CN102468684A

CN102468684A - 在usb电源供电与电池供电之间切换的切换控制电路

Info

Publication number: CN102468684A
Application number: CN2010105465859A
Authority: CN
Inventors: 吴献
Original assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Semiconductor China R&D Co Ltd; Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明提供了一种在USB电源供电与电池供电之间进行切换的切换控制电路。所述切换控制电路包括：开关模块，在由移动设备的电池供电的情况下，输出移动设备的电池工作电压；线性稳压源模块，在由USB电源供电的情况下，将USB电源的电压转换为适合移动设备的工作电压；控制保护模块，根据控制信号以及所述移动设备与USB终端的连接状态对开关模块和线性稳压源模块进行控制以在USB电源供电和电池供电之间进行切换，其中，所述USB终端向所述移动设备提供USB电源。所述切换控制电路能够在移动设备与USB终端连接时，自动或控制切换至由USB电源供电，从而有效延长电池寿命。

Description

在USB电源供电与电池供电之间切换的切换控制电路

技术领域

本发明涉及一种电源切换电路，具体地讲，涉及一种安装在移动设备中的在USB电源供电与电池供电之间进行切换的切换控制电路。

背景技术

图1为动态USB电源系统100的示意图，USB电源系统100将交流电压转换为USB幅度直流电压，与标号104所示的传真机和标号102所示的相机连接。标号108和106所示的线分别为传真机和相机与USB电源系统100的连接线，而标号101所示的线为连接交流电的电源线。

图2是图1中的USB电源系统100的较详细的示意图，其内部组成包括转换器、开关模决与逻辑控制电路。

在图2中，所述USB电源系统通过转换器将从墙式适配器输出的交流电压转换为USB幅度直流电压，通过对设备(比如图1中的传真机和相机)USBID的识别判断其为主装置或从装置，再将USB ID信息经逻辑处理后控制内部的开关模块。当设备为从装置时，控制开关SW1导通，转换器将交流电压变为USB直流电压对从装置供电。当设备为主装置时，控制开关SW2导通，SW1关断，由主装置对从装置供电。

从上面的示例可以看出，图1和图2所示的USB电源系统是一种用于切换USB电源的外部设备，用户需要额外准备该设备来执行USB电源切换服务，且由于需要交流电源，其难以集成于芯片系统中，这不符合现在对设备便携化的要求。

对于现在USB设备便携化的趋势，很多USB从装置(如手机，照相机，MP3等)本身具有内部电池作为电源；而很多USB主装置(如打印机，PC)本身已连接交流电源，且将其转换为USB总线使用的大约5V电源(用于对其内部USB接口供电)。因此，对于USB设备供电切换的需要，已经转变为在内部电池和USB主装置电源之间的切换。

这样可以在USB从装置中设计电源开关，使从装置直接与主装置连接时切换电源，而不需要额外准备电源切换设备，节省成本，且携带方便。由于这样的开关只接触低压电源，可以非常方便的集成在SOC芯片内部。

发明内容

本发明可以实现SOC芯片系统中的USB电源切换模块。目前很多使用电池的移动设备需要长时间与USB终端连接。为了延长电池的使用寿命，当移动设备与USB终端连接时，需要转由USB终端供电，从而使电池处于待机状态，以供移动设备没有与USB终端连接时使用。本发明就为满足这一需要，并可简单集成于SOC芯片系统中作为电源模块而被使用。

根据本发明的一方面，提供了一种安装在移动设备中的在USB电源供电与电池供电之间进行切换的切换控制电路，所述切换控制电路包括：开关模块，在由移动设备的电池供电的情况下，输出移动设备的电池工作电压；线性稳压源模块，在由USB电源供电的情况下，将USB电源的电压转换为适合移动设备的工作电压；控制保护模块，根据控制信号以及移动设备与USB终端的连接状态对开关模块和线性稳压源模块进行控制以在USB电源供电和电池供电之间进行切换，其中，所述USB终端向所述移动设备提供USB电源。

根据本发明的一方面，当控制信号的值为“1”时，控制保护模块可对开关模块和线性稳压源模块进行控制以通过开关模块输出移动设备的电池工作电压。

根据本发明的一方面，当控制信号的值为“0”且移动设备没有与USB电源终端连接时，控制保护模块可对开关模块和线性稳压源模块进行控制以通过开关模块输出移动设备的电池工作电压。

根据本发明的一方面，当控制信号的值为“0”且移动设备与USB电源终端连接时，控制保护模块可对开关模块和线性稳压源模块进行控制以通过线性稳压源模块将USB电源的电压转换为适合移动设备的工作电压。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是现有技术中动态USB电源系统的示意图；

