中心議題：
- 智能手機USB2.0端口共享方案
解決方案：
- 內部的功率管理器件來控制單個USB2.0端口
- 采用集線器集成兩個處理元件，同時訪問USB端口
- 低功耗電荷泵USB開關
典型的智能手機包含一個通信處理器、一個應用處理器和一個功率管理IC，它們都必需共享單個USB端口，并以480Mbps的高速USB數據速率進行通信。而很多移動設備需要許多信號處理集成電路（IC）以滿足用戶各種不同的功能要求。各種新奇的玩意兒正在讓智能手機變得越來越娛樂化，沒有更好的應用就會落后，市場銷售就不理想。本文介紹一些能夠解決該問題的方案，并對從USB集線器到簡單模擬開關的各種不同解決方案進行比較。
USB 即“Universal Serial Bus ”，中文名稱為通用串行總線。這是近幾年逐步在PC 領域廣為應用的新型接口技術。USB接口具有傳輸速度更快，支持熱插拔以及連接多個設備的特點。目前已經在各類外部設備中廣泛的被采用。目前USB接口有兩種：USB1.1和USB2.0。理論上USB1.1的傳輸速度可以達到12Mbps/秒，而USB2.0則可以達到速度480Mbps/秒，并且可以向下兼容USB1.1。
智能手機的一種設計方式是讓內部的功率管理器件來控制單個USB2.0端口，這可以通過采用一個3:1的多路復用USB開關把USB 2.0端口轉向自身來完成。默認情況下，其也可轉向應用處理器，用來實現大多數多媒體功能性（比如MP3播放或視頻處理）。還可轉向通信處理器，用于無線電通信，可實現數據訪問或通話（見圖1）。這種架構具有一種優勢，即當功能未使用時，允許手機進入睡眠狀態。此外，在檢測到USB 2.0端口活動時，或者是任一個處理器需要使用USB端口時，功率管理單元可以喚醒相關處理器。在USB插口首次插入后，功率管理IC還可以詢問USB線路，確定是否有專用USB充電器或充電主設備端口連接，以便通過VBUS信號直接給電池充電。當與USB主設備（如PC）通信時，通信和應用處理器內的物理層（PHY）使用USB開關的480Mbps全高速數據帶寬。
圖1：用于共享一個USB 2.0端口的多路復用USB 2.0開關。
4G手機的最新趨勢是在手機中集成兩個處理元件，同時訪問USB端口。對于這種應用，一個比較好的選擇是采用集線器。不過麻煩在于USB集線器的接線通常是電容性的，功耗相當大；而另一方面，同時訪問USB端口的機會又不多。圖2所示為這種手機的一種設計方法，其中，3G通信處理器必需與4G處理器分開來單獨訪問USB端口。通過一個隔離開關（FSUSB31），并采用極短的PCB引線，可以盡量減小電容。這樣一來，在從3G通信處理器到USB主設備的路徑上，一個高速發射USB數據眼（data eye）與USB規范相比有很大的裕量。在這個例子中，應用處理器控制USB 3:1多路復用開關，當后者在待機模式下處于低電狀態時，它可以讓自己的控制線路上的上拉和下拉電阻連接到默認的應用處理器。
圖2：多路復用USB 2.0開關和帶隔離開關的集線器應用。
上述功能可通過開關來實現，上電時其功耗極小，禁用時功耗幾乎為零。在圖2所示的4G手機應用中，FSUSB63始終上電，耗電量只有幾微安。同時，在圖1所示的應用中，當功率管理IC在待機模式下關斷FSUSB63時，其耗電量降至1微安以下。
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對于大多數集成電路而言，高速和低功耗一般是一對相互矛盾的特性。能夠兩者兼具的解決方案常常需要降低電壓，并使用精細的幾何工藝尺寸；然而，USB規范要求的是高電壓信號。在性能穩健的手機設計中，D+和D-信號能夠承受至5V VBUS信號線的短路，故限制了低電壓解決方案。不過，最近推出的低功耗電荷泵USB開關解決了這個問題，并滿足嚴苛的USB發射眼圖要求，如圖3所示。事實上，無需對架構或所選器件做任何修改，大多數這類設計的工作速率就能夠達到高速USB數據速率（> 1 Gbps）的兩倍以上。
