CN109155533B - 快速导通电力开关 - Google Patents

Abstract

在所描述的实例中，响应于外部电力端子(VBUS)处的电压下降到安全限制以下：电荷泵(40)以第一频率操作以在电荷泵节点(VCP)处产生电压；且第一受控电流从所述电荷泵节点(VCP)耦合到电力开关晶体管(30₁、30₂)的控制端子。所述电力开关晶体管(30₁、30₂)具有耦合在所述外部电力端子(VBUS)与内部电力端子(V_SRC)之间的传导路径，内部电力源连接在所述内部电力端子处。响应于在所述外部电力端子(VBUS)处的所述电压达到选定电平：所述电荷泵(40)以低于所述第一频率的第二频率操作；且低于所述第一受控电流的第二受控电流从所述电荷泵节点(VCP)耦合到所述电力开关晶体管(30₁、30₂)的所述控制端子。

Description

快速导通电力开关

技术领域

本发明大体上涉及电子系统与装置彼此的介接的集成电路，且更特定来说涉及用于从连接装置接收电力及向连接装置提供电力的接口电路。

背景技术

近年来，随着根据各种通用串行总线(USB)标准的缆线、连接器及控制器的广泛实施，各种电子系统的接口变得更加标准化。广泛范围的现代装置及系统(特别是用于消费型及办公室用途的装置及系统)现在可通过USB接口轻松地相互介接以传达数据，并且在某些情况下，允许一个USB装置为另一USB装置供电。实际上，USB用于从壁式充电器或从主机装置(例如，桌上型或膝上型计算机)为许多现代智能手机的电池充电。

已经开发USB C型(或“USB-C”)接口，其提供超过常规USB接口(例如，USB 1.0、USB2.0)的许多改进，此类改进包含可逆缆线、“可翻转”插头(即，可在任一定向上插入的插头)及更高电平的电力递送，同时维持与USB 2.0数据通信的向后兼容性。USB C型接口允许给定端口充当“面向下游端口”(DFP)，如在主机装置处，或充当“面向上游端口”(UFP)，如在附件装置处。与常规USB连接器(其中插头的形状识别哪个装置是主机且哪个是附件)相比，USB C型连接器的两个“通道配置”(“CC”)引脚电气地建立主机-附件关系以用于数据及控制通信。更具体来说，主机装置具有耦合到CC引脚的上拉电阻器，而附件装置具有耦合到所述引脚的下拉电阻器；监测这些CC引脚处的电压允许装置检测与另一装置的连接，以及还有所述连接的主机-附件关系。USB C型还定义“双角色端口”(DRP)，其可充当DFP或UFP，具体取决于其所连接的装置的角色。通过交替识别为DFP且接着UFP直到达到稳定状态的装置来执行DRP方向的识别。某些DRP具有优先的DFP或UFP状态，以促进在两个DRP相互连接时进行协商。

USB C型标准为单个充电器提供安全及快速地为数个不同装置充电的潜力，所述装置包含膝上型计算机、智能电话、平板计算机、照相机及任何数目个其它功能。举例来说，在USB C型下的电力递送选项下，所述选项被命名为USB PD(“PD”意指“电力递送”)，高达100W的电力递送是可能的，从而促进从所述单个充电器对各种各样的电池供电装置的快速充电。在此USB PD选项下，给定端口可用作：(a)电力的“提供者”或“源”，例如在充电器处；或(b)电力的“消耗者”或“信宿”，例如由电力提供者正在充电的电池。主机装置及源-信宿关系不需要在装置之间共同对准，使得用于数据及控制目的的主机可为正在充电的装置(即，用于电力目的信宿)。用于USB PD下的电力递送的源-宿关系的识别及协商由每一装置中在USB-C端口处的控制器电路执行。更具体来说，此控制器电路检测USB C型连接器的CC引脚处的电流流动方向，以识别USB-C连接的源-宿电力转移关系。在识别角色之后，接着通过在CC引脚处的选定上拉电阻器或电流源值的其耦合由“宣告”其输出电力能力的源装置在USB PD下协商比默认USB-C电平(15W)更高的电力电平；相反，信宿通过将下拉电阻器耦合到其末端处的CC引脚引脚并监测电压降来检测其电流消耗电平。

在USB PD标准下，还指定“快速角色交换”(FRS)操作。此操作的目的是在从连接移除电力源时限制向电力消耗者的电力递送的中断。图1A及1B说明发生FRS的情况的实例。在图1中，主机装置2是具有USB PD功能的主机系统，例如智能手机，其在没有接收外部电力时由其电池3供电。在此实例中，主机装置2充当主机的角色，但是其也可作为附件操作(例如，当连接到桌上型或膝上型计算机时)，并且因此具有双角色USB-C端口(DRP)。在此实例中，主机2的DRP 10连接到具有USB PD功能的集线器4的双角色端口。集线器4是USB-C及USB PD标准下的常规USB集线器，并且包含用于将各种装置耦合在一起的数个端口。在此实例中，集线器4具有耦合到附件6的面向下游端口(DFP)，以及耦合到电力源8的面向上游端口(UFP)。此外，在此实例中，附件6是总线供电的附件装置，例如外部驱动器、投影仪、打印机或其它常规附件。在至少一个实例中，电力源8是壁式充电器。

