CN106654742A - 一种支持快充的usb集线器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持快充的USB集线器，包括输入电路、输出电路、升压电路、快充协议握手电路、MCU控制器和供电电路；输入电路，与一个或多个充电电源相连接收电源输入；输出电路，通过一个USB充电输出接口与待充电设备相连；供电电路，为快充协议握手电路和MCU控制器提供工作电源；升压电路，将输入电源转换为与待充电设备支持的快速充电参数相匹配的输出电源；快充协议握手电路，识别待充电设备支持的快速充电参数；MCU控制器，为整个电路的控制核心。本发明的USB集线器具有识别快充充电参数的功能，通过接收多个充电电源的输入将其功率加和，在满足待充电设备快充要求时，提供与待充电设备匹配的电源，实现快速充电。

Description

一种支持快充的USB集线器

技术领域

本发明涉及充电设备技术领域，特别涉及一种支持快充的USB集线器。

背景技术

目前快速充电(简称快充)技术已经在手机、虚拟现实设备(Virtual Reality，简称VR)等消费类电子产品上得到了很广泛的应用，给用户带来了很大的方便。然而，支持快充的电子产品都需要配备有专门的充电器才能实现快速充电，对于长久以来被广泛使用的普通5V充电器，一方面不能识别QC2.0等快速充电协议，另一方面普通5V充电器的输出功率也不足以对VR设备等负载进行快充。

而手机等快充设备常常要随身携带，并不定时补充电量，经常遇到忘记携带专用充电器，导致只能通过普通充电器或电脑USB接口充电的情况，充电缓慢，无法满足用户需求，也浪费了手机等设备的快充设计。

发明内容

鉴于现有技术普通5V充电器或电脑USB接口等无法对支持快充的电子设备进行快速充电的问题，提出了本发明的一种支持快充的USB集线器，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种支持快充的USB集线器，包括输入电路、输出电路、升压电路、快充协议握手电路、MCU控制器和供电电路；

所述输入电路，具有多个USB充电输入端口，通过所述多个USB充电输入端口与一个或多个充电电源相连接收电源输入，为所述升压电路和所述供电电路提供输入电源；

所述输出电路，具有一个USB充电输出接口，通过所述充电输出接口与待充电设备相连，为所述待充电设备提供电源输出；

所述供电电路，将所述输入电路提供的输入电源转化为工作电源，为所述快充协议握手电路和所述MCU控制器供电；

所述升压电路，将所述输入电路提供的输入电源转换为与所述待充电设备支持的快速充电参数相匹配的输出电源，通过所述输出电路提供给所述待充电设备；

所述快充协议握手电路，与所述输出电路相连，充电连接时同所述待充电设备握手，识别所述待充电设备支持的快速充电参数，并将识别结果反馈给所述MCU控制器；

所述MCU控制器，接收所述快充协议握手电路反馈的识别结果，调节所述升压电路，使所述升压电路的输出电源与所述待充电设备支持的快充电参数匹配；以及，在所述输入电路连接的充电电源数量发生变化时，控制所述升压电路导通，并检测所述输入电路的采样电压，判断所述输入电路的采样电压是否达到设定阈值，若是，则维持所述升压电路导通，为所述输出电路提供输出电源，若否，则控制所述升压电路断开，停止为所述输出电路提供输出电源。

可选地，所述输入电路的每个USB充电输入接口通过串联一个保护二极管连接到一起；每个USB充电输入接口还通过两个串联的采样电阻接地，两个采样电阻的连接处与所述MCU控制器的一个输入端相连，接受所述MCU控制器的采样电压检测。

可选地，所述升压电路，包括升压芯片和反馈电阻网络，所述升压芯片的使能端与所述MCU控制器的一个输出端相连，接受所述MCU控制器控制；所述反馈电阻网络与所述升压芯片的反馈端相连，所述MCU控制器通过控制所述反馈电阻网络调节所述升压芯片的输出电压。

