CN112154400B - 支持有源线缆和dfp/ufp/drp应用的usb-c的电源架构 - Google Patents

支持有源线缆和dfp/ufp/drp应用的usb-c的电源架构 Download PDF

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Abstract

本文描述了用于USB C型控制器的电源架构。在示例实施方式中，集成电路(IC)控制器包括电力轨、VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子。VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子耦接至电力轨，其中VCONN开关耦接在VCONN端子与电力轨之间，并且VBUS调整器耦接在VBUS端子与电力轨之间。电力轨耦接至IC控制器的内部电路，并且被配置成由VCONN端子和VBUS端子中的任何一个端子向内部电路提供操作电力。

Description

支持有源线缆和DFP/UFP/DRP应用的USB-C的电源架构
优先权
本申请是于2018年9月24日提交的美国专利申请第16/139,974号的国际申请，该美国专利申请要求于2018年5月21日提交的美国临时申请第62/674,326号和于2018年8月22日提交的美国临时申请第62/721,347号的优先权和权益，上述所有申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开内容涉及控制向电子设备进行通用串行总线(USB)电力传输的集成电路(IC)。
背景技术
各种电子设备(例如，智能电话、平板电脑、笔记本计算机、膝上型计算机、充电器、适配器、电源组等)被配置成根据在USB电力传输(USB-PD)规范的各种版本和各种修订版本中定义的USB电力传输协议，通过USB连接器传递电力。例如，在一些应用中，电子设备可以被配置为电力消耗者以通过USB连接器接收电力(例如，用于电池充电)，而在其他应用中，电子设备可以被配置为电力提供者以通过USB连接器向连接至该电子设备的其他设备提供电力。USB-PD规范定义了至少三种不同的电压源：VBUS(例如，3V至22.5V，用于为各种USB功能供电)、VCONN(例如，3.0V至5.5V，用于为USB C型芯片供电)以及本地电池供电(例如，2.0V至5.5V，用于为内部片上电路系统供电)。因此，电子设备制造商通常使用不同类型的IC控制器，这些IC控制器取决于其USB使能的电子设备的不同设计和/或应用从不同的电源供电。
附图说明
图1示出了根据示例实施方式的具有USB-PD子系统的裸片上(on-die)IC控制器。
图2示出了根据一些实施方式的用于USB IC控制器的示例电源架构的示意图。
图3示出了根据一些实施方式的用于USB IC控制器的示例VCONN开关架构的示意图。
图4示出了根据一些实施方式的用于USB IC控制器的示例VBUS调整器架构的示意图。
图5A和图5B共同示出了根据示例实施方式的USB C型线缆组件的示意图，其中，图5A示出了线缆的一端并且图5B示出了线缆的另一端。
图6示出了根据示例实施方式的USB-PD电源适配器的示意图。
图7示出了根据示例实施方式的VCONN开关架构的示意图。
图8示出了根据示例实施方式的具有片外(off-chip)电压保护电路的电源架构的示意图。
具体实施方式
以下描述阐述了许多具体细节例如具体系统、部件、方法等的示例，以便提供对本文所描述的USB C型控制器的电源架构的各种实施方式的良好理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践至少一些实施方式。在其他实例中，为了避免使本文所描述的主题不必要地模糊，未详细描述而是以简单的框图格式呈现公知的部件、元件或方法。因此，在下文中阐述的具体细节仅是示例性的。特定实现方式可以不同于这些示例性细节，并且仍然被认为在本发明的精神和范围内。
在描述中对“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”的引用意指结合实施方式描述的特定特征、结构、步骤、操作或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。此外，在说明书中各个地方出现的短语“实施方式”、“一个实施方式”、“示例实施方式”、“一些实施方式”和“各种实施方式”不一定指相同的实施方式。
