CN105446206B

CN105446206B - Usb和无线电力系统之间的电力切换控制

Info

Publication number: CN105446206B
Application number: CN201410496133.2A
Authority: CN
Inventors: 王洋; 金杰; 吴建舟
Original assignee: NXP USA Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: US9705502B2; CN105446206A; US20160094226A1

Abstract

本发明涉及USB和无线电力系统之间的电力切换控制。一种电系统可以有选择地通过USB连接或者通过另一个电力源，诸如，无线电力传输路径给负载供电。集成的切换控制器确定通过USB连接还是另一个电力源给负载供电，并且通过单个I/O引脚连接控制两个外部晶体管，以便实现所述确定。该切换控制器确定两个电压：与USB连接相关联的电压和与所述另一个电力源相关联的电压中的较大电压。该切换控制器还确定是否存在有效的USB连接。以该较大电压给控制两个外部晶体管的切换控制器电路供电，以便确保适当地并且可靠地导通或者截止所述外部晶体管。

Description

USB和无线电力系统之间的电力切换控制

技术领域

本发明涉及电子设备，并且更具体地，涉及使用两个不同的电力源，诸如，无线电源和USB连接电源中的任意一个给电子设备供电。

背景技术

可以使用两个不同电力源中的任意一个交替地给一些电子设备，诸如，一些消费者电子设备供电。例如，美国专利No.7,528,582描述了使得能够使用AC适配器或者USB(通用串行总线)连接的电源中的任意一个给电子设备供电的电力切换控制器。这种技术的一个缺点是，当电力切换控制器被实现在集成电路上时，需要该集成电路的两个不同的I/O(输入/输出)引脚来支持电力切换控制功能。

具有不需要集成电路的两个不同I/O引脚的电力切换控制器将是有利的。

附图说明

根据下面的详细说明，所附的权利要求和附图，本发明的其它实施例将变得更加充分地清楚，在附图中类似的参考号标识类似或者相同的元件。

图1是根据本发明的一个实施例的电系统的示意框图；

图2是根据本发明的一个实施例，图1的切换控制器的示意框图；

图3是根据本发明的一个实施例，图2的USB插/拔保护块的示意框图；和

图4是根据本发明的一个实施例，图2的电平移位器的示意电路图。

具体实施方式

在一个实施例中，本发明提供了一种装置，该装置包括控制将电力从USB连接有选择地传送到负载的USB电力传输电路的切换控制电路，其中所述负载还可由另一个电力源供电。所述切换控制电路包括导通/截止电路，其产生用于控制USB电力传输电路的控制信号；电压选择电路，其(a)选择(i)对应于USB连接的USB电压和(ii)对应于另一个电力源的另一个电压中的较大一个，和(b)基于所选择的较大的电压给所述导通/截止电路供电；和USB检测电路，其确定所述USB连接是否有效，并且相应地控制所述导通/截止电路。

现在参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的电系统100的示意框图。电系统100被设计为给负载130提供电力，负载130可以是，例如，消费者电子设备的芯片或者电池。可以通过以下两种方式中的任意一个给负载130供电：通过无线电力传输路径110，或者通过USB节点102处的有效的USB连接。切换控制器120确定应当无线地还是通过USB给负载130供电，并且控制P型(例如，PMOS)晶体管M1和M2执行该确定。

在一些实现中，切换控制器120被实现在集成电路内，并且晶体管M1和M2在该集成电路之外。在该情况下并且如图1所示，切换控制器120通过单个I/O连接引脚122控制晶体管M1和M2。注意，晶体管M1和M2的体端子(bulk terminal)被连接到它们的公共沟道端子(common channel terminal)。

如图1所示，无线电力传输路径110是常规的无线电力传输路径，其包括电力传输器112、变压器114、H桥式整流器116和低压降(LDO)整流器118。H桥式整流器116和LDO整流器118是用于从电力传输器112通过所述变压器114无线地传输的AC(交流)电力的电力接收器的一部分。传输器侧的变压器线圈可以被认为是电力传输器112的一部分，而接收器侧的变压器线圈可以被认为是电力接收器的一部分。H桥式整流器116将接收的AC信号转换为整流DC(直流)信号Vrec，并且LDO整流器118进一步衰减信号Vrec的AC纹波，以便产生施加于负载130的干净的(clean)DC信号Vout。