可选地，所述反馈电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和控制开关；所述第一电阻一端通过串联一电感连接至所述升压芯片输出端，另一端连接至所述升压芯片反馈端；所述第二电阻一端连接至所述升压芯片反馈端，另一端接地；所述控制开关为单刀三掷开关，其动端连接至所述升压芯片反馈端，其不动端分别连接悬空端、所述第三电阻一端和所述第四电阻一端，所述第三电阻另一端和所述第四电阻另一端均接地，所述控制开关与所述MCU控制器的一个输出端相连，接受所述MCU控制器控制。

可选地，所述升压电路的电源输出端还设置有电容，所述电容一端连接至所述第一电阻与所述电感的连接处，另一端接地。

可选地，所述快充协议握手电路，包括快充协议握手芯片，所述快充协议握手芯片的D+引脚和D-引脚分别与所述USB充电输出接口的D+引脚和D-引脚相连，充电连接时同所述待充电设备握手，识别所述待充电设备支持的快速充电参数，所述快充协议握手芯片的三个电压反馈端分别连接一反馈电阻的一端，三个所述反馈电阻的另一端连接在一起，三个所述反馈电阻的连接端同时与所述MCU控制器的一个输入端相连、通过上拉电阻接至所述供电电路的输出端以及通过下拉电阻接地，所述快充协议握手芯片通过反馈相应的电压值将识别结果反馈给所述MCU控制器。

可选地，所述供电电路包括低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与所述输入电路相连，接收所述输入电路提供的输入电源，所述低压差线性稳压器的输出端分别与所述MCU控制器的电源端和所述快充协议握手芯片的电源端相连，为二者供电。

可选地，所述支持快充的USB集线器还包括开关电路，所述开关电路设置在所述输入电路和所述升压电路之间，包括一MOS管，所述MOS管的栅极与所述MCU控制器的一个输出端相连，接受所述MCU控制器控制，与所述升压电路一同导通或断开。

可选地，所述支持快充的USB集线器还包括指示电路，所述指示电路包括2个LED指示灯，每个LED指示灯分别与所述MCU控制器的一个输出端相连，当所述MCU控制器判断所述输入电路的采样电压达到设定阈值时，控制其中一个指示灯发光，否则，控制另一个指示灯发光。

可选地，所述输入电路连接的充电电源为USB充电器、USB充电宝或带有供电USB接口的智能终端。

本发明的有益效果是：

本发明的USB集线器包括输入电路、输出电路、升压电路、快充协议握手电路、MCU控制器和供电电路，具有识别快充充电参数的功能，能够接收多个充电电源的输入，将其功率加和，在判断电源功率能够满足待充电设备快充要求时，提供给待充电设备匹配的快充电源，实现快速充电。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种支持快充的USB集线器框图；

图2为本发明另一个实施例提供的一种支持快充的USB集线器框图；

图3为本发明一个实施例提供的一种支持快充的USB集线器的具体电路设计图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：设置能够同时接收多个电源输入的USB集线器，并在其中增设快充协议握手电路、MCU控制器和升压电路，识别被充电设备支持的快充充电参数，在MCU控制器的控制下，通过同时接收多个普通充电电源的输入，将其充电功率叠加，在判断电源功率能满足待充电设备快充要求时，提供给待充电设备匹配的快充电源，实现快速充电。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

图1为本发明一个实施例提供的一种支持快充的USB集线器框图，如图1所示，一种支持快充的USB集线器，包括输入电路110、输出电路120、升压电路130、快充协议握手电路140、MCU控制器150和供电电路160。

