CN108599309B

CN108599309B - 多口usb快充电路

Info

Publication number: CN108599309B
Application number: CN201810495986.2A
Authority: CN
Inventors: 张昌山; 谢江华; 王发刚; 罗强
Original assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: TW202004512A; CN108599309A; TWI684871B

Abstract

本发明公开了一种多口USB快充电路，包括快充协议电路和两个以上普充协议电路，每个普充协议电路的ID脚与快充协议电路的VDET脚连接，快充协议电路的VDET脚经由检测电阻RDET连接到参考地，其中：当任意一个普充协议电路连接的USB输出口插入有充电设备时，该普充协议电路的ID脚输出电流Id，电流Id流过检测电阻RDET并在检测电阻RDET上产生电压VDET＝Rd*Id，Rd是检测电阻RDET的阻值；当快充协议电路通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压VDET大于或等于Id*Rd时，将多口USB快充电路的输出电压强制拉低而不支持快充功能；当快充协议电路通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压VDET小于Id*Rd时，对多口USB快充电路的输出电压进行升降压以支持快充功能。

Description

多口USB快充电路

技术领域

本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种多口USB快充电路。

背景技术

传统的多口通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)快充电路主要分为三种(以两口USB快充电路为例)：

1)采用一大一小两个变压器分别给两个USB输出口供电，其中，大变压器支持快充功能，小变压器支持普充功能。这里，两路输出分别为独立完整的电路，所有原副边控制电路及元器件均需要2套，成本较高。

2)采用一个变压器同时给两个USB输出口供电，其中，变压器有2个输出绕组，每个输出绕组连接1路降压电路，两路输出根据搭配的协议电路的不同分别支持快充功能和普充功能。这里，变压器需要2个输出绕组，增加了变压器成本；每个输出绕组连接1路降压电路，每路输出需要额外增加一个大电感，成本较高。

3)采用一个变压器同时给两个USB输出口供电，其中，变压器有1个输出绕组，两路输出并联连接到该输出绕组，一路搭配普充协议电路支持普充功能，另一路搭配快充协议电路支持快充功能。这里，由于两路输出并联连接，该两路输出的输出电压一致，因此在一个USB输出口插入有快充设备并且该路输出的输出电压响应于快充协议电路而上升到9V或12V的同时在另一USB输出口插入普充设备的情况下，如果不将该两路输出的输出电压降到5V以下，则会存在损坏普充设备的风险。

在第三种多口USB快充电路中，为了避免损坏普充设备，当有2个以上USB输出口插入有充电设备时，需要将各路输出的输出电压强制拉回5V。因此，需要在这种多口USB快充电路中添加输出口检测电路。

图1示出了包括输出口检测电路的两口USB快充电路中实现输出口检测功能的电路部分的电路原理图。如图1所示，每个USB输出口有EN、vBUS、D-、D+、GND五个引脚；当某个USB输出口没有插入充电设备时，该USB输出口的EN脚悬空；当某个USB输出口插入有充电设备时，该USB输出口的EN脚短接到GND脚从而输出低电平；输出口检测电路有Gate、DET_EN2、EN_OUT、DET_EN1四个引脚；输出口检测电路通过DET_EN1脚和DET_EN2脚分别检测USB输出口1和USB输出口2的EN脚输出的电平信号，从而判断USB输出口1和USB输出口2是否插入有充电设备；当检测到来自USB输出口1和USB输出口2的EN脚的电平信号均为低电平时，输出口检测电路判定这两个USB输出口都插入有充电设备；此时，输出口检测电路通过EN_OUT脚向快充协议电路1和快充协议电路2输出低电平以禁用这两个快充协议电路，同时通过Gate脚控制分别与USB输出口1和USB输出口2的VBUS引脚连接的2个功率开关关断直至这两个USB输出口的输出电压降到5V再导通，以保护这两个USB输出口上插入的充电设备。

相比第一种和第二种多口USB快充电路，虽然第三种多口USB快充电路需要的变压器、变压器的输出绕组、以及降压电路较少，但是需要额外增加输出口检测电路，因此成本优势并不明显。

