為便攜式設(shè)備可靠供電開發(fā)拓寬USB功能

標(biāo)簽：便攜式設(shè)備 USB接口電源 集線器 充電控制器 系統(tǒng)負(fù)載

1、引 言

通用序列總線USB2.0作為一種新的PC機(jī)互連協(xié)議，使外接設(shè)備到計(jì)算機(jī)的連接更加高效、便利。這種接口適合于多種設(shè)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(shè)備,解決了如資源件沖突、中斷請(qǐng)求和直接數(shù)據(jù)通道等問(wèn)題., 為使用者提供更好的效能。但隨著各類數(shù)字化便攜式設(shè)備及其內(nèi)核電源品種的增多,這就要需要進(jìn)一步開發(fā)并拓寬USB接口的電源功能以保證各類便攜式設(shè)備的正常可靠運(yùn)行.這是為什么呢?

* 多種內(nèi)核電源的需要

眾所周知,當(dāng)今許多數(shù)字化便攜式設(shè)備(如數(shù)碼相機(jī)、 MP3播放器和PDA)中數(shù)字信號(hào)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(jù)此再在這些便攜式設(shè)備上再增加電源設(shè)備是不現(xiàn)實(shí)的.

* 便攜設(shè)備的數(shù)據(jù)交換

因?yàn)樵S多便攜設(shè)備，如MP3播放機(jī)、PDA等，都需要與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如果在與PC杌進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，能夠利用同一根電纜對(duì)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(duì)電池充電功能結(jié)合,則能夠使大量設(shè)備免受電源線的束縛，如可移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)照相機(jī),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。由此可見開發(fā)USB接口電源(以下簡(jiǎn)稱USB電源)應(yīng)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(duì)與USB相連設(shè)備供電功能之外，USB接口電源最有用的功能之一就是能對(duì)電池充電。那末這些功能從何而來(lái)?為此應(yīng)首先對(duì)USB接口的電源(以下簡(jiǎn)稱USB電源)功能的技術(shù)支持作一介紹.

2、開發(fā)拓寬USB電源功能的技術(shù)支持

USB的集線器控制器功能和外圍設(shè)備功能是開發(fā)出USB電源功能的技術(shù)支持。

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

2.1 USB集線器功能

(1)先述何謂集線器.在USB網(wǎng)絡(luò)中有三個(gè)主要建構(gòu)模塊.首先個(gè)人計(jì)算機(jī)里有一塊主控端(Host). “主控端”的功能就如同其名稱所指的，主要負(fù)責(zé)通訊方面要求、接受以及將服務(wù)信息輸入輸出至計(jì)算機(jī).因此主控端負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)”匯集”時(shí)的大部分細(xì)節(jié)工作.而在網(wǎng)絡(luò)的另外一端則稱為:”裝置”(Device),就是計(jì)算機(jī)外設(shè)設(shè)備;另外，在主控端與裝置之間則可能會(huì)有“集線器”(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(jì)算機(jī)的一條纜線。集線器負(fù)責(zé)引進(jìn)新的“訪客”(Guest)裝置給主控端，同時(shí)負(fù)責(zé)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USB集線器功能是負(fù)責(zé)管理端口的連接/拆斷操作，包括集線器配置、下行端口設(shè)備的檢測(cè)(不管端口是處于暫停模式還是恢復(fù)模式)、端口的各種狀態(tài)，以及總線故障和重新配置、電源管理和速度檢測(cè)支持。

而集線器控制器上的端口數(shù)決定能夠管理的下行設(shè)備的數(shù)量?？晒┯脩暨x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集線器分類.

