CN100539366C - 一种通用串行总线设备供电方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用串行总线(USB)设备供电方法和系统，其中，USB设备包括：第二电阻、开关、控制电路以及第二电容；开关与第二电阻并联，第二电容的第一端接地，第二端与第二电阻相连；当USB设备初始插入主设备的瞬间，控制电路控制开关处于断开状态，主设备中的USB电源通过第二电阻对第二电容进行充电，并通过第二电阻将提供给USB设备的电流输出；当第二电容充电完成后，控制电路控制开关处于关闭状态，USB电源直接通过开关将提供给USB设备的电流输出。应用本发明所述的方法和系统，能够避免在USB设备初始插入主设备的瞬间出现USB浪涌现象。

Description

一种通用串行总线设备供电方法和系统

技术领域

本发明涉及通用串行总线(USB，Universal Serial Bus)技术，特别涉及一种USB设备供电方法和系统。

背景技术

随着USB接口技术的发展，越来越多的设备具备了USB接口，从设备，即USB设备能够通过USB接口插入到主设备中，如个人计算机(PC，PersonalComputer)机等。并且，根据USB协议规定，主设备能够通过USB电源为USB设备提供小于500mA的电流，即为USB设备进行供电。比如，USB上网卡中的一种，全球移动通信系统(GSM，Global System for Mobile communication)上网卡就是利用这种方式来为自己供电。

但是，GSM上网卡通常采用突发(burst)工作模式，瞬间工作电流非常大，会大于500mA，而USB电源提供的最大电流又只有500mA，所以，为了使GSM上网卡能够稳定工作，往往需要在USB电源上并联一个较大的电容(该电容位于GSM上网卡中，插入主设备后与USB电源构成并联关系)，由该电容来为GSM上网卡提供额外所需的电流。如图1所示，图1为现有GSM上网卡插入主设备后对应的等效电路图。其中电容C即为并联的电容。在GSM上网卡插入主设备的瞬间，电容C上面没有电荷，USB电源需要对电容C进行充电，此时电容C相当于短路，对应的等效电路如图2所示，从而造成USB接口的输出电流大于500mA。这种情况下，主设备的操作系统将提示用户“USB浪涌”，并可能会关掉USB电源，使GSM上网卡不能正常工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于一种通用串行总线设备供电方法，能够避免出现USB浪涌现象。

本发明的另一目的在于一种通用串行总线设备供电系统，能够避免出现USB浪涌现象。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种通用串行总线USB设备供电方法，该USB设备包括：第二电阻、开关、控制电路以及第二电容；所述开关与所述第二电阻并联，所述第二电容的第一端接地，第二端与所述第二电阻相连；当所述USB设备通过USB接口插入到主设备中后，该方法包括：

所述控制电路控制所述开关处于断开状态，所述主设备中的USB电源通过所述第二电阻对所述第二电容进行充电，并通过所述第二电阻将提供给所述USB设备的电流输出；

当所述第二电容充电完成后，所述控制电路控制所述开关处于关闭状态，所述USB电源直接通过所述开关将提供给所述USB设备的电流输出。

一种通用串行总线USB设备供电系统，该系统包括：具有USB接口的主设备以及USB设备；所述USB设备通过USB接口插入所述主设备；

其中，所述主设备包括USB电源；所述USB设备包括：第二电阻、开关、控制电路以及第二电容；所述开关与所述第二电阻并联；所述第二电容的第一端接地，第二端与所述第二电阻中连接输出端的一端相连；

所述控制电路，用于当所述USB设备初始插入所述主设备时，控制所述开关处于断开状态，当所述第二电容充电完成后，控制所述开关处于关闭状态；

所述USB电源，用于当所述USB设备初始插入所述主设备时，通过所述第二电阻对所述第二电容进行充电，并通过所述第二电阻将提供给所述USB设备的电流输出，当所述第二电容充电完成后，直接通过所述开关将提供给所述USB设备的电流输出；

其中，所述开关为MOS管；所述MOS管的漏极与所述第二电阻和第二电容的连接点相连，所述MOS管的源极与所述USB电源相连，所述MOS管的栅极与所述控制电路相连；

所述控制电路通过为所述MOS管提供不同的栅极电压来控制所述MOS管处于截止或导通状态；

所述控制电路包括：三极管以及电压提供电路；所述电压提供电路与所述三极管的基极相连，所述三极管的集电极与所述USB电源以及所述MOS管的栅极相连，所述三极管的发射极接地；

