CN109845059B - 带有热保护的usb电缆 - Google Patents

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Abstract

一种通用串行总线(USB)电缆，包含：被配置为在第一器件和第二器件之间传输电功率的功率导线，被配置为允许第一器件和第二器件来确定是否已经通过USB电缆建立了连接的配置通道(CC)导线，以及第一正温度系数(PTC)元件，该第一正温度系数(PTC)元件与CC导线耦接并且被配置为在第一PTC元件的温度上升至预定的跳变温度以上时减小流过CC导线的电流。

Description

带有热保护的USB电缆
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月5日提交的美国临时专利申请No.62/404,277的权益，该申请No.62/404,277通过引用的方式全文并入本文。
技术领域
本公开内容一般地涉及电路保护器件领域，并且更特别地涉及集成有热保护的通用串行总线电缆。
背景技术
通用串行总线(USB)电缆除了它们更传统的促进数据通信的作用外越来越多地被用于给电子器件供电。随着最近USB-C标准的出现，USB电缆现在能够提供高达100瓦的功率，从而促进以前经由USB连接无法实现的高功率应用。但是，已经观察到，这样高功率的输电能够导致USB电缆受热损坏，尤其是在USB电缆的引脚变脏，弯曲或以其他方式倾向于发生次优连接的情况下。
一种已经被用于防止USB电缆过流/过热的技术是安装与USB电缆的功率载运导线串联的正温度系数(PTC)元件，其中该PTC元件具有随着PTC元件的温度升高而增大的电阻。因而，在流过PTC元件的电流上升到预定上限以上时，PTC元件会升温，从而促使PTC元件的电阻增加并且大幅减小或阻止通过USB电缆的电流。由此防止否则由流过USB电缆的未减小的故障电流引起的损坏。
虽然PTC元件在USB电缆中的上述应用提供了用于在早期的低功率(如，5-20瓦)代的USB电缆中防止过流和过热的一种实用的解决方案，但是在现代的USB-C标准电缆中的类似应用提出了重大的挑战。特别地，能够处理100瓦的功率的PTC元件是非常大的且对于在USB电缆中的实际商业应用是昂贵的。
对于这些及其他考虑，本发明的改进会是有用的。
发明内容
发明内容这部分被提供用于以简化的形式来介绍将在后面的具体实施方式部分进一步描述的所选概念。这部分并非旨在指定所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也并非意指作为确定本主题的范围的辅助。
根据本公开的电缆的一种示例性实施例可以包含被配置用于在第一器件和第二器件之间传输电功率的功率导线，被配置用于在第一器件和第二器件之间传输数据的第一数据导线，以及与第一数据导线耦接的且被配置用于在第一PTC元件的温度上升至预定的第一跳变温度(trip temperature)以上时减小流过第一数据导线的电流的第一正温度系数(PTC)元件。
在根据本公开的电缆中用于过温保护的系统的一种示例性实施例可以包含通过电缆相互连接的第一器件和第二器件，其中该电缆包含被配置用于在第一器件和第二器件之间传输电功率的功率导线，被配置用于在第一器件和第二器件之间传输数据的第一数据导线，以及与第一数据导线耦接的且被配置用于在第一PTC元件的温度上升至预定的第一跳变温度以上时减小流过第一数据导线的电流的第一正温度系数(PTC)元件，其中第一器件和第二器件中的至少一个被配置用于在流过第一数据导线的电流减小时减少经由功率导线传输的电功率的量。
附图说明
图1是示出根据本公开的电缆的一种示例性实施例的引脚布局的示意图；
图2A是示出与一对器件连接的图1所示的电缆的一些部分的示意图；
图2B是示出图2A所示的电缆的一种可替换实施例的一些部分的示意图；
图2C是示出图2A所示的电缆的另一种可替换实施例的一些部分的示意图；
图3A是示出与一对器件连接的图1所示的电缆的一种可替换实施例的一些部分的示意图；