输入电路110，具有多个USB充电输入端口，通过多个USB充电输入端口与一个或多个充电电源相连，接收电源输入，为升压电路130和供电电路160提供输入电源。

在输入电路110内设计多个USB充电输入端口，接收多个充电电源输入，能够解决单个普通USB充电电源无法提供足够功率，不能满足待充电设备快充需求的问题。

输出电路120，具有一个USB充电输出接口，通过充电输出接口与待充电设备相连，为待充电设备提供电源输出。

供电电路160，将输入电路110提供的输入电源转化为工作电源，为快充协议握手电路140和MCU控制器150供电，以使快充协议握手电路140和MCU控制器150能够利用接入的充电电源进行正常工作。

升压电路130，将输入电路110提供的输入电源转换为与待充电设备的充电参数匹配的输出电源，通过输出电路120提供给待充电设备。

快充协议握手电路140，与输出电路120相连，充电连接时同待充电设备握手，识别待充电设备支持的快速充电参数，并将识别结果反馈给MCU控制器150。

MCU控制器150，接收快充协议握手电路140反馈的识别结果，调节升压电路130，使升压电路130的输出电源与待充电设备的充电参数匹配；以及，在输入电路110连接的充电电源数量发生变化时，例如连接的充电电源数量从无变有或者从少变多，则控制升压电路130导通，并检测输入电路110的采样电压，判断输入电路110的采样电压是否达到设定阈值，若是，则维持升压电路130导通，为输出电路120提供输出电源，若否，则控制升压电路130断开，停止为输出电路120提供输出电源。

通过本发明的支持快充的USB集线器，可以利用多个普通的充电器对支持快充协议的快充设备进行快速充电，而不需要专门的快充充电器，适用范围广，能有效解决普通充电器充电过慢的问题。

其中，输入电路110连接的充电电源可以为普通的5V/1A或5V/0.5AUSB充电器，也可以是常见的USB充电宝或带有供电USB接口的智能终端。例如，在外出游玩时，利用多个充电宝连接本发明的USB集线器，实现对手机等快充设备的快速充电，解决外出远行时没有市电，不能实现设备快充的问题；或者，通过将电脑上的多个USB接口与本发明的USB集线器相连，利用电脑的多个USB接口实现快充，解决现有的电脑接口充电过慢的问题。

具体地，图3提供了本发明一种支持快充的USB集线器的具体电路设计图，其中芯片U3为MCU控制器150。

参考图3，输入电路110包括5个USB充电输入接口，分别为Micro USB_1、MicroUSB_2、Micro USB_3、Micro USB_4和Micro USB_5，每个USB充电输入接口通过串联一个保护二极管连接到一起，保护二极管的编号分别为D1、D2、D3、D4和D5；输入电路110还包括10个采样电阻：R1、R2；R3、R4；R5，R6；R7、R8；R9、R10，每个USB充电输入接口通过两个串联的采样电阻接地，两个采样电阻的连接处与MCU控制器U3的一个输入端相连，接受MCU控制器U3的采样电压检测。

MCU控制器U3通过检测两个采样电阻连接处的电压，即可判断出对应的充电输入端口是否插入有电源，以及插入的电源功率是否足够对负载进行快充。例如，通过判断图中采样点A——E处的电压值是否高于0V，即可判断出对应的充电端口是否连接有充电电源；在充电电路导通时，通过判断采样点A——E处的电压是否大于或等于设定阈值，例如对于5V充电电源设定4.8V为阈值，来判断充电电源是否满足待充电设备的功率要求。

优选地，升压电路130，包括升压芯片U1和反馈电阻网络，升压芯片U1的使能端EN与MCU控制器U3的一个输出端OUT_1相连，接受MCU控制器U3控制；反馈电阻网络与升压芯片U1的反馈端FB相连，MCU控制器U3通过控制反馈电阻网络调节升压芯片U1的输出电压。