发明内容

鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种多口USB快充电路。

根据本发明实施例的多口USB快充电路，包括快充协议电路和两个以上普充协议电路，每个普充协议电路的ID脚与快充协议电路的VDET脚连接，快充协议电路的VDET脚经由检测电阻RDET连接到参考地，其中：当任意一个普充协议电路连接的USB输出口插入有充电设备时，普充协议电路的ID脚输出电流Id，电流Id流过检测电阻RDET并在检测电阻RDET上产生电压VDET＝Rd*Id，Rd是检测电阻RDET的阻值；当快充协议电路通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压VDET大于或等于Id*Rd时，将多口USB快充电路的输出电压强制拉低而不支持快充功能；当快充协议电路通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压VDET小于Id*Rd时，对多口USB快充电路的输出电压进行升降压以支持快充功能。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了包括输出口检测电路的两口USB快充电路中实现输出口检测功能的电路部分的电路原理图。

图2示出了根据本发明实施例的多口USB快充电路中实现输出口检测功能的电路部分的电路原理图。

图3示出了根据本发明实施例的多口USB快充电路的电路原理图。

图4和图5分别示出了图3所示的普充协议电路实现对输出电流的限流功能的两种方式的工作原理图。

图6示出了根据本发明另一实施例的多口USB快充电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

为了解决上述问题，本发明提出了一种多口USB快充电路，其中，只采用一个变压器，变压器只有一个输出绕组，多路输出并联连接到该输出绕组，完全依靠快充协议电路与普充协议电路之间的通讯而无需专门的输出口检测电路来实现USB输出口检测，具有成本低、可靠性好、使用灵活的特点。

图2示出了根据本发明实施例的多口USB快充电路中实现输出口检测功能的电路部分的电路原理图。如图2所示，根据本发明实施例的多口USB快充电路包括一个快充协议电路和N个普充协议电路(即，普充协议电路1至N，N是大于1的整数)；每个普充协议电路的EN脚、VOUT脚、D-脚、和D+脚分别与相应USB输出口的EN脚、VBUS脚、D-脚、和D+脚连接；每个普充协议电路的GND脚连接到参考地；每个普充协议电路的ID脚与快充协议电路的VDET脚连接；快充协议电路的VDET脚经由检测电阻RDET(阻值为Rd)连接到参考地。

如图2所示，当普充协议电路1至n(n是大于0且小于或等于N的整数)连接的USB输出口均插入有充电设备时，普充协议电路1至n的EN脚会检测到低电平，并且普充协议电路1至n的ID脚会输出电流Id1至Idn，Id1＝Id2＝…Idn＝Id；电流Id1至Idn流经检测电阻RDET并在检测电阻RDET上产生电压VDET＝Rd(Id1+Id2+..Idn)，即VDET＝n*Rd*Id；快充协议电路根据检测电阻RDET上的电压VDET可以确定当前有多少USB输出口插入有充电设备；当检测电阻RDET上的电压VDET≥Rd*Id时，快充协议电路将多口USB快充电路的输出电压强制拉低到5V；此时，多口USB快充电路不支持快充功能。

图3示出了根据本发明实施例的多口USB快充电路的电路原理图。如图3所示，根据本发明实施例的多口USB快充电路包括AC输入整流电路302、原边控制电路304、副边同步整流电路306、快充协议电路308、普充协议电路310-1和310-2(统称为普充协议电路310)、以及USB输出口设备插入检测电路312。

这里，需要说明的是，虽然图3仅示出了多口USB快充电路包括一个快充协议电路308和两个普充协议电路310的情况，但是结合图3描述的工作原理也可以应用于包括一个快充协议电路308、以及两个以上普充协议电路310的多口USB快充电路。

在图3所示的多口USB快充电路中，USB输出口设备插入检测电路312完全依靠快充协议电路308与普充协议电路310之间的通讯来检测USB输出口是否插入有充电设备。这里，快充协议电路308既能够识别快充设备支持的快充协议也能够识别普充设备支持的普充协议，并且能够通过光耦将变压器的副边侧的电压和/或电流信息反馈给变压器的原边侧的初级控制器，从而控制多口USB快充电路的输出电压和/或输出电流。相比传统的快充协议电路，快充协议电路308增加了一个VDET脚和一个SEL脚，其中：

