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USB電源管理

發(fā)布時(shí)間:2010-08-19

中心議題:
  • USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和電源管理
解決方案:
  • USB通用串行總線與HID人機(jī)接口設(shè)備
  • 通過(guò)USB協(xié)議完成主機(jī)與控制部件之間的狀態(tài)和控制信息的通信

電源管理,歷來(lái)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與維護(hù)的主要環(huán)節(jié)之一。在過(guò)去,用戶想了解電源的情況,只能通過(guò)設(shè)備上有限的工作指示;隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電源系統(tǒng)(如UPS)開(kāi)始通過(guò)RS-232與計(jì)算機(jī)通信,使用戶對(duì)電源的控制大為方便;但RS-232也并非是完美的,總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來(lái)了IEEE1394(高速串行總線)和USB。電源設(shè)備最終選擇了適合中低速外設(shè)的USB標(biāo)準(zhǔn)。這并不是在趕時(shí)髦,在其背后有著深厚的需求背景。

遵循USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和管理電源設(shè)備,充分實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的即插即用,低功耗和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),是電源設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)之一。

一.USB通用串行總線與HID人機(jī)接口設(shè)備

USB(UniversalSerialBus)是以Intel為主,并有Compaq,Microsoft,IBM,DEC,NorthernTelecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn),1994年11月制定了第一個(gè)草案,1996年2月公布了USB規(guī)格版本1.0。USB可把多達(dá)127個(gè)外設(shè)聯(lián)到你的系統(tǒng)上,其12Mbps的帶寬對(duì)如鍵盤(pán),鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠的。該技術(shù)使你能把設(shè)備隨時(shí)插上或拔下你的系統(tǒng),最終還將不再需要在你的PC機(jī)后面設(shè)多個(gè)并行和串行口。

USB將設(shè)備分為不同的類型,每個(gè)設(shè)備類型都定義了類似功能設(shè)備的共同行為和協(xié)議。HID(HumanInterfaceDevice)人機(jī)接口設(shè)備主要指用于人控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的器件,而電源設(shè)備(PowerDevice)則被定位為HID的子系統(tǒng)之一。對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類是為了抹除不同硬件廠商之間的差異,以便于主機(jī)(PC)對(duì)設(shè)備進(jìn)行方便、統(tǒng)一的管理。相同類型的設(shè)備都由一組標(biāo)準(zhǔn)定義的功能模塊組成。這樣主機(jī)與USB設(shè)備之間的通信就可以通過(guò)一些標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包來(lái)完成。

二.HID電源設(shè)備

設(shè)備的電源管理,通常是通過(guò)在內(nèi)部用硬件集成控制部件,以完成對(duì)電池或是內(nèi)部電源器件的管理。同樣的對(duì)于外供電設(shè)備,(比如用UPS供電的設(shè)備),也有專門(mén)的控制部件用以完成各種控制功能。不管是哪種情況,都可以通過(guò)USB協(xié)議完成主機(jī)與控制部件之間的狀態(tài)和控制信息的通信,使主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電源的絕對(duì)控制。

從主機(jī)角度來(lái)看,由于USB電源設(shè)備協(xié)議是在USB人機(jī)接口設(shè)備的框架中設(shè)計(jì)的,所以主機(jī)上的HID類驅(qū)動(dòng)程序是電源設(shè)備實(shí)現(xiàn)的根基。借助HID類驅(qū)動(dòng),設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在友好得多的平臺(tái)上直接訪問(wèn)設(shè)備,而無(wú)需過(guò)多考慮類驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)低層軟件之間的交互。

總之,USB通過(guò)一系列的標(biāo)準(zhǔn)定義,使用戶可以通過(guò)主機(jī)直接觸摸到設(shè)備的電源管理,大大增強(qiáng)和方便了電源的管理功能。

三.電源設(shè)備的對(duì)象定義

每個(gè)電源設(shè)備都由一組模塊(如電池系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換器)組成,而每個(gè)模塊又可細(xì)分為一個(gè)或多個(gè)子模塊。子模塊可以存在于模塊內(nèi)部(如電池、充電器),也可以是模塊間的接口。所有的模塊、子模塊以及接口都被定義為對(duì)象,有著明確的物理描述:

Battery(電池)
Charger(充電器)
InputandOutput(輸入/輸出)
BatterySystem(電池系統(tǒng)--電池,充電器和輸入/輸出的集合)
PowerSupplyorPowerConverter(電源供應(yīng)或電源轉(zhuǎn)換器--特定電壓、頻率的轉(zhuǎn)換、輸出)
OutletandOutletSystem(電源出路及電源出路系統(tǒng)--能由PC機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制的電源輸出)
Gang(群--具有相同特性和功能的對(duì)象的集合)
Flow(流--電源線電氣特性的摘要描述)
[page]
PowerSummary(電源報(bào)告),供電源設(shè)備向主機(jī)或其它設(shè)備提供自身的工作、狀態(tài)消息,完成電源自身的信息收集和對(duì)外通信,不同電源設(shè)備內(nèi)部的,模塊、小模塊和接口的組成結(jié)構(gòu)稱為電源設(shè)備的對(duì)象層次表,具體如下:

1.電池系統(tǒng):
輸入(連至輸入流)
充電器
電池(連至充電器或輸出)
輸出(連至輸出流)

2.電源轉(zhuǎn)換器:
輸入(連至輸出流或輸出)
輸出(連至輸入流或輸入)

3.電源出路系統(tǒng):
獨(dú)立的電源出路(連至輸出流)
一個(gè)輸入流
輸出流
電源報(bào)告(連至輸出流)

模塊內(nèi)部的子模塊是直接相連的,而不同的模塊則通過(guò)流相連,連接點(diǎn)即為模塊的輸入和輸出。

四.兩個(gè)簡(jiǎn)單電源設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

1.一個(gè)典型USB外設(shè)的電源供應(yīng)

圖1.典型USB外設(shè)的電源供應(yīng)


一個(gè)AC輸入流,一個(gè)DC輸入流(USB總線電源)
一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器(包括一個(gè)AC輸入,一個(gè)DC輸入和一個(gè)DC輸出)
一個(gè)DC輸出流
一個(gè)電源報(bào)告

2.一個(gè)簡(jiǎn)單的UPS電源
一個(gè)AC輸入流(主AC輸入)
一個(gè)電池系統(tǒng)(一個(gè)AC輸入,一個(gè)電池,一個(gè)充電器和一個(gè)DC輸出)
一個(gè)DC流(后備DC)
一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器(一個(gè)DC輸入,一個(gè)AC輸入和一個(gè)AC輸出)
一個(gè)AC輸出流(AC流)
一個(gè)電源報(bào)告

圖2.簡(jiǎn)單的UPS電源


電源管理和USB是兩個(gè)正在飛速發(fā)展的技術(shù)專題。自從廠家把USB所需的控制芯片加入到外圍設(shè)備的ASIC(專用IC)中,PC對(duì)USB的支持只需要增加成本不到1美元的插座。這大大刺激了USB的發(fā)展。Microsoft推出的PC98和PC99系統(tǒng)已宣布將USB和HID作為其支持的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。電源設(shè)備作為通用型設(shè)備,也越來(lái)越向標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的方向發(fā)展,USB標(biāo)準(zhǔn)在電源設(shè)備的實(shí)現(xiàn),大大提高了電源設(shè)備的通用性,簡(jiǎn)化了電源設(shè)備的控制和管理??梢韵胍?jiàn),隨著USB的發(fā)展,USB支持的電源設(shè)備也會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)的電源設(shè)備,這一切都將使得電源管理更標(biāo)準(zhǔn),更輕松。
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