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(多图) 便携式设计中端口共享的设计挑战

韩晓勇 飞兆半导体公司?? 2009年05月19日 ?? 收藏0

  应用背景

  在便携式设备中,和UART (通用异步收发器) 信号通道共享USB I/O接口是很常见的。设计人员为此采用了模拟开关,如图1所示。

模拟开关

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  图1

  UART接口用于系统软件更新,故用户一般将很少使用这一功能,从而避免了外部I/O连接器占用空间与增加额外的成本。为了便于调试和开发起见,设计人员通常宁愿让这类应用与USB端口共享数据通道。

  另一个流行趋势是在USB信号和音频信号间共享微型USB连接器。图2显示了最常用的应用共享方式。

最常用的应用共享方式

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  图2

  在这个应用中,负信号将经由电容的音频信号路径之后出现。但普通的单电源系统无法接收负信号,这可能会引起预想不到的泄漏或损害。在某些情况下,模拟开关能够耐受负信号而不会崩溃,但信号的负摆动会产生无法预料的通道串扰,大幅降低OFF隔离性能,甚至可能致使应该关闭的通道处于打开状态。

曲线图

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  图3

  低功耗稳健I/O设计的挑战

  UART/USB共享应用存在一个隐忧,即信号电平有可能超过内部系统的电源电压。电池供电设备电源的I/O电压通常可达3.3V。如果我们把这个I/O电压用作模拟开关的电源,则USB低速/全速信号电平在3.0到3.6V间,这时就存在系统工作时输入信号电平超过电源电压的风险。另一个问题是,如何在系统处于“断电”状态时对系统进行保护。通常,这需要一个稳定的电源以实现模拟开关的高阻抗状态。

  针对这些问题有两种解决方案。其一是把电池电源用作模拟开关VCC,但这依赖于系统的放电极限,亦即若系统允许电池放电电压在3.6V以下 (不幸的是往往如此),则第一个问题还是没有得到解决。此外,在大部分时间里,电池电源电压都高于系统的I/O电压 (3.3V),这意味着逻辑选择引脚的电平可能大大低于电源电压,可能导致很大的电流泄漏产生。所以,为了防止电流泄漏,逻辑选择引脚中需要增加一个电平移动IC。图4例示了这一点。

为了防止电流泄漏

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  图4

  第二种解决方案如图5所示。

第二种解决方案

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  图5

  这种电源解决方案能够确保任何时候 (不论上电还是断电、USB线缆是否插入),系统始终拥有电源。该方案唯一的限制是额外元件带来的成本问题。而这应用的最后一个问题也常常被忽略:USB短路承受能力的要求。

  短路承受能力

  USB 收发器必需能够承受得起 D+ 和/或 D- 到 VBUS、GND以及其它数据线,或连接器插头处电缆屏蔽外壳的至少 24 小时的持续短路,并且不会降低性能。建议收发器的设计应能承受此种不确定短路故障。在短路的情况下,当发送和接收时间各占一半 (所有支持的速度) 时,器件必须不受损害。发送期间有一个对称信号,在高低电平之间切换。在VBUS处于最大值(5.25V)时系统的短路承受能力必须得到保证。建议把这些 AC 和短路电路要求作为器件长期可靠性的鉴定标准。即 USB2.0 规范。

  还有一个需要考虑的重要因素是ESD (静电放电) 保护。由于I/O端口极易遭受ESD,故强烈建议提供额外的ESD保护。如果USB信号通道是高速 (480M bps)的,则寄生电容最好小于1pF以使将总线负载减至最小,否则会反过来影响眼图测试结果。在音频/USB共享应用中,还存在负摆动信号的挑战。要避免这一点的方法之一是把电容置于耳机线缆中。不过,要获得更好的音频低频带响应,电容应该尽可能地大,这样一来,却增大了尺寸和成本。解决该问题的另一种方法是在设计中选用负摆动音频放大器 (音频输出信号直接基于GND上下摆动)。

  飞兆半导体的创新多媒体开关FSA201 和 FSA221便解决了上述各种问题 (FSA201 用于全速USB,FSA221用于高速USB)。

飞兆半导体的创新多媒体开关FSA201 和 FSA221便解决了上述各种问题 (FSA201 用于全速USB,FSA221用于高速USB)。

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  图6

  FS USB source FS USB源

  AUDIO CODEC 音频编解码器

  Device ID recognition 设备ID识别

  MINI USB CONNECTOR 微型USB连接器

  利用FSA201 和 FSA221,内部逻辑控制能够在VAUDIO 和 VBUS之间自动切换电源,并满足USB短路承受能力要求。当VAUDIO=0时,这些开关可自动使所有端口处于高阻抗状态。此外,R/L通道可以极高的隔离度接收低至VAUDIO-7.0V (若Vaudio=3.3V,则可接收3.3V~-3.7V 的信号) 的负摆动信号。它具有低ICCT特性,允许VAUDIO上有更高的电源电压,可实现泄漏小于10uA的正常I/O电压级控制信号输入。这些开关内集成了8KV ESD保护功能 (HBM模式),非常适合于I/O共享应用。所有这些特性都大大简化了系统的I/O设计,同时保护了端口免受各种损害。


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