便攜式設(shè)計(jì)中I/O端口共享的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
[導(dǎo)讀]本文探討了在UART和USB、音頻信號(hào)和USB之間共享同一個(gè)I/O端口所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，其中包括如何在上電和斷電時(shí)保護(hù)系統(tǒng)接口，以及如何保持?jǐn)?shù)字信號(hào)的完整性和模擬信號(hào)的保真度。當(dāng)上電時(shí)，必需能滿(mǎn)足短路承受能力的要求，同時(shí)在信號(hào)實(shí)際超過(guò)核心系統(tǒng)能力的高阻抗?fàn)顟B(tài)下保護(hù)系統(tǒng)。在系統(tǒng)斷電時(shí)，I/O端口必須關(guān)閉以防止外部信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)而造成任何損害。因此，如果需要共享音頻信號(hào)和高速USB信號(hào)，音頻通道就必須保持低阻抗和低THD的特性，而高速USB通道則必須具有適當(dāng)?shù)募纳杩古c電容比值。此外，在音頻共享應(yīng)用中還存在著負(fù)擺動(dòng)信號(hào)和POP噪聲的巨大挑戰(zhàn)。
應(yīng)用背景
在便攜式設(shè)備中，和UART (通用異步收發(fā)器) 信號(hào)通道共享USB I/O接口是很常見(jiàn)的。設(shè)計(jì)人員為此采用了模擬開(kāi)關(guān)，如圖1所示。
圖1
UART接口用于系統(tǒng)軟件更新，故用戶(hù)一般將很少使用這一功能，從而避免了外部I/O連接器占用空間與增加額外的成本。為了便于調(diào)試和開(kāi)發(fā)起見(jiàn)，設(shè)計(jì)人員通常寧愿讓這類(lèi)應(yīng)用與USB端口共享數(shù)據(jù)通道。
另一個(gè)流行趨勢(shì)是在USB信號(hào)和音頻信號(hào)間共享微型USB連接器。圖2顯示了最常用的應(yīng)用共享方式。
圖2
在這個(gè)應(yīng)用中，負(fù)信號(hào)將經(jīng)由電容的音頻信號(hào)路徑之后出現(xiàn)。但普通的單電源系統(tǒng)無(wú)法接收負(fù)信號(hào)，這可能會(huì)引起預(yù)想不到的泄漏或損害。在某些情況下，模擬開(kāi)關(guān)能夠耐受負(fù)信號(hào)而不會(huì)崩潰，但信號(hào)的負(fù)擺動(dòng)會(huì)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的通道串?dāng)_，大幅降低OFF隔離性能，甚至可能致使應(yīng)該關(guān)閉的通道處于打開(kāi)狀態(tài)。
圖3
低功耗穩(wěn)健I/O設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)
UART/USB共享應(yīng)用存在一個(gè)隱憂(yōu)，即信號(hào)電平有可能超過(guò)內(nèi)部系統(tǒng)的電源電壓。電池供電設(shè)備電源的I/O電壓通?？蛇_(dá)3.3V。如果我們把這個(gè)I/O電壓用作模擬開(kāi)關(guān)的電源，則USB低速/全速信號(hào)電平在3.0到3.6V間，這時(shí)就存在系統(tǒng)工作時(shí)輸入信號(hào)電平超過(guò)電源電壓的風(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)問(wèn)題是，如何在系統(tǒng)處于“斷電”狀態(tài)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。通常，這需要一個(gè)穩(wěn)定的電源以實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的高阻抗?fàn)顟B(tài)。
針對(duì)這些問(wèn)題有兩種解決方案。其一是把電池電源用作模擬開(kāi)關(guān)VCC，但這依賴(lài)于系統(tǒng)的放電極限，亦即若系統(tǒng)允許電池放電電壓在3.6V以下 (不幸的是往往如此)，則第一個(gè)問(wèn)題還是沒(méi)有得到解決。此外，在大部分時(shí)間里，電池電源電壓都高于系統(tǒng)的I/O電壓 (3.3V)，這意味著邏輯選擇引腳的電平可能大大低于電源電壓，可能導(dǎo)致很大的電流泄漏產(chǎn)生。所以，為了防止電流泄漏，邏輯選擇引腳中需要增加一個(gè)電平移動(dòng)IC。圖4例示了這一點(diǎn)。
圖4
第二種解決方案如圖5所示。
