1. USB трансивери
2. USB-контролери з вбудованим трансівером
3. Комутатори сигналів шини USB
4. Комутатори живлення шини USB
5. література:
6. Про компанію ST Microelectronics

C моменту перших згадок про інтерфейс USB пройшло вже п'ятнадцять років. Сама поява цього інтерфейсу стало відповіддю на назрілу в ті часи потреба в уніфікації протоколів передачі даних і конструктивних / електричних характеристик різного роду інтерфейсів ПК, а також в розширенні функціональних можливостей і пропускної здатності цих інтерфейсів. У типовий набір інтерфейсів ПК тоді входили COM-порти з 9- і 25-вивідними роз'ємами для підключення периферійних пристроїв по низкоскоростному каналу зв'язку, LPT-порт з 40-вивідним роз'ємом для підключення периферійних пристроїв з високошвидкісного каналу зв'язку, інтерфейси PS / 2 для підключення клавіатури і миші, а також ігровий / MIDI-порт для підключення ігрових маніпуляторів і музичних інструментів. Використання такого системного блоку створювало чимало проблем, у тому числі відсутність вільних портів, різнорідність і громіздкість кабельного господарства, велика кількість шнурів електроживлення кожного периферійного пристрою. Крім того, безперервно удосконалюються периферійні пристрої потребували набагато більш високої пропускної здатності інтерфейсу, ніж міг забезпечити, наприклад, найшвидший на той момент LPT-порт. В кінцевому рахунку, як результат діяльності групи компаній в особі Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC і Philips, в 1996 році офіційно публікуються специфікації до інтерфейсу USB версії 1.0, а пізніше, в 1998 році, виходить їх виправлена версія 1.1. Даними специфікаціями обмовляється робота в двох швидкісних режимах:

У 2000 році публікується ще одна специфікація версії 2.0, в якій обмовляється новий швидкісний режим:

• HS - високошвидкісний режим (480 Мбіт / сек).

За минулий час, інтерфейс USB став, по суті, стандартом для підключення комп'ютерної периферії. Цьому сприяли такі його переваги: ​​низька вартість, мала кількість проводів в кабелі, можливість харчування зовнішнього пристрою (5 В, 500 мА), підтримка можливостей «plug - & - play» і «hot plug», розширюваність, вбудована підтримка більшістю популярних операційних систем і ін.

Під завісу 2001 року публікується важливе розширення до специфікації 2.0 - USB On-The-Go (USB OTG), яким долається один з недоліків архітектури USB: перш вона не передбачала можливість з'єднання двох зовнішніх пристроїв без участі ПК, що стало актуальним з появою різноманітної мультимедійної техніки. Підключення фотокамери до принтера для фотодруку, підключення мобільного телефону до плеєра для копіювання мелодій - ось приклади найбільш типових ситуацій, коли виявляється корисним пряме підключення двох зовнішніх пристроїв.

Поява специфікацій USB OTG торкнулося не тільки функціональні можливості інтерфейсу USB, але і його конструктивні і електричні характеристики. У будь-якому фізичному USB-з'єднання бере участь два об'єкти: сторона А (host порт або провідний порт) і сторона В (device-порт або підлеглий порт). Таким же чином класифікуються і роз'єми: на стороні A використовуються вилки і розетка типу Standard-A, Mini-A або Micro-A а на стороні В - Standard-B, Mini-B або Micro-В. З появою інтерфейсу USB OTG, який може працювати і як ведучий, і як підлеглий інтерфейс, було запропоновано два нових типи розеток - mini-AB і Місго-AB, які допускають вставку вилок Mini-A, Mini-B і Micro-A, Micro -B, відповідно. Крім того, у порту USB OTG задіяний додатковий п'ятий контакт, який необхідний для ідентифікації типу підключеної вилки (mini-A або mini-B): зовнішній пристрій, яке визначить підключення до себе вилки mini-A, стає ведучим за замовчуванням. Надалі призначення пристроїв (провідне або підлегле) може змінюватися. Для цього реалізований спеціальний протокол: Host Negotiation Protocol (HNP-протокол).

Функція USB-зв'язку реалізується за допомогою спеціальних ІС, які умовно можна розділити на дві групи: основну і допоміжну. До основної групи належать ІС USB-трансиверів і USB-контролерів / трансиверів, до допоміжної - різного роду комутатори, необхідні для мультиплексування сигналів USB-шини з аудіо / видеосигналами і управління подачею живлення до шині USB (напруга VBUS).