图2是图1的USB电源系统的较详细的示意图；

图3是根据本发明示例性实施例的切换控制电路的示意框图；

图4是根据本发明示例性实施例的开关模块的电路图；

图5是根据本发明示例性实施例的线性稳压源模块的电路图；

图6是根据本发明示例性实施例的控制保护模块的电路图；

图7是根据本发明示例性实施例的切换控制电路的整体的详细电路图。

具体实施方式

图3是根据本发明示例性实施例的在USB电源供电与电池供电之间进行切换的切换控制电路的示意框图。所述切换控制电路包括控制保护模块110、开关模块120和线性稳压源模块130。其中，所述控制保护模块110由比较器和若干MOS开关组成，下面将参照图6对控制保护模块110进行详细描述；开关模块120主要由MOS功率开关和逻辑控制电路组成，下面将参照图4对开关模块120进行详细描述；线性稳压源模块130由MOS功率管和运算放大器组成，下面将参照图5对线性稳压源模块进行详细描述。在图3中，VBAT为移动设备的内部电池提供的电源，移动设备一般使用的电池电压范围为1.6V-3.6V。VUSB为USB终端(如PC)向移动设备提供的USB电源，电压范围为4V-5.5V。当移动设备没有与USB终端连接时，需要移动设备内部的电池供电，这时开关模块120工作，在VOUT端输出电池电压VBAT。当移动设备长时间与USB终端连接时，为了电池省电，需要转由USB电源供电，这时开关模块120关闭，线性稳压源模块130工作，将USB电源的电压转换为适合移动设备的工作电压。当移动设备与USB终端连接时，可以通过控制信号(如图4中的SW信号)在下面所示的方式中进行选择：1、移动设备的电源自动从电池供电切换至由USB电源供电；2、始终由电池供电，如果需要改由USB电源供电则改变SW信号的状态。方式2可用于移动设备短时间与USB终端连接。控制保护模块110为开关模块120和线性稳压源模块130提供保护和控制电压。

图4是根据本发明示例性实施例的在USB电源供电与电池供电之间进行切换的切换控制电路中的开关模块120的电路图，开关功率管M1为PMOS功率管，驱动从电池电压VBAT至输出VOUT的电流。

R1和R2为分压检测电阻，用于检测移动设备是否与USB终端连接。当移动设备与USB终端连接时，R1与R2对USB电源电压VUSB进行分压，得到相对高的电压，该电压的逻辑值为1；当移动设备没有与USB终端连接时，R2将分压端下拉至地电压，逻辑值为0。逻辑值(1或0)传输给逻辑电路，以表示移动设备与USB终端连接与否。在图4中，所述逻辑电路由标号121-126所示，其中，121为与门，122-123为或非门，124为与非门，125-126为反相器。逻辑电路根据对分压电阻检测的逻辑值和控制信号SW的计算，输出对图3中开关模块120和线性稳压源模块130的控制信号(SGATE/EN)。其中，控制信号SW控制在移动设备与USB终端连接时是否将电源从电池供电切换至USB电源供电。DELAY单元为一般延时单元，由电阻和电容组成，所述DELAY单元使与门121和或非门122的输出由0向1转变时发生延时，而由1向0转变时不发生延时。这可以使EN信号的逻辑0先于SGATE信号的逻辑0，而SGATE信号的逻辑1先于EN信号的逻辑1。由于SGATE信号和EN信号分别控制开关模块120的开关功率管M1和线性稳压源模块130中的开关功率管M2的通断，这样可以使得两个开关功率管M1和M2不会同时导通，引发瞬间的大电流。127-129为电压转换模块，将逻辑电路产生的控制开关模块120和线性稳压源模块130的信号提升为具有电路中最高电压的幅度VMAX的信号SGATE和EN(LDO)。VMAX电压由图3中控制保护模块110比较电池电压和USB电源电压产生，当移动设备与USB终端连接时为VUSB电压值，当移动设备没有与USB终端连接时为电池电压值。信号SGATE和EN(LDO)具有VMAX幅度的电压，可以有效地控制和保护切换控制电路中各个部分。

图5是根据本发明示例性实施例的切换控制电路中的线性稳压源模块130的电路图，所述线性稳压源模块130采用普通LDO环路结构。在图5中，标号131为运算放大器OPAMP，开关功率管M2为PMOS功率管，RL1与RL2为反馈电阻。所述运算放大器OPAMP、开关功率管M2与反馈电阻RL1与RL2组成负反馈网络，使反馈端(FB)电压等于参考电压VREF。而VOUT与FB电压则由反馈电阻确定比例，即VOUT＝VREF×(RL1+RL2)/RL2，而VREF是具有确定值的参考电压。这样就将USB电源VUSB转换为合适的且具有确定幅度的电压，并在输出端VOUT进行输出。MPD为使能开关管，根据EN端的输入信号控制开关功率管M2的通断。MPD管的源端电压即电路的使能电压和开关功率管M2的衬底电压均采用切换控制电路中电压最大值VMAX电压，从而有效控制和保护切换控制电路。

