CN109426641B - 用于USB Type C接收器的针对高电压的保护电路 - Google Patents

用于USB Type C接收器的针对高电压的保护电路 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及用于USB Type C接收器的针对高电压的保护电路。一种USB Type‑C接收器设备，包括：具有通道配置输入的端口；接地引脚；以及用于防范通道配置输入上的高电压的保护电路，其中保护电路包括电阻电路，该电阻电路耦合在通道配置输入和接地端子之间并且被配置成形成耦合在通道配置输入和接地引脚之间的分压器和电阻下拉电路。

Description

用于USB Type C接收器的针对高电压的保护电路
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年09月01日提交的法国专利申请No.1758085的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般涉及通用串行总线(USB)设备，并且在特定实施例中涉及用于USBType C接收器的针对高电压的保护电路。
背景技术
理论上，支持USB电力传送模式的USB 3.1 Type-C设备可以允许传送高达10GB/s的数据和高达100W(最大电压为20V，最大电流为5A)的功率。可以经由特定的控制器来协商两个USB 3.1 PD Type-C设备之间传送的电力，并且有利地，在各种USB 3.1 Type-C设备之间电力供应可以是双向的。
USB Type-C电缆通常被设计成被耦合并在所谓的USB PD Type-C“源”设备和所谓的USB PD Type-C“接收器”设备之间建立电源和通信线路。
源设备能够在0V到20V的范围内调整电源电压值。
通常在5伏特和20伏特之间的高电压可能出现于接收器的连接器的通道配置引脚上。
因此，USB标准推荐将用于防范这些高电压的电路连接到这些引脚，以便保护在通道配置引脚上不能支持这种电压的接收器。
该标准目前建议将高电压晶体管连接在通道配置引脚、电流检测级和连接检测级之间。对于在输入处的大约25伏特的电压，这些晶体管被设计成将在这些级处的电压限制在大约2.7伏特。
然而，对于某些应用，这些晶体管太昂贵和/或太笨重，特别是对于非常简单的应用，包括例如使用USB Type-C充电器对接收器(例如智能手机、平板或膝上型计算机)充电。
因此，在某些产品中，特别是低成本产品中，这些保护器件被简单地省略，这对这些产品的可靠性产生负面影响并且可能导致它们不符合USB 3.1 PD标准。
因此，需要提供一种用于防范可能出现于接收器的通道配置端子上的高电压的易于实施、便宜且紧凑的电路。
USB 3.1标准还推荐接收器在通道配置引脚上设置电阻下拉电路，每个下拉电阻器具有通常为5100欧姆的额定值±10％。
这些下拉电阻器使得源设备(例如充电器)能够检测到确实已经与接收器设备建立了连接并且该接收器设备中不存在不一致性。这种不一致性可以例如是接收器设备中的有缺陷的电池的结果，例如完全放电的电池或处于安全模式的电池，其不能提供最低的操作电压。
为了检测潜在的不一致性，源设备经过通道配置引脚传送具有预定义值的电流，并且考虑到下拉电阻的预定义的值，这些引脚上的测量的电压必须位于预定范围内。
发明内容
实施例涉及与USB 3.1标准(支持USB电力传送模式(PD模式)且包括不强加任何连接方向的可翻转的连接器，其以名称Type-C为本领域技术人员所公知)兼容的通用串行总线设备，更具体地涉及防范通常高于5伏特且可能高达20伏特的电压的高电压，这些电压易于出现在USB Type-C接收器设备的通道配置引脚上。
根据一个实施例，提出了配置电阻下拉电路，使得其形成用于防范高电压的电路，同时执行由USB Type-C标准推荐的下拉电路的功能。
根据一个方面，提出了一种USB Type-C接收器设备，包括具有通道配置输入的端口、耦合在通道配置输入和接地引脚之间的电阻下拉电路以及用于防范通道配置输入上的高电压的级。
保护级包括电阻电路，该电阻电路耦合在通道配置输入和接地端子之间并且被配置成形成分压器和电阻下拉电路。
因此，保护级的电阻电路实现两个功能，即分压器功能和USB标准规定的电阻下拉电路的功能，分压器功能使得可以限制在分压器的输出处的电压(从而保护位于该保护级下游的元件不受在通道配置输入上出现的高电压(通常高于5伏特)的影响)。
如上所述，电阻下拉电路的电阻值等于额定值±10％，额定值通常为5100欧姆。
根据一个实施例，通道配置输入包括两个通道配置引脚。
然后，电阻电路包括两个电阻分压器桥，它们分别耦合在两个通道配置引脚和接地端子之间。
每个电阻分压器桥包括耦合到对应的通道配置端子的第一电阻元件和耦合在第一电阻元件和接地端子之间的第二电阻元件。
第一电阻元件和第二电阻元件之间的公共节点形成电阻分压器桥的输出。
第一电阻元件的电阻值等于所述额定值±10％，而第二电阻元件的电阻值不为零，并且两个电阻元件的电阻值之和等于额定值±10％。
因此，通道配置引脚和接地端子之间的电阻值确实等于额定值(5100欧姆)±10％。
此外，电压测量电路可以有利地耦合到每个分压器桥的输出。另外，当没有向该电压测量电路供电时，那么可以认为每个电阻分压器桥的第二电阻元件已经短路。然而，这对于USB标准没有问题，因为在这种情况下，连接在对应的通道配置引脚和接地引脚之间的电阻器然后由第一电阻元件形成，其电阻值等于额定值(5100欧姆)±10％。
因此可以看出，许多电阻值可以用于形成一个或多个分压器桥。
然而，通道配置引脚上存在的电压与电阻分压器桥的输出处的电压之间的分压系数等于第二电阻元件的电阻值与这两个电阻元件的电阻值之和之间的比值。
另外，对于某些电阻值，该分压系数可能太小，从而在测量分压器桥的输出处的电压的精度方面存在问题，尤其是如果希望使用模数转换器作为电压测量电路。
因此，根据相当于可接受的折衷的一个优选实施例，可以选择等于4590欧姆的值作为第一电阻元件的电阻值，并且可以选择等于510欧姆的值作为第二电阻元件的电阻值。
