CN102150143A - 用于usb设备的自适应反馈和功率控制 - Google Patents

Abstract

一种通用串行总线功率控制电路(111、201、701)包括将电源节点(VINUSB)选择性地耦合至外部功率节点(VBUS)的至少一个第一开关(SW1、SW2)，检测何时给外部功率节点充电的比较器，用于激活电压调节的反馈节点(VFB)，充电电路(SW3、SW4或SW3、SW4和203)以及控制器(217)。充电电路从电源节点给外部功率节点充电(SW3、SW4和203)，并将反馈节点选择性地连接(SW3、SW4)至电源节点和外部功率节点中的至少一个。控制器在未给外部功率节点充电时打开第一开关，在将反馈节点耦合至电源节点时控制充电电路给外部功率节点充电，并且在主机模式下给外部功率节点充电时闭合第一开关并将反馈节点耦合至外部功率节点。

Description

用于USB设备的自适应反馈和功率控制

技术领域

本发明主要涉及用于通用串行总线(USB)设备的功率控制，并且更具体地涉及一种用于给USB设备的外加电压充电的自适应反馈功率控制的系统和方法。

背景技术

通用串行总线(USB)被设计用于允许将多种外围设备连接至主机系统。USB使用单个标准化接口插槽以通过允许连接和断开设备而无需重启计算机系统来提高即插即用的能力。USB已经成为用于多种外围设备的标准连接方法。例如，USB经常被用于连接计算机外围设备，譬如计算机鼠标、键盘、个人数字助理(PDA)、游戏键盘和/或手柄、扫描仪、数码相机、打印机、通信端口(例如串行、并行等)、个人媒体播放器、闪存驱动器、存储驱动器、移动电话(例如蜂窝电话和类似产品)等。USB连接可以被用于通信或者被用于提供功率(例如给便携设备的电池充电)或者两者兼有。USB最初被设计用于将外围设备连接至个人计算机，但是USB已经在例如PDA、手持设备、视频游戏控制台、移动电话、汽车音响等其他设备上变得很常见。USB目前由USB 2.0规范描述，它包括了早期的USB 1.1规范并且它还引入了更高的第三种速度。未来的USB规范(例如预期的USB 3.0规范)计划用于提供更强的能力和/或更高的速度。

移动USB(OTG，USB On-The-Go)是USB 2.0规范的补充，其允许两个USB设备无需主机系统的服务即可进行通信。USB-OTG保留了标准USB的主机和外设模式，其中一台主机与一个或多个USB外围设备通信。例如个人计算机等的某些设备可以被设置为仅用作主机操作，而多种常规外围设备可以被设置为仅用作外围设备操作。OTG引入了双角色设备(DRD)，其中至少一个设备能够作为主机或者作为外设工作，并且最初指定或默认的角色可以交换。一旦连接之后，OTG DRD设备可以利用主机协商协议(HNP)来改变主机/外设的角色。在某些结构中，电缆取向决定了耦合的设备的最初或默认角色。如果需要交换角色或者如果电缆取向为反向(例如在仅为外设式的设备根据电缆取向被确定为初始主机设备时)，HNP能够与电缆取向无关地使设备角色自动并且悄无声息地交换并且不需要反接USB电缆。

主机设备通过USB电缆为外围设备提供功率。主机设备或OTG DRD设备通常包括用于调节设备电路的供电电压的内部功率调节器。该设备进一步包括用于通过USB电缆连接外部设备的USB电路和USB端口。USB电路包括用于通过USB端口和电缆与其他设备通信的USB收发器。USB端口和电缆包括用于提供或接收功率的VBUS信号和接地信号。如果USB设备是用作外围设备的OTGDRD设备，或者如果它是仅为外设型的设备，那么外部主机就通过USB端口给USB收发器提供功率。但是，如果USB设备用作主机设备，那么设备自身即可给其收发器提供功率并且通过USB端口给外部设备提供功率。主机(除了设备的内部功率调节器以外)可以具有两个额外的调节器，包括用于给内部USB收发器提供功率的第一调节器和用于给外部设备提供功率的第二调节器。这样的结构相对低效并且昂贵。希望使用设备的内部功率调节器以高效和节约成本的方式给内部USB收发器和外部设备提供功率。这种电源结构应该以避免调节器电压骤降或过冲这样的方式实现，否则就可能会导致USB设备的工作不稳定和/或不可靠。

附图说明

参照以下说明和附图可以更好地理解本发明的好处、特征和优点，其中：

图1是根据示例性实施例实现的包括USB电路的USB-OTG设备的简化框图；

图2是根据一个实施例可以被用作图1中USB功率控制电路的USB功率控制电路的示意图和框图；

图3根据示例性实施例示出了图2中控制器的示例性操作的状态图，用于控制开关SW1-SW5在USB关闭模式、USB外设模式、充电模式和USB主机工作模式之间切换；

图4、5和6是分别示出了图3中的开关SW1-SW5用于USB外设模式、充电模式和USB主机模式的相应状态的简化示意图和框图；

图7是根据另一个实施例也可以被用作图1中USB功率控制电路的USB功率控制电路的示意图和框图；

图8根据示例性实施例示出了图7中控制器的示例性操作的状态图，用于控制开关SW1-SW4在USB关闭、USB外设、充电和USB主机工作模式之间切换；

图9、10和11是分别示出了图8中的开关SW1-SW4用于USB外设模式、充电模式和USB主机模式的相应状态的简化示图；以及

图12是绘出了用于由图2和7中的USB功率控制电路表示的实施例之一的CHG信号以及VINUSB、VBUS和VBUS_INT电压(V)相对于时间(TIME)的曲线图。

