USB相關知識講座

USB 相關知識講座 說到 USB，在座的各位同仁應該都不陌生，之前我也是使用一些 USB 產品，但自從我們公司開始重新開發(fā) MP3 數(shù)碼隨身聽產品后，對 USB 的了解才比較全面一些，但由于我是硬件出身，對軟件方面了解得不多，因此本節(jié)課的重點在于 USB 的一些基本知識。 一、 USB 相關知識 1、 USB 簡介 可以說現(xiàn)在 USB 接口是目前大家使用最頻繁的接口，而且是愈來愈有把所有接口都淘汰的趨勢?，F(xiàn)在打印機、數(shù)碼相機、 U 盤（ 閃存盤 ） 、 MP3 Player、鼠標、鍵盤、外置光驅、 移動硬盤（ 外置硬盤 ） 都使用了 USB 作為 于計算機交換數(shù)據(jù)的接口 ； 以往大家使用 USB 接口的存儲設備時，主要的原因是它隨插即用、內含 5V 電源的便利特性。但隨著 U 盤、 MP3播放器，甚至 MP4 等產品 的 內存 容量加大，與 USB 硬盤外接盒、 USB 光盤外接盒的普及，大容量的 USB 存儲設備的使用已經十分普遍。 雖然 2000 年 4 月時， USBIF（ USB Implement Forum USB 執(zhí)行委員會？ ）就已經制定出 USB 2.0 ，現(xiàn)行市面上大部分計算機周邊產品也都使用了 USB2.0 接口，但仍有不少產品仍然采用 USB 1.1 規(guī)格，這就給我們的選購帶來了不少麻煩。 現(xiàn)在，經常存取動輒 3 、 4G 硬盤數(shù)據(jù)的玩家，逐漸開始重視 USB 1.1 與 USB 2.0 的速度差異。畢竟， USB 2.0 的傳輸速度是 480Mbps ，但 USB 1.1 的傳輸速度只有 12Mbps ，每秒的傳輸速度差距高達 40 倍，在時間就是金錢的時代，效率分外重要。 USB 是 通用串行總線 （ Universal Serial Bus） 的英文縮寫，它 是通過 PCI 總線和 PC 的內部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。 USB 同時又是一種通 信協(xié)議，他支持主系統(tǒng) (host)和 USB 的外圍設備 (device)之間的數(shù)據(jù)傳送，在 USB 的網絡協(xié)議中，每個 USB 的系統(tǒng)有且只有一個 host，因此，很多的朋友問我是否可以將兩臺 PC 的 USB 口通過 A-A 頭連接起來，是否可以實現(xiàn)通信，這樣是不行的，因為對于電腦主板上的 USB 設備，都是 host,如果連起來就是兩個 host 的通信，這樣一來的一個 USB的系統(tǒng)有了兩個的 host，與它的網絡協(xié)議沖突。 Anchorchip 出了一個可以直接連接的設備 (好象是AN2720SC)，實際上是一個由兩個背靠背的 USB 的 device 組 合起來的一塊芯片 ； 2、 USB 接口的分類 按照以前的說法，有 USB1.0、 USB1.1 和 USB2.0 三種接口方式， 不過據(jù)稱 USB 協(xié)會在 2004 年年底重新命名了 USB 標準：將 USB1.1 的說法徹底取消了，所有的接口都統(tǒng)稱 USB2.0 接口，現(xiàn)在的USB2.0 標準按速度劃分為三大類，具體的分類是： USB2.0 High Speed：理論速度是 480Mbps，對應之前的 USB2.0； USB2.0 Full Speed：理論速度是 12Mbps，也就是過去的 USB1.1； USB2.0 Low Speed：理論速度是 1.5Mbps，這個一般用于鼠標、鍵盤等對速度要求不高的外部設備。 現(xiàn)在還有一種 USB OTG，原來說是 USB 2.0 的補充規(guī)格 ，也有人說是 USB2.0 的加強版 ，因為具有 OTG 功能的 USB 對我們的使用非常方便，而目前一般的便攜設備上出現(xiàn)的還不是特別多，后面專門介紹一下。 