便攜式設(shè)計中端口共享的設(shè)計挑戰(zhàn)

應(yīng)用背景

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

圖1

UART接口用于系統(tǒng)軟件更新，故用戶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(diào)試和開發(fā)起見，設(shè)計人員通常寧愿讓這類應(yīng)用與USB端口共享數(shù)據(jù)通道。

另一個流行趨勢是在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(yīng)用共享方式。

圖2

在這個應(yīng)用中，負(fù)信號將經(jīng)由電容的音頻信號路徑之后出現(xiàn)。但普通的單電源系統(tǒng)無法接收負(fù)信號，這可能會引起預(yù)想不到的泄漏或損害。在某些情況下，模擬開關(guān)能夠耐受負(fù)信號而不會崩潰，但信號的負(fù)擺動會產(chǎn)生無法預(yù)料的通道串?dāng)_，大幅降低OFF隔離性能，甚至可能致使應(yīng)該關(guān)閉的通道處于打開狀態(tài)。

圖3

低功耗穩(wěn)健I/O設(shè)計的挑戰(zhàn)

UART/USB共享應(yīng)用存在一個隱憂，即信號電平有可能超過內(nèi)部系統(tǒng)的電源電壓。電池供電設(shè)備電源的I/O電壓通常可達(dá)3.3V。如果我們把這個I/O電壓用作模擬開關(guān)的電源，則USB低速/全速信號電平在3.0到3.6V間，這時就存在系統(tǒng)工作時輸入信號電平超過電源電壓的風(fēng)險。另一個問題是，如何在系統(tǒng)處于“斷電”狀態(tài)時對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。通常，這需要一個穩(wěn)定的電源以實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)的高阻抗?fàn)顟B(tài)。

針對這些問題有兩種解決方案。其一是把電池電源用作模擬開關(guān)VCC，但這依賴于系統(tǒng)的放電極限，亦即若系統(tǒng)允許電池放電電壓在3.6V以下 (不幸的是往往如此)，則第一個問題還是沒有得到解決。此外，在大部分時間里，電池電源電壓都高于系統(tǒng)的I/O電壓 (3.3V)，這意味著邏輯選擇引腳的電平可能大大低于電源電壓，可能導(dǎo)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電平移動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候 (不論上電還是斷電、USB線纜是否插入)，系統(tǒng)始終擁有電源。該方案唯一的限制是額外元件帶來的成本問題。而這應(yīng)用的最后一個問題也常常被忽略：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(shù)據(jù)線，或連接器插頭處電纜屏蔽外殼的至少 24 小時的持續(xù)短路，并且不會降低性能。建議收發(fā)器的設(shè)計應(yīng)能承受此種不確定短路故障。在短路的情況下，當(dāng)發(fā)送和接收時間各占一半 (所有支持的速度) 時，器件必須不受損害。發(fā)送期間有一個對稱信號，在高低電平之間切換。在VBUS處于最大值(5.25V)時系統(tǒng)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期可靠性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。即 USB2.0 規(guī)范。

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

飛兆半導(dǎo)體的創(chuàng)新多媒體開關(guān)FSA201 和 FSA221便解決了上述各種問題 (FSA201 用于全速USB，F(xiàn)SA221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(shè)備ID識別

MINI USB CONNECTOR 微型USB連接器

利用FSA201 和 FSA221，內(nèi)部邏輯控制能夠在VAUDIO 和 VBUS之間自動切換電源，并滿足USB短路承受能力要求。當(dāng)VAUDIO=0時，這些開關(guān)可自動使所有端口處于高阻抗?fàn)顟B(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(fù)擺動信號。它具有低ICCT特性，允許VAUDIO上有更高的電源電壓，可實(shí)現(xiàn)泄漏小于10uA的正常I/O電壓級控制信號輸入。這些開關(guān)內(nèi)集成了8KV ESD保護(hù)功能 (HBM模式)，非常適合于I/O共享應(yīng)用。所有這些特性都大大簡化了系統(tǒng)的I/O設(shè)計，同時保護(hù)了端口免受各種損害。

總結(jié)

隨著市場的趨勢是把越來越多的多媒體功能集成在外形日趨纖薄小型的便攜式設(shè)備中，模擬開關(guān)在混合信號轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)保護(hù)和智能檢測中承擔(dān)著不同于以往的新角色。這些開關(guān)不僅僅是把便攜式應(yīng)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(hù)的功能。新一代的模擬開關(guān)，如FSA201和FSA221，為設(shè)計人員提供了極大的優(yōu)勢。通過這些整合了高性能、穩(wěn)健ESD保護(hù)和超緊湊封裝的開關(guān)，設(shè)計人員能夠簡化設(shè)計、減少元件數(shù)目、降低成本，以及把產(chǎn)品更快地推向市場。如此一來，設(shè)計人員得以把更多的時間花在設(shè)計上，而不必再為選擇不同芯片組和更新處理器以應(yīng)付端口共享所帶來的棘手設(shè)計難題所煩擾。