图3B是示出图3A所示的电缆的一种可替换实施例的一些部分的示意图；
图3C是示出图3A所示的电缆的另一种可替换实施例的一些部分的示意图；
图4A是示出与一对器件连接的根据本公开的另一个电缆的一种示例性实施例的示意图；
图4B是图4A所示的电缆的一种可替换实施例的一些部分的示意图；
图4C是图4A所示的电缆的另一种可替换实施例的一些部分的示意图；
具体实施方式
根据本公开的具有集成的热保护的数据/功率传输电缆下面将参照附图进行更全面地描述，其中将给出电缆的优选实施例。但是，电缆可以按照不同的形式来实现，可以被配置为符合不同的标准(如IEEE标准)并且不应被理解为仅限制于所阐述的实施例。相反，之所以要提供这些实施例，是为了使本公开更全面更完整，并且为了向本领域技术人员传达所述电缆所涉及的范围。
参照图1，该图示出了用于示出根据本公开的USB-C数据/功率传输电缆10(以下称为“电缆10”)的引脚布局的示意图。按照USB-C标准的规定，电缆10包含接地导线12、高速(USB 2.0，480mbps)数据导线14、超高速+(USB 3.1，10Gbps)数据导线16、功率导线18、边带用导线20、配置通道导线22(以下称为“CC导线22”)和Vconn导线24。与本公开特别相关的是功率导线18、CC导线22和Vconn导线24。
如本领域技术人员所熟知的，CC导线22允许通过电缆10连接的器件确定器件是否实际上经由电缆10相互连接并且基于这样的确定而通过电缆10来传输功率和/或数据。特别地，如果电缆10所连接的器件在CC导线22上检测到预定电阻，这样的电阻可指出与在电缆10的相对端上的另一个器件的有效连接，则器件可以通过电缆10的合适导线来传输数据和/或功率。相反地，如果器件未能在CC导线22上检测到预定的电阻，指出没有与在电缆10的相对端上的器件的有效连接，则器件将不会通过电缆10来传输数据或功率。与本公开的实施例相关的CC导线22的功能将在下文更详细地讨论。
同样如同本领域技术人员所熟知的，Vconn导线24被用来指定电缆10的高功率(例如，>20瓦，典型为100瓦)操作。特别地，Vconn导线24包含集成电路(IC)36(见图2)，该集成电路36设置有被配置用于为所连接的器件指示电缆10能够处理高功率传输的逻辑电路。例如，如果与电缆10连接的器件通过IC 36确定电缆10被配置为可处理高功率，则该器件随后可以在电缆10上通过功率导线18来传输高功率。相反地，如果所连接的器件没有接收到有关电缆10被配置为可处理高功率的指示，则该器件将不会在电缆10上传输高功率，而是仅在电缆10上通过功率导线18来传输低功率(如，5-20瓦)。有关在电缆10上是传输高功率还是仅传输低功率的确定由器件仅在电缆10与该器件的初始连接时做出。
现在参照图2A，该图示出了用于示出与源器件40和宿器件42(以下称为“源40(thesource 40)”和“宿42(the sink 42)”)连接的电缆10的CC导线22、Vconn导线24、功率导线18之一和接地导线12之一。应当理解，图2A所示的功率导线18和接地导线12代表了图1所示的电缆10的所有功率导线18和接地导线12。CC导线22可以包含与其内联(inline)连接(例如，经由热键合)的正温度系数(PTC)元件44，使得在电缆10被连接于源40和宿42之间时，PTC元件44与源40和宿42串联连接。PTC元件44可以由被配置为具有随PTC元件44的温度上升而增加的电阻的任意类型的PTC材料(如聚合物PTC材料、陶瓷PTC材料等)形成。特别地，PTC元件44可以被配置为具有预定的“跳变温度”，在该“跳变温度”以上时PTC元件44的电阻会快速地且大幅度地增大(例如，按照非线性方式)，以便基本上阻止流过CC导线22的电流。在电缆10的一种非限制性的示例性实施例中，PTC元件44可以具有176-230华氏度的跳变温度。
