MAX3301E型USB OTG电路原理及应用

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摘要：在介绍USb OTG的基础上，着重介绍Maxim公司的MAX3301E型USb OTG电路的特点、内部结构和工作原理。
关键词：OTG；DRD；HNP；SRP；A-Device；b-Device；ESD

1 引言
    随着USb2.0版本的发布，USb越来越流行，已经成为一种标准接口。现在，USb支持三种传输速率：低速(1.5 Mb/s)、全速(12 Mb/s)和高速(480 Mb/s)，四种传输类型：块传输、同步传输、中断传输和控制传输。USb应用灵活方便，能满足多种外设的需要。随着个人便携式电子产品的增长和嵌入式技术的飞速发展，USb主机已不再局限于单纯的PC，可以是含有USb主控器的任何设备，如PDA、MP3播放器等。在USb2.O规范中也增加了USb嵌入式设备的标准——On-The-Go(OTG)，它使外设可以在主机和设备之间相互切换，即当其连接至PC时，它是1个USb设备，而与其他USb设备相连接时，它便作为USb主机。

2 USb OTG
2.1 USb OTG简介
    DSb OTG是USb2.O版本的补充，并不是独立的标准，它保留了USb2.0的所有特点。OTG使2个USb外设在脱离PC的情况下可以直接通信。为了实现这种功能，在OTG中有一个新的概念——双功能设备(DRD：Dual-Role Device)。1个DRD能满足下列特征：
    ●具有一定的USb主机能力和提供1个外设列表；
    ●作为外设时能够实现全速操作(或高速操作)；
    ●作为主控机时能支持全速操作(低速或高速)
    ●支持主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP)；
    ●仅有1个微型Ab连接端口；
    ●能够向电源总线提供不小于8 mA的电流。
    要实现主机功能，主机必须存储大量的设备驱动程序，并且向电源总线提供一定的电流。对于嵌入式USb主机来说，提供大量的设备驱动程序是不现实的也没有必要，1个嵌入式USb主机只需支持部分特定设备，这些设备就是它的外设列表。
2.2 主机协商协议(HNP)
    在USb标准中，主机采用A型接口，称为A类设备(A-Device)；外设采用b型接口，称为b类设备(b-Device)。1个DRD既可以作为主机,也可以作为外设。那么，当2个DRD互连时，哪个设备作为主机，为什么要作为主机?为了解决这两个问题，在OTG中提出了新的协议——主机协商协议(HNP)。在OTG中还定义了一种新的接口——微型Ab插座(mini-Ab receptacle)以及微型A插头(mi-ni-A plug)和微型b插头(mini-b plug)。在微型Ab插座、微型A插头和微型b插头中增加了1个引脚——ID引脚，如图l所示。



    在微型A插头中，ID引脚接地，在微型b插头中，ID引脚悬空。在OTG中，如果设备的ID引脚接地(即mini-A插头连接的设备，如图l右侧的设备)，则此设备默认为主机，否则为外设。同时，在设备连接使用过程中，通过主机协商协议，允许主机和外设功能互换。例如，假设图1左边的b-Device为1个手持PDA，右边的A-Device为1个打印机。由于连接线的关系，打印机初始化为主机。但是打印机的驱动程序存在PDA中，这时需要PDA作为主机，打印机作为外设。通过HNP可以方便实现此功能，而不必拔下连接线调换插头方向，重新连接打印机和PDA。
2.3 会话请求协议(SRP)
    OTG收发器一般用在嵌入式设备中，这类设备普遍采用电池供电，对功耗要求很严。为了节省电源，在OTG标准中，当电源总线没有使用时，允许A类设备挂起电源总线。当1个b类设备要工作时，它必须通过某种方法通知A类设备向电源总线供电。为了实现这一功能，在OTG中提出了会话请求协议(SRP)。在OTG中，1个会话定义为A类设备向电源总线VbUS有效供电的时间。需要注意的是，在OTG中电源一直都是由A类设备(连接mini-Aplug的DRD)提供的。由于主机协商协议，A类设备也可能作为外设使用，此时，电源也必须由A类设备提供。当A类设备挂起VbUS后，b类设备进入休眠状态。当b类设备需要再次工作时，它可以通过向数据线发送1个脉冲信号(Data-line Pulsing)或向电源总线发送一个脉冲信号(VbUS Pulsing)来请求A类设备向电源总线供电。OTG要求无论是DRD设备还是普通的b类设备，都必须具有发送会话请求的功能；同时，普通的A类设备或者DRD设备都必须能够响应1个会话请求。