具体实施方式

给出以下说明以使本领域技术人员能够根据在具体应用及其需求的背景下提供的内容来实现和利用本发明。但是，对优选实施例的各种修改对本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文中确定的通用原理可以被应用于其他的实施例。因此，本发明不应被理解为受限于本文中图示和介绍的特定实施例，而是应该与符合本文中公开的远离和新颖性特征的最宽泛的范围相一致。

图1是根据示例性实施例实施的包括USB电路105的USB-OTG设备100的简化框图。USB-OTG设备100包括内部设备调节器101，用于通过VINUSB电压给设备100中的其他内部电路(图示为其他设备电路103)提供功率。其他设备电路103包括不包含USB电路105的非USB电路。设备电路103的结构和实现包括用于支持特定类型设备的特定电子电路，并且不再进一步图示或介绍。USB-OTG设备100是任意类型的计算设备，包括例如移动或便携式计算设备譬如手持设备、移动电话、数码相机、通信设备、PDA等。如图所示，USB-OTG设备100包括为设备调节器101提供功率的电池107。电池107可以是包括可移除或不可移除和/或可充电或不可充电的任意类型。可选地，USB-OTG设备100可以通过其他方法接收功率，例如从AC电源或类似装置，在此情况下要包括AC到DC的转换器(未示出)。根据USB-OTG设备100的功率要求实现设备调节器101，例如线性调节器、buck型调节器(降压调节器)、boost型调节器(升压调节器)等，并且将VINSUB的电压调节到合适的电压电平。在一个实施例中，VINUSB电压被调节为大约5伏(V)。

USB电路105包括USB端口109、USB电源(PWR)控制电路111和USB收发器(XCVR)113。USB端口109包括VBUS信号和接地(GND)信号，其中VBUS电压通过相对于GND的VBUS信号传输。USB端口109进一步包括USB-OTG领域内的技术人员所公知的USB通信信号D+和D-以及识别(ID)信号。VINUSB电压被送至USB功率控制电路111的输入端，其进一步被耦合至USB端口109的VBUS和GND信号。USB功率控制电路111被耦合至USBXCRV 113，其进一步被耦合至USB端口109的D+和D-通信信号。USB功率控制电路111向设备调节器101提供电压反馈信号VFB用于调节VINUSB或者VBUS的电压，如以下将进一步介绍的。USB功率控制电路111确定工作角色或模式并酌情传输功率。例如，在USB-OTG设备100用作外围设备时，USB功率控制电路111通过VBUS和GND信号从外部设备(未示出)向USB XCVR 113传输功率。在USB-OTG设备100用作主机设备时，USB功率控制电路111通过VBUS和GND信号从VINUSB向USB XCVR 113和外部设备传输功率。

图2是根据一个实施例可以被用作USB功率控制电路111的USB功率控制电路201的示意图和框图。VINUSB电压被耦合至电容C1的一端以及若干单极单掷(SPST)开关SW1、SW3和SW5中每一个的一个接线端子。开关S5被设置在下文中进一步介绍的充电电路203内。电容C1的另一端被耦合至GND。要注意的是，示出了一个“GND”信号作为公共参考电压，不过应该理解也可以使用多个和/或独立的参考电压电平(例如信号接地、电源接地、电压参考总线等)。SW1具有耦合至节点205的第二接线端子，节点205进一步耦合至另一个SPST开关SW2的一个接线端子。节点205形成为USB内部调节器(INT REG)207的输入端提供电源电压的内部电源电压VBUS_INT，USB内部调节器207具有被耦合用于给USB XCVR 113提供调节后的电压的输出端。SW2具有耦合至节点209的第二接线端子，节点209被进一步耦合至传输VBUS电压的VBUS信号和另一个电容C2的一端。电容C2的另一端被耦合至GND。节点209被进一步耦合至充电电路203内的充电电阻器RCHG的一端和另一个SPST开关SW4的一个接线端子。开关SW4的另一个接线端子被耦合至提供VFB电压的节点211，节点211被进一步耦合至开关SW3的另一个接线端子。电阻器RCHG的另一端被耦合至充电电路203内的开关SW5的另一个接线端子。

USB功率控制电路201进一步包括USB控制电路213，其包括耦合至模式和开关控制器217的比较电路215。VBUS电压被提供给比较电路215的一个输入端，比较电路215还具有接收预定最小电压电平VMIN的另一个输入端并且具有形成充电信号CHG的输出端，其中CHG信号被提供给控制器217的输入端。控制器217确定USB工作模式，USB工作模式包括将在下文中进一步介绍的USB关闭模式、USB外设模式和USB主机模式。USB主机模式通过置位主机信号HST来指示，而USB外设模式则通过置位外设信号PER来指示。根据是哪一个电路检测USB工作模式，HST和PER信号可以是输入、输出或双向信号。控制器217提供信号S1、S2、S3、S4和S5(S1-S5)分别用于控制开关SW1、SW2、SW3、SW4和SW5(SW1-SW5)的状态。在图示的实施例中使用了正逻辑，其中每一个开关SW1-SW5都在开关控制信号S1-S5中对应的一个被置位为高时被激活或闭合，并且在对应的开关控制信号被置位为低时被取消激活或打开。要注意的是负逻辑可等价应用，其中逻辑状态和/或极性可以被颠倒或以其他方式相反。

