CN100530876C - 防止来自外部设备的反向电流的通用串行总线电路设备 - Google Patents

Abstract

一种USB电路设备包括：USB设备被连接其上的连接单元；通过该连接器单元给所述USB设备供电的供电单元：选择性地将从所述USB设备导入到所述连接器单元中的电流导入接地的开关单元；和如果该供电单元提供给USB设备的电平小于预定值时，则控制该开关单元将导入到该连接器单元的电流导入接地的控制器。这样，本发明提供一种符合USB标准的、防止来自外部设备的反向电流并能防止电路遭受过电流的USB电路设备。

Description

防止来自外部设备的反向电流的通用串行总线电路设备

技术领域

本发明涉及一种USB电路装置，更具体地，涉及一种用于防止反向电流的USB电路设备，其符合USB标准。

背景技术

通用串行总线(USB)接口是一种连接个人计算机(PC)和外部设备的通用工具。如果外部设备没有自己的电源，则USB接口具有给外部设备提供功率的额外的电源信号。然而，当自带电源的外部设备连接到PC上时，如果该外部设备的电源没有关断，则当PC的电源关断时，反向电流可以从该外部设备导入到PC上。该反向电流影响PC的运行并引发一些问题。

发明内容

因此，本发明的一个方面是提供一种USB电路设备，防止来自外部设备的反向电流并且能够遵照USB标准，防止电路遭受过电流。

本发明的额外的方面和/或优点一部分将在以下所述中阐明，一部分在描述中将是很明显的，或可从本发明的实践中获知。

本发明前述和/或其他方面可以通过提供一种USB电路设备来达到，该USB电路设备包括：USB设备连接其上的连接器单元；通过该连接器单元给USB设备供电的供电单元；开关单元，其选择性地使得导入到该连接器单元中的电流从USB设备流到接地；和控制器，如果供电单元提供给USB设备的电平小于预定值时，该控制器控制开关单元使得导入到连接器单元中的电流导流到接地。

根据本发明的实施例，根据权利要求1的USB电路设备进一步包括至少一个接收功率的内部设备，其中如果提供给USB设备的电平小于预定值，则控制器判断该内部设备处于切断功率的状态。

根据本发明的实施例，如果该内部设备处于切断功率的状态，则USB电路设备处于基于高级配置与电源接口(ACPI)标准的S5状态。

根据本发明的实施例，该供电单元在S0状态下输出5V的正常功率并在S3状态下输出5V的备用功率。

根据本发明的实施例，该开关单元包括场效晶体管(FET)。

根据本发明的实施例，该FET包括连接到供电单元的输出端的漏极、连接到地线的源极和连接到控制器的栅极。

根据本发明的实施例，该栅极从控制器接收控制信号，使得该FET选择性地使得电流流到接地。

根据本发明的实施例，该USB电路设备进一步包括：过电流切断单元，如果从USB设备导入到连接器单元的电流大于预定值，则该过电流切断单元切断从USB设备导入到连接器单元中的电流。

根据本发明的实施例，该过电流切断单元包括保险丝，当从USB设备导入到连接器单元中的电流大于预定值时，该保险丝断开。

根据本发明的实施例，该USB电路设备进一步包括：过电流保护电路，如果USB设备输出端被短路接地，则该过电流保护电路将过电流检测信号传送给控制器；和通过USB设备控制USB接口的USB控制器，其中该控制器基于过电流检测信号，控制USB控制器根据该过电流检测信号切断USB接口。

根据本发明的实施例，过电流保护电路包括两个电阻，该过电流检测信号指示在两个电阻之间的连接点的电压。

根据本发明的实施例，该USB电路设备进一步包括消除流到USB设备的电流的交流成分的退耦电容器。

附图说明

结合附图，从实施例的以下描述中本发明的这些和/或其他的方面和优点将变得明显和更容易理解，附图中：

图1A和1B分别是表示USB标准连接器的前视图和平面图；

图2是表示根据USB标准的2端口USB电路的电路图；

图3是表示根据USB标准的USB电源电路的电路图；

图4是表示根据USB标准的5V双USB电源发生电路的电路图；

图5是用于防止图3中所示的USB电源电路中的反向电流的、附加二级管的电路图；和

图6是表示根据本发明实施例的USB电路设备的配置的结构图；

图7是表示根据本发明实施例的保护电路的配置的电路图；

具体实施方式

以下将详细描述本发明的实施例，其实施例在附图中被示出，其中相同的附图标记在整篇中表示相同的元件。以下将参考附图描述实施例，以解释本发明的各个方面。

图1A和1B是分别表示USB标准连接器1的前视图和平面图。在USB接口中，USB标准连接器1具有如图1A中所示的4条信号线。在如下表1中描述每条信号线的作用。

表1

引脚编号	信号名称	内容
			1	VBUS	向自身没有电源的设备提供功率的功率信号。通常，在S0和S3状态下供应功率，而在S5状态下不供应功率。
2	D-	用于传送数据的差分信号中的负信号
			3	D+	用于传送数据的差分信号中的正信号
4	GND	接地信号

