CN104040458A - 用于控制外围设备的供电的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于顺序地起动USB外围设备(C)以便优化电能供给的一种装置(1)和一种方法。利用与外围设备的起动对应的电流特性曲线(P)，依次起动所连接的外围设备。在每个起动之间的延迟(R)对应于对于正被起动的外围设备的电流消耗稳定化(I)所需的时间(Ts)。这些特性曲线由设备存储。在起动期间，本发明识别所连接的外围设备并且在所存储的特性曲线(Ps)中查找其起动特性曲线(P)，以便确定应用于下一外围设备的起动延迟。

Description

用于控制外围设备的供电的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于对USB端口的供电进行优化的方法。

背景技术

在装备有数个USB端口的电子装置中，该装置在被起动时同时为所有端口供电和从而为所有所连接的外围设备供电。每个外围设备的起动导致电流涌入(inrush)和电源所必须能够承受的峰值。在其中在起动之前同时连接数个外围设备的情况下，每个外围设备的电流峰值累积。因此电源必须承受大的电流峰值。

关于该类型的电子装置，解决方案在于依次连接USB外围设备，从而避免电流峰值的累积。

图1示出了如在现有技术中存在那样的装置的电流消耗。事实上，关于装备有USB端口的装置，如果在开启装置时连接数个外围设备，该装置在所连接的设备的起动阶段几乎同时为这些设备供电。

许多个电设备的起动阶段导致电流峰值。标准起动阶段的视图在该图上由外围设备1的电流曲线110示出。该典型的电流曲线使得能够识别该设备的电流消耗中的两个部分。起初，在外围设备的将达到峰值111的部分上存在电流涌入，接下来，稳定化的电流消耗操作水平112下降。

当数个设备同时出现在该装置上，并且当这些设备被同时供电时，每个设备生成其自己的电流峰值，如之前所描述那样。

如果连接有两个外围设备、即外围设备1和外围设备2，则存在如由峰值121所示那样的在起动期间的电流消耗的累积并且存在累积的电流曲线120的稳定化的电流122的值。类似地在三个设备、即外围设备1、外围设备2和外围设备3的情况下，存在峰值131和累积的电流曲线130的额定消耗132。

如图1中描述那样的最大电流消耗是外围设备的峰值电流与外围设备的数目的乘积，为了简单性而假设电流曲线相同。用于计算最大电流的公式因此是：

Imax＝Ip*n 等式:n°1

其中：Ip＝外围设备的起动峰值电流的值

n＝所连接的外围设备的数目

然而，在其中每个外围设备具有不同的电流特性曲线(profile)P的更现实的背景下，对于现有技术，根据图1，最大总消耗是各个外围设备的峰值电流的和，并且利用如下公式来计算：

$I\max ={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^n{\mathrm{Ip}}_k$ 等式:n°2

其中，Ip_k＝外围设备k的起动峰值电流的值

n＝所连接的外围设备的数目

于是电源必须承受总峰值131，每个外围设备的峰值之和，否则在装置的部分上的电流保护将被激活并且新的起动程序将被发起。

如图1中所描述那样的操作具有数个缺点。如已经提及那样，用于该类型的装置的电源的功率规定必须为可以同时连接的所有外围设备的电流累积做准备。该方法在电子设计方面是不利于生产能量高效的产品的。为了保护电源部分，产品当前装备有能够提供电源溢出的信号警示的电源。当由电源发送该信号时，产品的标准行为是强制的重启。利用该类型的解决方案，新的问题出现了：只要电流峰值保持在电源限制之上，就会连续有装置的起动周期。

发明内容

提出本发明以克服现有技术的至少一个缺点。

本发明涉及一种用于控制对外围设备的供电的装置。该装置包括其中每一个都能够为至少一个外围设备供电的至少两个通信端口、处理器和用于中断对外围设备的供电的部件。处理器能够控制该用于中断供电的部件，以便将对通信端口的供电的起动顺序化。