圖3：高速USB 2.0發射眼圖。
要通過USB開關從一個處理器切換到另一個處理器，首先需要斷開所有路徑，然后留有足夠的時間，以確保USB主設備端口控制器能夠識別出某個斷開，并切換到其它路徑；這樣，可以允許主設備復位，并對新的USB設備進行重新設置。這一切都是采用軟件在手機上完成，并需要軟件工程師參與，根據所選硬件的限制條件編寫軟件。不過，目前較先進的USB開關允許更多地使用便攜式設備軟件，故前面提到的方式正逐漸被淘汰。這是因為這些USB開關的選擇控制信號發生任何變化，都會在一段預定的時間內自動啟動斷開連接。該時間由USB 2.0高速規范決定，以便于USB主設備識別斷開，然后內部產生新的連接。
如上所述，對大多數便攜式設備來說，節能是至關重要的，故處理器的電源電壓常常降至1.2V或更低。因此，在與直接依賴電池供電的較高電壓設備連接時，即使輸入端電壓較低，電池的耗電量也相當可觀。減小耗電量的方法之一是采用電壓轉換器。由于USB開關本身是一個很慢的過程，通過基于最低供電電壓來設置輸入閾值，這些USB開關在這類環境下的耗電量小得可忽略不計。此外，還設計有輸入緩沖器，以便在最壞的電壓差情況下實現節能，以大大減輕系統設計人員的工作強度。
圖4：采用單個USB端口的音頻耳機。
對于更小的便攜式設備，印制電路板（PCB）上的占位空間和成本始終是重要考慮因素。目前USB開關可在微型封裝中設計實現，引腳間距僅0.4mm，其在PCB上的占位面積非常小，故而遠遠勝過那些帶有專用于USB連接的適配器（Dongle）的大尺寸專有連接器。此外，這種開關的成本也遠低于USB集線器。
有時候，需要把USB開關級聯起來，在這種應用中，側負載（side loading controller）控制器使用媒體傳輸協議（Media Transfer Protocol），可以從主PC下載電影到SD存儲卡里，而不會給智能手機中的應用處理器造成負擔。這時，要確保高速USB流量對最快下載速度可行，USB開關關斷（OFF）狀態下的電容至為關鍵。最先進的USB開關OFF電容相當低（一般為2pF），這就允許在手機設計的最后階段添加多個開關，從而為智能手機增加新的功能。
為了盡量減少智能手機上連接器的數量，除了高速和/或全速USB之外，USB端口有時被設計為附著在模擬音頻耳機上。特殊的USB開關利用通過USB連接器的VBUS信號發送的耳機麥克風信號來滿足這種需求，同時D+和D-信號被分別發送給耳機的左右揚聲器信號。以USB開關FSA800為例，在插入之后，它會判斷該USB端口是否為一個采用USB電池充電規范算法的USB充電器。這就允許處理器根據USB連接器的ID引腳信號狀態來控制開關路徑選擇。其它USB開關利用ID引腳來檢測和自動切換配置，并能夠幫助實現大量各種各樣的復雜附件功能，包括：范圍廣泛的配件，比如非常特殊的工廠測試線纜，其可利用現有工廠測試裝置來獲得最大的測試成本效益；非常具有特色的音樂播放耳機，配備有MP3播放所需的全部遙控按鍵；以及FM無線電收音機、或無雜音（click-and-pop free）撥打/接聽電話，在不同功能之間可無縫切換。
當今的智能手機利用高速USB開關實現了巨大的功能，同時還使手機減小到一個很小的micro-USB高速端口連接器的厚度。如果需要USB同時與多種設備通訊，這種USB端口可被連接到應用處理器、通信處理器、USB集線器、音頻驅動器和眾多其它速率較低的必需功能。這種功能性的實現得益于最新USB開關中內置有先進電路，同時又不會對功耗、PCB芯片面積和成本有不良影響。此外，它同時還提供USB充電器檢測功能，從而有利于全球推動向適用于所有便攜式設備的通用USB充電器的發展。