圖5
這種電源解決方案能夠確保任何時(shí)候 (不論上電還是斷電、USB線(xiàn)纜是否插入)，系統(tǒng)始終擁有電源。該方案唯一的限制是額外元件帶來(lái)的成本問(wèn)題。而這應(yīng)用的最后一個(gè)問(wèn)題也常常被忽略：USB短路承受能力的要求。
短路承受能力
USB 收發(fā)器必需能夠承受得起 D+ 和/或 D- 到 VBUS、GND以及其它數(shù)據(jù)線(xiàn)，或連接器插頭處電纜屏蔽外殼的至少 24 小時(shí)的持續(xù)短路，并且不會(huì)降低性能。建議收發(fā)器的設(shè)計(jì)應(yīng)能承受此種不確定短路故障。在短路的情況下，當(dāng)發(fā)送和接收時(shí)間各占一半 (所有支持的速度) 時(shí)，器件必須不受損害。發(fā)送期間有一個(gè)對(duì)稱(chēng)信號(hào)，在高低電平之間切換。在VBUS處于最大值(5.25V)時(shí)系統(tǒng)的短路承受能力必須得到保證。建議把這些 AC 和短路電路要求作為器件長(zhǎng)期可靠性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。即 USB2.0 規(guī)范。
還有一個(gè)需要考慮的重要因素是ESD (靜電放電) 保護(hù)。由于I/O端口極易遭受ESD，故強(qiáng)烈建議提供額外的ESD保護(hù)。如果USB信號(hào)通道是高速 (480M bps)的，則寄生電容最好小于1pF以使將總線(xiàn)負(fù)載減至最小，否則會(huì)反過(guò)來(lái)影響眼圖測(cè)試結(jié)果。在音頻/USB共享應(yīng)用中，還存在負(fù)擺動(dòng)信號(hào)的挑戰(zhàn)。要避免這一點(diǎn)的方法之一是把電容置于耳機(jī)線(xiàn)纜中。不過(guò)，要獲得更好的音頻低頻帶響應(yīng)，電容應(yīng)該盡可能地大，這樣一來(lái)，卻增大了尺寸和成本。解決該問(wèn)題的另一種方法是在設(shè)計(jì)中選用負(fù)擺動(dòng)音頻放大器 (音頻輸出信號(hào)直接基于GND上下擺動(dòng))。
飛兆半導(dǎo)體的創(chuàng)新多媒體開(kāi)關(guān)FSA201 和 FSA221便解決了上述各種問(wèn)題 (FSA201 用于全速USB，F(xiàn)SA221用于高速USB)。
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圖6
FS USB source FS USB源
AUDIO CODEC 音頻編解碼器
Device ID recognition 設(shè)備ID識(shí)別
MINI USB CONNECTOR 微型USB連接器
利用FSA201 和 FSA221，內(nèi)部邏輯控制能夠在VAUDIO 和 VBUS之間自動(dòng)切換電源，并滿(mǎn)足USB短路承受能力要求。當(dāng)VAUDIO=0時(shí)，這些開(kāi)關(guān)可自動(dòng)使所有端口處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。此外，R/L通道可以極高的隔離度接收低至VAUDIO-7.0V (若Vaudio=3.3V，則可接收3.3V~-3.7V 的信號(hào)) 的負(fù)擺動(dòng)信號(hào)。它具有低ICCT特性，允許VAUDIO上有更高的電源電壓，可實(shí)現(xiàn)泄漏小于10uA的正常I/O電壓級(jí)控制信號(hào)輸入。這些開(kāi)關(guān)內(nèi)集成了8KV ESD保護(hù)功能 (HBM模式)，非常適合于I/O共享應(yīng)用。所有這些特性都大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的I/O設(shè)計(jì)，同時(shí)保護(hù)了端口免受各種損害。
總結(jié)
隨著市場(chǎng)的趨勢(shì)是把越來(lái)越多的多媒體功能集成在外形日趨纖薄小型的便攜式設(shè)備中，模擬開(kāi)關(guān)在混合信號(hào)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)保護(hù)和智能檢測(cè)中承擔(dān)著不同于以往的新角色。這些開(kāi)關(guān)不僅僅是把便攜式應(yīng)用中的不同模塊連接在一起的重要橋梁，還擁有信號(hào)共享、隔離和保護(hù)的功能。