教你如何精通USB 2.0集线器电源管理设计？

USB集线器不仅可向下游的USB端口提供数据和电源，还允许主机通过软件对连接到下游端口的设备进行电源管理。USB 2.0集线器系统中的电源分配与管理堪称决定系统是否完全符合USB规范（2.0版）的主要因素。

电源分配

所有连接到USB端口的设备可配置成低功率或高功率，这取决于设备的电压和电流要求。

首先将所有USB设备枚举为低功率器件。主机在枚举完成后检查设备配置描述符的bMaxPower字段。如果bMaxPower表明该设备属于高功率，并且可提供相应电源，那么主机会允许将该设备转为高功率。

USB设备可被分为自供电和总线供电。图1给出了这两种集线器配置。

总线供电集线器系统

在这种配置下，集线器的内部工作及其下游端口都由集线器上游端口的VBUS供电。这种配置无需本地电源。

在总线供电的系统中，所有下游设备必须是低功率设备。这是因为集线器从上游电源消耗的最大电流为500mA，且集线器自身工作还要使用一部分电流，所以无法将500mA电流完全提供给下游设备。因此，在超过四个端口或下游包含高功率设备的设计中不建议使用总线供电的集线器配置。

重要的设计考虑因素

● 切勿将两个总线供电的集线器进行串联。

● 总线供电的集线器无法提供超过100mA的电流，因此不能为其下游端口上连接的集线器供电。

● 总线供电的集线器不能为高功率设备进行供电。

● 总线供电的集线器要求具有电源开关（如“电源管理”中所述）。
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自供电集线器系统

自供电集线器将来自本地电源的功率分配到其下游端口。这种集线器控制器的功率既可以来自本地电源，也可以来自VBUS。自供电集线器自身工作消耗的最大电流为100mA。通过VBUS为其USB接口供电的自供电集线器可被称为混合供电集线器。使用混合供电集线器可区分断开连接的设备和关闭电源的设备。

使用自供电集线器会增加设计的复杂性。USB规范（2.0版）的7.2.1节要求用一种机制来识别VBUS的存在，并相应地为D+/D-上拉电阻进行供电。当VBUS移除后，设备必须在10秒内关断D+/D-上拉电阻的电源。违反这一要求可能会引起各种系统故障，而且将无法通过USB合规性测试。一种有文件记录的故障就是上游设备的复位问题。复位问题可能导致PC冷启动故障或集线器无法枚举下游设备。此外，其它故障还包括无法从挂起状态中正确恢复以及强制其它枚举设备断开总线等。混合供电集线器设计则无需进行VBUS监视。

重要的设计考虑因素

● 自供电集线器需要一种机制来检查VBUS的存在并相应地驱动D+/D-线路。

● 自供电集线器需要为下游端口实现过流保护。

● 在具有超过四个下游端口的系统中使用自供电集线器。

● 在包含高功率设备的系统中使用自供电集线器。

电源管理

出于安全考虑，USB规范（2.0版）要求为所有自供电集线器设计提供过流保护。利用外部电源开关实现过流检测和电源切换。过流保护可利用聚合物PTC或固态开关来实现。

电源切换意味着您的USB集线器能关闭下游设备的电源。所有总线供电集线器设计都要有电源切换功能。此外，自供电集线器还能为下游端口实现电源切换，但这并不是必需的。电源切换能以群组模式和单个模式实现。在群组模式下，如果组中所有端口消耗的总电流超出了预设限制，那么集线器就可将这组端口一同关闭。在单个模式下，集线器仅关闭超过限制的单个端口。

当单个端口处于未配置或关闭状态时，此单个端口的电源就会被关闭。在群组模式下，只有组中所有端口都处于未配置或关闭状态时，集线器才会关闭这组端口。如果群组中任意一个端口收到SetPortFeature(PORT_POWER)请求，集线器就会打开端口组。

单个模式电源切换

单个模式端口保护功能为每个端口使用专用开关。当端口出现电源浪涌时，集线器会将其电源关闭。由于单个模式需要为每个端口配备专用开关，因此成本更高。图2给出了单个模式电源切换的实例。

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电源开关引脚：

● 当下游端口出现过流时，FLAG A和FLAG B会向集线器发出告警。

● OUT A和OUT B为下游端口进行供电。

● EN1和EN2通过切换OUT A和OUT B来启用或禁用下游端口的电源。

群组模式电源切换

群组中包含的任何一个端口出现电源浪涌都会导致集线器关闭群组中所有端口的电源。这种方法中由于多个端口共用一个开关，因此成本比较低。但是，显而易见的缺点是组中一个端口出现浪涌就会使所有端口断电。图3给出了群组模式电源切换的实例。

挂起状态

所有USB设备都应支持挂起状态，从而最大限度地降低功耗。USB设备能够从任何其它USB状态转为挂起状态。若上游数据线路维持空闲状态超过3ms，设备就会进入挂起状态。在挂起状态下，USB集线器需要为D+或D-线路提供电流，从而让其下游设备保持正确状态。总线上的任何活动都会将设备从挂起状态唤醒。在挂起状态下，设备从上游端口最大消耗2.5mA电流。

尽管USB协议是以主机为中心的，但支持远程唤醒的设备也可通知主机让设备退出挂起状态，并恢复事务处理。本文介绍了USB 2.0集线器系统的配置和电源管理等选项，并可作为参考指南，用于设计完全满足USB规范（2.0版）的集线器系统。