这导致分压系数等于1/10，这使得对于在对应的分压器桥的输入处存在的等于20伏特的电压，可以将在分压器桥的输出处的电压限制为2伏特，而同时遵守关于下拉电阻器的USB标准。
此外，当电压测量电路包括模数转换器(其包括分别连接到两个电阻分压器桥的两个输出的两个输入)时，上述两个电阻元件的值有利地使得可以使用12位的模数转换器(在市场上广泛地提供该部件)或者甚至更精确的超过12位的转换器。
根据另一方面，提出了一种包括诸如上文所定义的至少一个接收器设备的电子装置，例如蜂窝移动电话、平板或膝上型计算机。
附图说明
通过研究完全非限制性实施例和附图的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，其中：
图1和图2示意性地图示了本发明的实施例。
具体实施方式
图1示意性地图示了电子装置4，在这种情况下例如是台式计算机或膝上型计算机，电子装置4包括至少一个USB Type-C源设备1，其能够经由USB Type-C电缆2对例如并入在蜂窝移动电话或平板内的USB Type-C接收器设备3充电。
作为非限制性示例，装置4也可以简单地是能够连接到诸如220伏特网络的电源网络的充电器。
接收器设备3(在图2中更详细地示出)包括通常具有通道配置输入的连接器或端口30，这里具有两个通道配置引脚CC1和CC2、多个电源电压引脚VBUS(为了简单起见，这里仅示出其中一个)以及多个接地引脚GND，例如四个接地引脚(为简单起见，这里仅示出其中一个)。
根据USB 3.1Type-C标准，相同类型的所有引脚关于连接器30的中心对称，使得连接器30对USB Type-C电缆不强加任何连接方向的约束。电缆的连接器包括单通道配置引脚，该引脚将根据连接方向与接收器设备3的引脚CC1或者引脚CC2接触。
根据USB Type-C标准，输入VBUS上存在的电源电压Vin可以达到高达20伏特的值。因此，这样的高电压值也可能出现于通道配置引脚CC1和CC2上。
因此，提供了用于防范这种高电压(通常是高于5伏特的电压)的级31。该保护级31包括电阻电路，电阻电路耦合在通道配置输入(即，在该实例中，两个引脚CC1和CC2)与接地端子GND之间并且被配置成形成分压器和电阻下拉电路。
更具体地，这里电阻电路包括两个电阻分压器桥311和312。
第一电阻分压器桥311耦合在通道配置引脚CC1和接地端子之间，而第二电阻分压器桥312耦合在通道配置引脚CC2和接地端子之间。
第一分压器桥311包括耦合到通道配置引脚CC1的第一电阻元件R11和耦合在第一电阻元件R11和接地端子GND之间的第二电阻元件R21。
两个电阻元件R11和R21之间的公共节点ND1形成第一电阻分压器桥311的输出。
第二电阻分压器桥312包括连接到通道配置引脚CC2的第一电阻元件R12和连接在第一电阻元件R12和接地端子GND之间的第二电阻元件R22，这两个电阻元件之间的公共节点ND2形成该第二分压器桥312的输出端子。
在该实施例中，第一电阻元件R11和R12中的每一个的电阻值等于4590欧姆，这表示USB标准中的下拉电阻器设想的5100欧姆的额定值的90％。
这里，第二电阻元件R21和R22中的每一个的电阻值等于510欧姆。
因此，每个通道配置端子CCi和接地端子之间的通路的电阻值等于5100欧姆。
因此满足了由USB 3.1标准在下拉电阻方面定义的要求。
此外，如在下面将更详细地看到的，模数转换器32连接到两个电阻分压器桥的输出ND1和ND2。另外，当没有向该转换器32供电时，可以认为电阻元件R21和R22已经短路。然后在每个通道配置端子CCi和接地端子GND之间看到的电阻值等于4590欧姆，这对应于5100欧姆的额定值减去10％。
因此，在这种情况下也满足USB 3.1标准在下拉电阻方面的要求。
此外，输出节点NDi上存在的电压在该示例中等于对应的通道配置端子CCi(引脚CC1或CC2，取决于电缆连接器的连接方向)处存在的电压的1/10。具体而言，该分压系数等于510/(4590+510)。
因此，电阻电路31还形成用于防范可能出现于通道配置引脚CC1或CC2上的高电压的电路。
因此，即使在引脚CC1或CC2上存在大约20伏特的电压(取决于电缆的连接器的连接方向)，也将在对应的输出节点NDi处获得大约2伏特的电压。
此外，USB 3.1 Type-C标准提供连续地流过源设备的通道配置引脚的提供信息的电流，以便指示USB Type-C源设备能够传送的最大电流。
该提供信息的电流在接收器设备3的通道配置引脚CC1或CC2处产生提供信息的电压，当由电路32测量该电压时，该电压使得可以确定由源设备1传送的功率。
应当注意，由源设备传送到接收器设备3的通道配置引脚CC1或CC2的可允许电压的范围可达到2.04伏特。
因此，0.25伏特和0.61伏特之间的电压表示USB电流故障，而0.70伏特和1.16伏特之间的电压表示源设备的1.5安培的电流供应并且1.31伏特和2.04伏特之间的电压表示源设备的3安培的电流供应。
当然，分压器桥311或312的存在将端子CC1或CC2处存在的电压除以10。
因此，在当前情况下，在25毫伏特和65毫伏特之间的节点ND1或节点ND2处的电压将表示USB电流故障，而70毫伏特和116毫伏特之间的电压将表示源设备的1.5安培的电流的传送并且131毫伏特和204毫伏特之间的电压将表示源设备的3安培的电流的传送。
然而，使用12位的转换器或更精确的超过12位的转换器，这些值(可以从25毫伏特改变到204毫伏特)可以容易地由具有理想情况下等于2.048伏特的基准电压的模数转换器32测量，尽管基准电压也可以为3伏特。
如在图2中图示，转换器32具有两个输入ADC_inx，它们分别连接到两个输出节点ND1、ND2。但是，当然，只有连接到实际连接到电缆的通道配置引脚的引脚CCi的输入ADC_inx才是可操作的。
其他电压测量电路也是可能的。
因此，可以利用使用具有不同值的各种基准电压的一组模拟比较器代替模数转换器。
电压测量信息和电源电压Vin被传输到处理级33，处理级33的结构是常规的并且本身是已知的，并且具体地包括连接检测电路和USB控制器。

