物联网电池供电设备设计中的USB连接

过USB连接 这些小配件到电池供电的日常用品时，你在原本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。你不想仅仅为了与周边设备通信 而浪费平板计算机或笔记型计算机的宝贵电池寿命，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。

通过正确选择具备USB功能的硬件，将能够开发出耗电极少的设备，同时通用M2M接口也得以消除几乎所有的外部元件。

用于电池供电领域中的USB技术

为了解USB技术如何改善功耗又保持易用和随插即用的功能性，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连线(keep-alive)信息给设备。如果 设备有可用数据，它会回应。在这种工作模式下，设备可获得高达100mA的能量，并且主机预期设备能够立即回应任何请求。当主机停止发送这些连线信息达到 3ms时，设备应进入暂停状态并且立即消减它的电流消耗到3mA以下。

在暂停状态下，大部分设备能被关闭，通常我们能够关闭最耗能的PHY。即使现今的MCU能够轻松实现3mA的暂停电流，我们也没有理由保持在那么高的状态。具备良好能源模式的MCU应能在这种模式下实现小于3μA的电流消耗，包含PHY的电流消耗。

然 而在工作模式中，当检测一个正常键盘设备的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回应时，回 应必须及时；这是为什么大多数实作上会保持USB周边设备一直运行在48MHz以允许足够的回应时间。在这个特别的实例中，97%的时间是空闲的，即使我 们进行了列举(enumerated)和启动。

为电池供电应用而最佳化的USB应用需要把这些功耗管理因素考虑在内，并且十 分确定何时需要时脉、需要多长时间、哪些其他USB元件能够关闭。Silicon Labs目前拥有两项正在申请中的专利技术，并已获得制造商和客户反馈，使得USB接口在现今电池供电IoT设备中具真正用武之地。即使在工作模式，高能 效的通信也能够透过使用无晶振(Crystal-less)USB振荡器和关闭封包通信之间的耗电USB连接元件而实现，如图1所示。这种创新的方法大幅 降低了系统级功耗，并且建立出真正通用的、可提供优异能效的M2M接口。

图1：具备低能耗模式(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接口元件。

理 所当然，对开发人员和终端使用者来说，低能耗USB应实现于无形之中。透过低能耗模式(LEM)，降低能耗是十分明显的，如图2所示。当这种技术与其他空 间和成本节省特性(例如无晶振USB应用和时脉恢复)相互结合时，开发人员能够实现真正的超低能耗通用M2M接口，并且不需要额外元件。

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。透过LEM技术，收发器能够保持在类似暂停的低电流模式。

结论

USB接口已经从一个减少传统桌上型PC杂乱线缆连接的简单需求，发展成为消费性电子设备接口的标准。具备USB功能的便携式设备日益普及，促使整合的USB周边设备提供新的设计要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗得以减少，并延长了电池使用寿命。当与无晶振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、可连接的、节能。