描述包括对附图的参照，这些附图形成具体实施方式的一部分。附图示出了根据示例性实施方式的图示。在本文中也可以被称为“示例”的这些实施方式以足够详细的方式进行描述，以使得本领域技术人员能够实践本文所描述的要求保护的主题的实施方式。在不脱离所要求保护的主题的范围和精神的情况下，可以对实施方式进行组合、可以利用其他实施方式或者可以进行结构、逻辑和电气改变。应当理解，本文所描述的实施方式并不旨在限制主题的范围，而是使本领域技术人员能够实践、制造和/或使用本主题。
本文描述了可以被设置成在各种电子设备中操作的USB C型控制器中的电源架构的各种实施方式。这样的电子设备的示例包括但不限于个人计算机(例如，膝上型计算机、笔记本计算机等)、移动计算设备(例如，平板电脑、平板计算机、电子阅读器设备等)、移动通信设备(例如，智能电话、移动电话、个人数字助理、消息传递设备、掌上个人电脑等)、连接和充电设备(例如，线缆、集线器、坞站、适配器、充电器等)、音频/视频/数据记录和/或播放设备(例如，摄相机、录音机、手持式扫描仪、监视器等)以及其他可以使用USB接口进行通信、电池充电和/或电力传输的类似的电子设备。
如本文所使用，“USB使能”设备或系统是指包括USB连接器接口、配置有USB连接器接口或以其他方式与USB连接器接口相关联的设备或系统。USB使能的电子设备可以符合通用串行总线(USB)规范的至少一个发行版本。这样的USB规范的示例包括但不限于USB规范修订版本2.0、USB 3.0规范、USB 3.1规范、USB 3.2规范和/或其各种补充、版本和勘误。USB规范通常限定设计和构建标准通信系统和外围设备所需的差分串行总线的特征(例如，属性、协议定义、交易类型、总线管理、编程接口等)。例如，USB使能的外围设备通过USB使能的主设备的USB端口附接至该主设备以形成USB使能的系统。USB 2.0端口包括5V的电力电压线(表示为VBUS)、数据线的差分对(表示为D+或DP以及D-或DN)以及用于电力返回的接地线(表示为GND)。USB 3.0端口也提供VBUS线、D+线、D-线和GND线用于与USB 2.0向下兼容。另外，为了支持较快的差分总线(USB超高速总线)，USB 3.0端口还提供发送器数据线的差分对(表示为SSTX+和SSTX-)、接收器数据线的差分对(表示为SSRX+和SSRX-)、用于供电的电力线(表示为DPWR)和用于电力返回的接地线(表示为DGND)。USB 3.1端口提供与USB 3.0端口相同的线以与USB 2.0和USB 3.0通信向下兼容，但是通过被称为增强型超高速的一系列功能扩展了超高速总线的性能。
在USB C型规范的各种发行版本(release)和/或版本(例如，2014年8月11日的发行版本1.0、2015年4月3日的发行版本1.1、2016年3月25日的发行版本1.2、2017年7月14日的发行版本1.3或这些发行版本的其他修订版本/版本)中定义了用于USB连接器的最新技术，称为USB C型(在本文中也称为“USB-C”)。USB C型规范定义了可以支持通过在USB-PD规范的各种修订版本/版本中定义的较新的USB电力传输协议进行的USB通信以及电力传输的C型插座、C型插头和C型线缆。USB C型功能和要求的示例可以包括但不限于根据USB 2.0和USB3.0/USB 3.1的数据和其他通信、C型线缆的机电定义和性能要求、C型插座的机电定义和性能要求、C型插头的机电定义和性能要求、C型对传统线缆组件和适配器的要求、基于C型的设备检测和接口配置的要求、优化C型连接器的电力传输的要求等。根据USB C型规范，C型端口提供VBUS线、D+线、D-线、GND线、SSTX+线、SSTX-线、SSRX+线和SSRX-线等。另外，C型端口还提供用于边带功能的信号传递的边带使用(表示为SBU)线以及用于发现、配置和管理通过C型线缆的连接的配置信道(表示为CC)线。C型端口可以与C型插头和/或C型插座相关联。为了便于使用，C型插头和C型插座被设计为无论插头到插座的取向如何均可以操作的可逆对。因此，被布置为标准C型插头或插座的标准USB C型连接器针对以下提供引脚：四根VBUS线、四根接地返回(GND)线、两根D+线(DP1和DP2)、两根D-线(DN1和DN2)、两根SSTX+线(SSTXP1和SSTXP2)、两根SSTX-线(SSTXN1和SSTXN2)、两根SSRX+线(SSRXP1和SSRXP2)、两根SSRX-线(SSRXN1和SSRXN2)、两根CC线(CC1和CC2)以及两根SBU线(SBU1和SBU2)等。
