USB端口的電源管理

電源管理，歷來是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與維護(hù)的主要環(huán)節(jié)之一。在過去，用戶想了解電源的情況，只能通過設(shè)備上有限的工作指示；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電源系統(tǒng)（如UPS）開始通過RS-232與計(jì)算機(jī)通信，使用戶對(duì)電源的控制大為方便；但RS-232也并非是完美的，總線結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來了IEEE1394(高速串行總線)和USB。電源設(shè)備最終選擇了適合中低速外設(shè)的USB標(biāo)準(zhǔn)。這并不是在趕時(shí)髦，在其背后有著深厚的需求背景。

遵循USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和管理電源設(shè)備，充分實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的即插即用，低功耗和使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),是電源設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)之一。

一．?USB通用串行總線與HID人機(jī)接口設(shè)備

USB（Universal?Serial?Bus）是以Intel為主，并有Compaq，Microsoft，IBM，DEC，Northern?Telecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，1994年11月制定了第一個(gè)草案，1996年2月公布了USB規(guī)格版本1.0。USB可把多達(dá)127個(gè)外設(shè)聯(lián)到你的系統(tǒng)上，其12Mbps的帶寬對(duì)如鍵盤，鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠的。該技術(shù)使你能把設(shè)備隨時(shí)插上或拔下你的系統(tǒng)，最終還將不再需要在你的PC機(jī)后面設(shè)多個(gè)并行和串行口。

USB將設(shè)備分為不同的類型，每個(gè)設(shè)備類型都定義了類似功能設(shè)備的共同行為和協(xié)議。HID（Human?Interface?Device）人機(jī)接口設(shè)備主要指用于人控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的器件，而電源設(shè)備（Power?Device）則被定位為HID的子系統(tǒng)之一。對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類是為了抹除不同硬件廠商之間的差異，以便于主機(jī)(PC)對(duì)設(shè)備進(jìn)行方便、統(tǒng)一的管理。相同類型的設(shè)備都由一組標(biāo)準(zhǔn)定義的功能模塊組成。這樣主機(jī)與USB設(shè)備之間的通信就可以通過一些標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包來完成。

二．HID電源設(shè)備

設(shè)備的電源管理，通常是通過在內(nèi)部用硬件集成控制部件，以完成對(duì)電池或是內(nèi)部電源器件的管理。同樣的對(duì)于外供電設(shè)備，（比如用UPS供電的設(shè)備），也有專門的控制部件用以完成各種控制功能，。不管是哪種情況，都可以通過USB協(xié)議完成主機(jī)與控制部件之間的狀態(tài)和控制信息的通信，使主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電源的絕對(duì)控制。
從主機(jī)角度來看，由于USB電源設(shè)備協(xié)議是在USB人機(jī)接口設(shè)備的框架中設(shè)計(jì)的，所以主機(jī)上的HID類驅(qū)動(dòng)程序是電源設(shè)備實(shí)現(xiàn)的根基。借助HID類驅(qū)動(dòng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在友好得多的平臺(tái)上直接訪問設(shè)備，而無需過多考慮類驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)低層軟件之間的交互。

總之，USB通過一系列的標(biāo)準(zhǔn)定義，使用戶可以通過主機(jī)直接觸摸到設(shè)備的電源管理，大大增強(qiáng)和方便了電源的管理功能。

三．電源設(shè)備的對(duì)象定義

每個(gè)電源設(shè)備都由一組模塊（如電池系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換器）組成，而每個(gè)模塊又可細(xì)分為一個(gè)或多個(gè)子模塊。子模塊可以存在于模塊內(nèi)部（如電池、充電器），也可以是模塊間的接口。所有的模塊、子模塊以及接口都被定義為對(duì)象，有著明確的物理描述：

?Battery（電池）
?Charger（充電器）
?Input?and?Output（輸入/輸出）
?Battery?System（電池系統(tǒng)--電池，充電器和輸入/輸出的集合）
?Power?Supply?or?Power?Converter（電源供應(yīng)或電源轉(zhuǎn)換器--特定電壓、頻率的轉(zhuǎn)換、輸出）
?Outlet?and?Outlet?System（電源出路及電源出路系統(tǒng)--能由PC機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制的電源輸出）
?Gang（群--具有相同特性和功能的對(duì)象的集合）
?Flow（流--電源線電氣特性的摘要描述）
?Power?Summary（電源報(bào)告），供電源設(shè)備向主機(jī)或其它設(shè)備提供自身的工作、狀態(tài)消息，完成電源自身的信息收集和對(duì)外通信，

