CN110858711A - 通用串行总线接口中用于过压保护的电路和方法 - Google Patents

通用串行总线接口中用于过压保护的电路和方法 Download PDF

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Abstract

提供了通用串行总线接口中用于过压保护的电路和方法。一种通用串行总线(USB)设备中用于过压保护的电路包括：过压保护OVP开关，连接到USB插口的引脚；以及开关控制器，当检测到过压时，关断OVP开关，使得引脚与USB设备之间的电力中断。开关控制器向OVP开关提供控制信号，使得当USB设备在正常模式下操作且未检测到过压时OVP开关具有第一导通电阻，并且当USB设备在低功率模式下操作且未检测到过压时，OVP开关具有高于第一导通电阻的第二导通电阻。

Description

通用串行总线接口中用于过压保护的电路和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月22日在韩国知识产权局提交的题为：“Circuit for andMethod of Protecting Overvoltage in Universal Serial Bus Interface”的韩国专利申请No.10-2018-0098091的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
实施例涉及通用串行总线(USB)接口，更具体地，涉及USB接口中用于过压保护的电路和方法。
背景技术
USB(或USB标准)是用于定义电缆、连接器的标准和用于执行设备之间的通信的通信协议，并且广泛地用于各种应用中。USB不仅定义了用于发送和接收数据的协议，而且还定义了用于电力传输的标准。例如，USB电力输送(PD)规定对高电力(例如，20V和5A)的输送。因此，当导电异物被引入USB插口或在USB电缆上发生电短路时，可能由于过电流而发生损坏，并且USB插口和USB插头也可能会损坏。
发明内容
实施例涉及一种通用串行总线(USB)设备中用于过压保护的电路，所述电路包括：过压保护(OVP)开关，连接到USB插口的引脚；以及开关控制器，当检测到过压时，所述开关控制器关断所述OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断，其中，所述开关控制器向所述OVP开关提供控制信号，使得当所述USB设备在正常模式下操作且未检测到过压时所述OVP开关具有第一导通电阻，并且当所述USB设备在低功率模式下操作且未检测到过压时，所述OVP开关具有高于所述第一导通电阻的第二导通电阻。
实施例涉及一种通用串行总线(USB)设备中用于过压保护的电路，所述电路包括：过压保护(OVP)开关，连接到USB插口的引脚；以及开关控制器，当检测到过压时所述开关控制器关断所述OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断，其中，所述开关控制器包括充电泵，当所述USB设备在正常模式下操作时，使所述充电泵加电，并且当所述USB设备在低功率模式下操作时，使所述充电泵断电。
实施例涉及一种通用串行总线(USB)设备中用于过压保护的方法，所述方法包括：监测USB插口的引脚上的电压；当检测到过压时，关断连接到所述USB插口的所述引脚的过压保护(OVP)开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断；当消除过压时，接通所述OVP开关；以及确定所述USB设备是在正常模式还是在低功率模式下操作。当所述USB设备在所述正常模式下操作且未检测到过压时，向所述OVP开关提供第一电压。当所述USB设备在所述低功率模式下操作且未检测到过压时，向所述OVP开关提供第二电压，所述第二电压小于所述第一电压。
实施例涉及一种通用串行总线(USB)设备中用于过压保护的电路，所述电路包括：并联连接的第一过压保护(OVP)开关和第二OVP开关，连接到USB插口上的引脚；以及开关控制器。所述开关控制器包括：第一开关，连接到所述第一OVP开关，并且选择性地连接到地电压或充电泵，当所述USB设备在正常模式下操作时，所述第一开关在检测到过压时关断所述第一OVP开关，使得引脚与所述USB设备之间的电力中断；以及第二开关，连接到所述第二OVP开关，并选择性地连接到所述地电压或正电源电压，所述第二开关在检测到过压且所述USB设备在低功率模式下操作时关断所述第二OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断，其中，所述第一OVP开关具有第一导通电阻，并且所述第二OVP开关具有高于所述第一导通电阻的第二导通电阻。
附图说明
通过参考附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1示出了根据示例实施例的通用串行总线(USB)设备的框图；
图2示出了根据示例实施例的图1的USB插口的示例的框图；
图3示出了根据示例实施例的USB设备的框图；
图4示出了根据示例实施例的USB接口中进行过压保护的方法的流程图；
图5示出了根据示例实施例的开关控制器的框图；
图6示出了根据示例实施例的USB设备的框图；
图7A和图7B示出了根据示例实施例的图6的USB设备的操作的示例的示意图；
图8示出了根据示例实施例的USB设备的框图；
图9示出了根据示例实施例的图7的USB设备的操作的示例的时序图；
图10示出了根据示例实施例的USB设备的框图；
图11A和图11B示出了根据示例实施例的图10的USB设备的操作的示例的示意图；以及
图12示出了根据示例实施例的USB接口中进行过压保护的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据示例实施例的通用串行总线(USB)设备100的框图。图2是根据示例实施例的图1的USB插口110的示例的框图。
参考图1，USB设备100可以是能够通过USB接口与另一设备通信的任意设备，即任何设备。例如，USB设备100可以是固定设备，例如台式计算机、服务器等，或便携式设备，例如膝上型计算机、移动电话、平板个人计算机(PC)等。此外，USB设备100可以是包括在固定设备或便携式设备中的组件，并且被配置为提供USB接口。如图1所示，USB设备100可以包括USB插口110、端接电路(termination circuit)120、端口控制器130、电源电路140和过压保护(OVP)电路150。
