USB电源管理

 中心议题：

• USB标准设计和电源管理

解决方案：

• USB通用串行总线与HID人机接口设备
• 通过USB协议完成主机与控制部件之间的状态和控制信息的通信

电源管理，历来是电子产品设计与维护的主要环节之一。在过去，用户想了解电源的情况，只能通过设备上有限的工作指示；随着计算机技术的发展，电源系统（如 UPS）开始通过RS-232与计算机通信，使用户对电源的控制大为方便；但RS-232也并非是完美的，总线结构的发展带来了IEEE1394(高速串行总线)和USB。电源设备最终选择了适合中低速外设的USB标准。这并不是在赶时髦，在其背后有着深厚的需求背景。

遵循USB标准设计和管理电源设备，充分实现USB设备的即插即用，低功耗和使用维护方便等优点,是电源设备发展趋势之一。

一．USB通用串行总线与HID人机接口设备

USB（UniversalSerialBus）是以Intel为主，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标准，1994年11 月制定了第一个草案，1996年2月公布了USB规格版本1.0。USB可把多达127个外设联到你的系统上，其12Mbps的带宽对如键盘，鼠标等低中速外设是完全足够的。该技术使你能把设备随时插上或拔下你的系统，最终还将不再需要在你的PC机后面设多个并行和串行口。

USB将设备分为不同的类型，每个设备类型都定义了类似功能设备的共同行为和协议。HID（HumanInterfaceDevice）人机接口设备主要指用于人控制计算机系统操作的器件，而电源设备（PowerDevice）则被定位为HID的子系统之一。对设备进行分类是为了抹除不同硬件厂商之间的差异，以便于主机(PC)对设备进行方便、统一的管理。相同类型的设备都由一组标准定义的功能模块组成。这样主机与USB设备之间的通信就可以通过一些标准格式的数据包来完成。

二．HID电源设备

设备的电源管理，通常是通过在内部用硬件集成控制部件，以完成对电池或是内部电源器件的管理。同样的对于外供电设备，（比如用UPS供电的设备），也有专门的控制部件用以完成各种控制功能。不管是哪种情况，都可以通过USB协议完成主机与控制部件之间的状态和控制信息的通信，使主机实现对设备电源的绝对控制。

从主机角度来看，由于USB电源设备协议是在USB人机接口设备的框架中设计的，所以主机上的HID类驱动程序是电源设备实现的根基。借助HID类驱动，设备驱动程序可以在友好得多的平台上直接访问设备，而无需过多考虑类驱动与系统低层软件之间的交互。

总之，USB通过一系列的标准定义，使用户可以通过主机直接触摸到设备的电源管理，大大增强和方便了电源的管理功能。

三．电源设备的对象定义

每个电源设备都由一组模块（如电池系统、电源转换器）组成，而每个模块又可细分为一个或多个子模块。子模块可以存在于模块内部（如电池、充电器），也可以是模块间的接口。所有的模块、子模块以及接口都被定义为对象，有着明确的物理描述：

Battery（电池）
Charger（充电器）
InputandOutput（输入/输出）
BatterySystem（电池系统--电池，充电器和输入/输出的集合）
PowerSupplyorPowerConverter（电源供应或电源转换器--特定电压、频率的转换、输出）
OutletandOutletSystem（电源出路及电源出路系统--能由PC机进行远程开关控制的电源输出）
Gang（群--具有相同特性和功能的对象的集合）
Flow（流--电源线电气特性的摘要描述）

PowerSummary（电源报告），供电源设备向主机或其它设备提供自身的工作、状态消息，完成电源自身的信息收集和对外通信，不同电源设备内部的，模块、小模块和接口的组成结构称为电源设备的对象层次表，具体如下：

1．电池系统：
输入（连至输入流）
充电器
电池（连至充电器或输出）
输出（连至输出流）

2．电源转换器：
输入（连至输出流或输出）
输出（连至输入流或输入）

3．电源出路系统：
独立的电源出路（连至输出流）
一个输入流
输出流
电源报告(连至输出流)

模块内部的子模块是直接相连的，而不同的模块则通过流相连，连接点即为模块的输入和输出。

四．两个简单电源设备的实现

1．一个典型USB外设的电源供应

图1．典型USB外设的电源供应


一个AC输入流,一个DC输入流（USB总线电源）
一个电源转换器（包括一个AC输入，一个DC输入和一个DC输出）
一个DC输出流
一个电源报告

2．一个简单的UPS电源
一个AC输入流（主AC输入）
一个电池系统（一个AC输入，一个电池，一个充电器和一个DC输出）
一个DC流（后备DC）
一个电源转换器（一个DC输入，一个AC输入和一个AC输出）
一个AC输出流（AC流）
一个电源报告

图2．简单的UPS电源


电源管理和 USB是两个正在飞速发展的技术专题。自从厂家把USB所需的控制芯片加入到外围设备的ASIC（专用IC）中，PC对USB的支持只需要增加成本不到1 美元的插座。这大大刺激了USB的发展。Microsoft推出的PC98和PC99系统已宣布将USB和HID作为其支持的工业标准之一。电源设备作为通用型设备，也越来越向标准统一的方向发展，USB标准在电源设备的实现，大大提高了电源设备的通用性，简化了电源设备的控制和管理。可以想见，随着 USB的发展，USB支持的电源设备也会成为标准的电源设备，这一切都将使得电源管理更标准，更轻松。