USB On-The-Go　可攜式系統的USB

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通用序列匯流排(USB)最初的規格制定可回溯至1996年，當時印表機透過粗重的平行埠纜線連接至PC，數據機則透過序列RS232介面進行連接。當時的使用者希望有簡單的方式能夠在PC環境中使用序列介面。USB 所定義的系統可便於連接多個週邊裝置，並且便於安裝週邊裝置的驅動程式。PC可作為主機，連接裝置便成為週邊裝置。

USB是主機型系統，不能夠與兩個主機或兩個週邊裝置相互連接。目前使用的電池供電可攜式裝置不斷增加，而且對於高速資料介面的效能需求造就了USB On-The-Go ，這類點對點USB通訊協定的開發及運用日益廣泛，它可視為一主機型系統，其中的一個週邊裝置會作為USB主機，這個作為USB主機的週邊裝置必須具備以下功能：支援USB電源管理(獲得電流供應並調節 USB供應電壓)；實作USB指令剖析器，並支援性質不同但數量有限的USB週邊類別；具有序列「A」主機連接器插孔。

對於可攜式裝置而言，要達到作為主機的這些嚴格需求並不切合實際。在大多數情況下，可攜式裝置並不需要具備這些條件。為了因應這些需求條件，2001年便推出了 USB 2.0規格補充版。USB On-The-Go(OTG)定義了一些規則來克服作為主機的嚴格限制。USB-OTG對USB 2.0規格做出了最低程度的變動，可攜式USB應用遂得以實現。這些功能包括較小型的連接器及裝置直接相互連接的功能。此外，USB-OTG能夠在不使用時關閉介面，以節省電力。依照USB標準定義，經兩條電線將電源透過USB傳輸線輸送至週邊裝置，則主機供應給匯流排的電源需求可降至目前的最低8mA電源，使得現今提供主機功能的裝置能夠將100mA或500mA供應給匯流排，以連接耗電量較大的週邊裝置，如大量儲存裝置(例如 USB快閃記憶體裝置)等。

USB-OTG支援的資料速率並未改變，包括：低速(USB 1.0)─每秒1 MB；全速(USB 1.1)─每秒 12 MB；高速(USB 2.0)─每秒 480 MB。

為了能夠相互直接通訊，引進了不同類別的裝置：A裝置、B裝置，以及雙模AB裝置 (也稱為OTG裝置)。A裝置部分：使用標準A或 Mini-A插頭 (ID接腳短路)、將電源供應給 Vbus、必須至少供應8mA電源、階段作業開始時為主機 (主要裝置)、可從主機角色切換為雙模裝置。B裝置部分：使用標準B或 Mini-B插頭(ID接腳浮動)、階段作業開始時為週邊裝置(從屬裝置)、若由主機驅動，最多可耗用 8Ma。雙模裝置部分：主機功能有限、作為週邊裝置時可全速運作、作為主機時可全速運作、特定週邊裝置清單、階段作業要求通訊協定、主機協商通訊協定、唯一的 MiniAB插孔、需要將最低的8mA供應給 Vbus、將訊息傳遞給使用者的方法。

透過 USB-OTG，只有連接的其中一端必須是OTG主機或週邊裝置，因此能夠與PC或印表機等標準USB產品相互連接。因此，手機能夠連接至PC成為週邊裝置，以同步處理通訊錄，另外能夠在連接至印表機或大量儲存裝置時成為主機。一旦建立連線，裝置會自行處理所有主機/週邊裝置協商。為了實現這一點，手機必須是A裝置或雙模裝置。作為A裝置時，手機將預設成為主機，而作為雙模裝置時，則將預設成為週邊裝置。USB-OTG能夠讓裝置作為主機或週邊裝置，也能夠讓裝置同時作為主機與週邊裝置 (雙模)，並且依需求切換角色。

低功耗是可攜式裝置的關鍵特色。對於標準USB裝置，主機供應的Vbus 5V電壓會持續開啟。對於OTG裝置，Vbus電壓及收發器可予以關閉。「階段作業要求」通訊協定能夠重新啟動裝置，並開始階段作業。階段作業要求通訊協定允許B裝置要求A裝置開啟Vbus及收發器的電源。B裝置因此能夠發出 D+及Vbus的脈衝，而A裝置會回應其中之一。對於電源供應範圍8mA到100mA以內的裝置，Vbus電壓範圍介於4.4V與5.25V之間。