USB插口110可以耦接到USB电缆或USB插头以连接到另一USB设备。USB插口110可以包括多个暴露的引脚，其发送和接收信号或传输电力。例如，如图2所示，USB插口110可以包括用于发送发送信号TX+和TX-、接收接收信号RX+和RX-、通道配置(CC)信号CC1和CC2、VBUS电压V_BUS和地电压的引脚。在一些实施例中，USB插口110可以具有USB类型-C引脚布置，如图2所示。
当USB插头未耦接到USB插口110时导电异物被引入USB插口110或者在耦接到USB插口110的USB电缆中发生电短路时，USB插口110的至少两个引脚可能彼此电连接。彼此不适当地电连接的引脚可能引起漏电流，这可能不仅导致经由USB接口的通信故障，而且还可能导致损坏USB设备100或其他USB设备。具体地，当USB设备100是便携式设备或包括在便携式设备中的组件时，可能容易地将导电材料(例如，水、金属等)引入USB插口110中。因此，USB设备100中可能发生过度的功耗或损坏。例如，USB电力输送(PD)可以定义经由VBUS引脚(例如，图2的A4)对高电力(例如，20V和5A)的输送。此外，当VBUS引脚与另一引脚(例如，图2的A5)短路时，VBUS引脚的高电压和高电流可能被施加到短路的引脚。为了保护USB设备100的内部电路(例如，端接电路120和端口控制器130)免受高电压和高电流的影响，USB设备100可以包括OVP电路150。
OVP电路150可以检测在USB插口110中包括的引脚处发生的过压，并且可以在检测到过压时将该引脚与USB设备100的内部电路电断开。此外，当检测到过压时，OVP电路150可以输出激活的检测信号DET。在一些实施例中，在没有发生过压的正常状态下，OVP电路150可以不衰减经由USB插口110的引脚发送和接收的信号。OVP电路150可以包括消耗相对高的电力的电路。USB设备100可以在正常模式和低功率模式下操作。在低功率模式下，OVP电路150可以降低USB设备100的功耗。在下文中，如下面参考附图所述，OVP电路150可以在低功率模式下提供降低的功耗，而不会在低功率模式下引起信号衰减。
端接电路120可以由端口控制器130来控制，并根据USB要求为USB插口110提供端接。例如，端接电路120可以在端口控制器130的控制下将CC信号CC1和CC2从端口控制器130发送到USB插口110，或者将CC信号CC1和CC2从USB插口110发送到端口控制器130。此外，端接电路120可以在端口控制器130的控制下提供VCONN电压，以用于为从电源电路140到USB插口110的有源电缆提供电力。
端口控制器130可以与端接电路120通信，控制端接电路120，并响应于通过端接电路120接收的信号来控制USB接口。端口控制器130可以控制通过USB插口110供应给外部或从外部接收的端口电力，并根据USB要求来处理CC信号CC1和CC2。在一些实施例中，端口控制器130可以是通过逻辑合成设计的逻辑块、包括在存储处理器和由处理器执行的指令的存储器中的软件块、或其组合。在一些实施例中，端口控制器130可以被称为电力输送集成电路(PDIC)。在一些实施例中，端接电路120和端口控制器130可以包括在一个IC中，并且该IC可以称为PDIC。
端口控制器130可以输出用于控制电源电路140的电源控制信号PWR。例如，端口控制器130可以与另一USB设备执行电力协商，并基于协商结果使用电源控制信号PWR来控制电源电路140。
在一些实施例中，端口控制器130可以向OVP电路150提供指示正常模式或低功率模式的模式信号MD，并且可以从OVP电路150接收指示是否发生过压的检测信号DET。端口控制器130可以基于到USB设备100的用户输入在正常模式和低功率模式之间切换模式，或者在满足进入正常模式或低功率模式的条件时在正常模式和低功率模式之间切换模式，并生成指示模式的模式信号MD。在一些实施例中，当发生过压时，即当从OVP电路150接收到激活的检测信号DET时，端口控制器130可以控制信号发生器(例如，扬声器、显示器、发光元件、振动电机等)向USB设备100外部通知发生过压，例如输出USB设备100的用户可识别的(即，可检测的)信号。
电源电路140可以向USB插口110提供VBUS电压V_BUS或者从USB插口110接收VBUS电压V_BUS。在一些实施例中，当USB设备100支持面向上载的端口(UFP)时，电源电路140可以从USB插口110的电源引脚(例如，图2的A4)接收VBUS电压V_BUS，并将由VBUS电压V_BUS供应的电力分配到USB设备100的其他组件。在一些实施例中，当USB设备100支持面向下载的端口(DFP)时，电源电路140可以向USB插口110的电源引脚(例如，图2的A4)提供VBUS电压V_BUS。在一些实施例中，USB设备100可以支持在源(或主机)与宿(sink)(或设备)之间可切换的双角色端口(DRP)。
在一些实施例中，电源电路140可以生成VCONN电压，以用于为有源电缆提供电力，并向端接电路120提供VCONN电压。由于端接电路120通过端口控制器130的控制而进行的操作，VCONN电压可以被提供给USB插口110的CC1引脚(例如，图2的A5)或CC2引脚(例如，图2的B5)。如本文所使用的，用于传输电力的电压，例如VBUS电压V_BUS和VCONN电压，可以被称为电源电压。
参考图2，USB插口110’可以具有根据USB类型-C的结构。USB插口110’可以具有对称的引脚布置，使得USB插口110’可以与USB插头适当地耦接，而不管方向或取向，例如向上或向下插入。USB插口110’可以包括TX1+引脚A2、TX1-引脚A3、RX1+引脚B11、RX1-引脚B10、TX2+引脚B2、TX2-引脚B3、Rx2+引脚A11和RX2-引脚A10作为数据总线。USB插口110’可以包括VBUS引脚A4、A9、B4和B9，并且作为电源总线的CC1引脚A5和CC2引脚B5也可以根据USB插口110’耦接到USB插头的方向来传输VCONN电压。此外，USB插口110’可以包括两个边带使用(SBU)引脚A8和B8以及两个通道配置(CC)引脚A5和B5。CC1引脚A5和CC2引脚B5可以统称为CC引脚。与USB插口110’不同，耦接到USB插口110’的USB插头可以包括一个CC引脚CC，并且包括专用VCOON引脚。最后，USB插口110’可以在其外部包括四个接地(GND)引脚A1、A12、B1和B12。