有利地，处理器控制该用于中断供电的部件，以便将对至少一个第二外围设备的供电延迟至少等于第一外围设备的电流消耗稳定化时间的时间。

优选地，该装置包括存储部件，以便存储外围设备特性曲线。处理器能够在所存储的特性曲线中查找与第一外围设备对应的特性曲线。

有利地，由该装置存储的特性曲线包括稳定化时间和相关联的外围设备的至少一个标识符。

有利地，通信端口是USB端口。

本发明还涉及一种用于控制对连接至电子装置的外围设备的供电的方法，该电子装置实施该方法。该方法包括用于如下的步骤：

·检测连接至该装置的至少两个外围设备，

·起动第一所连接的外围设备，以及

·顺序地起动对其它所检测的外围设备的供电，每个外围设备在相对于对另一外围设备的供电的延迟之后依次起动。

对于该控制方法，每个所检测的外围设备的起动步骤被分解为用于如下的步骤：

·对外围设备供电；

·为起动盖时间戳；

·获得描述符；

·查找包括电流稳定化时间的外围设备特性曲线。

优选地，如果在所存储的特性曲线中查找特性曲线期间找到了该特性曲线，则时间延迟取电流稳定化时间的值。

有利地，如果在所存储的特性曲线中查找特性曲线期间该查找不成功，则时间延迟取缺省延迟值。

有利地，缺省延迟值是常数值。

优选地，缺省延迟值是由外围设备消耗的最大电流的信息(bMaxPower)与常数的乘积。

有利地，外围设备是USB类型的。

附图说明

本发明将在参考附图的情况下借助非限制性的实施例和有利的实现方式来更好的理解和说明，附图中：

图1示出了根据现有技术的，同时为所有外围设备供电的装置的累积性电流消耗曲线，

图2示出了根据本发明的一个优选实施例的装置的电流消耗曲线，

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的装置的框图，

图4示出了根据本发明的装置的一个优选实施例的操作流程图。

具体实施方式

初始地，假设在每个外围设备起动期间的电流特性曲线是相同的。该假设特别地对于额定操作电流Is的值而做出。类似地，在每个外围设备起动期间的峰值电流Ip是相同的，如电流稳定化时间Ts那样。该假设的目的仅为简化附图中的说明，并且绝不影响本发明的描述或操作。

图2示出了根据本发明的装置的电流消耗。

对应于在外围设备相继的起动步骤期间的电流消耗，该图在时间轴上被划分为三个序列。检查第一序列、即序列1，其示出了在第一外围设备的起动步骤期间的电流消耗的值I的变化。该作为时间的函数的电流变化以与第一外围设备的起动导致的电流涌入所对应的快速增加而开始。在峰值111处达到最大值Ip之后，电流消耗值I下降至操作电流I的稳定化的值Is。该作为时间的函数的、对于起动阶段的电流的值I的变化被称作电流特性曲线P，或者简称为特性曲线，其由电流曲线110示出。特性曲线P因此特别地由电流I的稳定化时间Ts表征。根据在此做出的假设，每个外围设备(外围设备1、外围设备2和外围设备3)的特性曲线P因此是相同的。

根据本发明的优选实施例操作的装置装备有数个USB通信接口，在每个USB通信接口上都连接有外围设备。按照对于本领域技术人员已知的方式，该装置检测连接在USB端口上的外围设备的出现。在图1和2的示例中，三个外围设备(外围设备1、外围设备2和外围设备3)分别连接在USB端口上。

与图1不同，包含本发明的装置并不同时为所有外围设备供电。事实上，在行进至下一外围设备、即在此为序列2的供电的起动之前，该装置等待，直至在时间Ts末尾由电流消耗曲线上的稳定化Is完成第一外围设备的起动序列、即序列1。

根据本发明的方法，不再有每个电流峰值的累积。电源在第一外围设备起动期间所经受的峰值111的值对应于该外围设备的峰值消耗Ip。然而，因为第二外围设备使其起动根据时段Ts而延迟在第一外围设备的电流消耗稳定化之后，所以峰值221低于图1的峰值121。根据本发明，在累积性电流曲线220上所得到的峰值221等于第一外围设备的电流消耗Is与第二外围设备的峰值消耗Ip的和。

类似地，到序列3中第三外围设备的起动的转变被延迟，直至在时间Ts末尾由电流消耗曲线上的稳定化Is完成第二外围设备的起动，才行进至下一外围设备的供电的起动。根据本发明的方法，电流峰值在时间上被偏移并且不再有每个电流峰值的累积。电源在第二外围设备的起动期间所经受的峰值211的值对应于该外围设备的消耗峰值Ip。然而，因为第三外围设备使其起动根据时段Ts而延迟在第二外围设备的电流消耗稳定化之后，所以峰值231低于图1的峰值131。根据本发明，在累积性电流曲线230上所得到的峰值231等于第一和第二外围设备的电流消耗Is与第三外围设备的消耗峰值Ip之和。