OTG主機通常是由電壓範圍介於3.0V至4.2V之間的單顆鋰離子電池進行供電，此一電壓必須能夠提高至額定的5V，有兩種可能的解決方案可供採行：電感升壓轉換器或電容幫浦。對於100mA以下的輸出電流，能夠以小型外部元件實作電容幫浦。對於較高的輸出電流，則可使用電感升壓轉換器。設計轉換器供應Vbus電壓的其中一個難題是輸出電容。標準USB主機的輸出電容最低為96μF，而OTG 裝置的輸出電容必須介於1μF與6.5μF之間，如此低的數值使得電源管理裝置的穩定控制迴路設計極為困難，只有透過具有高切換頻率或電容幫浦的升壓轉換器才能夠實現。由於陶瓷輸出電容能夠以低成本及小尺寸達到良好的效能，因此通常被使用，缺點是會出現所謂的DC偏壓效應。電壓施加於陶瓷電容時，實際電容會因為施加電壓而降低。5V電壓施加於4.7μF陶瓷電容時，會降至額定數值的50%程度。Vbus脈衝是OTG裝置對輸出電容的嚴格需求，當A裝置驅動Vbus而使連接匯流排的電容進行充電時，B裝置會監測上升時間。由於OTG裝置與標準USB裝置的電容有極大的差異，B裝置能夠偵測所連接的是OTG裝置或標準USB裝置。

高速USB-OTG的完整實現不僅需要具有電源管理裝置的USB收發器將5V供應給Vbus，並能夠處理每秒480MB資料速率的主機處理器，此外，USB收發器也必須由可用電源供應，產生的不同供應電壓軌，因此，電源管理單位不僅需針對Vbus產生5V，並且針對USB收發器產生所有電壓。透過如此的方法，即可依據電源管理及USB收發器等兩種晶片，定義完整的高速USB-OTG解決方案，這個解決方案可透過主機介面連接至主機處理器，使用具有電源管理晶片TPS65030的TUSB6020，高速USB-OTG控制器，即可實作此類系統。

TPS65030是USB實作的電源供應晶片，其中包含4組不同的轉換器，能夠產生如下所列的電壓：Vbus的5V@100mA；TUSB6020之中類比區塊的3.3V@22mA；TUSB6020的1.5V@200mA核心電壓；TUSB6020的1.8V@60mA I/O電壓。

為了達到最小的解決方案尺寸，已開發出採用電容幫浦的裝置。TPS65030採用小型25球晶片級封裝。分數型電容幫浦可產生Vbus所需的5V。由於1.5V核心電壓低於鋰離子電池一般電壓的一半，因此可使用步降電容幫浦產生核心電壓。對於3.3V電壓，只要輸入電壓高於3.4V，LDO即可達到高效率。對於較低的輸入電壓，則可切換至電容幫浦模式，使輸入電壓升高至3.3V。I/O電壓只能由LDO的 Vout4供應，透過這個方法，整體效率可達到90%的程度。對於大於3.6V的輸出電壓，一般效率高於70%。

在USB待機模式中，將SLEEP接腳拉至Vin，即可將TPS65030切換至低功耗模式，在此情況下，TPS65030的靜態電流會降至幾μA的程度，使得電源供應及USB收發器TUSB6020的供應電流只有100μA。

除了此項特色之外，TPS65030能夠切換至Vout2及Vout3的匯流排供電模式，在此情況下，連接TPS65030的主機所供應的5V匯流排電壓可用於供電給裝置，有助於延長應用的電池使用時間。轉換為匯流排供電模式的程序，是以SW_EN1及SW_EN2接腳完成，將這些輸入拉至Vin時，Vbus的電壓會受到比較器監測，而將Vout2及Vout3的輸入切換為施加於Vbus的電壓。

註：本文作者Thomas Schaeffner為現任德州儀器系統工程師，負責電源管理部門的新產品規格制定。