基于智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)USB 2.0端口共享最新方案

移動設(shè)備需要許多信號處理集成電路(IC)以滿足用戶各種不同的功能要求。典型的智能手機(jī)包含一個通信處理器、一個應(yīng)用處理器和一個功率管理IC，它們都必需共享單個USB端口，并以480Mbps的高速USB數(shù)據(jù)速率進(jìn)行通信。本文專門介紹一些能夠解決該問題的方案，并對從USB集線器到簡單模擬開關(guān)的各種不同解決方案進(jìn)行比較。

智能手機(jī)的一種設(shè)計(jì)方式是讓內(nèi)部的功率管理器件來控制單個USB2.0端口，這可以通過采用一個3:1的多路復(fù)用USB開關(guān)把USB 2.0端口轉(zhuǎn)向自身來完成。默認(rèn)情況下，其也可轉(zhuǎn)向應(yīng)用處理器，用來實(shí)現(xiàn)大多數(shù)多媒體功能性(比如MP3播放或視頻處理)。還可轉(zhuǎn)向通信處理器，用于無線電通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問或通話(見圖1)。這種架構(gòu)具有一種優(yōu)勢，即當(dāng)功能未使用時，允許手機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此外，在檢測到USB 2.0端口活動時，或者是任一個處理器需要使用USB端口時，功率管理單元可以喚醒相關(guān)處理器。在USB插口首次插入后，功率管理IC還可以詢問USB線路，確定是否有專用USB充電器或充電主設(shè)備端口連接，以便通過VBUS信號直接給電池充電。當(dāng)與USB主設(shè)備(如PC)通信時，通信和應(yīng)用處理器內(nèi)的物理層(PHY)使用USB開關(guān)的480Mbps全高速數(shù)據(jù)帶寬。

圖1：用于共享一個USB 2.0端口的多路復(fù)用USB 2.0開關(guān)。

4G手機(jī)的最新趨勢是在手機(jī)中集成兩個處理元件，同時訪問USB端口。對于這種應(yīng)用，一個比較好的選擇是采用集線器。不過麻煩在于USB集線器的接線通常是電容性的，功耗相當(dāng)大；而另一方面，同時訪問USB端口的機(jī)會又不多。圖2所示為這種手機(jī)的一種設(shè)計(jì)方法，其中，3G通信處理器必需與4G處理器分開來單獨(dú)訪問USB端口。通過一個隔離開關(guān)(FSUSB31)，并采用極短的PCB引線，可以盡量減小電容。這樣一來，在從3G通信處理器到USB主設(shè)備的路徑上，一個高速發(fā)射USB數(shù)據(jù)眼(data eye)與USB規(guī)范相比有很大的裕量。在這個例子中，應(yīng)用處理器控制USB 3:1多路復(fù)用開關(guān)，當(dāng)后者在待機(jī)模式下處于低電狀態(tài)時，它可以讓自己的控制線路上的上拉和下拉電阻連接到默認(rèn)的應(yīng)用處理器。

圖2：多路復(fù)用USB 2.0開關(guān)和帶隔離開關(guān)的集線器應(yīng)用。

上述功能可通過開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，上電時其功耗極小，禁用時功耗幾乎為零。在圖2所示的4G手機(jī)應(yīng)用中，F(xiàn)SUSB63始終上電，耗電量只有幾微安。同時，在圖1所示的應(yīng)用中，當(dāng)功率管理IC在待機(jī)模式下關(guān)斷FSUSB63時，其耗電量降至1微安以下。

對于大多數(shù)集成電路而言，高速和低功耗一般是一對相互矛盾的特性。能夠兩者兼具的解決方案常常需要降低電壓，并使用精細(xì)的幾何工藝尺寸；然而，USB規(guī)范要求的是高電壓信號。在性能穩(wěn)健的手機(jī)設(shè)計(jì)中，D+和D-信號能夠承受至5V VBUS信號線的短路，故限制了低電壓解決方案。不過，最近推出的低功耗電荷泵USB開關(guān)解決了這個問題，并滿足嚴(yán)苛的USB發(fā)射眼圖要求，如圖3所示。事實(shí)上，無需對架構(gòu)或所選器件做任何修改，大多數(shù)這類設(shè)計(jì)的工作速率就能夠達(dá)到高速USB數(shù)據(jù)速率(> 1 Gbps)的兩倍以上。