一些USB使能的电子设备可能符合特定修订版本和/或特定版本(例如，2012年7月5日发布的修订版本1.0、2014年8月11日发布的修订版本2.0、2016年3月25日的修订版本3.0或这些修订版本的其他修订版本/版本)的USB-PD规范。USB-PD规范定义了一种标准协议，该标准协议被设计成通过USB C型端口在单根USB C型线缆上提供更灵活的电力传输以及数据通信，来使得USB使能设备的功能最大化。USB-PD规范还描述了用于管理通过USB C型线缆以高达100W功率进行电力传输所必需的架构、协议、电力供应行为、参数和线缆。根据USB-PD规范，与旧USB规范(例如，USB 2.0规范、USB 3.1规范、USB电池充电规范1.1/1.2版等)中所允许的电流和/或电压相比，具有USB C型端口的设备(例如，USB使能的设备)可以通过USB C型线缆协商(negotiate)较多电流和/或较高或较低电压。例如，USB-PD规范定义了可以在一对USB使能的设备之间协商的电力传输合同(PD合同)的要求。PD合同可以指定两个设备都可以接纳的电力水平和电力传递方向，并且可以根据任一设备的请求和/或响应于各种事件和状况例如电力角色交换、数据角色交换、硬重置、电源故障等(例如，在不拔出设备的情况下)动态地重新协商。如本文所使用的，“USB-PD子系统”是指一个或更多个逻辑块和其他模拟/数字硬件电路系统，其可以由IC控制器中的固件控制并且可以被配置和操作以执行功能并满足在USB-PD规范的至少一个发行版本中规定的要求。
根据USB-PD规范的电力传输可以以几种不同类型的USB C型应用来实现。这类C型应用的示例包括但可以不限于：下行端口(DFP)应用，其中具有USB-PD子系统的IC控制器被配置成提供下行USB端口(例如，在USB使能的主设备中)；上行端口(UFP)应用，其中具有USB-PD子系统的IC控制器被配置成提供上行USB端口(例如，在USB使能的外围设备或适配器中)；双角色端口(DRP)USB应用，其中具有USB-PD子系统的IC控制器被配置成在同一USB端口(USB C型端口，其被配置成作为电力提供者或电力消耗者操作或者可以通过使用USB-PD电源角色交换在这两个角色之间动态切换)上支持DFP应用和UFP应用两者；以及有源线缆应用，其中具有USB-PD子系统的IC控制器被置入并且被配置成操作电子标记线缆组件(EMCA)C型线缆。
USB-PD规范定义或以其他方式允许可以由IC控制器芯片使用或在IC控制器芯片中使用的至少三种不同的电压源：VBUS(例如，3V至22.5V)、VCONN(例如，3.0V至5.5V)和本地电池供电(例如，2.0V至5.5V)。VBUS电源从USB-C连接器的VBUS线汲取电力并且通常用于为各种USB功能供电。VCONN电源从USB-C连接器的VCONN线汲取电力并且通常用于为线缆内的USB-C芯片供电。本地电池供电从电池汲取电力并且通常用于可以从USB端口充电的DFP/UFP/DRP应用中。
由于VBUS、VCONN和本地电池供电针对不同的目的提供不同电力水平，因此电子设备制造商需要使用不同类型的IC控制器，这些IC控制器被专门设计成取决于特定C型应用而使用特定类型的电源。例如，USB使能的设备的一些实现方式可能使用一种类型的USB-CIC控制器：其从本地电池供电，而其他实现方式可能使用其他类型的USB-C IC控制器：其从VCONN电源供电。因此，由于每种设计都需要特定类型的USB-C IC控制器芯片，因此电子设备制造商针对这样的实现方式缺乏设计灵活性。另外，在不具有将VBUS供电电压降低的外部片外电压调整器的情况下，USB-C IC控制器的当前实现方式不能从VBUS电源供电。因此，如果要使用VBUS电源为IC控制器芯片供电，则这样的当前实现方式也将遭受较高的物料清单(BOM)成本。此外，根据USB C型规范，在USB-C连接器(插座或插头)内，VBUS线与相应的VCONN线相邻布置。由于这个原因，USB-C IC控制器容易遭受VBUS线与VCONN线之间短路的风险，短路例如由于制造不当而导致线缆插头与主插座之间未对准、由于USB-C线缆插入之后摆动公差低等。因此，IC控制器的VCONN引脚需要承受与VBUS电压的暂时短路，VBUS电压可能会超过20V。然而，USB-C IC控制器的当前实现方式缺乏对其VCONN引脚的片上过电压保护(OVP)，并且通常使用片外OVP电路，这会导致BOM成本增加。