3、 USB 接口的傳輸速度 連接類型 傳輸速率 (兆位 /秒 ) 串口 .92 Mbps 標準并口 .92 Mbps USB 1.0/1.1 1.5 Mbps USB 2.0 全速 12 Mbps ECP 并口 24 Mbps IEEE1394 (Firewire) 400 Mbps USB 2.0 高速 480 Mbps Bps 指得是 位每秒，如一首 4 分鐘長 128KBPS 的歌曲大小為： 4*60*（ 128Kbps/8）/1024 3.75M USB 接口支持 1.5Mb/s(低速 )、 12Mb/s(全速 )和高達 480Mb/s(USB ；2.0 規(guī)范 )的數(shù)據(jù)傳輸速率，扣除用于總線狀態(tài)、控制和錯誤監(jiān)測等的數(shù)據(jù)傳輸， USB 的最大理論傳輸速率仍達 1.2Mb/s 或 9.6Mb/s，遠高于一 般的串行總線接口。 例子： 目前市場上 MP3 播放器的接口都標明的是 UBS2.0 了，一些 MP3 播放器在包裝盒上標明“USB2.0 High”，有的標明 “USB2.0 Full”，而有的 MP3 則標的是 “USB2.0， 480Mbps”，這顯然比較含糊，很容易蒙蔽消費者。 實際上 在使用過程中可以看出，當寫入的歌曲容量不大時，采用這兩種 USB2.0接口的 MP3 的寫入時間相差還不很大，但當寫入的歌曲容量較大時，寫入的時間差別就比較大了。如果用 700KB/s 甚至是 300KB/s 的速度來寫入大容量文件的話，等待的過程是漫長的 。 曾經有人專門測試過 USB 1.1 與 USB 2.0 的 傳輸速度 ，使用 Windows XP 操作系統(tǒng)，主板支持 USB 2.0，且所有驅動程序都已安裝成功，實測結果顯示 USB 1.1 的閃存盤，每秒的讀取速度頂多只有 1,000kb/sec ；而 USB 2.0 的閃存盤，每秒的讀取速度卻可超 6,000 kb/sec 。 4、影響 MP3 的 USB 接口速度的因素（下面說的 USB2.0 均指高速版的 USB2.0） 1.主板是否支持 USB2.0，電腦配置的高低對傳輸速度的影響可以忽略不計。 2.不同版本操作系統(tǒng)以及主板 USB2.0 驅動版本。 Windows 98 以下的版本及 WIindows NT 都不支持 USB2.0，對 USB2.0 支持得最好的是 Windows XP SP1 及以上版本。 3. MP3 播放器采用的芯片也會影響傳輸速度。采用 “炬力方案 ”的 MP3 的傳輸速度就比較慢；而采用 Telchips、 SigmaTel、 Philips 這些芯片的 MP3，傳輸速度明顯有一定的提升。并且采用不同型號芯片的 MP3的傳輸速度也有差異，比如 SigmaTel 3520 支持 USB 2.0 High Speed， SigmaTel 3502就只支持 USB 2.0 Full Speed，炬力 ATJ2085 支持 USB2.0 Full Speed（現(xiàn)在有不少低價 MP3 都是采用的這款芯片）。 4.MP3 播放器的存儲介質。一般來說，采用硬盤存儲介質的 MP3 的傳輸速度，比采用閃存存儲介質的 MP3 要快一些。 5.MP3 播放器的固件。在同一臺電腦上拷貝歌曲，即使采用同樣的芯片和介質， MP3 的傳輸速度也有一定的差異。 MP3 的新版本固件往往能修整舊版本固件在傳輸速度方面的 BUG， 讓 MP3 的傳輸速度更快！ 5、 USB 接口的優(yōu)點 A、統(tǒng)一了外設接口： USB 為所有的 USB 外設提供了單一的、易于操作的標準的連接類型。這樣一來就簡化了 USB 外設的設計，同時也簡化了用戶在判斷哪個插頭對應哪個插槽時的任務 ,實現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。 B、 節(jié)省系統(tǒng)資源： USB 排除了各個設備象鼠標、調制解調器、鍵盤和打印機設備對去系統(tǒng)資源的需求，因而減少了硬件的復雜性和對端口的占用，整個的 USB 的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。 