如下面进一步详细描述的，切换控制器120监视：(i)来自无线电力传输路径110的电压Vout，和(ii)USB节点102处的电压Vusb，以便确定：(i)是否存在有效的USB连接，和(ii)如果存在，是否使用USB连接而不是使用无线电力传输路径110给负载供电。

如果切换控制器120确定存在有效的USB连接，切换控制器120将控制信号USB_good设置为有效(assert)(例如，逻辑1)。否则，切换控制器120将USB_good设置为无效(例如，逻辑0)。切换控制器120还从另一个控制器(例如，用于系统100的芯片上或芯片外的基于软件的系统控制器(图1中未示出))接收控制信号USB_enable。在系统100的一些实现中，只有在切换控制器120将USB_good设置为有效之后，该基于软件的系统控制器才将USB_enable设置为有效。

如果USB_good和USB_enable两者被设置为有效，则切换控制器120确定应当通过USB连接给负载130供电。在该情况下，切换控制器120将I/O连接引脚122驱动为低，这导通P型晶体管M1和M2，从而使得来自USB节点102的电力能够通过晶体管M1和M2流动到负载130。

另外，来自USB节点102的电力还通过齐纳二极管D1将节点Vrec(在LDO整流器118的输入处)驱动为高。LDO整流器118由控制信号124导通和截止，其中当控制信号124被设置为有效时，LDO整流器118截止，并且当控制信号124被设置为无效时，LDO整流器118导通。在一个实现中，控制信号124等于USB_good和USB_enable的逻辑与。如果产生USB_enable的基于软件的系统控制器在芯片上，则该基于软件的系统控制器是负载130的一部分。在该情况下，当不从传输器112提供无线电力时，二极管D1帮助箝位Vrec，并且从而通过LDO整流器118给该芯片上的基于软件的系统控制器提供电力，以便保持其是“激活的”(即，发挥功能)。

如果USB_good和USB_enable中的任意一个或两者被设置为无效(即，逻辑0)，则切换控制器120确定应当通过无线电力传输路径110给负载130供电。在该情况下，切换控制器120将I/O连接引脚122驱动为高，这使得P型晶体管M1和M2截止，从而使得来自无线电力传输路径110的电力能够流到负载130。注意，当晶体管M1和M2截止时，节点Vout和Vusb彼此隔离。

在典型的消费者电子设备应用中，除了无线电力传输器112之外，图1中的所有东西是该消费者电子设备的一部分，而无线电力传输器112是诸如扩展坞的设备的一部分，当该消费者电子设备被置于该扩展坞上时，其可以给该消费者电子设备无线地供电。

当消费者电子设备被从该扩展坞去除时，不可获得无线电力，但是存在有效的USB连接，则需要通过Vusb而不是Vout给电系统100供电。另外，在启动过程中，晶体管M1和M2必须截止，以便将Vout和Vusb彼此隔离开，直到USB_good和USB_enable信号两者被设置为有效。

为了实现这种功能，并且如下面更详细地描述的，在启动时，切换控制器120确保M1和M2两者截止。在该情况下，电压Vusb被通过二极管D1施加于节点Vrec，这使得LDO整流器118能够给节点Vout提供电力，并且从而给负载130提供电力，即使没有来自传输器112的无线电力。

当USB_good和USB_enable两者最终被设置为有效(并且因此，控制信号124被设置为有效)，并且晶体管M1和M2两者导通时，电力将通过晶体管M1和M2从USB节点102流到负载130。在该情况下，Vout和Vusb将等效。因为将控制信号124设置为有效使得LDO整流器118截止，没有电力从H桥式整流器116流到Vout，即使可以获得来自传输器112的无线电力。在一些实施例中，在将USB_enable设置为有效之前，该基于软件的系统控制器发送命令，以便使得传输器112截止。

