实现智能手机USB 2.0端口共享的方案

智能手机的一种设计方式是让内部的功率管理器件来控制单个USB2.0端口，这可以通过采用一个3:1的多路复用USB开关把USB 2.0端口转向自身来完成。默认情况下，其也可转向应用处理器，用来实现大多数多媒体功能性（比如MP3播放或视频处理）。还可转向通信处理器，用于无线电通信，可实现数据访问或通话（见图1）。这种架构具有一种优势，即当功能未使用时，允许手机进入睡眠状态。此外，在检测到USB 2.0端口活动时，或者是任一个处理器需要使用USB端口时，功率管理单元可以唤醒相关处理器。在USB插口首次插入后，功率管理IC还可以询问USB线路，确定是否有专用USB充电器或充电主设备端口连接，以便通过VBUS信号直接给电池充电。当与USB主设备（如PC）通信时，通信和应用处理器内的物理层（PHY）使用USB开关的480Mbps全高速数据带宽。

对于大多数集成电路而言，高速和低功耗一般是一对相互矛盾的特性。能够两者兼具的解决方案常常需要降低电压，并使用精细的几何工艺尺寸；然而，USB规范要求的是高电压信号。在性能稳健的手机设计中，D+和D-信号能够承受至5V VBUS信号线的短路，故限制了低电压解决方案。不过，最近推出的低功耗电荷泵USB开关解决了这个问题，并满足严苛的USB发射眼图要求。事实上，无需对架构或所选器件做任何修改，大多数这类设计的工作速率就能够达到高速USB数据速率（> 1 Gbps）的两倍以上。

要通过USB开关从一个处理器切换到另一个处理器，首先需要断开所有路径，然后留有足够的时间，以确保USB主设备端口控制器能够识别出某个断开，并切换到其它路径；这样，可以允许主设备复位，并对新的USB设备进行重新设置。这一切都是采用软件在手机上完成，并需要软件工程师参与，根据所选硬件的限制条件编写软件。不过，目前较先进的USB开关允许更多地使用便携式设备软件，故前面提到的方式正逐渐被淘汰。这是因为这些USB开关的选择控制信号发生任何变化，都会在一段预定的时间内自动启动断开连接。该时间由USB 2.0高速规范决定，以便于USB主设备识别断开，然后内部产生新的连接。

如上所述，对大多数便携式设备来说，节能是至关重要的，故处理器的电源电压常常降至1.2V或更低。因此，在与直接依赖电池供电的较高电压设备连接时，即使输入端电压较低，电池的耗电量也相当可观。减小耗电量的方法之一是采用电压转换器。由于USB开关本身是一个很慢的过程，通过基于最低供电电压来设置输入阈值，这些USB开关在这类环境下的耗电量小得可忽略不计。此外，还设计有输入缓冲器，以便在最坏的电压差情况下实现节能，以大大减轻系统设计人员的工作强度。

对于更小的便携式设备，印制电路板（PCB）上的占位空间和成本始终是重要考虑因素。目前USB开关可在微型封装中设计实现，引脚间距仅0.4mm，其在PCB上的占位面积非常小，故而远远胜过那些带有专用于USB连接的适配器（Dongle）的大尺寸专有连接器。此外，这种开关的成本也远低于USB集线器。

有时候，需要把USB开关级联起来，在这种应用中，侧负载（side loading controller）控制器使用媒体传输协议（Media Transfer Protocol），可以从主PC下载电影到SD存储卡里，而不会给智能手机中的应用处理器造成负担。这时，要确保高速USB流量对最快下载速度可行，USB开关关断（OFF）状态下的电容至为关键。最先进的USB开关OFF电容相当低（一般为2pF），这就允许在手机设计的最后阶段添加多个开关，从而为智能手机增加新的功能。

为了尽量减少智能手机上连接器的数量，除了高速和/或全速USB之外，USB端口有时被设计为附着在模拟音频耳机上。特殊的USB开关利用通过USB连接器的VBUS信号发送的耳机麦克风信号来满足这种需求，同时D+和D-信号被分别发送给耳机的左右扬声器信号。以USB开关FSA800为例，在插入之后，它会判断该USB端口是否为一个采用USB电池充电规范算法的USB充电器。这就允许处理器根据USB连接器的ID引脚信号状态来控制开关路径选择。其它USB开关利用ID引脚来检测和自动切换配置，并能够帮助实现大量各种各样的复杂附件功能，包括：范围广泛的配件，比如非常特殊的工厂测试线缆，其可利用现有工厂测试装置来获得最大的测试成本效益；非常具有特色的音乐播放耳机，配备有MP3播放所需的全部遥控按键；以及FM无线电收音机、或无杂音（click-and-pop free）拨打/接听电话，在不同功能之间可无缝切换。

当今的智能手机利用高速USB开关实现了巨大的功能，同时还使手机减小到一个很小的micro-USB高速端口连接器的厚度。如果需要USB同时与多种设备通讯，这种USB端口可被连接到应用处理器、通信处理器、USB集线器、音频驱动器和众多其它速率较低的必需功能。这种功能性的实现得益于最新USB开关中内置有先进电路，同时又不会对功耗、PCB芯片面积和成本有不良影响。此外，它同时还提供USB充电器检测功能，从而有利于全球推动向适用于所有便携式设备的通用USB充电器的发展。