Claims (14)

1.一种USB Type-C接收器设备，包括：
包括通道配置输入的端口；
接地端子；
用于防范所述通道配置输入上的高电压的保护电路，其中所述保护电路包括电阻电路，所述电阻电路耦合在所述通道配置输入和所述接地端子之间并且被配置成为成耦合在所述通道配置输入和所述接地端子之间的分压器和电阻下拉电路二者；以及
电压测量电路，所述电压测量电路包括耦合到所述分压器的输出的模数转换器，
其中所述通道配置输入包括两个通道配置引脚，并且其中所述电阻电路包括两个电阻分压器桥，所述两个电阻分压器桥分别耦合在所述两个通道配置引脚和所述接地端子之间；并且
其中所述模数转换器包括分别连接到所述两个电阻分压器桥的输出的两个输入。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电阻下拉电路的电阻值等于额定值或者在所述额定值的10％之内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中每个电阻分压器桥包括耦合到对应的通道配置引脚的第一电阻元件和耦合在所述第一电阻元件和所述接地端子之间的第二电阻元件。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一电阻元件的电阻值等于额定值或在所述额定值的10％之内，并且其中所述第二电阻元件的电阻值不为零。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一电阻元件的所述电阻值和所述第二电阻元件的所述电阻值之和等于所述额定值或者在所述额定值的10％之内。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述额定值等于5100欧姆。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一电阻元件的所述电阻值等于4590欧姆，并且所述第二电阻元件的所述电阻值等于510欧姆。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述模数转换器是至少12位的模数转换器。
9.一种电子装置，包括：
充电设备，被配置成连接到电源网络；以及
接收器设备，耦合到所述充电设备，所述接收器设备包括：
包括通道配置输入的端口，
接地端子，
用于防范所述通道配置输入上的高电压的保护电路，其中所述保护电路包括电阻电路，所述电阻电路耦合在所述通道配置输入和所述接地端子之间并且被配置为形成耦合在所述通道配置输入和所述接地端子之间的分压器和电阻下拉电路二者，和
电压测量电路，所述电压测量电路包括耦合到所述分压器的输出的模数转换器，
其中所述通道配置输入包括两个通道配置引脚，并且其中所述电阻电路包括两个电阻分压器桥，所述两个电阻分压器桥分别耦合在所述两个通道配置引脚和所述接地端子之间；并且
其中所述模数转换器包括分别连接到所述两个电阻分压器桥的输出的两个输入。
10.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述电子装置包括蜂窝移动电话、平板或膝上型计算机。
11.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述接收器设备通过USB Type-C电缆耦合到所述充电设备。
12.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述接收器设备包括USB Type-C接收器设备。
13.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述电阻下拉电路的电阻值等于额定值或者在所述额定值的10％之内。
14.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述模数转换器是至少12位的模数转换器。
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