所述电压提供电路，用于当所述USB设备初始插入所述主设备时，为所述三极管的基极提供小于所述三极管导通电压的电压，当所述第二电容充电完成后，为所述三极管提供大于所述三极管导通电压的电压。

可见，采用本发明的技术方案，当USB设备初始插入主设备的瞬间，与第二电阻并联的开关在控制电路的控制下处于断开状态，USB电源通过第二电阻对第二电容进行充电，即第二电阻起到限流的作用，将USB电源的输出电流控制在所要求的范围内；当第二电容充电完成后，控制电路控制开关关闭，后续USB电源提供的电流将直接通过开关输出。与现有技术相比，本发明所述方案避免了在USB设备初始插入主设备的瞬间出现USB浪涌现象，从而保证了USB设备能够一直稳定地工作。

附图说明

图1为现有GSM上网卡插入主设备后对应的等效电路图。

图2为现有GSM上网卡初始插入主设备瞬间对应的等效电路图。

图3为本发明实施例所述状态1对应的等效电路图。

图4为本发明实施例所述状态2对应的等效电路图。

图5为本发明所述方案对应的等效电路一较佳实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步地详细说明。

针对现有技术中存在的问题，本发明中提出一种USB设备供电方法和系统，在USB设备中设置一电路，该电路包括：第二电阻、开关、控制电路以及第二电容；其中：开关与第二电阻并联，第二电容的第一端接地，第二端与第二电阻相连。这样，当USB设备通过USB接口初始插入到主设备的瞬间，控制电路控制开关处于断开状态，主设备中的USB电源通过第二电阻对第二电容进行充电，并通过第二电阻将提供给USB设备的电流输出；当第二电容充电完成后，控制电路控制开关处于关闭状态，USB电源直接通过开关将提供给USB设备的电流输出。

从上述介绍可以看出，本发明所述方案的实现主要包括两个阶段，即“USB设备通过USB接口初始插入到主设备的瞬间”以及“第二电容充电完成后”两个阶段。如果从等效电路的角度来看，这两个阶段分别对应一种不同的电路状态，以下简称为“状态1”和“状态2”。其中，图3为本发明实施例所述状态1对应的等效电路图，图4为本发明实施例所述状态2对应的等效电路图。

如图3所示，该电路中包括：USB电源、电容C2、电阻R2、开关以及控制电路；当USB设备初始插入主设备的瞬间，控制电路控制开关处于断开状态；USB电源通过电阻R2对电容C2进行充电，电阻R2起到了限流的作用，将输出电流限定在规范要求内，即小于500mA。当电容C2充电完成后，进入图4所示状态2，即控制电路控制控制开关处于关闭状态，USB电源提供给USB设备的电流直接通过开关输出，从而避免了现在技术中USB设备插入主设备瞬间所造成的USB浪涌现象。

在实际应用中，图3和图4中所示的开关可以是一MOS管，控制电路通过为MOS管提供不同的栅极电压来控制MOS管处于截止或导通状态，即对应于开关的断开和关闭状态。而控制电路又可具体包括：三极管以及电压提供电路；电压提供电路通过为三极管的基极提供不同的电压，来控制三极管处于截止或导通状态，即，当USB设备初始插入主设备的瞬间，为三极管的基极提供小于三极管导通电压的电压，当第二电容充电完成后，为三极管提供大于三极管导通电压的电压，进而由三极管根据自身状态控制MOS管的截止和导通。

下面结合具体的电路对本发明所述方案作进一步地详细说明：

图5为本发明所述方案对应的等效电路一较佳实施例的示意图。如图5所示，MOS的漏极3与电阻R2和电容C2同时相连，MOS管的源极2与USB电源相连，MOS管的栅极1与控制电路相连。控制电路中的电压提供电路包括电阻R1和电容C1；电阻R1的一端与USB电源相连，另一端与电容C1相连；电容C1的一端与电阻R1相连，另一端接地。控制电路中的三极管的基极1与电阻R1和电容C1同时相连，并连接一偏置电阻R3，偏置电阻R3的另一端接地；三极管的集电极3通过上拉电阻R4与USB电源相连，并直接与MOS管的栅极1相连，三极管的发射极2接地。

