电池供电的IoT世界中的USB连接

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。

作者：Silicon Labs公司32位MCU产品经理Alf Petter Syvertsen