為便攜式設備可靠供電開(kāi)發(fā)拓寬USB功能

標簽：便攜式設備 USB接口電源 集線(xiàn)器 充電控制器 系統負載

1、引 言

通用序列總線(xiàn)USB2.0作為一種新的PC機互連協(xié)議，使外接設備到計算機的連接更加高效、便利。這種接口適合于多種設備,不僅具有快速、即扦即用、支持熱扦撥的特點(diǎn)還能同時(shí)連接127個(gè)設備,解決了如資源件沖突、中斷請求和直接數據通道等問(wèn)題., 為使用者提供更好的效能。但隨著(zhù)各類(lèi)數字化便攜式設備及其內核電源品種的增多,這就要需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)并拓寬USB接口的電源功能以保證各類(lèi)便攜式設備的正常可靠運行.這是為什么呢?

* 多種內核電源的需要

眾所周知,當今許多數字化便攜式設備(如數碼相機、 MP3播放器和PDA)中數字信號處理均是采用DSP芯片, 該DSP芯片采用單5V電源供電,但也有的采用3.3V和1.8V電源供電,其中DSP芯片的核電壓采用1.8V電源供電,而I/O采用3.3V電源供電.據此再在這些便攜式設備上再增加電源設備是不現實(shí)的.

* 便攜設備的數據交換

因為許多便攜設備，如MP3播放機、PDA等，都需要與PC機進(jìn)行數據交換，如果在與PC杌進(jìn)行數據交換的同時(shí)，能夠利用同一根電纜對電池充電，會(huì )極大地方便沒(méi)備的使用。若將USB接口的電源功能與具有對電池充電功能結合,則能夠使大量設備免受電源線(xiàn)的束縛，如可移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )照相機,無(wú)論是否與PC相連都可以工作。在許多情況下，都不再需要那些一直使用而伴隨的又笨拙的交流適配器。由此可見(jiàn)開(kāi)發(fā)USB接口電源(以下簡(jiǎn)稱(chēng)USB電源)應解決二大問(wèn)題,第一是從USB端口獲得5V與3.3V、1.8V電源;第二是通過(guò)USB電源為電池充電.

由于USB接口除了具有直接對與USB相連設備供電功能之外，USB接口電源最有用的功能之一就是能對電池充電。那末這些功能從何而來(lái)?為此應首先對USB接口的電源(以下簡(jiǎn)稱(chēng)USB電源)功能的技術(shù)支持作一介紹.

2、開(kāi)發(fā)拓寬USB電源功能的技術(shù)支持

USB的集線(xiàn)器控制器功能和外圍設備功能是開(kāi)發(fā)出USB電源功能的技術(shù)支持。

那么USB的集線(xiàn)器控制器功能和外圍設備功能是什么?或者說(shuō)具備這二大功能的技術(shù)依據又是什么?

2.1 USB集線(xiàn)器功能

(1)先述何謂集線(xiàn)器.在USB網(wǎng)絡(luò )中有三個(gè)主要建構模塊.首先個(gè)人計算機里有一塊主控端(Host). “主控端”的功能就如同其名稱(chēng)所指的，主要負責通訊方面要求、接受以及將服務(wù)信息輸入輸出至計算機.因此主控端負責處理網(wǎng)絡(luò )”匯集”時(shí)的大部分細節工作.而在網(wǎng)絡(luò )的另外一端則稱(chēng)為:”裝置”(Device),就是計算機外設設備;另外，在主控端與裝置之間則可能會(huì )有“集線(xiàn)器”(Hub)。這些看似簡(jiǎn)單的單元，可提供四個(gè)(或七個(gè))插槽給裝置使用，而且僅需依靠計算機的一條纜線(xiàn)。集線(xiàn)器負責引進(jìn)新的“訪(fǎng)客”(Guest)裝置給主控端，同時(shí)負責確保所有主控端與裝置之間的信息以最高速度進(jìn)行交換.

由此可見(jiàn)USB集線(xiàn)器功能是負責管理端口的連接/拆斷操作，包括集線(xiàn)器配置、下行端口設備的檢測(不管端口是處于暫停模式還是恢復模式)、端口的各種狀態(tài)，以及總線(xiàn)故障和重新配置、電源管理和速度檢測支持。

而集線(xiàn)器控制器上的端口數決定能夠管理的下行設備的數量?？晒┯脩?hù)選擇的產(chǎn)品包括二端口型、二或三端口型、四端口型、一至五端口型和七端口型 。

(2)USB集線(xiàn)器分類(lèi).

* 自帶電源USB集線(xiàn)器采用本機電源來(lái)為下行端口供電。然而，USB接口被允許從其上行端口吸收100mA電流，該電流可被用來(lái)保持USB接口的功能，而集線(xiàn)器的剩余部分被斷電。自帶電源USB集線(xiàn)器被要求對過(guò)流狀態(tài)加以限制和通告，且必須為每個(gè)下行端口提供至少500mA的電流。

* 總線(xiàn)驅動(dòng)USB集線(xiàn)器由上行連接獲得所有的功率，并被要求向每個(gè)下行端口提供100mA的電流。出于配置方面的考慮，USB規范將總線(xiàn)驅動(dòng)USB集線(xiàn)器總線(xiàn)在上電過(guò)程中從總線(xiàn)吸收的電流限制為100mA(或更低)。此后，總線(xiàn)驅動(dòng)USB集線(xiàn)器被允許消耗500mA電流，分別向每個(gè)下行端口提供100mA電流，剩余的電流供集線(xiàn)器自身使用。由于自供電型集線(xiàn)器有可能因電源拆斷或電池耗盡而出現本機功率損耗，所以，總線(xiàn)控制器可強制將其自身作為總線(xiàn)驅動(dòng)USB集線(xiàn)器來(lái)重新計算，因而要求它在所有的外部端口上執行端口功率轉接。