不同電源設(shè)備內(nèi)部的，模塊、小模塊和接口的組成結(jié)構(gòu)稱為電源設(shè)備的對(duì)象層次表，具體如下：

1．?電池系統(tǒng)：
?輸入（連至輸入流）
?充電器
?電池（連至充電器或輸出）
?輸出（連至輸出流）

2．?電源轉(zhuǎn)換器：
?輸入（連至輸出流或輸出）
?輸出（連至輸入流或輸入）

3．?電源出路系統(tǒng)：
?獨(dú)立的電源出路（連至輸出流）
?一個(gè)輸入流
?輸出流
?電源報(bào)告(連至輸出流)

模塊內(nèi)部的子模塊是直接相連的，而不同的模塊則通過流相連，連接點(diǎn)即為模塊的輸入和輸出。

四．?兩個(gè)簡(jiǎn)單電源設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

1．?一個(gè)典型USB外設(shè)的電源供應(yīng)

圖1．典型USB外設(shè)的電源供應(yīng)

?一個(gè)AC輸入流,一個(gè)DC輸入流（USB總線電源）
?一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器（包括一個(gè)AC輸入，一個(gè)DC輸入和一個(gè)DC輸出）
?一個(gè)DC輸出流
?一個(gè)電源報(bào)告

2．?一個(gè)簡(jiǎn)單的UPS電源
?一個(gè)AC輸入流（主AC輸入）
?一個(gè)電池系統(tǒng)（一個(gè)AC輸入，一個(gè)電池，一個(gè)充電器和一個(gè)DC輸出）
?一個(gè)DC流（后備DC）
?一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器（一個(gè)DC輸入，一個(gè)AC輸入和一個(gè)AC輸出）
?一個(gè)AC輸出流（AC流）
?一個(gè)電源報(bào)告

圖2．簡(jiǎn)單的UPS電源

五.?結(jié)束語

電源管理和USB是兩個(gè)正在飛速發(fā)展的技術(shù)專題。自從廠家把USB所需的控制芯片加入到外圍設(shè)備的ASIC（專用IC）中，PC對(duì)USB的支持只需要增加成本不到1美元的插座。這大大刺激了USB的發(fā)展。Microsoft推出的PC98和PC99系統(tǒng)已宣布將USB和HID作為其支持的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。電源設(shè)備作為通用型設(shè)備，也越來越向標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的方向發(fā)展，USB標(biāo)準(zhǔn)在電源設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，大大提高了電源設(shè)備的通用性，簡(jiǎn)化了電源設(shè)備的控制和管理?？梢韵胍姡S著USB的發(fā)展，USB支持的電源設(shè)備也會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)的電源設(shè)備，這一切都將使得電源管理更標(biāo)準(zhǔn)，更輕松。

六.?部分參考文獻(xiàn)和站點(diǎn)
?Universal?Serial?Bus?Specification,?Revision?1.0,?January?15,?1996
?Universal?Serial?Bus?Device?Class?Definition?for?Human?Interface?Devices?(HID),?

Version?1.0?Final
?Universal?Serial?Bus?HID?Usage?Tables,?Release?Candidate?1.0
?Universal?Serial?Bus?Usage?Tables?for?HID?Power?Device,?Release?1.0

?www.usb.org
?www.mediacity.com
?www.microsoft.com/hwdev/


附：插圖中的詞組含義：
AC?FLOW：交流電
USB?BUS?POWER：USB總線電源
INPUT：輸入
OUTPUT：輸出
DC?FLOW：直流
POWER?SUMMARY：電源報(bào)告

MAIN?AC：主供電交流電
CHARGER：充電器
BATTERY：電池
BACKUP?DC：備用直流電
BATTERY?SYSTEM：電池系統(tǒng)
POWER?CONVERTER：電源轉(zhuǎn)換器