物聯(lián)網(wǎng)電池供電設(shè)備設(shè)計(jì)中的USB連接
發(fā)布時(shí)間:2017-02-28 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在過去十年中,通用串行總線(USB)標(biāo)準(zhǔn)由于具備易用、隨插即用的功能性和可用性,因此被眾多工業(yè)和消費(fèi)性電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員作為連接其他應(yīng)用的首選接口。USB已實(shí)現(xiàn)其主要目標(biāo),即提供消費(fèi)者簡化控制周邊設(shè)備和傳輸數(shù)據(jù)的方法。隨著超過三十億個(gè)具備USB接口的電子設(shè)備進(jìn)入市場,USB不僅是消費(fèi)性應(yīng)用中成長最快的接口,在工業(yè)市場也取得了顯著的成長。
然而對(duì)于嵌入式解決方案設(shè)計(jì)人員而言,USB易用、隨插即用的功能性和可用性并非完全不需要付出代價(jià),特別是如果他們正在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)功耗敏感、電池供電的連接設(shè)備產(chǎn)品時(shí)。對(duì)小型、便攜式設(shè)備來說,增加USB作為通信接口至少要增加一倍的應(yīng)用電流消耗,并且需要比原先預(yù)期更大的電池。
從傳統(tǒng)的串行接口通信升級(jí)到廣受歡迎的USB接口,通常會(huì)由于功耗預(yù)算的限制而變得難以實(shí)行。一般情況下,設(shè)計(jì)人員不得不在增加雙倍電池容量和增加設(shè)備成本 (這使其不再那么具吸引力)、或舍棄急需的差異化功能之間做出選擇。下面讓我們來看看USB標(biāo)準(zhǔn)如何從為所有PC連接提供標(biāo)準(zhǔn)化的夢想,演變?yōu)樯踔量墒笽oT小型電池供電設(shè)備與任何其他設(shè)備通信的最先進(jìn)技術(shù)。
USB簡史
如果你曾經(jīng)研究過1990年代末期生產(chǎn)的桌上型計(jì)算機(jī)的背面,你或許一眼就能認(rèn)出為連接不同硬件到計(jì)算機(jī)而出現(xiàn)的許多標(biāo)準(zhǔn)。這些連接標(biāo)準(zhǔn)包含5引腳的 DIN、PS/2、串行端口、并行端口、也許也有一兩個(gè)SCSI(“scuzzy”)通信端口,如果你是一個(gè)游戲玩家,你還會(huì)在音效卡上有一個(gè)游戲連接端口。
USB早期開發(fā)人員意識(shí)到了這種紛亂的連接狀況,并在1995年開始創(chuàng)造一種機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)的通用標(biāo)準(zhǔn),以取代所有其他接口標(biāo)準(zhǔn)。在1990年代末期,當(dāng) USB第一次被采用時(shí),它只是作為“另一種連接器”加入到PC。然而在2000年起USB開始迅速發(fā)展,并在經(jīng)過一系列的更新后,它成為目前最被廣泛采用 的M2M接口之一。只要看看你的筆記型計(jì)算機(jī)和手機(jī)就能明白USB標(biāo)準(zhǔn)的成功。你的智能手機(jī)可能只有一個(gè)連接接口:USB。如果你在2010年以后購買了 筆記型計(jì)算機(jī),便會(huì)發(fā)現(xiàn)除了顯示器和網(wǎng)絡(luò)連接器之外,它可能只具有USB接口。此外,用于現(xiàn)今筆記本電腦和平板電腦的觸控板、鍵盤和其他周邊設(shè)備都透過 USB與主處理器通信。
USB標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)溥B接分為設(shè)備(device)和主機(jī)(host)。主機(jī)是發(fā)起通信并提供電源的機(jī)器;在桌面上,通常就是你的筆記本電腦或臺(tái)式PC。設(shè)備是連接到主機(jī)的下游設(shè)備,簡單的回應(yīng)主機(jī)的任何請(qǐng)求;在桌面上,鼠標(biāo)和鍵盤就是常見的USB設(shè)備。
關(guān)于USB連接器的獨(dú)特之處是它也可以為連接的設(shè)備供電,因此不需要為你的鼠標(biāo)或外接硬盤驅(qū)動(dòng)器增加額外的電源。USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主機(jī)至少輸出100mA的電 流給設(shè)備,并且如果設(shè)備支援的話,它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來自最初的USB標(biāo)準(zhǔn),PC幾乎總是作為主機(jī),并且它們一直都是透過墻壁插座獲得電源。這個(gè)USB標(biāo)準(zhǔn)需求限制了USB在低功耗應(yīng)用上的發(fā)展,盡管對(duì)PC應(yīng)用來說,主電源供應(yīng)并不成問題。
但是當(dāng)這種成熟的M2M接口要滿足今日電池供電的IoT世界時(shí),會(huì)發(fā)生什么?當(dāng)主機(jī)也是一個(gè)便攜式設(shè)備時(shí),又有什么影響呢?
