中心議題：

• 智能手機USB2.0端口共享方案

解決方案：

• 內部的功率管理器件來(lái)控制單個(gè)USB2.0端口
• 采用集線(xiàn)器集成兩個(gè)處理元件，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)USB端口
• 低功耗電荷泵USB開(kāi)關(guān)

典型的智能手機包含一個(gè)通信處理器、一個(gè)應用處理器和一個(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數據速率進(jìn)行通信。而很多移動(dòng)設備需要許多信號處理集成電路（IC）以滿(mǎn)足用戶(hù)各種不同的功能要求。各種新奇的玩意兒正在讓智能手機變得越來(lái)越娛樂(lè )化，沒(méi)有更好的應用就會(huì )落后，市場(chǎng)銷(xiāo)售就不理想。本文介紹一些能夠解決該問(wèn)題的方案，并對從USB集線(xiàn)器到簡(jiǎn)單模擬開(kāi)關(guān)的各種不同解決方案進(jìn)行比較。

USB 即“Universal Serial Bus ”，中文名稱(chēng)為通用串行總線(xiàn)。這是近幾年逐步在PC 領(lǐng)域廣為應用的新型接口技術(shù)。USB接口具有傳輸速度更快，支持熱插拔以及連接多個(gè)設備的特點(diǎn)。目前已經(jīng)在各類(lèi)外部設備中廣泛的被采用。目前USB接口有兩種：USB1.1和USB2.0。理論上USB1.1的傳輸速度可以達到12Mbps/秒，而USB2.0則可以達到速度480Mbps/秒，并且可以向下兼容USB1.1。

智能手機的一種設計方式是讓內部的功率管理器件來(lái)控制單個(gè)USB2.0端口，這可以通過(guò)采用一個(gè)3:1的多路復用USB開(kāi)關(guān)把USB 2.0端口轉向自身來(lái)完成。默認情況下，其也可轉向應用處理器，用來(lái)實(shí)現大多數多媒體功能性（比如MP3播放或視頻處理）。還可轉向通信處理器，用于無(wú)線(xiàn)電通信，可實(shí)現數據訪(fǎng)問(wèn)或通話(huà)（見(jiàn)圖1）。這種架構具有一種優(yōu)勢，即當功能未使用時(shí)，允許手機進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此外，在檢測到USB 2.0端口活動(dòng)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(xún)問(wèn)USB線(xiàn)路，確定是否有專(zhuān)用USB充電器或充電主設備端口連接，以便通過(guò)VBUS信號直接給電池充電。當與USB主設備（如PC）通信時(shí)，通信和應用處理器內的物理層（PHY）使用USB開(kāi)關(guān)的480Mbps全高速數據帶寬。

圖1：用于共享一個(gè)USB 2.0端口的多路復用USB 2.0開(kāi)關(guān)。

4G手機的最新趨勢是在手機中集成兩個(gè)處理元件，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)USB端口。對于這種應用，一個(gè)比較好的選擇是采用集線(xiàn)器。不過(guò)麻煩在于USB集線(xiàn)器的接線(xiàn)通常是電容性的，功耗相當大；而另一方面，同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)USB端口的機會(huì )又不多。圖2所示為這種手機的一種設計方法，其中，3G通信處理器必需與4G處理器分開(kāi)來(lái)單獨訪(fǎng)問(wèn)USB端口。通過(guò)一個(gè)隔離開(kāi)關(guān)（FSUSB31），并采用極短的PCB引線(xiàn)，可以盡量減小電容。這樣一來(lái)，在從3G通信處理器到USB主設備的路徑上，一個(gè)高速發(fā)射USB數據眼（data eye）與USB規范相比有很大的裕量。在這個(gè)例子中，應用處理器控制USB 3:1多路復用開(kāi)關(guān)，當后者在待機模式下處于低電狀態(tài)時(shí)，它可以讓自己的控制線(xiàn)路上的上拉和下拉電阻連接到默認的應用處理器。

圖2：多路復用USB 2.0開(kāi)關(guān)和帶隔離開(kāi)關(guān)的集線(xiàn)器應用。

上述功能可通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，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手機應用中，FSUSB63始終上電，耗電量只有幾微安。同時(shí)，在圖1所示的應用中，當功率管理IC在待機模式下關(guān)斷FSUSB63時(shí)，其耗電量降至1微安以下。
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對于大多數集成電路而言，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，并使用精細的幾何工藝尺寸；然而，USB規范要求的是高電壓信號。在性能穩健的手機設計中，D+和D-信號能夠承受至5V VBUS信號線(xiàn)的短路，故限制了低電壓解決方案。不過(guò)，最近推出的低功耗電荷泵USB開(kāi)關(guān)解決了這個(gè)問(wèn)題，并滿(mǎn)足嚴苛的USB發(fā)射眼圖要求，如圖3所示。事實(shí)上，無(wú)需對架構或所選器件做任何修改，大多數這類(lèi)設計的工作速率就能夠達到高速USB數據速率（> 1 Gbps）的兩倍以上。