由于两个开关SW1和SW2均被示出为处于打开位置，因此图2示出的是处于USB关闭模式的USB功率控制电路201。用这种方式，USB内部调节器207不从VINUSB或VBUS接收功率，因此USB XCVR 113为掉电。而且，开关SW4被打开而开关SW3则被闭合。用这种方式，VFB通过开关SW3被耦合至VINUSB以使设备调节器101将VINUSB的电压调节至预定的电压电平。而且，开关SW5被打开以使VBUS与VINUSB隔离，因此VBUS的电压是零或者是某一其他的低电压电平(除非由耦合至USB端109的外部设备驱动到另一电压)。开关SW1-SW5可以被实现为电子开关例如N沟道或P沟道场效应晶体管或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等，不过也可以预见到其他类型的开关或晶体管。

开关SW3和SW4以及充电电路203可以被省略以使得仅由开关SW1和SW2来确定USB工作模式。在这种可选情况下，VFB被直接耦合至VINUSB，目的是为了直接调节其电压而不再是如图所示通过开关设备进行调节。开关SW1和SW2如图2中所示在USB电路105关闭时被打开。在外设工作模式下，SW2被闭合而SW1仍保持打开，以使外部设备通过VBUS电压给USB内部调节器207提供电压从而将功率送往USB XCVR 113。在主机模式下，开关SW1和SW2都被闭合，以使设备调节器101通过VBUS电压给USB内部调节器207和外部设备提供功率。耦合至VBUS和GND的外部设备可以汲取数值相当大的电流。例如，在一个实施例中，外部设备可以汲取约200毫安(mA)的电流。USB内部调节器207也可以汲取相当大的电流值。例如，在一个实施例中，USB内部调节器207可以汲取约100毫安(mA)的电流。用这种方式，在主机模式期间有约300mA的电流流过开关SW1并且有200mA的电流流过开关SW2。正如本领域技术人员所理解的那样，电子开关在导通时包括固有电阻，例如漏极到源极的电阻等。这样的串联开关电阻会在被激活并且同时有负载电流流动时产生串联电压并消耗功率。相对大的电阻导致相对大的压降并消耗可观的功率。可以通过增大实现开关的设备的物理尺寸来减小串联开关电阻，但是这样就会选择性地占用空间。空间和功耗是便携或移动式电子USB-OTG设备中的考量因素。

开关SW1和SW2共同实现了单个开关的功能，用于使内部VINUSB能够给外部VBUS提供功率。开关SW1和SW2可以用SW1和SW2之间的一个开关代替(例如，假设不提供VBUS_INT或者以其他方式不必从VINUSB供电)。两个开关被用于使VBUS_INT能够根据工作模式而被选择性地耦合至VINUSB或VBUS中的任意一个。在任何情况下，如果仅提供了开关SW1和SW2(或者一个单个开关)而没有另外的充电路径，那么就存在若干技术上的难题。如果单独使用，开关SW1和SW2就必须非常大以使开关电阻最小。在此情况下，将开关SW1和SW2都闭合以激活主机模式将导致大的瞬变，这会造成很大的问题。具体地，在开关SW1和SW2都导通以激活主机工作模式时，此时VBUS和VBUS_INT都非常低或者是零电压，那么VINUSB会首先骤降相当大的量以给电容C2充电。例如，如果VINUSB通常被调节在大约5V，那么VINUSB在开关SW1和SW2都被闭合时的最初主机激活期间可能会首先骤降到3V或更低。这样明显的初始电压骤降对于设备电路103来说是有问题的，并且可能会造成不可靠的操作或者甚至会造成设备故障。

而且，尝试在VINUSB显著骤降时恢复电压调节，设备调节器101可能会驱动VINUSB过冲超过目标电压电平，导致类似问题和可能的故障。用这种方式，由于设备调节器101调节的是VINUSB而不是VBUS，因此开关SW1和SW2就必须被制作得非常大，以最小化开关SW1和SW2两端的压降从而将VBUS保持在适当的电压电平。开关SW1和SW2两端任何显著的压降都可能会导致VBUS的负载调节不良，特别是在负载波动期间更是如此。而由非常大的电子开关SW1和SW2所占用的大面积会导致非常低效的空间利用。通过用线性调节器例如低压降(LDO)调节器等代替这样的大开关来调节提供给USB XCVR 113和外部设备的功率，这反而可以实现更优的设备操作。但是，这样的调节器甚至比开关SW1和SW2更大。如果单独使用，由于小开关具有大的串联开关电阻，因此开关SW1和SW2可能也无法以其他方式被设计得足够小。较大的开关电阻造成从VINUSB到VBUS的显著压降，以使VBUS的电压可能会下降到低于目标最小电压电平。而且，显著的压降会导致非常差的VBUS负载调节。总之，开关SW1和SW2如果单独使用就会占用非常大的开关面积，造成负载调节不良，并且进一步造成大的主机激活开关瞬变，这可能会导致不可靠的操作或者甚至会导致设备故障。如下文中进一步介绍的那样，提供充电功能以在开关SW1和SW2都被闭合之前给VBUS充电。而且，反馈节点211在主机模式下从调节VINUSB被改变至调节VBUS。如下所述的附加充电功能和自适应反馈减轻了大的切换瞬变和负载调节不良的潜在问题。而且，开关SW1和SW2可以被减小尺寸以节约宝贵的空间。在一个图示的实施例中，充电电路203以及附加开关SW3和SW4被控制用于提供充电功能和自适应反馈。在另一个图示的实施例中，开关SW3和SW4的结构与控制被调节为既提供充电功能又提供自适应反馈功能以省略充电电路203。