3 MAX330lE的特点及工作原理
3.1 MAX3301E的特点
    目前，很多公司都推出了各自的OTG电路，如Cypress公司的SL8llHS、Philips公司的ISPll61、ISPl362等。下面主要介绍Maxim公司生产的MAX3301E。
    MAX3301E是完全集成的USb On-The-Go(0TG)收发器与电荷泵，不需要PC主机就可以实现移动设备(如PDA、蜂窝电话与数码相机等)之间及与USb外设的连接。使用MAX3301E的嵌入USb主机可以直接与打印机或外部硬件驱动器等设备连接。
    MAX3301E集成了USb OTG收发器、VbUS电荷泵、线性稳压器及与I2C总线兼容的2线串行接口。内部电平转换器使MAX3301E可以与+1.65 V"+3.6V逻辑接口。MAX3301E中OTG兼容的电荷泵可以在+3 V"+4.5 V输入电压下工作，输出电流大于8mA时，可以在VbUS上提供OTG兼容的输出。
    MAX3301E使那些无法提供或容许USb OTG要求的+5 V VbUS电平的高集成度数字设备能够实现USb OTG通信。利用内部比较器控制、测量VbUS，MAX3301E支持USb 0TG会话请求协议(SRP)和主机协商协议(HNP)。
    MAX3301E内部为VbUS、ID_IN、D+和D-引脚提供了±15 kV静电放电(ESD)保护。MAX3301E采用5 mmx5 mm芯片级(UCSP)和32引脚薄型QFN封装(5 mmx5 mmx0.8 mm)，工作温度范围为-40℃"+85℃。
3.2 MAX3301E的内部结构和工作原理
    图2示出MAX3301E的内部结构框图，主要由下列模块组成：ID检测器、电荷泵、VbUS比较器、线性稳压器、上拉/下拉电阻器、CAR KIT中断检测器、收发器、串行控制模块和电源模块。



    众所周知，在普通的USb外设电路中，通过1个连接在D+或者D-的上拉电阻器(通常为15 kΩ)来告知主机1个外设的接入和指示需要的操作速度——如果上拉电阻器连接在D+上，表示全速操作；连接在D-上，则表示低速操作。在USb主控电路或集线器电路中，通过连接在D+和D-上的下拉电阻器(通常为15 kΩ)表示该电路为USb主控电路或集线器电路。从图3中可以看到，在MAX3301E数据线D+和D-上都设计了上拉和下拉电阻器转换开关，这样就可实现外设和主机功能之间的转换，同时也可实现全速或低速操作选择。
    如图4所示，当MAX3301E作为A-Device时，电荷泵向3.3 V稳压器和VbUS提供电源(5 V，8mA)；当MAX3301E作为b-Device时，稳压器的电源也可以设置为由VbUS提供。VbUS比较器负责监控VbUS上的电压，右边的电阻器转换开关VbUS提供脉冲信号。



4 典型应用电路
    图5所示是MAX3301E的典型应用电路。



    图中，VCC是MAX3301E的工作电压，范围为+3.3 V"+4.5 V。VL是系统侧逻辑电源输入，连接到系统的逻辑电平，范围为+1.65 V～+3.6 V。此电平设置逻辑输出的最大电平和逻辑输入的门限。
    VbUS、D+、D-、ID_IN、GND组成USb OTG的连接口，需要注意的是，根据USbOTG的规定，VbUS总线上所有的滤波电容之和必须限定在1μF"6.5μF。
    SPD是速度选择器输入。将SPD连接至GND选择低数据速率(1.5 Mb/s)。将SPD连接至VL则选择全速数据速率(12 Mb/s)。同时也可以修改MAX3301E内部的寄存器，关闭SPD的功能。SPD被关闭后，DAT_VP/SE0_VM的速率将由相应的寄存器值给定。
    OE/INT控制DAT_VP/SE0_VM和D+/D-的输入或输出状态。当OE/INT为逻辑O时，设备为发送模式，待发送的数据由DAT_VP/SE0_VM进入MAX3301E,然后通过D+/D-发送出去。当OE/INT为逻辑1时,设备处于接收模式，MAX3301E从D+/D-接收数据，然后再通过DAT_VP/SEO_VM传送给控制器。在挂起模式下(SUS=“1”)，可以控制OE/INT使其成为中断输出，它检测的中断源与INT相同。

5 结束语
    随着USb的发展，USb接口已经成为各种电子产品的标准接口。传统的PC到外设的USb通信方式已经不能满足人们的需要，迫切需要脱离PC的控制，直接实现设备之间的USb连接。由于这种需要，OTG标准应运而产生。随着各大器件和设备制造商对OTG的支持，目前各种具有OTG功能的收发器和电子产品已经走向市场。比如PDA可以通过USb接口连接手机实现无线上网。数码相机或数码伴侣可以通过USb接口直接控制打印机打印照片。如果在野外拍摄，数码相机也可以通过USb接口连接手机实现无线上网，把照片发进到电脑或者其他服务器上。