CN101470682B

CN101470682B - Usb自调节驱动方法及电路

Info

Publication number: CN101470682B
Application number: CN2007103038320A
Authority: CN
Inventors: 周建锁
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: CN101470682A

Abstract

本发明提出了一种用于USB(Universal Serial Bus)接口芯片的自调节驱动方法及电路。带USB接口的设备(device)与主机(host)之间的通信是通过USB接口来完成的，USB设备有4个引脚，即两根数据线(DP、DM)、电源(VCC)和地线(GND)。设备和主机之间可以直接连接，也可以通过线缆进行连接。连接用线缆长度的不同，导致数据线在发送信号时的驱动负载发生较大变化，在驱动能力不变的情况下，驱动信号的质量会发生较大变化，尤其是上升时间和下降时间，这将影响通信的兼容性。本发明提出了一种通过检测驱动负载而调节USB设备驱动电路的方法，从而调节驱动信号，提高驱动信号性能，提高通信系统的兼容性。

Description

USB自调节驱动方法及电路

技术领域

本发明是用于USB接口芯片的自调节驱动方法及电路，主要应用于USB接口芯片，以及带USB接口的芯片设备，以改善驱动信号质量和性能。

背景技术

USB(Universal Serial Bus)指通用串行总线，是应用在PC领域的接口技术。目前PC主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本间能很好的兼容。USB用一个4针插头作为标准插头。USB具有传输速度快(full speed是12Mbps，high speed是480Mbps)、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等几乎所有的外部设备。

USB连接用的4针插头为4根信号线，即数据线DP、数据线DM、电源线(VCC)、地线(GND)。DP和DM用于传输差分数据信号，电源线用于USB设备(device)从主机(host)提取电源，地线将USB设备的地和主机的地连接起来。

USB设备驱动主机时，可以将驱动负载等效为电阻、电感和电容负载，其中电阻和电感负载部分通常很小，主要是电容负载。电容负载包括线缆的集散电容、导体的接触电容、封装引入的电容、主机负载电容等。

USB协议规定了设备驱动主机时的驱动信号的性能，主要是上升时间和下降时间。对于full speed，上升和下降时间要求在4～20ns范围内；对于low speed，上升和下降时间要求在75～300ns范围内；对于high speed，上升和下降时间要求在500ps左右。

对于full speed，USB设备需要具有驱动负载电容范围在50～600pF的能力；对于low speed，USB设备需要具有驱动负载电容范围在50～125pF的能力；对于high speed，USB设备需要具有驱动负载电容范围在50～125pF的能力。

无论是USB1.1，还是USB2.0，由于驱动负载的范围比较大，如果采用固定的驱动电路，那么在负载变化情况下，驱动信号的上升时间和下降时间变化会较大，可能在一定程度上影响系统的兼容性。本发明通过采用检测驱动负载来改变驱动电路的方法可以改进驱动信号的性能和质量。

发明内容

针对USB设备的驱动电路，本发明提出了一种用于USB接口或者带USB接口的芯片内部的自调节驱动方法及电路，也就是通过在USB使用时的上电期间，检测驱动负载，并锁存输出信号，根据负载与驱动电路之间的关系确定驱动电路，从而针对不同的驱动负载采用不同的驱动电路参数来达到调节驱动信号性能的目的。

本发明的USB自调节驱动电路1由控制及驱动电路2、检测及调节电路3构成。通过检测数据线DP(或者DM)的负载电容4(对地5的电容)来调节驱动电路。控制及驱动电路2由驱动控制电路6和驱动电路7两部分构成。检测及调节电路3由参考电压与控制信号产生电路8、负载检测电路9、调节电路10三部分构成。在电源上电后参考电压与控制信号产生电路产生参考电压和控制信号，对负载检测电路提供参考电压和控制信号，负载检测电路检测到USB数据线的负载电容后，并转换成数字信号，将数字信号锁存后通过调节电路输出控制信号，控制及驱动电路根据控制信号来控制或选择驱动电路的参数，选择n组驱动电路中的哪些电路工作，以此控制或选择控制及驱动电路的参数来调节驱动信号性能。

控制及驱动电路2由n(n大于1的整数)组电路构成，每组控制及驱动电路都由一个驱动控制电路(如11、12、14、15)和一个驱动电路(如13、16)构成。每个驱动电路由充电用MOS管(如13，从电源充电)和放电用MOS管(如16，对地放电)构成。每个驱动控制电路由驱动充电用MOS管的电路和驱动放电用MOS管的电路构成，充电和放电用MOS管构成一组驱动电路，可以用两个PMOS来实现，也可以用两个NMOS来实现，也可以用一个PMOS(充电用)和一个NMOS(放电用)来实现。驱动控制电路由预驱动电路和控制电路构成。PMOS的控制电路用或非门实现，NMOS的控制电路用与非门实现。或非门11、具有预驱动作用的反向器12、充电用PMOS管13、与非门14、具有预驱动作用的反向器15、放电用NMOS管16构成第1组控制及驱动电路(充电用MOS管以PMOS为例)，其它n-1组控制及驱动电路具有与第1组相同的电路结构，电路参数根据需要进行调整，尤其是MOS管13和16的参数(主要是栅的宽和长)，具体参数需要根据负载电容检测精度及调整策略来设计。17、18、19、20、21和22构成了第n组控制及驱动电路。

