CN104345651A

CN104345651A - Usb电源

Info

Publication number: CN104345651A
Application number: CN201310538205.0A
Authority: CN
Inventors: 谢松辉; 钟树鸿; 陈佑宗
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
Current assignee: City University of Hong Kong CityU
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: US20150028824A1; CN104345651B; US9257893B2; WO2015014132A1

Abstract

本发明公开了一种通用串行总线（USB）电源，该电源包括彼此可释放地连接的主体（12）和电缆（24），所述主体（12）可释放地连接至直流（DC）电力源，并且具有能够与DC电力源电连接的USB插座（20），所述电缆（24）包括：能够与所述USB插座（20）可释放地连接的USB插头（26），以在所述USB插座（20）与所述USB插头（26）之间建立电连接和数据通信；以及与所述USB插头（26）电连接的连接器（30），所述电源可操作在分离模式与连接模式中，在所述分离模式中，所述主体（12）不与所述电缆（24）连接，在所述连接模式中，所述主体（12）与所述电缆（24）可释放地连接，并且当在连接模式中时，所述电源被适配成自动改变来自连接器（30）的DC电力输出的电压。

Description

USB电源

技术领域

本发明涉及通用串行总线（USB）电源，特别地，涉及具有自动供电电压调节的电源，该电源适用于但不专用于为需要不同电压的直流（DC）供电的电气和/或电子设备进行充电和/或供电。

背景技术

移动电子产品（gadget）（例如智能手机、平板电脑以及膝上型计算机）在当下很流行。在与他人通信和访问线上信息方面，这些移动设备向我们提供了许多便利。然而，这些移动设备依赖电池来存储电力，并且一般只能持续几个小时。

对于智能手机、平板电脑以及其他便携式DC供电的负载充电，不必检测供电电压，这是因为所有这些设备是以5V DC额定的。通用串行总线（USB）电源将提供智能手机和平板电脑需要的充电识别握手（handshake）。

另一方面，对于膝上型计算机电源电压没有统一的标准。市面上找到的膝上型计算机具有范围从9V DC到20V DC的电压输入，即使它们的内部硬件极为相似。膝上型计算机的电源单元通常彼此不兼容，并因此膝上型计算机通常配有专用直流（DC）电源来进行电池充电。不同品牌和型号的膝上型计算机的这些专用电源的输出电压不同。因此，所有膝上型计算机需要由各自的专用电源进行供电/充电。

由于电池存储能力有限，专用电源需要同移动产品一同被携带。根据设计，其重量范围从0.3kg至0.5kg，并且功率密度的范围为6至10W/in³。这增加了携带移动产品的总体负担。此外，一旦膝上型计算机被丢弃，专用电源本身变成不必要的电子废物。虽然市面上存在可用于膝上型计算机的通用电源，但需要用户手动选择所需的输出电压，如此既麻烦又易于出错。

因此本发明的目的是提供一种USB电源，以减轻上述缺陷或者至少向行业（trade）和公众提供有用的替换选择。

发明内容

根据本发明，提供了一种通用串行总线（USB）电源，该电源包括第一单元，以及第二单元，该第二单元能够与所述第一单元可释放地连接，其中所述第一单元能够与直流（DC）电力源可释放地连接以从该直流电力源接收DC电力，所述第一单元包括能够与所述DC电力源电连接的第一USB连接部分，其中所述第二单元包括：第二USB连接部分，该第二USB连接部分能够与所述第一USB连接部分可释放地连接以在所述第二USB连接部分与所述第一USB连接部分之间建立电连接和数据通信；以及与所述第二USB连接部分电连接的连接器，其中所述电源能够操作在分离模式与连接模式中，在所述分离模式中，所述第一单元与所述第二单元不连接，在所述连接模式中，所述第一单元与所述第二单元可释放地连接，并且其中当在所述连接模式中时，所述电源被适配成自动改变来自所述连接器的DC电力输出的电压。

附图说明

本发明的实施方式将参考附图通过示例的方式进行描述，其中：

图1是根据本发明实施方式的通用串行总线（USB）电源的主体的示意框图；

图2是能够与图1的主体可释放地连接的定制电缆的示意框图；以及

图3是显示了根据本发明的USB电源的操作步骤的流程图。

具体实施方式

首先参照图1，其示出了根据本发明实施方式的通用串行总线（USB）电源的主体（12）的示意框图。主体（12）容纳与电源开关（16）电连接的DC到DC转换器（14），该电源开关（16）进而与电流传感器（18）电连接，该电流传感器（18）进而与USB插座（20）电连接。此外，所述DC到DC转换器（14）的-ve(负极)连接点与所述USB插座（20）电连接。所述USB插座（20）还与所述电源开关（16）电连接。微控制器（22）与所述DC到DC转换器（14）、所述电源开关（16）、所述电流传感器（18）以及所述USB插座（20）电连接，以控制所述主体（12）的操作，以及实际上控制整个USB电源的操作。