USB-C线VBUS上的这些装置之间的电力连接及电力转移方向在图1A中展示(未展示数据连接)。本质上，装置之间的VBUS线通过集线器4连接在一起，使得各个端口中的每一者处的VBUS引脚处于相同的电压，如所述端口协商的那样。图1A说明在此实例中，电力源8经由集线器6向主机装置2及附件6提供电力。由电力源8提供的电力足以为电池3充电并为主机2及附件6的功能提供操作电力。此电力转移布置是如上文描述在USB PD下检测及协商的结果，从而导致VBUS电压高于USB-C标准下的特定规范限制(例如，vSafe5V)。

图1B说明与图1A中相同的系统，但在移除电力源8之后。响应于电力源8的移除，集线器4处的VBUS线处的电压将下降到规格限制以下，因为没有装置充当电力源。根据USB PD标准，集线器4将检测VBUS线上的此电压下降并使其DRP通过非接地CC线向主机装置2处的DRP发出“快速角色交换”(FRS)信号。FRS信号希望使主机2处的DRP 10快速将其自身配置为电力源而不是电力信宿，因此其电池可开始通过集线器4以最小的中断向附件6供应电力。

图1C说明图1A的布置中的主机装置2的DRP 10的一部分的一般架构，用于其识别及协商电力转移的功能。此架构通常对应于可从德州仪器公司(Texas InstrumentsIncorporated)获得的TPS65982USB C型及USB PD控制器、电力开关及高速多路复用器。如图1B中所展示，USB-C/PD控制器12包含连接到USB-C连接器的CC1及CC2引脚的可编程及定制逻辑电路，控制器12在所述引脚处检测USB-C缆线的连接及连接的定向(即，主机-附件及源-信宿)。而且，控制器12管理USB PD“合约”(即，电力源能力及电力信宿的需求)并相应地控制电力开关晶体管14a、14b。电力开关晶体管14a操作为将USB-C连接器处的VBUS线连接到主机装置2中的电力线V_SRC的电力开关，并且电力开关晶体管14b类似地操作为用于将VBUS线连接到电力线V_SNK的电力开关；栅极信号SRC_EN及SNK_EN由控制器12驱动，以相应地控制电力开关晶体管14a、14b。在此简化架构中，在确定其装置2是电力信宿时，控制器12将在线SNK_EN上发出有效电平以导通电力开关晶体管14b并且在线SRC_EN上发出无效电平以关断电力开关晶体管14a，从而将USB-C连接器处的VBUS线连接到线V_SNK，并将VBUS线与线V_SRC隔离。相反，响应于确定其装置2是电力源，控制器12在线SRC_EN上发出有效电平以导通电力开关晶体管14a并且在线SNK_EN上发出无效电平以关断电力开关晶体管14b，从而将主机装置2中的线V_SRC连接到USB-C连接器处的VBUS线，并将线V_SNK与VBUS线隔离。一些常规USB PD端口，例如由TPS65982装置支持的端口，包含支持双向电力转移的电力切换晶体管，既作为源也作为信宿。在任何情况下，主机2处的DRP将根据适当定向将下拉电阻器或上拉电阻器连接到CC线。

在图1A中所展示的状态中，图1C中的DRP端口10的控制器12是电力信宿，其中晶体管14b导通并且晶体管14a关断以使得能够从线V_SNK处的VBUS线接收电力。在例如上文相对于图1B描述的FRS事件中，主机4将通过CC1及CC2线中的一非接地者发出FRS信号。在接收到所述信号时，控制器12启动其快速角色交换过程，其包含确保其USB-C连接器处的VBUS线处于安全电压，在所述安全电压下晶体管14a、14b可被切换而不损坏主机装置2的内部电路。当检测到所述条件时，晶体管14b关断并且晶体管14a导通，从而允许主机装置2的电池通过VBUS线向附件6供给电力。

在最近的USB PD标准(通用串行总线电力递送规范，修订版3.0，V1.0a(2016年3月)，通过引用的方式并入本文中)下，150μsec是用于DRP端口从电力信宿定向切换到电力源定向并开始供给电力的从FRS指示的最大时间延迟。此激进限制需要晶体管14a的切换时间小于100μsec。大型高电压晶体管的此快速切换需要驱动电路的显著电流能力，并且可能导致不期望的高电平的浪涌电流。

发明内容

在所描述的实例中，响应于外部电力端子处的电压下降到安全限制以下：电荷泵以第一频率操作以在电荷泵节点处产生电压；且第一受控电流从所述电荷泵节点耦合到电力开关晶体管的控制端子。所述电力开关晶体管具有耦合在所述外部电力端子与内部电力端子之间的传导路径，内部电力源连接在所述内部电力端子处。响应于在所述外部电力端子处的所述电压达到选定电平：所述电荷泵以低于所述第一频率的第二频率操作；且低于所述第一受控电流的第二受控电流从电荷泵节点耦合到所述电力开关晶体管的所述控制端子。

附图说明

图1A及1B是常规电子系统的框形式的电气图，其包含主机装置、附件装置及连接所述装置的集线器，并说明在具有及不具有耦合到集线器的外部电力源的情况下的电力转移方向。

图1C是图1A及1B的系统的主机装置中的常规接口端口的框及示意形式的电气图。

图2是在其中实施实施例的具有USB PD功能的电子装置的框形式的电气图。

图3是根据实施例的图2的电子装置的接口端口中的电力切换电路的框及示意形式的电气图。

图4是根据所述实施例的图3的电力切换电路中的电流限制电路的框及示意形式的电气图。

图5是说明根据实施例的图3的电力切换电路的操作的流程图。

具体实施方式

所描述的实例包含用于在电子装置的接口处快速且可控地导通电力开关晶体管的电路及操作方法。在至少一个所描述的实例中，所述电路及方法满足关于切换从信宿到源的电力转移的方向的现代接口标准的规范，例如通用串行总线电力递送(USB PD)标准。

