CN111224657A - 一种计算机usb端口的电源切换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算机USB端口的电源切换电路，包括：状态判断单元；主电源开关单元，连接于主电源、状态判断单元和计算机的USB端口；辅助电源开关单元，连接于辅助电源、状态判断单元和USB端口；其中，状态判断单元根据计算机系统的上电顺序判断计算机系统的状态并根据状态控制主电源开关单元和辅助电源开关单元。本发明的目的至少在于，能够提供一种USB端口电路，能够在S0状态时满足大电流供电，且S3状态时提供可限制的电流能力，以保证系统维持S3状态时，系统供给CPU、内存、CPLD等关键器件的电流能力不被影响。

Description

一种计算机USB端口的电源切换电路
技术领域
本发明涉及计算机和电子电路技术领域，具体来说，涉及一种计算机USB端口的电源切换电路。
背景技术
在计算机领域，USB端口作为最普遍的用户设备接口，其电源供电设计非常重要。计算机系统状态有S0、S1、S2、S3、S4、S5状态，其中S0、S1、S2状态下USB端口都是正常供电状态；S4、S5时对于CPU与内存为下电状态，USB端口不供电；S3为睡眠状态，此时USB端口可以设计为供电或不供电。
ATX主板使用ATX电源供电。计算机USB端口使用5V供电(5V_USB),考虑到成本因素，一般会直接选用ATX电源的5V_VSB或5V_ATX供电。5V_ATX的供电一般都大于10A能充分满足USB端口供电，但适配PC机的ATX电源5V_VSB电源一般为最大2.5A电流，适配服务器的ATX电源5V_VSB电源为最大3A。5V_VSB与5V_ATX供电能力差距大。
5V_VSB在S0、S1、S2、S3、S4、S5状态均正常输出，5V_ATX在S0、S1、S2状态正常输出，在S3、S4、S5状态会关闭。
计算机系统有多个USB端口，如果每个USB端口都选择5V_VSB，在S0与S3时插接手机、移动硬盘、键鼠、充电宝等很可能超过5V_VSB的供电能力，造成USB供电不足，导致计算机系统故障。如果每个USB端口都选择5V_ATX，S0时插接众多电子设备可以满足供电，但在S3睡眠时没有供电，会导致S3睡眠时无法通过键鼠唤醒计算机系统，以及USB无线收发器之类的无法工作等问题。
在ATX主板上某些USB端口使用5V_VSB供电，某些USB端口使用5V_ATX供电，可以避免上面问题，但仍然存在隐患。由于计算机系统在S3时的5V的主供电已关闭，只有5V_VSB小电流供电，此时如果5V_USB如果耗电流过大，将导致S3状态系统故障。
发明内容
针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种计算机USB端口的电源切换电路，能够提供一种在S0状态时满足大电流供电，且S3状态时有电流供电的电路设计方案。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种计算机USB端口的电源切换电路，包括：
状态判断单元；
主电源开关单元，连接于主电源供电电压、状态判断单元和计算机的USB端口；
辅助电源开关单元，连接于辅助电源供电电压、状态判断单元和USB端口；
其中，状态判断单元根据计算机系统的上电顺序判断计算机系统的状态并根据状态控制主电源开关单元和辅助电源开关单元的开启与关闭，
当状态判断单元判断计算机系统的状态为S0状态时控制主电源开关单元开启，以使得主电源供电电压通过主电源开关单元提供至USB端口，当状态判断单元判断计算机系统的状态为S3状态时控制辅助电源开关单元开启，以使得辅助电源供电电压通过辅助电源开关单元提供至USB端口。
根据本发明的实施例，计算机USB端口的电源切换电路还包括：可恢复保险丝，连接在辅助电源开关单元与USB端口之间。
根据本发明的实施例，主电源开关单元为具有电流过流保护功能的USB端口电源芯片。
根据本发明的实施例，辅助电源开关单元为MOS管芯片，其中，MOS管芯片的栅极连接至状态判断单元。
根据本发明的实施例，状态判断单元为CPLD或FPGA。
根据本发明的实施例，当状态判断单元判断计算机系统的状态为S5状态时控制主电源开关单元和辅助电源开关单元关闭。
根据本发明的实施例，计算机USB端口的电源切换电路还包括：第一电平转换器件，连接在状态判断单元和主电源开关单元之间，用于将状态判断单元的电平逻辑转换为主电源开关单元的电平逻辑；第二电平转换器件，连接在状态判断单元和辅助电源开关单元之间，用于将状态判断单元的电平逻辑转换为辅助电源开关单元的电平逻辑。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机USB端口的电源切换电路，，包括：
