在智能手机中设置USB 2.0端口共享

【作者】Oscar Freitas  飞兆半导体公司

移动设备需要多个信号处理IC以满足用户各种不同的功能要求，本文将对从USB集线器到简单模拟开关的各种不同解决方案进行比较。

移动设备需要多个信号处理IC以满足用户各种不同的功能要求。典型的智能手机都内置有一个通信处理器、一个应用处理器和一个电源管理IC，它们都需要共享单个USB端口，并以480Mbps的USB数据速率进行高速通信。本文将对从USB集线器到简单模拟开关的各种不同解决方案进行比较。

智能手机的一种设计方式是让内部的电源管理组件来控制手机上唯一的USB 2.0端口，这可以通过采用一个3:1的多任务USB开关把USB 2.0端口转向自身来完成。在默认情况下，它既可以把信号转向应用处理器，以用于大部分多媒体功能(比如MP3播放或视频处理)，另外也可把信号转向通信处理器以进行无线通信，如数据存取或通话等(见图1左)。这种架构的优点是当无需使用有关功能时，手机即可进入睡眠状态。在检测到USB 2.0端口有活动时，或者是有任何一个处理器需要使用USB端口时，电源管理单元便可以唤醒相关的处理器进入工作状态。当USB插头插进端口时，电源管理IC可以对USB线路作出查询，以确定是否有专用USB充电器或充电主设备连接，以便通过VBUS信号直接为电池充电。而当与USB主设备(如PC)通信时，通信和应用处理器内的物理层(PHY)便会使用USB开关的480Mbps全高速数据带宽。

目前，4G手机的最新趋势是在手机内整合两个处理组件，同时访问USB端口。对于这种应用，一个比较好的选择是采用集线器。不过由于USB集线器的接线通常呈容性，因此会消耗相当多的电流，功耗较大，且同时访问USB端口的机会并不多。图1(右)为这种手机的一种设计方法，其中3G通信处理器必须与4G处理器分开，以单独访问USB端口。它经由一个隔离开关(FSUSB31)，并采用极短的PCB引线，以尽量减小电容。这样一来，从3G通信处理器到USB主设备的路径上，一个高速发射USB数据眼与USB规范相比会有很大的富裕。在这个例子中，应用处理器控制USB 3:1多任务开关，当后者处于低用电待机模式下时，它可以自己控制线路上的上拉和下拉电阻连接到预设的应用处理器。

上述功能可通过开关来提供，通电时其功耗极低，禁用时功耗更接近于零。在4G手机应用中，虽然FSUSB63始终处于通电状态下，但耗电量只有几微安。同时在图1(左)所示的应用中，当电源管理IC在待机模式下关断FSUSB63时，其耗电量将降至1µA以下。

对于大多数集成电路而言，高速和低功耗是一对相互矛盾的特性，能够两者兼具的解决方案常常需要降低电压，并使用精细的几何工艺尺寸，但USB规范要求的是高电压信号。在性能稳健的手机设计中，D+和D-信号能够承受与5V VBUS信号线的短路，故限制了低电压解决方案。不过最近推出的低功耗电荷泵USB开关已能够解决这个问题，并满足严格的USB发射眼图要求(如图2所示)。事实上，无需对架构或所选组件做任何修改，大多数这类设计的工作速率就能够达到高速USB数据速率(>1Gbps)的两倍以上。

要通过USB开关从一个处理器切换到另一个处理器，首先要断开所有路径，然后留有足够的时间，以确保USB主设备端口控制器能够识别出某个断开，并切换到其它路径；从而允许主设备重新设定，并对新的USB设备进行重新设置。这一切都是采用软件在手机上完成，并需要软件工程师参与，根据所选硬件的限制条件编写软件。不过，由于目前较先进的USB开关可以在更大范围内使用便携式设备软件，故前面提到的方式正逐渐被淘汰。这是因为无论这些USB开关的选择控制信号发生任何变化，都会在一段预定的时间内自动断开连接。该时间由USB 2.0高速规范决定，以便于USB主设备识别断开，然后内部产生新的连接。

对大多数便携式设备来说，节能是至关重要的，故处理器的电源电压常常降至1.2V或更低。因此，在与直接依赖电池供电的较高电压设备连接时，即使输入端电压较低，电池的耗电量也相当可观。一个降低耗电量的方法是采用电压转换器。由于USB开关本身是一个很慢的过程，这些USB开关在这类环境下只需以最低供电电压来设置输入阈值，耗电量可说是微不足道。此外，输入缓冲器也可以在最坏的电压差情况下实现节能，大大减轻了系统设计人员的工作负担。

另一方面，对于更为小型的便携式设备，印制电路板(PCB)上的占位空间和成本是其重要考虑因素。目前USB开关可实现微型封装设计，引脚间距仅0.4mm，在PCB上的占位面积非常小，因而远远胜过那些带USB连接适配器(Dongle)的大尺寸专有连接器。再则，这种开关的成本也远低于USB集线器。
 

有时候需要把USB开关级联起来，在这种应用需求下，侧负载控制器使用媒体传输协议可以从主PC下载电影到SD储存卡里，而不会给智能手机的应用处理器造成负担。此时必须要确保高速USB流量对最快下载速度可行，而USB开关在关断(OFF)状态下的电容值将成为关键。现在最先进USB开关的OFF电容容值相当低，一般为2pF，这就允许在手机设计的最后阶段添加多个开关，从而为智能手机添加新的功能。

为了尽量减少智能手机上连接器的数量，除了高速和全速USB之外，USB接口有时被设计为附着在仿真耳机上。特殊的USB开关利用经过USB连接器的VBUS信号发送的耳机麦克风信号来满足这种需求，同时D+和D-信号被分别发送给耳机扬声器的左右声道。以USB开关FSA800为例，在插入之后，它会判断该USB端口是否为一个采用USB电池充电规范算法的USB充电器。这就允许处理器根据USB连接器的ID引脚信号状态来控制开关路径选择。其它USB开关利用ID引脚来检测和自动切换配置，并能够提供大量各种各样的复杂附件功能，包括范围广泛的配件，比如非常特殊的工厂测试缆线，它可利用现有工厂测试装置来获得最大的测试成本效益；配备有MP3播放所需全部遥控按键的全功能音乐播放耳机、无线FM收音机，以及无杂音打出/接听电话功能等，在不同功能之间可实现无缝切换。

当今的智能手机利用高速USB开关提供大量功能，同时还使手机厚度减小到跟Micro USB高速连接器差不多。如果需要USB同时与多种设备通信，这种USB端口可连接到应用处理器、通信处理器、USB集线器、音频驱动器和大量其它速率较低器件上。能够提供这些功能，主要是由于最新USB开关中内置有先进电路，同时又不会对功耗、PCB面积和成本有不良影响。此外，它同时还提供USB充电器检测功能，从而有利于适用所有便携式设备的通用USB充电器的全球性发展。

(本文原文刊载于《集成电路应用》杂志2011年第12期，转载请注明出处。)