此外，在电路及方法的至少一个所描述的实例中，在从电力消耗者到电力提供者的角色交换之后实现降低的电力消耗。此外，所述电路及方法使得能够使用具有高电流能力的USB集线器，同时维持准确操作。

在所描述的实例中，电子装置的接口端口能够执行角色交换，从通过电力总线接收来自外部电力源的电力到通过电力总线向外部装置提供电力。接口端口包含串联连接的第一及第二电力开关晶体管(在内部电力供应节点与电力总线之间)，以选择性地将内部电力供应节点耦合到电力总线。响应于指示需要快速连接的“快速角色交换”命令，开关及受控升压电流源分别将额外栅极驱动电流耦合到第一及第二电力开关晶体管。额外栅极驱动电流是从在快速角色交换期间以升高频率操作的电荷泵产生，并且经由受控电流源施加到电力开关晶体管中的一者。在快速角色交换期间，如果源电流(在内部电力供应节点与电力总线之间)超过编程限制，那么电流限制电路关闭电力开关晶体管中的一者，并补偿升压电流。

本说明书中描述的实例实施例适合于在根据通用串行总线电力递送(USB PD)标准操作的电子装置处实施到通用串行总线(USB)C型接口，并且此实施在所述背景下特别有利。同样地，实例实施例有益地适用于涉及在电子装置之间递送电力的其它应用，例如将装置从作为外部电力的消耗者切换到作为外部连接装置的电力提供者。

图2说明根据这些实施例构造的主机装置20的通用架构。主机装置20的实例包含计算机系统，例如膝上型或桌上型计算机、智能手机或具有其自己的内部电力源的其它电子装置，并且因此包含适合于其装置功能的功能电路。在主机装置20的实例中，此功能电路包含处理器21，处理器21是执行存储在存储器资源(未展示)中的程序指令以执行其期望功能的可编程处理器。此外，包含常规电路功能，例如用于输入到主机装置20并从主机装置20输出的电路功能。如上文提及，主机装置20包含内部电力源，在此实例中，内部电力源由电池23及电力模块28组成。电力模块28包含适当的调节器及电压转换器，用于为主机装置20的功能电路供电，例如处理器21及其外围电路。

根据这些实施例，主机装置20包含USB C型(USB-C)接口25，其中根据实施例实施用于控制向主机装置20递送电力及从主机装置20递送电力的电路。在此实例中，主机装置20的接口25包含USB-C连接器22，其包含由适当的USB C型标准指定的适当端子，用于连接到其它USB-C装置，例如在上文描述的图1A及1B的常规布置中。这些端子包含电力端子VBUS，一对通道配置端子CC1、CC2，适当参考电压(即，接地)端子，以及大体上在图2中展示为SS RX/TX端子的数据端子。

在此实施例中，接口25包含配置通道控制器24，其耦合到连接器22的配置通道端子CC1、CC2。配置通道控制器24由适当逻辑电路构成，用于管理主机装置20经由USB-C连接与其它装置的接口。针对USB-C连接，配置通道线(CC1、CC2)用于确定装置是用于数据及控制目的的主机还是附件。针对双角色端口(DRP)的情况，此确定通常由控制器24执行，控制器24将上拉电阻器或下拉电阻器耦合到其配置通道端子CC1、CC2并监测所述端子处的电压。此外，如上文并入的USB PD标准中所描述，控制器24使用配置通道端子CC1、CC2来确定其主机装置20是否是通过USB-C连接从其内部电力源(在此实例中电池23及电力模块28)到附件装置的电力提供者，或来自外部电力源的电力消耗者，并且“协商”在所述角色中将提供或消耗的电流电平。此操作由控制器24结合处理器23执行，如主机装置20的所述两个组件之间的信号线CURR_NEG所指示。

此外，根据USB PD标准，通过通道配置线CC1、CC2执行控制信令，此信令包含从外部USB-C集线器到主机装置20的“快速角色交换”信号的通信。如在上文并入的USB PD标准中描述，当主机装置20将其角色从电力消耗者改变为电力提供者时，例如在从USB-C布置移除外部电力源同时附件装置保留连接为电力消耗者的情况下，调用此快速角色交换信号。在根据这些实施例实行此快速角色交换时，在下文进一步详细描述控制器24的操作。

通过USB-C连接的数据通信由接口25中的USB 3.1SS多路复用器26管理。如图2中大体上所展示，多路复用器26在连接器22处连接到某些数据端子，具体包括由USB-C标准规定的两对发射端子及两对接收端子。以常规方式，通过多路复用器26结合处理器21控制将在这些“SS TX”导体处传达的信号及在这些“SS RX”导体处接收的信号。可通过直接从连接器22延伸到处理器21及从处理器21延伸的数据导体执行“传统”USB通信(例如，USB 2.0)，如适当的USB C型标准中所描述。

如上文提及，主机装置20的接口25还控制到主机装置20及从主机装置20的电力转移，特别是在电池23的其内部电力源及电力模块28与外部装置之间。根据上文并入的USBPD标准，主机装置20可作为电力消耗者操作，在此情况下，在连接器22的VBUS端子处从外部电力源(例如，电力源8)接收电流，用于对电池23充电。在图2的架构中，连接器22的VBUS端子连接到电池充电器及接口25的开关27。当主机装置20以电力消耗者的角色操作时，配置通道控制器24控制电池充电器及开关27以经由线V_SNK将在VBUS端子处接收的电流转发到电池23。