在本描述的范围内和根据之前所做的特性曲线对于所有外围设备相同的假设，根据本发明的最大电流消耗Imax可以通过下式来估计：

Imax＝[Is*[n-1]]+Ip等式:n°3

其中，Is＝稳定化的额定操作电流的值

n＝所连接的外围设备的数目

Ip＝起动峰值电流的值

在其中每个外围设备具有不同的电流特性曲线P的更现实的情况下并且假设USB外围设备按照顺序0至n起动，则根据本发明的用于计算最大电流的公式是：

$I\max ={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{n-1}{\mathrm{Is}}_k+{\mathrm{Ip}}_n$ 等式:n°4

其中：Is_k＝外围设备k的稳定化的额定操作电流的值

n＝所连接的外围设备的数目

Ip_n＝外围设备n的起动峰值电流的值

本发明的一个优点是减小在外围设备起动期间的装置的最大耗电。可以通过根据现有技术的装置所消耗的最大值(等式n°2)与根据本发明的装置所消耗的最大值(等式n°4)之间的差来估计增益Igain。该计算借助下式来获得：

$\mathrm{Igain}={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{n-1}({\mathrm{Ip}}_k-{\mathrm{Is}}_k)$ 等式:n°5

其中：Is_k＝外围设备k的稳定化的额定操作电流的值

n＝所连接的外围设备的数目，

Ip_k＝外围设备k的起动峰值电流的值

如图2中所示，本发明在于进行连接至我们的装置的USB外围设备的顺序起动。因此，每个峰值在时间上被延迟。

图3示出了描述本发明的一个优选实施例的框图。

本发明的描述将借助与在USB端口上出现的信号有关的简要提示而更好地被理解。这在图3的气泡中示出。USB是包括4条绝缘线的串行总线。该符合USB标准的、安装在如本发明那样的装置上的端口包括4个管脚。两个管脚专用于为外围设备供电，分别至地GND和电源电压V_BUS。该标准规定由V_BUS输送的最大电流是500mA。两个剩余的管脚承载差分数据信号D+和D-，也称作数据线。

该框图示出了装置1，包括用于中断用于输送电力的供应的电源的部件20、21和22的端口30、31和32，以及处理器10。处理器10包括时间管理部件12和控制部件11。

用于受控的电源中断的部件20、21和22(也称作用于供电的部件)使得能够在每个USB端口处按照供电的需求输送或中断V_BUS。

时间管理部件(或者等待部件)使得能够定义可以在确定的USB端口上提供电力供应的时刻。

USB端口的控制部件11(或控制部件)特别地使用用于中断电源的部件20、21和22管理分配和供给。

在该图中，在用于供电的部件22和端口32上的注释的索引“n”的使用象征为装置装备USB标准所允许的尽可能多的端口的可能性。本发明不为所使用的端口的最大数目施加任何限制。但是，本发明仅在该装置装备有至少2个USB端口时有用。

在装置起动时，USB端口30、31和32均不被供电。用于中断电源的部件20、21和22确保在V_BUS总线电源线上不提供电流。该状态由控制部件11控制。

在装置1被开启之后，控制部件11通过在数据线D+和D-上的电势变化来检测外围设备在端口上的出现。该电势变化是由于在数据线D+和D-的每一个上出现外围设备中的上拉电阻器。控制部件11然后可以行进至USB外围设备的起动周期。在符合USB标准的规定的情况下，控制部件可以初始地行进至检测所有所连接的USB外围设备，然后继续前进至起动周期。但是控制部件也可以检测第一外围设备，然后移至该外围设备的起动步骤并且当这些步骤完成时继续前进至检测下一USB外围设备。所使用的检测方法对本发明无影响。

为了以示例示出操作，考虑在端口USB_0 30和USB_1 31上出现两个外围设备。控制部件11检测在端口USB_0 30处的电势变化。然后控制部件11请求利用用于中断电源的部件20为该端口USB_0 30供电。控制部件11在该阶段的详细动作利用图4的流程图来描述。当完成了外围设备的初始化阶段时，在延迟Ts末尾和特别地以电流的稳定化Is，控制部件11重新开始对下一端口、在此在我们的示例中是USB_1 31情况下的处理。