快充协议电路308通过VDET脚来检测普充协议电路310连接的USB输出口是否插入有充电设备。如果快充协议电路308通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压VDET大于或等于Id*Rd，则快充协议电路308判定普充协议电路310连接的USB输出口插入有充电设备，强制将多口USB快充电路的输出电压在时间Tf内拉回5V，根据最大允许的输出功率将输出电流切换到相应的较大值，且关闭快充协议检测，此后只支持普充协议。如果快充协议电路308通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压VDET小于Id*Rd，则快充协议电路308判定普充协议电路310连接的USB输出口没有插入充电设备，恢复快充协议检测，根据实际需要对输出电压进行升降压，并根据最大允许的输出功率将输出电流切换到较小值。

快充协议电路308通过SEL脚来进行功率选择。在SEL脚浮接的情况下，多口USB快充电路的输出电压和输出电流受VDET脚控制，即多口USB快充电路的输出功率受VDET脚控制。在SEL脚接地的情况下，多口USB快充电路的输出功率不受VDET脚控制，维持为一个定值。

在图3所示的多口USB快充电路中，普充协议电路310能够识别普充设备支持的普充协议并能够实现对多口USB快充电路的输出电流的限流功能。图4和图5示出了图3所示的普充协议电路实现对多口USB快充电路的输出电流的限流功能的两种方式的工作原理图。

如图4所示，普充协议电路310可以通过其内置的功率开关的导通电阻Rds_on来进行电流检测，从而实现一定的限流功能。图4所示的普充协议电路实现限流功能的具体过程如下：当普充协议电路内置的功率开关导通时，多口USB快充电路针对该普充协议电路所在的输出线路的输出电流Io完全流过该功率开关的导通电阻；功率开关的导通电阻上的压降为Io*Rds_on；如果功率开关的导通电阻上的压降Io*Rds_on大于第一过流判定电压，则表明输出电流Io超过最大输出电流；此时，普充协议电路310控制功率开关关断以保护普充协议电路不会被过流损坏。该限流方式不需要增加额外的检测电阻，但精度受普充协议电路内置的功率开关的导通电阻的精度的影响。

如图5所示，普充协议电路310可以另外包括一个VSNS脚，并通过检测VSNS脚连接的限流电阻RSNS上的压降来实现精确的限流功能。图5所示的普充协议电路实现限流功能的具体过程如下：当普充协议电路内置的功率开关导通时，多口USB快充电路针对该普充协议电路所在的输出线路的输出电流Io经由限流电阻RSNS流过该功率开关的导通电阻；限流电阻RSNS上的压降为Io*RSNS；如果限流电阻RSNS上的压降Io*RSNS大于第二过流判定电压，则表明输出电流Io超过最大输出电流；此时，普充协议电路310控制功率开关关断以保护普充协议电路不会被过流损坏。

在图3所示的多口USB快充电路中，当普充协议电路连接的USB输出口插入有充电设备时，普充协议电路的EN脚会检测到低电平，此时普充协议电路会同时执行2个动作：1)经由ID脚输出电流Id给快充协议电路308的VDET脚，使得快充协议电路308在时间Tf内将输出电压下拉到5V；2)在时间Tf内控制其内置的功率开关关断，以保护普充协议电路连接的USB输出口上插入的充电设备不被高压损坏(当输出电压还未降到5V时)，并且在经过时间Tf后再控制其内置的功率开关导通给充电设备供电。

图6示出了根据本发明另一实施例的多口USB快充电路的电路原理图。如图6所示，根据本发明另一实施例的多口USB快充电路包括AC输入整流电路602、原边控制电路604、副边同步整流电路606、快充协议电路608、普充协议电路610-1和610-2(统称为普充协议电路610)、以及USB口设备插入检测电路612。

这里，需要说明的是，虽然图6仅示出了多口USB快充电路包括一个快充协议电路608和两个普充协议电路610的情况，但是结合图6描述的工作原理也可以应用于包括一个快充协议电路608、以及两个以上普充协议电路610的多口USB快充电路。