图3根据示例性实施例示出了控制器217的示例性操作的状态图，用于控制开关SW1-SW5在USB关闭模式、USB外设模式、充电模式和USB主机工作模式之间切换。图4、5和6是分别示出了开关SW1-SW5用于USB外设模式、充电模式和USB主机模式的相应状态的简化示意图和框图。状态图示出的四种状态包括如图2中的开关状态所示以USB关闭模式工作时的第一状态301、如图4中的开关状态所示以USB外设模式工作时的第二状态303、如图5中的开关状态所示以中间充电模式工作时的第三状态305以及如图6中的开关状态所示以USB主机模式工作时的第四状态307。在状态图中，通过用信号名称标记的造成从一种状态到另一种状态转换的箭头来表示状态转换。具有上横线的信号名称(例如)说明信号被置位为低，表示假状态或“非真”，而没有上横线的信号名称说明信号被置位为高，表示真状态或“真”。因此如箭头309所示，在HST和PER信号都被置位为低时，表示USB关闭模式。只要这两种信号都为低或假，那么操作就保持在状态301。要注意的是，HST和PER信号可以都被置位为低或者可以另外地被置位为相反状态，但是它们不会一起被置位为高。利用具有名称的椭圆形示出了每一种状态，具有名称的椭圆形表示了USB的工作模式以及分别定义对应开关SW1-SW5状态的信号S1-S5的相应状态。因此，如图2中所示，在用于USB关闭模式的状态301中，信号S1、S2、S4和S5被置位为低，以使开关SW1、SW2、SW4和SW5打开，而信号S3被置位为高以使开关SW3闭合。

如箭头311所示，在PER信号被置位为高时工作转换至用于USB外设工作模式的状态303。如图4中所示，在状态303的USB外设模式中，信号S2被置位为高以使开关SW2被闭合，而信号S1、S3、S4和S5以及对应开关SW1、SW3、SW4和SW5的状态仍保持不变。在开关SW2参照图1、2和4被闭合时，VBUS被耦合至VBUS_INT，以使外部设备通过VBUS为USB内部调节器207提供电源电压以给USB XCVR 113提供功率。如箭头313所示，在PER被置位为高时，工作保持在状态303。如箭头315所示，在PER被置位为低时，工作返回到状态301。

如箭头317所示，在HST信号被置位为高时工作转换至状态305以充电模式工作。如图5中所示，在状态305的充电模式中，信号S5被置位为高以使开关SW5被闭合，而信号S1、S2、S3和S4以及对应开关SW1、SW2、SW3和SW4的状态仍保持不变。在开关SW5参照图1、2和5闭合时，电阻器RCHG被耦合在VINUSB和VBUS之间，允许电流从VINUSB流动通过RCHG以给电容C2充电并由此提高VBUS的电压。电阻器RCHG具有的电阻允许足够量的电流从VINUSB流动到VBUS，从而以可接受的速率给电容C2充电而不会显著地影响到VINUSB的调节。开关S5和电阻器RCHG共同构成用于给VBUS充电的开关充电电阻。要注意的是，由于开关SW3在状态305下保持闭合，因此设备调节器101继续调节VINUSB的电压。正如通过合适的USB规范所确定的那样，结合VINUSB的电压来选择RCHG的尺寸，以使VBUS在适当的时间量内充电至VMIN。VMIN是充分接近VINUSB的工作电压以激活USB工作的电压电平。例如，在一个实施例中，VMIN大约为4.4V。在用于充电工作模式的状态305中，比较电路215将VBUS的电压电平与VMIN相比较。在VBUS的电压低于VMIN时，比较电路215保持CHG信号置位为低。如箭头319所示，在HST信号被置位为高并且同时CHG信号被置位为低时，工作保持在状态305。如箭头321所示，如果HST信号在处于状态305时的任意时刻被置位为低，那么工作就返回到状态301。

当VBUS的电压电平达到VMIN时，比较电路215将由控制器217检测的CHG信号置位为高。如箭头323所示，在CHG信号被置位为高同时HST仍然保持置位为高时，工作转换至状态307以USB主机模式工作。如图6中所示，在状态307的USB主机模式中，信号S1-S5全部改变状态以使开关SW1-SW5也全部改变状态。参照图1、2和6，信号S5被置位为低以关断开关SW5，从而终止通过电阻器RCHG给VBUS充电。信号S1和S2被置位为高以将开关SW1和SW2都导通，从而使设备调节器101给USB内部调节器207以及一个或多个外部设备提供电源电压。由于VBUS的电压已经被充电达到充分接近于VINUSB调节电平的VMIN，因此将开关SW1和SW2均闭合不会显著地改变电压电平VINUSB。而且，信号S3被置位为低以打开开关SW3，而信号S4被置位为高以闭合开关SW4。用这种方式，VFB被耦合至VBUS而不是VINUSB，以使设备调节器101现在是调节VBUS电压而不是VINUSB。由于电压是在开关SW1和SW2的两端形成并且由于VBUS被调节至VINUSB的“正常”电压电平，因此VINUSB的电压电平仅略有增加。但是，这种电压增加相对微弱并且不会显著地影响设备电路103的工作。用这种方式，工作保持稳定并且负载调节良好。如箭头325所示，在HST信号被置位为高时，工作保持在状态307，而如果如箭头327所示，如果HST信号被置位为低，那么工作就返回到状态301。