这里S0、S3和S5描述了与USB接口连接的PC中的功率的状态。这些标志分别表示正常状态、备用状态和软关断(soft-off)状态。如表1所述，USB接口具有传送数据的D+和D-信号和传送功率的VBUS信号。

图2是表示根据USB标准的2端口USB电路3的电路图，图3是表示根据USB标准的USB电源电路10的电路图，并且图4是表示根据USB标准的5V双USB电源发生电路20的电路图。如图2到图4所示，当PC主板(未示出)上具有USB接口时，该PC主板可以包括：具有用于连接外部设备的连接器4a和4b的2端口USB电路3、用于提供VBUS的USB电源电路10和用于控制VBUS的5V双USB电源发生电路20。

该2端口USB电路3包括用于传送来自每个端口4a和4b的数据的D+和D-信号提供单元USB1+、USB1-、USB0+和USB0-，以及防止电磁干扰EMI的共式扼流圈5。VBUS(SVCC1)和接地(GND)在端口4a和4b处共用。

参考图3，USB电源电路10包括：减少EMI和电压衰减的退耦电容器11、防止过电流的过电流保护电路12和当发生短路时保护电路的保险丝13。

参考图4，产生和控制VBUS的5V双USB电源发生电路20包括2个场效应晶体管(FET)21和22，每个场效应晶体管类型不同。指示在连接有外部设备的PC中的功率状态中的S3状态的信号(在图4中用“S3_state”标明)被输入到每个FET 21和22的栅极。5V双USB电源发生电路20在S0状态下输出5V正常功率(在图4中用“+5V”标明)并在S3状态下输出5V备用功率(在图4中用“+5V SB”标明)，作为5V双USB功率，而在S5状态下不输出电源。这里，仅在S0状态下激活5V正常电源“+5V”，而不管是S0，S3还是S5状态都始终激活5V备用电源“+5V SB”。5V双USB电源发生电路20的操作如下面表2中所描述。

表2

PC的功率状态	S3_state#	FET(21)	FET(22)	所选电源	+5v_dua1的输出电平
						S0	1	导通	关断	+5V	+5V
S3	0	关断	导通	+5V_SB	+5V
						S5	1	导通	关断	+5V	0

当设计USB电源电路时，应当考虑诸如压降、电压衰减、电路的短路、过电流保护电路等因素。

为了给自身没有电源的外部设备提供稳定的功率，该压降应当供给每最大负载4.75V或更多的最小值(根据USB执行论坛(USBIF)的USB规范将每端口500mA标识为最大负载)。为满足USB规范，PC主板中的保险丝、珠(bead)、导线等元件的内阻被最小化，使得不会发生100mV或更大的压降。

在如图2所示的2端口USB电路3的情况中，将最大值1A的负载连接到端口，这是因为该2端口4a和4b共用一个电源(VBUS)。同时，保险丝(和/或导线)可以具有小于0.10hms的电阻以满足压降小于100mV的要求。也就是说，应当使用电阻更低的保险丝，而且应当设计导线的粗细，以尽可能满足USB规范的要求。

当USB设备从邻近端口分离时，感应产生的噪音成分导致电压衰减。如果电压衰减的设计不稳定，则当USB设备从邻近端口分离时，邻近端口的运行可被该不稳定的设计所影响。设计适当的退耦电容器(诸如图2所示的2端口USB电路3的电容器6)是必要的，以防止电压衰减问题。

如果VBUS端和GND端由外在因素短路，则USB标准被设计以防止PC由于过电流而被损坏，并保护电路以防止短路和过电流。在图3所示的USB电源电路10中，退耦电容器11切断了作为噪音的交流成分，并且保险丝13具有当发生过电流时增加阻抗的特性。从而，保险丝13通过应用该增加的阻抗的特性来切断电流。

可替换的或另外的是，USB电源电路10可包括过电流保护电路12，其包括两个电阻12a和12b。将表征两个电阻12a和12b之间的连接点的电压的信号(即，过电流检测信号OC#1)连接到PC的过电流控制装置(未示出)。如果输出端SVCC1被短路接地，则降低两个电阻12a和12b之间的连接点的电压。从而，如果PC的过电流控制装置基于过电流检测信号OC#1估算出该电压的电平并判定该估算的电压小于表征过电流的预定值，那么过电流控制装置通知USB控制器(未示出)，该控制器在整个发生过电流的期间控制USB接口执行切断向外部设备等供电的操作。