当可以获得无线电力时，如果随后去除了有效的USB连接(例如，USB连接器被从其对应USB端口去除)，则切换控制器120将USB_good设置为无效，晶体管M1和M2将截止，并且电系统100将如同仅可获得无线电力那样从加电重新启动。在该情况下，控制信号124将被设置为无效，导通LDO整流器118，并且从而允许电力从H桥式整流器116流到Vout和负载130。二极管D1会防止电力从节点Vrec流到USB节点102。二极管D1还防止电压Vrec被作为电压Vusb施加到切换控制器120。

图2是根据本发明的一个实施例，图1的切换控制器120的示意框图。如图2所示，切换控制器120包括最大(max)电压选择器210、USB插/拔保护块220和导通/截止块230。

max电压选择器210(i)监视来自图1的无线电力传输路径110的电压Vout和USB节点102处的电压Vusb，(ii)确定哪个电压较大，和(iii)将节点Vmax驱动到所确定的较大电压。

具体地，差分比较器212比较Vout和Vusb，并且基于是Vout还是Vusb更大，产生信号Vout_control和Vusb_control。如果Vout大于Vusb，则Vout_control为低，并且Vusb_control为高。在该情况下，P型(例如，PMOS)晶体管214将导通，P型晶体管216将截止，并且节点Vmax将通过晶体管214被驱动到Vout。在另一方面，如果Vusb大于Vout，Vout_control将为高，并且Vusb_control将为低。在该情况下，晶体管214将截止，晶体管216将导通，并且节点Vmax将通过晶体管216被驱动到Vusb。注意，由Vmax供电的比较器212可以被实现为具有滞后，以便防止节点Vmax在Vout和Vusb之间的不希望的切换(toggling)。

如下面更详细地描述的，USB插/拔保护块220确定电压Vusb是否对应于有效的USB电压电平，该有效的USB电压电平指示USB节点102处存在有效的USB连接。在该情况下，USB插/拔保护块220将控制信号USB_good设置为有效。如图2所示，通过(或可替换地，绕过)USB插/拔保护块220的控制信号USB_enable被与USB_good一起施加于导通/截止块230。

导通/截止块230的与门232对USB_good和USB_enable应用逻辑"与"操作，以便产生图1的控制信号124。如果USB_good和USB_enable两者被设置为有效(即，逻辑1)，控制信号124将在USB插/拔保护块220和与门232共享的电压域内被驱动为高。否则，控制信号124将被驱动为低。

电平移位器234提供从USB插/拔保护块220的(较低)电压域到反相器236的(较高的)电压域的电压域变换(反相器236由电压Vmax供电)，以便将控制信号124转换为电平移位控制信号235。反相器236将控制信号235反转，以便在I/O连接引脚122处产生控制电压Vc。

在操作中，max电压选择器210确保节点Vmax被驱动到Vout和Vusb中用于给反相器236供电的较大的一个。如果USB插/拔保护块220确定USB端口处存在有效的USB连接，并且如果USB_enable被设置为有效，则控制信号124和235将被设置为有效(在它们相应的电压域内)，并且控制电压Vc将为低，从而导通晶体管M1和M2，并且通过有效的USB连接给图1的负载130供电。

在另一方面，如果USB插/拔保护块220确定在USB端口处没有有效的USB连接，或如果USB_enable未被设置为有效，则控制信号124和235将被设置为无效(在它们相应的电压域内)，并且控制电压Vc将为高，从而使得晶体管M1和M2截止，并且通过图1的无线电力传输路径110给图1的负载130供电。以Vout和Vusb中较大的一个(即，Vmax)给反相器236供电确保反相器236能够使得晶体管M1和M2截止。

在加电时，以由晶体管214和216形成的寄生二极管产生Vmax。因而，即使当芯片处于其启动阶段时，电压Vmax将接近Vout和Vusb中的最大者(即，max(Vout,Vusb))，并且电压Vc也将接近max(Vout,Vusb)。当Vmax因为Vout和Vusb中的一个或者两者随时间而上升而变为足够高时，比较器212将开始正常操作，从而Vout_control和Vusb_control将决定Vmax的max(Vout,Vusb)值。典型地，用于比较器212的操作电压相当低，大约为1-2伏。

