掌握USB 2.0集线器电源管理

USB集线器为下游USB端口提供数据和电源。它还允许主机使用软件管理连接到其下游端口的设备的电源。USB 2.0集线器系统中电源的分配和管理是确定系统是否完全符合USB规范(Rev。2.0)的主要因素

 

配电 所有连接到USB端口的设备都配置为低功率或高功率,具体取决于其电压和电流要求(如12所示)。

所有USB设备首先都被列为低功耗设备。枚举后,主机检查设备配置描述符的bMaxPower字段。如果bMaxPower指示设备是高功率且电源可用,则主机允许设备转换为高功率​​。

 

USB设备分为自供电或总线供电,如图1所示 显示两个集线器配置。

 

 

总线供电的H UB系统 

在此配置中,集线器内部操作及其下游端口的电源均由集线器上游端口上的VBUS供电这种配置消除了对本地电源的需求。 

在总线供电系统中,所有下游设备必须是低功率的。这是因为集线器可以从上游电源汲取的最大电流为500 mA。由于集线器将某些电流用于其自身的操作,因此无法向下游设备提供完整的500 mA电流。因此,对于具有四个以上端口或包含下游高功率设备的设计,不建议使用总线供电的集线器配置。


重要的设计考虑因素

  • 切勿将两个总线供电的集线器串联。
  • 总线供电的集线器不能提供超过100 mA的电流,因此无法为连接到其下游端口之一的集线器供电。
  • 总线供电的集线器无法为大功率设备供电。
  • 总线供电的集线器需要有电源开关(如电源管理中所述)。

 

自供电H UB系统 

自供电集线器将电源从本地电源分配到其下游端口。集线器控制器的电源可以来自本地电源或VBUS自供电集线器可以为其操作提供最大100 mA的电流。使用VBUS为其USB接口供电的自供电集线器称为混合动力集线器。使用混合动力集线器可以区分断开连接和断电的设备。

使用自供电集线器会增加设计的复杂性。USB规范(版本2.0)的第7.2.1节要求一种机制来识别VBUS和电源D + / D-上拉电阻的存在。当VBUS如果移除,器件必须在10秒内从D + / D-上拉电阻断开电源。违反此要求可能会导致多个系统故障,并且将无法通过USB兼容性测试。记录在案的故障是上游设备上的重置问题。重置问题可能导致PC冷启动问题或集线器无法枚举下游设备。其他故障包括无法从挂起状态正常恢复以及强制其他枚举设备离开总线。混合动力集线器设计避免了对V BUS监控的需求。
重要的设计考虑因素

  • 自供电集线器需要一种机制来检查VBUS的存在并相应地驱动D + / D-线。
  • 自供电集线器需要下游端口的过流保护。
  • 在具有四个以上下游端口的系统中使用自供电集线器。
  • 在包含高功率设备的系统中使用自供电集线器。

 

电源管理出于安全原因, USB规范(修订版2.0)要求对所有自供电集线器设计提供过电流保护。过流检测和电源切换需要外部电源开关。可以使用聚合物PTC或固态开关实现过电流保护。 



电源切换意味着您的USB集线器可以关闭其下游设备的电源。所有总线供电的集线器设计都需要电源切换。自供电集线器还可以为下游端口实现电源切换; 但是,它不是必需的。电源切换可以在Gang模式或Individual模式下实现。在Gang模式下,如果组中所有端口一起汲取的总电流超过预设限制,则集线器将关闭一组端口。在个人模式下,如果集线器超出其限制,它将关闭单个端口。

单个端口的电源在处于Un-Configured或Power-off状态时关闭。在Gang模式下,只有当组中的所有端口都处于Un-Configured或处于Power-off状态时,集线器才会关闭一组端口如果该组中的任何端口收到一个端口,则集线器将打开一组端口。 SetPortFeature(PORT_POWER)请求。

 

单独模式电源切换 

单独模式端口保护使用每个端口的专用开关。当端口出现电涌时,集线器会关闭电源。由于个别模式需要为每个端口配备专用交换机,因此成本更高。图2 显示了单独模式电源切换的示例。

 

 

 

电源开关引脚:

  • 当下游端口过流时,FLAG A和FLAG B会警告集线器
  • OUT A和OUT B为下游端口供电
  • EN1和EN2通过切换OUT A和OUT B来启用或禁用下游端口的电源
组合模式电源切换
群组中包含的任何端口上的电源浪涌导致集线器关闭群组中所有端口的电源。这种方法成本较低,因为它使用一个交换机用于多个端口。这种方法的明显缺点是组中一个端口的浪涌导致所有端口断电。3显示了Gang模式电源切换的示例。

 

 

挂起状态 

所有USB设备都应支持挂起状态,以最大限度地降低功耗。USB设备可以从任何其他USB状态移至暂停状态。在面向上游的数据线上看到空闲状态超过3 ms后,器件进入挂起状态。在挂起状态下,USB集线器需要向D +或D-线提供电流,以保持其下游设备的正确状态。总线上的任何活动都会使设备退出挂起状态。在挂起状态下,设备可以从上游端口汲取最大2.5 mA的电流。 即使USB协议是以主机为中心的,启用远程唤醒的设备也能够通知主机使设备退出挂起状态并恢复事务。

本文介绍了USB 2.0集线器系统的配置和电源管理选项,并作为设计完全符合的集线器系统的参考指南 USB规范(Rev。2.0)

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