CN104007801B - 用于向电子设备提供功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于向电子设备提供功率的方法和装置。在示例而非限制性阐述的实施例中电子设备的USB功率转换器包括包含VBUS电力线、D‑和D+数据线的USB总线、可变电压转换器、处理器时钟、耦合到D‑和D+数据线的USB收发机及耦合到处理器时钟和USB收发机的处理器。可变电压转换器优选具有交流（AC）输入、耦合到VBUS电力线的直流（DC）输出及响应于电压控制信号来在DC输出处提供多个电压电平的电压控制输入。在这个示例实施例中处理用以基于来自连接到USB总线的电子设备的通信来生成控制信号。在非限制性实施例中USB功率转换器还包括具有耦合到处理器的主机ID控制输入的主机ID控制器，主机ID控制器响应于处理器生成的主机ID控制信号选择性地耦合到D‑和D+数据线。

Description

用于向电子设备提供功率的方法和装置

背景技术

越来越多的电子设备通过其USB连接器而被供电。例如，很多智能电话、MP3播放器、平板计算机等可具有只可通过其USB连接器来充电的电池。在5伏DC的USB标准电压下，可用于充电的电流通常范围为从大约500mA到大约1.5A。作为结果，一般有可用于通过电子设备的USB连接器来充电的大约7.5W的最大值。

电子设备的电池越大，对它充电所花费的时间就越长。使用7.5W的最大可用功率，一些电子设备（例如平板计算机）可能花费很多小时来充电。具有更大的电池的电子设备（例如膝上型计算机）往往花费不可接受地长的时间来通过USB端口充电，且因此一般设置有可选的充电端口，例如专用充电器端口。

为了减少充电时间，可用于充电的功率必须增大。因为P=I*V，这可通过增大电流、增大电压或这两者来实现。然而，增大电流增大了线缆和连接器中的I2R损耗。

被称为USB功率输送（在本文被称为“USBPD”）的新标准处于USB实施者论坛公司——USB技术的创建者——的早期开发中。例如，通过引用并入本文的标题为“UniversalSerial Bus Power Delivery Specification Revision1.0”的文件——包括Erratathrough31-October-2012（版本1.1）——可用于从usb.org的网站下载。因为还没有合规性文件（compliance documentation），这个提议的标准距离实现（如果可以实现的话）还有很多年。

USBPD规范的可能的缺点是，它提议通过USB总线的电力线提供主机和设备之间的通信。这种通信方法具有几个缺点，包括大电感器被添加到电路以抵消过功率信号（signalover power）所需的大AC旁路电容器的效应的要求，以及因为USB功率收发机必须被添加到主机（例如功率转换器）和设备（例如平板计算机）。

用于向电子设备提供更高的功率的另一可能的解决方案是提供特殊的专用连接器。然而，这对电子设备及其操作增加了成本和复杂度。

当阅读了下面的描述并研究了几个附图时，现有技术的这些和其它限制对于本领域技术人员而言将变得明显。

发明内容

在作为例子而不是限制阐述的实施例中，用于向电子设备提供功率的装置包括：具有电力线、接地线和至少一个数据通信线的总线，可变电压转换器，以及耦合到至少一个数据通信线所述可变电压转换器并用于响应于与电子设备的数据通信而生成电压控制信号以生成充电电压的逻辑单元。在非限制性例子中，装置还可包括用于选择性地耦合到至少一个数据通信线以模拟传统模式（legacy mode）的主机ID。

在作为例子而不是限制阐述的实施例中，电子设备的USB功率转换器设备包括：包含VBUS电力线、D-数据线和D+数据线的USB总线，处理器时钟，耦合到D-数据线和D+数据线的USB收发机以及耦合到处理器时钟和USB收发机的处理器。在实施例中，可变电压转换器具有功率输入（例如交流或“AC”输入）、耦合到VBUS电力线的直流（DC）输出以及响应于由处理器生成以在DC输出处提供多个电压电平的电压控制信号的电压控制输入。在示例性实施例中，处理器用于基于来自连接到USB总线的电子设备的通信来生成控制信号。在非限制性实施例中，USB功率转换器设备还包括具有耦合到处理器的主机ID控制输入的主机ID控制器，主机ID控制器响应于由处理器生成的主机ID控制信号选择性地耦合到D-数据线和D+数据线。

在作为例子而不是限制阐述的实施例中，用于通过电子设备的USB端口提供功率的方法包括将电源连接到电子设备的USB端口，模拟个人计算机（PC）主机系统使得电子设备相信电源是PC主机系统，从电子设备检索至少一个描述符，从至少一个描述符识别电子设备，以及基于电子设备的识别特征来设置充电电压。在实施例中，USB端口包括VBUS电力线、D-数据线和D+数据线，且描述符包括供应商标识号（VID）、产品标识号（PID）和在文本描述符字段中的代码。