如上所述，当异物被引入USB插口110’时，连接到USB插口110’的USB电缆中可能发生电短路，或者USB插口110’中包括的引脚可能被释放，使得在至少两个引脚之间可能发生电短路。具体地，当在电源引脚(例如，VBUS引脚A4、A9、B4和B9)和其他引脚之间形成电路径时，漏电流可能显著增大。例如，与VBUS引脚A3、A9、B4和B9相邻的引脚A3、A5、A8、A10、B3、B5、B8和B10可能很容易与VBUS引脚A3、A9、B4和B9短路。
在一些实施例中，OVP电路150可以保护USB设备100免受在USB插口110’中除电源引脚(例如，VBUS引脚A4、A9、B4和B9)和接地引脚(例如，GND引脚A1、A12、B1和B12)之外的任意引脚处发生的过压的影响。此外，在一些实施例中，图1的OVP电路150可以保护USB设备100免受在与VBUS引脚A4、A9、B4和B9相邻的引脚A3、A5、A8、A10、B3、B5、B8和B10处发生的过压的影响。在下文中，将主要描述保护USB 100免受在与VBUS引脚A4相邻的CC1引脚A5处发生的过压的影响的操作。
图3是根据示例实施例的USB设备300的框图。具体地，图3示出了包括OVP电路350的USB设备300，该OVP电路350被配置为保护USB设备300免受在CC1引脚A5处发生的过压的影响。类似于图1的USB设备100，USB设备300可以包括USB插口310、端接电路320、端口控制器330和OVP电路350。在图3中，将不再重复与参考图1的描述相同的描述。
参考图3，OVP电路350可以包括OVP开关351和开关控制器352。OVP开关351可以耦接到上述一个或多个CC引脚。虽然下面针对CC1引脚A5描述了OVP电路350的操作，但是应当理解，也可以针对CC2引脚B5(和VBUS引脚B4)执行该操作。
例如，USB插口310的CC1引脚A5可以耦接到端接电路320以中断VCONN。OVP开关351可以响应于从开关控制器352接收的控制信号CTR，将CC1引脚A5电连接到端接电路320或者将CC1引脚A5与端接电路320断开。当CC1引脚A5通过OVP开关351电连接到端接电路320时，OVP开关351可以具有导通电阻Ron。为了最小化通过CC1引脚A5的信号的失真，OVP开关351可以具有低导通电阻Ron。另外，当CC1引脚A5通过OVP开关351电连接到端接电路320时，OVP开关351可以不限制通过CC1引脚A5的信号的摆幅。因此，如下面参考图5所述，OVP开关351可以接收升压电压。
开关控制器352可以耦接到USB插口310的CC1引脚A5，并且可以基于CC1引脚A5的电压(即，输入电压V_IN)来检测在CC1引脚A5处发生的过压。例如，如上面参考图2所述，CC1引脚A5可以与USB插口310中的VBUS引脚A4相邻，例如紧邻。因此，当CC1引脚A5与VBUS引脚A4短路时，VBUS电压V_BUS可能被施加到CC1引脚A5。开关控制器352可以基于输入电压V_IN的电平来检测在CC1引脚A5处发生的过压，使用控制信号CTR控制OVP开关351，并且将CC1引脚A5与端接电路320电断开。
开关控制器352可以从端口控制器330接收模式信号MD，并且向端口控制器330提供检测信号DET。如上面参考图1所述，检测信号DET可以指示在CC1引脚A5处是否发生过压，并且模式信号MD可以指示USB设备300的模式(即，正常模式或低功率模式)。开关控制器352可以基于输入电压V_IN和模式信号MD两者来生成控制信号CTR。下面将参考图4来描述开关控制器352的操作的示例。
图4是根据示例实施例的USB接口中进行过压保护的方法的流程图。例如，图4的方法可以由图3的OVP电路350执行。在下文中，将参照图3来描述图4。
在操作S10中，可以执行检测过压的操作。例如，开关控制器352可以基于CC1引脚A5的输入电压V_IN来确定是否发生过压。在一些实施例中，过压可以指代偏离由USB标准针对CC1引脚A5定义的电压范围的电压。例如，USB标准可以针对通过CC1引脚A5的信号定义在-0.25V和1.8V之间的电压电平，并且当CC1引脚A5的电压偏离-0.25V和1.8V之间的范围时，认为发生了过压。在一些实施例中，可以基于USB设备300的内部电路的最大输入电压来确定过压。例如，USB设备300的内部电路(例如，端接电路320和端口控制器330)可以接收约3.3V的电压作为正电源电压(例如，图5的VDD)，并且当检测到的电压偏离0V和3.3V之间的范围时，可以认为发生了过压。在一些实施例中，过压可以对应于偏离0V和5V之间的电压范围的电压。在一些实施例中，当检测到的电压偏离包括预定裕量和上述电压范围之一的范围时，可以认为已经发生了过压。如图4所示，当未检测到过压时，可以重复执行操作S10，而当检测到过压时，可以随后执行操作S30。
在操作S30中，可以执行关断OVP开关351的操作。例如，开关控制器352可以生成控制信号CTR，使得OVP开关351可以将CC1引脚A5与端接电路320电断开，即可以关断OVP开关351。
在操作S50中，可以执行确定是否已经消除过压的操作。例如，开关控制器352可以基于CC1引脚A5的输入电压V_IN来确定是否已经在CC1引脚A5处消除了过压。如图4所示，当尚未消除过压时，可以重复执行操作S50，并且OVP开关351可以保持关断。否则，当消除了过压时，可以随后执行操作S70。
在操作S70中，可以执行确定USB设备300的模式的操作。例如，开关控制器352可以基于从端口控制器330接收的模式信号MD来确定USB设备300的模式。如图4所示，当USB设备300处于正常模式时，可以随后执行操作S91，而当USB设备300处于低功率模式时，可以随后执行操作S93。
当USB设备300处于正常模式时，可以在操作S91中执行将OVP开关351的导通电阻Ron设置为第一电阻R1的操作。如上参考图3所述，第一电阻R1可以对应于相对低的电阻，以减小通过CC1引脚A5的信号的失真。例如，开关控制器352可以生成具有升压电压的控制信号CTR，使得OVP开关351可以具有第一电阻R1作为导通电阻Ron。如下面参考图5所述，开关控制器352可以包括充电泵(例如，图5的51)，其被配置为根据USB设备300的内部电路的正电源电压来生成升压电压。如本文所使用的，第一电阻R1可以指代低于下面将描述的第二电阻R2的电阻。