接口25还包含电力开关30，其连接在电力模块28与连接器22的VBUS端子之间。因此，当主机装置20以电力提供者的角色操作时，配置通道控制器24控制电力开关30以将线V_SRC连接到连接器22的VBUS端子，使得电力模块28可以经调节的电压将来自电池23的电流提供到经由连接器22及适当连接缆线连接到主机装置20的附件装置。配置通道控制器24控制电池充电器及开关27以在主机装置20作为电力提供者操作时断开；相反，当主机装置作为电力消耗者操作时，控制器24致使电力开关30断开。

图3说明根据实施例的电力开关30及配置通道控制器24的一部分的构造，其涉及在从电池23及电力模块28提供电力时对电力开关30的控制。更具体来说，此实施例的电力开关30包含两个n沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管30₁、30₂，其源极/漏极路径串联连接在内部V_SRC导体与VBUS端子之间，电力模块28连接到VBUS端子。电力开关晶体管30₁的源极位于内部V_SRC导体处，且其漏极连接到电力开关晶体管30₂的源极；电力开关晶体管30₂的漏极又连接到VBUS端子。晶体管30₁、30₂中的任一者或两者可通过具有相对宽的沟道宽度与沟道长度(W/L)比而作为电力晶体管，并且以其它方式相对稳健以支持足以使主机装置20经由USB PD连接为一或多个附件装置供电的电流传导，并且可承受在将较高电压外部电力源耦合到USB-C连接器22时可能遇到的相对较大的源极/漏极电压。举例来说，鉴于可能存在高电压及电流，电力开关30中的晶体管30₁、30₂中的任一者或两者可被构造为横向双扩散MOS晶体管(DMOS或LDMOS)。

在此实施例中，配置通道控制器24包含反向电流保护电路33及电流限制电路35。反向电流保护电路33在此实施方案中用作比较器，将VBUS端子处的电压与V_SRC导体处的电压减去偏移电压V_OS进行比较，并根据所述比较驱动电力开关晶体管30₁的栅极。在此实施例中，如果VBUS端子处的电压在内部V_SRC导体处的电压的偏移电压V_OS(例如，大约10mV)内，那么反向电流保护电路33操作以关断电力开关晶体管30₁，以确保反向电流不通过电力开关30传导。在经由电力开关30接收电力的一些实施方式中，反向电流保护电路33可操作以允许从外部装置到电池23的受控量的反向电流。

电流限制电路35类似地用作比较器，比较电力开关晶体管30₁的源极/漏极路径的任一侧上的电压并相应地控制电力开关晶体管30₂的栅极。在图3的实施例中，电流限制电路35的一个输入(负输入)经由传递晶体管34接收内部V_SRC导体处的电压，而另一(正)输入接收晶体管30₁、30₂的源极/漏极路径之间的中间节点V_INT处的电压。传递晶体管34的栅极由反向电流保护电路33的输出控制，并且在如上文描述的反向电流的情况下被关断。因此，施加到电流限制电路35的差分电压对应于跨越电力开关晶体管30₁导通时的电压降，并且因此对应于源电流I_源，其从电力模块28传导到连接到VBUS端子的外部附件。如下文进一步详细描述，电流限制电路35操作以响应于电流I_源超过从控制逻辑24传达的限制I_LIMIT而节流电力开关晶体管30₂，因此将电流I_源调节到所述限制。在USB PD上下文中，此限制I_LIMIT将对应于主机装置20与在USB-C连接器22处连接的一或多个附件之间协商的电流电平。

根据此实施例，控制器24通过将由电荷泵节点VCP处的电荷泵40产生的电流施加到其相应栅极来操作以导通晶体管30₁、30₂。电荷泵40是常规电荷泵电路，其构造成数种常规方法中的任一种，用于从较低电力供应电压在电荷泵节点VCP处产生升高电压。在一般意义上，电荷泵40包含由施加的周期信号时钟控制的一或多个切换装置，以及在周期信号的交替相位中充电及放电的“飞行”电容器。在简单的两相位实例的第一相位中，切换装置跨越电力供应电压连接飞行电容器以朝向所述电压充电；在第二相位中，电容器串联连接在供应电压与负载之间，这具有使负载上的电压升高到高于电力供应电压的作用。供给到负载的电流随着施加到电荷泵的周期性信号的频率而增加。在图3的实施例中，电荷泵40能够以两个不同频率操作，例如由控制逻辑40通过信号NML_f、FRS_f提供；这两个频率导致从电荷泵节点VCP可获得不同电平的电流。举例来说，NML_f、FRS_f信号可直接是处于不同频率的时钟信号，或者可为以其它方式设置电荷泵40切换的频率的控制信号。在一个实施方案中，FRS_f时钟信号的频率是NML_f正常模式时钟信号的频率的三到四倍。在操作中，如下面进一步详细描述，在快速角色交换事件期间启用较高频率FRS_f信号以增加电荷泵40的切换频率并因此增加其可在电荷泵节点40处供给的电流。在快速角色交换之后，FRS_f信号被解除断言并且NML_f信号被断言，从而减慢电荷泵40的切换频率并减小其输出电流，以减少接口25的电力消耗。