转到图2，其示出了总体被指定为（24）的定制电缆的示意框图，该定制电缆能够与所述主体（12）可释放地连接，以与其建立电气和物理连接。所述电缆（24）包括USB插头（26）、用于存储认证标识符（ID）的存储器（28）（例如电可擦可编程只读存储器（EEPROM））和连接器（30）。

所述电缆（24）的USB插头（26）能够与所述主体（12）的USB插座（20）物理和电气地可释放地连接，从而在所述USB插头（26）与所述USB插座（20）之间建立物理和电气连接，以便在所述主体（12）与所述电缆（24）之间建立电气连接、物理连接以及数据通信。

根据本发明的USB电源可以在两种模式中操作，所述两种模式称为分离模式和连接模式。在分离模式中，所述主体（12）和所述电缆（24）彼此之间不连接。在这种分离模式中，当所述主体（12）与DC电力源连接时，所述USB插座（20）可与电子设备（例如智能手机或平板电脑）的互补（complementary）USB插头连接，以对电子设备供电和/或充电。在连接模式中，所述主体（12）和所述电缆（24）通过所述USB插头（26）与所述USB插座（20）的连接而彼此连接。在连接模式中，当所述主体（12）与DC电力源连接时，所述连接器（30）可与电子设备（例如膝上型计算机）的互补连接部分连接，以对电子设备供电和/或充电。

每个定制电缆（24）具有存储在其存储器（28）中的认证标识符（ID），其中，当所述电缆（24）与所述主体（12）连接时，出于识别的目的，所述微控制器（22）可以通过所述USB插头（26）的D-（引脚（pin）2）和所述主体（12）的所述USB插座（20）的D-（引脚2）来读取所述认证标识符。

根据本发明的USB电源的操作将参照图3的流程图被进一步描述。当所述USB电源处于启动（ON）状态（步骤102）并且DC电力源（例如，具有+12V DC）与所述主体（12）连接时，所述DC到DC转换器（14）从所述DC电力源接收DC电力以进行后续调整。特别地，所述微控制器（22）自动引起所述DC到DC转换器（14）以+5V DC的电压输出DC电力源（步骤104），并且开启电源开关（16）（步骤106）以使能DC输出。接下来所述微控制器（22）通过所述电流传感器（18）持续地监控所述USB插座（20）上的电流输出（i_out）（步骤108），特别是检测i_out是否为零（步骤110）。如果i_out是零，则意味着没有电子设备被电连接至所述USB电源，并且所述微控制器（22）继续监控i_out。

如果i_out不是零，则表示有电子设备被电连接至USB电源并且从USB电源获取电流。接下来所述USB电源自动执行智能负载型检测算法，该算法起始于识别所述定制电缆（24）是否存在（步骤112；步骤114）。如果所述定制电缆（24）没有被识别出（即，所述微控制器（12）没能读取到任何有效的标识ID），则表明所述电缆（24）没有与所述主体（12）连接，在这种情况下，USB电源在分离模式中操作，并且作为用于例如智能电话和平板电脑的特定电子设备的专用充电端口（DCP）。

作为一个示例，所述USB电源能够集成三种通用的DCP标准。下面的表1示出了支持的DCP标准和在所述USB插座（20）的D-（引脚2）和D+（引脚3）上的输出信号。

表1

如果所述定制电缆（24）没有被识别出，所述微控制器（22）首先根据DCP标准1改变D-（引脚2）和D+（3引脚）上的信号输出，并且所述电流传感器（18）继续检测和分析i_out（步骤116）。如果i_out有所增加（步骤118），则意味着DCP标准1可以被用于激活在连接的电子设备上的快速充电，在这种情况下，所述USB电源继续以DCP标准1向连接的电子设备提供+5VDC并且检测i_out（步骤120）。如果i_out没有增加（步骤118），则所述微控制器（22）根据DCP标准2改变D-（引脚2）和D+（引脚3）上的信号输出，并且所述电流传感器（18）继续检测和分析i_out（步骤122）。如果i_out有所增加（步骤124），则意味着DCP标准2可以被用于激活在连接的电子设备上的快速充电，在这种情况下，所述USB电源继续以DCP标准2向连接的电子设备提供+5V DC并且检测i_out（步骤120）。如果i_out没有增加（步骤124），则所述微控制器（22）根据DCP标准3改变D-（引脚2）和D+（引脚3）上的信号输出并且所述电流传感器（18）检测和分析i_out（步骤126），以及所述USB电源继续以DCP标准3向连接的电子设备提供+5V DC并且检测i_out（步骤120）。只要所述微控制器（22）通过所述电流传感器（18）检测到i_out不是零（步骤128），所述USB电源继续通过所述连接器（30）向连接的电子设备输出+5V DC电力。