虽然CC导线22被示出为仅具有单个与其耦接的PTC元件44，但是其中在CC导线22上实现了多个PTC元件的电缆10的实施例也是应当想得到的。例如，参照图2B，电缆10可以包含在CC导线22上与电缆10的一端(例如，与源40连接的那端)相邻的一个PTC元件44以及在CC导线22上与电缆10的相对端(例如，与源42连接的那端)相邻的第二PTC元件45。除此以外或作为选择，参照图2C，应当想得到的是PTC元件47、48可以被实施于与电缆10的CC导线22连接的源40和宿42的CC导线49、51中的一个或两者上，其中PTC元件47、48按照与以上所述的PTC元件44相同的方式来运作，用于给电缆10、源40和宿42提供下文将进一步描述的热保护。
在电缆10的工作期间，如果PTC元件44的温度上升到其跳变温度以上，例如，可能由电缆10的过流状态或者在外部热源(如太阳、热的电脑机箱等)下的暴露引起，则PTC元件44会展现出高的电阻并且会阻止电流流过CC导线22。因而，CC导线22对于源40和宿42将会呈现为“断开的(open)”(即，断连的)，由此导致源40和宿42停止经由电缆10进行的数据和功率传输。随后，当PTC元件44冷却到其跳变温度以下的温度并且再次变为导电时，CC导线22对于源40和宿42将会呈现为“闭合的(closed)”(即，连接的)，并且源40和宿42将会恢复经由电缆10进行的数据和/或功率的传输。从而，PTC元件44充当着可重置的熔断器，用于减缓电缆10的过热以防止热损坏。有利的是，由于PTC元件44被实施于CC导线22上而不是功率导线18上，因而PTC元件44只需要被额定用于保持在CC导线22上传输的标称电流(如，330微安)，而不必考虑在功率导线18上所传输的电流的大小(如，5安培)。因此，PTC元件44可以是小的且廉价的，从而使得电缆10的成本和尺寸在商业上变得可行。
现在参照图3A，该图示出了电缆10的一种实施例，在该实施例中第二PTC元件46被实施于Vconn导线24上(例如，经由与Vconn导线24的热键合)。对于以上所述的PTC元件44，PTC元件46可以被配置为具有随着PTC元件46的温度上升而增加的电阻。特别地，PTC元件46可以被配置为具有预定的“跳变温度”，在达到该“跳变温度”时PTC元件46的电阻快速地且大幅度地增大(例如，按照非线性方式)，以便基本上阻止电流流过Vconn导线24。在电缆10的一种非限制性的示例性实施例中，PTC元件46的跳变温度可以低于以上所述的PTC元件44的跳变温度，并且可以为176-230华氏度。
虽然Vconn导线24被示出为仅具有单个与其耦接的PTC元件46，但是其中多个PTC元件被实施于Vconn导线24上的电缆10的实施例也是应当想得到的。例如，参照图3B，电缆10可以包含在Vconn导线24上与电缆10的一端(例如，与源40连接的那端)相邻的一个PTC元件46以及在Vconn导线24上与电缆10的相对端(例如，与源42连接的那端)相邻的第二PTC元件53。除此以外或作为选择，参照图3C，应当想得到的是PTC元件55、57可以被实施于与电缆10的Vconn导线24连接的源40和宿42的Vconn导线59、61中的一个或两者上，其中PTC元件55、57按照与以上所述的PTC元件46相同的方式来运作，用于给电缆10、源40和宿42提供下文将进一步描述的热保护。
PTC元件46可以用于防止电缆10在高温状态下的高功率操作，若高功率操作被允许，则这样的操作会增加对电缆10造成热损坏的风险。例如，如果电缆10在其与源40和宿42连接之前已经已经被暴露于高温下(例如，由于被置于太阳下)，则PTC元件46的温度可能在其跳变温度以上。如果USB电缆10此时在PTC元件46仍处于“跳闸”状态时与源40和宿42连接，则对于源40和宿42之一或两者，Vconn导线24将呈现为断开的，并且源和/或宿42、42将在功率导线18上仅传输低功率。如上所述，PTC元件46的跳变温度可以低于PTC元件44的跳变温度，使得电缆10的低功率操作在电缆10被允许传输高功率时会增加对电缆10造成热损坏的风险的温度下可以被允许(即，CC导线22将保留为闭合的)。