图3示出了根据本发明的一个实施例，图2的USB插/拔保护块220的示意框图。保护块220确定输入节点305处的电压Vusb是否处于有效的USB电压电平。在一种可能的实现中，有效的USB电压电平将在大约4.5v和大约5.5v之间。保护块220确定电压Vusb是否在该上下USB电压阈值级别之间。如果是，保护块220将输出节点375处的控制信号USB_good驱动为高(即，逻辑1)。否则，保护块220将USB_good驱动为低(即，逻辑0)。

电压Vusb被以应用不同分压器值的两个不同分压器310和320平行分压，其中分压器310的分压器值小于分压器320的分压器值。产生的分压后的电压信号315和325被两个比较器340和350分别与来自电压基准源330的基准电压信号335比较，以便产生两个比较器输出信号345和355，然后由包括反相器360和与门370的逻辑电路处理比较器输出信号345和355，以便在输出节点375处产生USB_good。

在一种有效USB电压在4.5v和5.5v之间的可能实现中，分压器310的分压器值是1.8，分压器320的分压器值是2.2，并且基准电压信号335是2.5v。注意，在另一个可能的实现中，以1.2V的带隙模块产生基准电压信号335，以便跨处理、电压和温度(PVT)为恒定。在该情况下，分压器310和320将应用不同的适当的分压器值。

在该情况下，当电压Vusb小于4.5V时，分压后的电压信号315和325两者都将小于2.5V。因而，来自比较器340和350的输出信号345和355两者都将为低(即，逻辑0)，反相信号365将为高，并且USB_good将为低，指示Vusb在有效的USB电压范围之外(在这种情况下，低于有效的USB电压范围)。

当Vusb大于4.5V而小于5.5V时，分压后的电压信号325小于2.5V，但是分压后的电压信号315将大于2.5V。因而，比较器350的输出355将为低，而比较器340的输出345将为高。在该情况下，反相信号365将为高，并且USB_good将为高，指示Vusb在有效的USB电压范围内。

当Vusb大于5.5V时，分压后的电压信号315和325两者都将大于2.5V。因而，比较器340和350的输出345和355两者都将为高，反相信号365将为低，并且USB_good将再次为低，指示Vusb在有效的USB电压范围之外(在这种情况下，高于有效的USB电压范围)。

注意，当电压Vusb在有效的USB电压范围之上时，如果Vusb大于Vout，Vmax仍将被驱动到Vusb，尽管将由Vout给负载供电，以便确保晶体管M1和M2可靠地截止。

虽然已经在确定电压Vusb是否在上下USB电压阈值之间的电路的上下文中描述了保护块220，在其它实施例中，可以仅仅使用确定电压Vusb是否在指定的USB电压下阈值之上的单个比较器实现图2的保护块220。在这些实施例中，当电压Vusb在USB电压下阈值之上时，认为存在有效的USB连接。

图4示出了根据本发明的一个实施例，图2的电平移位器234的示意电路图。当图2的输入控制信号124在保护块220的输入电压域内为低时，反相信号405为高，N型(例如，NMOS)晶体管N1截止，N型晶体管N2导通，并且图2的电平移位控制信号235被驱动为低。低的控制信号235使得P型(例如，PMOS)晶体管P1导通，晶体管P1将P型晶体管P2的栅极驱动为高(即，到Vmax)，这确保晶体管P2截止，从而避免电流从Vmax通过晶体管P2和N2流到地。

可替换地，当输入控制信号124在保护块220的输入电压域内为高时，反相信号405为低，晶体管N1导通，晶体管N2截止，并且晶体管P2的栅极被通过晶体管N1驱动为低。将晶体管P2的栅极驱动为低使得晶体管P2导通，晶体管P2将电平移位控制信号235驱动为以Vmax定义的输出电压域内的高电平。高的控制信号235确保晶体管P1截止，从而避免电流从Vmax通过晶体管P1和N1流到地。