USB трансивери

ІС USB-трансиверів реалізують вимоги до фізичного рівня у відповідності зі специфікаціями USB2.0 / 1.1 і призначені для підключення USB-контролера до фізичної шині USB. Інформація по USB трансівера STMicro, Maxim і TI представлена ​​в таблиці 1.

Таблиця 1. USB-трансивери

D STMicro 4 ... 5,5 1,6 ... 3,6 Ц Ц (н.д.) 4)
± 14 STUSB03E D STMicro 4 ... 5,5 1,6 ... 3,6 Ц Ц Ц (н.д.) 4)
± 14 STUSB06E D STMicro 3 ... 3,6 1,6 ... 3,6 ± 9 MAX3344E D MAXIM 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц (3,6 ... 4)
± 15 MAX3345E D MAXIM 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц (1 ... 2,8)
± 15 MAX3346E D MAXIM 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц ± 15 MAX3349E D MAXIM 4 ... 5,5 1,4 ... 2,75 Ц Ц UART ± 15 MAX3453E D MAXIM 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц (> 4)
± 15 MAX3454E D MAXIM 3 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц ± 15 MAX3455E D MAXIM 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц (> 4)
± 15 MAX3456E D MAXIM 3 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц ± 15 MAX13481E D MAXIM 4 ... 5,5 1,6 ... 3,6 Ц ± 15 MAX13482E D MAXIM 4 ... 5,5 1,6 ... 3,6 Ц Ц 3) Ц 3)
Ц (> 3,6)
± 15 MAX13483E D MAXIM 4 ... 5,5 1,6 ... 3,6 Ц Ц (> 3,6)
± 15 TUSB1105 D, H TI 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц ± 15 TUSB1106 D, H TI 4 ... 5,5 1,65 ... 3,6 Ц ± 15 TUSB2551 D TI 4 ... 5,25 1,65 ... 3,6 Ц ± 15 STOTG04E O STMicro 2,7 ... 5,5 1,6 ... 3,6 Ц Ц Ц Ц Ц (4,4 ... 4,8) I2C / UART / Audio ± 8 MAX3301E O MAXIM 3 ... 4,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц Ц Ц (4,4 ... 4,8)
± 15 MAX3302E O MAXIM 3 ... 4,5 1,65 ... 3,6 Ц Ц Ц Ц Ц (4,4 ... 4,8)
± 15 HS-трансивери STULPI01A / B D, H, O STMicro 3 ... 4,5 1,65 ... 1,95 Ц Ц Ц Ц Ц (4,4 ... 4,75) UART ± 2 Примітки: 1) 'H' вказує на можливість застосування в HOST-інтерфейсі, 'D' - в DEVICE-інтерфейсі, 'O' - в OTG-інтерфейсі. 2) Нормативні акти ESD на висновках D + / D- по моделі людського тіла (HBM). 3) Один внутрішній підтягаючий резистор, який можна зовні підключити до лінії D + і D-. 4) 'н.д.' означає немає даних.

Необхідність застосування USB-трансиверів виникає, коли розроблювальний пристрій виконується на основі низьковольтної НВІС (наприклад, ASIC) з вбудованим блоком USB-контролера. У всіх представлених в таблиці 1 LS / FS-трансиверів для підключення до контролера використовується системний інтерфейс блоку послідовного інтерфейсу SIE, який є «серцем» USB-контролера і описаний в специфікаціях USB. Крім того, спільною рисою всіх цих трансиверів є інтегрування перетворювачів логічних рівнів на лініях системного інтерфейсу. Завдяки цьому забезпечується працездатність системи при зниженні напруги живлення керуючої НВІС до 1,6 ... 1,65 В (1,4 В для MAX3349E). Багато з трансиверів інтегрують допоміжні елементи, що дозволяють спростити схему включення. До числа таких елементів відносяться: стабілізатор напруги для харчування аналогового тракту трансивера від напруги VBUS шини USB і підтягує резистори до плюса (на стороні В) або мінуса (на стороні А) харчування. Ці підтягує резистори є частиною системи ідентифікації типу підключеного USB-пристрою. У host-портах застосовується підтяжка до мінуса на лініях D + і D- опором 15 кОм, в повношвидкісних device-портах - до плюса на лінії D +, а в низькошвидкісних device-портах - до плюса на лінії D- (опір 1,5 кОм) . У трансивер STUSB06E інтегрований інший комутований підтягаючий резистор - опором 150 кОм. Він призначений для реалізації функції сигналізування про приєднання до гнізда стандартизованого зарядного пристрою, що живиться від порту USB. Ті трансивери, у яких наголошено на підтримці функції USB DETECT, містять аналогові компаратори, які відстежують стан напруги VBUS. Ця функція дозволяє більш швидко реагувати на подачу / зникнення напруги VBUS. Деякі трансивери підтримують режими мультиплексування сигналів шини USB з іншими аналоговими і / або цифровими сигналами. Така можливість актуальна в мобільних телефонах, де через один роз'єм необхідно підключатися до різних інтерфейсів, тобто не тільки до USB, а й, наприклад, до аналогового або цифрового інтерфейсу автомобільного комплекту для гучного зв'язку.