应当理解的是，以上所述的电缆10的配置同样能够被应用于符合除USB-C外的其他标准的功率/数据传输电缆。例如，以上所述的包含被实施于USB电缆的配置通道导线上的用于指定在USB电缆的分立功率导线上的功率输送的PTC元件的配置，能够类似地被实施于符合Apple Lightning标准、Apple Thunderbolt标准、不同世代(generations)的高通快速充电(Qualcomm Quick Charge)标准以及早期的USB标准的电缆。在没有直接等效于USB-C标准的配置通道导线的数据/功率传输电缆(例如，符合不同世代的高通快速充电标准的电缆)中，应当想得到的是，当这样的电缆被用于仅充电的功能(这样的实施例的示例将在下文描述)时，这样的电缆的数据线能够按照以上所述的CC导线22和Vconn导线24的方式来使用。更一般地，应当想得到的是，以上所述的电缆10的功能能够类似地通过将PTC元件安置于在此类电缆的一个或多个“非载电”导线上而实现于符合现有或未来的协议的任意数据/功率传输电缆中，其中这样的导线被用来检测是否存在源出/宿入连接和/或充电电压/电流的电平。本公开的实施例并不限制于此方面。
参照图4A，该图示出了用于示出高通快速充电2.0电缆50(以下称为“电缆50”)的一种非限制性的示例性实施例的示意图。按照高通快速充电2.0标准的规定，电缆50包含接地导线52、D+数据导线54、D-数据导线56和功率导线58。在典型的应用中，电缆50可以被用来将源器件60(如电力源)连接至将要充电的宿器件62(以下称为“源60”和“宿62”)，如图所示。
如本领域技术人员所熟知的，电缆50可以被用来选择性地在若干不同电压电平(5V、9V、12V或20V)之一下传输从源60到宿62的功率，其中电压电平由宿62指定。特别地，如果宿62需要5V的供电，则宿62将会在D+数据导线54上施加0.6V的电压并且会将D-数据导线56下拉至地电位，这会导致源60在功率导线58上施加5V的电压。如果宿62需要9V的供电，则宿62将会在D+数据导线54上施加3.3V的电压，并且将会在D-数据导线56上施加0.6V的电压，这会导致源60在功率导线58上施加9V的电压。如果宿62需要12V的供电，则宿62将会在D+数据导线54上施加0.6V的电压并且将会在D-数据导线56上施加0.6V的电压，这会导致源60在功率导线58上施加12V的电压。如果宿62需要20V的供电，则宿62将会在D+数据导线54上施加3.3V的电压，并且将会在D-数据导线56上施加3.3V的电压，这导致源60施加20V在功率导线58上。如果D+数据导线54和D-数据导线56之一或两者对于源60呈现为断连的或“断开的”，则源60将会默认为低功率操作并且将会在功率导线58上施加5V的电压。
根据本公开，D+数据导线54和D-数据导线56各自都可以包含与其内联连接(例如，经由热键合)的正温度系数(PTC)元件64、66，使得PTC元件64、66在电缆50的使用期间与源60和宿62电串联。PTC元件64、66可以由被配置为具有随PTC元件64、66的温度上升而增大的电阻的任意类型的PTC材料(例如，聚合物PTC材料、陶瓷PTC材料等)形成。特别地，PTC元件64、66可以被配置为具有预定的“跳变温度”，在所述跳变温度以上时，PTC元件64、66的电阻会快速地且大幅度地增大(例如，按照非线性方式)，以便基本上阻止电流流过D+数据导线54和D-数据导线56。在电缆50的一种非限制性的示例性实施例中，PTC元件64、66可以具有176-230华氏度的跳变温度。虽然D+数据导线54和D-数据导线56各自被示出为仅具有与其耦接的单个PTC元件64、66，但是其中多个PTC元件被实施于D+数据导线54和D-数据导线56之一或两者上的电缆50的实施例应当想得到。例如，电缆10可以包含在D+数据导线54和D-数据导线56上与电缆50的一端相邻的PTC元件，以及在D+数据导线54和D-数据导线56上与电缆50的相对端相邻的PTC元件。
