无需重新设计就可升级到高速USB手机的方法

　　蜂窝服务提供商一直在努力向用户提供更多的功能，在日趋饱和的市场中这些新功能可以增加人均收入(ARPU)值。过去几年来，手机一直在集成数码相机(DSC)功能。现在，各地商店中的大部分手机都已将数码相机作为标准配置。其驱动力是用户在打电话时有可能需要拍照并与朋友分享，从而为蜂窝服务提供商带来新的收入来源。

在最近几年中已经开始的新的发展趋势包括了将便携式媒体播放器(PMP)功能集成进手机中。这样，当用户通过网络下载喜爱的媒体数据时，蜂窝服务提供商就可以在收取通话费用的同时对音乐和视频内容进行收费。

随着移动手机不断地集成诸如高分辨率数码相机、PMP以及PDA等新功能，用户需要方便地在手机和PC之间传递数据。作为MP3播放器(PMP)、数码相机(DSC)、闪盘、硬盘中普遍使用的标准数据传送方法的USB将成为最佳替代方案。

全速与高速USB

目前大部分手机支持全速(FS)USB(12Mbits/s)，这对地址薄等少量数据传输来说已经足够了。但当增加了MP3播放器和高分辨率数码相机后，FS USB就显得有些落后了，因为此时的手机和PC之间需要传输大量的数据。用户已经被专用PMP和DSC采用的高速(HS)USB的480Mbit/s速度宠坏了。在传送MP3和图像文件时必须使用全速传输只能使用户感到失望。

比较用HS USB和FS USB进行手机到PC的数据传输可以发现，采用HS USB从PC主机到手持设备传送105MB的数据需要大约33秒的时间，而FS USB完成同样的传送几乎要花上13分钟的时间。

目前采用闪存的先进手持设备支持高达8GB的数据存储量，如果采用全速USB传送这些数据要花上超过17个小时的时间，而高速USB只需44分钟。采用硬盘的先进手持设备存储容量更是高达80GB，此时采用全速USB的传送时间将增加10倍，达到170小时，而高速USB只需7.3小时(440分钟)。

目前的手机使用FS USB有好几个原因，包括诊断和制造可测试性以及modem的连接。前者可以为手机OEM商提供在生产线上测试手机的便利方法，以便确保质量，减小或消除现场故障。FS USB的带宽对这些任务来说足够了。后者可以为用户提供将手机作为modem使用的途径，作为modem的手机可以连接到笔记本电脑上实现无线互联网访问。FS USB提供高达12Mbits/s的带宽，已经足够(至少理论上)支持现有的2G数据标准，如GSM的GPRS和EDGE以及CDMA的1xEV-DO和1xEV-DO Rev.A，甚至可以支持新兴的3G标准，如HSDPA和HSUPA。

因为FS USB可以为这些功能提供足够的带宽，手机OEM商更倾向于保留已有的技术，并在设计中使用HS USB控制器或物理芯片来简单地增加对HS USB的支持。这样做只是增加了大容量存储要求的高带宽通道，因此在集成PMP和DSC功能方面可以获得更好的消费体验。这种方法只需在FS USB旁增加对HS USB的支持就可以使现有平台简单地升级到HS USB。通过两步方式引入HS USB，OEM商可以将用于多媒体数据输送的HS USB连接更快地推向市场，这要比整个重新设计HS USB系统要快得多。

以这种方式增加HS USB的另外一个原因是目前HS USB控制器支持的端点数量有限。在PC应用中，HS USB控制器通常有特殊的用途，只要求很少量的端点(也就是说对大多数应用来说4个或8个端点就足够了)。但移动手机要利用USB提供许多功能，因此对端点的要求有显著的提高，已经有12个或16个甚至多至20个端点的建议。移动手机支持的功能例子(每个功能要求一个或多个端点)包括：大容量存储、媒体传送协议(MTP)、modem(CDC)、设备管理、对象交换(OBEX)以及调试/测试。基于这个原因，手机设计师可以同时使用FS和HS USB数据路径来支持比单独使用HS USB数据路径更多的端点。

全速和高速做在一起

那么如何在支持FS USB的现有手机OEM设计中增加HS USB功能呢？显然，不能简单地作为独立实体增加，否则手机上需要两个迷你或微型USB连接器，这样做只会增加成本，并使用户感到困惑。最具性价比也能减少用户困惑的方法是，将两个USB数据管道合并到一个连接器上(图1)。

每个设计过高速信号的设计师都知道，虽然FS链路侥幸能满负荷工作，但HS链路可能根本无法建立。这是因为FS走线会成为HS传输线的分支和天线，从而引起信号质量的严重下降以及信号眼图的关闭。这种结构还需要假设HS和FS USB输出可以支持某种类型的三态模式才能使设计成功(也就是在FS工作时HS信号呈三态，反之亦然)。这是大多数USB设备无法支持的功能，也是PC等传统设备所无法支持的。对PC来说，有多个连接器是很正常的，根本无需将多个USB信号合并到一个连接器上。

