USB電源管理

電源管理，歷來是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與維護(hù)的主要環(huán)節(jié)之一。在過去，用戶想了解電源的情況，只能通過設(shè)備上有限的工作指示；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電源系統(tǒng)（如UPS）開始通過RS-232與計(jì)算機(jī)通信，使用戶對(duì)電源的控制大為方便；但RS-232也并非是完美的，總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來了IEEE1394(高速串行總線)和USB。電源設(shè)備最終選擇了適合中低速外設(shè)的USB標(biāo)準(zhǔn)。這并不是在趕時(shí)髦，在其背后有著深厚的需求背景。

遵循USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和管理電源設(shè)備，充分實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的即插即用，低功耗和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),是電源設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)之一。

一． USB通用串行總線與HID人機(jī)接口設(shè)備

USB（Universal Serial Bus）是以Intel為主，并有Compaq，Microsoft，IBM，DEC，Northern Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，1994年11月制定了第一個(gè)草案，1996年2月公布了USB規(guī)格版本1.0。USB可把多達(dá)127個(gè)外設(shè)聯(lián)到你的系統(tǒng)上，其12Mbps的帶寬對(duì)如鍵盤，鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠的。該技術(shù)使你能把設(shè)備隨時(shí)插上或拔下你的系統(tǒng)，最終還將不再需要在你的PC機(jī)后面設(shè)多個(gè)并行和串行口。

USB將設(shè)備分為不同的類型，每個(gè)設(shè)備類型都定義了類似功能設(shè)備的共同行為和協(xié)議。HID（Human Interface Device）人機(jī)接口設(shè)備主要指用于人控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的器件，而電源設(shè)備（Power Device）則被定位為HID的子系統(tǒng)之一。對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類是為了抹除不同硬件廠商之間的差異，以便于主機(jī)(PC)對(duì)設(shè)備進(jìn)行方便、統(tǒng)一的管理。相同類型的設(shè)備都由一組標(biāo)準(zhǔn)定義的功能模塊組成。這樣主機(jī)與USB設(shè)備之間的通信就可以通過一些標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包來完成。

二．HID電源設(shè)備

設(shè)備的電源管理，通常是通過在內(nèi)部用硬件集成控制部件，以完成對(duì)電池或是內(nèi)部電源器件的管理。同樣的對(duì)于外供電設(shè)備，（比如用UPS供電的設(shè)備），也有專門的控制部件用以完成各種控制功能，。不管是哪種情況，都可以通過USB協(xié)議完成主機(jī)與控制部件之間的狀態(tài)和控制信息的通信，使主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電源的絕對(duì)控制。
從主機(jī)角度來看，由于USB電源設(shè)備協(xié)議是在USB人機(jī)接口設(shè)備的框架中設(shè)計(jì)的，所以主機(jī)上的HID類驅(qū)動(dòng)程序是電源設(shè)備實(shí)現(xiàn)的根基。借助HID類驅(qū)動(dòng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在友好得多的平臺(tái)上直接訪問設(shè)備，而無需過多考慮類驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)低層軟件之間的交互。

總之，USB通過一系列的標(biāo)準(zhǔn)定義，使用戶可以通過主機(jī)直接觸摸到設(shè)備的電源管理，大大增強(qiáng)和方便了電源的管理功能。

三．電源設(shè)備的對(duì)象定義

每個(gè)電源設(shè)備都由一組模塊（如電池系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換器）組成，而每個(gè)模塊又可細(xì)分為一個(gè)或多個(gè)子模塊。子模塊可以存在于模塊內(nèi)部（如電池、充電器），也可以是模塊間的接口。所有的模塊、子模塊以及接口都被定義為對(duì)象，有著明確的物理描述：