为了解决当前实现方式的这些缺点及其他缺点，本文所描述的电源架构的一些实施方式提供将USB-C IC控制器的VCONN电源和VBUS电源耦接至与控制器的VDDD电源耦接的公共电力轨。如本文所使用的，“电力轨”是指布置在片上的被配置成向IC控制器的内部电路提供电力的一条或更多条导线。在一些实施方式中，IC控制器的电力轨可以被配置为电源总线，该电源总线可以包括开关、调整器、泵、逻辑以及被配置成选择性地导通/关断至内部电路的电源并根据需要将标准电压转换成其他电压的其他电路。“逻辑”是指具有一个或更多个电路的硬件块，所述一个或更多个电路包括被配置成处理模拟和/或数字信号并响应于控制信号而执行一个或更多个操作的各种电子部件。这样的电子部件的示例包括但不限于晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器、逻辑门及其各种电路。
根据本文所描述的USB-C电源架构，具有OVP电路的VCONN开关耦接在公共VDDD电力轨与USB-C IC控制器的VCONN端子(例如VCONN引脚)之间，并且VBUS调整器耦接在公共VDDD电力轨与IC控制器的VBUS端子(例如VBUS引脚)之间。该架构解决方案使得相同的USB-C IC控制器芯片(例如，具有相同或相似零件数量的芯片)能够被用于几种不同的C型应用中，从而降低电子设备制造商的BOM成本。例如，在有源线缆应用中，USB-C IC控制器芯片可以从VCONN电源供电，并且可以承受控制器的VBUS引脚和VCONN引脚两者上的大于20V的电压并以该电压操作(例如，在VCONN引脚通过线缆的VBUS线和VCONN线与VBUS引脚暂时短路的情况下)。在DFP/UFP/DRP C型应用中，同一IC控制器芯片可以取决于对于电子设备制造商而言更方便的设计选择，通过施加至芯片的VBUS引脚的VBUS电源或施加至控制器芯片的VDDD引脚的经调整的电源(例如本地电池)供电。
在本文描述的USB-C电源架构的一个实施方式中，在USB使能的设备中设置被布置在单片(例如，单个)半导体裸片中的IC控制器。IC控制器包括电力轨、VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子。VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子耦接至电力轨，其中VCONN开关耦接在VCONN端子与电力轨之间，并且VBUS调整器耦接在VBUS端子与电力轨之间。电力轨耦接至IC控制器的内部电路，并且被配置成从VCONN端子和VBUS端子中的任何一个端子向内部电路提供操作电力。在该实施方式的一个示例方面，IC控制器的VCONN端子被配置成承受至少20V的输入电压。在另一方面，IC控制器的VBUS端子被配置用于在3.0V与24.5V之间的输入电压。在一方面，VCONN开关包括：漏极扩展n型场效应晶体管(DENFET)，其耦接在VCONN端子与电力轨之间；以及泵开关，其耦接至DENFET的栅极。VCONN开关还可以包括：电阻器，其耦接在VCONN端子与DENFET的栅极之间；二极管钳位装置，其耦接在DENFET的栅极与地之间；以及/或者静电放电(ESD)电路，其耦接在VCONN端子与DENFET的栅极之间。在一方面，VBUS调整器包括：一个或更多个共源共栅p型场效应晶体管(PFET)，所述一个或更多个共源共栅p型场效应晶体管耦接在VBUS端子与电力轨之间，其中，一个或更多个共源共栅PFET被配置成将来自VBUS端子的电压降低至5V或更小；以及一个或更多个DENFET，所述一个或更多个DENFET耦接在VBUS端子与VBUS调整器的一个或更多个低电压电路之间，其中，一个或更多个DENFET被配置成向低电压电路提供高电压保护。在这方面，一个或更多个共源共栅PFET可以是5V晶体管，并且一个或更多个DENFET可以是20V晶体管。