2.2 USB外設功能

USB外設控制器,它實(shí)現外設與主機或集線(xiàn)器的USB連接。與集線(xiàn)器或主機不同，USB外設并不支持下行功能，但的確擁有必須符合USB規格要求的面向上行的端口。USB外設可分為以下幾類(lèi)：

(1)低功耗、總線(xiàn)驅動(dòng)USB功能，它從上行總線(xiàn)獲得全部功率，并將消耗電流限制為100mA;

(2)高功率總線(xiàn)驅動(dòng)USB功能，它從上行總線(xiàn)獲得全部功率，并將配置期間的消耗電流限制為100mA(最大值)。在計算之后，它可以吸收高達500mA的電流;

(3)自帶電源USB集線(xiàn)器功能，從電源(而不是上行總線(xiàn))獲得功率。它被允許從上行總線(xiàn)吸收高達100mA電流，但并不是必要的。

USB外設的插座分兩種，都比PC機和普通USB主機的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如圖1所示，B系列由引腳1(+5V)和引腳4(GND)供電，Mini-B系列由引腳1(+5V)和引腳5(GND)供電。

又因所開(kāi)發(fā)的USB電源為電池充電的功能可能很復雜，也可能很簡(jiǎn)單，這取決于與USB接口相連設備的要求。影響設計的因素不僅包括通常的成本、尺寸、重量等.還有以下重要因素:當電池已耗盡的負載設備插入USB端口時(shí)，要求多快開(kāi)始全功能運行;允許電池充電的時(shí)間;在USB功率限制范圍內的功率分配;是否需要一個(gè)交流適配器充電。這些問(wèn)題和相應要解決的方案將會(huì )在討論USB的功率問(wèn)題后進(jìn)行研究.為此,在技術(shù)支持中還應對USB功率問(wèn)題應進(jìn)一步說(shuō)明

2.3關(guān)于USB功率

所有USB接口的主機，如PC機和筆記本電腦，每個(gè)USB插孔都能支持最少500mA電流輸出或驅動(dòng)5個(gè)“單位負載”。在USB術(shù)語(yǔ)中，“一個(gè)單位負載”是100mA。自帶電源USB集線(xiàn)器也能驅動(dòng)5個(gè)單位負載?？偩€(xiàn)驅動(dòng)USB集線(xiàn)器只能保證驅動(dòng)一個(gè)單位負載。按照USB規范，由USB接口的主機或自帶電源USB集線(xiàn)器提供的，電纜外設端的最小可用電壓為4.5V，而由總線(xiàn)驅動(dòng)USB集線(xiàn)器提供的最小電壓為4.35V。用這些電壓對典型電池電壓要求為4.2V的Li+電池充電時(shí)，只有很小的裕度，從而使得充電器的壓降變得極為重要。

應該說(shuō)所有接人USB端口的設備啟動(dòng)時(shí)消耗電流都不能超過(guò)100mA。與主機進(jìn)行通信后,設備才能決定是否可以用足500mA電流。

USB外設的插座分兩種，都比PC機和普通USB主機的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如圖1所示，B系列由引腳1(+5V)和引腳4(GND)供電，Mini-B系列由引腳1(+5V)和引腳5(GND)供電。

一旦與主機連接，所有與USB接口相連的設備都必須首先讓主機識別自己。這一動(dòng)作被稱(chēng)為枚舉。在識別過(guò)程中，主機決定接受或拒絕USB設備的功率要求，如果接受，可以將設備的電流從最大100mA增加到最大500mA。

3、從USB端口提供3.3V和5V電源

由于USB端口是當今新型熱扦拔式接口，除了豐富的接口功能外, 還能提供二種電源,其一、由低功率USB端口提供的電源為4.4V-5.25V、電流為100MA,.其二、由高功率USB端口提供的電源力4.75V至5.25V 、電流為500MA,而便攜式設備均采用USB端口作為接口,所以應用USB端口和芯片結合從而可產(chǎn)生3.3V和5V電源.以滿(mǎn)足便攜式設備中DSP芯片的需要,為此對設計方案作一下介紹.

(1)通用串行總線(xiàn)(USB)端口除了通信通道D+與D-(見(jiàn)圖2左面USB端口所示引腳)外,還能夠提供電源。當便攜式設備(如數碼相機、 MP3播放器和PDA等)用電池供電并連接至USB口進(jìn)行通信時(shí)，就可以采用USB電源對Li+電池充電。

圖2所示,就是利用了USB電源，產(chǎn)生3.3V和5V電源的電路圖，并為L(cháng)i+電池充電.其 IC1芯片 MAX1811為L(cháng)i+電池的充電器.采用USB端口電源給電池充電時(shí), 對于低功率USB端口,應將IC1芯片的SETI端拉低，其充電電流設定為100mA;對于高功率的USB端口,應將IC1芯片的SETI置高, 充電電流應設定為500MA.類(lèi)似，將SELV置高或置低，則IC1芯片被配置為L(cháng)i+電池充電至4.2V或4.1V，IC1的最終充電電達到了0.5%精度。CHG端允許芯片在充電期間點(diǎn)亮LED.