如图3所示，参考电压与控制信号产生电路由参考电压产生电路23和控制信号产生电路24两部分构成。如图4所示，在电源VDD 25上电后，产生参考电压VR 26和控制信号EN127、EN228、EN329、EN 31(POR信号30由系统产生)，从而对负载检测电路提供参考电压和控制信号。T0为上电起始时间，T1、T2、T3、T4要求具有特定的时序关系，可以通过延迟电路来实现，包括模拟延迟或数字延迟。

负载检测电路9由检测电路32、模数转换电路33和信号锁存电路34三部分构成。T1时刻检测电路32开始工作，T2时刻检测结束，模数转换电路33开始工作，T3时刻信号锁存电路开始对模数转换电路33的输出进行锁存。T4时刻为系统的上电复位POR信号30结束复位状态的时刻。

检测电路32由检测控制电路35(开关用MOS管)和参考电流生成电路36两部分构成，模数转换电路33可以采用通用的ADC(模数转换器)来实现，信号锁存电路34可以通过锁存器来实现。参考电流生成电路36可以采用基准电流产生电路(由运算放大器37、PMOS管38、NMOS管39和电阻40来构成)和电流镜(PMOS管41)来实现，其中PMOS管40和41构成一组电流镜。

调节电路10的输入是负载检测电路9的输出，调节电路10可等效于一个译码电路，用于根据检测到的信号来形成控制策略，从而确定相应的驱动电路。

本发明的优点是根据不同的驱动负载采用不同的驱动电路参数来达到调节驱动信号性能的目的。

附图说明

图1为本发明提出的USB自调节驱动电路结构图；

图2为控制及驱动电路结构原理图；

图3为参考电压与控制信号产生电路接口框图；

图4为参考电压与控制信号时序图；

图5为负载检测电路结构及接口框图；

图6为负载检测原理图；

图7为负载检测电路图；

图8为调节电路接口框图。

具体实施方式

图1是本发明的USB自调节驱动电路结构1，它由控制及驱动电路2和检测及调节电路3构成。其工作原理是：通过检测USB数据线DP(或者DM)的负载电容4(对地5的电容)的范围来控制驱动电路，从而调节驱动电路的性能，实现自调节驱动。也就是说，保证在负载发生变化(如不同的传输线缆)情况下，USB的驱动信号的上升时间和下降时间可通过控制符合预期性能，而不是随着负载变化而变化。整个自调节驱动电路由驱动控制电路6、驱动电路7、参考电压与控制信号产生电路8、负载检测电路9、调节电路10五部分构成。

图2中驱动控制电路6的输入信号包括来自于USB PHY的发送信号TXPP和TXPN，以及来自于调节电路的控制信号CPi和CNi(i＝1，...，n)。TXPP和CPi是驱动从电源向负载充电的MOS管(PMOS或者NMOS)的信号，而TXPN和CNi是驱动从负载对地放电的MOS管(PMOS或者NMOS)的信号。驱动控制电路6由n组电路(n是可设计的，n越大，控制性能越好)构成，每组有两条通路，一条通路用于控制和预驱动负载充电用MOS管，一条通路用于控制和预驱动负载放电用MOS管。每条通路都由一个与非门(充电或者放电器件是NMOS)或者或非门(充电或者放电器件是PMOS)和一个反相器构成，反相器具有预驱动功能。

图2中驱动电路7的作用是将USB PHY要发送的信号发送出去，也就是对负载进行充放电，包括对负载充电用MOS管(PMOS 13或者NMOS实现)和从负载放电用MOS管(PMOS或者NMOS 16实现)。充放电用MOS管由n组电路并联构成，每组都具有充放电功能。对于特定负载，通过设计使得n组充放电电路中的部分或者全部工作，这由设计者在设计时确定，并通过信号CPi和CNi(i＝1，...，n)进行控制或者选择。

图3中参考电压与控制信号产生电路8给出了负载检测电路9需要的参考电压信号和时序控制信号。在USB上电过程中，由此电路产生控制信号，完成负载检测、模数转换和信号锁存。一旦信号锁存之后，在USB工作过程中，锁存信号保持不变。在T1时刻，USB的电源信号25和参考电压信号26已经稳定，检测电路32开始工作；在T2时刻检测电路32完成检测工作，模数转换电路33开始工作；在T3时刻模数转换电路33完成转换，信号锁存电路34开始工作；在T4时刻信号锁存完成，同时USB电路其它模块也准备完毕，POR(USB的上电复位信号变高，USB进入工作等待状态)。控制信号的时序关系由图4确定。