当USB设备初始插入主设备的瞬间，电容C1和C2上均没有电荷，USB电源通过电阻R2对电容C2进行充电，通过电阻R1对电容C1进行充电。通过选择合适的阻容值，可以使USB电源对电容C2的充电时间小于对电容C1的充电时间。并且，在电容C2充满电之前，使三极管Q1的管脚1处的基极电压始终小于0.7V，那么，根据三极管的特性可知，三极管Q1将处于截止状态，这样，三极管Q1的管脚3处的集电极电压就将与USB电源处相同，为5V；相应地，MOS管T1的管脚1处的栅极电压和管脚2处的源极电压也均为5V，即栅极和源极电压差Vgs＝0V，所以MOS管T1处于截止状态，等效于图3中开关断开的状态。

当电容C2充电完成后，电容C1的充电电压逐渐上升，当大于0.7V时，三极管Q1将处于导通状态；根据三极管本身的特性，此时，三极管Q1的管脚3处的集电极电压为0.3V，相应地，MOS管T1的栅极和源极电压差Vgs＝-4.7V，MOS管T1处于导通状态，等效于图4中开关关闭的状态。此后，MOS管T1将一直处于导通状态。

在实际应用中，电阻R1、R2，以及电容C1和C2的具体取值可通过计算得出，并且，对于计算出的结果，可通过试验来验证其正确性。具体计算方式为本领域公知，不再赘述。另外，三极管Q1的管脚1和2处的两个小电阻R1’和R2’为三极管Q1内部的等效电阻。电阻R4和电阻R3分别为三极管Q1的上拉和偏置电阻，这两个电阻的具体取值和三极管Q1本身的特性有关。再有，从图5中可以看出，电容C1和电容C2的表示方式不同，这是因为这两个电容所采用的材料不同。C2要在USB设备，如GSM上网卡突发(burst)工作时提供一定的电流，故采用容值较大的钽电容，而电容C1则采用容值较小的陶瓷电容。

总之，采用本发明的技术方案，当USB设备初始插入主设备的瞬间，与第二电阻并联的开关在控制电路的控制下处于断开状态，USB电源通过第二电阻对第二电容进行充电，即第二电阻起到限流的作用，将USB电源的输出电流控制在所要求的范围内；当第二电容充电完成后，控制电路控制开关关闭，后续USB电源提供的电流将直接通过开关输出。与现有技术相比，本发明所述方案避免了在USB设备初始插入主设备的瞬间出现的USB浪涌现象，从而保证了USB设备能够一直稳定地工作。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种通用串行总线USB设备供电系统，其特征在于，该系统包括：具有USB接口的主设备以及USB设备；所述USB设备通过USB接口插入所述主设备；

其中，所述主设备包括USB电源；所述USB设备包括：第二电阻、开关、控制电路以及第二电容；所述开关与所述第二电阻并联；所述第二电容的第一端接地，第二端与所述第二电阻中连接输出端的一端相连；

所述控制电路，用于当所述USB设备初始插入所述主设备时，控制所述开关处于断开状态，当所述第二电容充电完成后，控制所述开关处于关闭状态；

所述USB电源，用于当所述USB设备初始插入所述主设备时，通过所述第二电阻对所述第二电容进行充电，并通过所述第二电阻将提供给所述USB设备的电流输出，当所述第二电容充电完成后，直接通过所述开关将提供给所述USB设备的电流输出；

其中，所述开关为MOS管；所述MOS管的漏极与所述第二电阻和第二电容的连接点相连，所述MOS管的源极与所述USB电源相连，所述MOS管的栅极与所述控制电路相连；

所述控制电路通过为所述MOS管提供不同的栅极电压来控制所述MOS管处于截止或导通状态；

所述控制电路包括：三极管以及电压提供电路；所述电压提供电路与所述三极管的基极相连，所述三极管的集电极与所述USB电源以及所述MOS管的栅极相连，所述三极管的发射极接地；

所述电压提供电路，用于当所述USB设备初始插入所述主设备时，为所述三极管的基极提供小于所述三极管导通电压的电压，当所述第二电容充电完成后，为所述三极管提供大于所述三极管导通电压的电压。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压提供电路包括：第一电阻和第一电容；所述第一电阻的第一端与所述USB电源相连，第二端与所述第一电容相连；所述第一电容的第一端与所述第一电阻相连，第二端接地；

所述USB电源进一步用于，通过所述第一电阻为所述第一电容进行充电。

3、根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述控制电路进一步包括：上拉电阻和偏置电阻；所述上拉电阻的第一端与所述USB电源相连，第二端与所述三极管的集电极和MOS管的栅极同时相连；所述偏置电阻的第一端与所述三极管的基极相连，第二端接地。

4、根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一电容为陶瓷电容，所述第二电容为钽电容。

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