C、 USB 支持熱插拔 (hot plug)： 也就是說在不關 PC 的情況下可以安 全的插上和斷開 USB 設備，動態(tài)的加載驅動程序。其他普通的外圍連接標準，如 SCSI 設備等必須在關掉主機的情況下才能增加或移走外圍設備。 D、 USB 支持 PNP（即插即用） 。當插入 USB 設備的時候，計算機系統(tǒng)檢測該外設并且通過自動的加載相關的驅動程序來對該設備進行配置，并使其正常工作。 E、 USB 在設備供電方面提供了靈活性。 USB 直接連接到 Hub 或者是連接到 Host 的設備可以通過 USB 電纜供電，也可以通過電池或者其它的電力設備來供電，或使用兩種供電方式的組合 .并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。 F、 USB 提供全速 12Mbps 的速率和低速 1.5Mbps 的速率來適應各種不同類型的外設。 G、 針對不能處理突然發(fā)生的非連續(xù)傳送的設備，如音頻和視頻設備， USB 可以保證其固定帶寬。 H、 為了適應各種不同類型外圍設備的要求， USB 提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳送類型。 I、 USB 使得多個外圍設備可以跟主機通信。 6、 USB 的協(xié)議 不同版本的協(xié)議有所不同，不過從 USB1.0 USB1.1 USB2.0 USB OTG 的不斷演變，都是朝著更方便實用方面發(fā)展，其協(xié)議也是慢慢升級完善的。 本部分比較專業(yè)，都是一些學術術語，只有真正搞 USB 底層開發(fā)的才會深入 去研究，對此有興趣的可以找相關的資料，我這也保存有一些。 7、 USB OTG 簡介 （ 1） USB OTG 就是 USB On-The-Go 的簡稱， 它是 USB2.0 規(guī)范的補充，結合了對移動應用友好的新特性，包括低功耗、更小的 USB 接頭以及在相同的 USB 端口上增加了雙重角色的功能 (作為主機和外設的功能 )。 OTG 通過在沒有計算機的情況下，相互之間對等連接使傳統(tǒng)的只能作為 USB 外設的移動產品的性能和連接性得到擴展。 （ 2） USB OTG 的特點 可以不必通過 PC 就可以實現(xiàn)點對點的連接，如一個具有 OTG 功能的外設可以跟 其它外設直接通訊； 可以實現(xiàn)主從角色轉換， On-The-Go 設備非但能與其他 On-The-Go 設備連接，由于內嵌 USB 主機端與 USB 外設功能，因此當它連接到一個普通 USB 外設時，它可以扮演 USB 主機端的角色，而當它連接到一個 USB 主機端時，則可以扮演 USB 外設角色 ； USB OTG 通過五腳接口和五線電纜傳輸數(shù)據(jù)。除了傳統(tǒng)的 “VBUS”、 “D+”、 “D-”、“GND”四個針腳外，第五個針腳為 “ID”腳， ID 腳決定了初始化的主從角色：在 Mini-A插頭中， ID 短路接地，所連設備 被初始化為主；在 Mini-B 插頭中， ID 懸空，所連設備被初始化為從。在軟件控制下，主從角色也可以利用主設備轉換協(xié)議 (HNP)進行互換。 主設備可提供低功率輸出，最小為 8mA 的電流到 USB 電纜，當不傳輸時可關掉VBUS。在 VBUS 關閉時，如從屬設備需要使用總線，則可請求主設備開啟 VBUS，為VBUS 重新供電。低功耗可支持 USB 設備在電池供電的情況下正常工作，延長電池壽命，節(jié)省能源。 備注：雙角色工作原理 OTG 雙角色設備驅動程序由 USB 主設備軟件包和 USB 設備軟件包構成。 OTG 驅動通過連接器中 “ID”的不同連接，或通過是否有主設備轉換協(xié)議確定雙角色設備工作方式的轉換，確定使用 USB 主設備軟件包還是 USB 設備軟件包。 當 OTG 雙角色設備以主機方式工作時， USB 主設備軟件包工作。主控制驅動完成USB 主設備軟件包與雙角色 USB OTG 硬件間的數(shù)據(jù)交換， USB 總線驅動保存設備的信息，目標主設備類驅動支持目標設備列表里的設備。 OTG 提供通用的主設備類驅動程序。 