电力开关晶体管30₁的栅极经由并联连接的电流源32₁及开关33从电荷泵节点VCP接收电流。当由来自控制逻辑24的控制信号LV_EN启用时，电流源32₁将相对低电平的电流I_软施加到电力开关晶体管30₁的栅极。电流源32₁以常规方式构造，例如通过接收对应于所需电流电平的经调节偏置电压的MOS晶体管；本文描述的其它电流源32₂、34类似地构造。如下文进一步详细描述，由电流源32₁传导的电流I_软处于足以缓慢导通电力开关晶体管30₁并使其维持在导通状态的电平。与电荷泵节点VCP与电力开关晶体管30₁的栅极之间的电流源32₁并联的开关33被控制为通过来自控制逻辑24的控制信号FRS_ON处的有效电平导通。举例来说，可通过在其栅极处接收控制信号FRS_ON的具有适当驱动能力的MOS晶体管来实现开关33。

根据此实施例的电力开关晶体管30₂的栅极是经由可控电流源32₂及34从电荷泵节点VCP驱动，可控电流源32₂及34并联连接在电荷泵节点VCP与电力开关晶体管30₂的栅极之间。在由来自控制逻辑24的控制信号LV_EN启用时电流源32₂传导低电平电流I_软，类似于上文描述的电流源32₁。相反，当由来自控制逻辑24的控制信号FRS_ON启用时，电流源34操作以将升压电流I2从电荷泵节点VCP传导到电力开关晶体管30₂的栅极。通过电荷泵34从电荷泵节点VCP传导到电力开关晶体管30₂的栅极的此升压电流I2显著高于(例如，至少10X)由电流源32₂传导的电流I_软。举例来说，电流I_软可为大约1μA，而升压电流I2可为大约50到100μA。然而，与由开关33传导的电流相反，此较高电流I2被限制为受控量值，例如由施加到电流源34的经调节偏置电平控制。电流源34的效果因此是与仅从电流源32₂可获得的情况相比加速电力开关晶体管30₂的导通，但是以受控方式进行以在第一次导通时节流由电力开关晶体管30₂传导的电流且因此限制所述瞬态的浪涌电流。

如上文描述，由开关33从电荷泵节点VCP施加到电力开关晶体管30₁的栅极的电流不受控制或调节，由电流源34提供给电力开关晶体管30₂的栅极的升压电流I2也是如此。此外，从内部V_SRC导体到晶体管30₂处的VBUS端子的电流节流将限制晶体管30₁处的浪涌电流，从而允许在晶体管30₁的栅极处更简单地实施开关而不是电流源。

图4说明根据实施例的电流限制电路35的构造。在此实施例中，电流限制电路35包含运算跨导放大器(OTA)50，其可以常规方式构造。OTA 50在一个输入处接收V_SRC导体处的电压(小于偏移电压V_OS)且在另一输入处接收电力开关晶体管30₁及30₂之间的VINT节点处的电压，并且产生对应于其输入处的差分电压的输出电流。在此实施例中，所述差分电压对应于跨越电力开关晶体管30₁的导通状态电压降，且因此对应于从电力模块28传导到VBUS端子的源电流I_源。因此，OTA 50的输出是电流k*I_源，其对应于由电力晶体管30₁传导的源电流I_源根据OTA 50的设计由乘法常数k(例如，k＝0.1)缩放。

由OTA 50输出的电流k*I_源在节点N2处施加到n沟道MOS晶体管52的漏极(及栅极)；晶体管52的源极接地。晶体管52构成电流镜的一个支路，在其另一支路中具有n沟道MOS晶体管54。晶体管54的栅极连接到晶体管52的栅极及漏极，其源极接地，且其漏极连接到电力开关晶体管30₂的栅极。晶体管52及54通常相对于彼此按电流驱动缩放(即，W/L比)，例如1:4的比率，其中晶体管54较大。在任何情况下，晶体管52、54具有彼此相同的栅极到源极电压，且因此由晶体管52传导的电流在晶体管54处被镜像。

限制电流源51是在节点N2与接地之间与晶体管52并联连接的常规电流源。限制电流源51可以常规方式构造用于电流源，例如具有接收经调节偏置电压的栅极的MOS晶体管。在此实施例中，电流源51经偏置以传导受控电流I_限制。此电流I_限制是可例如根据控制逻辑42中的配置寄存器的内容被编程或调整的限制。电流I_限制建立电流限制电路35减小对电力开关晶体管30₂的栅极驱动的电流电平。

同样根据此实施例，电流限制电路35包含可编程补偿电流源55，其连接在高电压(例如电荷泵节点VCP处的电压)与晶体管52的漏极及栅极处的节点N2之间。当由控制信号FRS_ON启用时，补偿电流源55经偏置以从电荷泵节点VCP及节点N2传导补偿电流I2+，所述补偿电流加上电流k*I_源并被施加到晶体管52及限制电流源51的并联组合。被施加到补偿电流源55的偏置，并且因此补偿电流I2+的量值可例如根据控制逻辑42中的配置寄存器的内容被编程或调整。当未由控制信号FRS_ON启用时，补偿电流源55关闭并且不向节点N2供应电流。

在操作中，电流限制电路35的OTA 50向节点N2施加对应于由电力开关晶体管30₁传导的电流I_源的电流k*I_源，如通过跨越所述晶体管30₁的源极/漏极路径的电压降所测量。在正常模式(控制信号FRS_ON解除断言并且电流源55停用)中，如果电流k*I_源超过电流源51的电流I_限制，那么超过电流由晶体管52传导并由晶体管54镜像以从电力开关晶体管30₂的栅极汲取电流。因此，在此正常模式中，如果从内部V_SNK节点传导到VBUS端子的电流I_源超过适用限制，那么电流限制电路35降低电力开关晶体管30₂处的栅极电压，以根据所需限制调节由电力开关晶体管30₂传导的电流。