虽然已经在可以通过无线电力传输路径或者通过USB连接给负载供电的电系统的上下文中描述了本发明，在替换实施例中，另一个电力源不必定是通过无线电力传输。例如，另一个电力源可以是通过常规的有线电力传输，诸如，通过常规的AC适配器。

出于描述的目的，术语"耦连"，"耦接"，"耦合"，"连接"，"相连"，"相接"，指允许在两个或更多元件之间传输能量的本领域已知或者以后开发的任意方式，并且虽然不是必需的，预期一个或多个附加元件的插入。相反地，术语"直接耦连"，"直接连接"等等暗示没有这种附加元件。

另外，出于本公开的目的，应当理解，除非另外示出，所有栅极被从固定电压电力域(或者多个域)和地供电。相应地，所有数字信号一般具有从近似地电势到所述电力域中的一个的电势的范围，并且快速转变(摆动)。然而并且除非另外说明，地可以被认为是具有近似零伏的电压的电源，并且可以用具有任意所希望的电压的电源代替地。因此，可以用至少两个电源给所有栅极供电，栅极的伴随数字信号具有范围在所述电源的近似电压之间的电压。

信号和对应的节点、端口或者路径可被以相同名称指示，并且出于此处的目的是可互换的。

出于说明的目的，晶体管一般被以单个器件示出。然而，本领域技术人员应当理解，晶体管具有各种尺寸(例如，栅极宽度和长度)以及特性(例如，阈值电压、增益等等)并且可以由并联耦连的多个晶体管组成，以便从该组合获得所希望的电特性。另外，所示的晶体管可以是复合的晶体管。

如在本说明书和权利要求中使用的，术语"通道节点"一般指金属氧化物半导体(MOS)晶体管器件(也被称为MOSFET)的源极或者漏极，术语"通道"指源极和漏极之间的通过该器件的路径，并且术语"控制节点"一般指MOSFET的栅极。类似地，如权利要求中使用的，术语"源极"、"漏极"和"栅极"应当被理解为指MOSFET的源极、漏极和栅极，或当使用双极晶体管技术实现本发明的实施例时，指双极器件的发射极、集电极和基极。

除非另外明确地说明，每一个数值和范围应当被解释为是近似的，如同所述值或者范围前面带有词语"大约"或者"近似"。

还应当理解，本领域技术人员可以对为了解释本发明的实施例而描述和示出的部分的细节、材料和布置做出各种改变，而不脱离下面的权利要求所包括的本发明的实施例。

在本说明书中，包括任意权利要求，术语"每一个"可被用于指多个前面列举的元件或者步骤中的一个或多个指定的特性。当被与开放性术语"包括"一起使用时，对术语"每一个"的引用不排除附加的、未列举出的元件或者步骤。因此，应当理解，装置可以具有附加的、未列举出的元件，并且方法可以具有附加的、未列举出的步骤，其中附加的、未列举出的元件或者步骤不具有所述一个或多个指定的特性。

此处对"一个实施例"或"实施例"的引用意味着在本发明的至少一个实施例中可以包括被与该实施例相结合描述的特定特征、结构或者特性。在本说明书各处出现的短语"在一个实施例中"不必然全部指相同的实施例，不同的或者替换实施例也不必然与其它实施例互斥。这也同样适用于术语"实现"。

本申请的权利要求所覆盖的实施例局限于(1)根据本说明书能够实现的实施例，和(2)对应于法定主题内容的实施例。不能实现的实施例和对应于非法定主题内容的实施例被明确地放弃，即使它们落在所述权利要求的范围内。

Claims

1.一种包括切换控制电路的装置，所述切换控制电路控制USB电力传输电路，所述电力传输电路将来自USB连接的电力有选择地传送到负载，其中所述负载还可由另一个电力源供电，所述另一个电力源是无线电力传输路径，所述切换控制电路包括：

导通/截止电路，产生用于控制所述USB电力传输电路的控制信号；

电压选择电路，(a)选择(i)对应于所述USB连接的USB电压和(ii)对应于所述另一个电力源的另一个电压中的较大电压，和(b)基于所选择的较大电压给所述导通/截止电路供电；和