當 OTG 雙角色設備以從機方式工作時， USB 設備軟件包工作。設備控制驅動完成USB 設備軟件包與雙角色 USB OTG 硬件間的數(shù)據(jù)交換， USB 協(xié)議層完成 USB 協(xié) 議規(guī)范， USB 設備類驅動的功能取決于該雙角色 OTG 設備的功能。 二、 USB 相關器件簡介 1、 接插件 （ 1）電腦上使用的 USB 座：我們見到比較多的是電腦機箱上的 USB 口，那是一個 USB母座，跟它相對應的就是 USB 公座，兩個都是 4 引腳器件； （ 2）一般便攜設備使用的標準 USB 座：我們 MP3 上的標準 USB 公母插座，這兩個是五 pin 器件，其中 4 腳為空腳，只有具有 USB OTG 功能的機器第 4 腳才使用為“ ID”信號腳，；還有 OPPO 目前在使用的迷爾 USB 座，只有 4pin 接口； （ 3）市面上出現(xiàn)的非標準的 USB 座：不管使 用什么類型的插座，能用市面上流通的標準件最好，如果自己定義那就是非標品，象我們 V1、 V8、 V12 等機型上使用的耳機插座共用的方法，那都不是正常用法，多少會影響到機器的性能； （ 4） USB 連接線材：類似我們數(shù)碼隨身聽的 USB 下載線（一端連電腦一端連 MP3） 不管采用什么類型的接插件和線材，只有 符合 USB 規(guī)范 最好能取得相關認證的東西才能最終保證下載速度的問題。 2、 USB 控制 IC 市場上供應的 USB 控制器主要有兩種：帶 USB 接口的單片機（ MCU）或純粹的 USB接口芯片。 此類 IC 主要是滿足 USB 規(guī)范而實現(xiàn) USB 上傳下載功能，很多公司都有，目前我們在使用的是臺灣安國國際的 AU9386,外接幾個器件就是一個 U 盤。如果采用性能好一些的方案，一般本身都帶 USB 功能，或者通過軟件編程來完成 USB 功能。 3、 USB HOST IC 具有 host 功能的 USB IC 市面上也不少，但使用量不多，主要是價格一直降不下來，動不動就是三四十塊錢一片，有些產品增加了 host 功能后成本也就增加了不少，前段時間找到一個國產 IC，南京沁恒電子的 CH375，價格相對還可以，對這有興趣的同事可以找我要相關的 IC 資料和聯(lián)系方式。 4、 其它器件 （ 1）利用 FTDI 公司生產的 FT8U232AM 實現(xiàn) USB/RS-232 轉換器 （ 2） USB/串口轉換器 （ 3）轉換開關，使用在多路信號共用一個輸出口的狀態(tài)，如我們公司的 V1、 V8、 V12 等機型，利用耳機插座來與電腦連接上傳下載資料、給鋰電池充電、音頻信號輸出、收音天線等，對這類轉換開關的要求很高，導通阻抗大會影響音頻信號的失真度和電腦能否正常連接問題，分布電容大會影響信號的正確性和資料的上傳下載速度。目前我們在使用的是 IT 的 3157 和仙童的 4157，一般來說，如有可能盡量不要采用多功能共用一個輸出口的方案，雖然 在外觀上是占了一些優(yōu)勢，但對整機性能和壽命都有一定的影響。 （ 4） 意法半導體推出微型封裝的 USB 2.0 接口專用 ESD 保護 IC ，該 IC 專門保護 USB2.0 高速接口的兩條數(shù)據(jù)線路和電源線，典型電容 2.5pF，抗靜電達到空氣放電 15KV 和接觸放電 8KV 的標準（ IEC61000-4-2 第 4 級放電保護標準），當然要使用這些新東西，需要付出的成本代價也是不小的。 備注： 現(xiàn)在比較通用的 ESD 標準是 IEC61000-4-2 （ IEC 國際電工委員會 ） ，應用人體靜電模式，測試電壓的范圍為 2kV 15kV(空氣放 電 )，峰值電流最高為 20A/ns，整個脈沖持續(xù)時間不超過 60ns。在這樣的脈沖下所產生的能量總共不超過幾百個微焦爾，但卻足以損壞敏感元器件。 三、 USB 在設計上應該注意的事項 由于很多 USB 接口設計在機器的外面，就算通過橡膠塞保護，在上傳下載資料時打開橡膠塞時也有可能接觸到 USB 口，因此對于 USB 的設計，主要是從 ESD 方面考慮，當然其它的也會涉及到。 