某些实施例的优点是，不需要对具有USB端口的电子设备进行修改。某些实施例也是有利的，因为它们对传统标准后向兼容性。仍然进一步地，某些实施例的优点是，更多的功率可被提供到电子设备，而不超过现有USB连接器的容量。

当阅读了下面的描述并研究了几个附图时，这些和其它实施例、特征和优点对于本领域技术人员而言将变得明显。

附图说明

现在将参考附图描述几个示例性实施例，其中相似的部件被提供有相似的附图标记。示例性实施例用来说明而不是限制本发明。附图包括以下各图：

图1是作为例子而不是限制阐述的电子设备的USB功率转换器的方框图；

图2是作为例子而不是限制阐述的电子设备的USB功率转换器的替换实施例的方框图；

图3是作为例子而不是限制阐述的更详细地示出图1和2的列举逻辑单元（enumeration logic）、USB收发机和主机ID控制器块28的方框图；

图4是作为例子而不是限制阐述的由列举逻辑单元实现的过程的状态图；以及

图5是作为例子而不是限制阐述的可由图1和2的USB功率转换器实现的过程的流程图。

具体实施方式

图1是作为例子而不是限制阐述的电子设备（未示出）的USB功率转换器10的方框图。在本例中，USB功率转换器10包括控制器12、可变电压转换器14、USB线缆16和USB插头18。USB功率转换器10在本实施例中还包括光隔离器20和MOSFET开关22。在某些实施例中，控制器12、可变电压转换器14、光隔离器20和MOSFET开关在被不同地称为“壁疣”、“AC适配器”或“功率适配器”的配置中可被围在外壳24内，其中插脚26（在本例中是可变电压转换器14的“功率输入”）从外壳24延伸以接合电墙装插座，且线缆16穿过外壳24的壁而延伸。在其它实施例中，可使用其它封装配置。例如，在可变电压转换器是DC到DC转换器（例如具有12VDC功率输入的汽车应用）的实施例中，使用不同的封装和连接器布置。所谓“可变电压转换器”意思是电压转换器具有多于一个非零输出电压电平，即，可在转换器的输出处提供两个或更多个电压电平。

作为非限制性例子，控制器12可被制造为集成电路（IC），其包括提供IC的有源部件的半导体芯片、绝缘封装和穿过封装而延伸并电连接到IC的多个导电引线或“引脚”。在本实施例中，控制器12包括列举逻辑单元、USB收发机和主机ID控制器块28、振荡器PLL块30、次级反馈控制块32、栅极电荷泵34、有源放电器（discharge）36、1.8V LDO38和3.3VLDO40，其中的每个都耦合到IC的至少一个引脚。块28在本例中耦合到USB总线42的分别对应于D-和D+线的引脚DN和DP。USB总线42的VBUS线通过MOSFET开关22耦合到可变电压转换器14的输出。通过断开开关22，VBUS被允许浮置，这一般使附接到USB插头18的电子设备进入USB重置模式。USB总线42的第四条线在本例中是地线或GND。

块28使用数据线D+和D-来与所附接的电子设备（未示出）通信以确定应被施加到VBUS的最大电压电平（MAXVOLT）。一旦MAXVOLT被确定，块28就使块32向光隔离器20提供信号以在可变电压转换器14的控制输入44处提供信号。光隔离器提供在控制器12和可变电压转换器14之间的电隔离。

在图1的实施例中，块32包括数模转换器（DAC），其从块28获取数字信号并将它转换成将被施加到光隔离器20的模拟信号。在这个非限制性例子中，可变电压转换器14的输出46可在例如从5V DC到12V DC的范围内改变。在其它实施例中，可使用其它范围。例如，在某些实施例中，范围可以从2-20V DC，且在又一些其它实施例中，范围可以从3.5-16.25VDC。通过给块26提供DAC，可在输出46处提供在一范围内的多个电压电平。

图2是作为例子而不是限制阐述的电子设备（未示出）的USB功率转换器10’的方框图，该USB功率转换器10’类似于图1的USB功率转换器10，其中相似的附图标记表示相似的部件。USB功率转换器10’在其对可变电压转换器14的控制上不同于USB功率转换器10。在这个示例性实施例中，光振荡器20以接通/断开方式被块28控制，使得可变电压转换器14可被促使在两个输出电压之间切换。例如，作为非限制性例子，其输出46可以是2或20伏，或者3.5或16.25伏，或者5或12伏。在这个实施例中，对块32’不需要DAC。

