为便携式设备可靠供电开发拓宽USB功能

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1、引 言

通用序列总线USB2.0作为一种新的PC机互连协议，使外接设备到计算机的连接更加高效、便利。这种接口适合于多种设备,不仅具有快速、即扦即用、支持热扦拨的特点还能同时连接127个设备,解决了如资源件冲突、中断请求和直接数据通道等问题., 为使用者提供更好的效能。但随着各类数字化便携式设备及其内核电源品种的增多,这就要需要进一步开发并拓宽USB接口的电源功能以保证各类便携式设备的正常可靠运行.这是为什么呢?

* 多种内核电源的需要

众所周知,当今许多数字化便携式设备(如数码相机、 MP3播放器和PDA)中数字信号处理均是采用DSP芯片, 该DSP芯片采用单5V电源供电,但也有的采用3.3V和1.8V电源供电,其中DSP芯片的核电压采用1.8V电源供电,而I/O采用3.3V电源供电.据此再在这些便携式设备上再增加电源设备是不现实的.

* 便携设备的数据交换

因为许多便携设备，如MP3播放机、PDA等，都需要与PC机进行数据交换，如果在与PC杌进行数据交换的同时，能够利用同一根电缆对电池充电，会极大地方便没备的使用。若将USB接口的电源功能与具有对电池充电功能结合,则能够使大量设备免受电源线的束缚，如可移动网络照相机,无论是否与PC相连都可以工作。在许多情况下，都不再需要那些一直使用而伴随的又笨拙的交流适配器。由此可见开发USB接口电源(以下简称USB电源)应解决二大问题,第一是从USB端口获得5V与3.3V、1.8V电源;第二是通过USB电源为电池充电.

由于USB接口除了具有直接对与USB相连设备供电功能之外，USB接口电源最有用的功能之一就是能对电池充电。那末这些功能从何而来?为此应首先对USB接口的电源(以下简称USB电源)功能的技术支持作一介绍.

2、开发拓宽USB电源功能的技术支持

USB的集线器控制器功能和外围设备功能是开发出USB电源功能的技术支持。

那么USB的集线器控制器功能和外围设备功能是什么?或者说具备这二大功能的技术依据又是什么?

2.1 USB集线器功能

(1)先述何谓集线器.在USB网络中有三个主要建构模块.首先个人计算机里有一块主控端(Host). “主控端”的功能就如同其名称所指的，主要负责通讯方面要求、接受以及将服务信息输入输出至计算机.因此主控端负责处理网络”汇集”时的大部分细节工作.而在网络的另外一端则称为:”装置”(Device),就是计算机外设设备;另外，在主控端与装置之间则可能会有“集线器”(Hub)。这些看似简单的单元，可提供四个(或七个)插槽给装置使用，而且仅需依靠计算机的一条缆线。集线器负责引进新的“访客”(Guest)装置给主控端，同时负责确保所有主控端与装置之间的信息以最高速度进行交换.

由此可见USB集线器功能是负责管理端口的连接/拆断操作，包括集线器配置、下行端口设备的检测(不管端口是处于暂停模式还是恢复模式)、端口的各种状态，以及总线故障和重新配置、电源管理和速度检测支持。

而集线器控制器上的端口数决定能够管理的下行设备的数量。可供用户选择的产品包括二端口型、二或三端口型、四端口型、一至五端口型和七端口型 。

(2)USB集线器分类.

* 自带电源USB集线器采用本机电源来为下行端口供电。然而，USB接口被允许从其上行端口吸收100mA电流，该电流可被用来保持USB接口的功能，而集线器的剩余部分被断电。自带电源USB集线器被要求对过流状态加以限制和通告，且必须为每个下行端口提供至少500mA的电流。

* 总线驱动USB集线器由上行连接获得所有的功率，并被要求向每个下行端口提供100mA的电流。出于配置方面的考虑，USB规范将总线驱动USB集线器总线在上电过程中从总线吸收的电流限制为100mA(或更低)。此后，总线驱动USB集线器被允许消耗500mA电流，分别向每个下行端口提供100mA电流，剩余的电流供集线器自身使用。由于自供电型集线器有可能因电源拆断或电池耗尽而出现本机功率损耗，所以，总线控制器可强制将其自身作为总线驱动USB集线器来重新计算，因而要求它在所有的外部端口上执行端口功率转接。

