MAX3301E型USB OTG電路原理及應用

1 引言
隨著(zhù)USB2.0版本的發(fā)布，USB越來(lái)越流行，已經(jīng)成為一種標準接口?，F在，USB支持三種傳輸速率：低速(1.5 Mb/s)、全速(12 Mb/s)和高速(480 Mb/s)，四種傳輸類(lèi)型：塊傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。USB應用靈活方便，能滿(mǎn)足多種外設的需要。隨著(zhù)個(gè)人便攜式電子產(chǎn)品的增長(cháng)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，USB主機已不再局限于單純的PC，可以是含有USB主控器的任何設備，如PDA、MP3播放器等。在USB2.O規范中也增加了USB嵌入式設備的標準――On-The-Go(OTG)，它使外設可以在主機和設備之間相互切換，即當其連接至PC時(shí)，它是1個(gè)USB設備，而與其他USB設備相連接時(shí)，它便作為USB主機。

2 USB OTG
2.1 USB OTG簡(jiǎn)介
DSB OTG是USB2.O版本的補充，并不是獨立的標準，它保留了USB2.0的所有特點(diǎn)。OTG使2個(gè)USB外設在脫離PC的情況下可以直接通信。為了實(shí)現這種功能，在OTG中有一個(gè)新的概念――雙功能設備(DRD：Dual-Role Device)。1個(gè)DRD能滿(mǎn)足下列特征：
●具有一定的USB主機能力和提供1個(gè)外設列表；
●作為外設時(shí)能夠實(shí)現全速操作(或高速操作)；
●作為主控機時(shí)能支持全速操作(低速或高速)
●支持主機協(xié)商協(xié)議(HNP)和會(huì )話(huà)請求協(xié)議(SRP)；
●僅有1個(gè)微型AB連接端口；
●能夠向電源總線(xiàn)提供不小于8 mA的電流。
要實(shí)現主機功能，主機必須存儲大量的設備驅動(dòng)程序，并且向電源總線(xiàn)提供一定的電流。對于嵌入式USB主機來(lái)說(shuō)，提供大量的設備驅動(dòng)程序是不現實(shí)的也沒(méi)有必要，1個(gè)嵌入式USB主機只需支持部分特定設備，這些設備就是它的外設列表。
2.2 主機協(xié)商協(xié)議(HNP)
在USB標準中，主機采用A型接口，稱(chēng)為A類(lèi)設備(A-Device)；外設采用B型接口，稱(chēng)為B類(lèi)設備(B-Device)。1個(gè)DRD既可以作為主機,也可以作為外設。那么，當2個(gè)DRD互連時(shí)，哪個(gè)設備作為主機，為什么要作為主機?為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，在OTG中提出了新的協(xié)議――主機協(xié)商協(xié)議(HNP)。在OTG中還定義了一種新的接口――微型AB插座(mini-AB receptacle)以及微型A插頭(mi-ni-A plug)和微型B插頭(mini-B plug)。在微型AB插座、微型A插頭和微型B插頭中增加了1個(gè)引腳――ID引腳，如圖l所示。

在微型A插頭中，ID引腳接地，在微型B插頭中，ID引腳懸空。在OTG中，如果設備的ID引腳接地(即mini-A插頭連接的設備，如圖l右側的設備)，則此設備默認為主機，否則為外設。同時(shí)，在設備連接使用過(guò)程中，通過(guò)主機協(xié)商協(xié)議，允許主機和外設功能互換。例如，假設圖1左邊的B-Device為1個(gè)手持PDA，右邊的A-Device為1個(gè)打印機。由于連接線(xiàn)的關(guān)系，打印機初始化為主機。但是打印機的驅動(dòng)程序存在PDA中，這時(shí)需要PDA作為主機，打印機作為外設。通過(guò)HNP可以方便實(shí)現此功能，而不必拔下連接線(xiàn)調換插頭方向，重新連接打印機和PDA。
2.3 會(huì )話(huà)請求協(xié)議(SRP)
OTG收發(fā)器一般用在嵌入式設備中，這類(lèi)設備普遍采用電池供電，對功耗要求很?chē)?。為了節省電源，在OTG標準中，當電源總線(xiàn)沒(méi)有使用時(shí)，允許A類(lèi)設備掛起電源總線(xiàn)。當1個(gè)B類(lèi)設備要工作時(shí)，它必須通過(guò)某種方法通知A類(lèi)設備向電源總線(xiàn)供電。為了實(shí)現這一功能，在OTG中提出了會(huì )話(huà)請求協(xié)議(SRP)。在OTG中，1個(gè)會(huì )話(huà)定義為A類(lèi)設備向電源總線(xiàn)VBUS有效供電的時(shí)間。需要注意的是，在OTG中電源一直都是由A類(lèi)設備(連接mini-Aplug的DRD)提供的。由于主機協(xié)商協(xié)議，A類(lèi)設備也可能作為外設使用，此時(shí)，電源也必須由A類(lèi)設備提供。當A類(lèi)設備掛起VBUS后，B類(lèi)設備進(jìn)入休眠狀態(tài)。當B類(lèi)設備需要再次工作時(shí)，它可以通過(guò)向數據線(xiàn)發(fā)送1個(gè)脈沖信號(Data-line Pulsing)或向電源總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)脈沖信號(VBUS Pulsing)來(lái)請求A類(lèi)設備向電源總線(xiàn)供電。OTG要求無(wú)論是DRD設備還是普通的B類(lèi)設備，都必須具有發(fā)送會(huì )話(huà)請求的功能；同時(shí)，普通的A類(lèi)設備或者DRD設備都必須能夠響應1個(gè)會(huì )話(huà)請求。

