Schemat elektryczny programatora USB-UART CH340G/CH340C/CH340N – opis i wyprowadzenia

Pytanie

schemat elektryczny programatora CH340

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Schemat elektryczny programatora (mostka USB-UART) z układem CH340 składa się z: zasilania 5 V/3,3 V, interfejsu USB (D+ / D- z rezystorami ~22–33 Ω i ochroną ESD), układu CH340 (G, C, N, E…), rezonatora 12 MHz lub wewnętrznego oscylatora (w zależności od wersji), wyprowadzeń UART (TXD, RXD, DTR, RTS) oraz opcjonalnych elementów pomocniczych (LED-y, zworka wyboru napięcia, konwertery poziomów).
• Kluczowe piny: VCC, GND, TXD→RX MCU, RXD←TX MCU, DTR (przez 100 nF do RESET), V3 (kondensator 1 µF), UD+ i UD- (linia USB).
• Wariant CH340G wymaga zewnętrznego rezonatora 12 MHz; CH340C/N – oscylator wewnętrzny; CH340N ma tylko 8 MHz wewnątrz.

Szczegółowa analiza problemu

1. Bloki funkcjonalne

1. Zasilanie i filtracja
   • USB VBUS (5 V) → bezpiecznik/ferryt → VCC (pin 16/4) → C_DECOUP 100 nF + 10 µF.
   • Tryb 3,3 V: LDO (np. AMS1117-3.3) lub zworka 3,3 V.
   • V3 – wyjście wewn. stabilizatora 3,3 V; obowiązkowo kondensator 1 µF do GND. Jeśli VCC=3,3 V, łączymy V3 z VCC.

2. Interfejs USB

   USB D+ ──22–33 Ω──┐
                 ├─ Pin UDP/UD+ (5)
   USB D- ──22–33 Ω──┘
   USB GND ──────────┐
   USB VBUS (5 V) ───┘
                ↓      (dioda TVS – ochrona ESD zalecana)

3. Oscylator
   • CH340G/E: rezonator kwarcowy 12 MHz między XI (7) i XO (8) + 2× 22 pF do GND.
   • CH340C/N: piny XI/XO niepodłączone – oscylator wewnętrzny (C: 12 MHz, N: 8 MHz).

4. UART / sygnały sterujące
   • TXD (2) → szereg 1 kΩ → złącze TX.
   • RXD (3) ← szereg 1 kΩ ← złącze RX.
   • DTR# (13) → 100 nF → RESET MCU (auto-reset).
   • RTS# (14) – opcjonalnie do IO0/BOOT (ESP32/ESP8266) przez tranzystor.
   • Pin R232/TNOW (15) do GND – poziomy TTL.

5. Dodatki
   • LED POWER: VCC → 1 kΩ → LED → GND.
   • LED TX, RX: katoda do pinów TXD/RXD, anoda przez 1 kΩ do VCC (lub odwrotnie).
   • Zworka wyboru VCC (5 V / 3,3 V) – wspólna masa obowiązkowo.

2. Teoretyczne podstawy

CH340 to układ USB-Full-Speed (12 Mb/s) implementujący klasę CDC-ACM; system tworzy wirtualny port COM. Wersje różnią się:

• CH340G – zewn. kwarc 12 MHz (najpowszechniejszy).
• CH340C – wewn. oscylator 12 MHz (eliminuje kwarc).
• CH340N – QFN20, wewn. 8 MHz, brak V3; bardzo mały.
• CH340E – QFN16, wbudowany 12 MHz, VCC max 3,6 V (tylko 3,3 V logika).

Sygnały MODEM (CTS, DSR, RI, DCD) pozostają niepodłączone, gdy nie są wymagane.

3. Praktyczne zastosowania

• Programowanie płytek Arduino (ATmega328P) – używamy DTR→RESET.
• Auto-programowanie ESP32/ESP8266 – wykorzystuje kombinację DTR + RTS sterując EN i IO0 przez tranzystory NPN/MOSFET.
• Ogólny mostek USB-Serial do debugowania (3 Mbps przy dobrym kablu).

Aktualne informacje i trendy

• W nowych projektach coraz częściej stosuje się CH340C/N (brak zewn. kwarcu, mniejszy BOM).
• USB-C wypiera micro-USB; projektanci dodają CC-pull-down 5,1 kΩ i zabezpieczenia PD.
• Wydana (2023) wersja sterownika CH341SER v3.7 poprawia stabilność pod Windows 11.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego rezystory 22–33 Ω w liniach USB? Tłumią oscylacje i minimalizują odbicia przy krótkich ścieżkach.
• Kondensator 100 nF na DTR: tylko zbocze wyzwala RESET, stały poziom nie trzyma MCU w resecie.
• V3 nie jest źródłem 3,3 V „do zasilania modułu” (>10 mA) – to wyjście stabilizatora dla wewnętrznego rdzenia; traktuj je pomocniczo.

Aspekty etyczne i prawne

• Sterowniki WCH są objęte licencją; nie wolno dystrybuować zmodyfikowanych binariów.
• Podłączanie urządzeń do portu USB komputera wymaga zgodności z normą EN 62368-1; użycie bezpiecznika polimerowego i TVS redukuje ryzyko uszkodzenia portu.
• Ochrona ESD jest kluczowa przy produktach komercyjnych (CE/FCC).

Praktyczne wskazówki

1. Ścieżki D+ / D- identycznej długości, impedancja ~90 Ω diff.
2. Kondensatory odsprzęgające maks. 1 cm od pinów VCC i V3.
3. Masa (GND) pod układem jako solidna płaszczyzna; unikaj przelotek w liniach USB.
4. Testuj enumerację przy kablu 1 m oraz 3 m – problemy wskazują na zbyt długie ścieżki lub brak rezystorów.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• CH340G przy zasilaniu 3,3 V bywa niestabilny poniżej 3,3 V; dla 3,0 V użyj CH340E.
• Prąd wyjściowy V3 (ok. 10 mA) nie wystarcza do zasilania ESP32.
• Wersje podrabiane: charakterystyczne obniżone ID Vendor; powodują błędy przy wysokich baudrate.

Sugestie dalszych badań

• Porównanie CH340 z CP2102N i FT232R pod względem jitteru i przepustowości.
• Implementacja automatycznego boot-strappingu ESP32-S3 (EN/IO0) za pomocą układu CH340K (wbudowane FET-y).
• Analiza odporności ESD przy różnych diodach (SMF05, USBLC6) – test IEC 61000-4-2.

Krótkie podsumowanie

Schemat programatora na CH340 to prosty mostek USB-UART: zasilanie 5 V/3,3 V, linie USB z rezystorami i ESD, układ CH340 (właściwa wersja), rezonator lub oscylator wewnętrzny, wyprowadzenia TX/RX/DTR/RTS oraz drobne elementy pasywne. Przy prawidłowym doborze napięcia i odsprzęganiu układ zapewnia niezawodny interfejs do programowania i debugowania mikrokontrolerów (Arduino, ESP, STM32).