智能手機USB 2.0端口共享實現方案

移動設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。典型的智能手機包含一個通信處理器、一個應用處理器和一個功率管理IC，它們都必需共享單個USB端口，并以480Mbps的高速USB數據速率進行通信。

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的各種不同解決方案進行比較。

智能手機的一種設計方式是讓內部的功率管理器件來控制單個USB2.0端口，這可以通過采用一個3:1的多路復用USB開關把USB 2.0端口轉向自身來完成。默認情況下，其也可轉向應用處理器，用來實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，用于無線電通信，可實現數據訪問或通話(見圖1)。這種架構具有一種優勢，即當功能未使用時，允許手機進入睡眠狀態。此外，在檢測到USB 2.0端口活動時，或者是任一個處理器需要使用USB端口時，功率管理單元可以喚醒相關處理器。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充電器或充電主設備端口連接，以便通過VBUS信號直接給電池充電。當與USB主設備(如PC)通信時，通信和應用處理器內的物理層(PHY)使用USB開關的480Mbps全高速數據帶寬。

圖1：用于共享一個USB 2.0端口的多路復用USB 2.0開關。

4G手機的最新趨勢是在手機中集成兩個處理元件，同時訪問USB端口。對于這種應用，一個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，功耗相當大；而另一方面，同時訪問USB端口的機會又不多。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處理器分開來單獨訪問USB端口。通過一個隔離開關(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主設備的路徑上，一個高速發射USB數據眼(data eye)與USB規范相比有很大的裕量。在這個例子中，應用處理器控制USB 3:1多路復用開關，當后者在待機模式下處于低電狀態時，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的應用處理器。

圖2：多路復用USB 2.0開關和帶隔離開關的集線器應用。

上述功能可通過開關來實現，上電時其功耗極小，禁用時功耗幾乎為零。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，在圖1所示的應用中，當功率管理IC在待機模式下關斷FSUSB63時，其耗電量降至1微安以下。

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開關解決了這個問題，并滿足嚴苛的USB發射眼圖要求，如圖3所示。事實上，無需對架構或所選器件做任何修改，大多數這類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發射眼圖。