可编程器件；
USB端口电源芯片，连接于主电源、状态判断单元和计算机的USB端口；
MOS管芯片，连接于辅助电源、USB端口电源芯片和USB端口；
可恢复保险丝，连接在MOS管芯片与USB端口之间；
其中，可编程器件根据计算机系统的上电顺序判断计算机系统的状态并根据状态控制USB端口电源芯片和MOS管芯片的开启与关闭，
当可编程器件判断计算机系统的状态为S0状态时控制USB端口电源芯片开启，以使得主电源通过USB端口电源芯片提供至USB端口，
当可编程器件判断计算机系统的状态为S3状态时控制MOS管芯片开启，以使得辅助电源通过MOS管芯片和可恢复保险丝提供至USB端口。
根据本发明的实施例，当可编程器件判断计算机系统的状态为S5状态时控制USB端口电源芯片和MOS管芯片关闭。
根据本发明的实施例，计算机USB端口的电源切换电路还包括：第一电平转换器件，连接在可编程器件和USB端口电源芯片之间，用于将可编程器件的电平逻辑转换为USB端口电源芯片的电平逻辑；第二电平转换器件，连接在可编程器件和MOS管芯片之间，用于将可编程器件的电平逻辑转换为MOS管芯片的电平逻辑。
本发明通过状态判断单元对于计算机系统的状态S0、S3的判断，而控制相应的主电源开关单元或辅助电源开关单元开启，以在S0状态时为USB端口提供主电源、在S3状态时为USB端口提供辅助电源。从而，在S3状态时，辅助电源单元通过可恢复保险丝效果，可限制系统提供给USB设备的电流能力。与现有技术中为USB端口提供固定的主电源或辅助电源供电的方式相比，本发明能够保证USB端口，在S0状态时通过主电源来为USB端口提供大电流支持；同时，在S3状态通过辅助电源单元为USB端口提供可限制的电流能力，以保证系统维持S3状态时，系统供给CPU、内存、CPLD等关键器件的电流能力不被影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的计算机USB端口的电源切换电路的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明实施例的一种计算机USB端口的电源切换电路100，可以包括状态判断单元10、主电源开关单元20和辅助电源开关单元30。如图1所示，连接于主电源供电电压5V_ATX、状态判断单元10和计算机的USB端口200；辅助电源开关单元30，连接于辅助电源供电电压5V_VSB、状态判断单元10和USB端口200。
应当理解，其中，5V_ATX是ATX电源的5V主要电源供电。在计算机开启后才有输出。5V_VSB是ATX电源的5V辅助性电源供电。ATX标准，个人计算机领域的一种系统标准。电源模块插上220AC供电后即有输出的供电输出(此时没开启计算机)5V_VSB，一般输出电流能力较小。另外，计算机系统状态，S0～S5共有6种状态，S0状态指系统正常开机运作的状态；S1状态时透过频率产生器将处理器关闭、系统内存内容被刷新(持续供电)；S2状态则是处理器电源完全关闭、内存内容刷新，系统整体耗电量比起S1状态更低一些；S3状态一般也称为suspend to RAM或是待命(Windows XP)、睡眠(Windows Vista之后)，除了系统内存还有少量供电以外，其余大部分系统内的硬件电源均被关闭；S4状态将系统内存内部的数据写入硬盘之后，将计算机系统整体关闭，耗电量和关机一样；S5状态就是关机状态。
其中，状态判断单元10可以根据计算机系统的上电顺序判断计算机系统的状态并根据状态控制主电源开关单元20和辅助电源开关单元30，并且，当状态判断单元10判断计算机系统的状态为S0状态时控制主电源开关单元20开启，以使得主电源供电电压5V_ATX通过主电源开关单元20提供至USB端口200。另外，当状态判断单元10判断计算机系统的状态为S3状态时控制辅助电源开关单元30开启，以使得辅助电源供电电压5V_VSB通过辅助电源开关单元30提供至USB端口200。
本发明的上述技术方案，通过状态判断单元10对于计算机系统的状态S0、S3的判断，而控制相应的主电源开关单元20或辅助电源开关单元30开启，以在S0状态时为USB端口200提供主电源供电电压5V_ATX、在S3状态时为USB端口200提供辅助电源。从而，在S3状态时，辅助电源单元通过可恢复保险丝40的过流熔断保护效果，可限制系统提供给USB设备的电流能力。与现有技术中为USB端口200提供固定的主电源供电电压5V_ATX或辅助电源供电电压5V_VSB的方式相比，本发明能够保证USB端口200，在S0状态时通过主电源来为USB端口200提供大电流支持；同时，在S3状态通过辅助电源单元提供供电电压5V_VSB，来为USB端口200提供可限制的电流能力，以保证系统维持S3状态时，系统供给CPU、内存、CPLD等关键器件的电流能力不被影响。
