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    智能手機連接附件micro-USB端口檢測解決方案

    發布時間:2018-11-07 15:33:56 閱讀次數:[news:i]

    手機出貨量逐年遞增,其中以智能手機的增長速度最為迅速。智能手機擁有更多特性功能與應用軟件,能夠使用各種周邊附件,所以未來不同周邊附件的數量也將不斷增加。新型手機的設計挑戰在于如何連接所有這些新的附件,以及如何檢測出連接附件的類型。目前市場及技術標準的發展方向是統一手機接口,只是檢測各種附件的方法,仍是有待解決的問題。

    micro-USB端口攻占連接器第一

    過去,手機制造商都各自開發自己的專有接口來控制映像到連接器上的信號。這些專有連接器一般范圍很廣,可通過連接器上的不同引腳,連接許多不同的附件,如通用序列總線(USB)纜線、耳機和電池充電器。專用信號引腳可減少對信號切換的需求,并提供一個更受控的環境。

    智能手機連接附件micro-USB端口檢測解決方案

    圖1 Micro-B型USB插頭

    就如USB接口在電腦產業的首選連接器地位一樣,micro-USB端口也成為各種手機制造商的連接器選擇。例如中國的工業與信息化部(MII)以及國際上的開放移動終端平臺(Open Mobile Terminal Platform,OMTP)組織和歐盟(EU)都制定了相關的規范和備忘錄,來指明micro-USB接口當作充電和數據傳輸的連接器(圖1)。這一標準化措施帶來的好處很多,而充電器和數據線重復使用就是其中一項。

    現時全球手機的平均周轉時間為6~24個月,所以這種標準化可大大減少專用充電器所造成的浪費。由于不必為每個電話提供一個的新的充電器,標準化還可以降低成本,并提高連接器元件產量,從而逐步降低元件價格。隨著標準接口的開發,IC元件制造商也在開發更高整合度、更具成本效益的解決方案,讓手機制造商能夠進一步降低成本。

    許多制造商都開始采用微型USB作為附加功能的接口,包括附件充電變壓器(ACA)、基座(Docking Station)、工廠程序設計、視頻、耳機(有些附有遙控)和車用手機配件等,整合化則有助減低手機的尺寸和成本。

    智能手機上另一個長期使用的標準接口是音頻插孔。其一般為3.5毫米(mm)插孔,與現在的各種音頻耳機兼容。插座和插頭的各個部分有不同的信號映像。不過,現在標準化機構如工信部和OMTP,也開始對此進行標準化。許多制造商利用單一micro-USB接口,或是micro-USB與3.5毫米音頻插孔的組合來提供所有的附件連接。

    本節討論的發展趨勢主要是針對手機,但隨著市場的融合,其同樣適用于各種不同的可攜式設備,包括MP3播放器、個人多媒體播放器(PMP)和全球衛星定位系統(GPS)裝置。所有這些設備都使用數據、音頻和電源接口。

    單一micro-USB處理多附件 檢測復雜性大幅提升

    智能手機連接附件micro-USB端口檢測解決方案

    圖2 微型USB連接器信號

    采用單個micro-USB端口處理多附件多功能,無疑能夠帶來許多好處,但同時也增加復雜性:如何檢測手機端口插入的是哪一個附件。micro-USB連接器上只有五個引腳,其中還包括接地引腳,因此識別插入附件類型及其須連接手機內哪一個IC的方法不多。micro-USB連接器有以下五個引腳(圖 2):VBUS(+5V)、D+和D數據線、ID(識別)以及接地。

    USB標準組織已制定標準USB端口檢測的相關條文。USB標準下行端口(Standard Downstream Port,SDP)連接通過VBUS在線的5伏特(V)電壓,再利用D+和D-在線的簡單交握(Handshake)來檢測。

    同樣,充電下行端口(Charging Downstream Port,CDP)和專用充電端口(Dedicated Charging Port,DCP)也利用相同的引腳,通過類似的簡單交握操作來檢測。詳細說明可見USB電池充電規范修訂版1.2(USB Batter Charging Specification Revision 1.2)。