然而，当具有自带电源的外部设备被连接到具有USB电路的PC上时，如果切断PC的电源且电源状态处于S5状态下，以及如果外部设备的电源没有被切断，那么由于PC的低电位，来自外部设备的反向电流可以被导入到USB电源电路的电源端子，这样就会引起PC的故障。此外，当反向电流在S5状态下导入到5V双电源电路时，会导致PC的故障，并且反向电流的持续存在影响PC中的电路元件。因为5V双电源不仅用于USB电路还用于其他的电路，所以可能会降低电路元件的耐用性。为了解决该问题，可使用用于一般反向电源保护电路的二极管。图5是表示附加到图3所示的USB电源电路10的、用于防止反向电流的二极管14的电路图。

然而，在这种情况中，由于传统二极管的前向电压损耗的最小值是0.2V或更多，因此当PC中电源的状态是S0或S3时，在二极管14的两端产生压降。从而，由于二极管14的电压损耗，图5中所示的USB电源电路10不能满足USB规范中的压降要求(最小值为4.75V或更多)。为了满足USB规范中的压降条件，PC元件的电压损耗不能是0.1V或更大。

图6是表示根据本发明实施例的USB电路设备200的配置的结构图。根据USB规范的外部USB设备300被连接到USB电路设备200。根据USB规范，USB电路设备200与外部USB设备300交换数据，并向外部USB设备300供电。USB设备200可以是能与USB设备通信的任何计算机系统，例如PC等。此外，USB设备300可以是能连接到设备200的任何外围设备。

如图6所示，该USB电路设备200包括供电单元210、保护电路100、连接器单元220和控制器230。连接器单元220在USB电路设备200和外部USB设备300之间提供物理和电的连接。然而不限于此，例如，外部设备300可以包括如图1A和1B中所示的连接器1。然而不限于此，例如，连接器单元220可以包括如图2所示的2端口USB电路3。在这种情况下，外部USB设备300连接器1可以被连接到2端口USB电路3的两个端口4a和4b中的一个。然而不限于此，USB电路设备200可进一步包括USB控制器(未示出)，以通过连接器单元220向外部USB设备300传送数据。

供电单元210向通过连接器单元220连接的外部USB设备300供电。然而不限于此，例如，供电单元210可包括如图4所示的5V双USB电源发生电路20。

控制器230控制供电单元210，以向外部USB设备300提供正常电源。然而不是必要的，根据实施例的USB电路设备200可被包括在计算机系统中，该计算机系统包括诸如鼠标、键盘的内部设备、诸如显示器的输入和输出单元、诸如RAM、ROM的存储单元、以及硬盘和CPU。控制器230收集关于前面所提到的内部装置的操作的信息(在下文中，称之为“功率的状态信息”)，并基于所收集的功率状态的信息，在多个功率状态中选择一个，以根据所选的状态向每个内部设备供电。根据实施例的多个功率状态不仅可以包括前面所提到的基于高级配置与电源接口(ACPI)规范的S0，S3和S5状态，还可以包括其他方面的额外状态。

当供电单元210包括图4的5V双USB电源发生电路20时，控制器230将表征S3状态的信号(在图4和6中用“S3_state”标明)发送给5V双USB电源发生电路20。控制器230控制5V双USB电源发生电路20在S0状态下输出5V正常功率(在图4和6中用“+5V”标明)、并在S3状态下输出5V备用功率(在图4和6中用“+5V SB”标明)，作为5V双USB功率(在图4和7中用“+5V dual”标明)。同时，控制器230控制5V双USB电源发生电路20，使得在S5状态下不输出电源。

当由外部USB设备300提供功率时，保护电路100保护电路以防止短路过电流。具体地，如果从外部USB设备300向USB电路设备200导入反向过电流，则保护电路100保护USB设备200。

附图7是表示根据本发明实施例的保护电路100的配置的电路图。保护电路100包括具有2个电阻102a和102b的过电流保护电路102。将表征2电阻102a和102b之间的连接点的电压的信号，即，过电流检测信号OC#1传送到控制器230。

如果将输出端SVCC1从接地GND短路，那么2电阻102a和102b之间连接点的电压会降低。从而，如果控制器230基于过电流检测信号OC#1估算电压水平并判定所估算的电压水平小于表征过电流的预定值，那么控制器230通知USB控制器发生了过电流，以在连接器单元220处切断USB接口。

此外，保护电路100还包括的退耦电容器101(其包括2个电容器101a和101b)以切断作为噪音的交流成分。然而，需要理解的是，电路100不需要同时包括退耦电容器101和过电流保护电路102。