在图1所示的实施例中，主电源开关单元20为具有电流过流保护功能的USB端口电源芯片，即USB PowerIC。辅助电源开关单元30为MOS晶体管，其中，MOS晶体管的栅极连接至状态判断单元10。通过控制MOS管的栅极电压来控制MOS管漏级是否输出辅助电源供电的5V电压。在一个实施例中，状态判断单元10可以为CPLD或FPGA。
继续参考图1所示，本发明的计算机USB端口的电源切换电路100还可以包括连接在辅助电源开关单元30与USB端口200之间的可恢复保险丝40。这样，通过在USB端口200的辅助电源供电线路上应用可恢复保险丝40，通过可恢复保险丝规格值与PCB布线灵活获得需要的电流过流保护值，且可恢复保险丝40在断开一段时间后可恢复。在S3状态时用辅助电源+5V_VSB供电，通过可恢复保险丝的过流熔断保护效果提供了有利的电流过流保护功能。在USB设备需求电流过大的情况下，USB端口断电，以保护S3状态时CPU、内存、CPLD等关键器件所需的辅助电源5V_VSB的电流足够。
具体的，对于USB端口电流过流保护值，USB PowerIC的电流过流保护值，由PowerIC本身决定，在芯片封装与管脚定义相同的基础上，可根据需求不同来选择不同规格的电流过流保护值的芯片。可恢复保险丝40的实际电流过流保护值，由可恢复保险丝40的规格与PCB布线决定。在PCB布线固定后通过实际应用环境测试获取可恢复保险丝40的实际电流过流保护值。可恢复保险丝封装相同的基础上，可根据需求不同来选择不同规格的电流过流保护值的可恢复保险丝40。可恢复保险丝40熔断断开后，一定时间内会恢复正常连通。因此，当USB端口设备抽载电流超过USB电流过流保护值时，会断开USB端口供电；当抽载电流小于电流过流保护值后，USB PowerIC会立即恢复USB端口供电，可恢复保险丝40会延迟一段时间恢复。USB电流过流保护值效果将保护S0与S3时的USB设备抽载电流均不超过设定值，保护计算机系统稳定。
根据本发明的实施例，计算机USB端口的电源切换电路100还可以包括第一电平转换器件51，连接在状态判断单元10和主电源开关单元20之间，用于将状态判断单元10的电平逻辑转换为主电源开关单元20的电平逻辑。计算机USB端口的电源切换电路100还可以包括第二电平转换器件52，连接在状态判断单元10和辅助电源开关单元30之间，用于将状态判断单元10的电平逻辑转换为辅助电源开关单元30的电平逻辑。
在图1所示的实施例中，控制计算机系统上电时序，控制USBPowerIC与MOS管芯片的开启。USB端口200，是USB Spec定义的标准USB连接器，使用5V_USB为插接的USB设备供电。USBPowerIC，具有电流过流保护功能的USB端口电源芯片。芯片输入5V，其使能管脚信号控制输出5V或不输出5V。MOS管芯片的源级输入5V，通过控制MOS管芯片的栅极电压来让MOS管芯片的漏级是否输出5V。可恢复保险丝40，在同样的封装基础上可选择不同熔断电流值规格的可恢复保险丝40。可恢复保险丝40熔断断开后，一定时间内会恢复正常连通。电平转换，将FPGA/CPLD管脚的电平逻辑转换成USB PowIC与MOS管芯片的控制电平逻辑。
现对图1中所示的实施例电路运行逻辑进行说明。FPGA/CPLD使用5V_VSB转换的电源供电，计算机系统电源插接电源线上电初始即良好启动与初始化。FPGA/CPLD控制计算机系统电源上电时序，可获知S0/S3/S5状态。根据本发明的实施例，当状态判断单元10判断计算机系统的状态为S5状态时控制主电源开关单元20和辅助电源开关单元30关闭。在S0/S3/S5状态下分别发送USBPowerIC与MOS管芯片的控制信号，以便控制5V_USB的电源来源选择，如表1。
表1 USB PowerIC与MOS管芯片的开启导通控制逻辑
Figure BDA0002335138040000071
在另一个实施例中，主电源开关单元20可以采用MOS管芯片，辅助电源开关单元30可以采用USB PowerIC。在这样的实施例中，可恢复保险丝连接在MOS管芯片与USB端口200之间。在其他实施例中，状态判断单元10也可以被采用专用集成电路芯片。