开关SW1和SW2被制成为足够大以降低两端的压降并使USB主机工作模式期间通过开关的功率损失最小。由于设备调节器101在USB主机模式下调节VBUS的电压，因此VBUS的电压电平保持为被调节的电压电平并且负载调节也保持在恰当水平。而且，在开关SW1和SW2导通时，VINUSB不会下降，反而会增加到略微高于通常的调节电压电平。用这种方式，开关SW1和SW2被制成为比较小以高效的利用空间。开关SW1和SW2的尺寸由VINUSB的可接受的电压增加以及通过开关SW1和SW2的可接受的功率损失(以及两端的压降)决定。开关SW5被制成为相对较小。在一个实施例中，充电电路203仅包括开关SW5，开关SW5也用作串联电阻以替代电阻器RCHG，从而使得电阻器RCHG可以被省略。开关SW5只需被制成为足够大以使得能够给电容C2充电足够长的时间用于给外部设备供电并激活USB通信。在一个可选实施例中(以虚线示出)利用电流源204实现充电电路203，电流源204由信号S5激活以给电容C2充电。可选地，开关SW5被耦合至电流源，其在开关SW5闭合时给VBUS充电。一旦充电完成，电流源即被取消激活或以其他方式断开。开关SW3和SW4可以被制成为相对较小。设备调节器101的反馈输入阻抗相对较大，以使开关SW3和SW4的串联开关电阻可以相对较大——只要与设备调节器101的输入阻抗相比相对较小即可。例如，在一个实施例中，设备调节器101的输入阻抗大约为500千欧(kΩ)，以使开关SW3和SW4可以被制成为相对较小并具有相对较大的100Ω数量级左右的电阻。

图7是根据另一个实施例也可以被用作USB功率控制电路111的USB功率控制电路701的示意图和框图。USB功率控制电路701类似于USB功率控制电路201，其中类似的部件具有相同的附图标记。USB功率控制电路701包括SW1和SW2、电容C1和C2以及USB内部调节器207，被设置为以基本上类似于USB功率控制电路201的方式工作。但是，省略了充电电路203。开关SW3和SW4被包括在USB功率控制电路701内，但是如下文中进一步介绍的那样被修改为实现了充电功能。USB功率控制电路701包括USB控制电路703以代替USB控制电路213。USB控制电路703包括比较电路215以及类似于控制器217的模式和开关控制器705。控制器705以类似于控制器217的方式接收(或提供)HST和PER信号并接收CHG信号。控制器705以基本上类似于控制器217的方式工作，不过它控制开关SW3和SW4以控制电容C2的充电而不是控制充电电路203。控制器705用类似于前文中所述的方式提供信号S1-S4以分别控制开关SW1-SW4。在图7中，由于开关SW1、SW2和SW4被打开而开关SW3被闭合，因此开关SW1-SW4被设置用于USB关闭模式。用这种方式，VFB在节点211处通过闭合的开关SW3被耦合至VINUSB，以使设备调节器103在USB关闭模式下调节VINUSB的电压电平。

开关SW3被制成为比开关SW4更大，以使SW3的开关电阻显著小于SW4的开关电阻。如图所示，SW3的开关电阻用707处所示的一个小电阻器标记图形地表示，而SW4的开关电阻用709处所示的一个较大的电阻器标记图形地表示。开关SW3和SW4在它们都导通时的组合电阻类似于电阻器RCHG的电阻，用以实现从VINUSB到VBUS的充电功能。在一个实施例中，SW4的串联电阻709大约是10X(10倍于)SW3的串联电阻707。在一个更加具体的实施例中，开关SW4的串联开关电阻709大约是1kΩ而开关SW3的串联开关电阻707大约是100。

图8示出了根据示例性实施例的控制器705的示例性操作的状态图，用于控制开关SW1-SW4在USB关闭、USB外设、充电和USB主机工作模式之间切换。图8中的状态图基本上类似于图3中的状态图，其中状态301、303、305和307分别由类似的状态801、803、805和807所代替。图9、10和11是分别示出了开关SW1-SW4用于USB外设模式、充电模式和USB主机模式的相应状态的简化示图。状态801中的USB关闭模式由图7中的开关状态表示，状态803中的USB外设模式由图9中的开关状态表示，状态805中的中间充电模式由图10中的开关状态表示，以及状态807中的USB主机模式则由图11中的开关状态表示。图8状态图中的状态转换与用于图3状态图的转换相同并且由具有相同信号名称的相同箭头表示。同样地，具有上横线的信号名称说明信号被置位为低表示假状态或“非真”。

如箭头309所示的，在HST和PER信号都被置位为低时，表示是状态801下的USB关闭模式，而只要这两种信号都为低或假，那么工作就保持在状态801。如图7中所示，在状态801的USB关闭模式下，信号S1、S2和S4被置位为低而信号S3被置位为高，以使开关SW1、SW2和SW4被打开而开关SW3则被闭合。如箭头311所示，在PER被置位为高时工作转换至状态803下的USB外设模式，并且如箭头313所示，在PER保持被置位为高时工作保持在状态803。在状态803的USB外设模式中，信号S2被置位为高，以使开关SW2以类似于先前所述的方式被闭合，从而使USB XCVR113从外部主机设备接收功率。如箭头315所示，在PER被置位为低时，工作以类似于先前所述的方式返回到状态801的USB关闭模式。如箭头317所示，在HST信号被置位时工作前进至状态805的充电模式。在状态805，信号S4被置位用于闭合开关SW4。参照图1、7和10，在开关SW3和SW4都闭合时，VBUS通过开关SW3和SW4被耦合至VINUSB。开关SW3和SW4的组合电阻类似于电阻器RCHG，以使电容C2在一定的时段内被充电而不会显著地改变VINUSB的电压。如果开关SW3的开关电阻707被表示为R3而开关SW4的开关电阻709被表示为R4，那么VFB的电压可以根据以下的公式(1)确定：

VFB＝(VINUSB-VBUS)*R4/(R3+R4)    (1)