在图6所示的多口USB快充电路中，USB输出口设备插入检测电路612同样完全依靠快充协议电路608与普充协议电路610之间的通讯来检测USB输出口是否插入有充电设备。这里，快充协议电路608既能够识别快充设备的快充协议也能够识别普充设备的普充协议。相比图3所示的快充协议电路308，快充协议电路608多了SD_A、SD_B、和EN_DET三个功能脚，其中：

快充协议电路608通过SD_A脚控制与USB1输出口连接的功率开关的导通和关断，通过SD_B脚控制普充协议电路610内置的功率开关的导开和关断，并通过EN_DET脚检测USB1输出口是否插入有充电设备。如果USB1输出口插入有充电设备，则流过检测电阻RDET上的电流为Id，快充协议电路608通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压为Id*Rd，此时若有另一USB输出口插入有充电设备，则快充协议电路608的VDET脚上的电压为2*Id*Rd，此时快充协议电路608可以判定有2个USB输出口插入有充电设备。

图6所示的多口USB快充电路实现多口快充的具体过程如下：1)当USB1输出口插入有充电设备时，快充协议电路608根据经由其自身的DN和DP脚以及USB1输出口的D+、D-脚接收到的信号来识别充电设备的充电协议，此时若其他USB输出口插入有充电设备，快充协议电路608通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压大于或等于2*Id*Rd，通过SD_A和SD_B脚控制各个USB输出口连接的功率开关关断，在Tf时间内将输出电压下拉到5V，然后再控制各个USB输出口连接的功率开关导通。此后，快充协议电路608只能识别普充协议，同时各个普充协议电路610也可以根据经由其D+、D-脚接收到的信号来智能识别普充协议。2)当USB1输出口没有插入充电设备、而其他任一USB输出口插入有充电设备时，快充协议电路608可以根据经由其自身的DP、DN脚、普充协议电路610的DP、DN脚、以及充电设备的D+、D-脚接收到的信号来识别充电设备的快充协议，这样做的目的是防止充电设备的D+、D-直接短接而损坏。若此时有第二个充电设备插入到多口USB快充电路的其他USB输出口，快充协议电路608可以通过VDET脚检测到检测电阻RDET上的电压大于或等于2*Id*Rd，并可以通过SD_A和SD_B脚控制各个USB输出口连接的功率开关关断，在Tf时间内将输出电压下拉到5V，然后再控制各个USB输出口连接的功率开关导通。此后，快充协议电路608只能识别普充协议，同时各个普充协议电路610也可以根据经由其D+、D-脚接收到的信号来智能识别普充协议。

普充协议电路610也具有对于多口USB快充电路的输出电流的限流功能。与普充协议电路310类似，普充协议电路610的内置功率开关也具有一定的限流作用。相比普充协议电路310，普充协议电路610多了DN、DP和SD三个功能脚，其中：DN、DP和D+、D-四个功能脚主要用于将来自充电设备的D+、D-脚的信号传输给快充协议电路608，用于识别快充协议并进行升降压操作；同时，DN、DP和D+、D-脚之间隔离，防止各个USB输出口之间的充电设备的D+、D-脚短接在一起而出现风险；SD脚用于普充协议电路610的内置功率开关的栅极驱动，快充协议电路608的SD_B脚输出的信号提供给普充协议电路610的SD脚，作为普充协议电路610的内置功率开关的栅极驱动信号，负责控制普充协议电路610的内置功率开关的导通与关断。

在根据本发明实施例的多口USB快充电路中，只采用一个变压器，多路输出并联工作，不需额外增加输出口检测电路来实现多口快充的目的，具有成本低、电路结构简单的特点。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims

1.一种多口USB快充电路，包括快充协议电路和两个以上普充协议电路，每个普充协议电路的ID脚与所述快充协议电路的VDET脚连接，所述快充协议电路的VDET脚经由检测电阻RDET连接到参考地，其中：

当任意一个普充协议电路连接的USB输出口插入有充电设备时，所述普充协议电路的ID脚输出电流Id，所述电流Id流过所述检测电阻RDET并在所述检测电阻RDET上产生电压VDET＝Rd*Id，Rd是所述检测电阻RDET的阻值；

