CN105740194A - 用于通过反向本地数据传输连接来提供电力的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过反向本地数据传输连接来提供电力的系统和方法。一种电源设备供应电力给主机来为主机的有限电源进行充电。通过连接主机设备的接口来供应电力。该接口可以是通用串行总线(USB)电缆或另一类型的本地连接电缆。

Description

用于通过反向本地数据传输连接来提供电力的系统和方法
本申请为分案申请，其原申请是于2013年12月24日(国际申请日为2012年7月2日)向中国专利局提交的专利申请，申请号为201280031338.2，发明名称为“用于通过反向本地数据传输连接来提供电力的系统和方法”。
技术领域
本文的一个或多个实施例涉及向电子设备供应电力。
背景技术
通用串行总线(USB)以及其它类型本地连接的发展已经对主机系统和设备之间传输数据的方式进行了简化和标准化。在某些情况下，这些连接还提供了从主机系统向设备供应电力的方式。然而，现有的USB和本地连接接口不提供允许设备向主机系统供应电力的方式。
附图说明
图1示出了用于从源设备向主机设备供应电力的系统。
图2示出了从源向主机设备供应电力的方法。
图3示出了源和主机设备以及它们的连接的例子。
图4示出了向图3中的主机设备提供电力的方法。
图5示出了用于控制设备之间的电力传输的另一方法。
图6示出了供电系统的一个说明性应用。
图7示出了供电系统的另一说明性应用。
图8(a)-8(c)示出了供电系统的其他说明性应用，其中图8(a)和8(b)中的应用涉及不同移动设备的使用，而图8(c)中的应用涉及专用电池模块的使用。
具体实施方式
根据如下所述的一个或多个实施例，本文使用的“端口”和“连接器”术语有助于限定连接的设备的类型。例如，根据至少一个实施例，术语“连接器”用来限定设备，术语“端口”用来限定主机。因此，例如在使用USB接口时，连接器用来限定USB设备，与USB主机相对。反之，端口用来限定USB主机系统，与USB设备相对。为了给USB主机系统的电池进行充电(其迄今还没有被执行过)，本文的一个或多个实施例提出从具有USB连接器的设备发送电流到具有USB端口的主机。
图1示出了用于从电源100供电到主机设备200的系统的一个实施例。电源设备可包括有限电源或可以被耦合来供应来自有限电源(诸如汽车插座充电器或AC电源)的电力。通过接口300(例如电缆)连接源和主机设备。
有限电源的例子包括电池、太阳能电池或其他类型的环境电源、超级电容器或包括电池或其他类型电源的电子设备。电子设备可以是智能电话、个人数字助理、照相机、膝上型电脑或笔记本计算机、计算机平板、pod或平板、电子书、具有计算和/或通信能力的移动终端、视频处理器、媒体播放器、扬声器系统或另一类型的包括或被耦合至AC或DC电源或两者的固定或移动的电子设备。主机设备还可以是这些电子设备的任意。在下面的论述中，讨论其中电源和主机设备都是笔记本计算机的示例性情况。
接口300可包括执行单向或双向传送的串行或并行电缆。这种接口的例子包括通用串行总线(USB)标准电缆、USBOn-The-Go标准电缆防火线电缆、以太网电缆、串行高级技术附件(SerialAdvancedTechnologyAttachment，SATA)电缆、音乐设备数字接口(MusicalInstrumentDigitalInterface，MIDI)电缆或基于标准化通信协议传送数据的另一类型的本机接口电缆。
如果使用单向电缆，则电缆将来自电源设备的电力传送到主机设备(在具有或不具有数据的情况下)。也就是说，如果接口300是单向电缆，可以仅仅使用电缆作为电力电缆来传输电力(电流)到主机设备。例如，在电源设备包括或仅仅作为有限电源运行的情况下，这种实施例将是适当的。在可替代的实施例中，电缆可同时或在不同时间传输电力和数据。
如果使用双向电缆，则电缆在电源和主机设备之间传输电力和数据。可以双向或仅仅在一个方向上(例如，从电源设备到主机)传送数据。不管怎样，从电源设备供电到主机设备。在独立的操作模式下，主机设备可供电到电源设备。