Представлені в таблиці 1 OTG-трансивери додатково інтегрують підтягує резистори до мінуса харчування і ємнісний перетворювач для формування напруги VBUS. Однак здатність навантаження останнього - незначна: 35 мА у STOTG04E і 8 мА у MAX3301 / 2E. Якщо потрібна вища здатність навантаження, у трансиверів передбачена можливість роботи із зовнішнім перетворювачем напруги. Завершує таблицю 1 трансивер, який підтримує всі швидкісні режими і всі можливі варіанти застосування USB-трансивера, в т.ч. двухролевой порт OTG. Трансівер STULPI01A / B ідеальний для взаємодії зі НВІС, яка інтегрує ядро високошвидкісного USB-контролера HOST, DEVICE або OTG, через високошвидкісний 12-вивідний інтерфейс ULPI 1.1. Недоліком даного трансивера є відносно невисока стійкість до електростатичних розрядів на лініях D + / D- і VBUS, тому для отримання надійного рішення на цих лініях необхідно передбачити зовнішні захисні компоненти.

USB-контролери з вбудованим трансівером

Для застосувань, де функцію USB-зв'язку необхідно додати до системного микроконтроллеру за допомогою паралельного або послідовного інтерфейсу, розроблені ІС USB-контролерів з вбудованим трансівером. Інформація по таким трансівера представлена ​​в таблиці 2.

Таблиця 2. USB-контролери з вбудованим трансівером

MAXIM контролер загального призначення Ц Ц SPI MAX3421E MAXIM контролер загального призначення Ц Ц Ц SPI TUSB3210 TI контролер загального призначення Ц Ц - TUSB3410 TI контролер перетворювача інтерфейсів USB-UART Ц Ц RS232 / IrDA TUSB6015 TI контролер загального призначення Ц Ц NOR Flash TUSB6250 TI контролер перетворювача інтерфейсів USB-ATA / ATAPI Ц Ц Ц ATA / ATAPI TUSB6020 TI контролер для платформи DaVinci Ц Ц Ц VLYNC 2.0 TUSB6010B TI контролер загального призначення Ц Ц Ц NOR Flash

Контролери Maxim повністю управляються через 26-мегагерцевий трьох- або чьотирьох інтерфейс SPI. Завдяки цьому, host- (тільки для MAX3421E) або device-функцію можна додати навіть 8-вивідному микроконтроллеру, при цьому, втрачені лінії введення-виведення із запасом компенсовані передбаченими у трансиверів портами введення / виведення загального призначення (4 входи + 4 виходи у MAX3420E і 8 входів + 8 виходів у MAX3421E). Крім того, за рахунок низької вартості схеми гальванічної розв'язки інтерфейсу SPI, на основі контролера MAX3420 / 1E досягається дуже вигідна за вартістю реалізація оптоізолірованного USB-інтерфейсу.

