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      USB電源管理

      發布時間:2010-08-19

      中心議題:
      • USB標準設計和電源管理
      解決方案:
      • USB通用串行總線與HID人機接口設備
      • 通過USB協議完成主機與控制部件之間的狀態和控制信息的通信

      電源管理,歷來是電子產品設計與維護的主要環節之一。在過去,用戶想了解電源的情況,只能通過設備上有限的工作指示;隨著計算機技術的發展,電源系統(如UPS)開始通過RS-232與計算機通信,使用戶對電源的控制大為方便;但RS-232也并非是完美的,總線結構的發展帶來了IEEE1394(高速串行總線)和USB。電源設備最終選擇了適合中低速外設的USB標準。這并不是在趕時髦,在其背后有著深厚的需求背景。

      遵循USB標準設計和管理電源設備,充分實現USB設備的即插即用,低功耗和使用維護方便等優點,是電源設備發展趨勢之一。

      一.USB通用串行總線與HID人機接口設備

      USB(UniversalSerialBus)是以Intel為主,并有Compaq,Microsoft,IBM,DEC,NorthernTelecom以及日本NEC等共七家公司共同制定的串行接口標準,1994年11月制定了第一個草案,1996年2月公布了USB規格版本1.0。USB可把多達127個外設聯到你的系統上,其12Mbps的帶寬對如鍵盤,鼠標等低中速外設是完全足夠的。該技術使你能把設備隨時插上或拔下你的系統,最終還將不再需要在你的PC機后面設多個并行和串行口。

      USB將設備分為不同的類型,每個設備類型都定義了類似功能設備的共同行為和協議。HID(HumanInterfaceDevice)人機接口設備主要指用于人控制計算機系統操作的器件,而電源設備(PowerDevice)則被定位為HID的子系統之一。對設備進行分類是為了抹除不同硬件廠商之間的差異,以便于主機(PC)對設備進行方便、統一的管理。相同類型的設備都由一組標準定義的功能模塊組成。這樣主機與USB設備之間的通信就可以通過一些標準格式的數據包來完成。

      二.HID電源設備

      設備的電源管理,通常是通過在內部用硬件集成控制部件,以完成對電池或是內部電源器件的管理。同樣的對于外供電設備,(比如用UPS供電的設備),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協議完成主機與控制部件之間的狀態和控制信息的通信,使主機實現對設備電源的絕對控制。

      從主機角度來看,由于USB電源設備協議是在USB人機接口設備的框架中設計的,所以主機上的HID類驅動程序是電源設備實現的根基。借助HID類驅動,設備驅動程序可以在友好得多的平臺上直接訪問設備,而無需過多考慮類驅動與系統低層軟件之間的交互。

      總之,USB通過一系列的標準定義,使用戶可以通過主機直接觸摸到設備的電源管理,大大增強和方便了電源的管理功能。

      三.電源設備的對象定義

      每個電源設備都由一組模塊(如電池系統、電源轉換器)組成,而每個模塊又可細分為一個或多個子模塊。子模塊可以存在于模塊內部(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象,有著明確的物理描述:

      Battery(電池)
      Charger(充電器)
      InputandOutput(輸入/輸出)
      BatterySystem(電池系統--電池,充電器和輸入/輸出的集合)
      PowerSupplyorPowerConverter(電源供應或電源轉換器--特定電壓、頻率的轉換、輸出)
      OutletandOutletSystem(電源出路及電源出路系統--能由PC機進行遠程開關控制的電源輸出)
      Gang(群--具有相同特性和功能的對象的集合)
      Flow(流--電源線電氣特性的摘要描述)
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      PowerSummary(電源報告),供電源設備向主機或其它設備提供自身的工作、狀態消息,完成電源自身的信息收集和對外通信,不同電源設備內部的,模塊、小模塊和接口的組成結構稱為電源設備的對象層次表,具體如下:

      1.電池系統:
      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:
      獨立的電源出路(連至輸出流)
      一個輸入流
      輸出流
      電源報告(連至輸出流)

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

      四.兩個簡單電源設備的實現

      1.一個典型USB外設的電源供應

      圖1.典型USB外設的電源供應


      一個AC輸入流,一個DC輸入流(USB總線電源)
      一個電源轉換器(包括一個AC輸入,一個DC輸入和一個DC輸出)
      一個DC輸出流
      一個電源報告

      2.一個簡單的UPS電源
      一個AC輸入流(主AC輸入)
      一個電池系統(一個AC輸入,一個電池,一個充電器和一個DC輸出)
      一個DC流(后備DC)
      一個電源轉換器(一個DC輸入,一個AC輸入和一個AC輸出)
      一個AC輸出流(AC流)
      一個電源報告

      圖2.簡單的UPS電源


      電源管理和USB是兩個正在飛速發展的技術專題。自從廠家把USB所需的控制芯片加入到外圍設備的ASIC(專用IC)中,PC對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的發展。Microsoft推出的PC98和PC99系統已宣布將USB和HID作為其支持的工業標準之一。電源設備作為通用型設備,也越來越向標準統一的方向發展,USB標準在電源設備的實現,大大提高了電源設備的通用性,簡化了電源設備的控制和管理??梢韵胍?,隨著USB的發展,USB支持的電源設備也會成為標準的電源設備,這一切都將使得電源管理更標準,更輕松。
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