在另一实施方式中，USB使能的设备、装置或系统包括IC控制器和USB C型连接器，USB C型连接器包括VBUS线和VCONN线。IC控制器包括VDDD端子、耦接至VCONN线的VCONN端子、耦接至VBUS线的VBUS端子以及耦接至IC控制器的内部电路的电力轨。VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子耦接至电力轨，其中VCONN开关耦接在VCONN端子与电力轨之间，并且VBUS调整器耦接在VBUS端子与电力轨之间。电力轨被配置成从VCONN端子和VBUS端子之一向IC控制器的内部电路提供操作电力。在该实施方式的一方面，IC控制器被配置成承受VCONN端子上的至少20V的输入电压。在另一方面，IC控制器被配置成接收VBUS端子上的在3.0V与24.5V之间的输入电压。在各个方面，USB使能的设备可以是USB C型线缆、电源适配器或电源组。
在另一示例实施方式中，在USB使能的设备中操作IC控制器的方法包括：接收IC控制器的VCONN端子和VBUS端子之一上的输入电压；以及经由电力轨从VCONN端子和VBUS端子之一向IC控制器的内部电路提供操作电力。IC控制器包括VCONN端子、VBUS端子、电力轨和VDDD端子，其中VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子耦接至电力轨，并且其中，VCONN开关耦接在VCONN端子与电力轨之间，并且VBUS调整器耦接在VBUS端子与电力轨之间。在该实施方式的示例方面，接收输入电压包括接收由于VCONN端子与VBUS端子之间的短路事件的VCONN端子上的至少20V的电压。在该方面，本方法还可以包括在短路事件期间将从VCONN开关到电力轨的输出电压限制为不大于6V。在一方面，接收输入电压包括接收VBUS端子上的在3.0V与24.5V之间的电压。在示例方面，接收输入电压包括接收VBUS端子上的大于5V的电压，并且该方法还包括VBUS电压调整器将VBUS端子上的电压降低至电力轨上的5V或更小。在一方面，该方法还包括在3.0V至24.5V的电压范围内操作VCONN开关和VBUS调整器。
图1示出了根据本文所描述的USB-C电源架构配置的示例半导体设备。在图1所示的实施方式中，设备100是在半导体裸片上制造的单芯片(IC)控制器。例如，IC控制器100可以是来自由加利福尼亚州圣何塞的Cypress Semiconductor公司开发的CCGxx USB控制器家族的单芯片IC设备。在另一示例中，IC控制器100可以是作为片上系统(SoC)制造的单芯片IC。在其他实施方式中，IC控制器100可以是封装在单个半导体封装中的多芯片模块。在其他部件中，IC控制器100包括CPU子系统102、外围互连114、系统资源116、输入/输出(I/O)子系统118、USB-PD子系统120和被配置用于接收和发送信号的各种端子(例如，引脚)。
CPU子系统102包括耦接至系统互连112的一个或更多个CPU(中央处理单元)104、闪速存储器106、SRAM(静态随机存取存储器)108和ROM(只读存储器)110。CPU 104是可以在IC设备或SoC设备中运行的合适的处理器。闪速存储器106是被配置用于存储数据、程序和/或其他固件指令的非易失性存储器(例如，NAND闪存、NOR闪存等)。闪速存储器106被紧密耦接在CPU子系统102内以改善访问时间。SRAM108是被配置用于存储通过CPU 104访问的数据和固件指令的易失性存储器。ROM 110是被配置用于存储启动例程、配置参数以及其他固件参数和设置的只读存储器(或其他合适的存储介质)。系统互连112是系统总线(例如，单级的或多级的高级高性能总线，或AHB)，该系统总线被配置为将CPU子系统102的各个部件彼此耦接的接口以及CPU子系统的各个部件与外围互连114之间的数据和控制接口。