当USB设备300处于低功率模式时，可以在操作S93中执行将OVP开关351的导通电阻Ron设置为第二电阻R2的操作。第二电阻R2可以高于第一电阻R1。例如，开关控制器352可以生成具有未升压电压的控制信号CTR，使得OVP开关351具有第二电阻R2作为导通电阻Ron，并且包括在开关控制器352中的充电泵可以断电。因此，开关控制器352可以在低功率模式下消耗降低的电力。结果，可以在低功率模式下提高USB设备300的效率。
图5是根据示例实施例的开关控制器50的框图。例如，图5示出了图3的开关控制器352的示例。如上参考图3所述，图5的开关控制器50可以从CC1引脚A5接收输入电压V_IN，从端口控制器330接收模式信号MD，并生成检测信号DET和控制信号CTR。如图5所示，开关控制器50可以包括充电泵51、过压检测器52和控制电路53。在下文中，将参考图3和图4来描述图5。
充电泵51可以接收正电源电压VDD并基于正电源电压VDD生成升压电压(即，输出电压V_OUT)。在某些条件下，可以由控制电路53将由充电泵51生成的输出电压V_OUT提供给OVP开关351，如下所述。OVP开关351可以响应于输出电压V_OUT提供第一电阻R1作为导通电阻Ron。在一些实施例中，OVP开关351可以包括n沟道场效应晶体管(NFET)，并且充电泵51可以生成高于正电源电压VDD的输出电压V_OUT。在一些实施例中，OVP开关351可以包括p沟道FET(PFET)，并且充电泵51可以生成低于地电压的输出电压V_OUT。充电泵51可以具有生成输出电压V_OUT的任意配置，即任何配置。例如，充电泵51可以包括至少一个电容器和至少一个开关，并接收时钟信号。
充电泵51可以响应于从控制电路53接收的使能信号ENA来操作或断电。例如，充电泵51可以响应于激活的使能信号ENA根据正电源电压VDD生成升压输出电压V_OUT，并且可以响应于去激活的使能信号ENA而断电。
过压检测器52可以从CC1引脚A5接收输入电压V_IN，并基于输入电压V_IN确定是否在CC1引脚A5处发生过压。例如，过压检测器52可以包括对输入电压V_IN进行分压的电阻器Ra和Rb以及比较器CMP。比较器CMP可以将从输入电压V_IN分压的电压与参考电压V_REF进行比较，并且当分压电压高于参考电压V_REF时输出激活的检测信号DET。备选地，过压检测器52可以具有根据输入电压V_IN的大小生成检测信号DET的任何结构。
控制电路53可以基于从过压检测器52接收的检测信号DET和从端口控制器130接收的模式信号MD生成使能信号ENA和控制信号CTR。例如，响应于激活的检测信号DET，控制电路53可以输出控制信号CTR以关断OVP开关351。此外，响应于模式信号MD指示低功率模式，控制电路53可以输出去激活的使能信号ENA以使充电泵51断电。如下面参考图6所述，在一些实施例中，控制电路53可以包括至少一个逻辑门，以用于接收检测信号DET和/或模式信号MD作为输入信号，并且控制电路53可以包括至少一个开关，该开关基于至少一个逻辑门的输出信号而接通/关断。下面将参考图6、图8和图10来描述控制电路53的配置和操作的示例。
图6是根据示例实施例的USB设备600的框图。图7A和图7B是根据示例实施例的图6的USB设备600的操作的示例的示意图。具体地，图6示出了USB设备600，其包括OVP开关610和开关控制器620，OVP开关610包括NFET N60，开关控制器620被配置为控制OVP开关610，并且图7A和图7B示出了关于时间的图6的USB设备600的信号。在图6、图7A和图7B中，假设信号是有源高信号。因此，激活的信号可以具有高电平，而去激活的信号可以具有低电平。在图7A和图7B中，将不再重复重复的描述。
参考图6，OVP开关610可以包括NFET N60，以用作基于控制信号CTR接通和关断的开关。尽管在图6中仅示出了一个NFET N60，但是在一些实施例中，OVP开关610可以包括串联连接的多个NFET(其共同地接收控制信号CTR)和/或彼此并联连接的多个NFET(其共同地接收控制信号CTR)。NFET N60可以具有导通电阻Ron，其随着栅极电压(即，控制信号CTR的电压)的增加而减小。
开关控制器620可以包括充电泵621和控制电路623。控制电路623可以包括控制逻辑器件623_1、第一开关623_2和第二开关623_3。控制逻辑器件623_1可以接收检测信号DET和模式信号MD，并且基于检测信号DET和模式信号MD生成第一开关信号SW1和第二开关信号SW2。第一开关623_2可以基于第一开关信号SW1将NFET N60的栅极连接到地电压或第二开关623_3。第二开关623_3可以基于第二开关信号SW2将第一开关623_2连接到正电源电压VDD或充电泵621。图6中所示的第一开关623_2和第二开关623_3的状态可以对应于第一开关623_2和第二开关623_3分别接收去激活的第一开关信号SW1和去激活的第二开关信号SW2(即，低电平第一开关信号SW1和低电平第二开关信号SW2)的状态。
参考图7A，模式信号MD可以在正常模式下具有低电平直到时间点t72为止，并且从时间点t72开始在低功率模式下具有高电平。备选地，模式信号MD可以在正常模式下具有高电平而在低功率模式下具有低电平。
在时间点t70之前，在CC1引脚A5处可能未检测到过压，因此检测信号DET可以处于低电平。控制逻辑器件623_1可以基于低电平模式信号MD生成高电平使能信号ENA，使得充电泵621可以生成输出电压V_OUT。此外，控制逻辑器件623_1可以基于低电平检测信号DET生成低电平第一开关信号SW1和低电平第二开关信号SW2。结果，第一开关623_2和第二开关623_3可以处于图6中所示的状态，并且充电泵621的输出电压V_OUT可以作为控制信号CTR被提供给OVP开关610。因此，OVP开关610的导通电阻Ron可以对应于低于第二电阻R2的第一电阻R1。
在时间点t70，在CC1引脚A5处可能发生过压，因此检测信号DET可以转变为高电平。响应于激活的检测信号DET，控制逻辑器件623_1可以输出激活的第一开关信号SW1，使得控制信号CTR可以由于第一开关623_2而具有地电压GND。因此，NFET N60可以截止，并且OVP开关610可以关断。
在时间点t71，在CC1引脚A5处可能消除过压，因此检测信号DET可以转变为低电平。响应于去激活的检测信号DET，控制逻辑器件623_1可以输出去激活的第一开关信号SW1，使得控制信号CTR可以具有输出电压V_OUT。