圖3：高速USB 2.0發(fā)射眼圖。

要通過(guò)USB開(kāi)關(guān)從一個(gè)處理器切換到另一個(gè)處理器，首先需要斷開(kāi)所有路徑，然后留有足夠的時(shí)間，以確保USB主設備端口控制器能夠識別出某個(gè)斷開(kāi)，并切換到其它路徑；這樣，可以允許主設備復位，并對新的USB設備進(jìn)行重新設置。這一切都是采用軟件在手機上完成，并需要軟件工程師參與，根據所選硬件的限制條件編寫(xiě)軟件。不過(guò)，目前較先進(jìn)的USB開(kāi)關(guān)允許更多地使用便攜式設備軟件，故前面提到的方式正逐漸被淘汰。這是因為這些USB開(kāi)關(guān)的選擇控制信號發(fā)生任何變化，都會(huì )在一段預定的時(shí)間內自動(dòng)啟動(dòng)斷開(kāi)連接。該時(shí)間由USB 2.0高速規范決定，以便于USB主設備識別斷開(kāi)，然后內部產(chǎn)生新的連接。

如上所述，對大多數便攜式設備來(lái)說(shuō)，節能是至關(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(lài)電池供電的較高電壓設備連接時(shí)，即使輸入端電壓較低，電池的耗電量也相當可觀(guān)。減小耗電量的方法之一是采用電壓轉換器。由于USB開(kāi)關(guān)本身是一個(gè)很慢的過(guò)程，通過(guò)基于最低供電電壓來(lái)設置輸入閾值，這些USB開(kāi)關(guān)在這類(lèi)環(huán)境下的耗電量小得可忽略不計。此外，還設計有輸入緩沖器，以便在最壞的電壓差情況下實(shí)現節能，以大大減輕系統設計人員的工作強度。

圖4：采用單個(gè)USB端口的音頻耳機。

對于更小的便攜式設備，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(kāi)關(guān)可在微型封裝中設計實(shí)現，引腳間距僅0.4mm，其在PCB上的占位面積非常小，故而遠遠勝過(guò)那些帶有專(zhuān)用于USB連接的適配器（Dongle）的大尺寸專(zhuān)有連接器。此外，這種開(kāi)關(guān)的成本也遠低于USB集線(xiàn)器。

有時(shí)候，需要把USB開(kāi)關(guān)級聯(lián)起來(lái)，在這種應用中，側負載（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(huì )給智能手機中的應用處理器造成負擔。這時(shí)，要確保高速USB流量對最快下載速度可行，USB開(kāi)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(kāi)關(guān)OFF電容相當低（一般為2pF），這就允許在手機設計的最后階段添加多個(gè)開(kāi)關(guān)，從而為智能手機增加新的功能。

為了盡量減少智能手機上連接器的數量，除了高速和/或全速USB之外，USB端口有時(shí)被設計為附著(zhù)在模擬音頻耳機上。特殊的USB開(kāi)關(guān)利用通過(guò)USB連接器的VBUS信號發(fā)送的耳機麥克風(fēng)信號來(lái)滿(mǎn)足這種需求，同時(shí)D+和D-信號被分別發(fā)送給耳機的左右揚聲器信號。以USB開(kāi)關(guān)FSA800為例，在插入之后，它會(huì )判斷該USB端口是否為一個(gè)采用USB電池充電規范算法的USB充電器。這就允許處理器根據USB連接器的ID引腳信號狀態(tài)來(lái)控制開(kāi)關(guān)路徑選擇。其它USB開(kāi)關(guān)利用ID引腳來(lái)檢測和自動(dòng)切換配置，并能夠幫助實(shí)現大量各種各樣的復雜附件功能，包括：范圍廣泛的配件，比如非常特殊的工廠(chǎng)測試線(xiàn)纜，其可利用現有工廠(chǎng)測試裝置來(lái)獲得最大的測試成本效益；非常具有特色的音樂(lè )播放耳機，配備有MP3播放所需的全部遙控按鍵；以及FM無(wú)線(xiàn)電收音機、或無(wú)雜音（click-and-pop free）撥打/接聽(tīng)電話(huà)，在不同功能之間可無(wú)縫切換。

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