便携式设计中I/O端口共享的设计挑战
时间：2009-05-11 11:53:03
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[导读]本文探讨了在UART和USB、音频信号和USB之间共享同一个I/O端口所带来的挑战，其中包括如何在上电和断电时保护系统接口，以及如何保持数字信号的完整性和模拟信号的保真度。当上电时，必需能满足短路承受能力的要求，同时在信号实际超过核心系统能力的高阻抗状态下保护系统。在系统断电时，I/O端口必须关闭以防止外部信号通过系统而造成任何损害。因此，如果需要共享音频信号和高速USB信号，音频通道就必须保持低阻抗和低THD的特性，而高速USB通道则必须具有适当的寄生阻抗与电容比值。此外，在音频共享应用中还存在着负摆动信号和POP噪声的巨大挑战。
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
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。
还有一个需要考虑的重要因素是ESD (静电放电) 保护。由于I/O端口极易遭受ESD，故强烈建议提供额外的ESD保护。如果USB信号通道是高速 (480M bps)的，则寄生电容最好小于1pF以使将总线负载减至最小，否则会反过来影响眼图测试结果。在音频/USB共享应用中，还存在负摆动信号的挑战。要避免这一点的方法之一是把电容置于耳机线缆中。不过，要获得更好的音频低频带响应，电容应该尽可能地大，这样一来，却增大了尺寸和成本。解决该问题的另一种方法是在设计中选用负摆动音频放大器 (音频输出信号直接基于GND上下摆动)。
飞兆半导体的创新多媒体开关FSA201 和 FSA221便解决了上述各种问题 (FSA201 用于全速USB，FSA221用于高速USB)。
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图6
FS USB source FS USB源
AUDIO CODEC 音频编解码器
Device ID recognition 设备ID识别
MINI USB CONNECTOR 微型USB连接器
利用FSA201 和 FSA221，内部逻辑控制能够在VAUDIO 和 VBUS之间自动切换电源，并满足USB短路承受能力要求。当VAUDIO=0时，这些开关可自动使所有端口处于高阻抗状态。此外，R/L通道可以极高的隔离度接收低至VAUDIO-7.0V (若Vaudio=3.3V，则可接收3.3V~-3.7V 的信号) 的负摆动信号。它具有低ICCT特性，允许VAUDIO上有更高的电源电压，可实现泄漏小于10uA的正常I/O电压级控制信号输入。这些开关内集成了8KV ESD保护功能 (HBM模式)，非常适合于I/O共享应用。所有这些特性都大大简化了系统的I/O设计，同时保护了端口免受各种损害。
总结
随着市场的趋势是把越来越多的多媒体功能集成在外形日趋纤薄小型的便携式设备中，模拟开关在混合信号转换、系统保护和智能检测中承担着不同于以往的新角色。这些开关不仅仅是把便携式应用中的不同模块连接在一起的重要桥梁，还拥有信号共享、隔离和保护的功能。新一代的模拟开关，如FSA201和FSA221，为设计人员提供了极大的优势。通过这些整合了高性能、稳健ESD保护和超紧凑封装的开关，设计人员能够简化设计、减少元件数目、降低成本，以及把产品更快地推向市场。如此一来，设计人员得以把更多的时间花在设计上，而不必再为选择不同芯片组和更新处理器以应付端口共享所带来的棘手设计难题所烦扰。
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
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。
还有一个需要考虑的重要因素是ESD (静电放电) 保护。由于I/O端口极易遭受ESD，故强烈建议提供额外的ESD保护。如果USB信号通道是高速 (480M bps)的，则寄生电容最好小于1pF以使将总线负载减至最小，否则会反过来影响眼图测试结果。在音频/USB共享应用中，还存在负摆动信号的挑战。要避免这一点的方法之一是把电容置于耳机线缆中。不过，要获得更好的音频低频带响应，电容应该尽可能地大，这样一来，却增大了尺寸和成本。解决该问题的另一种方法是在设计中选用负摆动音频放大器 (音频输出信号直接基于GND上下摆动)。
飞兆半导体的创新多媒体开关FSA201 和 FSA221便解决了上述各种问题 (FSA201 用于全速USB，FSA221用于高速USB)。
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图6
FS USB source FS USB源
AUDIO CODEC 音频编解码器
Device ID recognition 设备ID识别
MINI USB CONNECTOR 微型USB连接器
利用FSA201 和 FSA221，内部逻辑控制能够在VAUDIO 和 VBUS之间自动切换电源，并满足USB短路承受能力要求。当VAUDIO=0时，这些开关可自动使所有端口处于高阻抗状态。此外，R/L通道可以极高的隔离度接收低至VAUDIO-7.0V (若Vaudio=3.3V，则可接收3.3V~-3.7V 的信号) 的负摆动信号。它具有低ICCT特性，允许VAUDIO上有更高的电源电压，可实现泄漏小于10uA的正常I/O电压级控制信号输入。这些开关内集成了8KV ESD保护功能 (HBM模式)，非常适合于I/O共享应用。所有这些特性都大大简化了系统的I/O设计，同时保护了端口免受各种损害。
总结
随着市场的趋势是把越来越多的多媒体功能集成在外形日趋纤薄小型的便携式设备中，模拟开关在混合信号转换、系统保护和智能检测中承担着不同于以往的新角色。这些开关不仅仅是把便携式应用中的不同模块连接在一起的重要桥梁，还拥有信号共享、隔离和保护的功能。新一代的模拟开关，如FSA201和FSA221，为设计人员提供了极大的优势。通过这些整合了高性能、稳健ESD保护和超紧凑封装的开关，设计人员能够简化设计、减少元件数目、降低成本，以及把产品更快地推向市场。如此一来，设计人员得以把更多的时间花在设计上，而不必再为选择不同芯片组和更新处理器以应付端口共享所带来的棘手设计难题所烦扰。
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