通过处理器10被理解为例如使用微控制器。但是这也可以利用微处理器、SoC、FPGA或者ASIC来获得。例如，因特尔的Groveland SoC完美地提供该功能。应注意的是，该示例是非限制性的并且可以扩展至所有电子装置。

控制部件11以及时间管理部件12例如利用在处理器10上运行的软件块来实施。

用于中断电源的部件20、21和22有利地由电源开关来实施。该类型的开关由在IN线路上出现的基准电源来供电。其具有EN线路用于授权或禁止在输出线路OUT上的电流供给。

优选地，这些开关具有OC线路用于向控制部件11通知在输出线路OUT上的电流过载。开关可以例如由基准STMPS2141下的ST品牌的部件或者基准RT9728A下的RICHTEK品牌的部件来提供。然而这些部件20、21和22能够嵌入在SoC、FPGA等类型的处理器10中。

图4示出了本发明的优选的操作流程图。在此使用的附图标记相关于图3中描述的部件的附图标记。

具有USB连接端口的装置1经由连接在两条数据线上的外围设备C上的上拉电阻器检测在其连接期间该外围设备C的出现，从而生成电压变化。在前图中已经讨论过的该检测的原理在USB规定中描述，跟随检测的是枚举。枚举是一种用于由装置1在外围设备连接期间对其进行识别的方法，以便通过获得其特性识别刚刚连接的设备并为其分配地址，该地址将被其用于通信。

如果外围设备C例如在端口30上被检测到，则装置1按照下面的方式进行，其与标准的枚举规定一致。

在第一步骤E1期间，装置1和其控制部件11使用用于中断电源的部件20、21和22为连接至端口30的外围设备C供电。该装置立即利用时间管理部件12行进至盖时间戳E2以固定起动的基准时间t0。该盖时间戳可以由任何已知方法实现，诸如保存内部时钟或者保存由操作系统或实时核心使用的滴答计数器(tick counter)。其也可以通过使用事件、安装警报、使用计数器或者任何其它对于本领域技术人员已知的方法来获得。

然后，控制部件11在符合与外围设备C的交换序列的情况下，在步骤E3期间接收使得所连接的外围设备C能够被识别的描述符DD。

使用由外围设备C提供的描述符DD，在步骤E4期间，装置1查找对应的所存储的特性曲线P。目的是获得在端口30上的当前外围设备的起动开始与例如在端口31上的下一外围设备的起动开始之间的延迟时间R的值。该延迟时间R稍后被提供至时间管理部件12。该延迟时间对应于对于端口30上正被起动的外围设备的电流稳定化所必需的时间。延迟时间R的值如下来固定：

如果在步骤E5期间查找成功了，则控制部件11使用构成特性曲线的数据和特别地使用稳定化时间Ts，以便固定延迟时间R为等于Ts，即步骤E6。

如果查找不成功，外围设备因此未知并且延迟时间R取缺省值Td，即步骤E7。缺省值是固定的。但是其也可以根据利用外围设备的描述符而接收的信息来计算，并且有利地根据描述符字段bMaxPower，其提供在2mA的分度中的最大电流消耗。该最大电流消耗于是是bMaxPower与常数的乘积。

最后，在最后步骤E8中，存在利用时间戳t0的检查，以便看看自从外围设备C的供电开始起流逝的时间是否大于或小于电源稳定化时间的延迟时间R。如果流逝的时间小于延迟时间R，则用于时间管理的部件12允许剩余的时间流逝并且因此延迟还未被供电的外围设备的起动。否则，即流逝的时间大于或等于延迟时间R，则第一外围设备C的起动过程完成。然后，如果之前并没有检测全部的所连接的USB，可以通过重复检测阶段而继续前进至下一USB外围设备的起动，然后进行进行起动程序，即步骤E1至E8。因此，装置1通过为外围设备依次供电来应用如对于图2描述那样的外围设备的顺序起动。因此，峰值电流Ip在整个起动阶段中被隔开。