在时间点t72，USB设备600可以从正常模式切换到低功率模式，并且模式信号MD可以转变为高电平。响应于高电平模式信号MD，控制逻辑器件623_1可以输出去激活的使能信号ENA，因此充电泵621可以断电。此外，响应于高电平模式信号MD，控制逻辑器件623_1可以输出激活的第二开关信号SW2，使得可以将正电源电压VDD作为控制信号CTR提供给OVP开关610。因此，OVP开关610的导通电阻Ron可以对应于高于第一电阻R1的第二电阻R2。
在时间点t73，在CC1引脚A5处可能发生过压，因此检测信号DET可以转变为高电平。响应于激活的检测信号DET，控制逻辑器件623_1可以输出激活的第一开关信号SW1，使得控制信号CTR可以由于第一开关623_2而具有地电压GND。因此，NFET N60可以截止，并且OVP开关610可以关断。
在时间点t74，在CC1引脚A5处可能消除过压，因此检测信号DET可以转变为低电平。响应于去激活的检测信号DET，控制逻辑器件623_1可以输出去激活的第一开关信号SW1，使得控制信号CTR可以具有正电源电压VDD。
参考图7B，在一些实施例中，当检测到过压时，即使在正常模式下，充电泵621也可以断电。例如，在图7B的时间点t70，在CC1引脚A5处可能发生过压，因此检测信号DET可以转变为高电平。响应于激活的检测信号DET，控制逻辑器件623_1不仅可以输出激活的第一开关信号SW1，而且还可以输出去激活的使能信号ENA。结果，充电泵621可以断电。因此，当检测到过压时，即使在正常模式下，也可以降低功耗。
图8是根据示例实施例的USB设备800的框图。图9是根据示例实施例的图8的USB设备800的操作的示例的时序图。具体地，图8示出了USB设备800，其包括OVP开关810和开关控制器820，OVP开关810包括PFET P80，开关控制器820被配置为控制OVP开关810。图9示出了关于时间的图8的USB设备800的信号。在图8和图9中，假设信号是有源高信号，并且将不重复与参考图6、图7A和图7B的描述相同的描述。
参考图8，OVP开关810可以包括PFET P80，其用作基于控制信号CTR而接通和关断的开关。尽管图8仅示出了一个PFET P80，但是在一些实施例中，OVP开关810可以包括彼此串联连接的多个PFET(其共同地接收控制信号CTR)和/或彼此并联连接的多个PFET(其共同地接收控制信号CTR)。PFET P80可以具有导通电阻Ron，其随着栅极电压(即，控制信号CTR的电压)减小而减小。
开关控制器820可以包括充电泵821和控制电路823。与生成高于电源电压VDD的输出电压V_OUT的图6的充电泵621不同，充电泵821可以生成低于地电压的输出电压V_OUT。控制电路823可以包括控制逻辑器件823_1、第一开关823_2和第二开关823_3。第一开关823_2可以基于第一开关信号SW1将PFET P80的栅极连接到正电源电压VDD或第二开关823_3。第二开关823_3可以基于第二开关信号SW2将第一开关823_2连接到地电压或充电泵821。图8中所示的第一开关823_2和第二开关823_3的状态可以分别对应于去激活的第一开关信号SW1和去激活的第二开关信号SW2，即低电平第一开关信号SW1和低电平第二开关信号SW2。
参考图9，类似于图7A和图7B，模式信号MD可以在正常模式下具有低电平直到时间点t92为止，并且从时间点t92开始在低功率模式下具有高电平。此外，在时间点t90和时间点t93可能在CC1引脚A5处发生过压，而在时间点t91和时间点t94可能在CC1引脚A5处消除过压。
在时间点t90之前，检测信号DET可以处于低电平，并且控制逻辑器件823_1可以基于低电平检测信号DET生成低电平第一开关信号SW1和低电平第二开关信号SW2。因此，第一开关823_2和第二开关823_3可以处于图8中所示的状态，并且充电泵821的输出电压V_OUT可以作为控制信号CTR被提供给OVP开关810。因此，OVP开关810的导通电阻Ron可以对应于低于第二电阻R2的第一电阻R1。
在时间点t90，检测信号DET可以转变为高电平。控制逻辑器件823_1可以响应于激活的检测信号DET而输出激活的第一开关信号SW1，因此控制信号CTR可以由于第一开关823_2而具有正电源电压VDD。因此，PFET P80可以截止和OVP开关810可以关断。接下来，在时间点t91，检测信号DET可以转变为低电平，使得控制逻辑器件823_1可以响应于去激活的检测信号DET而输出去激活的第一开关信号SW1。结果，控制信号CTR可以具有输出电压V_OUT。在一些实施例中，如上文参考图7B所述，与图9中所示不同，控制逻辑器件823_1可以输出去激活的使能信号ENA，使得充电泵821可以从时间点t90至时间点t91断电。
在时间点t92，控制逻辑器件823_1可以响应于高电平模式信号MD而输出去激活的使能信号ENA，因此充电泵821可以断电。此外，控制逻辑器件823_1可以响应于高电平模式信号MD而输出激活的第二开关信号SW2，使得可以将地电压GND作为控制信号CTR提供给OVP开关810。结果，OVP开关810的导通电阻Ron可以对应于高于第一电阻R1的第二电阻R2。
在时间点t93，检测信号DET可以转变为高电平，并且控制逻辑器件823_1可以响应于激活的检测信号DET而输出激活的第一开关信号SW1，使得控制信号CTR可以由于第一开关823_2而具有正电源电压VDD。因此，PFET P80可以截止，并且OVP开关810可以关断。接下来，在时间点t94，检测信号DET可以转变为低电平。响应于去激活的检测信号DET，控制逻辑器件823_1可以输出去激活的第一开关信号SW1，因此控制信号CTR可以具有地电压GND。
在一些实施例中，图3的OVP开关351可以包括彼此并联和/或串联连接的NFET和PFET。因此，开关控制器352可以包括生成高于正电源电压VDD的第一输出电压的第一充电泵和生成低于地电压GND的第二输出电压的第二充电泵。开关控制器352可以参考图7A、图7B和图8执行上述操作。因此，第一充电泵和第二充电泵两者可以在低功率模式下断电。
