智能手机连接附件micro-USB端口检测解决方案

手机出货量逐年递增，其中以智能手机的增长速度最为迅速。智能手机拥有更多特性功能与应用软件，能够使用各种周边附件，所以未来不同周边附件的数量也将不断增加。新型手机的设计挑战在于如何连接所有这些新的附件，以及如何检测出连接附件的类型。目前市场及技术标准的发展方向是统一手机接口，只是检测各种附件的方法，仍是有待解决的问题。

micro-USB端口攻占连接器第一

过去，手机制造商都各自开发自己的专有接口来控制映像到连接器上的信号。这些专有连接器一般范围很广，可通过连接器上的不同引脚，连接许多不同的附件，如通用序列总线(USB)缆线、耳机和电池充电器。专用信号引脚可减少对信号切换的需求，并提供一个更受控的环境。

图1 Micro-B型USB插头

就如USB接口在电脑产业的首选连接器地位一样，micro-USB端口也成为各种手机制造商的连接器选择。例如中国的工业与信息化部(MII)以及国际上的开放移动终端平台(Open Mobile Terminal Platform,OMTP)组织和欧盟(EU)都制定了相关的规范和备忘录，来指明micro-USB接口当作充电和数据传输的连接器(图1)。这一标准化措施带来的好处很多，而充电器和数据线重复使用就是其中一项。

现时全球手机的平均周转时间为6～24个月，所以这种标准化可大大减少专用充电器所造成的浪费。由于不必为每个电话提供一个的新的充电器，标准化还可以降低成本，并提高连接器元件产量，从而逐步降低元件价格。随着标准接口的开发，IC元件制造商也在开发更高整合度、更具成本效益的解决方案，让手机制造商能够进一步降低成本。

许多制造商都开始采用微型USB作为附加功能的接口，包括附件充电变压器(ACA)、基座(Docking Station)、工厂程序设计、视频、耳机(有些附有遥控)和车用手机配件等，整合化则有助减低手机的尺寸和成本。

智能手机上另一个长期使用的标准接口是音频插孔。其一般为3.5毫米(mm)插孔，与现在的各种音频耳机兼容。插座和插头的各个部分有不同的信号映像。不过，现在标准化机构如工信部和OMTP，也开始对此进行标准化。许多制造商利用单一micro-USB接口，或是micro-USB与3.5毫米音频插孔的组合来提供所有的附件连接。

本节讨论的发展趋势主要是针对手机，但随着市场的融合，其同样适用于各种不同的可携式设备，包括MP3播放器、个人多媒体播放器(PMP)和全球卫星定位系统(GPS)装置。所有这些设备都使用数据、音频和电源接口。

单一micro-USB处理多附件 检测复杂性大幅提升

图2 微型USB连接器信号

采用单个micro-USB端口处理多附件多功能，无疑能够带来许多好处，但同时也增加复杂性：如何检测手机端口插入的是哪一个附件。micro-USB连接器上只有五个引脚，其中还包括接地引脚，因此识别插入附件类型及其须连接手机内哪一个IC的方法不多。micro-USB连接器有以下五个引脚(图 2)：VBUS(+5V)、D+和D数据线、ID(识别)以及接地。

USB标准组织已制定标准USB端口检测的相关条文。USB标准下行端口(Standard Downstream Port,SDP)连接通过VBUS在线的5伏特(V)电压，再利用D+和D-在线的简单交握(Handshake)来检测。

同样，充电下行端口(Charging Downstream Port,CDP)和专用充电端口(Dedicated Charging Port,DCP)也利用相同的引脚，通过类似的简单交握操作来检测。详细说明可见USB电池充电规范修订版1.2(USB Batter Charging Specification Revision 1.2)。

由于须检测的附件很多，所以需要一种方法来对它们进行区分。其中一种检测方法是在micro-USB端口上增加一个ID引脚(标准A型或标准B型USB端口均无此引脚)，在USB On-The-Go(OTG)缆线插入时，ID引脚对地短路。CEA-936A规范(最近已取消)也采用该引脚来检测两种不同类型的汽车配件。

各式解决方案纷纷出笼

若要整合的附件超出标准USB集的数量，则必须利用这些引脚来进行额外的检测。一种简单的解决方案是在ID引脚上增加额外电阻检测，也可结合VBUS在线的有效电压以及D+和D-在线的电压准位来使用。

USB电池充电工作组定义三个额外电阻为ID信号上的负载，用于检测辅助充电变压器的不同状态。这些数值以及OTG和汽车电阻数值，都相距甚远，其间可以为耳机、视频卡等其它附件增加额外的数值。

在ID在线增加更多附件还增生电气考虑事项，带来相关挑战。增加更多的ID值来解码，可让电阻更接近，使各个值之间的区分更具挑战性。通过使用附件中的精密电阻(1%)，并仔细区隔开额外附件的电阻数值，可以应对这些挑战。

要达成快速检测，还得对ID在线的电容进行控制。如果电容太大，就需要更长时间才能将检测测量稳定至正确数值。在大多数情况下，ID在线的连接器外毋须额外布线，从而可限制过大电容量。

然而，在某些应用中如耳机，可能需要一个控制来显示状态的变化，例如按下SEND/END键，这个控制可能靠近缆线的另一端放置，这会增加ID在线的电容。在这些存在额外电容的情况下，可能需要较长的检测时间。

检测完成后，须将信号发送给正确的处理器接口，如USB收发器、UART或音频设备。当需要多个连接接口时，也必须仔细考虑发送这些信号到相应接口的开关。这些开关会给线路增加额外的电容与串联电阻，并且可能影响信号完整性。USB路径应针对低电阻平衡进行优化，以防止过多衰减和低电容对变慢边缘的数量构成限制，影响到USB眼状图性能。在设计音频端口开关接口时，应尽量减低串联电阻，以限制来自耳机/扬声器负载的音频信号衰减的影响，并提供稳定的电阻电压关系，以尽量减少整体谐波失真与噪声。

将全部解决方案整合至单一IC

利用一个把上述解决方案都整合到一块IC中的元件，例如飞兆(Fairchild)具有自动选择与端口检测功能的USB端口多媒体开关FSA9280A(图3)，micro-USB端口就能够在一个连接端口上连接多个附件，进而降低设备的材料清单，优化音频和USB连接的性能。

图3 飞兆多媒体开关FSA9280A具有自动选择和端口检测功能的USB端口

把附件检测与开关路由整合在一起，可带来若干额外的好处，譬如可以提供所有路径(或者只是关键路径，例如用于初始工厂程序设计和用于充电的USB连接)的自动切换。在无附件连接时，这种整合式解决方案还具有自动进入低功率模式的优点，同时此设备必须保持通电，即使在手机关断时，仍然可以检测到充电器为电池充电。

当手持式设备长时间处于断电状态时，低功耗性能对这类设备满足待机时间要求至关重要。micro-USB开关(MUS)还整合VBUS场效晶体管(FET)开关，可以提供过电压容差如28伏特，当VBUS引脚上加载高电压时，可保护系统其余部分免受充电器故障的影响。

这种解决方案提供一种简单易用的USB检测接口，可以在所有平台上进行设计，因此毋须针对所有手持式设备建立和测试一种新的解决方案。而利用备用的ID电阻值(利用手持式设备的韧体更新功能)，也可以提供检测新标准或专有附件的方面的灵活性。

本文讨论的检测解决方案可以让智能手机把所有附件连接都汇聚在单一micro-USB连接上。而利用在单一封装内整合检测功能、开关和功率FET的低功耗接口，就可以为所有行动平台提供通过验证的可靠解决方案。