USB转串口芯片CH340：极致的连接体验

本篇文章将带领大家全面解析USB转串口芯片CH340，主要分为以下几个方面：

一、CH340芯片介绍

二、CH340芯片特点

三、CH340芯片封装

四、CH340芯片引脚说明

五、CH340芯片功能说明

六、CH340芯片应用电路

一、CH340芯片介绍

CH340是一个USB总线的转接芯片，可实现USB转串口或者USB转打印口。

在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

图1 CH340实物图

图2 CH340转换

二、CH340芯片特点

● 全速USB设备接口，兼容USBV2.0。

● 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SOP-16、SOP-8和SSOP-20以及ESSOP-10、MSOP-10无铅封装，兼容RoHS

三、CH340芯片封装

图3 CH340封装图

CH340系列芯片：

CH340C、CH340N、CH340K、CH340E、CH340X和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内置三只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。

四、CH340芯片引脚说明

注：CH340未用到的I/O引脚可以悬空，应用图以CH340T等举例，也适用CH340G/C/N/K/E/X/B等。

五、CH340芯片功能说明

5.1 时钟

CH340G/CH340T/CH340R芯片正常工作时需要外部向XI引脚提供12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH340内置的反相器通过晶体稳频振荡产生。外围电路只需要在XI和XO引脚之间连接一个12MHz的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接振荡电容。

CH340C/N/K/E/X/B芯片都已内置时钟发生器，无需外部晶体及电容。

5.2 复位

CH340芯片内置了电源上电复位电路。CH340B芯片还提供了低电平有效的外部复位输入引脚。

5.3 电源

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。

CH340X和批号末3位大于B40的CH340C/N的IO支持5V耐压，防向内电流倒灌。

CH340K不仅防向内电流倒灌，并且降低了对外驱动能力，可减少CH340向外的电流倒灌。

CH340芯片自动支持USB设备挂起以节约功耗，NOS#引脚为低电平时将禁止USB设备挂起。

CH340G/C/T/K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的下拉电阻在USB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。

CH340芯片内置了USB上拉电阻，UD+和UD-引脚应该直接连接到USB总线上。

5.4 连接

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。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/X/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。

MODEM联络信号引脚包括：CTS#引脚、DSR#引脚、RI#引脚、DCD#引脚、DTR#引脚、RTS#引脚，CH340C还提供了OUT#引脚。所有这些MODEM联络信号都是由计算机应用程序控制并定义其用途。

辅助引脚包括：IR#引脚、R232引脚、CKO引脚、ACT#引脚、TNOW引脚。IR#引脚为低电平将启用红外线串口模式。R232引脚用于控制辅助RS232功能，R232为高电平时RXD引脚输入自动反相。ACT#引脚为USB设备配置完成状态输出（例如USB红外适配器就绪）。TNOW引脚以高电平指示CH340正在从串口发送数据，发送完成后为低电平，在RS485等半双工串口方式下，TNOW可以用于指示串口收发切换状态。IR#和R232引脚只在上电复位后检查一次。

5.5 CH340B的配置信息

CH340B芯片还提供了EEPROM配置数据区域，可以通过专用的计算机工具软件为每个芯片设置产品序列号等信息，配置数据区域如下表所示。

表1EEPROM配置数据区域

5.6 串口特性

CH340内置了独立的收发缓冲区，支持单工、半双工或者全双工异步串行通讯。串行数据包括1个低电平起始位、5、6、7或8个数据位、1个或2个高电平停止位，支持奇校验/偶校验/标志校验/空白校验。CH340支持常用通讯波特率：50、75、100、110、134.5、150、300、600、900、1200、1800、2400、3600、4800、9600、14400、19200、28800、33600、38400、56000、57600、76800、115200、128000、153600、230400、460800、921600、1500000、2000000等。

对于单向1Mbps及以上、或双向500Kbps及以上的应用，建议改用CH343启用硬件自动流控。

CH340串口接收信号的允许波特率误差约2％，CH340G/CH340T/CH340R串口发送信号的波特率误差小于0.3％，CH340C/340N/340K/340E/340X/340B串口发送信号的波特率误差小于1.2％。

在计算机端的Windows操作系统下，CH340的驱动程序能够仿真标准串口，所以绝大部分原串口应用程序完全兼容，通常不需要作任何修改。

CH340可以用于升级原串口外围设备，或者通过USB总线为计算机增加额外串口。通过外加电平转换器件，可以进一步提供RS232、RS485、RS422等接口。

CH340R只需外加红外线收发器，就可以通过USB总线为计算机增加SIR红外适配器，实现计算机与符合IrDA规范的外部设备之间的红外线通讯。

六、CH340芯片应用电路

6.1 USB转9线串口

下图是由CH340T（或CH340C/B）实现的USB转RS232串口。CH340提供了常用的串口信号及MODEM信号，通过电平转换电路U8将TTL串口转换为RS232串口，端口P11是DB9插针，其引脚及功能与计算机的普通9针串口相同，U8的类似型号有MAX213/ADM213/SP213/MAX211等。

如果只需要实现USB转TTL串口，那么可以去掉图中的U8及电容C46/C47/C48/C49/C40。图中的信号线可以只连接RXD、TXD以及公共地线，其它信号线根据需要选用，不需要时都可以悬空。