虽然D+数据导线54和D-数据导线56各自被示出为仅具有与其耦接的单个PTC元件64、66，但是其中多个PTC元件被实施于D+数据导线54和D-数据导线56之一或两者上的电缆50的实施例应当想得到。例如，参照图4B，电缆50可以包含在D+数据导线54和D-数据导线56上与电缆50的一端(例如，与源40连接的那端)相邻的相应的PTC元件64、66，以及在D+数据导线54和D-数据导线56上与电缆50的相对端相邻(例如，与源42连接的那端)的相应的PTC元件68、70。除此之外或作为选择，参照图4C，应当想得到的是各个PTC元件72、74、76、78可以被实施于源40的D+数据导线80和D-数据导线82之一或两者上和/或于宿42的D+数据导线84和D-数据导线86之一或两者上(这些数据导线与电缆50的D+数据导线54和D-数据导线56连接)，其中PTC元件72、74、76、78按照与以上所述的PTC元件64、66相同的方式来运作，以给电缆50、源60和宿22提供下文将进一步描述的热保护。
在电缆50的操作期间，如果PTC元件64和/或PTC元件66的温度上升到其跳变温度以上，例如，可能由电缆50的过流状态或在外部热源(如太阳、热的电脑机箱等)下的暴露引起，PTC元件64和/或PTC元件66可以展现出高的电阻，并且可以分别阻止电流流过D+数据导线54和/或D-数据导线56。因而，D+数据导线54和/或D-数据导线56对于源60将会呈现为“断开的”(即，断连的)，由此促使源60默认为低功率操作并且将会在功率导线58上施加5V的电压。由此，当电缆50处于过热状态时，高功率操作将被防止，从而减轻否则于电缆被允许传输高功率时可能导致的损坏。
当PTC元件64和/或PTC元件66冷却到其跳变温度以下的温度并再次变为导电时，D+数据导线54和/或D-数据导线56对于源40和宿42将呈现为“闭合的”(即，连接的)，并且可以恢复电缆50的常规操作。从而，PTC元件64、66充当可重置的熔断器，用于减轻电缆50的过热以防止其受热损坏。有利的是，由于PTC元件64、66被实施于D+数据导线54和D-数据导线56上而不是在功率导线58上，PTC元件64、66只需要被额定为可保持在D+数据导线54和D-数据导线56上传输的标称电流(如，8毫安)，不必考虑在功率导线58上传输的电流的大小(如，3安培)。PTC元件64、66因此可以是小的和廉价的，从而使电缆50的成本和大小在商业上变为可行的。
如同本文所使用的，以单数形式引用的且以词语“一(a)”或“一个(an)”修饰的元件或步骤应当被理解为不排除多个元件或步骤，除非另有明确说明。而且，对于本公开的“一种实施例”的引用并非旨在被解释为排除同样结合了这些所引用特征的其他实施例的存在。
虽然本公开对于特定的实施例进行了引用，但是在不脱离本发明的保护范围所限定的本公开的领域和范围的情况下，对所描述实施例的众多修改、变动和更改都是可行的。因此，本公开并非意指限制于所描述的实施例，而是具有由随附的权利要求书的文字及其等同物所界定的完整范围。

Claims (16)

1.一种电缆，包含：
被配置为在第一器件与第二器件之间传输电功率的功率导线；
被配置为在所述第一器件与所述第二器件之间传输数据的第一数据导线；
第一正温度系数(PTC)元件，与所述第一数据导线耦接，并且被配置为如果所述第一正温度系数元件的温度上升至预定的第一跳变温度以上则减小流过所述第一数据导线的电流，其中，流过所述第一数据导线的电流的这种减小向所述第一器件和所述第二器件中的至少一个指示所述第一数据导线已经断开，从而流过所述功率导线的电功率被最终减小；
Vconn导线，被配置为促进所述电缆的高功率操作，该Vconn导线具有与其耦接的集成电路，该集成电路被配置为指示所述电缆被配置为处理高功率；以及
第二正温度系数元件，耦接到所述Vconn导线，并且被配置为如果所述第二正温度系数元件的温度升高到预定的第二跳变温度以上则减小流过所述Vconn导线的电流，其中所述第二跳变温度低于所述第一跳变温度。
2.根据权利要求1所述的电缆，其中当所述电缆与所述第一器件和所述第二器件连接时所述第一正温度系数元件被配置为与所述第一器件和所述第二器件串行电连接。