隔离全速和高速信号走线

因此工程师必须完全隔离FS和HS USB信号走线。目前将HS USB集成进移动手机的最佳方法是增加HS路径，并通过信号开关与现有FS路径实现复接(图2)。

虽然这样做似乎非常简单，但在HS信号完整性方面确实会引起许多实际问题。事实上，它可能会导致USB一致性测试的失败。即使市场上有专门用于HS USB应用的开关，在某种程度上也会降低眼图质量，在某些情况下甚至不能通过一致性测试。当选择开关和布局电路板时必须考虑许多因素，但先让我们看看没有开关的理想HS USB数据路径。

在设计HS USB数据路径时，电路板设计师必须优化对多个因素的控制，以便创建干净的眼图。首先，D+和D-线的走线阻抗必须是45Ω，以匹配在接收器件的D+和D-管脚的输入端看到的内部阻抗。如此形成的合适电压分压器可以提供兼容HS逻辑高电平的400mV电压。另外一个方面是D+和D-走线的长度匹配。假设没有其它复杂因素，如ESD或EMI保护器件，那么这样就可以提供漂亮的眼图(图3)。

当开关被插入数据路径时，失真就会产生。至于何种失真、失真到何种程度则取决于开关的特性。第一步是查看开关的开关速度。开关速度必须能够达到480Mbits/s(等效于240MHz)才能兼容HS USB。如果不能达到，那么这种开关就不应该选用。最可能的情况是开关声明专用于HS USB应用，那么基本上就没什么问题。

可能被忽视但是最重要的第二个特性是开关的串联电阻(R_ON)。串联电阻越大，眼图就越扁。在试图获得USB-IF认证时这将是最大的问题。

下例说明了较高的串联电阻会如何影响眼图。假设开关A的典型串联电阻值是5Ω，开关B的典型串联电阻值是10Ω。在使用开关A的情况下，总的走线串联电阻值是50Ω，而不再是45Ω。在做过简单的电压分压计算后可以得到逻辑高电平为379mV，而不是要求的400mV。该规范对400mV要求提供了10%的容差，因此360mV逻辑高电平仍在规定范围内。当插入开关B时，它将增加10Ω的串联电阻，从而使总的走线阻抗达到55Ω。这将导致360mV的逻辑高电平，不再有误差余量。考虑到终端电阻和走线阻抗的额外误差，对兼容抱有希望将是不切实际的想法。

图3中左下角的眼图代表信号路径中的走线串联阻抗增加了10Ω。要注意的是，上下边界由于走线串联电阻的增加被压扁了。虽然这仍是一个合格的眼图，但误差余量实在是太小了。

即使增加开关电阻后电平仍落在可接受的范围内，但在考虑了各种容差后，开关可能以另外的方式影响眼图。开关还会增加走线的电容，从而降低边沿斜率(上升和下降沿)。这将导致眼图阴影区域的角部被裁剪掉，无法满足规定要求。

比如假设开关A的电容是5pF，开关B的电容是15pF。围绕眼图阴影部分的区域(余量)将由于开关B比开关A多出10pF的电容而减少50%。目前典型开关在打开时的电容在6到15pF之间。图3中右上角的眼图是增加了15pF电容后失真的眼图。

如果开关只是增加串联电阻或电容，那么有可能不会引起任何问题。但现实情况是开关会同时增加电阻和电容，这种组合情况会导致眼图产生真正的问题。假设最理想的开关具有很低的串联电阻和电容。较低的串联电阻会使眼图的上下边向中心靠拢，从而减小误差余量。电容会使边沿变化变得缓慢，并切入眼图的阴影部分，最终导致HS USB信号完整性测试失败。图3中右下角的眼图就是这种情况。

因此选择具有低R_ON和C_ON 特性的开关是基于开关的设计取得成功的关键。

在这种设计中需要考虑的另外一个因素是要知道什么时候执行FS和HS USB路径的切换。在目前大多数情况下切换是用软件完成的-例如，用户必须人工选择他们想使用大容量存储还是modem模式，系统处理器(基带或应用)再提供正确的信号路径。默认模式通常是FS USB模式，因为这种模式用于工厂的诊断和制造测试。但这种方法很麻烦，也很不好用，因为它增加了使用的复杂性，可能导致寻求支持的电话增多。因此随着时间的推移，手机设计师希望在没有任何用户干扰的情况下实现切换控制，这意味着转向完全融合的架构。

不久的将来，手机设计师肯定会实现完整的移植以支持单条USB路径，并允许FS和HS USB共存。这需要时间去优化这种解决方案的软件，从而形成更先进更优化的设计。产品架构也将得到升华，最终将集成足够数量的端点以支持手机应用。直到那时，希望支持目前的HS USB、并想使产品快速上市以支持满意的用户经验的手机设计师才会依赖逐步地实现HS USB。

在任何情况下，要想使这样的设计取得成功，设计师必须考虑所选用的开关的 R_ON 和C_ON 参数。遵循这些建议可以使他们少花时间在USB连接调试上面，并允许移动手机设计师向市场快速提供HS USB功能。这样用户就可以随心所欲地使用手机上的各种消费类多媒体功能。

作者：Triton Hurd, Ray Casey，Cypress SemiC_ONductor，Email address: teh@cypress.com