便携式设计中I/O端口共享的设计挑战

文章摘要：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。图1UART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。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

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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。



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。



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。



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。



图4

第二种解决方案如图5所示。



图5

www.88dzw.com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。

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