    由于須檢測的附件很多,所以需要一種方法來對它們進行區分。其中一種檢測方法是在micro-USB端口上增加一個ID引腳(標準A型或標準B型USB端口均無此引腳),在USB On-The-Go(OTG)纜線插入時,ID引腳對地短路。CEA-936A規范(最近已取消)也采用該引腳來檢測兩種不同類型的汽車配件。

    各式解決方案紛紛出籠

    若要整合的附件超出標準USB集的數量,則必須利用這些引腳來進行額外的檢測。一種簡單的解決方案是在ID引腳上增加額外電阻檢測,也可結合VBUS在線的有效電壓以及D+和D-在線的電壓準位來使用。

    USB電池充電工作組定義三個額外電阻為ID信號上的負載,用于檢測輔助充電變壓器的不同狀態。這些數值以及OTG和汽車電阻數值,都相距甚遠,其間可以為耳機、視頻卡等其它附件增加額外的數值。

    在ID在線增加更多附件還增生電氣考慮事項,帶來相關挑戰。增加更多的ID值來解碼,可讓電阻更接近,使各個值之間的區分更具挑戰性。通過使用附件中的精密電阻(1%),并仔細區隔開額外附件的電阻數值,可以應對這些挑戰。

    要達成快速檢測,還得對ID在線的電容進行控制。如果電容太大,就需要更長時間才能將檢測測量穩定至正確數值。在大多數情況下,ID在線的連接器外毋須額外布線,從而可限制過大電容量。

    然而,在某些應用中如耳機,可能需要一個控制來顯示狀態的變化,例如按下SEND/END鍵,這個控制可能靠近纜線的另一端放置,這會增加ID在線的電容。在這些存在額外電容的情況下,可能需要較長的檢測時間。

    檢測完成后,須將信號發送給正確的處理器接口,如USB收發器、UART或音頻設備。當需要多個連接接口時,也必須仔細考慮發送這些信號到相應接口的開關。這些開關會給線路增加額外的電容與串聯電阻,并且可能影響信號完整性。USB路徑應針對低電阻平衡進行優化,以防止過多衰減和低電容對變慢邊緣的數量構成限制,影響到USB眼狀圖性能。在設計音頻端口開關接口時,應盡量減低串聯電阻,以限制來自耳機/揚聲器負載的音頻信號衰減的影響,并提供穩定的電阻電壓關系,以盡量減少整體諧波失真與噪聲。

    將全部解決方案整合至單一IC

    利用一個把上述解決方案都整合到一塊IC中的元件,例如飛兆(Fairchild)具有自動選擇與端口檢測功能的USB端口多媒體開關FSA9280A(圖3),micro-USB端口就能夠在一個連接端口上連接多個附件,進而降低設備的材料清單,優化音頻和USB連接的性能。

    智能手機連接附件micro-USB端口檢測解決方案

    圖3 飛兆多媒體開關FSA9280A具有自動選擇和端口檢測功能的USB端口

    把附件檢測與開關路由整合在一起,可帶來若干額外的好處,譬如可以提供所有路徑(或者只是關鍵路徑,例如用于初始工廠程序設計和用于充電的USB連接)的自動切換。在無附件連接時,這種整合式解決方案還具有自動進入低功率模式的優點,同時此設備必須保持通電,即使在手機關斷時,仍然可以檢測到充電器為電池充電。

    當手持式設備長時間處于斷電狀態時,低功耗性能對這類設備滿足待機時間要求至關重要。micro-USB開關(MUS)還整合VBUS場效晶體管(FET)開關,可以提供過電壓容差如28伏特,當VBUS引腳上加載高電壓時,可保護系統其余部分免受充電器故障的影響。

    這種解決方案提供一種簡單易用的USB檢測接口,可以在所有平臺上進行設計,因此毋須針對所有手持式設備建立和測試一種新的解決方案。而利用備用的ID電阻值(利用手持式設備的韌體更新功能),也可以提供檢測新標準或專有附件的方面的靈活性。

    本文討論的檢測解決方案可以讓智能手機把所有附件連接都匯聚在單一micro-USB連接上。而利用在單一封裝內整合檢測功能、開關和功率FET的低功耗接口,就可以為所有行動平臺提供通過驗證的可靠解決方案。


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