外围互连114是外围总线(例如，单级或多级AHB)，该外围总线在CPU子系统102与其外围设备和其他资源例如系统资源116、I/O子系统118和USB-PD子系统120之间提供主要数据和控制接口。外围互连114可以包括各种控制器电路(例如直接存储器访问或DMA控制器)，各种控制器电路可以被编程为在外围块之间传递数据而不给CPU子系统102增加负担。在各种实施方式中，CPU子系统的部件中的每一个和外围互连可以随CPU、系统总线和/或外围总线的每种选择或类型而不同。
系统资源116包括支持IC控制器100在其各种状态和模式下的操作的各种电子电路。例如，系统资源116可以包括电力子系统，电力子系统具有每种控制器状态/模式所需的模拟电路和/或数字电路，例如休眠控制电路、唤醒中断控制器(WIC)、上电复位(POR)、电压和/或电流基准(REF)电路等。在一些实施方式中，电力子系统还可以包括使得IC控制器100能够以几种不同的电压水平和/或电流水平从外部源汲取电力和/或向外部源提供电力并且支持控制器在几种电源状态117(例如，活动状态、休眠状态以及将时钟关闭的深度休眠状态)下操作的电路。此外，在一些实施方式中，可以利用广泛的门控时钟来优化CPU子系统102以用于低功率操作，并且CPU子系统102可以包括使得CPU能够在各种电源状态117下操作的各种内部控制器电路。例如，CPU可以包括唤醒中断控制器，该唤醒中断控制器被配置成将CPU从休眠状态唤醒，从而使得在IC芯片处于休眠状态时电力被“关断”。系统资源116还可以包括时钟子系统，时钟子系统具有用于时钟生成和时钟管理的模拟和/或数字电路，例如比如时钟控制电路、看门狗定时器(WDT)电路、内部低速振荡器(ILO)电路和内部主振荡器(IMO)电路等。系统资源116还可以包括提供复位控制并支持外部复位(XRES)的模拟和/或数字电路块。
在各种实施方式中，I/O子系统118可以包括各种不同类型的I/O块和I/O子系统。例如，在图1所示的实施方式中，I/O子系统118包括GPIO(通用输入输出)块118a、TCPWM(定时器/计数器/脉冲宽度调制)块118b和SCB(串行通信块)118c。GPIO 118a包括被配置成实现各种功能诸如例如上拉、下拉、输入阈值选择、输入和输出缓冲器启用/禁用、连接至各个I/O引脚的复用信号等的模拟和/或数字电路。TCPWM 118b包括被配置成实现定时器、计数器、脉冲宽度调制器、解码器以及被配置成对输入/输出信号进行操作的各种其他模拟/混合信号元件的模拟和/或数字电路。SCB 118c包括被配置成实现各种串行通信接口例如I2C、SPI(串行外围接口)、UART(通用异步接收器/发送器)、CAN(控制器局域网)接口、CXPI(时钟扩展外围接口)等的模拟和/或数字电路。
USB-PD子系统120提供对USB C型端口的接口，并且被配置成支持USB通信以及其他USB功能例如电力传输和电池充电。USB-PD子系统120包括C型端口上所需的静电放电(ESD)保护电路。USB-PD子系统120还包括C型收发器和物理层逻辑(PHY)，这两者被配置为集成基带PHY电路以执行物理层传输中涉及的各种数字编码/解码功能(例如，双相标记码-BMC编码/解码、循环冗余校验-CRC等)和模拟信号处理功能。USB-PD子系统120还提供USB-PD规范所要求的终端电阻器(RP和RD)及其开关，以通过C型线缆实现连接检测、插头取向检测和电力传输角色。IC控制器100(和/或其USB-PD子系统120)还可以被配置成响应在USB-PD规范中定义的通信，例如SOP(分组开始)、SOP'和SOP”消息传递。
在其他电路系统中，USB-PD子系统120还可以包括：一个或更多个模数转换器(ADC)，其用于将各种模拟信号转换成数字信号；误差放大器(ERROR AMP)，其用于根据PD合同控制施加至VBUS线的电源电压；高电压调整器(HV REG)，其用于将电源电压转换成向IC控制器100供电所需的精确电压(例如3V至5V)；电流感测放大器(CSA)和过电压保护(OVP)电路，其用于对VBUS线提供具有可配置的阈值和响应时间的过电流和过电压保护；一个或更多个栅极驱动器(GATE DRV)，其用于控制导通和关断VBUS线上的电力供应的电力开关；通信信道PHY(CC BB PHY)逻辑，其用于支持C型通信信道(CC)线上的通信；以及至少两个裸片上放电(VBUS DISCH)电路，其可以将VBUS线路电压放电至任何可编程电压水平范围。