图10是根据示例实施例的USB设备900的框图。图11A和图11B是根据示例实施例的图10的USB设备900的操作的示例的示意图。具体地，图10示出了USB设备900，其包括OVP开关910和开关控制器920，OVP开关910包括并联连接的第一OVP开关和第二OVP开关，开关控制器920用于控制OVP开关910。图11A和图11B示出了关于时间的图10的USB设备900的信号。在图10、图11A和图11B中，假设信号是有源高信号。尽管在图10、图11A和图11B中示出了包括NFET N91和N92作为第一OVP开关和第二OVP开关的OVP开关910，但是应该理解，实施例也可以应用于包括PFET作为第一OVP开关和第二OVP开关的OVP开关。在下文中，将不再重复与参考图7A和图7B的描述相同的描述。
参考图10，OVP开关910可以包括第一NFET N91和第二NFET N92，第一NFET N91和第二NFET N92并联连接并且接收不同的信号，例如分别接收第一控制信号CTR1和第二控制信号CTR2。第一NFET N91可以用作基于第一控制信号CTR1而接通和关断的第一OVP开关，而第二NFET N92可以用作基于第二控制信号CTR2而接通和关断的第二OVP开关。
开关控制器920可以包括充电泵921和控制电路923。控制电路923可以包括控制逻辑器件923_1、第一开关923_2和第二开关923_3。控制逻辑器件923_1可以接收检测信号DET和模式信号MD，并且基于检测信号DET和模式信号MD生成第一开关信号SW1和第二开关信号SW2。第一开关923_2可以基于第一开关信号SW1将第一NFET N91的栅极连接到地电压或充电泵921。第二开关923_3可以基于第二开关信号SW2将第二NFET N92的栅极连接到[E电源电压VDD或地电压。图10中所示的第一开关923_2和第二开关923_3的状态分别对应于去激活的第一开关信号SW1和去激活的第二开关信号SW2，即低电平第一开关信号SW1和低电平第二开关信号SW2。
参考图11A，在一些实施例中，开关控制器920可以在正常模式下关断第二OVP开关(即，第二NFET N92)，并且在低功率模式下关断第一OVP开关(即，第一NFET N91)。因此，OVP开关910的导通电阻Ron可以在正常模式下取决于第一NFET N91，并且在低功率模式下取决于第二NFET N92。由于第一NFET N91可以从充电泵921接收输出电压V_OUT，所以当在CC1引脚A5处未发生过压时，OVP开关910可以在正常模式下具有第一电阻R1作为导通电阻Ron，并且在低功率模式下具有高于第一电阻R1的第二电阻R2。
如图11A中所示，模式信号MD可以在正常模式下具有低电平直到时间点t12为止，并且从时间点t12开始在低功率模式下具有高电平。备选地，模式信号MD可以在正常模式下具有高电平而在低功率模式下具有低电平。
在时间点t10之前，在CC1引脚A5处可能未检测到过压，因此检测信号DET可以处于低电平。控制逻辑器件923_1可以基于低电平模式信号MD生成高电平使能信号ENA，使得充电泵921可以生成输出电压V_OUT。此外，控制逻辑器件923_1可以基于低电平检测信号DET生成低电平第一开关信号SW1和低电平第二开关信号SW2。因此，第一开关923_2和第二开关923_3处于图10中所示的状态，充电泵921的输出电压V_OUT可以作为第一控制信号CTR1被提供给第一NFET N91，并且地电压GND可以作为第二控制信号CTR2被提供给第二NFET N92。因此，第一NFET N91可以导通，而第二NFET N92可以截止。由于输出电压V_OUT高于正电源电压VDD，因此第一NFET N91可以提供低于第二电阻R2的第一电阻R1。
在时间点t10，在CC1引脚A5处可能发生过压，因此检测信号DET可以转变为高电平。响应于激活的检测信号DET，控制逻辑器件923_1可以输出激活的第一开关信号SW1，使得第一控制信号CTR1可以由于第一开关923_2而具有地电压GND。因此，第一NFET N91可以截止，并且OVP开关910可以关断。
在时间点t11，在CC1引脚A5处可能消除过压，因此检测信号DET可以转变为低电平。响应于去激活的检测信号DET，控制逻辑器件923_1可以输出去激活的第一开关信号SW1，使得第一控制信号CTR1可以具有输出电压V_OUT。在一些实施例中，如上文参考图7B所述，与图11A中所示不同，控制逻辑器件923_1可以输出去激活的使能信号ENA，使得充电泵921可以从时间点t10至时间点t11断电。
在时间点t12，USB设备900可以从正常模式切换到低功率模式，并且模式信号MD可以转变为高电平。响应于高电平模式信号MD，控制逻辑器件923_1可以输出去激活的使能信号ENA，因此充电泵921可以断电。此外，响应于高电平模式信号MD，控制逻辑器件923_1可以输出激活的第一开关信号SW1，使得可以将地电压GND作为第一控制信号CTR1提供给第一NFET N91。另外，响应于高电平模式信号MD，控制逻辑器件923_1可以输出激活的第二开关信号SW2，使得可以将正电源电压VDD作为第二控制信号CTR2提供给第二NFET N92。结果，第一NFET N91可以截止，第二NFET N92可以导通。因此，OVP开关910的导通电阻Ron可以对应于高于第一电阻R1的第二电阻R2。
在时间点t13，在CC1引脚A5处可能发生过压，因此检测信号DET可以转变为高电平。响应于激活的检测信号DET，控制逻辑器件923_1可以输出去激活的第二开关信号SW2，使得第二控制信号CTR2可以由于第二开关923_3而具有地电压GND。因此，第二NFET N92可以导通，并且OVP开关910可以关断。
在时间点t14，在CC1引脚A5处可能消除过压，因此检测信号DET可以转变为低电平。响应于去激活的检测信号DET，控制逻辑器件923_1可以输出激活的第二开关信号SW2，使得第二控制信号CTR2可以具有正电源电压VDD。
参考图11B，在一些实施例中，开关控制器920可以在低功率模式下使第一NFETN91截止，并且在正常模式下同时使第一NFET N91和第二NFET N92导通或截止。因此，OVP开关910的导通电阻Ron可以在正常模式下取决于并联连接的第一NFET N91和第二NFETN92，并且在低功率模式下仅取决于第二NFET N92。第一NFET N91可以从充电泵921接收输出电压V_OUT。由于第一NFET N91和第二NFET N92一起导通，因此当在CC1引脚A5处未发生过压时，OVP开关910可以在正常模式下具有第一电阻R1作为导通电阻Ron并且在低功率模式下具有高于第一电阻R1的第二电阻R2。