具体地，反馈电阻网络包括第一电阻R11、第二电阻R12、第三电阻R13、第四电阻R14和控制开关SW；第一电阻R11一端通过串联一电感L连接至升压芯片U1的输出端LX，另一端连接至升压芯片U1反馈端FB；第二电阻R12一端连接至升压芯片U1的反馈端FB，另一端接地；控制开关SW为单刀三掷开关，其动端连接至升压芯片U1反馈端FB，其不动端分别连接悬空端(0位置处)、第三电阻R13一端(2位置处)和第四电阻R14一端(1位置处)，第三电阻R13另一端和第四电阻R14另一端均接地，控制开关SW与MCU控制器U3的一个输出端OUT_2相连，接受MCU控制器U3控制，切换到不同位置。

初始状态，控制开关SW打在0位置处，此时仅R12连接在升压芯片U1的反馈端FB和地之间，升压芯片U1输出5V电压；当MCU控制器U3控制SW打至1位置时，R12和R14并联后接在反馈端FB和地之间，此时升压芯片U1输出9V电压；当MCU控制器U3控制SW打至2位置时，R12和R13并联后接在反馈端FB和地之间，此时升压芯片U1输出12V电压，从而满足待充电设备的不同电压需求。其中，控制开关SW可采用市面上常见的开关芯片实现，在此不再赘述。

优选地，升压电路130的电源输出端还设置有电容COUT，电容COUT一端连接至第一电阻R11与电感L的连接处，另一端接地。通过电容COUT和电感L的充放电实现升压，电容COUT还具有稳压作用，将升压后的电源平稳地输出给待充电负载。

优选地，快充协议握手电路140，包括快充协议握手芯片U4，如图3所示，本实施例电路中采用的快充协议握手芯片为高通QC2.0快速充电协议识别芯片FP6600，快充协议握手芯片U4的D+引脚和D-引脚分别与USB充电输出接口的D+引脚和D-引脚相连，充电时同待充电设备握手，识别待充电设备支持的充电参数，本实施例中具体识别待充电设备支持的电压，快充协议握手芯片U4的三个电压反馈端VSEN1、VSEN2和VSEN3分别连接反馈电阻RSEN1、RSEN2和RSEN3的一端，三个反馈电阻的另一端连接在一起，三个反馈电阻的连接端同时与MCU控制器U3的一个输入端ADI_6相连、通过上拉电阻R15和RVCO接至供电电路的输出端(图中U2输出端)以及通过下拉电阻R16接地，快充协议握手芯片U4通过反馈相应的电压值将识别结果反馈给MCU控制器U3。

MCU控制器U3通过对H点电压进行采样，即可判断出快充设备支持的快充电压，例如5V、9V或者12V的快充，MCU控制器U3根据H点的采样电压控制反馈电阻网络的控制开关SW开关动作，将升压电路的输出电压调整为与待充电设备匹配的电压。

当然，在本实施例电路图设计的基础上，也可替换采用其他型号的快充协议握手芯片，并相应地改变升压电路的反馈电阻网络，实现不同快充协议下的快充，例如QC3.0快充，或者，也可以是PD协议的快充等，相应的快充握手芯片市面有售，在此不再赘述。

优选地，供电电路160包括低压差线性稳压器U2(Low Dropout Regulator，简称LDO)，低压差线性稳压器U2的输入端IN与输入电路110相连，接收输入电路110提供的输入电源，低压差线性稳压器U2的输出端OUT分别与MCU控制器U3的电源端VDD和快充协议握手芯片U4的电源端VDD相连，为二者供电。例如，通过低压差线性稳压器U2，将输入电路提供的5V电压转换为3.3V，供给MCU控制器U3和快充协议握手芯片U4使用。

实施例2

图2为本发明另一个实施例提供的一种支持快充的USB集线器框图。在本实施例中，支持快充的USB集线器还包括开关电路170，开关电路170设置在输入电路110和升压电路130之间。

具体地，再次参考图3，开关电路170包括一MOS管Q，MOS管Q的栅极与MCU控制器150的一个输出端OUT_5相连，接受MCU控制器150控制，与升压电路130一同导通或断开，从而更可靠的保证充电电路的通断，进一步降低在升压芯片U1关闭时的漏电流。