1、 如何改良 USB 接口的 EMI 和 ESD 設計 USB 接口的傳輸速率很高，因此如何提高 USB 信號的傳輸質量、減小電磁干擾 (EMI)和靜電放電 (ESD)成為 USB設計的關鍵。本文以 USB2.0 為例，從電路設計和 PCB 設計兩個方面對此進行分析。 USB 線纜由四根線組成，其中一根是電源線 VBus，一根是 地線 GND，其余兩根是用于差動信號傳輸?shù)馁Y料線 ( D+，D- )。將數(shù)據(jù)流驅動成為差動信號來傳輸?shù)姆椒梢杂行岣咝盘柕目垢蓴_能力 ( EMI )。 當 USB2.0 接口采用高速差動信號傳輸方式時，由于接地層與電源層的信號搖擺，放射噪聲會有所增加。因此，為避免串擾并保證信號的完整性，消除將要混入高速信號中的共模噪聲是電磁兼容設計的必要對策。在圖 1 所示的電路中，數(shù)據(jù)電源線和地線上分別串聯(lián)一個阻抗為 120 歐姆、額定電流為 2A 的磁珠，而差分線對上則串聯(lián)一個共模阻抗為 90 歐姆的共模扼流器。共模抗流器由兩根導線同方向 繞在磁芯材料上，當共模電流通過時，共?？沽髌鲿虼磐刊B加而產生高阻抗；當差模電流通過時，共?？沽髌饕虼磐炕ハ嗟窒a生較小阻抗。 圖 1： USB2.0 的噪聲抑制電路圖。 圖 2： SDCW2012-2-900 的衰減頻譜。 以深圳順絡電子有限公司生產的共?？沽髌?SDCW2012-2-900 為例 ，該器件在 100MHz 的差模阻抗僅為 4.6 歐姆。從圖 2 所示的衰減特性也能看出共模扼流器對差分信號不會造成影響，主要是針對共模電流進行選擇性的衰減。 圖 3： USB2.0 的 ESD 防護電路圖。 由于 USB 接口具有可熱插拔性， USB 接口很容易因不可避免的人為因素而導致靜電損壞器件，比如死機、燒板等。因此使用 USB 接口的用戶迫切要求加入防 ESD 的保護器件。在圖 3 電路中，數(shù)據(jù)電源線、地線上各有一個工作電壓為 5.5V、電容為 100pF 的壓敏電阻連到屏蔽地上。差分線對因數(shù)據(jù)傳送速度高達 480Mbps，則需要連接電容小于 4pF的器件，因為較大的電容可導致數(shù)據(jù)信號波形惡化，甚至出現(xiàn)位錯誤。因此在差分線對上接入工作電壓為 18V、電容最大值為 4pF 的壓敏電阻器。圖 4 所示的電壓波形也驗證了電容為 4pF 的壓敏電阻器 (如 深圳順絡電子有限公司生產的 SDV1005H180C4R0GPT)對波形的影響不大。 圖 4：不同電容值的壓敏電阻對波形的影響。 對于 USB2.0 的 PCB 布線，需要考慮以下原則： 1.差分線對要保持線長匹配，否則會導致時序偏移、降低信號質量以及增加 EMI； 2.差分線對之間的間距要保持小于 10mm，并增大它們與其它信號走線的間距； 3.差分走線要求在同一板層上，因為不同層之間的阻抗、過孔等差別會降低差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼暎?4.差分信號線之間的耦合會影響信號線的外在阻抗，必須采用終端電阻實現(xiàn)對差分傳輸線 的最佳匹配； 5.盡量減少過孔等會引起線路不連續(xù)的因素；6.避免導致阻值不連續(xù)性的 90 度走線，可用圓弧或 45 度折線來代替； 7.壓敏電阻器的接地端要接入屏蔽地層，并放置在端口位置。 2、利用 TVS 二極管 來對 USB 進行 ESD 保護 數(shù)據(jù)率高達 480Mbps 的 USB 接口 ， 要利用 TVS 二極管來進行 ESD 保護，為了保持數(shù)據(jù)的正常傳輸，必須 要選擇低電容 的 LCTVS，它通常是將一個低電容二極管與 TVS 二極管串聯(lián)，以降低整個線路的電容 (可低于 3pF)，達到高速率回路的要求。 TVS 二極管的工作原理： 處理瞬時脈沖對器件損害的 最好辦法是將瞬時電流從敏感器件引開。 