3 MAX330lE的特點(diǎn)及工作原理
3.1 MAX3301E的特點(diǎn)
目前，很多公司都推出了各自的OTG電路，如Cypress公司的SL8llHS、Philips公司的ISPll61、ISPl362等。下面主要介紹Maxim公司生產(chǎn)的MAX3301E。
MAX3301E是完全集成的USB On-The-Go(0TG)收發(fā)器與電荷泵，不需要PC主機就可以實(shí)現移動(dòng)設備(如PDA、蜂窩電話(huà)與數碼相機等)之間及與USB外設的連接。使用MAX3301E的嵌入USB主機可以直接與打印機或外部硬件驅動(dòng)器等設備連接。
MAX3301E集成了USB OTG收發(fā)器、VBUS電荷泵、線(xiàn)性穩壓器及與I2C總線(xiàn)兼容的2線(xiàn)串行接口。內部電平轉換器使MAX3301E可以與+1.65 V~+3.6V邏輯接口。MAX3301E中OTG兼容的電荷泵可以在+3 V~+4.5 V輸入電壓下工作，輸出電流大于8mA時(shí)，可以在VBUS上提供OTG兼容的輸出。
MAX3301E使那些無(wú)法提供或容許USB OTG要求的+5 V VBUS電平的高集成度數字設備能夠實(shí)現USB OTG通信。利用內部比較器控制、測量VBUS，MAX3301E支持USB 0TG會(huì )話(huà)請求協(xié)議(SRP)和主機協(xié)商協(xié)議(HNP)。
MAX3301E內部為VBUS、ID_IN、D+和D-引腳提供了15 kV靜電放電(ESD)保護。MAX3301E采用5 mmx5 mm芯片級(UCSP)和32引腳薄型QFN封裝(5 mmx5 mmx0.8 mm)，工作溫度范圍為-40℃~+85℃。
3.2 MAX3301E的內部結構和工作原理
圖2示出MAX3301E的內部結構框圖，主要由下列模塊組成：ID檢測器、電荷泵、VBUS比較器、線(xiàn)性穩壓器、上拉/下拉電阻器、CAR KIT中斷檢測器、收發(fā)器、串行控制模塊和電源模塊。

眾所周知，在普通的USB外設電路中，通過(guò)1個(gè)連接在D+或者D-的上拉電阻器(通常為15 kΩ)來(lái)告知主機1個(gè)外設的接入和指示需要的操作速度――如果上拉電阻器連接在D+上，表示全速操作；連接在D-上，則表示低速操作。在USB主控電路或集線(xiàn)器電路中，通過(guò)連接在D+和D-上的下拉電阻器(通常為15 kΩ)表示該電路為USB主控電路或集線(xiàn)器電路。從圖3中可以看到，在MAX3301E數據線(xiàn)D+和D-上都設計了上拉和下拉電阻器轉換開(kāi)關(guān)，這樣就可實(shí)現外設和主機功能之間的轉換，同時(shí)也可實(shí)現全速或低速操作選擇。
如圖4所示，當MAX3301E作為A-Device時(shí)，電荷泵向3.3 V穩壓器和VBUS提供電源(5 V，8mA)；當MAX3301E作為B-Device時(shí)，穩壓器的電源也可以設置為由VBUS提供。VBUS比較器負責監控VBUS上的電壓，右邊的電阻器轉換開(kāi)關(guān)VBUS提供脈沖信號。

4 典型應用電路
圖5所示是MAX3301E的典型應用電路。

圖中，VCC是MAX3301E的工作電壓，范圍為+3.3 V~+4.5 V。VL是系統側邏輯電源輸入，連接到系統的邏輯電平，范圍為+1.65 V～+3.6 V。此電平設置邏輯輸出的最大電平和邏輯輸入的門(mén)限。
VBUS、D+、D-、ID_IN、GND組成USB OTG的連接口，需要注意的是，根據USBOTG的規定，VBUS總線(xiàn)上所有的濾波電容之和必須限定在1μF~6.5μF。
SPD是速度選擇器輸入。將SPD連接至GND選擇低數據速率(1.5 Mb/s)。將SPD連接至VL則選擇全速數據速率(12 Mb/s)。同時(shí)也可以修改MAX3301E內部的寄存器，關(guān)閉SPD的功能。SPD被關(guān)閉后，DAT_VP/SE0_VM的速率將由相應的寄存器值給定。
OE/INT控制DAT_VP/SE0_VM和D+/D-的輸入或輸出狀態(tài)。當OE/INT為邏輯O時(shí)，設備為發(fā)送模式，待發(fā)送的數據由DAT_VP/SE0_VM進(jìn)入MAX3301E,然后通過(guò)D+/D-發(fā)送出去。當OE/INT為邏輯1時(shí),設備處于接收模式，MAX3301E從D+/D-接收數據，然后再通過(guò)DAT_VP/SEO_VM傳送給控制器。在掛起模式下(SUS=“1”)，可以控制OE/INT使其成為中斷輸出，它檢測的中斷源與INT相同。

5 結束語(yǔ)
隨著(zhù)USB的發(fā)展，USB接口已經(jīng)成為各種電子產(chǎn)品的標準接口。傳統的PC到外設的USB通信方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需要，迫切需要脫離PC的控制，直接實(shí)現設備之間的USB連接。由于這種需要，OTG標準應運而產(chǎn)生。隨著(zhù)各大器件和設備制造商對OTG的支持，目前各種具有OTG功能的收發(fā)器和電子產(chǎn)品已經(jīng)走向市場(chǎng)。比如PDA可以通過(guò)USB接口連接手機實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)。數碼相機或數碼伴侶可以通過(guò)USB接口直接控制打印機打印照片。如果在野外拍攝，數碼相機也可以通過(guò)USB接口連接手機實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，把照片發(fā)進(jìn)到電腦或者其他服務(wù)器上。