一文详解电池供电世界中的USB技术

在过去的十年中，通用串行总线（USB）标准由于具备易于使用、即插即用的功能性和可靠性，因此被众多工业和消费电子产品的设计人员作为连接其他应用的首选接口。USB已实现其主要目标，即提供消费者简化控制外设和传输数据的方法。随着超过三十亿个USB使能的设备进入市场，USB不仅是消费类应用中增长最快的接口，在工业市场也取得了显著的增长。

然而，USB易于使用、即插即用的功能性和可靠性对于嵌入式解决方案设计人员来说，并非完全不需要付出代价，特别是如果他们正在为物联网设计功耗敏感、电池供电的连接设备产品时。对于小型、便携设备来说，添加USB作为通信接口至少要增加一倍的应用电流消耗，并且致使设备需要比原先预期更大的电池。

从传统的串行接口通信升级到广受欢迎的USB接口，通常会由于功耗预算的限制而变得难以实施。一般情况下，设计人员不得不在增加双倍电池容量和增加设备成本（这使得它不再那么具有吸引力）、或者消减急需的差异化功能之间做出选择。下面让我们来看看USB标准如何从为所有PC连接提供标准化的梦想，演变为甚至允许IoT小型电池供电设备与任何其他设备通信的最先进技术。

USB简史

如果你曾经研究过二十世纪九十年代末生产的台式电脑的背面，你会一眼就能认出为连接不同类型的硬件到计算机而出现的众多标准。这些连接标准包括5针的DIN、PS/2、串口、并口、也许也有一两个SCSI（“scuzzy”）端口，如果你是一个游戏玩家，你还会在声卡上有一个游戏端口。

USB的早期开发人员意识到了这种纷乱的连接状况，并在1995年开始创造一种机器对机器（M2M）的通用标准，以取代所有其他接口标准。在二十世纪九十年代末，当USB第一次被采用时，它只是作为“另一种连接器”加入到PC。然而，在2000年起USB开始迅速发展，并在经过一系列的更新后，它成为目前最被广泛采用的M2M接口之一。只要看看你的笔记本电脑和手机就能明白USB标准是多么的成功。你的智能手机只有一个连接器接口：USB。如果你在2010年以后购买了笔记本电脑，便会发现除了显示器和网络连接器之外，它可能只具有USB接口。此外，用于当今笔记本电脑和平板电脑的触摸板、键盘和其他外设都通过USB与主处理器通信。

USB标准的拓扑连接分为设备（device）和主机（host）。主机是发起通信并提供电源的机器;在桌面上，通常就是你的笔记本电脑或者桌面PC。设备是连接到主机的下游设备，简单的响应主机的任何请求;在桌面上，鼠标和键盘就是常见的USB设备。

关于USB连接器的独特之处是它也可以为连接的设备供电，因此不需要为你的鼠标或外接硬盘驱动器增加额外的电源。USB标准规定主机至少输出100mA的电流给设备，并且如果设备支持，它有可能获得500mA电流。这些供电能力来自最初的USB标准，PC几乎总是作为主机，并且它们一直都是通过墙壁插座获得电源。这个USB标准需求，极大的限制了USB在低功耗应用上的发展，尽管对PC应用来说，主电源供应并不成问题。

但是，当这种成熟的M2M接口要满足当今的电池供电的IoT世界时，会发生什么？当主机也是一个便携式设备时，又有什么影响呢？

对于当今USB硬件的影响

在当今的便携式设备应用中，最常见的术语是“功率预算”。功率预算决定设备能够消耗多少能量，并且它是基于电池容量和所需要的电池使用寿命计算出的。例如，在一个有250mA电池容量和需要支持两天（48小时）电池使用寿命的应用中，功率预算大约为5mA。这个功率预算必须分布在开发人员所希望设备做的每一项功能上，包括从传感器采集和处理到通信和驱动显示。