综上所述，本发明提供的技术方案，可以保证USB端口，在S0状态时按照USBPowerIC的电流限制保护值来为USB端口提供大电流支持；同时在S3状态，按照可恢复保险丝的实际电流过流保护值来为USB端口提供电流能力支持，当USB端口插接的设备抽载电流大于可恢复保险丝的实际电流过流保护值后，可恢复保险丝即断开，确保需要维持S3状态时CPU、内存、CPLD等的电流需求。因此，在需求已定的情况下，可以只利用USB PowerIC与MOS管芯片二者中的某一路来满足需求，从而可降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，包括：
状态判断单元；
主电源开关单元，连接于主电源供电电压、所述状态判断单元和计算机的USB端口；
辅助电源开关单元，连接于辅助电源供电电压、所述状态判断单元和所述USB端口；
其中，所述状态判断单元根据计算机系统的上电顺序判断计算机系统的状态并根据所述状态控制所述主电源开关单元和所述辅助电源开关单元的开启与关闭，
当所述状态判断单元判断所述计算机系统的状态为S0状态时控制所述主电源开关单元开启，以使得所述主电源供电电压通过所述主电源开关单元提供至所述USB端口，
当所述状态判断单元判断所述计算机系统的状态为S3状态时控制所述辅助电源开关单元开启，以使得所述辅助电源供电电压通过所述辅助电源开关单元提供至所述USB端口。
2.根据权利要求1所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，还包括：
可恢复保险丝，连接在所述辅助电源开关单元与所述USB端口之间。
3.根据权利要求1所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，所述主电源开关单元为具有电流过流保护功能的USB端口电源芯片。
4.根据权利要求1所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，辅助电源开关单元为MOS管芯片，其中，所述MOS管芯片的栅极连接至所述状态判断单元。
5.根据权利要求1所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，所述状态判断单元为CPLD或FPGA。
6.根据权利要求1所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，当所述状态判断单元判断所述计算机系统的状态为S5状态时控制所述主电源开关单元和所述辅助电源开关单元关闭。
7.根据权利要求1所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，还包括：
第一电平转换器件，连接在所述状态判断单元和所述主电源开关单元之间，用于将所述状态判断单元的电平逻辑转换为所述主电源开关单元的电平逻辑；
第二电平转换器件，连接在所述状态判断单元和所述辅助电源开关单元之间，用于将所述状态判断单元的电平逻辑转换为所述辅助电源开关单元的电平逻辑。
8.一种计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，包括：
可编程器件；
USB端口电源芯片，连接于主电源、所述状态判断单元和计算机的USB端口；
MOS管芯片，连接于辅助电源、所述USB端口电源芯片和所述USB端口；
可恢复保险丝，连接在所述MOS管芯片与所述USB端口之间；
其中，所述可编程器件根据计算机系统的上电顺序判断计算机系统的状态并根据所述状态控制所述USB端口电源芯片和所述MOS管芯片的开启与关闭，
当所述可编程器件判断所述计算机系统的状态为S0状态时控制所述USB端口电源芯片开启，以使得所述主电源通过所述USB端口电源芯片提供至所述USB端口，
当所述可编程器件判断所述计算机系统的状态为S3状态时控制所述MOS管芯片开启，以使得所述辅助电源通过所述MOS管芯片和所述可恢复保险丝提供至所述USB端口。
9.根据权利要求8所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，当所述可编程器件判断所述计算机系统的状态为S5状态时控制所述USB端口电源芯片和所述MOS管芯片关闭。
10.根据权利要求8所述的计算机USB端口的电源切换电路，其特征在于，还包括：
第一电平转换器件，连接在所述可编程器件和所述USB端口电源芯片之间，用于将所述可编程器件的电平逻辑转换为所述USB端口电源芯片的电平逻辑；
第二电平转换器件，连接在所述可编程器件和所述MOS管芯片之间，用于将所述可编程器件的电平逻辑转换为所述MOS管芯片的电平逻辑。
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