對(duì)于現(xiàn)今USB硬件的影響
在現(xiàn)今的便攜式設(shè)備應(yīng)用中,最常見的術(shù)語是“功率預(yù)算”。功率預(yù)算決定設(shè)備能夠消耗多少能量,并且它是基于電池容量和所需要的電池使用壽命計(jì)算出的。例如, 在一個(gè)有250mA電池容量和需要支援兩天(48小時(shí))電池使用壽命的應(yīng)用中,功率預(yù)算大約為5mA。這個(gè)功率預(yù)算必須分布在開發(fā)人員所希望設(shè)備做的每一 項(xiàng)功能上,包含從傳感器擷取和處理到通信和驅(qū)動(dòng)顯示。
在過去的二、三十年間,微控制器(MCU) 變得越來越小,并且電池容量也有所提升,因此我們看到便攜式設(shè)備的爆發(fā)性成長,這些便攜式設(shè)備包含從手持風(fēng)速表和示波器以至于數(shù)位呼氣酒測器和遙控器。然而隨著擁有四核心GHz級(jí)處理器的智能手機(jī)的出現(xiàn),現(xiàn)在可看到更多便攜式設(shè)備以智能手機(jī)配件之形式出現(xiàn),制造商不再擔(dān)心處理能力或使用者接口方面的問題。這種市場趨勢 正推動(dòng)低價(jià)配件的快速成長,例如獲得Kickstarter眾籌支援、可用于智能手機(jī)的Vaavud風(fēng)速表,以及可插進(jìn)iPhone中的呼氣酒測器,這兩個(gè)應(yīng)用都使用HiJack接口,這種特殊接口可以工作于低階設(shè)備,但并不是最佳接口。
為了設(shè)計(jì)一個(gè)真正通用并好用的便攜式設(shè)備,你應(yīng)當(dāng)選擇最合適的M2M接口,例如USB。選擇USB也能夠使你的設(shè)計(jì)產(chǎn)品做到無主機(jī)限制(host- agnostic),這表示如果你想讓產(chǎn)品既能支援Mac、Windows手機(jī)又能支援Android平板,這都將不再是問題。然而當(dāng)你想透過USB連接 這些小配件到電池供電的日常用品時(shí),你在原本USB標(biāo)準(zhǔn)中從不關(guān)心的“功耗”突然成為了選擇USB解決方案的優(yōu)先考慮問題。你不想僅僅為了與周邊設(shè)備通信而浪費(fèi)平板計(jì)算機(jī)或筆記型計(jì)算機(jī)的寶貴電池壽命,并且你也不想設(shè)計(jì)出一個(gè)會(huì)快速耗盡智能手機(jī)電池電量的配件應(yīng)用產(chǎn)品。
通過正確選擇具備USB功能的硬件,將能夠開發(fā)出耗電極少的設(shè)備,同時(shí)通用M2M接口也得以消除幾乎所有的外部元件。
用于電池供電領(lǐng)域中的USB技術(shù)
為了解USB技術(shù)如何改善功耗又保持易用和隨插即用的功能性,我們首先需要快速瀏覽一下USB的通信過程。一般情況下,僅有主機(jī)能夠發(fā)起傳輸。即使沒有通信,主機(jī)也要每毫秒發(fā)送連線(keep-alive)信息給設(shè)備。如果設(shè)備有可用數(shù)據(jù),它會(huì)回應(yīng)。在這種工作模式下,設(shè)備可獲得高達(dá)100mA的能量,并且主機(jī)預(yù)期設(shè)備能夠立即回應(yīng)任何請(qǐng)求。當(dāng)主機(jī)停止發(fā)送這些連線信息達(dá)到 3ms時(shí),設(shè)備應(yīng)進(jìn)入暫停狀態(tài)并且立即消減它的電流消耗到3mA以下。
在暫停狀態(tài)下,大部分設(shè)備能被關(guān)閉,通常我們能夠關(guān)閉最耗能的PHY。即使現(xiàn)今的MCU能夠輕松實(shí)現(xiàn)3mA的暫停電流,我們也沒有理由保持在那么高的狀態(tài)。具備良好能源模式的MCU應(yīng)能在這種模式下實(shí)現(xiàn)小于3μA的電流消耗,包含PHY的電流消耗。