如果过电流来自外部USB设备300，则保护电路100还包括FET 104以将过电流导入接地GND。FET 104的漏极被连接到从供电单元201接收功率的输入端+5V dual，并且FET 104的源极S被连接到接地GND。此外，FET 104的栅极G从控制器230接收控制信号。本实施例的控制器230由于过电流而向FET 104的栅极G传送信号S5_state，该信号S5_state表示切断USB电路设备200的功率的状态。

如果USB电路设备200处于切断功率的S5状态下，则表示切断功率的状态的信号S5_state具有逻辑状态“1”。在这种情况中，导通FET 104，并且将输出端SVCC1和接地GND短路。从而，尽管外部USB设备300具有自身电源，然后将过电流导入具有低电压的USB电路设备200，但是，因为将过电流导入接地GND，而没有导入USB电路设备200，所以保护了USB电路设备200。

此外，保护电路100进一步包括保险丝103以保护电路不受过电流。保险丝103具有当发生过电流时阻抗增加的特性。根据保险丝103阻抗增加的特性，如果过电流被导入到保险丝103，则保险丝103断开，并且切断过电流。具体地，在S5状态下切断USB电路设备200的功率并且导通FET 104、以使得输出端VCCE和接地GND短路的情况下，如果来自外部USB设备300的过电流被导入到USB电路设备200，则保险丝103由于瞬时过电流而断开，然后输入端+5V DUAL和输出端SVCC1被电隔离，这样该电路更稳定。这里保险丝103是用于过电流切断单元的一个例子。然而，应理解的是，保险丝103并非在所有情况下都需要，另外还可以被不同地构造。

也就是说，根据本发明的一个方面，将FET附加到传统USB保护电路中，并且可以保护该电路以防止来自外部设备的过电流，且没有不满足USB规范的额外电压损耗(或压降)。

虽然已经示出和描述本发明的一些实施例，但是本领域技术人员将意识到，在不脱离本发明的原理和精神的前提下，可以对该实施例进行改变，本发明的范围在权利要求及其等同物中限定。

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年10月17日在韩国知识产权局申请的申请号为：2005-97368的韩国申请的优先权，其所公开的内容在此并入本文用作参考。

Claims (12)

1、一种USB电路设备，包括：

连接器单元，USB设备被连接到其上；

供电单元，通过所述连接器单元向所述USB设备供电；

开关单元，选择性地使得从USB设备导入到所述连接器单元的电流流到接地；和

控制器，如果由所述供电单元提供给所述USB设备的功率的电平小于预定值，则该控制器控制所述开关单元，以使得导入到所述连接器单元的电流流到接地。

2、根据权利要求1所述的USB电路设备，

其中，如果该功率未被输出到该USB设备，则所述控制器确定提供给所述USB设备的功率的电平小于所述预定值。

3、根据权利要求2所述的USB电路设备，

其中，当该功率未被输出到该USB设备时，所述USB电路设备处于基于高级配置和电源接口ACPI规范的S5状态。

4、根据权利要求3所述的USB电路设备，

其中所述供电单元在S0状态下输出5V正常电压，并且在S3状态下输出5V备用电压。

5、根据权利要求1所述的USB电路设备，其中所述开关单元包括场效晶体管FET。

6、根据权利要求5所述的USB电路设备，其中所述FET包括连接到所述供电单元的输出端的漏极、连接到接地的源极、和连接到所述控制器的栅极。

7、根据权利要求6所述的USB电路设备，其中所述栅极从所述控制器接收控制信号，使得所述FET选择性地将所述电流导入接地。

8、根据权利要求1所述的USB电路设备，进一步包括：

过电流切断单元，如果从所述USB设备导入到所述连接器单元的电流大于预定值，则该过电流切断单元切断从所述USB设备导入到所述连接器单元的电流。

9、根据权利要求8所述的USB电路设备，其中所述过电流切断单元包括保险丝，当从所述USB设备导入到所述连接器单元的电流大于所述预定值时，该保险丝断开。

10、根据权利要求1所述的USB电路设备，进一步包括：

过电流保护单元，如果所述USB电路设备的输出端被短接到地，则该过电流保护单元将过电流检测信号发送给所述控制器，以及

USB控制器，其通过所述USB电路设备控制USB接口，

其中所述控制器基于过电流检测信号，控制USB控制器切断所述USB接口。

11、根据权利要求10所述的USB电路设备，其中所述过电流保护单元包括两个电阻，所述过电流检测信号表征所述两个电阻之间的连接点的电压。

12、根据权利要求1所述的USB电路设备，进一步包括：

退耦电容器，消除流入所述USB设备的电流的交流成分。

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