图6是图3中所示的控制保护模块110，所述控制保护模块110产生电路中的最高电压VMAX和开关模块120中开关功率管M1的衬底保护电压VSUB。在图6所示的控制保护模块110中，比较器111和倒相器112-113以及MOS管MN1-2、MP1-4为VMAX产生电路。当移动设备没有与USB终端连接时，比较器111输出为高，MN1关断，MN2导通，将MP1、MP3栅端拉低，MP1、MP3导通，将MP2、MP4栅端拉至VBAT，MP2、MP4关断，VMAX等于VBAT。当移动设备与USB终端连接时，USB电压高于电池电压，比较器输出为低，MN1导通，MN2关断，将MP2、MP4栅端拉低，MP2、MP4导通，将MP1、MP3栅端拉至VUSB，因为VUSB高于VBAT，MP1、MP3关断，VMAX等于VUSB。MN3-4与MP5-8产生开关模块120中开关功率管M1的衬底保护电压VSUB。VSUB输出受开关功率管M1的栅端电压SGATE控制。当开关功率管M1导通时，SGATE为低，MP7管关断，MP8管导通，VSUB电压为电池电压VBAT。当开关功率管M1关断时，SGATE为高，MP7管导通，MP8管关断，VSUB电压为系统最高电压VMAX。

图7是根据本发明示例性实施例的切换控制电路的整体的详细电路图，该电路图为图4-6中所描述的各个模块在整体的切换控制电路中的组合。当SW信号输入为0时，切换控制电路处于电池供电和USB电源供电自动切换模式：当移动设备没有与USB终端连接时，开关模块120中的分压检测电阻R1、R2输出为0；该输出为0的信号经过逻辑电路的逻辑运算，使得开关功率管M1的控制电压信号SGATE为0，开关功率管M1导通，电池通过开关模块120供电，开关功率管M1衬底电压根据图6描述切换到VBAT，其源端与衬端电压相同，处于最理想工作状态，线性稳压源模块130控制信号EN为0，线性稳压源模块130中控制开关MPD导通，开关功率管M2栅端被拉至VMAX。此时，移动设备与电池连接，移动设备与USB终端没有连接，VMAX值为电池电压VBAT，线性稳压源模块130中开关功率管M2的栅、漏、衬端为VBAT，源端电压为0，从而开关功率管M2有效关断，且不会使衬底二级管导通，避免发生栓锁。

而在SW信号输入为0，切换控制电路处于电池供电和USB电源供电自动切换模式下，当移动设备与USB终端连接时，开关模块120中的分压检测电阻R1、R2输出为1，开关功率管M1的控制信号SGATE变为1，开关功率管M1关断；根据图6描述VSUB此时为VMAX，此时，VMAX等于VUSB。开关功率管M1的衬底PN结全部关断，线性稳压源模块130的控制信号EN变为1，MPD关断，线性稳压源模块130正常工作，其中，开关功率管M2的衬底电压为VMAX，即VUSB，处于最理想工作状态。

当控制信号SW为1时，电路处于强制电池供电模式：开关模块120始终工作，线性稳压源模块130始终关断。开关模块120中的开关功率管M1的衬端电压保持VBAT。线性稳压源模块130中的开关功率管M2的栅、衬端电压根据USB连接情况切换：移动设备与USB终端连接时为VUSB电压；移动设备没有与USB终端连接时为VBAT电压，在不同情况下均确保开关功率管M2有效关断，衬底PN结截止。

电路工作状态可以总结为如表1所示的四种情况：

表1：

序号	USB	SW信号	输出电源
				1	未连接	1	电池电源通过开关模块输出
2	连接	1	电池电源通过开关模块输出
				3	未连接	0	电池电源通过开关模块输出
4	连接	0	USB电源通过线性稳压源模块输出

电路可以根据移动设备与USB终端的连接状态和SW信号来切换输出电源。

本发明可以用于电池供电的移动设备中，所述切换控制电路能够在移动设备与USB终端连接时，自动或控制切换至由USB电源供电，从而有效延长电池寿命。

Claims

1.一种安装在移动设备中的在USB电源供电与电池供电之间进行切换的切换控制电路，所述切换控制电路包括：

开关模块，在由移动设备的电池供电的情况下，输出移动设备的电池工作电压；

线性稳压源模块，在由USB电源供电的情况下，将USB电源的电压转换为适合移动设备的工作电压；

控制保护模块，根据控制信号以及移动设备与USB终端的连接状态对开关模块和线性稳压源模块进行控制，以在USB电源供电和电池供电之间进行切换，其中，所述USB终端向所述移动设备提供USB电源。

2.如权利要求1所述的切换控制电路，其特征在于：当控制信号的值为“1”时，控制保护模块对开关模块和线性稳压源模块进行控制以通过开关模块输出移动设备的电池工作电压。

3.如权利要求2所述的切换控制电路，其特征在于：当控制信号的值为“0”且移动设备没有与USB电源终端连接时，控制保护模块对开关模块和线性稳压源模块进行控制以通过开关模块输出移动设备的电池工作电压。

4.如权利要求3所述的切换控制电路，其特征在于：当控制信号的值为“0”且移动设备与USB电源终端连接时，控制保护模块对开关模块和线性稳压源模块进行控制以通过线性稳压源模块将USB电源的电压转换为适合移动设备的工作电压。