USB OTG技术发展

 

　　USB是目前流行的有线电连接技术，但它是属于外围连接主机的架构，所以如果没有PC的话，其余外围装置将无法彼此沟通。如今，用户需要的是外围装置能够彼此直接连接，省去PC充当中介的角色，这在数字家庭网络中尤其重要。而USB On-The-Go (OTG) 正是要提供这样的解决方案。

　　技术挑战

　　USB OTG标准除了对装置做出新的定义(A装置是主机，B装置是外围)以外，也同时对移动装置的设计规格，提出了许多严格的规范。其中，电源的管理是最大的挑战，例如：USB OTG规定以电池供电的移动装置，必须能够利用普通的锂离子或锂高分子(lithium polymer)电池产生一个5V的电压。此外，它还定义了一个电压，用来监控和管理省电模式。

　　一个OTG装置的电源管理系统必须能输出一个4.4V～5.25V的电压，其电流至少要有8 mA。因此，对于大多数移动装置而言，其电压转换器(voltage converter)必须要能够将3V～4.2V的电压转换成4.4V～5.25V的电压。使用高效率的电压转换器，是维持电池寿命所必备的条件。

　　USB OTG也规定电压上升时间不能超过100 ms，以应付外围装置需求大量的电流。在这种情况下，A装置必须关闭VBus，并结束对话(session)。因此，电压转换器的开启(turn-on)时间最好能小于数ms。

　　OTG装置的互通，是靠四种电压侦测器(voltage detector)不断地侦测的大小，这四种侦测器的电压侦测范围分别是：(大于)4.4V、(0.8V至)4V、(0.8V至)2V、(0.2V至)0.8V。藉由和这四种电压范围，A、B装置就能够了解目前的通信状态。实作上，电压侦测器的无负载电流量(quiescent current)必须非常小，以达到省电的要求。尤其是2.0V的电压侦测器更需要如此，因为当A装置关闭总线时，它仍然可以透过此电压侦测器，知道有“对话请求通信协议(Session Request Protocol;SRP)”的信号来临。USB OTG也具有另一个USB没有的功能：B装置在省电模式下，它仍然可以叫醒。

　　当VBus未供电时，A装置在VBus上的电阻值必须只有40KΩ~100KΩ，并且VBus的泄漏电压值必须小于0.2 V。OTG装置的VBus去耦合电容值必须在1F～6.5F之间，但是标准的USB主机至少必须有96F。电容值如此规定的目的，是要让OTG装置的电容值(最大6.5F)与标准USB主机的电容值(最小96F)做一区分，电压侦测器必须将电容的充电时间考虑进去，以使两个6.5F的电容能实时充电超过2.1V，这是两个OTG装置互相连接时所必需的;而OTG装置和标准的USB主机互相连接时，96F+1F(1F是OTG装置所允许的最小电容值)的充电电压是维持在2V以下，因此，电压侦测器就可以辨别出要连接的对方是否是OTG装置或是标准的USB主机。这是很重要的，因为标准的USB主机并没有发送SRP信号的能力，双方的去耦合电容之充电电压维持在2V以下，在此情况下，VBus的逆向电流不至于损坏USB主机。

　　OTG装置是可以直接使用电压转换器，来提供VBus脉冲信号。但是，这种方法会浪费掉功率。比较好的方法是使用电流源，因为它不需要考虑到电容的充电时间，简化了计时(timing)作业。电流源对电容充电，可以提供线性的电压锯齿(ramp)脉冲;相较之下，电压源对电阻电容(RC)充电时，会产生指数曲线，这不是VBus所要的理想脉冲。

　　USB OTG规定，在B装置可以开始发出SRP信号之前，在初始化条件中有一项是VBus必须小于0.8V。为了要让VBus的电压准位能够迅速降低，加速SRP作业，可以藉由切换至一个下拉(pull-down)电阻来释放VBus的电能。不过，对此放电电阻的唯一限制是，它的电流不能超过8 mA，因为若超过8 mA，就等于OTG装置开机时的工作电流了。

　　与上述的硬件实体层挑战一样，OTG软件堆栈的挑战也很艰巨。其实，单纯的OTG软件主要仅包含OTG应用程序和驱动程序两种而已。但是，若OTG装置本身又兼具USB主机与外围的角色，那么像OHCI、UHCI、EHCI、类别驱动程序(主机端)、功能驱动程序(外围端)等标准的USB软件堆栈都必须具备才行。这是因为USB OTG是USB 2.0的补充标准，所以，国外软件厂商一般是以整套软件堆栈的方式来销售，如图1所示。