3.根据权利要求1所述的电缆，其中所述第一数据导线是被配置为允许所述第一器件和所述第二器件来确定是否已经经由所述电缆建立了连接的配置通道(CC)导线。
4.根据权利要求1所述的电缆，其中所述第一数据导线被额定为处理最大330微安。
5.根据权利要求1所述的电缆，其中所述第一正温度系数元件具有当所述第一正温度系数元件的温度超过所述预定的第一跳变温度时按照非线性方式增大的电阻。
6.根据权利要求1所述的电缆，还包含：
被配置为在所述第一器件与所述第二器件之间传输数据的第二数据导线；以及
第三正温度系数元件，与所述第二数据导线耦接，并且被配置为如果所述第三正温度系数元件的温度上升至预定的第三跳变温度以上则减小流过所述第二数据导线的电流。
7.根据权利要求1所述的电缆，其中当所述电缆与所述第一器件和所述第二器件连接时所述第二正温度系数元件被配置为与所述第一器件和所述第二器件串行电连接。
8.根据权利要求1所述的电缆，其中所述电缆符合通用串行总线(USB)C型标准。
9.一种用于提供过温保护的系统，包含：
通过电缆相互连接的第一器件和第二器件；
其中所述电缆包含：
被配置为在所述第一器件与所述第二器件之间传输电功率的功率导线；
被配置为在所述第一器件与所述第二器件之间传输数据的第一数据导线；以及
第一正温度系数(PTC)元件，与所述第一数据导线耦接，并且被配置为如果所述第一正温度系数元件的温度上升至预定的第一跳变温度以上则减小流过所述第一数据导线的电流；其中所述第一器件和所述第二器件中的至少一个被配置为当流过所述第一数据导线的所述电流减小时减少经由所述功率导线传输的电功率的量；
Vconn导线，被配置为促进所述电缆的高功率操作，该Vconn导线具有与其耦接的集成电路，该集成电路被配置为指示所述电缆被配置为处理高功率；以及
第二正温度系数元件，耦接到所述Vconn导线，并且被配置为如果所述第二正温度系数元件的温度升高到预定的第二跳变温度以上则减小流过所述Vconn导线的电流，其中所述第二跳变温度低于所述第一跳变温度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一正温度系数元件与所述第一器件和所述第二器件串行电连接。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一数据导线是被配置为允许所述第一器件和所述第二器件来确定是否已经经由所述电缆建立了连接的配置通道(CC)导线。
12.根据权利要求9所述的系统，还包含：第三正温度系数元件，与所述第一器件和所述第二器件之一的数据导线耦接，并且被配置为如果所述第三正温度系数元件的温度上升至预定的第三跳变温度以上则减小流过所述数据导线的电流，其中所述第一器件和所述第二器件中的至少一个被配置为当流过所述第一器件和所述第二器件之一的所述数据导线的所述电流减小时减少经由所述功率导线传输的电功率的量。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一正温度系数元件具有当所述第一正温度系数元件的温度超过所述预定的第一跳变温度时按照非线性方式增大的电阻。
14.根据权利要求9所述的系统，还包含：
被配置为在所述第一器件与所述第二器件之间传输数据的第二数据导线；以及
第三正温度系数元件，与所述第二数据导线耦接，并且被配置为如果所述第三正温度系数元件的温度上升至预定的第三跳变温度以上则减小流过所述第二数据导线的电流；
其中所述第一器件和所述第二器件中的至少一个被配置为当流过所述第二数据导线的所述电流减小时减少经由所述功率导线传输的电功率的量。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述第二正温度系数元件与所述第一器件和所述第二器件串行电连接。
16.根据权利要求9所述的系统，其中所述电缆符合通用串行总线(USB)C型标准。
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