Компанія TI застосувала дещо інші підходи до побудови своїх USB-контролерів. Контролери TUSB3210, TUSB3410 і TUSB6250 виконані на основі 8051-сумісного мікроконтролерного ядра, яке доповнено ОЗУ і ПЗУ пам'яті програм, ОЗУ пам'яті даних, універсальними таймерами-лічильниками, портами введення-виведення, інтерфейсом I2C (може використовуватися для завантаження коду програми з зовнішнього EEPROM у внутрішнє ОЗУ пам'яті програм) і ін. ІС TUSB3210 є USB-контролером загального призначення і може використовуватися в клавіатурах, зчитувача штрих-коду, зчитувача flash-пам'яті і т.п. TUSB3410 і TUSB6250 мають більш вузьку спеціалізацію. Вони призначені для реалізації перетворювачів інтерфейсів і доповнені всієї необхідної для цього функціональністю. Наприклад, TUSB6250 підтримує USB-клас «mass storage device», що полегшує реалізацію пристроїв для підключення до ПК через порт USB зовнішніх ATA / ATAPI-сумісний жорсткий диск або лазерних приводів. У решти USB-контролерів TI для управління і моніторингу передбачений паралельний інтерфейс. У високошвидкісних USB-контролерів TUSB6015 (DEVICE) і TUSB6010B (HOST / OTG) застосований інтерфейс, ідентичний тому, що використовується у NOR Flash-пам'яті (16-бітна шина ущільнення каналів даних і адреси). Таким чином, дані контролери вигідно використовувати в застосуваннях з інтенсивним використанням зовнішніх пристроїв з аналогічною паралельної шиною. Втрату ліній введення-виведення керуючого мікроконтролера в деякій мірі компенсують вбудовані в USB-контролери восьмібітних порти введення-виведення загального призначення. Останнім представником сімейства USB-контролерів TI є новинка 2008 року - TUSB6020. Він являє собою високошвидкісний двухролевой OTG-контролер в мініатюрному корпусі з розмірами 5х5 мм і орієнтований на застосування в портативній електроніці, яка потребує високої пропускної здатності USB-каналу. До їх числа відносяться сучасні мобільні телефони, медіа-плеєри і відео-додатки. Важливою особливістю цього контролера є використання у нього розробленого компанією TI послідовного інтерфейсу VLYNQ ™. Внаслідок цього область застосування контролера звужується до спільної роботи зі НВІС, оснащених таким інтерфейсом. До їх числа відносяться процесори TMS320DM643x DaVinci ™. Приклад спільного використання процесора TMS320DM6437 і USB-контролера TUSB6020 показаний на малюнку 1 [1] .

Рис. 1. Приклад спільного використання процесора TMS320DM6437 і USB-контролера TUSB6020

Комутатори сигналів шини USB

В застосуваннях, де, крім інтерфейсу USB, застосовуються інші аналогові або цифрові інтерфейси, але немає можливості розміщення окремих виходів, можна використовуватися рішення із загальним роз'ємом і комутатором інтерфейсних сигналів. Такі комутатори випускає Maxim і TI (див. Табл. 3).

Таблиця 3. Аналогові комутатори для інтерфейсів USB

A 4.5 / 4.5 FS, LS USB / аудіо 1,8 ... 5,5 MAX4718 A 4.5 / 20 1,8 ... 5,5 MAX4850 / H A + 1 3.5 2 ... 5,5 MAX4852 / H A 3.5 / 7 2 ... 5,5 MAX4906 / F B 7 HS, FS, LS USB 10/100 Ethernet 3 ... 3,6 MAX4907 / F C 7 3 ... 3,6 MAX4906EF C 7 2,7 ... 3,6 TS3USB30 B 10 HS, FS, LS USB MIPI1) 3 ... 4,3 TS3USB30E B 10 3 ... 4,3 TS3USB31 D 10 3 ... 4,3 TS3USB221 / A E 10 3 ... 4,3 Примітка: 1) MIPI - абревіатура від Mobile Industry Processor Interface.

Крім представлених в таблиці відмінностей, комутатори відрізняються логікою роботи висновків управління каналами, робочими характеристиками і конструкцією. При виборі комутатора важливо звернути увагу на наступні характеристики: смуга пропускання, ізоляція каналів, коефіцієнт спотворень сигналів, сумісність входів управління з використовуваними в схемі логічними рівнями, розміри і конструкцію корпусу. Крім того, необхідно звернути увагу на характеристики стійкості до електростатичних розрядів, особливо тих висновків ІС, які підключаються безпосередньо до гнізда порту USB. В комутатор MAX4850 додатково інтегровані два аналогових компаратора з фіксованим порогом спрацьовування. Вони призначені для виявлення підключення до роз'єму USB-навушників. Комутатори Maxim з суфіксом F в найменуванні оснащені захистом від пошкодження при попаданні на деякі висновки ІС напруги VBUS.