然而在工作模式中,當(dāng)檢測一個(gè)正常鍵盤設(shè)備的USB通信時(shí),主動(dòng)模式不是十分有效的;大多數(shù)時(shí)候,設(shè)備僅僅等待主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。然而當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求設(shè)備回應(yīng)時(shí),回應(yīng)必須及時(shí);這是為什么大多數(shù)實(shí)作上會(huì)保持USB周邊設(shè)備一直運(yùn)行在48MHz以允許足夠的回應(yīng)時(shí)間。在這個(gè)特別的實(shí)例中,97%的時(shí)間是空閑的,即使我們進(jìn)行了列舉(enumerated)和啟動(dòng)。
為電池供電應(yīng)用而最佳化的USB應(yīng)用需要把這些功耗管理因素考慮在內(nèi),并且十分確定何時(shí)需要時(shí)脈、需要多長時(shí)間、哪些其他USB元件能夠關(guān)閉。Silicon Labs目前擁有兩項(xiàng)正在申請(qǐng)中的專利技術(shù),并已獲得制造商和客戶反饋,使得USB接口在現(xiàn)今電池供電IoT設(shè)備中具真正用武之地。即使在工作模式,高能效的通信也能夠透過使用無晶振(Crystal-less)USB振蕩器和關(guān)閉封包通信之間的耗電USB連接元件而實(shí)現(xiàn),如圖1所示。這種創(chuàng)新的方法大幅降低了系統(tǒng)級(jí)功耗,并且建立出真正通用的、可提供優(yōu)異能效的M2M接口。
圖1:具備低能耗模式(LEM,low-energy mode)鍵盤傳輸總線的有效信號(hào)表明了何時(shí)關(guān)閉耗電的USB接口元件。
理所當(dāng)然,對(duì)開發(fā)人員和終端使用者來說,低能耗USB應(yīng)實(shí)現(xiàn)于無形之中。透過低能耗模式(LEM),降低能耗是十分明顯的,如圖2所示。當(dāng)這種技術(shù)與其他空間和成本節(jié)省特性(例如無晶振USB應(yīng)用和時(shí)脈恢復(fù))相互結(jié)合時(shí),開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)真正的超低能耗通用M2M接口,并且不需要額外元件。
圖2:一個(gè)典型的USB收發(fā)器在空閑時(shí)處于“接收”模式,浪費(fèi)3-5mA。透過LEM技術(shù),收發(fā)器能夠保持在類似暫停的低電流模式。
結(jié)論
USB接口已經(jīng)從一個(gè)減少傳統(tǒng)桌上型PC雜亂線纜連接的簡單需求,發(fā)展成為消費(fèi)性電子設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)。具備USB功能的便攜式設(shè)備日益普及,促使整合的USB周邊設(shè)備提供新的設(shè)計(jì)要求。
新的智能USB硬件使得成本和功耗得以減少,并延長了電池使用壽命。當(dāng)與無晶振USB技術(shù)相結(jié)合時(shí),廣泛使用的USB標(biāo)準(zhǔn)將使得所有可連接設(shè)備變得更加智能、可連接的、節(jié)能。
推薦閱讀:
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測量儀
頻率器件
頻譜測試儀
平板電腦