如图11B所示，在时间点t10之前，控制逻辑器件923_1可以响应于去激活的检测信号DET而输出去激活的第一开关信号SW1并输出激活的第二开关信号SW2。因此，第一控制信号CTR1和第二控制信号CTR2可以分别具有输出电压V_OUT和正电源电压VDD，并且第一NFETN91和第二NFET N92都可以导通。
图12是根据示例实施例的USB接口中进行过压保护的方法的流程图。具体地，图12示出了图4的操作S91和操作S93的示例。例如，图12的方法可以由图5的开关控制器50执行。在下文中，将参考图4和图5来描述图12的流程图。
在图4的操作S50之后，在操作S70’中，开关控制器50可以基于模式信号MD来确定USB设备(例如，图3的300)的模式。当模式信号MD对应于正常模式时，可以随后执行操作S91’。当模式信号MD对应于低功率模式时，可以随后执行操作S93’。
当模式信号MD对应于正常模式时，在操作S91’中，可以执行将OVP开关(例如，图3的351)的导通电阻Ron设置为第一电阻R1的操作。如图12所示，操作S91’可以包括操作S91_1。在操作S91_1中，可以执行将充电泵51的输出电压V_OUT提供给OVP开关的操作。输出电压V_OUT可以是由充电泵51升压的电压。因此，OVP开关可以具有相对低的导通电阻Ron，即第一电阻R1。在操作S91’之后，可以执行图4的操作S10。
当模式信号MD对应于低功率模式时，在操作S93’中，可以执行将OVP开关(例如，图3的351)的导通电阻Ron设置为第二电阻R2的操作。如图12所示，操作S93’可以包括操作S93_1。在操作S93_1中，可以执行使充电泵51断电的操作。结果，可以降低功耗并且可以提高低功率模式的效率。在操作S93’之后，可以执行图4的操作S10。
通过总结和回顾，一个或多个实施例可以提供进行过压保护的电路和方法。一个或多个实施例可以提供降低功耗的电路和方法。一个或多个实施例可以提供根据模式和/或过充电检测提供不同导通电阻的电路和方法。
本文已经公开了示例实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅用于且将被解释为一般的描述性意义，而不是为了限制的目的。在一些情况下，如提交本申请的本领域普通技术人员应认识到，除非另有明确说明，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用或与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件相结合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (25)

1.一种通用串行总线USB设备中用于过压保护的电路，所述电路包括：
过压保护OVP开关，连接到USB插口的引脚；以及
开关控制器，当检测到过压时，所述开关控制器关断所述OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断，其中，所述开关控制器向所述OVP开关提供控制信号，使得当所述USB设备在正常模式下操作且未检测到过压时所述OVP开关具有第一导通电阻，并且当所述USB设备在低功率模式下操作且未检测到过压时，所述OVP开关具有高于所述第一导通电阻的第二导通电阻。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述USB设备是USB类型-C设备。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述开关控制器包括充电泵和控制所述充电泵的控制逻辑器件。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，当所述USB设备在低功率模式下操作时，所述控制逻辑器件关断所述充电泵。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，当检测到过充电时，所述控制逻辑器件关断所述充电泵。
6.根据权利要求4所述的电路，其中，所述开关控制器包括：
第一开关，连接到所述OVP开关；以及
第二开关，其中，所述第一开关选择性地连接到地电压或所述第二开关，并且所述第二开关选择性地连接到正电源电压或所述充电泵，所述充电泵输出高于所述正电源电压的输出电压。
7.根据权利要求6所述的电路，其中，
当所述USB设备在所述正常模式下操作且未检测到过压时，所述第一开关连接到所述第二开关，并且所述第二开关连接到所述充电泵；
当所述USB设备在所述低功率模式下操作且未检测到过压时，所述第一开关连接到所述第二开关，并且所述第二开关连接到所述正电源电压；并且
当所述USB设备在所述正常模式下操作或在所述低功率模式下操作的情况下检测到过压时，所述第一开关连接到所述地电压以关断所述OVP开关。
8.根据权利要求4所述的电路，其中，所述开关控制器包括：
第一开关，连接到所述OVP开关；以及
第二开关，其中，所述第一开关选择性地连接到正电源电压或所述第二开关，并且所述第二开关选择性地连接到地电压或所述充电泵，所述充电泵输出低于所述地电压的输出电压。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，
当所述USB设备在所述正常模式下操作且未检测到过压时，所述第一开关连接到所述第二开关，并且所述第二开关连接到所述充电泵；
当所述USB设备在所述低功率模式下操作且未检测到过压时，所述第一开关连接到所述第二开关，并且所述第二开关连接到所述地电压；并且
当所述USB设备在所述正常模式下操作或在所述低功率模式下操作的情况下检测到过压时，所述第一开关连接到所述正电源电压以关断所述OVP开关。
10.根据权利要求4所述的电路，其中，所述OVP开关包括并联连接的第一OVP开关和第二OVP开关，并且所述开关控制器包括：
第一开关，连接到所述第一OVP开关，并且选择性地连接到地电压或所述充电泵；以及
第二开关，连接到所述第二OVP开关，并且选择性地连接到所述地电压或正电源电压。
11.根据权利要求10所述的电路，其中，
当所述USB设备在所述正常模式下操作时，所述第二开关连接到所述地电压；
当所述USB设备在所述正常模式下操作且未检测到过压时，所述第一开关连接到所述充电泵；
当所述USB设备在所述低功率模式下操作时，所述第一开关连接到所述地电压；
当所述USB设备在所述低功率模式下操作且未检测到过压时，所述第二开关连接到所述正电源电压；