TVS 二極管在線路板上是與被保護線路并聯(lián)的，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后， TVS 二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結果是瞬時電流通過二極管被引開，避開被保護器件，并且在電壓回復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時脈沖結束以后， TVS 二極管自動回復高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。 TVS 二極管的特點 ： （ 1） 反應迅速，使瞬時脈沖在沒有對線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制 ； （ 2） 二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境 ； （ 3） 對 TVS 二極管設計的改進使其具有更低的漏電流和結電容，因而在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現(xiàn) ； 備注： 5kV 的沖擊會造成約 10%陶瓷電容失效，到 10kV 時，損壞率達到 60%，而 TVS 可以承受 15kV 電壓。 使用 TVS 二極管保護 ESD 損害的同時，必須配合合理的 PCB 布局 ： 首先是要避免自感。對于 ESD 這樣巨變突發(fā)的脈沖，很可能會在回路中引起寄生自感，進而對回路形成強大的電壓沖擊，并可能超出 IC 的承受極限而造成損傷。負載產生的自感電壓與電源變化強度成正比， ESD 沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強自感 。減小寄生自感的基本原則是盡可能縮短分流回路，必須考慮到包括接地回路、 TVS 和被保護線路之間的回路以及由接口到 TVS 的通路等所有因素。所以 TVS 器件應與接口盡量接近，與被保護線路盡量接近，這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。 另外可應用下述原則對線路進行優(yōu)化： 1避免在保護線路附近走比較關鍵的信號線； 2盡量將接口安排在同一個邊上； 3避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián)； 4各類信號線及其饋線所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小，必要時可考慮改變信號線或接地線的位置； 5將接口信號 線路和接地線路直接接到保護器件上，然后再進入回路的其它部分； 6將復位、中斷、控制信號遠離輸入 /輸出口，遠離 PCB 的邊緣； 7在可能的地方都加入接地點； 8采用高集成度器件，二極管陣列不但可以大大節(jié)約線路板上的空間，而且減少了由于回路復雜可能誘發(fā)的寄生性線路自感的影響。 3、 通過 USB 為電池充電 USB 標準最有價值，卻最少被提及的特性之一就是可利用主機 USB 接口作為電源對外設供電。除了直接對 USB 設備供電， USB 電源最有用的功能之一就是對電池充電* 。（在與 PC 交換數(shù)據(jù)的同時對電池充電 ） USB 電池充電可能很復雜，也可能很簡單，這取決于 USB 設備的要求。影響設計的因素不僅包括通常的成本、尺寸、重量等。其它重要因素還包括 : 1) 電池耗盡的設備插入 USB 端口時，要求多快開始全功能運行； 2) 允許電池充電的時間； 3) 在 USB 功率限制范圍內的功率分配； 4) 是否需要一個交流適配器充電。 搞過產品開發(fā)的人員都知道，所有 USB 主機，如電腦，每個 USB 插孔都能支持最少 500mA 電流輸出或驅動 5 個“單位負載”。在 USB 術語中，“一個單位負載”是100mA。自帶電源的 USB 集線器也能 驅動 5 個單位負載。總線驅動的 USB 集線器只能保證驅動一個單位負載。 備注：按照 USB 規(guī)范，由 USB 主機或帶電源的集線器提供的，電纜外設端的最小可用電壓為 4.5V，而由 USB總線驅動的集線器提供的最小電壓為 4.35V。