口芯片。