其中星号“＊”表示乘法而正斜杠“/”表示除法。如果VBUS电压初始为零，那么由于R4远大于R3，因此VFB的初始下降并不显著。例如，如果R4是10X R3，那么VFB在开关SW4闭合时就会下降至其初始电压的10/11。VFB的电压在电容C2被充电时逼近其初始电平。用这种方式，充电期间的负载调节基本上保持不变。在CHG信号保持被置位为低时，工作就保持在状态805。

如箭头323所示，在比较电路215检测出VBUS电压达到VMIN时，它就置位CHG信号并且工作前进至状态807中的USB主机模式。如图11中所示，在状态807，信号S1、S2和S4被置位为高而信号S3被置位为低，以使开关SW1、SW2和SW4被闭合而开关SW3被打开。如前所述，由于电容C1和C2都被充电至大约相同的电压，因此VINUSB和VBUS电压在开关SW1和SW2都闭合时不会受到显著影响。而且，开关SW3被打开并且开关SW4被闭合，以使VFB以类似于先前所述的方式被耦合至VBUS而不是VINUSB。因此，设备调节器101在USB主机模式下是调节VBUS电压而不是VINUSB。尽管开关SW4的开关电阻R4由于被实现为物理尺寸较小的部件而相对较大，但是其电阻仍然显著小于设备调节器101的反馈输入。用这种方式，设备调节器101调节VBUS以提供恰当的负载调节。

对于由USB功率控制电路201和701表示的任一实施例都可以有若干种变形。例如，开关SW1可以在任意时刻被闭合，以给USB内部调节器207和/或USB XCVR 113电。信号S1可以在状态305和805中被置位以在给电容C2充电的同时为USB内部调节器207和/或USB XCVR 113提供功率。

图12是绘出了用于由USB功率控制电路201和701表示的实施例之一的CHG信号以及VINUSB、VBUS和VBUS_INT电压(V)相对于时间(TIME)的曲线图。在初始时刻t0，CHG信号被置位为低，VINUSB略低于5.5V，而VBUS和VBUS_INT均为约0V，以使USB功率控制电路111在USB关闭模式下工作。尽管没有示出，但是开关SW3被闭合以使设备调节器101调节VINUSB。在随后的时刻t1，开关SW1被闭合以使VINUSB为VBUS_INT提供电源电压。VINUSB的电压瞬间下降至约4.5V并随后随着VBUS_INT增加到大约5V而恢复其初始值。如上所述，开关SW1可以在任意时刻被置位而不必在先前定义的任何状态或模式下被置位。该图示出了VINUSB响应于单独闭合SW1的变化。在随后的时刻t2，或者是开关SW5被闭合(用于USB功率控制电路201)，或者是开关SW4被闭合(用于USB功率控制电路701)，并且电压VBUS在电容C2充电时开始增加。在随后的时刻t3，VBUS达到预定的最小电压电平VMIN并且比较电路215置位CHG信号为高。在图示的实施例中，VMIN大约为4.4V。在CHG信号被置位为高时，开关SW2被闭合以使VBUS增加至约为VINUSB的电压。由于从调节VINUSB转换至调节VBUS，因此开关SW3被打开同时SW4被闭合或以其他方式保持闭合以使VINUSB也略有增加。在随后的时刻t4，VINUSB响应于在VBUS上在开关SW1和SW2两端造成额外压降的外部负载而略有增加(例如增加到约5.3V)。

图12示出了VINUSB在每一种工作模式期间并且对于各种不同的负载情况都在可允许的电压电平4.5V到5.5V之间保持相对稳定。即使在通过外部设备将负载加至USB端口109时，VINUSB也不会显著增加。VBUS在USB主机工作模式期间升高至VMIN并且保持在VMIN或者高于VMIN。VBUS从0到VMIN的充电时间被设置为确保在由适当规范确定的预定最大时间段内进入USB主机模式。充电时间如前所述通过SW3和SW4的开关电阻或者通过选择RCHG加以确定或者以其他方式调节。VBUS_INT的电压在整个改变模式和负载情况期间保持相对稳定。

根据一个实施例，一种通用串行总线功率控制电路包括：至少一个第一开关，在闭合时将电源节点选择性地耦合至外部功率节点；比较器，检测何时给所述外部功率节点充电；反馈节点，用于激活电压调节；充电电路和控制器。充电电路从所述电源节点给所述外部功率节点充电，并将所述反馈节点选择性地耦合至所述电源节点和所述外部功率节点中的至少一个。控制器在未给所述外部功率节点充电时打开第一开关，在将所述反馈节点耦合至所述电源节点时控制所述充电电路给所述外部功率节点充电，并且在主机模式下在给所述外部功率节点充电时闭合所述第一开关并将所述反馈节点耦合至所述外部功率节点。

在通用串行总线功率控制电路的一个实施例中，充电电路被设置为具有两个附加开关。提供具有第一电阻的第二开关，在闭合时将电源节点选择性地耦合至反馈节点；并且提供具有第二电阻的第三开关，在闭合时将反馈节点选择性地耦合至外部功率节点。第二电阻远大于第一电阻。控制器在关闭模式期间闭合第二开关并打开第三开关以使反馈节点被耦合至内部电源节点用于调节内部电源节点的电压。控制器在充电模式期间将第二开关和第三开关都闭合以激活对外部功率节点的充电。在此情况下，第一和第二电阻整体上足够大以提供充电功能而不会显著地影响内部电源节点的电压调节。控制器在主机模式期间打开第二开关并且闭合第三开关。由此，在外部功率节点被充分充电时，(至少一个)第一开关被闭合以使内部电源节点给外部功率节点提供功率。还是在主机模式期间，第三开关被闭合用于自适应反馈，以使得被调节的是外部功率节点的电压而不是内部电源节点的电压。