图2示出了通过接口从电源设备供电到主机设备的方法。可以使用如图1所示的系统或另一系统来执行这种方法。当图2中的操作按照预定顺序存在时，在可供选择的实施例中，可以基于例如内置控制电路和/或软件和/或设备中执行的控制协议改变操作序列。
最初，在电源设备和主机设备之间连接接口。(块310)。可以例如，通过接口中的与电源和主机设备中相应端口相对的端插入连接器来物理上执行这种连接。如果已经预先连接接口但已经中断通信，可以例如，通过主机或电源设备或两者上执行的软件驱动应用，重建接口的连接。
一旦已经连接了接口，主机设备检测到连接已经完成。(块320)。可以以各种方式执行操作，该方式例如包括检测在接口的一条或多条数据线或控制线上发送的电压或信号。根据这些电压或信号所处的范围，可以由电源和/或主机设备中的控制器电路就接口连接的存在和其他参数(例如对应于接口的数据总线的速度)作出判定。
例如，在USB接口的情况下，主机设备中的控制器可以检测跨越上拉速度标识电阻器的电压，表示在主机和电源设备之间已经连接了接口，例如，当电阻器与USB接口的Vbus线相连，生成电压信号表示已经连接了设备。然后主机控制器可以初始化USB功能。其他检测方法包括根据例如连接检测协议(AttachDetectionProtocol，ADP)或另一检测协议，检测通过接口的电源线的电力或测量USB端口的电容(或电容变化)。
一旦主机设备已经检测到接口的连接，主机设备的控制器设置电路路径以基于将从接口接收的电力为主机设备的电池(或其他可再充电的电源)进行充电。(块330)。这种操作可涉及设置控制从主机设备的接口端口到其电源的电力流动的一个或多个开关。
这种操作还可涉及加载对应软件以供主机控制器执行，以便将电力从接口的电源线引导到充电电路。根据一个实施例，充电电路通常可以被配置为从汽车或AC适配器接收电力。但是，依照本实施例，可由控制器重新配置到充电电路的路径来从接口接收电力。
同时，可以使通常用于允许主机设备发送电力到外部连接设备的电路路径反向或旁路以允许通过接口接收电力用于为主机设备的电源进行充电。
在另一操作中，电源设备中的控制器检测接口的连接。(块340)。这种控制器可以依照类似于主机设备中控制器的方式检测连接。
在检测这种连接之后，电源设备中的控制器设置从其电源(或耦合至该设备的电源)到耦合至接口的端口的电路路径。(块350)。然后在控制器的管理下通过端口发送电力到接口。(块360)。
附加操作可以包括在实际传送电力之前在主机和电源设备的控制器之间交换各种控制信号。可以基于与接口兼容的通信和/或控制协议来生成和交换这些控制信号。同时，尽管在操作310、320和330之后示出操作340、350和360，但是可以按照不同顺序执行这些操作或可以基于管理协议标准同时执行这些操作。
图3示出了配置有USB接口300和主机和电源设备中的对应控制器的图1的系统的例子。接口可以操作并包括与标准USB协议兼容的线，或可以操作并包括与所谓的On-the-Go(OTG)USB标准兼容的线。
电源设备100包括耦合在USB连接器120和电池150之间的PSD控制器110。控制器具有匹配并耦合至接口中的信号线的信号线。这些信号线可以包括电源线(Vcc)，一对差分数据线(D-)和(D+)，以及地线(GND)。附加线可以被包括以执行各种其他控制和/或数据传送操作。
此外，电源设备可以包括可选的电压转换器电路130和可选的充电电路140。电压转换器执行对电池和接口的电源线之间传送的电压的dc-dc电压转换。
当将要传送电池电力到接口(为主机设备的电源进行充电)时，控制器110生成放电信号124来闭合开关125，以便建立从电池到电压转换器电路130的电路路径。然后电压转换器电路将电池的输出电压转换为与信号线(Vcc)兼容的电压，例如，5V，并且该电压通过保护二极管126以在信号线上的传输。(信号线路Vcc实际发送对应于电压Vcc的电流)。可以将GND信号线耦合至电池和电压转换器。