在实施例2中，支持快充的USB集线器还包括指示电路180。

具体地，参考图3，指示电路180包括2个LED指示灯LED_red和LED_green，分别设置为红色和绿色，两个LED指示灯分别与MCU控制器150的输出端OUT_3和OUT_4相连，当MCU控制器150判断输入电路110的采样电压达到设定阈值时，控制其中一个指示灯发光，例如控制LED_green点亮，表示此时可以正常对负载充电，否则，控制另一个指示灯发光，例如控制LED_red点亮，表示此时插入的充电器个数不够，功率不足，不足以对负载进行快充。

结合图3，具体说明本发明支持快充的USB集线器的工作流程：

当通过本发明的支持快充的USB集线器将普通充电电源和待充电设备相连时，U4通过D+，D-与待充电设备进行握手识别，判断设备是否支持QC2.0快充，并且判断支持的快充电压是多少。

U4与负载设备握手成功后会根据识别的结果调节H点的电压值，MCU控制器U3通过对H点电压进行采样即可判断出设备支持的快充电压，MCU控制器U3根据H点的采样电压控制SW开关动作，将SW打到相应位置后，MCU控制器U3通过输出端OUT_1将开关管Q打开，同时通过输出端OUT_5使U1工作。此时，输入端的Micro USB充电输入端口、开关管Q和升压芯片U1构成USB集线器内完整的充电线路。

由于QC2.0支持的充电功率远大于普通充电器输出功率，输入端Micro USB端口插入的普通充电器可能存在功率不足的问题，无法正常供电，那么此时需要插入多个普通充电器对设备进行并行充电。MCU控制器U3通过检测A点、B点、C点、D点、E点电压判断对应的Micro USB端口是否插入有充电器，当对应检测点的电压为零时，表示该Micro USB端口没有插入充电器。

假设，此时是在Micro USB_1接口插入了一个5V/500mA的普通充电器，U4判断出负载为9V/2A的快充接口，MCU控制器U3将SW打到1位置匹配升压电路输出9V电压，并打开关管Q和U1，导通充电线路，此时由于单个充电器功率不足，A点处电压将会被拉低，MCU控制器U3根据A点处电压采样值与设定阈值比较，判断电压达不到设定阈值，则通过OUT_5和OUT_1将开关管Q关断和U1关断，此时，Micro USB_1输入与输出断开，并且，MCU控制器U3将LED_red点亮，表示此时插入的充电器个数不够，功率不足，不足以对负载进行快充。

当在输入端再插入一个充电器时，即此时Micro USB_1和Micro USB_2均有充电器，MCU控制器U3首先打开开关管Q和U1，此时，Micro USB_1，Micro USB_2，Q，U1到负载构成一条完整的充电线路。

待该条充电线路连通后，MCU控制器U3对A、B点电压进行检测，如果这两点电压在正常范围内，MCU控制器U3将LED_green点亮，表示此时可以正常对负载充电；如果检测到A、B点电压仍然过低，MCU控制器U3仍将LED_red点亮，并将开关管Q断开，U1断开，此时需要再插入充电器。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种支持快充的USB集线器，其特征在于，包括输入电路、输出电路、升压电路、快充协议握手电路、MCU控制器和供电电路；