在通用串行总线功率控制电路的一个可选实施例中，充电电路包括第二和第三开关以及受控的电流源。在该实施例中，第二和第三开关不在相同时刻一起闭合而是被控制用于自适应反馈。受控的电流源在充电模式期间由控制器控制以提供充电功能。受控的电流源可以用任意合适的方式实现，例如开关电阻或受控电流源等。

根据一个实施例，一种在通用串行总线上提供外部功率的方法，包括在处于关闭模式时以及在处于充电模式时将反馈节点耦合至内部电源节点，在处于充电模式时从内部电源节点给外部功率节点充电，并且在给外部功率节点充电时，通过将内部电源节点耦合至外部功率节点、将反馈节点耦合至外部功率节点并将反馈节点与内部电源节点断开而进入主机模式。

该方法可以包括耦合从内部电源节点到外部功率节点的充电路径并且在不处于充电模式时断开该充电路径。该方法可以包括激活电流源以给外部功率节点充电。该方法可以包括在内部电源节点和外部功率节点之间耦合充电电阻器以给外部功率节点充电。该方法可以包括选择性地闭合设置在反馈节点和内部电源节点之间的第一开关，其具有第一电阻，以及闭合设置在反馈节点和外部功率节点之间的第二开关，其具有第二电阻。在此情况下，第二电阻远大于第一电阻。第一开关闭合同时第二开关打开，用于调节内部电源节点的电压，两个开关都闭合，用于给外部功率节点充电，而第二开关闭合同时第一开关打开，用于调节外部功率节点的电压。

该方法可以包括激活设置在内部电源节点和外部功率节点之间单独的电流路径，用于给外部功率节点充电。

根据一个实施例，一种电子设备包括内部反馈节点、调节器、外部功率节点以及通用串行总线功率控制电路。调节器在内部电源节点上提供电源电压并且具有耦合至内部反馈节点用于调节电压电平的内部反馈输入。通用串行总线功率控制电路包括至少一个第一开关，在闭合时将内部电源节点选择性地耦合至外部功率节点；充电电路，比较器和控制器。充电电路从内部电源节点给外部功率节点充电并将内部反馈节点选择性地耦合至内部电源节点和外部功率节点中的至少一个。比较器检测何时给外部功率节点充电。控制器在未给外部功率节点充电时打开第一开关，在将内部反馈节点耦合至内部电源节点时控制充电电路给外部功率节点充电，并且在主机模式下在给外部功率节点充电时闭合第一开关并将内部反馈节点耦合至外部功率节点。

在该电子设备的一个实施例中，充电电路被实现为具有被控制用于自适应反馈的第二和第三开关。在一个可选实施例中，第二和第三开关实现自适应反馈并且单独的受控电流路径实现对外部功率节点的充电。受控电流路径可以被实现为开关电阻或受控的电流源等。该电子设备可以包括内部功率节点，其中至少一个第一开关包括耦合在内部电源节点和内部功率节点之间的第一开关以及耦合在内部功率节点和外部功率节点之间的第二开关。通用串行总线功率控制电路用于电子设备的移动USB控制电路是特别有利的。

尽管已经参照本发明的某些优选方案相当详细地介绍了本发明，但是其他方案和变形也都是可行并且可以预见到的。例如，本文中介绍的电路或逻辑模块可以被实施为离散电路或集成电路或软件或任意可选结构。最后，本领域技术人员应该理解，他们可以轻易地利用公开的理念和特定实施例作为基础来设计或修改其他的结构以实现与本发明相同的目的而并不背离由所附权利要求确定的本发明的实质和保护范围。

Claims (20)

1.一种通用串行总线功率控制电路，包括：

至少一个第一开关，在所述至少一个第一开关中的每一个都闭合时将电源节点选择性地耦合至外部功率节点；

比较器，检测何时给所述外部功率节点充电；

反馈节点，用于激活电压调节；

充电电路，从所述电源节点给所述外部功率节点充电，并将所述反馈节点选择性地耦合至所述电源节点和所述外部功率节点中的至少一个；以及

控制器，在未给所述外部功率节点充电时打开所述至少一个第一开关中的至少一个，在将所述反馈节点耦合至所述电源节点时控制所述充电电路给所述外部功率节点充电，并且在主机模式下在给所述外部功率节点充电时闭合所述至少一个第一开关中的每一个并将所述反馈节点耦合至所述外部功率节点。

2.如权利要求1所述的通用串行总线功率控制电路，其中所述充电电路包括：

具有第一电阻的第二开关，在闭合时将所述电源节点选择性地耦合至所述反馈节点；

具有第二电阻的第三开关，在闭合时将所述反馈节点选择性地耦合至所述外部功率节点，其中所述第二电阻远大于所述第一电阻；以及

其中所述控制器在关闭模式期间闭合所述第二开关并打开所述第三开关，其中所述控制器在充电模式期间将所述第二开关和第三开关都闭合以激活对所述外部功率节点的充电，并且其中所述控制器在所述主机模式期间打开所述第二开关并且闭合所述第三开关。

3.如权利要求1所述的通用串行总线功率控制电路，其中所述充电电路包括：

第二开关，耦合在所述电源节点和所述反馈节点之间；

第三开关，耦合在所述反馈节点和所述外部功率节点之间；

受控电流源，耦合在所述电源节点和所述外部功率节点之间；并且

其中所述控制器在关闭模式期间关闭所述受控电流源，闭合所述第二开关并打开所述第三开关，其中所述控制器在充电模式期间打开所述受控电流源，闭合所述第二开关并且打开所述第三开关，并且其中所述控制器在所述主机模式期间关闭所述受控电流源，打开所述第二开关并且闭合所述第三开关。

