EDA/IP/IC设计 制造/封测/材料 模拟电子 电源技术 传感/MEMS/导航定位 无线通信/RF/微波 微处理器/DSP系统 嵌入式设计 MCU/工业控制 可编程逻辑器件 光电/显示技术 存储技术 网络/协议接口/总线设计 EMI 量测技术 设计/认证 渠道/代理商 分立元器件
返回首页

USB的多功能特性满足数据和功率需求

时间:2005-02-05 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
通用串行接口 (USB) 可能是PC上最流行和常见的端口之一。从USB 2.0即插即用的设置到具备高吞吐量,USB的应用正不断在发展,务求超越其它竞争标准。随着USB标准日趋成熟,在某些情况下甚至比墙上的插座还普遍,USB接收器应用也转向透过主机线缆利用USB的电源。本文将探讨通过USB线缆供电的具体细节,以及最新的USB收发器设计考虑。

USB电源简介
本文讨论的应用焦点是超便携式产品,比如MP3播放器、数字相机、全球定位系统 (GPS),以及其他由电池供电但也花费相当时间与USB端口同步的掌上型设备。由于存储卡容量增加,处理器时钟速率也在提升,导致设备功耗不断上升。因此,任何能够节省电能的机会都不能错过。而一根USB线就可提供2.5W的“免费”电源。
USB线缆上的电源规格是什么?通用串行总线规范2.0版将电源划分为两类:高功率埠和低功率埠。主机在USB线最初插入时便执行这一分类。高功率端口的电压为4.75V~5.25V,标定电流为500mA。而低功率端口的电压范围更宽一些,从4.4V~5.25V,标定电流为100mA。两种端口的标称电压都是5V,虽然最低电压经常被忽略,但必须注意,而本文后部将加以阐述。该电源的状态及波动将取决于缆线品质和应用环境。超过500mA的浪涌电流在USB线缆上可持续几个微秒的时间,但很快就会被主机控制器钳制,以防止短路造成潜在的损坏。
这一5V电源 (相对于连接器接地脚) 通过几乎所有USB连接器的VBUS引脚获得,并由主机设备 (一般是桌面PC或笔记本计算机) 按USB 2.0规范进行调制。VBUS引脚是USB连接器4个引脚之一,其它3个是接地脚、数据正 (D+) 和资料负 (D-)。
在讨论如何使用VBUS引脚之前,有必要提一下突波电流限制。这一规范是保证VBUS电压不至于下降到最低工作电平以下。主VBUS电压的最大容许压降为330mV,这相当于下行设备 (比如MP3播放器) 的最大允许容性负载,约10μF。时域反射计 (TDR) 可准确测量任何系统的混合输入电容。如果下行设备显示出输入电容所引起的压降大于330mV,那么必须在下行设备端实施额外的突波电流限制。
额外的突波电流限制可以通过在VBUS在线添加一个负载开关来简单实现。快捷半导体的集成负载开关FDC6331L或其它供货商的类似器件,特别适合这种应用。FDC6331L采用 -0.5V~8V的逻辑电平,很容易开和关,而且有现成的引脚可以添加电阻/电容混合电路以便控制突波电流。低导通电阻和微小的SuperSOTTM-6封装还带来额外好处。

USB电源设计
既然已对USB电源调节和相应电平有了初步认识,我们能利用VBUS的“免费电源”做什么呢?对下行USB数据路径的DC电平的第一个需求是D+ 在线的上拉电阻。但是,USB规范要求上拉电压至3.3V,而不是VBUS的5V。不过,幸运的是快捷半导体的USB收发器USB1T1102带有一个内部5V (来自VBUS)至3.3V调压器。这一特性使得USB1T1102的VPU (3.3V)引脚很容易被用作D+上拉。这样就无需像从前采用低压差 (LDO) 调压器来将5V电压调低。USB1T1102还为VREG (3.3V) 引脚带来了经调制的3.3V电平,以便用于额外器件的参考电压,但不能超过器件的300μA极限。VREG存在的主因是若没有VBUS 5V电源,VREG便可将器件偏置到3.3V,即旁路模式。若USB收发器工作于VBUS,建议将一个1uF的旁路电容连接到VREG引脚。
在数据通路上,利用VBUS偏置USB收发器还可节省宝贵的电池电能。虽然USB1T1102的调压电平为3.3V,它也利用VBUS偏置内部电路,从而节省多达40mW的电能,或相当于该器件操作功率的75%。其余的25% 则是由VCC I/O埠消耗,用于设置与ASIC通信所需的瞬态电压电平。
当然,最显然的建议是利用VBUS为整个下游设备供电。对于那些工作于5V电压、功耗低于2.5W的设备,这不是问题。但要知道,当利用VBUS作为直接电源时,其电源容差很大,高功率埠要达到500mV。因此有必要为5V VBUS线提供额外的调压序列。如果适度的效率下降可以接受,那么可采用简单的LDO方法。若想通过更复杂的部署获得较高的效率,便需采用集成有脉宽调制器 (PWM) 和MOSFET的集成开关。对于大多数电源设计,VBUS MIN是用于衡量其它组件的输入电压。而多家半导体供货商都可以提供将5V电压降至3.3V的预配置器件。
VBUS 的最大用途或许在于可以作为超便携式设备的充电电源。这一概念已经在最新的手机设计中实现,作为第二个充电电源。鉴于USB的500mA限流,只通过USB连接充电并不太实际,但却可行。在PC同步时,为了缩短充电时间,外部AC至DC电源供应器可作为第一充电电源,而USB用作第二电源。多家半导体供货商均提供针对这一任务而设计的芯片,多备有三种充电模式:100mA低功率埠、500mA高功率端口和墙插座 (110VAC)。系统ASIC可通过USB1T1102收发器检测到VBUS线,从而维持控制。然后,它可以告诉充电IC应采用何种模式,并可在USB连接器之后控制负载开关,以便必要时隔离VBUS。
以上方案可参见图1所示的模块示意图,描绘了超便携式设备的电源设计布局。该图从USB连接器及其4个引脚开始。在负载开关的输入端,C1可用于本地存储电能,其典型值为1μF。在负载开关之后,VBUS被分开分别连接到USB收发器和电池充电IC。USB1T1102经由连接被偏置,通过R1生成3.3V上拉电压,R1典型值为1.5KΩ。串联电阻R2为33Ω,被置于D+/-通路上。
外部AC至DC电源模块作为电池充电IC的单独输入。这一般采用开关电源将宽范围的AC输入降压至低于8V的DC电平。FSD200等器件集成有PWM和MOSFET,专门用于返驰和顺向型的配置。该器件具有绿色模式 (Green Mode) 特性,在待机模式 (比如插入墙上电源插座,而不是手机上) 下功耗低于1W。(责任编辑:admin)
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
表情:
用户名:密码: 验证码:点击我更换图片
推荐内容