当所述快充协议电路通过VDET脚检测到所述检测电阻RDET上的电压VDET大于或等于Id*Rd时，将所述多口USB快充电路的输出电压强制拉低而不支持快充功能；

当所述快充协议电路通过VDET脚检测到所述检测电阻RDET上的电压VDET小于Id*Rd时，对所述多口USB快充电路的输出电压进行升降压以支持快充功能。

2.如权利要求1所述的多口USB快充电路，其中，所述快充协议电路还具有SEL脚，在SEL脚浮接的情况下，所述多口USB快充电路的输出电压和输出电流受所述快充协议电路的VDET脚控制，在SEL脚接地的情况下，所述多口USB快充电路的输出功率不受所述快充协议电路的VDET脚控制。

3.如权利要求1所述的多口USB快充电路，其中，所述普充协议电路具有内置的功率开关，当所述功率开关导通时所述多口USB快充电路针对所述普充协议电路所在的输出线路的输出电流完全流过所述功率开关的导通电阻，当所述功率开关的导通电阻上的压降大于第一过流判定电压时，所述普充协议电路控制所述功率开关关断。

4.如权利要求1所述的多口USB快充电路，其中，所述普充协议电路具有VSNS脚和内置的功率开关，限流电阻RSNS经由VSNS脚连接到所述普充协议电路，所述VSNS脚用于检测所述限流电阻RSNS上的压降，当所述功率开关导通时所述多口USB快充电路针对所述普充协议电路所在的输出线路的输出电流经由所述限流电阻RSNS流过所述功率开关的导通电阻，当所述限流电阻RSNS上的压降大于第二过流判定电压时，所述普充协议电路控制所述功率开关关断。

5.如权利要求1所述的多口USB快充电路，其中，当所述普充协议电路连接的USB输出口插入有充电设备时，所述普充协议电路同时执行以下2个动作：1)经由ID脚输出电流Id给所述快充协议电路的VDET脚，使得所述快充协议电路在预定时间内将所述多口USB快充电路的输出电压强制拉低；2)在所述预定时间内控制所述普充协议电路的内置的功率开关关断，并在经过所述预定时间后控制所述普充协议电路的内置的功率开关导通。

6.如权利要求1所述的多口USB快充电路，其中，所述普充协议电路还具有DN和DP脚，所述快充协议电路还具有DN和DP脚，所述快充协议电路经由其自身的DN和DP脚、所述普充协议电路的DN和DP脚、以及所述普充协议电路连接的USB输出口的D-和D+脚检测插入所述USB输出口的充电设备的充电协议。

7.如权利要求6所述的多口USB快充电路，其中，所述快充协议电路还具有EN_DET脚，所述快充协议电路通过EN_DET脚检测所述快充协议电路连接的USB输出口是否插入有充电设备。

8.如权利要求7所述的多口USB快充电路，其中，所述快充协议电路还具有SD_A和SD_B脚，所述普充协议电路还具有SD脚，所述快充协议电路经由SD_B脚和所述普充协议电路的SD脚控制所述普充协议电路的内置的功率开关的导通与关断，并通过SD_A脚控制与所述快充协议电路连接的USB输出口连接的功率开关的导通与关断。

9.如权利要求8所述的多口USB快充电路，其中，当所述快充协议电路连接的USB输出口插入有充电设备并且所述两个以上普充协议电路连接的USB输出口均没有插入充电设备时，流过所述检测电阻RDET的电流为Id，所述快充协议电路通过VDET脚检测到所述检测电阻RDET上的电压为Id*Rd，此时所述快充协议电路对所述多口USB快充电路的输出电压进行升降压以支持快充功能。

10.如权利要求8所述的多口USB快充电路，其中，当所述两个以上普充协议电路连接的USB输出口中的至少一个USB输出口以及所述快充协议电路连接的USB输出口均插入有充电设备时，所述快充协议电路通过VDET脚检测到所述检测电阻RDET上的电压大于或等于2*Id*Rd，此时所述快充协议电路将所述多口USB快充电路的输出电压强制拉低，经由SD_A和SD_B脚在预定时间内分别控制所述快充协议电路连接的USB输出口连接的功率开关和所述普充协议电路的内置的功率开关关断，并在经过所述预定时间后分别控制所述快充协议电路连接的USB输出口连接的功率开关和所述普充协议电路的内置的功率开关导通。