2.2 USB外设功能

USB外设控制器,它实现外设与主机或集线器的USB连接。与集线器或主机不同，USB外设并不支持下行功能，但的确拥有必须符合USB规格要求的面向上行的端口。USB外设可分为以下几类：

(1)低功耗、总线驱动USB功能，它从上行总线获得全部功率，并将消耗电流限制为100mA;

(2)高功率总线驱动USB功能，它从上行总线获得全部功率，并将配置期间的消耗电流限制为100mA(最大值)。在计算之后，它可以吸收高达500mA的电流;

(3)自带电源USB集线器功能，从电源(而不是上行总线)获得功率。它被允许从上行总线吸收高达100mA电流，但并不是必要的。

USB外设的插座分两种，都比PC机和普通USB主机的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如图1所示，B系列由引脚1(+5V)和引脚4(GND)供电，Mini-B系列由引脚1(+5V)和引脚5(GND)供电。

又因所开发的USB电源为电池充电的功能可能很复杂，也可能很简单，这取决于与USB接口相连设备的要求。影响设计的因素不仅包括通常的成本、尺寸、重量等.还有以下重要因素:当电池已耗尽的负载设备插入USB端口时，要求多快开始全功能运行;允许电池充电的时间;在USB功率限制范围内的功率分配;是否需要一个交流适配器充电。这些问题和相应要解决的方案将会在讨论USB的功率问题后进行研究.为此,在技术支持中还应对USB功率问题应进一步说明

2.3关于USB功率

所有USB接口的主机，如PC机和笔记本电脑，每个USB插孔都能支持最少500mA电流输出或驱动5个“单位负载”。在USB术语中，“一个单位负载”是100mA。自带电源USB集线器也能驱动5个单位负载。总线驱动USB集线器只能保证驱动一个单位负载。按照USB规范，由USB接口的主机或自带电源USB集线器提供的，电缆外设端的最小可用电压为4.5V，而由总线驱动USB集线器提供的最小电压为4.35V。用这些电压对典型电池电压要求为4.2V的Li+电池充电时，只有很小的裕度，从而使得充电器的压降变得极为重要。

应该说所有接人USB端口的设备启动时消耗电流都不能超过100mA。与主机进行通信后,设备才能决定是否可以用足500mA电流。

USB外设的插座分两种，都比PC机和普通USB主机的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如图1所示，B系列由引脚1(+5V)和引脚4(GND)供电，Mini-B系列由引脚1(+5V)和引脚5(GND)供电。

一旦与主机连接，所有与USB接口相连的设备都必须首先让主机识别自己。这一动作被称为枚举。在识别过程中，主机决定接受或拒绝USB设备的功率要求，如果接受，可以将设备的电流从最大100mA增加到最大500mA。

3、从USB端口提供3.3V和5V电源

由于USB端口是当今新型热扦拔式接口，除了丰富的接口功能外, 还能提供二种电源,其一、由低功率USB端口提供的电源为4.4V-5.25V、电流为100MA,.其二、由高功率USB端口提供的电源力4.75V至5.25V 、电流为500MA,而便携式设备均采用USB端口作为接口,所以应用USB端口和芯片结合从而可产生3.3V和5V电源.以满足便携式设备中DSP芯片的需要,为此对设计方案作一下介绍.

(1)通用串行总线(USB)端口除了通信通道D+与D-(见图2左面USB端口所示引脚)外,还能够提供电源。当便携式设备(如数码相机、 MP3播放器和PDA等)用电池供电并连接至USB口进行通信时，就可以采用USB电源对Li+电池充电。

图2所示,就是利用了USB电源，产生3.3V和5V电源的电路图，并为Li+电池充电.其 IC1芯片 MAX1811为Li+电池的充电器.采用USB端口电源给电池充电时, 对于低功率USB端口,应将IC1芯片的SETI端拉低，其充电电流设定为100mA;对于高功率的USB端口,应将IC1芯片的SETI置高, 充电电流应设定为500MA.类似，将SELV置高或置低，则IC1芯片被配置为Li+电池充电至4.2V或4.1V，IC1的最终充电电达到了0.5%精度。CHG端允许芯片在充电期间点亮LED.