所述输入电路，具有多个USB充电输入端口，通过所述多个USB充电输入端口与一个或多个充电电源相连接收电源输入，为所述升压电路和所述供电电路提供输入电源；

所述输出电路，具有一个USB充电输出接口，通过所述充电输出接口与待充电设备相连，为所述待充电设备提供电源输出；

所述供电电路，将所述输入电路提供的输入电源转化为工作电源，为所述快充协议握手电路和所述MCU控制器供电；

所述升压电路，将所述输入电路提供的输入电源转换为与所述待充电设备支持的快速充电参数相匹配的输出电源，通过所述输出电路提供给所述待充电设备；

所述快充协议握手电路，与所述输出电路相连，充电连接时同所述待充电设备握手，识别所述待充电设备支持的快速充电参数，并将识别结果反馈给所述MCU控制器；

所述MCU控制器，接收所述快充协议握手电路反馈的识别结果，调节所述升压电路，使所述升压电路的输出电源与所述待充电设备支持的快充电参数匹配；以及，在所述输入电路连接的充电电源数量发生变化时，控制所述升压电路导通，并检测所述输入电路的采样电压，判断所述输入电路的采样电压是否达到设定阈值，若是，则维持所述升压电路导通，为所述输出电路提供输出电源，若否，则控制所述升压电路断开，停止为所述输出电路提供输出电源。

2.如权利要求1所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述输入电路的每个USB充电输入接口通过串联一个保护二极管连接到一起；每个USB充电输入接口还通过两个串联的采样电阻接地，两个采样电阻的连接处与所述MCU控制器的一个输入端相连，接受所述MCU控制器的采样电压检测。

3.如权利要求1所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述升压电路，包括升压芯片和反馈电阻网络，所述升压芯片的使能端与所述MCU控制器的一个输出端相连，接受所述MCU控制器控制；所述反馈电阻网络与所述升压芯片的反馈端相连，所述MCU控制器通过控制所述反馈电阻网络调节所述升压芯片的输出电压。

4.如权利要求3所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述反馈电阻网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和控制开关；所述第一电阻一端通过串联一电感连接至所述升压芯片输出端，另一端连接至所述升压芯片反馈端；所述第二电阻一端连接至所述升压芯片反馈端，另一端接地；所述控制开关为单刀三掷开关，其动端连接至所述升压芯片反馈端，其不动端分别连接悬空端、所述第三电阻一端和所述第四电阻一端，所述第三电阻另一端和所述第四电阻另一端均接地，所述控制开关与所述MCU控制器的一个输出端相连，接受所述MCU控制器控制。

5.如权利要求4所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述升压电路的电源输出端还设置有电容，所述电容一端连接至所述第一电阻与所述电感的连接处，另一端接地。

6.如权利要求1所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述快充协议握手电路，包括快充协议握手芯片，所述快充协议握手芯片的D+引脚和D-引脚分别与所述USB充电输出接口的D+引脚和D-引脚相连，充电连接时同所述待充电设备握手，识别所述待充电设备支持的快速充电参数，所述快充协议握手芯片的三个电压反馈端分别连接一反馈电阻的一端，三个所述反馈电阻的另一端连接在一起，三个所述反馈电阻的连接端同时与所述MCU控制器的一个输入端相连、通过上拉电阻接至所述供电电路的输出端以及通过下拉电阻接地，所述快充协议握手芯片通过反馈相应的电压值将识别结果反馈给所述MCU控制器。

7.如权利要求6所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述供电电路包括低压差线性稳压器，所述低压差线性稳压器的输入端与所述输入电路相连，接收所述输入电路提供的输入电源，所述低压差线性稳压器的输出端分别与所述MCU控制器的电源端和所述快充协议握手芯片的电源端相连，为二者供电。

8.如权利要求1所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述支持快充的USB集线器还包括开关电路，所述开关电路设置在所述输入电路和所述升压电路之间，包括一MOS管，所述MOS管的栅极与所述MCU控制器的一个输出端相连，接受所述MCU控制器控制，与所述升压电路一同导通或断开。

9.如权利要求1所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述支持快充的USB集线器还包括指示电路，所述指示电路包括2个LED指示灯，每个LED指示灯分别与所述MCU控制器的一个输出端相连，当所述MCU控制器判断所述输入电路的采样电压达到设定阈值时，控制其中一个指示灯发光，否则，控制另一个指示灯发光。

10.如权利要求1所述的支持快充的USB集线器，其特征在于，所述输入电路连接的充电电源为USB充电器、USB充电宝或带有供电USB接口的智能终端。