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節省智慧型手機用電 多工USB 2.0開關扮要角

2010-10-01
目前智慧型手機功能相當多元,但為節省其耗電並簡化設計,廠商大多以共用USB埠的設計作為各關鍵元件與手機和其他外接裝置間的連接工具,因此多工USB開關即扮演舉足輕重的角色。而電源管理IC則可視USB埠使用狀況,適時調配電流,達到省能的效果。
行動型設備需要許多訊號處理IC以滿足用戶各種不同的功能要求。典型的智慧型手機內都有一個通訊處理器、應用處理器和電源管理IC,這些元件都須共用單個通用序列匯流排(USB)埠,並以480Mbit/s的USB資料速率進行高速通訊。

圖1 用於共用一個USB 2.0埠的多工USB 2.0開關
智慧型手機中一種設計方式是讓內部的電源管理元件控制手機上唯一的USB 2.0埠,可經由採用一個3:1的多工USB開關把USB 2.0埠轉向自身完成。在預設情況下,也可把訊號轉向應用處理器,以用於大部分多媒體功能,如MP3播放或視訊處理。也可把訊號轉向通訊處理器以進行無線電通訊,如資料存取或通話等(圖1)。這種架構具有一種優勢,就是當毋須使用有關功能時,手機即可進入睡眠狀態。此外,在檢測到USB 2.0埠有活動時,或者是有任何一個處理器須使用USB埠時,電源管理單元便可喚醒相關的處理器。在USB插頭一插進連接埠時,電源管理IC可以查詢USB線路,以確定是否有專用USB充電器或充電主設備埠連接,以便經由VBUS訊號直接為電池充電。而當與USB主設備如個人電腦(PC)通訊時,通訊和應用處理器 內的實體層(PHY Layer)便會使用USB開關的480Mbit/s全高速資料頻寬。

分隔3G/4G處理器USB埠以降低耗電

4G手機的最新趨勢是在手機中整合兩個處理元件,同時存取USB埠,對於這種應用,較好的選擇是採用集線器(Hub)。不過,麻煩在於USB集線器的接線通常是電容性的,會消耗相當多的電流;而另一方面,同時存取USB埠的機會又不多。圖2所示為這種手機的其中一種設計方法,其中3G通訊處理器必須與4G處理器分開,以單獨存取USB埠,經由一個隔離開關(FSUSB31),並採用極短的印刷電路板(PCB)引線,可盡量減小電容。這樣一來,在從3G通訊處理器到USB主設備的路徑上,一個高速發射USB資料眼(Data Eye)與USB規範相比有很大的餘裕。在這個例子中,應用處理器控制USB 3:1多工開關,當後者在低用電的待機模式下,就可以讓控制線路上的上拉和下拉電阻連接到預設的應用處理器。

上述功能可利用開關提供,而開關在通電時只需極低的電流,禁用時功耗更接近零。在圖2所示的4G手機應用中,雖然FSUSB63始終通電,但耗電量只有幾個微安培;而在圖1所示的應用中,當電源管理IC在待機模式下關斷FSUSB63時,其耗電量降至1微安培以下。

圖2 多工USB 2.0開關和附有隔離開關的集線器應用

圖3 高速USB 2.0發射眼圖
對於大多數積體電路而言,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須降低電壓,並使用精細的幾何製程尺寸,然而,USB規範要求的是高電壓訊號。在性能穩健的手機設計中,D+和D-訊號能承受與5伏特(V)VBUS訊號線的短路,故限制低電壓解決方案。不過,最近推出的低功耗電荷泵浦USB開關已能解決這個問題,並滿足嚴格的USB發射眼圖要求(圖3)。事實上,毋須對架構或所選元件做任何修改,大多數這類設計的工作速率就能達到高速USB資料速率(>1Gbit/s)的兩倍以上。

要經由USB開關從一個處理器切換到另一個處理器,首先須斷開所有路徑,然後留有足夠的時間,以確保USB主設備埠控制器能識別出某個斷開,並切換到其他路徑,從而允許主設備重新設定,並對新的USB設備進行重新設置,這一切都是採用軟體在手機上完成,並需軟體工程師參與,根據所選硬體的限制條件編寫軟體。不過,由於目前較先進的USB開關可以在更大範圍內使用可攜式設備軟體,故上述的方式正逐漸被淘汰。這是因為無論這些USB開關的選擇控制訊號發生任何變化,都會在一段預定的時間內自動斷開連接,該時間由USB 2.0高速規範決定,以便於USB主設備識別斷開後,內部產生新的連接。

利用電壓轉換器達到省能效果

節能對大多數可攜式設備而言,至關重要,故處理器的電源電壓常常降至1.2伏特或更低,因此,在與直接依賴電池供電的較高電壓設備連接時,即使輸入端電壓較低,電池的耗電量也相當可觀。其中一個減低耗電量的方法是採用電壓轉換器,由於USB開關本身是一個很慢的過程,這些USB開關在這類環境下只須以最低供電電壓設置輸入閾值,耗電量微不足道。此外,輸入緩衝器也可以在最壞的電壓差情況下實現節能。另一方面,PCB上的占位空間和成本是更小型的可攜式設備要考慮的因素。目前USB開關已有微型封裝的版本,接腳間距僅0.4毫米(mm),在PCB上的占位面積非常小,因此遠遠勝過那些帶有USB連接專用的大尺寸連接裝置(Dongle)。此外,這種開關的成本也遠低於USB集線器。

有時候,須把USB開關級連起來,在這種應用中,側負載控制器(Side Loading Controller)使用媒體傳輸協議(MTP),可以從主個人電腦下載電影到SD儲存卡裡,而不會為智慧型手機中的應用處理器造成負擔。這時,要確保高速USB流量對最快下載速度可行,USB開關在關斷狀態下的電容將成為關鍵因素。現時USB開關的關斷電容相當低,一般為2皮法(pF),這就允許在手機設計的最後階段添加多個開關,從而為智慧型手機增加新的功能。

共用USB埠大勢所趨

為盡量減少智慧型手機上連接器的數量,USB埠有時被設計為附著在模擬音訊耳機上(圖4)。特殊的USB開關利用經由USB連接器的VBUS訊號發送的耳機麥克風訊號滿足這種需求,同時D+和D-訊號被分別發送給耳機的左右揚聲器訊號。以USB開關為例,在插入之後,會判斷該USB埠是否為一個採用USB電池充電規範演算法的USB充電器,這就允許處理器根據USB連接器的ID接腳訊號狀態控制開關路徑選擇。其他USB開關利用ID接腳檢測和自動切換配置,並能提供大量各種各樣的複雜附件功能,包括範圍廣泛的配件,如非常特殊的工廠測試纜線,可利用現有工廠測試裝置獲得最大的測試成本效益,配備MP3播放所需全部遙控按鍵的全功能音樂播放耳機、FM收音機,以及無雜音(Click-and-pop Free)打出/接聽電話等,而且不同功能之間可順暢地進行切換。

圖4 採用單個USB埠的音訊耳機

當今的智慧型手機利用高速USB開關提供大量功能,同時還使手機厚度降低到跟micro-USB高速連接器差不多。若需要USB同時與多種設備通訊,這種USB埠可連接到應用處理器、通訊處理器、USB集線器、音訊驅動器和大量其他速率較低的重要功能。而能提供這些功能,主要是由於USB開關中內置有先進電路,同時又不會對功耗、PCB面積和成本有不良影響。此外,同時還提供USB充電器檢測功能,從而有利適用於所有可攜式設備的通用USB充電器全球性發展。

(本文作者任職於快捷)

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