Комутатори живлення шини USB

Застосування даної категорії USB-продукції дозволяє вирішити ряд важливих завдань:

• управління подачею / зняттям напруги VBUS;

• забезпечення безпеки кінцевого користувача відповідно до вимог стандарту UL;

• захист навантаження і каскадів електроживлення від струмових перевантажень;

• сигналізація контролеру про аварійні стани.

• Застосування комутаторів харчування типово для будь-якої продукції, де використовуються HOST-порти або OTG-порти USB.

Інформація по випускається Maxim і TI комутаторів харчування представлена ​​в таблиці 4. При їх виборі необхідно керуватися наступними характеристиками: кількість каналів і їх комутаційні властивості, підтримка функції обмеження струму і можливість регулювання порогу обмеження струму, логіка роботи функції обмеження струму, підтримка можливості блокування протікання струму в зворотному напрямку, наявність сертифіката на відповідність вимогам USB, оснащеність захистами від перегріву і коротких замикань і, нарешті, конструкція, разм ри і теплові характеристики корпусу. Важливо звернути увагу на те, що використовується в таблиці 4 поділ по максимальному струму каналу не відображає можливостей тривалого пропускання струму. Для остаточного вибору комутатора необхідно виконати тепловий розрахунок для заданих умов навантаження, методика якого, як правило, приводиться в документації на комутатор.

Таблиця 4. Комутатори харчування для інтерфейсів USB

4 TPS2048A TPS2058A TPS2044B TPS2054B 3 MAX1940 TPS2057A TPS2047B TPS2043B TPS2053B MAX1564 TPS2063 TPS2067 2 MAX895L MAX894L TPS2056A TPS2046B MAX1812 MAX1823 TPS2042B TPS2052B MAX1838 MAX1558 TPS2062 TPS2066 TPS2060 TPS2064 1 MAX892L MAX891L MAX1946 TPS2045A TPS2055A TPS2049 MAX1607 MAX1693 / 4 MAX1931 MAX890L TPS2041B TPS2051B TPS2550 TPS2551 MAX8586 TPS2061 TPS2065 MAX1922 MAX1930 MAX869L TPS2068 TPS2069 MAX1562 MAX1563 Примітка: Новинки виділені червоним кольором .

На закінчення зупинимося на одній з новинок минулого року - комутаторах TPS2550 / 1 компанії TI. Вони інтегрують один комутатор (n-канальний MOSFET-транзистор, 85 мОм) і підтримують можливість регулювання порогу обмеження струму в діапазоні від 100 мА до 1,1 А (див. Рисунок 2а).

Рис. 2а. Функціональна схема комутаторів TPS2550 / TPS2551

Комутатори розраховані на роботу з вхідною напругою 2,5 ... 6,5 В, розміщені в мініатюрніх шестівіводніх корпусах SON (2х2 мм) и SOT-23 и оптімізовані для комунальної роботи з великими ємніснімі НАВАНТАЖЕННЯ за рахунок керування трівалістю наростання / спаду напруги. Комутатори підтримують важливі захисні функції: швидкодіюча (затримка до 2 мкс) захист від струмових перевантажень і короткого замикання, а також блокування комутатора при присутності на виході більш високої напруги, ніж на вході (реверс напруги). Для сигналізації про спрацьовування цих захистів передбачений логічний вихід / FAULT. Єдиною відмінністю TPS2550 і TPS2551 є логіка роботи входу управління комутатором - вона у них інверсна по відношенню один до одного. Приклад схеми включення TPS2550 / TPS2551 показаний на малюнку 2б [2] . Тут демонструється паралельна робота двох комутаторів з метою підвищення загальної здатності навантаження. У схемі передбачена можливість вибору однієї з двох уставок обмеження струму: 0,5 або 1 А (вибирається перемичкою J2).

Рис. 2б. Приклад використання комутаторів TPS2550 / TPS2551

Додаткова інформація про розглянутої продукції може бути знайдена на сайтах її виробників [3] .

література:

1. TUSB6020 Evaluation Model (EVM) Compatible With TMS320C6437 DaVinci LC EVM // User's Guide, Texas Instruments, lit. num. SLAU242, February 2008 - 18 p.

2. Power-Distribution Switch With Adjustable Current-Limit EVM // User's Guide, Texas Instruments, lit. num. SLVU229, February 2008 - 9 p.

3. Технічна інформація і документація з сайтів виробників: www.maxim-ic.com , www.st.com , www.ti.com .

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі