USB连接在物联网供电设计中的应用

USB连接在物联网供电设计中的应用

USB简史

USB标准的拓扑连接分为设备（device）和主机（host）。主机是发起通信并提供电源的机器；在桌面上，通常就是你的笔记本电脑或台式PC。设备是连接到主机的下游设备，简单的回应主机的任何请求；在桌面上，鼠标和键盘就是常见的USB设备。

关于USB连接器的独特之处是它也可以为连接的设备供电，因此不需要为你的鼠标或外接硬盘驱动器增加额外的电源。USB标准规定主机至少输出100mA的电 流给设备，并且如果设备支援的话，它有可能获得500mA电流。这些供电能力来自最初的USB标准，PC几乎总是作为主机，并且它们一直都是透过墙壁插座获得电源。这个USB标准需求限制了USB在低功耗应用上的发展，尽管对PC应用来说，主电源供应并不成问题。

但是当这种成熟的M2M接口要满足今日电池供电的IoT世界时，会发生什么？当主机也是一个便携式设备时，又有什么影响呢？

对于现今USB硬件的影响

通过正确选择具备USB功能的硬件，将能够开发出耗电极少的设备，同时通用M2M接口也得以消除几乎所有的外部元件。

用于电池供电领域中的USB技术

为了解USB技术如何改善功耗又保持易用和随插即用的功能性，我们首先需要快速浏览一下USB的通信过程。一般情况下，仅有主机能够发起传输。即使没有通信，主机也要每毫秒发送连线（keep-alive）信息给设备。如果设备有可用数据，它会回应。在这种工作模式下，设备可获得高达100mA的能量，并且主机预期设备能够立即回应任何请求。当主机停止发送这些连线信息达到3ms时，设备应进入暂停状态并且立即消减它的电流消耗到3mA以下。

在暂停状态下，大部分设备能被关闭，通常我们能够关闭最耗能的PHY。即使现今的MCU能够轻松实现3mA的暂停电流，我们也没有理由保持在那么高的状态。具备良好能源模式的MCU应能在这种模式下实现小于3μA的电流消耗，包含PHY的电流消耗。

然而在工作模式中，当检测一个正常键盘设备的USB通信时，主动模式不是十分有效的；大多数时候，设备仅仅等待主机发送数据。然而当主机请求设备回应时，回应必须及时；这是为什么大多数实作上会保持USB周边设备一直运行在48MHz以允许足够的回应时间。在这个特别的实例中，97%的时间是空闲的，即使我们进行了列举（enumerated）和启动。

图1：具备低能耗模式（LEM，low-energy mode）键盘传输总线的有效信号表明了何时关闭耗电的USB接口元件。

理所当然，对开发人员和终端使用者来说，低能耗USB应实现于无形之中。透过低能耗模式（LEM），降低能耗是十分明显的，如图2所示。当这种技术与其他空间和成本节省特性（例如无晶振USB应用和时脉恢复）相互结合时，开发人员能够实现真正的超低能耗通用M2M接口，并且不需要额外元件。

结论

USB接口已经从一个减少传统桌上型PC杂乱线缆连接的简单需求，发展成为消费性电子设备接口的标准。具备USB功能的便携式设备日益普及，促使整合的USB周边设备提供新的设计要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗得以减少，并延长了电池使用寿命。当与无晶振USB技术相结合时，广泛使用的USB标准将使得所有可连接设备变得更加智能、可连接的、节能。

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