当将要对电池充电时，控制器生成充电信号127来闭合开关128。闭合该开关建立从外部电源穿过用于为电池进行充电的充电电路的电路路径。在所示的例子中，建立电路路径来基于从接口的信号线Vcc接收的电力为电池进行充电。在该操作期间，电力通过USB电缆流到电源设备。相反地，在主机设备的充电操作期间，电力以反方向通过接口从电源设备流到主机设备。可选地，控制器110可闭合开关128来基于外部电力为电池进行充电，例如来自与USB接口不相关联的外部DC或AC电源的外部电力。
如预先解释的那样，USB接口中的数据线可用来建立由主机和电源设备中的控制器对接口的连接的检测。此外，在为主机设备或电源设备进行充电期间，数据线可用来根据用于控制接口的操作的协议标准在设备之间传送数据。作为选择，充电信号和放电信号可以用作由控制器来判定，以控制通过电源设备的电压/电流的流量。通过有选择地应用这些信号，偶尔可以将开关125和128设置为不同状态。
主机接口200包括耦合在USB接口和充电电路端子350之间的控制器310，充电电路端子350被耦合至电池充电电路和电池(未示出)。控制器310具有匹配并被至少耦合至接口中数据线的信号线。信号线与其它两个信号线一起，从接口穿过USB端口320到达控制器。基于数据线电压，控制器能够检测USB接口的连接。
此外，主机设备可包括控制从两个源之一发送电力的电源管理控制器330。第一个源来自于主电源端子331，例如，主电源端子331可以耦合至AC适配器。第二个源对应于USB接口的电力线。可以由多路复用器340或其他选择器开关选择到电源管理控制器330中的输入。可以例如基于来自控制器310或330的信号，控制该多路复用器或选择器开关的操作。
当将要基于来自USB电缆的电力为主机设备的电池进行充电时，控制器310生成接收电流信号342来闭合开关343。同时，可以断开开关344。以这种方式设置这些开关引起电流从接口的电力线(Vcc)流入到多路复用器340，多路复用器340选择该电流来输入到充电电路端子350中以为电池进行充电。
当将要基于来自主电源的电力为主机设备的电池进行充电时，多路复用器340例如基于来自控制器310或者330的控制信号，选择从主电源端子331接收电力。这时，开关343和344都是断开的。如将更加详细讨论的那样，可以基于来自控制器310的供电信号来闭合开关344，以通过接口提供电力为电源设备的电池进行充电。
因为这时开关343是断开的，在USB接口仍然是连接的情况下，没有来自USB接口的信号线的电流进入主机设备的电池。
图4示出了通过USB接口从电源设备供电到主机设备的方法。可以由图3所示的系统或另一系统来执行该方法。当图4中的操作按照预定顺序存在时，在可供选择的实施例中，可以基于例如内置控制电路和/或软件和/或设备中执行的控制协议来改变操作序列。
最初，在电源设备和主机设备之间连接USB接口。(块410)。可以例如，通过在该接口中的与电源和主机设备中的相应端口相对的端插入连接器来物理上执行该连接。如果已经预先连接接口但已经中断通信，可以例如通过主机或电源设备或两者上执行的软件驱动应用，重建接口的连接。
一旦已经连接了接口，主机设备检测到连接已经完成。(块420)。可以以各种方式执行该操作，该各种方式例如包括检测在接口的一条或多条数据线或控制线上发送的电压或信号。根据这些电压或信号所处的范围，可以由电源和/或主机设备中的控制器就接口连接的存在和其他参数(例如接口的速度)作出判定。
例如，主机设备中的控制器可以检测跨越上拉速度标识电阻器的电压，表示在主机和电源设备之间已经连接了接口，例如，当该电阻器与USB接口的Vbus线相连，生成电压信号表示已经连接了该设备。然后主机控制器可以初始化USB功能。其他检测方法包括根据例如连接检测协议(AttachDetectionProtocol，ADP)或另一检测协议，检测通过接口的电力线的电力或测量USB端口的电容(或电容变化)。