4.如权利要求3所述的通用串行总线功率控制电路，其中所述受控电流源包括与电阻串联耦合的第四开关。

5.如权利要求1所述的通用串行总线功率控制电路，其中所述比较器将所述外部功率节点的电压与预定的最小电压电平相比较。

6.如权利要求1所述的通用串行总线功率控制电路，其中所述至少一个第一开关包括：

第一开关，在闭合时将所述电源节点选择性地耦合至内部功率节点；

第二开关，在闭合时将所述内部功率节点选择性地耦合至所述外部功率节点；并且

其中所述控制器在未处于所述主机模式时打开所述第一和第二开关中的至少一个，并且在处于所述主机模式以及在给所述外部功率节点充电时闭合所述第一和第二开关。

7.一种在通用串行总线上提供外部功率的方法，包括：

在处于关闭模式时以及在处于充电模式时将反馈节点耦合至内部电源节点；

在处于充电模式时从所述内部电源节点给外部功率节点充电，以及

在给所述外部功率节点充电时，通过将所述内部电源节点耦合至外部功率节点、将所述反馈节点耦合至所述外部功率节点并将所述反馈节点与所述内部电源节点断开而进入主机模式。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述给外部功率节点充电的步骤包括耦合从所述内部电源节点到外部功率节点的充电路径并且在不处于充电模式时断开该充电路径。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述给外部功率节点充电的步骤包括激活电流源。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述给外部功率节点充电的步骤包括在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间耦合充电电阻器。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述将内部电源节点耦合至外部功率节点的步骤包括闭合耦合在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间的至少一个第一开关中的每一个。

12.如权利要求7所述的方法，其中：

所述将反馈节点耦合至内部电源节点的步骤包括闭合设置在所述反馈节点和所述内部电源节点之间的第一开关，所述第一开关具有第一电阻；

其中所述将反馈节点耦合至外部功率节点的步骤包括闭合设置在所述反馈节点和所述外部功率节点之间的第二开关，所述第二开关具有第二电阻，其中所述第二电阻远大于所述第一电阻；

其中所述从内部电源节点给外部功率节点充电的步骤包括闭合所述第一和第二开关；以及

其中所述将反馈节点与内部电源节点断开的步骤包括打开所述第一开关。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述将内部电源节点耦合至外部功率节点的步骤包括闭合设置在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间的至少一个第三开关中的每一个。

14.如权利要求7所述的方法，其中：

所述将内部电源节点耦合至外部功率节点的步骤包括闭合串联耦合在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间的至少一个第一开关中的每一个；

其中所述将反馈节点耦合至内部电源节点的步骤包括闭合设置在所述反馈节点和所述内部电源节点之间的第二开关；

其中所述将反馈节点与内部电源节点断开的步骤包括打开所述第二开关；

其中所述将反馈节点耦合至外部功率节点的步骤包括闭合设置在所述反馈节点和所述外部功率节点之间的第三开关；

其中所述给外部功率节点充电的步骤包括激活设置在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间的电流路径。

15.一种电子设备，包括：

内部反馈节点；

调节器，在内部电源节点上提供电源电压，其中所述调节器具有耦合至所述内部反馈节点用于调节电压电平的内部反馈输入；

外部功率节点；以及

通用串行总线功率控制电路，包括：

至少一个第一开关，在闭合时将所述内部电源节点选择性地耦合至所述外部功率节点；

充电电路，从所述内部电源节点给所述外部功率节点充电，并且将所述内部反馈节点选择性地耦合至所述内部电源节点和所述外部功率节点中的至少一个；

比较器，检测何时给所述外部功率节点充电；以及

控制器，在未给所述外部功率节点充电时打开所述至少一个第一开关，在将所述内部反馈节点耦合至所述内部电源节点时控制所述充电电路给所述外部功率节点充电，并且在主机模式下在给所述外部功率节点充电时闭合所述至少一个第一开关并将所述内部反馈节点耦合至所述外部功率节点。

16.如权利要求15所述的电子设备，其中所述充电电路包括：

具有第一电阻的第二开关，在闭合时将所述内部电源节点选择性地耦合至所述内部反馈节点；

具有第二电阻的第三开关，在闭合时将所述内部反馈节点选择性地耦合至所述外部功率节点，其中所述第二电阻远大于所述第一电阻；以及

其中所述控制器在关闭模式期间闭合所述第二开关并打开所述第三开关，其中所述控制器在充电模式期间闭合所述第二开关和第三开关，并且其中所述控制器在所述主机模式期间打开所述第二开关并且闭合所述第三开关。

17.如权利要求15所述的电子设备，其中所述充电电路包括：

耦合在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间的受控电流路径；以及

耦合至所述内部反馈节点并且耦合在所述内部电源节点和所述外部功率节点之间的受控开关电路。

18.如权利要求17所述的电子设备，其中所述受控电流路径包括开关充电电阻。

19.如权利要求15所述的电子设备，进一步包括：

内部功率节点；

耦合至所述内部功率节点的通用串行总线内部调节器；以及

其中所述至少一个第一开关包括：

耦合在所述内部电源节点和所述内部功率节点之间的第一开关；以及

耦合在所述内部功率节点和所述外部功率节点之间的第二开关。

20.如权利要求15所述的电子设备，其中所述通用串行总线功率控制电路与USB OTG兼容。

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