特性曲线P由使得能够控制它所涉及的外围设备C的起动持续时间的数据构成。这些特性曲线是已知的并且由在实验室进行的测量来建立。特别地测量起动期间的电流稳定化所必需的时间Ts。还测量所达到的最大电流Ip和稳定化的电流Is。根据优选实施例，特性曲线P包括稳定化时间Ts的值。如我们之前已经看到的，其是用于固定时间延迟R从而推迟对下一外围设备的供电的值。为了满足查找要求，特性曲线P包括使得外围设备C能够被识别的标识符ID，其。标识符ID来自外围设备C的描述符DD。在来自由外围设备C发送的描述符DD的标识符ID与和存储在特性曲线中的那些标识符ID之间的比较使得能够进行高效的查找。

有利地，特性曲线P也可以包括在电流峰值期间的最大电流值Ip和稳定化的电流值Is。

来自特性曲线Ps的列表的、待存储的选择取决于有关装置。例如，对于用于视听接收的多媒体装置、如数字解码器，制造商知道可以连接至其装置的外围设备的列表。其通常是大容量存储器，如闪存棒或USB硬盘。制造商因此能够对于每个装置创建特性曲线P。

为了本发明的目的，在实验室中建立的特性曲线由装置1存储。用于存储特性曲线的部件全都是对于本领域技术人员已知的部件。将特性曲线按照已知为文档、表或所链接的列表的任意形式存储在只读存储器(ROM)中或者闪存中的一个示例可以被引用。特性曲线Ps也可以被存储在如硬盘之类的任意类型的大容量存储器上，或者在装置起动期间被加载到随机存取存储器中。

外围设备C的标识符ID由在该查找中有用的、由该外围设备C提供的描述符中可用的所有信息构成。例如，这可以利用idProduct字段和idVendor字段完成，但是也可以借助由bDeviceClass字段限定的产品类别来完成。

本发明适用于所描述的任何装置，例如一件多媒体设备(电视、数字解码器等)，但是也适用于计算机。其不仅适用于装备有USB端口的任意装置，而且适用于其它类型的、用于外部或内部外围设备的端口，对于这些外围设备由主机连接端口提供电源，并且对于这些外围设备并不通过主机装置的操作约束而禁止顺序起动。

Claims (10)

1.一种用于控制对外围设备的供电的装置(1)，其包括其中每一个适配于为至少第一外围设备(C)供电的至少两个通信端口(30,31)，所述装置包括处理器(10)和用于中断对所述外围设备的供电的部件(20,21,22)，

其特征在于：

-所述处理器(10)配置为用于控制所述用于中断供电的部件，以便通过将对至少第二外围设备的供电以延迟时间(R)延迟来将对所述通信端口的供电的起动顺序化，所述延迟时间(R)至少等于所述第一外围设备的电流消耗稳定化时间(Ts)，以及

-所述装置包括用于存储所述外围设备的消耗特性曲线的存储部件，并且所述处理器(10)能够在所存储的特性曲线(Ps)中查找与所述第一外围设备对应的特性曲线(P)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述特性曲线(P)包括所述稳定化时间(Ts)和所述相关联的外围设备的至少一个标识符(ID)。

3.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述通信端口是能够与通用串行总线标准兼容的端口。

4.一种用于控制对连接至电子装置(1)的外围设备的供电的方法，该电子装置实施所述方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

·检测连接至所述装置的至少两个外围设备(C),

·起动所述第一所连接的外围设备(C),以及

·顺序地起动对其它所检测的外围设备的供电，每个外围设备在相对于对另一外围设备的供电的延迟时间(R)之后被依次起动。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，每个所检测的外围设备的起动步骤被分解为如下步骤：

·为所述外围设备(C)供电(E1)；

·为起动(t0)盖时间戳(E2)；

·获得(E3)描述符(DD)；

·查找(E4)包括电流稳定化时间(Ts)的所述外围设备(C)的特性曲线(P)。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，如果(E5)在所存储的特性曲线中查找(E4)所述特性曲线(P)期间找到了所述特性曲线(P)，则所述时间延迟(R)取(E6)所述电流稳定化时间(Ts)的值。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，如果(E5)在所述所存储的特性曲线中查找(E4)所述特性曲线(P)期间所述查找不成功，则所述时间延迟取(E7)缺省延迟值(Td)。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述缺省延迟值(Td)是常数值。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述缺省延迟值(Td)是由所述外围设备(C)所消耗的最大电流的信息(bMaxPower)与常数的乘积。

10.根据上述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述外围设备与通用串行总线标准兼容。