如上文描述，在正常模式(控制信号FRS_ON解除断言)中，电流源32₂将电流I_软供应给电力开关晶体管30₂的栅极。因为此电流I_软也在晶体管30₂的栅极被充电之后由晶体管54传导，所以误差被引入电力开关电路35的操作。但是因为此电流I_软相对较小(例如，～1μA)，所以在正常模式中此误差的量相对较小。

然而，在快速角色交换的情况下，电流源34也用升压电流I2驱动电力开关晶体管30₂的栅极。在电力开关晶体管30₂的栅极完全充电并且晶体管30₂导通之后，来自电流源34的此升压电流I2由晶体管54传导。如果没有补偿，那么相对较大量值的升压电流I2(例如，50到100μA)将显著增加关断电力开关晶体管30₂所需的电流I_源的量值。然而，根据此实施例，在快速角色交换操作期间，补偿电流源55也由控制信号FRS_ON导通，以将补偿电流I2+施加到节点N2。考虑到晶体管52及54相对于彼此的缩放，选择补偿电流I2+以对应于来自电流源34的电流I2。因此，在此快速角色交换模式中，晶体管52及54的电流镜分别由补偿电流I2+及升压电流I2平衡。响应于k*I_源及I2+的总和超过电流限制I_限制的量超过I_软及I2电流的缩放和，晶体管54通过电流镜的作用传导额外电流以拉动电力开关晶体管30₂的栅极朝向接地并关断装置。因此，补偿电流源55在快速角色交换期间操作以补偿施加到电力开关晶体管30₂的栅极的额外电流I2以实现快速角色交换，从而确保电流限制电路35适当地调节通过电力开关30传导到VBUS端子的源电流I_源。因此，在快速角色交换期间有效地增加电路35强制执行的电流限制，这允许由主机装置20支持广泛范围的USB-C集线器及潜在附件。

替代地，如果由电流I2添加到电流镜中产生的误差是可容忍的，那么可从电流限制电路35省略补偿电流源55。此省略将可能取决于快速角色交换操作中施加的电流I2的大小。

图5说明USB C型(USB-C)接口25在将其电力递送角色从电力消耗者改变为电力提供者时的操作。举例来说，如果在附件装置保持连接到电池供电装置的USB-C连接器的同时移除外部电力源，那么可发生此角色交换事件，如上文针对图1A及1B的常规情况所描述。因此，图5中所说明的操作以过程60开始，其中主机装置20通过USB-C连接器22的VBUS线从外部电力源接收外部电力；此外部电力对于经由电池充电器及开关27(图2)对电池23充电是有用的。

在过程62中，USB-C集线器或其它装置(包含主机装置20本身)检测VBUS线上的电压损失，例如外部电力源的移除。举例来说，根据上文并入的USB PD标准，连接到主机装置20的USB-C连接器22的集线器装置可检测VBUS线上的电压下降到安全限制(V_安全)以下，因为仅电力消耗者保持连接到VBUS线。作为响应，集线器装置或其它装置根据所述标准通过USB-C总线的通道配置线CC1、CC2产生(例如，发出)“快速角色交换”信号。

主机装置20的配置通道控制器24的控制逻辑42在其接口22的通道配置端子CC1、CC2处检测快速角色交换信号，并且通过执行根据此实施例的过程64a、64b、64c来响应。这些过程64a、64b、64c可有效地同时执行，或者以适合于每一特定实施方案的逻辑顺序来执行。在过程64a中，控制逻辑42发出FRS_f时钟信号(或控制信号，如果适用)，以使电荷泵40以更高频率操作，以在电荷泵节点VCP处供给额外电流。也在此时，控制逻辑42断言FRS_ON控制信号，其在过程64b中闭合电荷泵节点VCP与电力开关晶体管30₁的栅极之间的开关33，并使电流源34能够将升压电流I2施加到电力开关晶体管30₂的栅极。经由开关33及电流源34从电荷泵节点VCP施加的额外电流具有在快速角色交换中以更快速率分别导通电力开关晶体管30₁、30₂的效果。以此方式，主机装置20的内部电力源(即电池23)快速地向附接到USB-C连接器22的附件装置提供电力，而中断最小。

在过程64c中，由控制逻辑42对FRS_ON控制信号的断言也操作以启用电流限制电路35中的补偿电流源55，如上文相对于图4所描述。因此，电流限制电路35继续准确地监测由电池23经由电力模块28通过连接器22处的VBUS线提供到外部装置的源电流I_源，从而在过电流条件的情况下降低电力开关晶体管30₂处的栅极电压。

在决策65中，主机装置20本身或在连接器22处连接的集线器装置确定主机装置20是否已成功地将其角色从电力消耗者的角色改变为电力提供者。举例来说，可通过将连接器22的VBUS端子处的电压与安全限制(V_安全)进行比较来执行决策65。只要VBUS电压尚未达到此所需最小电平(决策65返回“否”结果)，就维持快速角色交换模式中的操作(过程66)。然而，在VBUS线处的电压达到所需电平(决策65为“是”)之后，可终止快速角色交换操作，并且可进入正常操作模式。