用這些電壓對充電電壓典型要求為 4.2V 的 Li+電池充電時，只有很小的裕度，這使得充電器的壓降變得極為重要。 所有接入 USB 端口的設備啟動時消耗電流都不能超過 100mA。與主機進行通信后，設備才能決定是否可以用足 500mA 電流（一旦與主機連接，所有 USB 設備都必須首先讓主機識別自己。這一動作被稱為 枚舉）。所以， USB 設備與電腦連接時，如果設備的啟動電流大于 100 mA，不僅不能給電池充電，還需要由電池提供部分的電流來時設備正常工作，只有電腦識別到 USB 設備后，能夠提供高達 500mA 的 電流，此時不僅能與電腦交換數(shù)據(jù)，還同時利用電腦電源給電池充電。 當然，也可以利用 USB 電源給鎳氫電池充電（畢竟鎳氫電池成本低），但是需要增加一個 DC-DC 轉換器將 1.3V 的電池電壓升至設備可使用的電壓，典型為 3.3V。 鮮為人知的 USB特性 USB端口并不限制電流（與規(guī)范差異的地方） 盡管 USB規(guī)范詳細規(guī)定了每個 USB端口必須提供多少電流，但對于它能夠提供多少電流，規(guī)范給出的界限卻極為寬泛。盡管定義了電流上限不能超過 500mA，但一個明智的設計者不應該依賴于這個信息。任何情況下，都不認為每個 USB端口會將它的輸出電流限制在 500mA，或附近的一個值。實際上， USB端口輸出的電流經常超過幾安培，因為多端口系統(tǒng) (如 PC機 )經常只有一個保護器件公用于所有的端口。保護器件被設定在所有端口總額定功率之上。因此，一個 4USB端口系統(tǒng)，如果其余 3個端口未被使用，一個端口就可提供超過 2A的電流。此外，盡管一些 PC機使用精度為 10%至 20%的 IC保護方案，其它大多使用非常不精確的自復保險絲，只有負載功率超出額定值 100%或更高時才會觸發(fā)。 USB端口很少 (從不 )關斷電源 。 USB規(guī)范對此并沒有說明，但人們時常認為如果枚舉失敗，或遇到其它軟件或固件問題， USB電源可能被關斷。但實際情況是，除非有電路故障 (如短路 )，沒有 USB主機會關斷 USB電源。也許會有例外，但是目前還沒有見到。筆記本和主板生產商甚至不愿意為故障保護買單，更不用說智能電源切換了。因此，無論 USB外設與主機的對話是否發(fā)生， 5V一直可以利用 (電流為 500mA或 100mA，也許 為2A或更高 )。 USB供電的閱讀燈、咖啡杯加熱器以及其他一些諸如此類沒有任何通信能力的產品的出現(xiàn)就證明了這一點。它們可能并不“守規(guī)”，但它們工作的很好。 例子：我們的數(shù)碼隨身聽，凡是用聚合物鋰電池的，現(xiàn)在都用 BQ24013來控制充電，一方面可以直接使用 USB的電源充電，另一方面也可以利用充電適配器來給電池充電。一般的小雜牌廠家，為了降低成本，一般都是用普通的穩(wěn)壓管來穩(wěn)壓，充電效果極不好，對鋰電池的傷害也很大。 4、 USB 接口與串口設備之間互連問題 由于 USB 口具有即插即用的特性，現(xiàn)已出現(xiàn)只有 USB 口而沒 有傳統(tǒng)接口的 PC， 但是有很多業(yè)界專業(yè)人士或嵌入式應用人員一直采用的是 UART（ Universal Asynchronous Receiver and Transmitter 通用異步收發(fā)器 ）接口，如改用 USB 對他們而言需要投入太多的時間和金錢， 那么在這樣的 計算機 上如何使用舊式基于 串行接口 的設備呢？ 可采用三種基本方法調整系統(tǒng)，使之適應無傳統(tǒng)接口 的 PC。 第一種方法是進行全面的系統(tǒng)再設計，使設備本身能夠支持 USB 連接； 本方案涉及很多工作， 除了硬件改變之外，還需進行軟件方面的改動。 第二種方法是使用目前市面上 出現(xiàn)的 USB 至 RS-232 適配器； 本方案可快速使用但成本較高，同時產品的兼容性、質量不能得到很好的保障，可能導致維修服務增加對品牌產生負面影響。 第三種方法則是采用為系統(tǒng)應用定制的 USB 至 UART 適配器。 