可以看出的是，在分离模式中，即，当所述定制电缆（24）没有与所述主体（12）连接时，通过所述主体（12）的所述USB插座（20）的电压输出始终是+5V DC，这与传统的USB电源的电压输出相同。

如果所述定制电缆（24）被所述主体（12）的微控制器（22）检测并且识别出（步骤114），则所述USB电源自动执行智能负载型检测和电压调节算法。作为这种智能负载型检测和电压调节算法的第一步，所述微控制器（22）首先调整所述DC到DC转换器（14）以输出+3.5V的输出，并且通过所述电流传感器（18）检测所述USB插座（20）上的电流输出（i_out）（步骤130）。来自所述DC到DC转换器（14）的电压输出以预定电压（例如0.5V）的相等步长增加，同时所述电流传感器（18）继续检测和分析i_out（步骤132），以检查是否有i_out阶跃变化（步骤134）。如果没有i_out阶跃变化，来自所述DC到DC转换器（14）的电压输出另外增加0.5V。该过程持续进行直到有i_out阶跃变化或者当达到所述DC到DC转换器（14）的最大允许输出电压时。当所述电流传感器（18）检测到i_out阶跃变化时，则表明检测到i_out阶跃变化所在的所述DC到DC转换器（14）的输出电压匹配或者基本匹配与所述USB电源连接的电子设备（例如膝上型计算机）的操作电压（或者初始的操作电压）。

所述USB电源继续通过所述连接器（30）以所述电流传感器（18）检测到i_out阶跃变化所在的电压（步骤136）向所述电子设备提供DC电力。所述电流传感器（18）继续检测i_out。如果i_out降至零（步骤138），所述电源开关（16）将被关闭（步骤140）。

特别地，为了避免可以由普通USB电源充电和/或供电的电子设备（例如智能手机或平板电脑）的过压损坏，所述电缆（24）被设计为向所述主体（12）提供控制信号。如果所述电缆（24）与所述主体（12）分离，所述微控制器（22）无法从所述电缆（24）接收该控制信号，因此所述微控制器（22）自动并立即关闭所述电源开关（16），以关闭来自所述USB插座（20）的电压输出，直到所述微控制器（22）将来自所述DC到DC转换器（14）的电压输出调整至+5V DC，即，当在分离模式中时所述USB电源输出DC电力源所在的预定电压，因此所述微控制器（22）再次开启电源开关（16）来允许电压输出。

作为一个示例，在针对车辆中的应用实施的根据本发明的USB电源中，所述USB电源接受从+4.5V DC至+36V DC的电压输入，这能够支持车辆中的最常用的电压输出（例如+12V DC）。通过所述DC到DC转换器（14），该USB电源能够在升压模式和降压模式中分别以5A和8A的最大电流输出将其电压输出从+3.3V DC调节至+24V DC。因此，所述USB电源在升压模式和降压模式中的最大功率分别是120W和192W。

可以看出的是，本发明的USB电源可以以不同操作电压对大量电子设备充电和/供电。当处于分离模式时，所述主体（12）作为独立的电源来以预定电压提供DC输出。当处于连接模式时，所述USB电源（包括所述主体（12）和所述电缆（24））可以提供自动匹配与其连接的电子设备的操作电压的DC输出。从不需要用户操作的意义上来说，对来自根据本发明的USB电源（不论是在分离模式中、在连接模式中或者在操作模式变化时）的电压输出的调节和自适应是自动的。

虽然根据本发明的USB电源已被描述为适用于对有源电子设备进行供电和/或充电，应该理解的是，该USB电源可以适用于对有源和无源DC负载/设备进行供电和/或充电，包括但不限制于，例如USB风扇和阅读灯的电子设备。

还可以理解的是，根据本发明的USB电源固件可以通过电缆（24）的USB插头（26）来被升级（upgrade）。特别地，电缆（24）中的存储器（28）（其可以是EEPROM）存储有用于智能负载型检测和电压调节算法的操作的数据。该存储器（28）可以容易地被重新配置（例如通过改变存储器（28）中存储的数据，向存储器（28）添加数据和/或从存储器（28）中移除数据）以满足具有其他不同DC输出要求的新的移动电气和/或电子设备。

应当理解，以上仅示出了可以实施本发明的示例，并且可以在不背离本发明的精神的情况下做出各种修改和/或替换。还应该理解的是，为了简洁在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可被分开提供，或以任意合适的子组合提供。