USB检测电路，确定所述USB连接是否有效，并且相应地控制所述导通/截止电路；

其中所述导通/截止电路包括反相器，所述反相器连接为产生用于所述USB电力传输电路的所述控制信号，其中所述反相器由所选择的较大的电压供电；

其中所述导通/截止电路还包括：

逻辑电路，配置为产生第一电压域内的逻辑信号；和

电平移位器，连接为将所述逻辑信号从所述第一电压域偏移到所选择的较大电压的电压域，以便驱动所述反相器。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述USB电力传输电路包括连接在所述USB连接和所述负载之间的两个晶体管。

3.如权利要求2所述的装置，其中：

所述切换控制电路被实现在集成电路上；

所述两个晶体管被实现在所述集成电路之外；并且

所述切换控制电路通过所述集成电路的单个输入/输出引脚连接来控制所述两个晶体管。

4.如权利要求2所述的装置，其中：

所述两个晶体管是两个串联连接的P型晶体管；和

所述两个晶体管的体端子连接到所述两个晶体管的公共沟道端子。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述电压选择电路包括：

差分比较器，连接为比较所述USB电压和所述另一个电压，并且基于所述USB电压和所述另一个电压中的较大电压，产生两个差分控制信号；和

一对晶体管，由所述两个差分控制信号控制，以便将所述电压选择电路的输出节点驱动到所选择的较大的电压。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述差分比较器由所选择的较大的电压供电。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述USB检测电路包括第一比较器，所述第一比较器连接为确定所述USB电压是否在指定的USB下阈值电压之上。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述USB检测电路还包括：

第二比较器，所述第二比较器连接为确定所述USB电压是否低于指定的USB上阈值电压；和

逻辑电路，所述逻辑电路连接为确定所述USB电压是否在所述USB下阈值电压和所述USB上阈值电压之间。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述USB检测电路还包括：

第一分压器，所述第一分压器连接为从所述USB电压产生第一分压电压；

第二分压器，所述第二分压器连接为从所述USB电压产生第二分压电压；和

基准电压源，所述基准电压源连接为提供电压基准信号，其中：

所述第一比较器比较所述第一分压电压和所述电压基准信号，以便确定所述USB电压是否在所述指定的USB下阈值电压之上；并且

所述第二比较器比较所述第二分压电压和所述电压基准信号，以便确定所述USB电压是否低于所述指定的USB上阈值电压。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括所述USB电力传输电路和所述负载。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述装置是消费者电子设备。

12.如权利要求1所述的装置，其中：

所述USB电力传输电路包括连接在所述USB连接和所述负载之间的两个晶体管；

所述切换控制电路被实现在集成电路上；

所述两个晶体管被实现在所述集成电路之外；

所述切换控制电路通过所述集成电路的单个输入/输出引脚连接来控制所述两个晶体管；

所述两个晶体管是两个串联连接的P型晶体管；

所述两个晶体管的体端子连接到所述两个晶体管的公共沟道端子；

所述另一个电力源是无线电力传输路径；

所述电压选择电路包括：

差分比较器，所述差分比较器连接为比较所述USB电压和所述另一个电压，并且基于所述USB电压和所述另一个电压中的较大电压，产生两个差分控制信号；和

一对晶体管，由所述两个差分控制信号控制，以便将所述电压选择电路的输出节点驱动到所选择的较大电压；

所述差分比较器由所选择的较大电压供电；

所述USB检测电路包括：

第一比较器，所述第一比较器连接为确定所述USB电压是否在指定的USB下阈值电压之上；

第二比较器，所述第二比较器连接为确定所述USB电压是否低于指定的USB上阈值电压；

连接为确定USB电压是否在所述USB下阈值电压和所述USB上阈值电压之间的逻辑电路；

所述第二比较器比较所述第二分压电压和所述电压基准信号，以便确定所述USB电压是否低于所述指定的USB上阈值电压；

所述装置还包括所述USB电力传输电路和所述负载；并且

所述装置是消费者电子设备。