Battery（電池）
Charger（充電器）
Input and Output（輸入/輸出）
Battery System（電池系統(tǒng)--電池，充電器和輸入/輸出的集合）
Power Supply or Power Converter（電源供應(yīng)或電源轉(zhuǎn)換器--特定電壓、頻率的轉(zhuǎn)換、輸出）
Outlet and Outlet System（電源出路及電源出路系統(tǒng)--能由PC機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制的電源輸出）
Gang（群--具有相同特性和功能的對(duì)象的集合）
Flow（流--電源線電氣特性的摘要描述）
Power Summary（電源報(bào)告），供電源設(shè)備向主機(jī)或其它設(shè)備提供自身的工作、狀態(tài)消息，完成電源自身的信息收集和對(duì)外通信，

不同電源設(shè)備內(nèi)部的，模塊、小模塊和接口的組成結(jié)構(gòu)稱為電源設(shè)備的對(duì)象層次表，具體如下：

1． 電池系統(tǒng)：
輸入（連至輸入流）
充電器
電池（連至充電器或輸出）
輸出（連至輸出流）

2． 電源轉(zhuǎn)換器：
輸入（連至輸出流或輸出）
輸出（連至輸入流或輸入）

3． 電源出路系統(tǒng)：
獨(dú)立的電源出路（連至輸出流）
一個(gè)輸入流
輸出流
電源報(bào)告(連至輸出流)

模塊內(nèi)部的子模塊是直接相連的，而不同的模塊則通過流相連，連接點(diǎn)即為模塊的輸入和輸出。

四． 兩個(gè)簡單電源設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

1． 一個(gè)典型USB外設(shè)的電源供應(yīng)

圖1．典型USB外設(shè)的電源供應(yīng)

一個(gè)AC輸入流,一個(gè)DC輸入流（USB總線電源）
一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器（包括一個(gè)AC輸入，一個(gè)DC輸入和一個(gè)DC輸出）
一個(gè)DC輸出流
一個(gè)電源報(bào)告

2． 一個(gè)簡單的UPS電源
一個(gè)AC輸入流（主AC輸入）
一個(gè)電池系統(tǒng)（一個(gè)AC輸入，一個(gè)電池，一個(gè)充電器和一個(gè)DC輸出）
一個(gè)DC流（后備DC）
一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器（一個(gè)DC輸入，一個(gè)AC輸入和一個(gè)AC輸出）
一個(gè)AC輸出流（AC流）
一個(gè)電源報(bào)告

圖2．簡單的UPS電源

五. 結(jié)束語

電源管理和USB是兩個(gè)正在飛速發(fā)展的技術(shù)專題。自從廠家把USB所需的控制芯片加入到外圍設(shè)備的ASIC（專用IC）中，PC對(duì)USB的支持只需要增加成本不到1美元的插座。這大大刺激了USB的發(fā)展。Microsoft推出的PC98和PC99系統(tǒng)已宣布將USB和HID作為其支持的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。電源設(shè)備作為通用型設(shè)備，也越來越向標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的方向發(fā)展，USB標(biāo)準(zhǔn)在電源設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，大大提高了電源設(shè)備的通用性，簡化了電源設(shè)備的控制和管理?？梢韵胍?，隨著USB的發(fā)展，USB支持的電源設(shè)備也會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)的電源設(shè)備，這一切都將使得電源管理更標(biāo)準(zhǔn)，更輕松。

六. 部分參考文獻(xiàn)和站點(diǎn)

Universal Serial Bus Specification, Revision 1.0, January 15, 1996
Universal Serial Bus Device Class Definition for Human Interface Devices (HID), Version 1.0 Final
Universal Serial Bus HID Usage Tables, Release Candidate 1.0
Universal Serial Bus Usage Tables for HID Power Device, Release 1.0

www.usb.org

www.mediacity.com

www.microsoft.com/hwdev/

附：插圖中的詞組含義：

AC FLOW：交流電
USB BUS POWER：USB總線電源
INPUT：輸入
OUTPUT：輸出
DC FLOW：直流
POWER SUMMARY：電源報(bào)告

MAIN AC：主供電交流電
CHARGER：充電器
BATTERY：電池
BACKUP DC：備用直流電
BATTERY SYSTEM：電池系統(tǒng)
POWER CONVERTER：電源轉(zhuǎn)換器