Claims

1.一种通用串行总线（USB）电源，该电源包括：

第一单元；以及

第二单元，该第二单元能够与所述第一单元可释放地连接；

其中所述第一单元能够与直流（DC）电力源可释放地连接，以从该直流电力源接收DC电力，所述第一单元包括能够与所述DC电力源电连接的第一USB连接部分；

其中所述第二单元包括：第二USB连接部分，该第二USB连接部分能够与所述第一USB连接部分可释放地连接以在所述第二USB连接部分与所述第一USB连接部分之间建立电连接和数据通信；以及连接器，该连接器与所述第二USB连接部分电连接；

其中所述电源能够操作在分离模式与连接模式中，在所述分离模式中，所述第一单元与所述第二单元不连接，在所述连接模式中，所述第一单元与所述第二单元可释放地连接；以及

其中，当在所述连接模式中时，所述电源被适配成自动改变来自所述连接器的DC电力输出的电压。

2.根据权利要求1所述的电源，其中，当在所述连接模式中时，所述电源被适配成自动改变来自所述连接器的所述DC输出的电压，以匹配或基本匹配与所述连接器电连接的电气和/或电子设备的操作电压。

3.根据权利要求1所述的电源，其中所述第一USB连接部分是USB插座，并且所述第二USB连接部分是USB插头。

4.根据权利要求1所述的电源，其中所述第一单元包括转换器，该转换器被适配成改变从所述DC电力源接收到的DC电力的电压以进行输出。

5.根据权利要求4所述的电源，其中当所述电源处于所述分离模式中时，所述转换器被适配成将从所述DC电力源接收到的所述DC电力的电压改变至第一预定电压以进行输出。

6.根据权利要求1所述的电源，其中所述电源包括电流传感器，其中当所述电源处于所述连接模式中时，该电流传感器被适配成检测来自所述第一USB连接部分的电流输出。

7.根据权利要求6所述的电源，其中所述第一单元包括所述电流传感器。

8.根据权利要求6所述的电源，其中所述第一单元包括转换器，该转换器被适配成改变从所述DC电力源接收到的DC电力的电压以进行输出，并且其中，当所述电源处于所述连接模式中时，并且在由所述电流传感器对来自所述第一USB连接部分的所述电流输出进行检测期间，所述转换器被适配成首先以第二预定电压输出DC电力，并且将所输出的DC电力的电压从所述第二预定电压增加，直到所述电流传感器感应到来自所述第一USB连接部分的电流输出的阶跃变化，于是所述转换器被适配成以检测到来自所述第一USB连接部分的电流输出的阶跃变化所在的电压继续输出DC电力。

9.根据权利要求8所述的电源，其中当所述电源处于所述连接模式中时，所述转换器被适配成以基本上相等的电压的步长增加从该转换器输出的DC电力的电压。

10.根据权利要求4所述的电源，其中当所述电源处于所述连接模式中时，所述转换器被适配成将从所述DC电力源接收到的所述DC电力的电压改变至第三电压，其中该第三电压与所述第一预定电压不同。

11.根据权利要求1所述的电源，其中所述第一单元包括用于控制所述电源的操作的微控制器。

12.根据权利要求2所述的电源，其中所述第二单元包括认证标识符，其中当所述电源处于所述连接模式中时，该认证标识符能够被所述第一单元读取以识别所述第二单元。

13.根据权利要求12所述的电源，其中当所述电源处于所述连接模式中时，所述电源被适配成只要所述第二单元被所述第一单元识别出，就自动改变来自所述连接器的所述DC输出的电压，以匹配或基本匹配与所述连接器电连接的所述电气和/或电子设备的操作电压。

14.根据权利要求12所述的电源，其中所述第二单元的所述认证标识符能够被所述第一单元通过所述第一USB连接部分的D-（引脚2）读取。

15.根据权利要求4所述的电源，其中一旦所述电源从所述连接模式改变到所述分离模式，所述第一单元被适配成自动将来自所述转换器的所述DC电力输出改变至所述第一预定电压。

16.根据权利要求1所述的电源，其中当所述电源处于所述分离模式中时，所述第一单元被适配成通过所述第一USB连接部分与电气和/或电子设备连接，来以多个专用充电端口标准对所述电气和/或电子设备进行充电和/或供电。

17.根据权利要求1所述的电源，其中所述第二单元包括电缆。

18.根据权利要求1所述的电源，其中所述第二单元包括用于存储数据的存储器，所述数据允许当所述电源处于所述连接模式中时自动改变来自所述连接器的DC电力输出的电压，以及其中所述存储器中的所述数据能够通过所述第二单元的所述第二USB连接部分被重新配置。