La condivisione delle porte USB 2.0 negli smartphone avanzati

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I dispositivi mobili necessitano di molteplici circuiti integrati (IC) per riuscire a gestire le numerose funzionalità richieste dagli utenti. Un tipico smartphone dispone di un processore per le comunicazioni, un processore applicativo e un circuito integrato per la gestione dell’alimentazione, che devono tutti condividere un’unica porta USB comunicando attraverso essa a velocità di 480Mbps. Nel corso dell’articolo saranno presentate alcune delle soluzioni utilizzabili per risolvere questo problema, analizzando i pro e i contro delle varie strade percorribili, che spaziano da uno hub USB fino a un semplice switch analogico.

Un metodo comunemente utilizzato nella progettazione degli smartphone prevede di fare in modo che il dispositivo preposto alla gestione dell’alimentazione all’interno dell’apparecchio controlli l’unica porta USB 2.0 presente. A tale scopo viene utilizzato uno switch multiplexer USB 3:1 che commuta la porta USB per svolgere la funzione indicata. Per default, lo switch commuta la porta USB anche a beneficio sia del processore applicativo utilizzato per funzionalità multimediali quali la riproduzione di file MP3 o l’elaborazione video, sia del processore preposto alle comunicazioni radio, sia per l’accesso dati, sia per le telefonate (Fig. 1).

Questa architettura offre il vantaggio di permettere l’attivazione della modalità sleep sull’apparecchio quando la funzione non è richiesta. L’unità preposta alla gestione dell’alimentazione può inoltre attivare il processore pertinente quando viene rilevata un’attività sulla porta USB 2.0 oppure quando uno dei processori ne richiede l’accesso. Quando viene rilevato il collegamento di un dispositivo alla presa USB, il circuito che controlla la gestione dell’alimentazione può anche determinare se si tratta di un caricabatterie oppure di un host con capacità di carica, in modo tale da ricaricare la batteria direttamente tramite il segnale VBUS. Il layer fisico (PHY) del processore applicativo e del processore di comunicazione utilizza integralmente la banda dati ad alta velocità (480Mbps) dello switch USB in fase di comunicazione con un host USB quale un PC.

Fig. 1 – Switch multiplexer USB 2.0 utilizzato per condividere un’unica porta USB 2.0

Una recente tendenza riguardante i telefoni 4G richiede la presenza nell’apparecchio di due elementi di elaborazione che devono accedere contemporaneamente alla porta USB. Per questo genere di esigenza, uno hub potrebbe costituire l’opzione più adatta. Il problema è che le connessioni che caratterizzano l’hub USB sono generalmente caratterizzate da un’elevata capacitanza e da una richiesta di potenza considerevole, a fronte del fatto che l’accesso contemporaneo alla porta USB è infrequente. Un design per questo tipo di apparecchi è illustrato in figura 2, in cui il processore di comunicazione 3G può accedere alla porta USB separatamente dal processore 4G.

Mediante uno switch isolato (FSUSB31) e tracce estremamente brevi sulla scheda PCB, è possibile minimizzare la capacitanza tanto che la maschera dei segnali di trasmissione USB ad alta velocità, nell’ambito del path dal processore di comunicazione 3G verso l’host USB, offre ampi margini per rispettare le specifiche USB. Nell’esempio indicato, il processore applicativo controlla lo switch multiplexer USB 3:1, che può incorporare nelle proprie linee di controllo resistenze pull-up e pull-down, in modo tale da commutare per default sul processore applicativo quando quest’ultimo viene disattivato nella modalità standby.

Fig. 2 – Esempio di switch multiplexer USB 2.0 e hub con switch isolato

La funzionalità sopra descritta è resa possibile dalla disponibilità di switch che assorbono quantità minime di corrente quando attivati e presentano consumi praticamente pari a zero se disabilitati. Nell’esempio dello smartphone 4G illustrato in figura 2, il dispositivo FSUSB63 è sempre attivo e consuma soltanto pochi microampere di corrente. Anche nell’esempio mostrato in figura 1, quando il circuito di gestione dell’alimentazione può spegnere il dispositivo FSUSB63 in modalità standby, il consumo di corrente è inferiore a un microampere.

Nella maggior parte dei circuiti integrati, alte velocità e bassi consumi sono generalmente due caratteristiche in contrasto tra loro. Molto spesso la soluzione per ottenere entrambe queste caratteristiche consiste nel ridurre la tensione in gioco e utilizzare processi geometrici accurati; tuttavia le specifiche USB richiedono segnali a tensione elevata. Il design di un apparecchio robusto, in cui le linee D+ e D- sono in grado di sopravvivere a un cortocircuito della linea VBUS a 5V, impedisce inoltre il ricorso a basse tensioni. Nonostante ciò, in tempi recenti gli switch USB a pompa di carica a bassa tensione sono in grado di fornire una risposta al problema soddisfacendo gli stringenti requisiti della maschera dei segnali USB ad alta velocità come illustrato in figura 3. In effetti, la maggioranza di questi design è in grado di supportare velocità dati USB più che doppie (>1 Gbps) senza necessità di modifiche all’architettura o ai dispositivi prescelti.