在过去的二、三十年间，微控制器（MCU）变得越来越小，并且电池容量也得到提高，因此我们看到便携式设备的爆发性增长，这些便携式设备包括从手持风速表和示波器到数字呼吸测醉器和遥控器。然而，随着拥有四个千兆赫兹内核处理器的智能手机的出现，我们现在看到更多便携式设备以智能手机配件的形式出现，制造商不再担心处理能力或用户界面方面的问题。这种市场趋势正推动低价配件的快速增长，例如获得Kickstarter募资支持、可用于智能手机的Vaavud风速表，以及可插进iPhone中的呼吸测醉器，这两个应用都使用HiJack接口，这种特殊接口可以工作在低端设备，但并不是最佳接口。

为了设计一个真正通用并好用的便携式设备，你应当选择最合适的M2M接口，例如USB。选择USB也允许你的设计产品做到无主机限制（host-agnostic），这意味着如果你想让产品既能支持Mac、Windows手机又能支持Android平板，这都将不再是问题。然而，当你想通过USB连接这些小配件到你的电池供电的日常用品时，你在原始USB标准中从不关心的“功耗”突然成为了选择USB解决方案的优先考虑问题。你不想仅仅为了与板上外设通信而浪费平板电脑或笔记本电脑的宝贵电池寿命，并且你也不想设计出一个会快速耗尽智能手机电池电量的配件应用产品。

通过选择正确的USB使能的硬件，你将能够开发出消耗能量极少的设备，同时通用M2M接口也得以消除几乎所有的外部器件。

用于电池供电世界中的USB技术

为了解USB技术如何改善功耗又保持易于使用和即插即用的功能性，我们首先需要快速浏览一下USB的通信过程。一般情况下，仅有主机能够发起传输。即使没有通信，主机也要每毫秒发送保持激活消息给设备。如果设备有可用数据，它会响应。在这种活动模式下，设备可获得高达100mA的能量，并且主机预期设备能够立即响应任何请求。当主机停止发送这些保持激活消息达到3ms时，设备应当进入挂起状态并且立即消减它的电流消耗到3mA以下。

在挂起状态下，大部分设备能被关闭，通常我们能够关闭最耗能的PHY部件。即使现代的MCU能够轻松实现3mA的挂起电流，我们也没有理由保持在那么高的状态。带有良好能源模式的MCU应当能够在这种模式下实现小于3µA的电流消耗，包括PHY的电流消耗。

然而，在活动模式中，当检测一个常规键盘设备的USB通信时，主动模式不是十分有效的;大多数时候，设备仅仅等待主机发送数据。然而，当主机请求设备响应时，响应必须及时;这是为什么大多数实现保持USB外设一直运行在48MHz去允许足够的响应时间。在这个特别的例子中，97%的时间是空闲的，即使我们进行了枚举和激活。

一个为电池供电应用而优化的USB应用把这些功耗管理因素考虑在内，并且十分确定何时需要时钟、需要多长时间、哪些其他USB部件能够关闭。Silicon Labs公司目前拥有两项正在申请中的专利技术，并获得制造商和客户反馈，使得USB接口在当今电池供电IoT设备中真正有用武之地。即使在活动模式，高能效的通信也能够通过使用免晶体USB振荡器和关闭包通信之间的耗电USB连接部件而实现，如图1所示。这种创新的方法极大的降低了系统级能耗，并且创建出真正通用的、可提供优异能效的M2M接口。

图1：带有低能耗模式（LEM，low-energy mode）键盘传输总线的有效信号表明了何时关闭耗电的USB接口部件。

当然，对开发人员和终端用户来说低能耗USB应实现于无形之中。通过低能耗模式（LEM），降低功耗是十分明显的，如图2所示。当这种技术与其他空间和成本节省特性（例如免晶体USB应用和时钟恢复）相结合时，开发人员能够实现真正的超低功耗通用M2M接口，并且不需要额外器件。

图2：一个典型的USB收发器在空闲时处于“接收”模式，浪费3-5mA。通过LEM技术，收发器能够保持在类似挂起的低电流模式。

总结

USB接口已经从一个减少传统桌面PC上杂乱线缆连接的简单需求，发展成为消费电子设备接口的标准。USB使能的便携式设备的普及已经迫使集成的USB外设提供新的设计要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗减少，并延长了电池使用寿命。当与免晶体USB技术相结合时，广泛使用的USB标准将使得所有可连接设备变得更加智能、可连接、节能。