智能手機USB 2.0端口共享實(shí)現方案

移動(dòng)設備需要許多信號處理集成電路(IC)以滿(mǎn)足用戶(hù)各種不同的功能要求。典型的智能手機包含一個(gè)通信處理器、一個(gè)應用處理器和一個(gè)功率管理IC，它們都必需共享單個(gè)USB端口，并以480Mbps的高速USB數據速率進(jìn)行通信。

專(zhuān)門(mén)介紹一些能夠解決該問(wèn)題的方案，并對從USB集線(xiàn)器到簡(jiǎn)單模擬開(kāi)關(guān)的各種不同解決方案進(jìn)行比較。

智能手機的一種設計方式是讓內部的功率管理器件來(lái)控制單個(gè)USB2.0端口，這可以通過(guò)采用一個(gè)3:1的多路復用USB開(kāi)關(guān)把USB 2.0端口轉向自身來(lái)完成。默認情況下，其也可轉向應用處理器，用來(lái)實(shí)現大多數多媒體功能性(比如MP3播放或視頻處理)。還可轉向通信處理器，用于無(wú)線(xiàn)電通信，可實(shí)現數據訪(fǎng)問(wèn)或通話(huà)(見(jiàn)圖1)。這種架構具有一種優(yōu)勢，即當功能未使用時(shí)，允許手機進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此外，在檢測到USB 2.0端口活動(dòng)時(shí)，或者是任一個(gè)處理器需要使用USB端口時(shí)，功率管理單元可以喚醒相關(guān)處理器。在USB插口首次插入后，功率管理IC還可以詢(xún)問(wèn)USB線(xiàn)路，確定是否有專(zhuān)用USB充電器或充電主設備端口連接，以便通過(guò)VBUS信號直接給電池充電。當與USB主設備(如PC)通信時(shí)，通信和應用處理器內的物理層(PHY)使用USB開(kāi)關(guān)的480Mbps全高速數據帶寬。

圖1：用于共享一個(gè)USB 2.0端口的多路復用USB 2.0開(kāi)關(guān)。

4G手機的最新趨勢是在手機中集成兩個(gè)處理元件，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)USB端口。對于這種應用，一個(gè)比較好的選擇是采用集線(xiàn)器。不過(guò)麻煩在于USB集線(xiàn)器的接線(xiàn)通常是電容性的，功耗相當大；而另一方面，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)USB端口的機會(huì )又不多。圖2所示為這種手機的一種設計方法，其中，3G通信處理器必需與4G處理器分開(kāi)來(lái)單獨訪(fǎng)問(wèn)USB端口。通過(guò)一個(gè)隔離開(kāi)關(guān)(FSUSB31)，并采用極短的PCB引線(xiàn)，可以盡量減小電容。這樣一來(lái)，在從3G通信處理器到USB主設備的路徑上，一個(gè)高速發(fā)射USB數據眼(data eye)與USB規范相比有很大的裕量。在這個(gè)例子中，應用處理器控制USB 3:1多路復用開(kāi)關(guān)，當后者在待機模式下處于低電狀態(tài)時(shí)，它可以讓自己的控制線(xiàn)路上的上拉和下拉電阻連接到默認的應用處理器。

圖2：多路復用USB 2.0開(kāi)關(guān)和帶隔離開(kāi)關(guān)的集線(xiàn)器應用。

上述功能可通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，上電時(shí)其功耗極小，禁用時(shí)功耗幾乎為零。在圖2所示的4G手機應用中，FSUSB63始終上電，耗電量只有幾微安。同時(shí)，在圖1所示的應用中，當功率管理IC在待機模式下關(guān)斷FSUSB63時(shí)，其耗電量降至1微安以下。

對于大多數集成電路而言，高速和低功耗一般是一對相互矛盾的特性。能夠兩者兼具的解決方案常常需要降低電壓，并使用精細的幾何工藝尺寸；然而，USB規范要求的是高電壓信號。在性能穩健的手機設計中，D+和D-信號能夠承受至5V VBUS信號線(xiàn)的短路，故限制了低電壓解決方案。不過(guò)，最近推出的低功耗電荷泵USB開(kāi)關(guān)解決了這個(gè)問(wèn)題，并滿(mǎn)足嚴苛的USB發(fā)射眼圖要求，如圖3所示。事實(shí)上，無(wú)需對架構或所選器件做任何修改，大多數這類(lèi)設計的工作速率就能夠達到高速USB數據速率(> 1 Gbps)的兩倍以上。

圖3：高速USB 2.0發(fā)射眼圖。