一文讓你精通USB 2.0集線器電源管理

USB集線器不僅可向下游的USB端口提供數(shù)據(jù)和電源，還允許主機通過軟件對連接到下游端口的設備進行電源管理。USB 2.0集線器系統(tǒng)中的電源分配與管理堪稱決定系統(tǒng)是否完全符合USB規(guī)范(2.0版)的主要因素。

電源分配

所有連接到USB端口的設備可配置成低功率或高功率，這取決于設備的電壓和電流要求。

首先將所有USB設備枚舉為低功率器件。主機在枚舉完成后檢查設備配置描述符的bMaxPower字段。如果bMaxPower表明該設備屬于高功率，并且可提供相應電源，那么主機會允許將該設備轉(zhuǎn)為高功率。

USB設備可被分為自供電和總線供電。圖1給出了這兩種集線器配置。

總線供電集線器系統(tǒng)

在這種配置下，集線器的內(nèi)部工作及其下游端口都由集線器上游端口的VBUS供電。這種配置無需本地電源。

在總線供電的系統(tǒng)中，所有下游設備必須是低功率設備。這是因為集線器從上游電源消耗的最大電流為500mA，且集線器自身工作還要使用一部分電流，所以無法將500mA電流完全提供給下游設備。因此，在超過四個端口或下游包含高功率設備的設計中不建議使用總線供電的集線器配置。

重要的設計考慮因素

● 切勿將兩個總線供電的集線器進行串聯(lián)。

● 總線供電的集線器無法提供超過100mA的電流，因此不能為其下游端口上連接的集線器供電。

● 總線供電的集線器不能為高功率設備進行供電。

● 總線供電的集線器要求具有電源開關(如“電源管理”中所述)。

自供電集線器系統(tǒng)

自供電集線器將來自本地電源的功率分配到其下游端口。這種集線器控制器的功率既可以來自本地電源，也可以來自VBUS。自供電集線器自身工作消耗的最大電流為100mA。通過VBUS為其USB接口供電的自供電集線器可被稱為混合供電集線器。使用混合供電集線器可區(qū)分斷開連接的設備和關閉電源的設備。

使用自供電集線器會增加設計的復雜性。USB規(guī)范(2.0版)的7.2.1節(jié)要求用一種機制來識別VBUS的存在，并相應地為D+/D-上拉電阻進行供電。當VBUS移除后，設備必須在10秒內(nèi)關斷D+/D-上拉電阻的電源。違反這一要求可能會引起各種系統(tǒng)故障，而且將無法通過USB合規(guī)性測試。一種有文件記錄的故障就是上游設備的復位問題。復位問題可能導致PC冷啟動故障或集線器無法枚舉下游設備。此外，其它故障還包括無法從掛起狀態(tài)中正確恢復以及強制其它枚舉設備斷開總線等?；旌瞎╇娂€器設計則無需進行VBUS監(jiān)視。

重要的設計考慮因素

● 自供電集線器需要一種機制來檢查VBUS的存在并相應地驅(qū)動D+/D-線路。

● 自供電集線器需要為下游端口實現(xiàn)過流保護。

● 在具有超過四個下游端口的系統(tǒng)中使用自供電集線器。

● 在包含高功率設備的系統(tǒng)中使用自供電集線器。

電源管理

出于安全考慮，USB規(guī)范(2.0版)要求為所有自供電集線器設計提供過流保護。利用外部電源開關實現(xiàn)過流檢測和電源切換。過流保護可利用聚合物PTC或固態(tài)開關來實現(xiàn)。

電源切換意味著您的USB集線器能關閉下游設備的電源。所有總線供電集線器設計都要有電源切換功能。此外，自供電集線器還能為下游端口實現(xiàn)電源切換，但這并不是必需的。電源切換能以群組模式和單個模式實現(xiàn)。在群組模式下，如果組中所有端口消耗的總電流超出了預設限制，那么集線器就可將這組端口一同關閉。在單個模式下，集線器僅關閉超過限制的單個端口。

當單個端口處于未配置或關閉狀態(tài)時，此單個端口的電源就會被關閉。在群組模式下，只有組中所有端口都處于未配置或關閉狀態(tài)時，集線器才會關閉這組端口。如果群組中任意一個端口收到SetPortFeature(PORT_POWER)請求，集線器就會打開端口組。

單個模式電源切換

單個模式端口保護功能為每個端口使用專用開關。當端口出現(xiàn)電源浪涌時，集線器會將其電源關閉。由于單個模式需要為每個端口配備專用開關，因此成本更高。圖2給出了單個模式電源切換的實例。

電源開關引腳：

● 當下游端口出現(xiàn)過流時，F(xiàn)LAG A和FLAG B會向集線器發(fā)出告警。

● OUT A和OUT B為下游端口進行供電。

● EN1和EN2通過切換OUT A和OUT B來啟用或禁用下游端口的電源。

群組模式電源切換

群組中包含的任何一個端口出現(xiàn)電源浪涌都會導致集線器關閉群組中所有端口的電源。這種方法中由于多個端口共用一個開關，因此成本比較低。但是，顯而易見的缺點是組中一個端口出現(xiàn)浪涌就會使所有端口斷電。圖3給出了群組模式電源切換的實例。

掛起狀態(tài)

所有USB設備都應支持掛起狀態(tài)，從而最大限度地降低功耗。USB設備能夠從任何其它USB狀態(tài)轉(zhuǎn)為掛起狀態(tài)。若上游數(shù)據(jù)線路維持空閑狀態(tài)超過3ms，設備就會進入掛起狀態(tài)。在掛起狀態(tài)下，USB集線器需要為D+或D-線路提供電流，從而讓其下游設備保持正確狀態(tài)。總線上的任何活動都會將設備從掛起狀態(tài)喚醒。在掛起狀態(tài)下，設備從上游端口最大消耗2.5mA電流。

盡管USB協(xié)議是以主機為中心的，但支持遠程喚醒的設備也可通知主機讓設備退出掛起狀態(tài)，并恢復事務處理。本文介紹了USB 2.0集線器系統(tǒng)的配置和電源管理等選項，并可作為參考指南，用于設計完全滿足USB規(guī)范(2.0版)的集線器系統(tǒng)。