一旦主机设备已经检测到接口的连接，主机设备控制器设置电路路径以基于将从接口接收的电力为主机设备的电池(或其他可再充电的电源)进行充电。(块430)。该操作可以涉及生成信号来设置控制从主机设备的接口端口到其电源的电力流动的一个或多个开关。在图3的系统中，可以由控制器生成接收电流信号和/或附加信号，以引起多路复用器340通过开关343选择来自接口的电力，基于接收电流信号已经闭合了开关343。
该操作还可以涉及加载对应软件以供主机控制器执行，以便将电力从接口的电力线引导到充电电路。根据一个实施例，充电电路通常可以被配置为从汽车或AC适配器或主电池接收电力。但是，依照本实施例，由控制器重新配置到充电电路的路径来从接口接收电力。
而且，可以使通常用于允许主机设备发送电力到外部连接设备的电路路径反向或旁路以允许通过接口接收电力用于为主机设备的电源进行充电。
在另一操作中，主机设备的控制器通过USB接口发送控制或检测信号到电源设备。这种信号命令电源设备中的控制器启动用于供电给主机设备的过程。(块440)。可以通过接口的数据线或通过诸如接口的控制线(未示出)的另一条线发送控制信号给电力控制设备。
控制信号还可以被用作允许电源设备控制器检测接口的连接的基础。作为选择，可以由电源设备依照类似于主机设备执行的检测操作的方式检测该连接，例如，通过检测沿接口的数据线的电压或信号来检测该连接。
在检测接口连接和来自主机设备的控制信号之后，电源设备中的控制器设置从它的电源(或耦合至该设备的电源)到耦合至该接口的端口的电路路径。(块450)。在图3的系统中，可以由生成放电信号124的控制器110设置该电路路径。放电信号闭合开关125以允许电力从电源设备的电池150供应到接口的电源线(Vcc)。
然后由主机设备通过端口320接收并通过开关343、多路复用器340和电力管理控制器33传送所传输的电力，来输入到主机设备电池的充电电路端子350中。(块460)。然后充电电路为主机设备电池进行充电。可以将保护电路包括在主机设备中以防止过度充电。
附加操作可以包括在实际传送电力之前在主机和电源设备的控制器之间交换各种控制信号。可以基于与该接口兼容的通信和/或控制协议生成和交换这些控制信号。而且，可以改变图4所示的操作序列或可以基于例如管理协议标准同时执行这些操作中的两个或更多。
根据一个实施例，接口还可以用于将来自主机设备的主电源或第二电源(例如，电池)的电力传送到电源设备，来为电源设备的电池(或其他有限电源)进行充电。
在此情况下，电力管理控制器340生成到USB主机控制器310的信号以关断开关343。如果正在基于来自电源设备的电力为主机控制器电池进行充电，这将导致对主机控制器电池断电。还将多路复用器设置为断开位置，不选择任一输入。然后控制器310生成供应电流信号347来闭合开关344，以便打开从主机设备的主电源或第二电源到接口的电力线(Vcc)的供电路径。控制器可例如独立地或基于来自电力管理控制器的指令，生成供应电流信号。
在该过程期间，电力管理控制器可生成待通过接口发送给电源设备的控制信号。可以在接口中的一个或多个数据线或另一控制线(未示出)上发送该信号。一旦被接收，电源设备的控制器生成用于断开开关125和闭合开关128的控制信号，基于来自控制器的充电信号来闭合后者。该充电信号打开到充电电路140的电路路径，通过接口的电力线从主机设备供应的电力用于为电源设备的电池进行充电。
根据另一实施例，电源设备可包括内置检测电路135(如图5所示)。检测电路生成信号136来输入到PSD控制器110。基于该信号，控制器将确定剩余电池电量是否已经降到预定水平之下。当这发生时，控制器可发送信号给主机设备的控制器以闭合开关344来允许主电源(AC电力或汽车电力)基于设置如之前描述的电路路径为充电电池150进行充电。
该过程可自动地、并且每次当正在由来自电池150的电力为主机设备电池进行充电时进行。在此情况下，当由于为主机设备电池进行充电而电池150的电量降到预定水平之下时，可自动地与主机设备的主电源相连来通过接口为电源设备电池进行充电。例如，当主机设备无法从主电源获取电力时，当由电源设备正在为主机设备的电池进行充电时，但然后主机设备的用户稍后到达了其中主电源是可访问的地方，该情形会出现。