图5中负载检测电路9由检测电路32、模数转换电路33和信号锁存电路34构成。检测电路32用于检测负载电容的大小，并转换成电压信号，模数转换电路33将此电压信号转换成数字信号，并由信号锁存电路34将转换后的数字信号锁存并输出DATA[1:m](m由设计者根据驱动电路的性能要求来确定，m越大，控制越精准)。在USB未下电情况下，信号DATA[1:m]保持不变。检测电路32可以通过恒流源36对负载充电来转换成电压信号，并通过开关管35进行控制，如图6。恒流源36可以通过参考电流产生电路来完成，如图7。电流值等于参考电压VR除以电阻40的电阻值，并通过镜像即可产生参考电流信号。电阻的精度将影响参考电流值的准确程度，如果需要非常准确的电流，可以通过校准电路进行校准来实现，本发明不做特别描述。模数转换电路33可以用常用的模数转换电路(ADC)来实现，信号锁存电路34可以用锁存器来实现，本发明不做更多描述。

图8中调节电路10将锁存的数字信号DATA[1:m]转换成控制信号CP[1:n]和CN[1:n]，转换关系由设计者根据驱动电路7的器件参数设计来确定，也就是根据负载的大小来控制驱动电路的参数。但对于特定负载，驱动电路的参数是设计者根据驱动信号上升时间和下降时间来确定的，负载检测电路9检测到相应负载后，将DATA[1:m]通过调节电路10输出信号CP[1:n]和CN[1:n]，从而来控制或选择驱动电路的参数，也就是n组驱动电路中选择哪些电路工作。调节电路10可以等效成一个译码电路。

对本发明的具体实施方式说明如下：

1.在USB接口芯片或者带USB接口的芯片内部使用本发明的USB自调节驱动方法及电路1，用于根据电容负载的大小来控制驱动电路2的参数，从而达到调节驱动信号性能(上升时间和下降时间)的目的，从而提高USB驱动信号质量，提高USB通信系统的兼容性。

2.本发明提供的USB自调节电路是基于CMOS工艺的，也就是需要在CMOS工艺上实现。本发明提出的方法也适用于BIPOLAR或者BICMOS工艺。

3.本发明的主要特点是驱动信号性能可根据负载的不同而进行调节，但需要增加检测及调节电路3。

4.对于USB的两个信号线DP和DM，采用相同的自调节驱动电路，本发明仅以DP为例进行了说明。

5.n组驱动电路并联在一起来驱动负载，对于同一个负载来说，驱动电路工作的数量通过设计来确定。通常来说，负载电容越大，驱动电路工作数量也会增多，也就是驱动电路的参数(MOS管的宽长比)会增大，从而达到调节驱动信号上升和下降时间的目的。

6.如果n＝1，那么就是参数固定的驱动电路，当外部负载发生变化时，驱动信号的上升和下降时间就会发生变化。

7.系统上电复位信号POR由USB芯片其它电路产生，目的是保证电路可靠工作。

Claims

1.USB自调节驱动电路，其特征是该电路由控制及驱动电路、检测及调节电路构成，USB自调节驱动电路中所含的控制及驱动电路有n组，n为大于1的整数，每组控制及驱动电路由驱动控制电路、驱动电路两部分构成，检测及调节电路由负载检测电路、调节电路、参考电压与控制信号产生电路三部分构成，在电源上电后参考电压与控制信号产生电路产生参考电压和控制信号，对负载检测电路提供参考电压和控制信号，负载检测电路检测到USB数据线的负载电容后，并转换成数字信号，将数字信号锁存后通过调节电路输出控制信号，控制及驱动电路根据控制信号来控制或选择驱动电路的参数，选择n组驱动电路中的哪些电路工作。

2.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是每组驱动电路具有与第1组相同的电路结构，每组驱动电路由两个MOS管构成，一个MOS管用于充电，一个MOS管用于放电，两个MOS管可用两个PMOS、两个NMOS、或者一个PMOS和一个NMOS来实现。

3.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是每组控制及驱动电路都有一个驱动控制电路，由预驱动电路和控制电路构成，PMOS的控制电路用或非门实现，NMOS的控制电路用与非门实现。

4.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是参考电压与控制信号产生电路由参考电压产生电路和控制信号产生电路两部分构成，用于产生参考电压和控制信号，从而对负载检测电路提供参考电压和控制信号。

5.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是负载检测电路由检测电路、模数转换电路和信号锁存电路三部分构成，其中检测电路用于检测负载电容的大小，并转换成电压信号，检测电路检测结束后模数转换电路开始工作，模数转换电路将电压信号转换成数字信号，并由信号锁存电路将转换后的数字信号锁存并输出。

6.根据权利要求5所述的USB自调节驱动电路，其特征是检测电路由参考电流生成电路和检测控制电路两部分构成，其中模数转换电路能够采用通用的模数转换器来实现，信号锁存电路能够通过锁存器来实现。

7.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是调节电路的输入是负载检测电路的输出，调节电路将锁存的数字信号转换成控制信号，控制及驱动电路根据控制信号控制驱动电路的参数。

8.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是控制信号的时序，能够通过延迟电路来实现，包括模拟延迟或者数字延迟。

9.根据权利要求1所述的USB自调节驱动电路，其特征是对于特定负载，根据驱动信号上升时间和下降时间来确定驱动电路的参数。