便攜式設計中端口共享的設計挑戰

應用背景

在便攜式設備中，和UART (通用異步收發(fā)器) 信號通道共享USB I/O接口是很常見(jiàn)的。設計人員為此采用了模擬開(kāi)關(guān)，如圖1所示。

圖1

UART接口用于系統軟件更新，故用戶(hù)一般將很少使用這一功能，從而避免了外部I/O連接器占用空間與增加額外的成本。為了便于調試和開(kāi)發(fā)起見(jiàn)，設計人員通常寧愿讓這類(lèi)應用與USB端口共享數據通道。

另一個(gè)流行趨勢是在USB信號和音頻信號間共享微型USB連接器。圖2顯示了最常用的應用共享方式。

圖2

在這個(gè)應用中，負信號將經(jīng)由電容的音頻信號路徑之后出現。但普通的單電源系統無(wú)法接收負信號，這可能會(huì )引起預想不到的泄漏或損害。在某些情況下，模擬開(kāi)關(guān)能夠耐受負信號而不會(huì )崩潰，但信號的負擺動(dòng)會(huì )產(chǎn)生無(wú)法預料的通道串擾，大幅降低OFF隔離性能，甚至可能致使應該關(guān)閉的通道處于打開(kāi)狀態(tài)。

圖3

低功耗穩健I/O設計的挑戰

UART/USB共享應用存在一個(gè)隱憂(yōu)，即信號電平有可能超過(guò)內部系統的電源電壓。電池供電設備電源的I/O電壓通?？蛇_3.3V。如果我們把這個(gè)I/O電壓用作模擬開(kāi)關(guān)的電源，則USB低速/全速信號電平在3.0到3.6V間，這時(shí)就存在系統工作時(shí)輸入信號電平超過(guò)電源電壓的風(fēng)險。另一個(gè)問(wèn)題是，如何在系統處于“斷電”狀態(tài)時(shí)對系統進(jìn)行保護。通常，這需要一個(gè)穩定的電源以實(shí)現模擬開(kāi)關(guān)的高阻抗狀態(tài)。

針對這些問(wèn)題有兩種解決方案。其一是把電池電源用作模擬開(kāi)關(guān)VCC，但這依賴(lài)于系統的放電極限，亦即若系統允許電池放電電壓在3.6V以下 (不幸的是往往如此)，則第一個(gè)問(wèn)題還是沒(méi)有得到解決。此外，在大部分時(shí)間里，電池電源電壓都高于系統的I/O電壓 (3.3V)，這意味著(zhù)邏輯選擇引腳的電平可能大大低于電源電壓，可能導致很大的電流泄漏產(chǎn)生。所以，為了防止電流泄漏，邏輯選擇引腳中需要增加一個(gè)電平移動(dòng)IC。圖4例示了這一點(diǎn)。

圖4

第二種解決方案如圖5所示。

圖5

這種電源解決方案能夠確保任何時(shí)候 (不論上電還是斷電、USB線(xiàn)纜是否插入)，系統始終擁有電源。該方案唯一的限制是額外元件帶來(lái)的成本問(wèn)題。而這應用的最后一個(gè)問(wèn)題也常常被忽略：USB短路承受能力的要求。

短路承受能力

USB 收發(fā)器必需能夠承受得起 D+ 和/或 D- 到 VBUS、GND以及其它數據線(xiàn)，或連接器插頭處電纜屏蔽外殼的至少 24 小時(shí)的持續短路，并且不會(huì )降低性能。建議收發(fā)器的設計應能承受此種不確定短路故障。在短路的情況下，當發(fā)送和接收時(shí)間各占一半 (所有支持的速度) 時(shí)，器件必須不受損害。發(fā)送期間有一個(gè)對稱(chēng)信號，在高低電平之間切換。在VBUS處于最大值(5.25V)時(shí)系統的短路承受能力必須得到保證。建議把這些 AC 和短路電路要求作為器件長(cháng)期可靠性的鑒定標準。即 USB2.0 規范。

還有一個(gè)需要考慮的重要因素是ESD (靜電放電) 保護。由于I/O端口極易遭受ESD，故強烈建議提供額外的ESD保護。如果USB信號通道是高速 (480M bps)的，則寄生電容最好小于1pF以使將總線(xiàn)負載減至最小，否則會(huì )反過(guò)來(lái)影響眼圖測試結果。在音頻/USB共享應用中，還存在負擺動(dòng)信號的挑戰。要避免這一點(diǎn)的方法之一是把電容置于耳機線(xiàn)纜中。不過(guò)，要獲得更好的音頻低頻帶響應，電容應該盡可能地大，這樣一來(lái)，卻增大了尺寸和成本。解決該問(wèn)題的另一種方法是在設計中選用負擺動(dòng)音頻放大器 (音頻輸出信號直接基于GND上下擺動(dòng))。

飛兆半導體的創(chuàng )新多媒體開(kāi)關(guān)FSA201 和 FSA221便解決了上述各種問(wèn)題 (FSA201 用于全速USB，FSA221用于高速USB)。

圖6

FS USB source FS USB源

AUDIO CODEC 音頻編解碼器

Device ID recognition 設備ID識別

MINI USB CONNECTOR 微型USB連接器

利用FSA201 和 FSA221，內部邏輯控制能夠在VAUDIO 和 VBUS之間自動(dòng)切換電源，并滿(mǎn)足USB短路承受能力要求。當VAUDIO=0時(shí)，這些開(kāi)關(guān)可自動(dòng)使所有端口處于高阻抗狀態(tài)。此外，R/L通道可以極高的隔離度接收低至VAUDIO-7.0V (若Vaudio=3.3V，則可接收3.3V~-3.7V 的信號) 的負擺動(dòng)信號。它具有低ICCT特性，允許VAUDIO上有更高的電源電壓，可實(shí)現泄漏小于10uA的正常I/O電壓級控制信號輸入。這些開(kāi)關(guān)內集成了8KV ESD保護功能 (HBM模式)，非常適合于I/O共享應用。所有這些特性都大大簡(jiǎn)化了系統的I/O設計，同時(shí)保護了端口免受各種損害。

總結

隨著(zhù)市場(chǎng)的趨勢是把越來(lái)越多的多媒體功能集成在外形日趨纖薄小型的便攜式設備中，模擬開(kāi)關(guān)在混合信號轉換、系統保護和智能檢測中承擔著(zhù)不同于以往的新角色。這些開(kāi)關(guān)不僅僅是把便攜式應用中的不同模塊連接在一起的重要橋梁，還擁有信號共享、隔離和保護的功能。新一代的模擬開(kāi)關(guān)，如FSA201和FSA221，為設計人員提供了極大的優(yōu)勢。通過(guò)這些整合了高性能、穩健ESD保護和超緊湊封裝的開(kāi)關(guān)，設計人員能夠簡(jiǎn)化設計、減少元件數目、降低成本，以及把產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。如此一來(lái)，設計人員得以把更多的時(shí)間花在設計上，而不必再為選擇不同芯片組和更新處理器以應付端口共享所帶來(lái)的棘手設計難題所煩擾。