图6示出了在电源设备是笔记本计算机500并且主机设备600是另一笔记本计算机的情况下所应用的上述实施例的实际应用。在此情况下，计算机之一的电池用于通过接口300供应电力来为另一计算机的电池进行充电。该应用在例如两个计算机之一的用户不可获取AC或者汽车电力并且计算机之一的电量较低的情况下是有用的。
图7示出了在电源设备是蜂窝电话或智能电话700并且主机设备是笔记本计算机的情况下所应用的上述实施例的另一实际应用。在此情况下，蜂窝电话电池可用来通过经由接口300的供电为笔记本计算机进行充电。
图8示出了在电源设备是蜂窝或智能电话(图8(a))、电源设备是笔记本计算机(图8(b))或电源设备是专用的电池组1100并且主机设备是智能电话、iPod、电子平板或电子书设备的情况下所应用的其他应用。
专用的电池组1100是特别受欢迎的，因为这样的模块可以在机场、电子商店或其中旅客需要为他们的移动设备进行充电并且没有AC插座可用的其他地方售卖。根据一个实施例，电池组可以排除用于执行网络通信和多媒体功能的电路。
根据另一实施例，不同的计算机可读介质保存用于控制由电源和主机设备中的相应控制器执行的操作的程序。电子设备中的电力分配。计算机可读介质可以是内部存储器芯片或存储单元或者可以是通过连接器或通过另一类型的通信通路可拆卸地耦合至电源和主机设备的计算机可读介质。
该程序可包括实现包含在方法实施例中的任何操作的代码部分。根据一个非限制性的实施例，该程序包括用于检测在设备和主机之间的接口连接的第一代码，以及用于基于连接的检测在设备中设置第一电路路径的第二代码。通过设备的连接器沿第一电路路径从有限电源输出电力到接口。电力穿过该接口用于为主机的电池进行充电。该设备可以是USB设备，该主机可以是USB主机。
第二代码部分可通过生成用于设置第一电路路径的第一控制信号来设置第一电路路径。第一控制信号可改变开关的状态来允许电力沿第一电路路径从有限电源传到接口。可以包括附加的代码来设置第二电路路径基于从接口接收的电力为有限电源进行充电。可以由设备中的控制器执行代码部分。
根据另一实施例，一种程序包括用于检测在主机和设备之间的接口的连接的第一代码，以及用于基于连接的检测在主机中设置第一电路路径的第二代码。从接口沿第一电路路径将电力传送到电池，并且该电力可从设备的有限电源供应。端口可以是通用串行总线(USB)端口，并且连接器可以是USB连接器。
除了这些程序之外或作为这些程序的替代，每个设备可保存控制和协议软件来管理和处理在主机和设备之间的信号交换、以及将通过接口在它们之间传送的电力。
同时，上述实施例可以具有各种应用。例如，这些应用可用来为主机设备提供更长的电池寿命，尤其当将该设备包含作为始终在线/始终连接(Always-On/Always-Connected，AOAC)操作模式的一部分的时候尤为如此。通过使用电源设备作为主机设备或系统的第二电源来使能该更长的电池寿命。
可以当在主机和电源设备之间检测到连接时利用重新目的化主机设备端口上的电力管脚以接收电流来而不是供应电流来实现通过接口的电力流动。数据线可用来从电源设备传送信息到主机，该信息例如是电池容量、剩余容量、充电/放电电流、一个或多个支持的输出电压、再充电周期、电池健康情况和/或温度，在供电到主机时可以由主机和/或设备的控制器考虑所有的信息。
在电源设备中，根据一个应用，连接器(例如，USB连接器)的电力管脚供应在默认的5V恒定电源下直到2A的电流。主机设备将能够通过数据线获得所有必要的设备属性，并且甚至对内部配置寄存器进行编程来执行某些动作，诸如改变电压电平、切断电力(用于安全消除)乃至从对设备电池放电切换到对其充电(例如，当主机与AC或汽车电源相连时)。
为了向后兼容，当电源设备与支持早期协议(例如，USB)标准(例如，不支持从设备接收电力的标准)的主机设备相连时，基于预定时间限制，基于沿接口的数据线从主机设备接收的信息，或根据编程输入到电源设备的其他预定标准，设备的驱动器电路/软件会默认终止对主机供电。在USB应用的情况下，电源设备或主机设备之一或两者可以是兼容USB-OTG的。
