USB端口的电源管理

USB端口的电源管理

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（Universal Serial Bus）是以Intel为主，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（Human Interface Device）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（Power Device）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）
 Input and Output（输入/输出）
 Battery System（电池系统--电池，充电器和输入/输出的集合）
 Power Supply or Power Converter（电源供应或电源转换器--特定电压、频率的转换、输出）
 Outlet and Outlet System（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）
 Power Summary（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

五. 结束语

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。

六. 部分参考文献和站点
 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：插图中的词组含义：
AC FLOW：交流电
USB BUS POWER：USB总线电源
INPUT：输入
OUTPUT：输出
DC FLOW：直流
POWER SUMMARY：电源报告

MAIN AC：主供电交流电
CHARGER：充电器
BATTERY：电池
BACKUP DC：备用直流电
BATTERY SYSTEM：电池系统
POWER CONVERTER：电源转换器