参见图3及4，此正常操作模式包含，在过程68a中，控制逻辑42解除断言FRS_f信号并在线NML_f上发出时钟或控制信号，从而降低电荷泵40的切换频率，其降低其电流输出并相应地降低主机装置20的电力消耗。在过程68b中，FRS_ON控制信号被解除断言，其断开电力开关晶体管30₁的栅极处的开关33并且停用电力开关晶体管30₂的栅极处的电流源34。电流源32₁、32₂保持启用，将较低电流I_软分别提供到晶体管30₁、30₂的栅极，以将所述装置维持在导通状态。因此，电力模块28能够通过USB-C连接继续为外部附件装置供电。并且在根据此实施例的过程68c中，电流限制开关35中的补偿电流源55被停用，根据电流I2不再被施加到电力开关晶体管30₂的栅极而维持电流限制监测操作的准确性。替代地，如果需要较低补偿电流(即，对应于电流I_软)，那么过程68c可改变在此正常操作模式中施加到节点N2的额外补偿电流的量值。

根据这些实施例，用于电子装置的接口电路可从接收外部电力(例如对内部电池充电)快速改变到从其内部电力源(例如电池)向外部装置提供电力。以受控方式提供此能力以避免电力开关晶体管处的过量浪涌电流，因此减少互连系统中的切换瞬变。

在权利要求书的范围内，在所描述的实施例中修改是可能的，并且其它实施例是可能的。

Claims (17)

1.一种电力开关电路，其包括：

电力开关晶体管，其具有：控制端子；以及耦合在外部电力端子与内部电力端子之间的传导路径；

电荷泵，其经耦合以在电荷泵节点处产生电压；

第一电流源，其耦合在所述电荷泵节点及所述控制端子之间以将第一电流施加到所述电力开关晶体管的所述控制端子；

升压电流源，其在所述电荷泵节点及所述控制端子之间与所述第一电流源并联耦合；及

控制逻辑，其用于：响应于第一模式信号，控制所述电荷泵以在第一频率操作；以及，响应于角色交换信号，控制所述电荷泵以在高于所述第一频率的第二频率操作、并将来自于所述升压电流源的升压电流施加到所述电力开关晶体管的所述控制端子。

2.根据权利要求1所述的电路，其进一步包括：

电流限制电路，其具有：输入，其经耦合以接收对应于在所述内部与外部电力端子之间传导的电力电流的信号；及输出，其耦合到所述电力开关晶体管的所述控制端子；其中所述电流限制电路经耦合以响应于所述电力电流超过电流限制而从所述电力开关晶体管的所述控制端子传导电流。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述电流限制电路包含：

第一镜像晶体管，其具有传导路径，所述传导路径经耦合以传导对应于所述电力电流与所述电流限制之间的差的输入电流；及

第二镜像晶体管，其具有：传导路径，其耦合在所述电力开关晶体管的所述控制端子与参考电压之间；及控制端子，其耦合到所述第一镜像晶体管；其中所述第二镜像晶体管可操作以响应于所述输入电流超过所述电流限制而导通。

4.根据权利要求3所述的电路，其中所述电流限制电路包含：

补偿电流源，其经耦合以响应于所述控制逻辑接收到所述角色交换信号而将对应于所述升压电流的补偿电流施加到所述第一镜像晶体管的所述传导路径。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述电力开关晶体管是第一电力开关晶体管，且所述电路进一步包括：

第二电力开关晶体管，其具有：传导路径，其耦合在所述第一电力开关晶体管的所述传导路径与所述内部电力端子之间；及控制端子；

第二电流源，其经耦合以将第二电流从所述电荷泵节点施加到所述第二电力开关晶体管的所述控制端子；及

开关，其耦合在所述电荷泵节点与所述第二电力开关晶体管的所述控制端子之间，其中所述开关可操作以响应于所述控制逻辑接收到所述角色交换信号而闭合。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述第一及第二电力开关晶体管是金属氧化物半导体MOS晶体管，且所述电路进一步包括电流限制电路，所述电流限制电路包含：

差分放大器，其经耦合以产生对应于跨越所述第二电力开关晶体管的所述传导路径的电压差的感测电流；

第一镜像晶体管，其具有源极/漏极路径及经耦合以接收所述感测电流的栅极；

电流限制电流源，其与所述第一镜像晶体管的所述源极/漏极路径并联连接以传导限制电流；

补偿电流源，其经耦合以响应于所述控制逻辑接收到所述角色交换信号而将对应于所述升压电流的补偿电流施加到所述第一镜像晶体管的所述源极/漏极路径；及

第二镜像晶体管，其具有：源极/漏极路径，其耦合在所述第一电力开关晶体管的所述控制端子与参考电压之间；及栅极，其耦合到所述第一镜像晶体管的所述栅极及漏极。

7.一种控制电子装置的接口处的电力开关的方法，所述方法包括：

响应于外部电力端子处的电压下降到安全限制以下：以第一频率操作电荷泵以在电荷泵节点处产生电压；及将来自所述电荷泵节点的第一受控电流，包括第二受控电流，耦合到电力开关晶体管的控制端子，所述电力开关晶体管具有耦合在所述外部电力端子与连接内部电力源的内部电力端子之间的传导路径；以及

响应于所述外部电力端子处的所述电压达到特定电平：以低于所述第一频率的第二频率操作所述电荷泵；并停用所述第二受控电流，以降低从所述电荷泵节点到所述电力开关晶体管的所述控制端子的所述第一受控电流。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述电力开关晶体管是第一电力开关晶体管，且所述方法进一步包括：