新一代的模擬開(kāi)關(guān)，如FSA201和FSA221，為設(shè)計(jì)人員提供了極大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)這些整合了高性能、穩(wěn)健ESD保護(hù)和超緊湊封裝的開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)人員能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少元件數(shù)目、降低成本，以及把產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。如此一來(lái)，設(shè)計(jì)人員得以把更多的時(shí)間花在設(shè)計(jì)上，而不必再為選擇不同芯片組和更新處理器以應(yīng)付端口共享所帶來(lái)的棘手設(shè)計(jì)難題所煩擾。
在便攜式設(shè)備中，和UART (通用異步收發(fā)器) 信號(hào)通道共享USB I/O接口是很常見(jiàn)的。設(shè)計(jì)人員為此采用了模擬開(kāi)關(guān)，如圖1所示。
圖1
UART接口用于系統(tǒng)軟件更新，故用戶(hù)一般將很少使用這一功能，從而避免了外部I/O連接器占用空間與增加額外的成本。為了便于調(diào)試和開(kāi)發(fā)起見(jiàn)，設(shè)計(jì)人員通常寧愿讓這類(lèi)應(yīng)用與USB端口共享數(shù)據(jù)通道。
另一個(gè)流行趨勢(shì)是在USB信號(hào)和音頻信號(hào)間共享微型USB連接器。圖2顯示了最常用的應(yīng)用共享方式。
圖2
在這個(gè)應(yīng)用中，負(fù)信號(hào)將經(jīng)由電容的音頻信號(hào)路徑之后出現(xiàn)。但普通的單電源系統(tǒng)無(wú)法接收負(fù)信號(hào)，這可能會(huì)引起預(yù)想不到的泄漏或損害。在某些情況下，模擬開(kāi)關(guān)能夠耐受負(fù)信號(hào)而不會(huì)崩潰，但信號(hào)的負(fù)擺動(dòng)會(huì)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的通道串?dāng)_，大幅降低OFF隔離性能，甚至可能致使應(yīng)該關(guān)閉的通道處于打開(kāi)狀態(tài)。
圖3
低功耗穩(wěn)健I/O設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)
UART/USB共享應(yīng)用存在一個(gè)隱憂(yōu)，即信號(hào)電平有可能超過(guò)內(nèi)部系統(tǒng)的電源電壓。電池供電設(shè)備電源的I/O電壓通?？蛇_(dá)3.3V。如果我們把這個(gè)I/O電壓用作模擬開(kāi)關(guān)的電源，則USB低速/全速信號(hào)電平在3.0到3.6V間，這時(shí)就存在系統(tǒng)工作時(shí)輸入信號(hào)電平超過(guò)電源電壓的風(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)問(wèn)題是，如何在系統(tǒng)處于“斷電”狀態(tài)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。通常，這需要一個(gè)穩(wěn)定的電源以實(shí)現(xiàn)模擬開(kāi)關(guān)的高阻抗?fàn)顟B(tài)。
針對(duì)這些問(wèn)題有兩種解決方案。其一是把電池電源用作模擬開(kāi)關(guān)VCC，但這依賴(lài)于系統(tǒng)的放電極限，亦即若系統(tǒng)允許電池放電電壓在3.6V以下 (不幸的是往往如此)，則第一個(gè)問(wèn)題還是沒(méi)有得到解決。此外，在大部分時(shí)間里，電池電源電壓都高于系統(tǒng)的I/O電壓 (3.3V)，這意味著邏輯選擇引腳的電平可能大大低于電源電壓，可能導(dǎo)致很大的電流泄漏產(chǎn)生。所以，為了防止電流泄漏，邏輯選擇引腳中需要增加一個(gè)電平移動(dòng)IC。圖4例示了這一點(diǎn)。
圖4
第二種解決方案如圖5所示。
圖5
這種電源解決方案能夠確保任何時(shí)候 (不論上電還是斷電、USB線(xiàn)纜是否插入)，系統(tǒng)始終擁有電源。該方案唯一的限制是額外元件帶來(lái)的成本問(wèn)題。而這應(yīng)用的最后一個(gè)問(wèn)題也常常被忽略：USB短路承受能力的要求。
短路承受能力