图3是作为例子而不是限制阐述的更详细地示出图1和2的块28的方框图。在本例中，块28包括处理器48、USB收发机50、主机ID控制器52和数字存储器54。处理器48可在多种技术——包括微处理器、微控制器、状态机、离散逻辑单元等——中实现，如本领域中的技术人员将认识到的。在优选实施例中，处理器48是能够执行指令——作为非限制性的例子，存储在存储器54中的处理数据——的微控制器。USB收发机50耦合到处理器48并且还耦合到数据引脚DN和DP，其在本例中分别连接到USB总线42的数据线D-和D+。处理器48在本例中能够使用标准USB通信协议与数据线D+、D-上的电子设备（未示出）通信。

主机ID控制器52耦合到处理器48，并向不能接受在USB总线的VBUS线上的较高电压电平的电子设备提供向后兼容性。在这个非限制性例子中，支持三种传统主机ID标准：Apple公司的主机ID标准56、Samsung主机ID标准48和USB主机ID标准60。这些主机ID标准中的每个通过由处理器48控制的开关62A、62B和62C耦合到DN&DP引脚。

当设备附接到USB主机（或例如模拟USB主机的USB功率转换器10/10’的设备）时，“模拟引擎”将开始与从个人计算机（PC）输出的数据类似的正常USB业务。在列举数据业务期间，USB功率转换器10/10'向设备请求被称为“描述符”的多个参数，其被要求具有某些要素，包括USB-IF指定的VID（供应商识别号）和设备-制造商指定的PID（产品识别号）。USB-IF建议，PID在设备制造商所产生的所有设备当中是唯一的。还有包含简单文本字段的额外（和可选）的描述符，一些主机设备（一般是PC）使用该简单文本字段作为仅用于显示给用户的信息。总的来说，标识符例如VID、PID和字符串在本文通常被称为“描述符”。可使用这些描述符中的一些或全部来肯定地识别附接到USB功率转换器10/10’的电子设备。

可选地，文本描述符可用于传送其它信息，例如它将宁愿选择的电压或它可接受的电压的范围。所传送的信息的限制仅限于在文本字段中允许的位的数量和对代码段的编码。

虽然在模拟期间的通信流被限制，因为“主机”可只向附接的设备发送定义明确的描述符请求（不允许一般数据传送），在非限制性实施例中，额外的信息交换可基于从主机发送到附接的设备的请求的操纵而出现，附接的设备不同于USB标准，但仍然是USB规范兼容的。例如，在某些非限制性实施例中，描述符请求的顺序可改变多次，特定的描述符可被操纵来传送额外的信息。

图4是作为例子而不是限制阐述的由例如处理器48和例如存储在存储器54中的代码段实现的过程的状态图64。该过程利用经由USB总线的D+和D-线在处理器48和电子设备（未示出）之间的通信。在非限制性例子中，处理器48检索供应商识别号（VID）、产品识别号（PID）或指示来自电子设备的VBUS的最大电压电平的特殊字符串。例如，公司将具有唯一的VID和其各种产品的PID范围。供应商可配置的USB字符串可用于对最大VBUS电压电平编码。

在图4的例子中，空闲状态66是USB总线未连接到电子设备，且VBUS上的电压电平被设置到默认值，例如5伏。如果例如0.4伏或更大的电压电平在DN（D-）或DP（D+）上被探测到，则进入状态68，这指示电子设备连接到USB总线。如果在超时时段（例如1.5秒）之后DN或DP小于某个电压电平（例如2V），则进入模式开关状态70，其中USB列举被禁用。在时间（例如100ms）到期之后，进入VBUS放电状态72。当VBUS下降到某个电压电平（例如1.8V）之下时，进入VBUS放电等待模式74。在时间段（例如500ms）之后，状态被分支到三个传统状态——Apple VID匹配状态76、Samsung VID匹配状态78或DCP模式状态80——之一。在定时器（例如1秒）到期之后，过程返回到空闲状态66。

如果当处于定时器等待状态68中时DN或DP引脚大于给定电平（例如2V），则进入列举有源模式82。如果没有与VID/PID或字符串的匹配，则进入模式70。然而，如果有VID/PID或字符串匹配，则进入VID/PID匹配状态84。如果在大于USB断开时间的时间内DN/DP降低到给定电平（例如0.4V）之下，则进入HV VBUS放电状态86，其中VBUS处于升高的状态。在VBUS降低到阈值（例如5.75V）以下之后，重新进入空闲模式66。

图5是作为例子而不是限制阐述的可由图1和2的USB功率转换器实现的过程88的流程图。过程88在90开始，且在操作92中，可变MAXVOLT被设置到默认值。例如，MAXVOLT可被设置到5伏DC（USB标准电压）。接着，在操作94中，确定USB连接器18是否与有源电子设备（未示出）接合。如果没有，则操作94闲置。然而，如果电子设备被附接，则操作96使USB功率转换器10/10’模拟PC系统。这可通过将某些协议应用于数据线D+、D-来实现，如本领域中的技术人员将认识到的。接着，在操作98中，从电子设备检索描述符。例如，从电子设备检索VID、PID或USB字符串。