圖3：高速USB 2.0發(fā)射眼圖。

要通過USB開關(guān)從一個處理器切換到另一個處理器，首先需要斷開所有路徑，然后留有足夠的時間，以確保USB主設(shè)備端口控制器能夠識別出某個斷開，并切換到其它路徑；這樣，可以允許主設(shè)備復(fù)位，并對新的USB設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)置。這一切都是采用軟件在手機(jī)上完成，并需要軟件工程師參與，根據(jù)所選硬件的限制條件編寫軟件。不過，目前較先進(jìn)的USB開關(guān)允許更多地使用便攜式設(shè)備軟件，故前面提到的方式正逐漸被淘汰。這是因?yàn)檫@些USB開關(guān)的選擇控制信號發(fā)生任何變化，都會在一段預(yù)定的時間內(nèi)自動啟動斷開連接。該時間由USB 2.0高速規(guī)范決定，以便于USB主設(shè)備識別斷開，然后內(nèi)部產(chǎn)生新的連接。

如上所述，對大多數(shù)便攜式設(shè)備來說，節(jié)能是至關(guān)重要的，故處理器的電源電壓常常降至1.2V或更低。因此，在與直接依賴電池供電的較高電壓設(shè)備連接時，即使輸入端電壓較低，電池的耗電量也相當(dāng)可觀。減小耗電量的方法之一是采用電壓轉(zhuǎn)換器。由于USB開關(guān)本身是一個很慢的過程，通過基于最低供電電壓來設(shè)置輸入閾值，這些USB開關(guān)在這類環(huán)境下的耗電量小得可忽略不計(jì)。此外，還設(shè)計(jì)有輸入緩沖器，以便在最壞的電壓差情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能，以大大減輕系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度。

圖4：采用單個USB端口的音頻耳機(jī)。

對于更小的便攜式設(shè)備，印制電路板(PCB)上的占位空間和成本始終是重要考慮因素。目前USB開關(guān)可在微型封裝中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，引腳間距僅0.4mm，其在PCB上的占位面積非常小，故而遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過那些帶有專用于USB連接的適配器(Dongle)的大尺寸專有連接器。此外，這種開關(guān)的成本也遠(yuǎn)低于USB集線器。

有時候，需要把USB開關(guān)級聯(lián)起來，在這種應(yīng)用中，側(cè)負(fù)載(side loading controller)控制器使用媒體傳輸協(xié)議(Media Transfer Protocol)，可以從主PC下載電影到SD存儲卡里，而不會給智能手機(jī)中的應(yīng)用處理器造成負(fù)擔(dān)。這時，要確保高速USB流量對最快下載速度可行，USB開關(guān)關(guān)斷(OFF)狀態(tài)下的電容至為關(guān)鍵。最先進(jìn)的USB開關(guān)OFF電容相當(dāng)?shù)?一般為2pF)，這就允許在手機(jī)設(shè)計(jì)的最后階段添加多個開關(guān)，從而為智能手機(jī)增加新的功能。

為了盡量減少智能手機(jī)上連接器的數(shù)量，除了高速和/或全速USB之外，USB端口有時被設(shè)計(jì)為附著在模擬音頻耳機(jī)上。特殊的USB開關(guān)利用通過USB連接器的VBUS信號發(fā)送的耳機(jī)麥克風(fēng)信號來滿足這種需求，同時D+和D-信號被分別發(fā)送給耳機(jī)的左右揚(yáng)聲器信號。以USB開關(guān)FSA800為例，在插入之后，它會判斷該USB端口是否為一個采用USB電池充電規(guī)范算法的USB充電器。這就允許處理器根據(jù)USB連接器的ID引腳信號狀態(tài)來控制開關(guān)路徑選擇。其它USB開關(guān)利用ID引腳來檢測和自動切換配置，并能夠幫助實(shí)現(xiàn)大量各種各樣的復(fù)雜附件功能，包括：范圍廣泛的配件，比如非常特殊的工廠測試線纜，其可利用現(xiàn)有工廠測試裝置來獲得最大的測試成本效益；非常具有特色的音樂播放耳機(jī)，配備有MP3播放所需的全部遙控按鍵；以及FM無線電收音機(jī)、或無雜音(click-and-pop free)撥打/接聽電話，在不同功能之間可無縫切換。

當(dāng)今的智能手機(jī)利用高速USB開關(guān)實(shí)現(xiàn)了巨大的功能，同時還使手機(jī)減小到一個很小的micro-USB高速端口連接器的厚度。如果需要USB同時與多種設(shè)備通訊，這種USB端口可被連接到應(yīng)用處理器、通信處理器、USB集線器、音頻驅(qū)動器和眾多其它速率較低的必需功能。這種功能性的實(shí)現(xiàn)得益于最新USB開關(guān)中內(nèi)置有先進(jìn)電路，同時又不會對功耗、PCB芯片面積和成本有不良影響。此外，它同時還提供USB充電器檢測功能，從而有利于全球推動向適用于所有便攜式設(shè)備的通用USB充電器的發(fā)展。