Fig. 3 – Maschera dei segnali ad alta velocità USB 2.0

Sovente il passaggio da un processore a un altro tramite uno switch USB viene effettuato innanzitutto scollegando tutti i path e lasciando trascorrere un tempo sufficiente, in modo tale che il controller della porta dell’host USB possa riconoscere l’interruzione della connessione e passare all’altro path, permettendo quindi all’host di resettare e rinumerare il nuovo dispositivo USB. Ciò viene fatto via software sul cellulare e richiede una debita attenzione da parte dei progettisti, i quali nella stesura del software devono tenere conto delle limitazioni imposte dall’hardware prescelto. Gli switch USB più recenti permettono tuttavia un più ampio ricorso al software nei dispositivi portatili, rendendo obsoleta questa situazione. Ciò è possibile perché qualunque cambiamento nella selezione dei segnali di controllo di tali switch USB avvia automaticamente il processo di interruzione della connessione per un tempo predeterminato. Questa capacità è imposta dalle specifiche USB 2.0 ad alta velocità, che richiedono che un host USB sia in grado di riconoscere l’interruzione della connessione, predisponendo una nuova connessione interna.

Come accennato precedentemente, il risparmio di corrente è un imperativo per la maggior parte dei dispositivi portatili; pertanto le tensioni di alimentazione dei processori vengono spesso mantenute su valori di 1,2V o inferiori. Ne consegue che in fase di interfaccia con dispositivi operanti a tensioni più elevate, in cui l’alimentazione è collegata direttamente alla tensione della batteria, la corrente assorbita dalla batteria da parte degli input operanti a tensioni inferiori è considerevole. Un metodo per ridurre il consumo di corrente consiste nell’impiegare trasformatori di tensione. Poiché la commutazione USB è un processo intrinsecamente lento, in tali circostanze gli switch USB sopra citati assorbono un quantitativo di corrente irrilevante impostando le soglie di ingresso in base alla tensione di alimentazione più bassa. Inoltre, i buffer di ingresso sono progettati in modo da conservare potenza nei casi di differenza di tensione peggiori, facilitando il compito dei progettisti di sistema.

Costi e ingombri delle schede PCB (Printed Circuit Board) sono due aspetti da tenere sempre in considerazione in tutti i dispositivi portatili di dimensioni contenute. Oggi gli switch sono realizzati in package compatti aventi un pitch dei pin di 0,4 mm, occupando una porzione tanto contenuta della scheda PCB da surclassare totalmente le alternative costituite da grandi conne
ttori proprietari che richiedono dongle specializzati per la connettività USB. È inoltre il caso di rammentare che il costo di uno switch è di gran lunga inferiore a quello di uno hub USB.

Talvolta può essere necessario collegare in cascata più switch USB, per esempio in applicazioni dove un unico side loading controller utilizza lo standard Media Transfer Protocol per consentire il download di filmati da un PC host a una scheda di memoria SD senza sovraccaricare il processore applicativo dello smartphone. In questi casi la capacità dello switch USB nello stato OFF rappresenta un fattore critico per consentire il traffico USB ad alta velocità riducendo al minimo i tempi di download. La OFF capacitance dei nuovi switch USB è invero talmente bassa (2 pF tipico) da consentire di aggiungere più switch anche negli stadi finali di un design allo scopo di integrare ulteriori funzionalità nello smartphone.

Fig. 4 – Auricolari che utilizzano una singola porta USB

Allo scopo di ridurre al minimo il numero di connettori presenti su uno smartphone, talvolta la porta USB è progettata per essere collegata a un auricolare analogico oltre che a un dispositivo USB high speed e/o full speed. Speciali switch USB permettono di gestire questa situazione istradando il segnale del microfono incorporato nell’auricolare attraverso la linea VBUS del connettore USB, mentre i segnali D+ e D- vengono indirizzati alle linee rispettivamente degli altoparlanti destro e sinistro. Un tipico esempio di switch USB (FSA800) è in grado di determinare, al momento della connessione, se alla porta USB sia stato collegato un caricabatterie utilizzando l’algoritmo di specifica per la carica della batteria via USB. Ciò permette a un processore di controllare la selezione del path dello switch in base allo stato del segnale del pin ID del connettore USB.

Altri switch USB utilizzano il pin ID per il rilevamento e la configurazione automatica, rendendo possibile l’uso di innumerevoli accessori avanzati, tra cui figurano una vasta gamma di dispositivi quali speciali cavi di collaudo che sfruttano al meglio le procedure di test in fabbrica per ottimizzarne i costi, sofisticati auricolari dotati di tutti i controlli per la riproduzione dei file MP3 e accessori per l’ascolto delle radio e l’effettuazione/ricezione delle chiamate che consentono di passare liberamente da una funzione all’altra.

Gli switch USB ad alta velocità hanno permesso di integrare nei moderni smartphone un’enorme varietà di funzioni permettendo al contempo di contenere lo spessore degli apparecchi a poco più di quello dei connettori compatti ad alta velocità micro-USB. Tali connettori sono in grado di supportare un processore applicativo, un processore di comunicazione, uno hub USB (quando è necessario comunicare contemporaneamente con più dispositivi), un driver audio e, se desiderato, un’intera gamma di altre funzioni aventi velocità inferiori. Tutto ciò è possibile in considerazione della circuiteria avanzata integrata nei più recenti switch USB, senza sottostare a compromessi nei consumi di corrente, negli ingombri sulla scheda PCB né nei costi, e comunque fornendo la funzione di rilevamento della connessione dei caricabatterie USB, contribuendo attivamente all’impegno globale volto a fare della tecnologia USB lo standard globale per tutti i dispositivi portatili.
 

www.fairchildsemi.com

Oscar Freitas, Fairchild Semiconductor

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