* 自帶電源USB集線器采用本機(jī)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，而集線器的剩余部分被斷電。自帶電源USB集線器被要求對(duì)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。

* 總線驅(qū)動(dòng)USB集線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(guī)范將總線驅(qū)動(dòng)USB集線器總線在上電過(guò)程中從總線吸收的電流限制為100mA(或更低)。此后，總線驅(qū)動(dòng)USB集線器被允許消耗500mA電流，分別向每個(gè)下行端口提供100mA電流，剩余的電流供集線器自身使用。由于自供電型集線器有可能因電源拆斷或電池耗盡而出現(xiàn)本機(jī)功率損耗，所以，總線控制器可強(qiáng)制將其自身作為總線驅(qū)動(dòng)USB集線器來(lái)重新計(jì)算，因而要求它在所有的外部端口上執(zhí)行端口功率轉(zhuǎn)接。

2.2 USB外設(shè)功能

USB外設(shè)控制器,它實(shí)現(xiàn)外設(shè)與主機(jī)或集線器的USB連接。與集線器或主機(jī)不同，USB外設(shè)并不支持下行功能，但的確擁有必須符合USB規(guī)格要求的面向上行的端口。USB外設(shè)可分為以下幾類：

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

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

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

USB外設(shè)的插座分兩種，都比PC機(jī)和普通USB主機(jī)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。

又因所開發(fā)的USB電源為電池充電的功能可能很復(fù)雜，也可能很簡(jiǎn)單，這取決于與USB接口相連設(shè)備的要求。影響設(shè)計(jì)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(dāng)電池已耗盡的負(fù)載設(shè)備插入U(xiǎn)SB端口時(shí)，要求多快開始全功能運(yùn)行;允許電池充電的時(shí)間;在USB功率限制范圍內(nèi)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(yīng)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(yīng)對(duì)USB功率問(wèn)題應(yīng)進(jìn)一步說(shuō)明

2.3關(guān)于USB功率

所有USB接口的主機(jī)，如PC機(jī)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(qū)動(dòng)5個(gè)“單位負(fù)載”。在USB術(shù)語(yǔ)中，“一個(gè)單位負(fù)載”是100mA。自帶電源USB集線器也能驅(qū)動(dòng)5個(gè)單位負(fù)載?？偩€驅(qū)動(dòng)USB集線器只能保證驅(qū)動(dòng)一個(gè)單位負(fù)載。按照USB規(guī)范，由USB接口的主機(jī)或自帶電源USB集線器提供的，電纜外設(shè)端的最小可用電壓為4.5V，而由總線驅(qū)動(dòng)USB集線器提供的最小電壓為4.35V。用這些電壓對(duì)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(yīng)該說(shuō)所有接人USB端口的設(shè)備啟動(dòng)時(shí)消耗電流都不能超過(guò)100mA。與主機(jī)進(jìn)行通信后,設(shè)備才能決定是否可以用足500mA電流。

USB外設(shè)的插座分兩種，都比PC機(jī)和普通USB主機(jī)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(jī)連接，所有與USB接口相連的設(shè)備都必須首先讓主機(jī)識(shí)別自己。這一動(dòng)作被稱為枚舉。在識(shí)別過(guò)程中，主機(jī)決定接受或拒絕USB設(shè)備的功率要求，如果接受，可以將設(shè)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(dāng)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(shè)備均采用USB端口作為接口,所以應(yīng)用USB端口和芯片結(jié)合從而可產(chǎn)生3.3V和5V電源.以滿足便攜式設(shè)備中DSP芯片的需要,為此對(duì)設(shè)計(jì)方案作一下介紹.

(1)通用串行總線(USB)端口除了通信通道D+與D-(見圖2左面USB端口所示引腳)外,還能夠提供電源。當(dāng)便攜式設(shè)備(如數(shù)碼相機(jī)、 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(duì)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(zhǎng)i+電池充電.其 IC1芯片 MAX1811為L(zhǎng)i+電池的充電器.采用USB端口電源給電池充電時(shí), 對(duì)于低功率USB端口,應(yīng)將IC1芯片的SETI端拉低，其充電電流設(shè)定為100mA;對(duì)于高功率的USB端口,應(yīng)將IC1芯片的SETI置高, 充電電流應(yīng)設(shè)定為500MA.類似，將SELV置高或置低，則IC1芯片被配置為L(zhǎng)i+電池充電至4.2V或4.1V，IC1的最終充電電達(dá)到了0.5%精度。CHG端允許芯片在充電期間點(diǎn)亮LED.