一文讓你精通USB 2.0集線(xiàn)器電源管理

USB集線(xiàn)器不僅可向下游的USB端口提供數據和電源，還允許主機通過(guò)軟件對連接到下游端口的設備進(jìn)行電源管理。USB 2.0集線(xiàn)器系統中的電源分配與管理堪稱(chēng)決定系統是否完全符合USB規范(2.0版)的主要因素。

電源分配

所有連接到USB端口的設備可配置成低功率或高功率，這取決于設備的電壓和電流要求。

首先將所有USB設備枚舉為低功率器件。主機在枚舉完成后檢查設備配置描述符的bMaxPower字段。如果bMaxPower表明該設備屬于高功率，并且可提供相應電源，那么主機會(huì )允許將該設備轉為高功率。

USB設備可被分為自供電和總線(xiàn)供電。圖1給出了這兩種集線(xiàn)器配置。

總線(xiàn)供電集線(xiàn)器系統

在這種配置下，集線(xiàn)器的內部工作及其下游端口都由集線(xiàn)器上游端口的VBUS供電。這種配置無(wú)需本地電源。

在總線(xiàn)供電的系統中，所有下游設備必須是低功率設備。這是因為集線(xiàn)器從上游電源消耗的最大電流為500mA，且集線(xiàn)器自身工作還要使用一部分電流，所以無(wú)法將500mA電流完全提供給下游設備。因此，在超過(guò)四個(gè)端口或下游包含高功率設備的設計中不建議使用總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器配置。

重要的設計考慮因素

● 切勿將兩個(gè)總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器進(jìn)行串聯(lián)。

● 總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器無(wú)法提供超過(guò)100mA的電流，因此不能為其下游端口上連接的集線(xiàn)器供電。

● 總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器不能為高功率設備進(jìn)行供電。

● 總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器要求具有電源開(kāi)關(guān)(如“電源管理”中所述)。

自供電集線(xiàn)器系統

自供電集線(xiàn)器將來(lái)自本地電源的功率分配到其下游端口。這種集線(xiàn)器控制器的功率既可以來(lái)自本地電源，也可以來(lái)自VBUS。自供電集線(xiàn)器自身工作消耗的最大電流為100mA。通過(guò)VBUS為其USB接口供電的自供電集線(xiàn)器可被稱(chēng)為混合供電集線(xiàn)器。使用混合供電集線(xiàn)器可區分斷開(kāi)連接的設備和關(guān)閉電源的設備。

使用自供電集線(xiàn)器會(huì )增加設計的復雜性。USB規范(2.0版)的7.2.1節要求用一種機制來(lái)識別VBUS的存在，并相應地為D+/D-上拉電阻進(jìn)行供電。當VBUS移除后，設備必須在10秒內關(guān)斷D+/D-上拉電阻的電源。違反這一要求可能會(huì )引起各種系統故障，而且將無(wú)法通過(guò)USB合規性測試。一種有文件記錄的故障就是上游設備的復位問(wèn)題。復位問(wèn)題可能導致PC冷啟動(dòng)故障或集線(xiàn)器無(wú)法枚舉下游設備。此外，其它故障還包括無(wú)法從掛起狀態(tài)中正確恢復以及強制其它枚舉設備斷開(kāi)總線(xiàn)等?；旌瞎╇娂€(xiàn)器設計則無(wú)需進(jìn)行VBUS監視。

重要的設計考慮因素

● 自供電集線(xiàn)器需要一種機制來(lái)檢查VBUS的存在并相應地驅動(dòng)D+/D-線(xiàn)路。

● 自供電集線(xiàn)器需要為下游端口實(shí)現過(guò)流保護。

● 在具有超過(guò)四個(gè)下游端口的系統中使用自供電集線(xiàn)器。

● 在包含高功率設備的系統中使用自供電集線(xiàn)器。

電源管理

出于安全考慮，USB規范(2.0版)要求為所有自供電集線(xiàn)器設計提供過(guò)流保護。利用外部電源開(kāi)關(guān)實(shí)現過(guò)流檢測和電源切換。過(guò)流保護可利用聚合物PTC或固態(tài)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。

電源切換意味著(zhù)您的USB集線(xiàn)器能關(guān)閉下游設備的電源。所有總線(xiàn)供電集線(xiàn)器設計都要有電源切換功能。此外，自供電集線(xiàn)器還能為下游端口實(shí)現電源切換，但這并不是必需的。電源切換能以群組模式和單個(gè)模式實(shí)現。在群組模式下，如果組中所有端口消耗的總電流超出了預設限制，那么集線(xiàn)器就可將這組端口一同關(guān)閉。在單個(gè)模式下，集線(xiàn)器僅關(guān)閉超過(guò)限制的單個(gè)端口。

當單個(gè)端口處于未配置或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，此單個(gè)端口的電源就會(huì )被關(guān)閉。在群組模式下，只有組中所有端口都處于未配置或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，集線(xiàn)器才會(huì )關(guān)閉這組端口。如果群組中任意一個(gè)端口收到SetPortFeature(PORT_POWER)請求，集線(xiàn)器就會(huì )打開(kāi)端口組。

單個(gè)模式電源切換

單個(gè)模式端口保護功能為每個(gè)端口使用專(zhuān)用開(kāi)關(guān)。當端口出現電源浪涌時(shí)，集線(xiàn)器會(huì )將其電源關(guān)閉。由于單個(gè)模式需要為每個(gè)端口配備專(zhuān)用開(kāi)關(guān)，因此成本更高。圖2給出了單個(gè)模式電源切換的實(shí)例。

電源開(kāi)關(guān)引腳：

● 當下游端口出現過(guò)流時(shí)，FLAG A和FLAG B會(huì )向集線(xiàn)器發(fā)出告警。

● OUT A和OUT B為下游端口進(jìn)行供電。

● EN1和EN2通過(guò)切換OUT A和OUT B來(lái)啟用或禁用下游端口的電源。

群組模式電源切換

群組中包含的任何一個(gè)端口出現電源浪涌都會(huì )導致集線(xiàn)器關(guān)閉群組中所有端口的電源。這種方法中由于多個(gè)端口共用一個(gè)開(kāi)關(guān)，因此成本比較低。但是，顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是組中一個(gè)端口出現浪涌就會(huì )使所有端口斷電。圖3給出了群組模式電源切換的實(shí)例。

掛起狀態(tài)

所有USB設備都應支持掛起狀態(tài)，從而最大限度地降低功耗。USB設備能夠從任何其它USB狀態(tài)轉為掛起狀態(tài)。若上游數據線(xiàn)路維持空閑狀態(tài)超過(guò)3ms，設備就會(huì )進(jìn)入掛起狀態(tài)。在掛起狀態(tài)下，USB集線(xiàn)器需要為D+或D-線(xiàn)路提供電流，從而讓其下游設備保持正確狀態(tài)?？偩€(xiàn)上的任何活動(dòng)都會(huì )將設備從掛起狀態(tài)喚醒。在掛起狀態(tài)下，設備從上游端口最大消耗2.5mA電流。

盡管USB協(xié)議是以主機為中心的，但支持遠程喚醒的設備也可通知主機讓設備退出掛起狀態(tài)，并恢復事務(wù)處理。本文介紹了USB 2.0集線(xiàn)器系統的配置和電源管理等選項，并可作為參考指南，用于設計完全滿(mǎn)足USB規范(2.0版)的集線(xiàn)器系統。