响应于所述外部电力端子处的所述电压下降到所述安全限制以下，闭合所述电荷泵节点与第二电力开关晶体管的控制端子之间的开关，所述第二电力开关晶体管具有在所述外部电力端子与所述内部电力端子之间的与所述第一电力开关晶体管的所述传导路径串联耦合的传导路径；以及

响应于所述外部电力端子处的所述电压达到所述特定电平：断开所述开关；并将第三受控电流从所述电荷泵节点耦合到所述第二电力开关晶体管的所述控制端子。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

感测在所述内部电力端子与外部电力端子之间传导的电流；

响应于感测到的所述电流超过电流限制，从所述第一电力开关晶体管的所述控制端子传导电流；以及

在所述第一受控电流的所述耦合期间，将所述电流限制增加达对应于所述第一受控电流的量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述感测包含：

产生对应于跨越所述第二电力开关晶体管的差分电压的感测电流；

其中从所述第一电力开关晶体管的所述控制端子传导电流包含：通过与限制电流源并联的第一镜像晶体管传导所述感测电流；及在第二镜像晶体管处镜像通过所述第一镜像晶体管的所述电流，所述第二镜像晶体管使其传导路径耦合在所述第一电力开关晶体管的所述控制端子与参考电压之间；且

其中增加所述电流限制包含：除了通过与所述限制电流源并联的所述第一镜像晶体管的所述感测电流之外还施加补偿电流。

11.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：

响应于外部电力端子处的所述电压下降到所述电子装置外部的集线器处的所述安全限制以下，产生从所述集线器到所述接口的角色交换信号；

其中响应于所述角色交换信号，执行以所述第一频率操作所述电荷泵并耦合所述第一受控电流。

12.一种电子系统，其包括：

集线器装置，其包含：逻辑，其经耦合以响应于所述集线器装置与外部电力源的断开连接而产生角色交换信号；及接口，其包含端子，其中所述端子包含在所述接口之间共同连接的电力总线端子，且其中所述外部电力源可移除地耦合到所述电力总线端子；及

主机装置，其包含：处理器；内部电力源；及电力开关电路；

其中所述接口中的一者处的所述电力总线端子耦合到所述电力开关电路的电力总线端子；

其中所述电力开关电路包含：

电力开关晶体管，其具有：控制端子；以及传导路径，其耦合在所述电力开关电路的所述电力总线端子与内部电力总线之间，所述内部电力总线耦合到所述内部电力源；

电荷泵，其经耦合以在电荷泵节点处产生电压；

第一电流源，其耦合在所述电荷泵节点及所述控制端子之间以将第一电流施加到所述电力开关晶体管的所述控制端子；

升压电流源，其在所述电荷泵节点及所述控制端子之间与所述第一电流源并联耦合；及

控制逻辑，其用于：响应于第一模式信号，控制所述电荷泵以在第一频率操作；以及，响应于所述角色交换信号，控制所述电荷泵以在高于所述第一频率的第二频率操作、并将来自于所述升压电流源的升压电流施加到所述电力开关晶体管的所述控制端子。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述电力开关电路包含：

电流限制电路，其具有：输入，其经耦合以接收对应于在所述电力开关电路的所述电力总线端子与所述内部电力总线之间传导的电力电流的信号；及输出，其耦合到所述电力开关晶体管的所述控制端子；其中所述电流限制电路经耦合以响应于所述电力电流超过电流限制而从所述电力开关晶体管的所述控制端子传导电流。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述电流限制电路包含：

第一镜像晶体管，其具有传导路径，所述传导路径经耦合以传导对应于所述电力电流与所述电流限制之间的差的输入电流；及

第二镜像晶体管，其具有：传导路径，其耦合在所述电力开关晶体管的所述控制端子与参考电压之间；及控制端子，其耦合到所述第一镜像晶体管；其中所述第二镜像晶体管可操作以响应于所述输入电流超过所述电流限制而导通。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述电流限制电路包含：

补偿电流源，其经耦合以响应于所述控制逻辑接收到所述角色交换信号而将对应于所述升压电流的补偿电流施加到所述第一镜像晶体管的所述传导路径。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述电力开关晶体管是第一电力开关晶体管，且所述电力开关电路包含：

第二电力开关晶体管，其具有：传导路径，其耦合在所述第一电力开关晶体管的所述传导路径与所述内部电力总线之间；及控制端子；

第二电流源，其经耦合以将第二电流从所述电荷泵节点施加到所述第二电力开关晶体管的所述控制端子；及

开关，其耦合在所述电荷泵节点与所述第二电力开关晶体管的所述控制端子之间，其中所述开关可操作以响应于所述控制逻辑接收到所述角色交换信号而闭合。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一及第二电力开关晶体管是金属氧化物半导体MOS晶体管，并且所述电力开关电路包含电流限制电路，所述电流限制电路包含：

差分放大器，其经耦合以产生对应于跨越所述第二电力开关晶体管的所述传导路径的电压差的感测电流；

第一镜像晶体管，其具有源极/漏极路径及经耦合以接收所述感测电流的栅极；

电流限制电流源，其与所述第一镜像晶体管的所述源极/漏极路径并联连接以传导限制电流；

补偿电流源，其经耦合以响应于所述控制逻辑接收到所述角色交换信号而将对应于所述升压电流的补偿电流施加到所述第一镜像晶体管的所述源极/漏极路径；及

第二镜像晶体管，其具有：源极/漏极路径，其耦合在所述第一电力开关晶体管的所述控制端子与参考电压之间；及栅极，其耦合到所述第一镜像晶体管的所述栅极及漏极。

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