根据另一例子，可以将第一膝上型电脑插入AC充电器，并且将第二膝上型电脑通过接口连接至第一膝上型电脑。在这种情况下，使用第一膝上型电脑的AC充电器为两种膝上型电脑进行充电，利用第一膝上型电脑直接从充电器接收电力，同时第二膝上型电脑通过接口接收电力。为了使这变得可能，图3和5中的控制器310可闭合开关344，选择器可选择来自端子331的输入来允许来自主电源的电力以发送电力给两个膝上型电脑的电池。此时可以闭合开关343。
通过一次为两个膝上型电脑进行充电(或一个膝上型电脑和耦合至该膝上型电脑的一个移动设备或其他设备)，可以通过针对两个设备仅仅具有一个高效率的电压转换来实现势能节省。
此外，根据本文所述的任何一个实施例，电源设备可用作通用充电器，能够不考虑品牌、制造商或型号考虑，为任何移动设备进行充电，只要设备具有如本文所述的那样操作的USB或其他接口端口和连接器。因此一个设备或主机的充电器可用于为另一设备或主机的电池进行充电，即使当充电器仅仅与主机或设备之一兼容也是如此。这可节省金钱，因为早期型号充电器可被保留来用于给后来型号的主机和设备进行充电，由此提高对用户的便利性。
本文所述的实施例还可以使具有不可移除电池的设备(例如，平板)能够具有外部备用电池组，使用标准USB或其他连接器以消除对某些低功率设备的专用充电端口的需要，在能够同时插进多个电源以获取较高组合的电力消耗的方面提供可扩展性，以通过消除在调换电源时对主机和/或设备断电的需要来使能热可插拔操作，提供跨越大范围的设备和主机的通用标准来在设备或主机将被改变时促进再使用，提供与支持USB充电规范的较老设备和/或主机的向后兼容，以及提供改变电压的能力，并且由此提供更灵活的电力管理以获得优化的电池使用和更高的效率。
在本说明书中，任何对“实施例”的引用指的是结合实施例描述的特定的特征、结构或特性被包含于本发明的至少一个实施例中。在说明书各个地方出现的这样的短语未必全部涉及同一实施例。此外，当结合任何实施例描述特定的特征、结构或特性时，可以认为结合其他一些实施例实现这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的视界之内的。任何一个实施例的特征可以与任何其他实施例的特征组合。
此外，为了便于理解，已经将某些功能块描绘为独立的块；然而，这些独立描绘的块不应当必然被理解为按照它们被论述或者本文提供的顺序的。例如，将能以可替代的顺序、同时地执行某些块等。
尽管在本文参照多个说明性实施例描述本发明，应该理解的是，本领域技术人员可预见将落入本发明原理的精神和范围内的很多其他变型和实施例。更特别地，在不脱离本发明精神的情况下，在上述公开内容、附图和附加权利要求的范围内在对象组合布置的构成部分和/或布置中合理的变化和修改是可能的。除了构成部分和/或布置中的变化和修改之外，对于本领域技术人员来说可替代的用途使用也将是清楚的。

Claims (7)

1.一种装置，包括：
用于提供通信和计算能力的电路；
用于向所述电路提供电力的电池；
串行总线(USB)端口；
用于通过所述USB端口接收电力以对所述电池进行充电的模块；以及
用于向所述USB端口提供来自所述电池的电力以对外部设备进行充电的模块。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置是智能电话。
3.如权利要求1所述的装置，还包括用于对所述外部设备的存在进行检测的模块。
4.如权利要求1所述的装置，还包括开关，所述开关用于选择性地使能所述用于接收电力的模块或者所述用于提供电力的模块。
5.如权利要求4所述的装置，还包括用于控制所述开关的逻辑单元。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置是笔记本计算机。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述外部设备是笔记本计算机、智能电话、iPod、电子平板或电子书设备。
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