智能手機(jī)USB 2.0端口共享實(shí)現(xiàn)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(gè)通信處理器、一個(gè)應(yīng)用處理器和一個(gè)功率管理IC，它們都必需共享單個(gè)USB端口，并以480Mbps的高速USB數(shù)據(jù)速率進(jìn)行通信。

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(gè)USB2.0端口，這可以通過采用一個(gè)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(shí)，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(shí)，或者是任一個(gè)處理器需要使用USB端口時(shí)，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(shí)，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(gè)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(gè)處理元件，同時(shí)訪問USB端口。對于這種應(yīng)用，一個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)其功耗極小，禁用時(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)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。