USB端口的電源管理

電源管理，歷來是電子產品設計與維護的主要環節之一。在過去，用戶想了解電源的情況，只能通過設備上有限的工作指示；隨著計算機技術的發展，電源系統（如UPS）開始通過RS-232與計算機通信，使用戶對電源的控制大為方便；但RS-232也并非是完美的，總線結構的發展帶來了IEEE1394(高速串行總線)和USB。電源設備最終選擇了適合中低速外設的USB標準。這并不是在趕時髦，在其背后有著深厚的需求背景。

遵循USB標準設計和管理電源設備，充分實現USB設備的即插即用，低功耗和使用維護方便等優點,是電源設備發展趨勢之一。

一．?USB通用串行總線與HID人機接口設備

USB（Universal?Serial?Bus）是以Intel為主，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標準，1994年11月制定了第一個草案，1996年2月公布了USB規格版本1.0。USB可把多達127個外設聯到你的系統上，其12Mbps的帶寬對如鍵盤，鼠標等低中速外設是完全足夠的。該技術使你能把設備隨時插上或拔下你的系統，最終還將不再需要在你的PC機后面設多個并行和串行口。

USB將設備分為不同的類型，每個設備類型都定義了類似功能設備的共同行為和協議。HID（Human?Interface?Device）人機接口設備主要指用于人控制計算機系統操作的器件，而電源設備（Power?Device）則被定位為HID的子系統之一。對設備進行分類是為了抹除不同硬件廠商之間的差異，以便于主機(PC)對設備進行方便、統一的管理。相同類型的設備都由一組標準定義的功能模塊組成。這樣主機與USB設備之間的通信就可以通過一些標準格式的數據包來完成。

二．HID電源設備

設備的電源管理，通常是通過在內部用硬件集成控制部件，以完成對電池或是內部電源器件的管理。同樣的對于外供電設備，（比如用UPS供電的設備），也有專門的控制部件用以完成各種控制功能，。不管是哪種情況，都可以通過USB協議完成主機與控制部件之間的狀態和控制信息的通信，使主機實現對設備電源的絕對控制。
從主機角度來看，由于USB電源設備協議是在USB人機接口設備的框架中設計的，所以主機上的HID類驅動程序是電源設備實現的根基。借助HID類驅動，設備驅動程序可以在友好得多的平臺上直接訪問設備，而無需過多考慮類驅動與系統低層軟件之間的交互。

總之，USB通過一系列的標準定義，使用戶可以通過主機直接觸摸到設備的電源管理，大大增強和方便了電源的管理功能。

三．電源設備的對象定義

每個電源設備都由一組模塊（如電池系統、電源轉換器）組成，而每個模塊又可細分為一個或多個子模塊。子模塊可以存在于模塊內部（如電池、充電器），也可以是模塊間的接口。所有的模塊、子模塊以及接口都被定義為對象，有著明確的物理描述：

?Battery（電池）
?Charger（充電器）
?Input?and?Output（輸入/輸出）
?Battery?System（電池系統--電池，充電器和輸入/輸出的集合）
?Power?Supply?or?Power?Converter（電源供應或電源轉換器--特定電壓、頻率的轉換、輸出）
?Outlet?and?Outlet?System（電源出路及電源出路系統--能由PC機進行遠程開關控制的電源輸出）
?Gang（群--具有相同特性和功能的對象的集合）
?Flow（流--電源線電氣特性的摘要描述）
?Power?Summary（電源報告），供電源設備向主機或其它設備提供自身的工作、狀態消息，完成電源自身的信息收集和對外通信，

不同電源設備內部的，模塊、小模塊和接口的組成結構稱為電源設備的對象層次表，具體如下：

1．?電池系統：
?輸入（連至輸入流）
?充電器
?電池（連至充電器或輸出）
?輸出（連至輸出流）

2．?電源轉換器：
?輸入（連至輸出流或輸出）
?輸出（連至輸入流或輸入）

3．?電源出路系統：
?獨立的電源出路（連至輸出流）
?一個輸入流
?輸出流
?電源報告(連至輸出流)

模塊內部的子模塊是直接相連的，而不同的模塊則通過流相連，連接點即為模塊的輸入和輸出。

四．?兩個簡單電源設備的實現

1．?一個典型USB外設的電源供應

圖1．典型USB外設的電源供應

?一個AC輸入流,一個DC輸入流（USB總線電源）
?一個電源轉換器（包括一個AC輸入，一個DC輸入和一個DC輸出）
?一個DC輸出流
?一個電源報告

2．?一個簡單的UPS電源
?一個AC輸入流（主AC輸入）
?一個電池系統（一個AC輸入，一個電池，一個充電器和一個DC輸出）
?一個DC流（后備DC）
?一個電源轉換器（一個DC輸入，一個AC輸入和一個AC輸出）
?一個AC輸出流（AC流）
?一個電源報告

圖2．簡單的UPS電源

五.?結束語

電源管理和USB是兩個正在飛速發展的技術專題。自從廠家把USB所需的控制芯片加入到外圍設備的ASIC（專用IC）中，PC對USB的支持只需要增加成本不到1美元的插座。這大大刺激了USB的發展。Microsoft推出的PC98和PC99系統已宣布將USB和HID作為其支持的工業標準之一。電源設備作為通用型設備，也越來越向標準統一的方向發展，USB標準在電源設備的實現，大大提高了電源設備的通用性，簡化了電源設備的控制和管理。可以想見，隨著USB的發展，USB支持的電源設備也會成為標準的電源設備，這一切都將使得電源管理更標準，更輕松。

六.?部分參考文獻和站點
?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：插圖中的詞組含義：
AC?FLOW：交流電
USB?BUS?POWER：USB總線電源
INPUT：輸入
OUTPUT：輸出
DC?FLOW：直流
POWER?SUMMARY：電源報告

MAIN?AC：主供電交流電
CHARGER：充電器
BATTERY：電池
BACKUP?DC：備用直流電
BATTERY?SYSTEM：電池系統
POWER?CONVERTER：電源轉換器