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在多功能智慧型手机中设置USB 2.0埠共用
 

【作者: Oscar Freitas】2011年07月26日 星期二

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智慧型手机的其中一种设计方式是让内部的电源管理元件来控制手机上唯一的USB2.0埠,这可以经由采用一个3:1的多工USB开关把USB 2.0埠转向自身来完成。在预设情况下,也可以把讯号转向应用处理器,以用于大部份多媒体功能(比如MP3播放或视讯处理)。另外也把讯号可转向通讯处理器以进行无线电通讯,如资料存取或通话等(见图一)。这种架构具有一种优势,就是当无需使用有关功能时,手机即可进入睡眠状态。此外,在检测到USB 2.0埠有活动时,或者是有任何一个处理器需要使用USB埠时,电源管理单元便可以唤醒相关的处理器。在USB插头一插进连接埠时,电源管理IC可以对USB线路作出查询,以确定是否有专用USB充电器或充电主设备埠连接,以便经由VBUS讯号直接为电池充电。而当与USB主设备(如PC)通讯时,通讯和应用处理器内的实体层(PHY)便会使用USB开关的480Mbps全高速资料频宽。


《图一 用于共享一个USB 2.0埠的多任务USB 2.0开关》
《图一 用于共享一个USB 2.0埠的多任务USB 2.0开关》

4G手机的最新趋势是在手机中整合两个处理元件,同时存取USB埠。对于这种应用,一个比较好的选择是采用集线器。不过麻烦在于USB集线器的接线通常是电容性的,会消耗相当多的电流;而另一方面,同时存取USB埠的机会又不多。图二所示为这种手机的其中一种设计方法,其中3G通讯处理器必须与4G处理器分开,以单独存取USB埠。经由一个隔离开关(FSUSB31),并采用极短的PCB引线,可以尽量减小电容。这样一来,从3G通讯处理器到USB主设备的路径上,一个高速发射USB资料眼 (data eye) 与USB规范相比有很大的余裕。在这个例子中,应用处理器控制USB 3:1多工开关,当后者在低用电的待机模式下,可以让自己的控制线路上的上拉和下拉电阻连接到预设的应用处理器。



《图二 多任务USB 2.0开关和附有隔离开关的集线器应用》
《图二 多任务USB 2.0开关和附有隔离开关的集线器应用》

上述功能可利用开关来提供,而开关在通电时只需极低的电流,禁用时功耗更接近零。在图二所示的4G手机应用中,虽然FSUSB63始终通电,但耗电量只有几个微安培。同时,在图一所示的应用中,当电源管理IC在待机模式下关断FSUSB63时,其耗电量降至1微安培以下。


对于大多数积体电路而言,高速和低功耗一般是一对相互矛盾的特性。能够两者兼具的解决方案常常需要降低电压,并使用精细的几何制程尺寸;然而,USB规范要求的是高电压讯号。在性能稳健的手机设计中,D+ 和 D-讯号能够承受与5V VBUS讯号线的短路,故限制了低电压解决方案。不过,最近推出的低功耗电荷泵浦USB开关已能够解决这个问题,并满足严格的USB发射眼图要求,如图三所示。1 Gbps)的兩倍以上。"事实上,无需对架构或所选元件做任何修改,大多数这类设计的工作速率就能够达到高速USB资料速率( 1 Gbps)的两倍以上。


《图三 高速USB 2.0发射眼图》
《图三 高速USB 2.0发射眼图》

要经由USB开关从一个处理器切换到另一个处理器,首先要断开所有路径,然后留有足够的时间,以确保USB主设备埠控制器能够识别出某个断开,并切换到其它路径;从而允许主设备重新设定,并对新的USB设备进行重新设置。这一切都是采用软体在手机上完成,并需要软体工程师参与,根据所选硬体的限制条件编写软体。不过,由于目前较先进的USB开关可以在更大范围内使用可携式设备软体,故前面提到的方式正逐渐被淘汰。这是因为无论这些USB开关的选择控制讯号发生任何变化,都会在一段预定的时间内自动断开连接。该时间由USB 2.0高速规范决定,以便于USB主设备识别断开,然后内部产生新的连接。


如上所述,对大多数可携式设备来说,节能是至关重要的,故处理器的电源电压常常降至1.2V或更低。因此,在与直接依赖电池供电的较高电压设备连接时,即使输入端电压较低,电池的耗电量也相当可观。其中一个减低耗电量的方法是采用电压转换器。由于USB开关本身是一个很慢的过程,这些USB开关在这类环境下只需以最低供电电压来设置输入阈值,耗电量可说是微不足道。此外,输入缓冲器也可以在最坏的电压差情况下实现节能,大大减轻了系统设计人员的工作负担。


另一方面,电路板(PCB)上的占位空间和成本是更小型的可携式设备的要考虑因素。目前USB开关已有微型封装的版本,接脚间距仅0.4mm,在PCB上的占位面积非常小,故而远远胜过那些带有USB连接专用的适配器(Dongle)的大尺寸专有连接器。此外,这种开关的成本也远低于USB集线器。


有时候,需要把USB开关级联起来,在这种应用中,侧负载控制器(side loading controller)使用媒体传输协议(Media Transfer Protocol),可以从主PC下载电影到SD储存卡里,而不会给智慧型手机中的应用处理器造成负担。这时,要确保高速USB流量对最快下载速度可行,USB开关在关断(OFF)状态下的电容将成为关键因素。现时最先进USB开关的OFF电容相当低(一般为2pF),这就允许在手机设计的最后阶段添加多个开关,从而为智慧型手机增加新的功能。



《图四 采用单个USB埠的音频耳机》
《图四 采用单个USB埠的音频耳机》

为了尽量减少智慧型手机上连接器的数量,除了高速和/或全速USB之外,USB埠有时被设计为附着在模拟音讯耳机上。特殊的USB开关利用经由USB连接器的VBUS讯号发送的耳机麦克风讯号来满足这种需求,同时D+和D-讯号被分别发送给耳机的左右扬声器讯号。以USB开关FSA800为例,在插入之后,它会判断该USB埠是否为一个采用USB电池充电规范演算法的USB充电器。这就允许处理器根据USB连接器的ID接脚讯号状态来控制开关路径选择。其它USB开关利用ID接脚来检测和自动切换配置,并能够提供大量各种各样的复杂附件功能,包括范围广泛的配件,比如非常特殊的工厂测试缆线,其可利用现有工厂测试装置来获得最大的测试成本效益;配备有MP3播放所需的全部遥控按键的全功能音乐播放耳机、FM收音机,以及无杂音(click-and-pop free) 打出/接听电话等,而且不同功能之间可顺畅地进行切换。


当今的智慧型手机利用高速USB开关提供大量功能,同时还使手机减小到跟micro-USB高速连接器的厚度差不多。如果需要USB同时与多种设备通讯,这种USB埠可连接到应用处理器、通讯处理器、USB集线器、音讯驱动器和大量其它速率较低的重要功能。能够提供这些功能,主要是由于最新USB开关中内置有先进电路,同时又不会对功耗、PCB面积和成本有不良影响。此外,它同时还提供USB充电器检测功能,从而有利于适用于所有可携式设备的通用USB充电器的全球性发展。


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