当检测到过压并且所述USB设备在所述正常模式下操作时，所述第一开关连接到所述地电压以关断所述第一OVP开关；并且
当检测到过压并且所述USB设备在所述低功率模式下操作时，所述第二开关连接到所述地电压以关断所述第二OVP开关。
12.根据权利要求10所述的电路，其中，
当所述USB设备在所述正常模式下操作且没有检测到过压时，所述第一开关连接到所述充电泵，并且所述第二开关连接到所述地电压；
当检测到过压且所述USB设备在所述正常模式下操作时，所述第一开关连接到所述地电压以关断所述第一OVP开关，并且所述第二开关连接到所述正电源电压；
当所述USB设备在所述低功率模式下操作时，所述第一开关连接到所述地电压；
当所述USB设备在所述低功率模式下操作且未检测到过压时，所述第二开关连接到所述正电源电压；
当检测到过压并且所述USB设备在所述低功率模式下操作时，所述第二开关连接到所述地电压以关断所述第二OVP开关。
13.根据权利要求10所述的电路，其中，在所述正常模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述第一OVP开关的第一控制信号与检测到过压时提供给所述第一OVP开关的所述第一控制信号之间的第一电压差大于在所述低功率模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述第二OVP开关的第二控制信号与检测到过压时提供给所述第二OVP开关的所述第二控制信号之间的第二电压差。
14.根据权利要求1所述的电路，其中，在所述正常模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号与检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号之间的第一电压差大于在所述低功率模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号与检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号之间的第二电压差。
15.一种通用串行总线USB设备中用于过压保护的电路，所述电路包括：
过压保护OVP开关，连接到USB插口的引脚；以及
开关控制器，当检测到过压时所述开关控制器关断所述OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断，其中，所述开关控制器包括充电泵，当所述USB设备在正常模式下操作时使所述充电泵加电，并且当所述USB设备在低功率模式下操作时，使所述充电泵断电。
16.根据权利要求15所述的电路，其中，所述USB设备是USB类型-C设备。
17.根据权利要求15所述的电路，其中，当在所述正常模式和所述低功率模式下都检测到过压时，所述开关控制器向所述OVP开关提供控制信号以关断所述OVP开关。
18.根据权利要求17所述的电路，其中，在所述正常模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号与检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号之间的第一电压差大于在所述低功率模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号与检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号之间的第二电压差。
19.根据权利要求15所述的电路，其中，当所述USB设备在所述正常模式下操作的情况下检测到过压时，使所述充电泵断电。
20.根据权利要求15所述的电路，其中，所述OVP开关包括并联连接的第一OVP开关和第二OVP开关，并且所述开关控制器包括：
第一开关，连接到所述第一OVP开关，并且选择性地连接到地电压或所述充电泵；以及
第二开关，连接到所述第二OVP开关，并且选择性地连接到所述地电压或正电源电压。
21.一种通用串行总线USB设备中用于过压保护的方法，所述方法包括：
监测USB插口的引脚上的电压；
当检测到过压时，关断与所述USB插口的所述引脚相连的过压保护OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断；
当消除过压时，接通所述OVP开关；以及
确定所述USB设备是在正常模式还是在低功率模式下操作，其中，
当所述USB设备在所述正常模式下操作且未检测到过压时向所述OVP开关提供第一电压，并且
当所述USB设备在所述低功率模式下操作且未检测到过压时向所述OVP开关提供第二电压，所述第二电压小于所述第一电压。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述USB设备是USB类型-C设备。
23.一种通用串行总线USB设备中用于过压保护的方法，所述方法包括：
监测USB插口的引脚上的电压；
当检测到过压时，关断与所述USB插口的所述引脚相连的过压保护OVP开关，使得所述引脚与所述USB设备之间的电力中断；
当消除过压时，接通所述OVP开关；以及
确定所述USB设备是在正常模式还是在低功率模式下操作，其中，在所述正常模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述OVP开关的控制信号与检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号之间的第一电压差大于在所述低功率模式下操作的情况下未检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号与检测到过压时提供给所述OVP开关的所述控制信号之间的第二电压差。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述USB设备是USB类型-C设备。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括：
当所述USB设备在所述正常模式下操作且未检测到过充电时，向所述OVP开关提供充电泵的输出电压，以及
当所述USB设备在所述低功率模式下操作时，使所述充电泵断电。
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