USB 收發(fā)器必需能夠承受得起 D+ 和/或 D- 到 VBUS、GND以及其它數(shù)據(jù)線(xiàn)，或連接器插頭處電纜屏蔽外殼的至少 24 小時(shí)的持續(xù)短路，并且不會(huì)降低性能。建議收發(fā)器的設(shè)計(jì)應(yīng)能承受此種不確定短路故障。在短路的情況下，當(dāng)發(fā)送和接收時(shí)間各占一半 (所有支持的速度) 時(shí)，器件必須不受損害。發(fā)送期間有一個(gè)對(duì)稱(chēng)信號(hào)，在高低電平之間切換。在VBUS處于最大值(5.25V)時(shí)系統(tǒng)的短路承受能力必須得到保證。建議把這些 AC 和短路電路要求作為器件長(zhǎng)期可靠性的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。即 USB2.0 規(guī)范。
還有一個(gè)需要考慮的重要因素是ESD (靜電放電) 保護(hù)。由于I/O端口極易遭受ESD，故強(qiáng)烈建議提供額外的ESD保護(hù)。如果USB信號(hào)通道是高速 (480M bps)的，則寄生電容最好小于1pF以使將總線(xiàn)負(fù)載減至最小，否則會(huì)反過(guò)來(lái)影響眼圖測(cè)試結(jié)果。在音頻/USB共享應(yīng)用中，還存在負(fù)擺動(dòng)信號(hào)的挑戰(zhàn)。要避免這一點(diǎn)的方法之一是把電容置于耳機(jī)線(xiàn)纜中。不過(guò)，要獲得更好的音頻低頻帶響應(yīng)，電容應(yīng)該盡可能地大，這樣一來(lái)，卻增大了尺寸和成本。解決該問(wèn)題的另一種方法是在設(shè)計(jì)中選用負(fù)擺動(dòng)音頻放大器 (音頻輸出信號(hào)直接基于GND上下擺動(dòng))。
飛兆半導(dǎo)體的創(chuàng)新多媒體開(kāi)關(guān)FSA201 和 FSA221便解決了上述各種問(wèn)題 (FSA201 用于全速USB，F(xiàn)SA221用于高速USB)。
align=center>
圖6
FS USB source FS USB源
AUDIO CODEC 音頻編解碼器
Device ID recognition 設(shè)備ID識(shí)別
MINI USB CONNECTOR 微型USB連接器
利用FSA201 和 FSA221，內(nèi)部邏輯控制能夠在VAUDIO 和 VBUS之間自動(dòng)切換電源，并滿(mǎn)足USB短路承受能力要求。當(dāng)VAUDIO=0時(shí)，這些開(kāi)關(guān)可自動(dòng)使所有端口處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。此外，R/L通道可以極高的隔離度接收低至VAUDIO-7.0V (若Vaudio=3.3V，則可接收3.3V~-3.7V 的信號(hào)) 的負(fù)擺動(dòng)信號(hào)。它具有低ICCT特性，允許VAUDIO上有更高的電源電壓，可實(shí)現(xiàn)泄漏小于10uA的正常I/O電壓級(jí)控制信號(hào)輸入。這些開(kāi)關(guān)內(nèi)集成了8KV ESD保護(hù)功能 (HBM模式)，非常適合于I/O共享應(yīng)用。所有這些特性都大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的I/O設(shè)計(jì)，同時(shí)保護(hù)了端口免受各種損害。
總結(jié)
隨著市場(chǎng)的趨勢(shì)是把越來(lái)越多的多媒體功能集成在外形日趨纖薄小型的便攜式設(shè)備中，模擬開(kāi)關(guān)在混合信號(hào)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)保護(hù)和智能檢測(cè)中承擔(dān)著不同于以往的新角色。這些開(kāi)關(guān)不僅僅是把便攜式應(yīng)用中的不同模塊連接在一起的重要橋梁，還擁有信號(hào)共享、隔離和保護(hù)的功能。新一代的模擬開(kāi)關(guān)，如FSA201和FSA221，為設(shè)計(jì)人員提供了極大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)這些整合了高性能、穩(wěn)健ESD保護(hù)和超緊湊封裝的開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)人員能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少元件數(shù)目、降低成本，以及把產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。如此一來(lái)，設(shè)計(jì)人員得以把更多的時(shí)間花在設(shè)計(jì)上，而不必再為選擇不同芯片組和更新處理器以應(yīng)付端口共享所帶來(lái)的棘手設(shè)計(jì)難題所煩擾。
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