P2是USB端口，USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线，通常，+5V电源线是红色，接地线是黑色，D+信号线是绿色，D-信号线是白色。USB总线提供的电源电流最大可以达到500mA，一般情况下，CH340芯片和低功耗的USB产品可以直接使用USB总线提供的5V电源。如果USB产品通过其它供电方式提供常备电源，那么CH340也应该使用该常备电源，这样可以避免与USB电源之间的I/O电流倒灌。如果需要同时使用USB总线的电源，那么可以通过阻值约为1Ω的电阻连接USB总线的5V电源线与USB产品的5V常备电源，并且两者的接地线直接相连接。

V3引脚的电容C8容量为0.1μF，用于CH340内部3.3V电源节点退耦，C9容量为0.1μF，用于外部电源退耦。

对于CH340G/T/R芯片，晶体X2、电容C6和C7用于时钟振荡电路。X2是频率为12MHz的石英晶体，C6和C7是容量为33pF的独石或高频瓷片电容。如果X2选用低成本的陶瓷晶体，那么C6和C7的容量必须用该晶体厂家的推荐值，一般情况下是47pF。对起振困难的晶体，建议C6容量减半。

对于CH340C/N/K/E/X/B芯片，无需晶体X2和电容C6及C7。

在设计印刷线路板PCB时，需要注意：退耦电容C8和C9尽量靠近CH340的相连引脚；使D+和D-信号线贴近平行布线，尽量在两侧提供地线或者覆铜，减少来自外界的信号干扰；尽量缩短XI和XO引脚相关信号线的长度，为了减少高频干扰，可以在相关元器件周边环绕地线或者覆铜。

图4 CH340T实现USB转RS232串口

图5 CH340B实现USB转RS232串口

6.2 连接MCU，各自供电，双向防灌

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MCU的RXD引脚应该启用内部上拉电阻，如没有，则建议对RXD引脚外加2KΩ～22KΩ的上拉电阻且接MCU的电源VDD。

防CH340有电但MCU无电时的外灌。图中二极管D6和D7及NMOS管Q5用于防止双电源方式下CH340通过MCU的RXD或TXD内部二极管向失电MCU产生电流倒灌的问题，D7和RTS/BOOT0#的连接是可选的。二极管D6针对CH340的TXD高电平通过MCU的RXD内部二极管向MCU倒灌电流的情形；二极管D7针对CH340的RTS高电平通过MCU的BOOT内部二极管向MCU倒灌电流的情形；NMOS管Q5针对CH340的RXD内部上拉电流通过MCU的TXD内部二极管向MCU倒灌电流的情形。

防CH340无电但MCU有电时的内灌。CH340K、CH340X和批号末3位大于B40的CH340C、CH340N的IO都自动防对内倒灌，即CH340无电但MCU有电时不会产生倒灌电流。再加上D6、D7和Q5能防止CH340向失电MCU外灌电流，所以上图能够实现完全的双向防倒灌。

对于其它批号或者型号的CH340，需要另加防内灌电路。通常是一个NMOS管串联一个肖特基二极管，防双向倒灌。例如，在Q5的漏极D端串联肖特基二极管且其阳极端接CH340的RXD，在D6与CH340之间串接NMOS管且其漏极接D6、栅极接CH340的电源VCC。

如果确定某个情形不会发生，则相应的NMOS管或者二极管可以去掉。例如部分型号MCU的IO支持防倒灌或支持5VT，或者MCU有永久自备电源，不用担心CH340向MCU外灌电流，那么D6、D7、Q5均可以去掉并短路。

二极管优先用小功率的Schottky肖特基二极管BAS70、BAT54，或B0520等。

NMOS管优先用小功率、小电容的NMOS管2SK3018、1012等。

一般情况下，不建议CH340与MCU分开各自供电。如果确有必要，那么还可以选用CH340K。

6.3 单片机USB一键下载

上图是基于USB转串口的多模式MCU一键下载参考电路，无需手工设置或手动复位。

上图针对的MCU类型：MCU本身需支持串口一键下载，NRST为低电平有效的复位输入端，BOOT0默认低电平选择应用程序，高电平选择Boot-Loader下载。例如32F103等。

图中为CH340X，4.7KΩ下拉电阻可选范围3～5.6KΩ，该电阻兼做MCU的BOOT0下拉电阻。对于末3位大于B40的CH340C，可以用OUT#外加下拉电阻后作为第二DTR#接BOOT0。

注：对于BOOT模式电平相反的其它MCU，可以直接用CH340C/G的DTR#控制（默认高电平），或者用6#与5#引脚之间接了电阻的CH340X的DTR#控制（推挽DTR增强模式，默认高电平）。

MCU正常工作状态：下拉电阻使得CH340X进入开源DTR增强模式，6#引脚切换为DTR#，DTR#默认不输出，BOOT0保持低电平，RTS#默认高电平，MCU正常运行应用程序。

一键下载：计算机端下载工具程序打开串口，设置DTR#为高电平、设置RTS#为低电平、再高电平，MCU进入BOOT下载程序。下载完成后，设置DTR#为低电平、设置RTS#为低电平、再高电平，MCU正常运行应用程序，关闭串口前保持DTR#不变。注意，MODEM数据与引脚电平是反相的。

统一供电方式：CH340X用MCU的同一5V或3.3V电源，缺点是CH340X将消耗数十uA的睡眠电流。

独立供电方式：CH340X使用USB的VBUS电源，完全不消耗MCU电源电流，CH340X自身断电后基本不影响MCU的IO，但要避免部分MCU因USB有电但MCU无电而向MCU倒灌电的情况。如果需要完全防止CH340电源对失电MCU的电流外灌，那么参考7.7节的图加NMOS和二极管。

如果NRST引脚需要支持额外的手动复位，那么可以在RTS#与NRST之间串一个1～2KΩ电阻或者阳极接NRST的二极管。