這種方案有專用外部接口方式和嵌入式橋接兩種方式。 5、 USB 對結構設計的要求 （ 1）所有具有接地底板護罩 的元件都應將護罩連接到底板接地框。 具有護罩的元件比如： USB 座 、按鈕、耳機插座、話筒等。由于護罩的導電性高且表面積大，因此他們極易成為靜電放電的電荷傳輸路徑。 （ 2）如果電性能允許， 在每條連接到外 部電纜線的信號線上都應置有鐵氧體磁環(huán)。 主要信號線包括：線路輸出 /耳機、線路輸入、遙控和 USB_5V信號 。每個鐵氧體磁環(huán)的位置都應盡可能靠近元件，并且在元件引腳和鐵氧體間沒有過孔，對于線路輸入和線路輸出信號，鐵氧體的直流電阻應在 0.4歐姆以內，否則總諧波失真（ THD）將變大。 （ 3）不應將鐵氧體磁環(huán)置于 USB D+ 和 D信號線上。 如果使用鐵氧體磁環(huán)，他們可能破壞 D+ 和 D 信號的完整性，從而導致 USB 通訊 故障。 （ 4） USB 接口應該采用一個非導電性罩或者橡膠塞包裹。 播放器外殼上的按鈕 或開關應不導電。所以至少，印刷電路板上與按鈕或開關接觸的內層材料應不導電。如果整個按鈕導電，則將導致在靜電放電時電荷均勻分布在按鈕或開關上。這將減少電路板和靜電放電源之間的有效空隙，從而使靜電放電能以較高的電壓釋放到電路板上。 如果采用金屬或者導電性的外殼，那么我們的設計就應該允許電荷在電路板的各面均勻分布，以構成一個法拉第罩。 按鈕和機器外殼直接的空隙盡可能小，以防止靜電放電情況穿透空隙的空氣直接放電到電路板上。 四、 USB 使用常識問題 1、 你用的 USB ，真的是 2.0 嗎？ 相信大家手邊都有蠻多產 品是使用 USB 接口與計算機連接的，例如打印機、數(shù)碼相機、 U 盤、鼠標、鍵盤、外置光驅、外置硬盤等。 但所用的 USB，是真的以 USB2.0 的速度在傳輸數(shù)據(jù)嗎？ USB 傳輸速度必須分四個部份（主板芯片組、操作系統(tǒng)、外接設備、傳輸線）來檢查 USB 規(guī)格是否通通為 2.0 ，不然明明是 USB 2.0 的周邊產品，實際的傳輸速度可能只有 USB 1.1 。 （ 1）首先保證所購買的 外接設備 支持 High USB 2.0 外，還要注意主板、操作系統(tǒng)、傳輸線是否支持 USB 2.0 ，最重要的是操作系統(tǒng) 與外接設備的 USB 2.0 驅動程序是否有安裝、設置成功。不然操作系統(tǒng)與所有的硬件都支持 USB 2.0 ，卻沒將 USB 2.0 驅動程序設定成功，一直使用低速的 USB 1.1 而不自知，這不是很浪費嗎？ USB 2.0 兼容于 USB 1.1 ，因此系統(tǒng)不會主動告知使用者，目前的 USB Port 是以 USB 1.1 還是 USB 2.0 的傳輸速度在傳送文件，所以就得自行檢查計算機軟硬件的各部份是否都已安裝妥當，才能肯定的大聲說 “我用 USB 2.0 ！ ” （ 2） 只要是 Windows Me 操作系統(tǒng)以上的計算機，都已支持并內建 USB 1.1 外接設備（ Device ）的驅動程序，不需另外安裝驅動程序就可馬上使用。而 Windows XP Service Pack 1 （ SP1 ）以上的操作系統(tǒng)都支持并內建 USB 2.0 外接設備的驅動程序。 將 Windows 2000 操作系統(tǒng)升級成支持 USB 2.0 ，需要 Usbport.sys、 Usbhub20.sys、 Usbehci.sys 三個文件， Windows Update 會自動下載、安裝成功，不用怕漏了哪些文件忘記安裝。而對于舊版 的操作系統(tǒng)，如 Windows 98 、 95 與 NT 4.0 ， Microsoft 已經不會再推出 USB 更新程序，因此確定這些操作系統(tǒng)通通不支持 USB 2.0。 （ 3）傳輸線對 usb2.0 速度的影響： 有時候，因為計算機主機沒有前置 USB Port ，因此須將主機后方的 USB Port 通過傳輸線，接到前方來，方便使用。而有些外接設備必須使用傳輸線才能接到 USB Port ，例如數(shù)碼相機、打印機等，因此外接設備與主板的