在操作100中，从所检索的描述符确定新MAXVOLT电平。例如，存储在例如存储器54中的查找表可使用VID和/或PID来确定可施加到该特定的电子设备的VBUS的最大电压。此外，供应商可配置的USB字符串可直接对新MAXVOLT电平编码。然后，在操作102中，可变MAXVOLT被指定通过操作100得到的新的最大电压电平。

接着，在操作104中，USB功率转换器10/10’发送关于其容量的电子设备信息。例如，USB功率转换器10可向电子设备指示它可在2-20伏的范围内的任何值提供VBUS电压电平。对于另一例子，USB功率转换器10’可向电子设备指示它可提供在3.5或16.25V DC处的VBUS电压电平。这个通信发生在USB总线42的D+/D-数据线上。

接着，在操作106中，VBUS的期望最大电压电平响应于它在操作104中接收的信息而由电子设备发送。期望的最大电压电平可不同于在操作100中从描述符信息得到的最大电压电平，并可潜在地随着电子设备的环境或操作条件而改变。如果电子设备想采用如通过操作108确定的VBUS的新的最大电压电平，则操作100将可变MAXVOLT设置到期望的新的最大电压电平。决定操作112接着确定电子设备是否仍然附接到USB总线。如果是，则操作控制返回到操作106。如果不，则操作控制返回到操作90。

虽然使用特定的术语和设备描述了各种实施例，这样的描述仅为了例证性目的。所使用的词是描述而不是限制的词。应理解，改变和变化可由本领域普通技术人员做出，而不偏离由文字公开内容和附图支持的各种发明的精神或范围。此外，应理解，各种其它实施例的方面可全部或部分地被互换。因此意图是根据本发明的真实精神和范围来解释权利要求，而没有限制或禁止反言。

Claims (13)

1.一种用于向电子设备提供功率的装置，包括：

总线，其具有电力线、接地线和至少一个数据通信线；

可变电压转换器，其具有功率输入和耦合到所述总线的所述电力线的直流(DC)输出，所述可变电压转换器具有响应于电压控制信号而在所述DC输出处提供多个电压电平的电压控制输入；

逻辑单元，其耦合到所述至少一个数据通信线并用于响应于与电子设备的数据通信而生成DC输出电压控制信号；以及

具有耦合到所述逻辑单元的主机ID控制输入的主机ID控制器，所述主机ID控制器响应于由所述逻辑单元生成的主机ID控制信号来选择性地耦合到所述至少一个数据通信线。

2.如权利要求1所述的用于向电子设备提供功率的装置，还包括存储器，所述存储器耦合到所述逻辑单元，其包括关于多个电子设备的信息。

3.如权利要求2所述的用于向电子设备提供功率的装置，还包括将所述逻辑单元耦合到所述至少一个数据通信线的收发机。

4.如权利要求3所述的用于向电子设备提供功率的装置，其中所述逻辑单元包括由所存储的代码段操作的数字处理器。

5.一种用于电子设备的USB功率转换器设备，包括：

USB总线，其包括VBUS电力线、D-数据线和D+数据线；

处理器时钟；

USB收发机，其耦合到所述D-数据线和所述D+数据线；

处理器，其耦合到所述处理器时钟和所述USB收发机，所述处理器用于基于所述D-数据线和所述D+数据线中的至少一个数据线之上的来自连接到所述USB总线的电子设备的通信而生成电压控制信号；以及

具有耦合到所述处理器的主机ID控制输入的主机ID控制器，所述主机ID控制器响应于由所述处理器生成的主机ID控制信号而选择性地耦合到所述D-数据线和所述D+数据线。

6.如权利要求5所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，还包括：

具有功率输入和耦合到所述VBUS电力线的直流(DC)输出的可变电压转换器，所述可变电压转换器具有响应于电压控制信号而在所述DC输出处提供多个电压电平的电压控制输入。

7.如权利要求5所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，还包括耦合到所述处理器的存储器。

8.如权利要求7所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，其中所述处理器对被存储为代码段的数据和指令进行操作。

9.如权利要求7所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，其中所述数据包括关于多个电子设备的信息。

10.如权利要求6所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，其中所述可变电压转换器在电压范围上是可变的。

11.如权利要求10所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，其中所述电压范围是从2伏DC到20伏DC。

12.如权利要求6所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，其中所述可变电压转换器提供多个电压电平。

13.如权利要求12所述的用于电子设备的USB功率转换器设备，其中所述多个电压电平包括2伏DC和20伏DC。