根据本文所描述的USB-C电源架构，USB-PD子系统120包括VCONN开关(VCONN SW)和VBUS调整器(VBUS REG)。VCONN开关耦接在IC控制器100的VCONN引脚与公共电力轨之间。VBUS调整器耦接在IC控制器100的VBUS引脚与公共电力轨之间。公共电力轨耦接至IC控制器100的VDDD引脚，并且被配置成向控制器的内部电路提供电力。例如，公共(例如，VDDD)电力轨可以被配置成从VCONN引脚、VBUS引脚或VDDD引脚中的任何一个引脚向在2.0V至5.5V范围中操作的系统资源116、I/O子系统118和USB-PD子系统120的一些(或全部)模拟和/或数字电路提供电力。
图2示出了根据本文所描述的USB-C电源架构的IC控制器(例如，图1中的IC控制器100)的示意图。IC控制器100包括VDDD引脚202、VCONN引脚204和VBUS引脚206，它们全部(直接或间接地)耦接至公共电力轨210并且被配置成接收输入电压信号用于为IC控制器供电。以这种方式，取决于电子设备制造商的设计需求，可以从三个单独的可能电源即VCONN、VBUS或VDDD为IC控制器100供电。IC控制器100的配置例如借助于对控制器及其电路的操作进行控制的配置固件中的一个或多个位来确定VCONN电源、VBUS电源或VDDD电源中的哪一个电源将为芯片供电。例如，在一些USB-PD应用中，可以从VBUS引脚或VCONN引脚为IC控制器100供电，其中VDDD引脚保持悬空。在其他USB-PD应用中，可以通过VDDD引脚为IC控制器100供电，其中VBUS引脚和VCONN引脚保持悬空或接地。
VCONN开关220耦接在VCONN引脚204与公共电力轨210之间并且由硬件数字模块和逻辑控制。VCONN开关220被配置成将VCONN引脚204上的(例如，在3.0V至5.5V范围内的)输入电压转换成电力轨210上所需的VDDD电压范围(例如，2.0V至5.5V)内的电压。VCONN开关220还被配置成对从电力轨210供电的任何电路提供OVP保护和国际电化学委员会(IEC)ESD保护。VCONN开关220中的OVP电路和IEC-ESD电路限制输出端在电力轨210上提供的电压并防止由于传输效应(例如，振铃)而导致VCONN供电线上的电压过高。以这种方式，VCONN引脚204可以承受20V以上的电压并以20V以上的电压操作，同时还能够为IC控制器100的内部电路提供电力。
VBUS调整器230耦接在VBUS引脚206与公共电力轨210之间并且由硬件数字模块和逻辑控制。VBUS调整器230被配置成将VBUS引脚206上的(例如，在3.0V至24.5V的范围内的)输入电压转换成电力轨210上所需的VDDD电压范围(例如，2.0V至5.5V)内的电压。VBUS调整器230还被配置成对从电力轨210供电的任何电路提供OVP保护。以这种方式，IC控制器100被配置成针对VBUS线上可允许的所有PD合同例如如USB-PD规范中所规定的从3V到至少20V从其VBUS引脚206供电。
公共电力轨210被耦接以向VDDD核心电路系统208提供电力。VDDD核心电路系统208可以包括IC控制器100的一些(或全部)内部电路。例如，核心电路系统208可以包括要求输入电压在2.0V至5.5V范围内的各种低电压模拟电路。核心电路系统208还可以包括要求输入电压至多1.8V的各种低电压数字电路。这样的模拟和/或数字电路可以被包括在IC控制器100的各种子系统中(例如，以上关于图1描述的系统资源116中的电源和时钟子系统中的电路、I/O子系统118中的电路以及USB-PD子系统120中的电路等)，所述各种子系统包括用于将电力轨210上的电压降低至为控制器的数字逻辑供电所需的电压的任何电压调整器和其他电路。
图2所示的USB-C电源架构使得能够从与USB-PD规范相关的三个电源之一为IC控制器100供电，所述三个电源为VBUS、VCONN或VDDD。VBUS电源是来自USB电力提供者的主电源，并且在正常操作下可以在3V至24.5V(并且对于绝对最大值，至多约30V)的范围内变化。VBUS电源可以被用于DFP/UFP/DRP C型应用中以在不使用外部片外电压调整器的情况下为IC控制器的内部电路供电。VCONN电源是通过EMCA线缆/加密狗的USB-C连接器提供的电压源，并且可以被线缆/加密狗用作IC控制器的内部电路的电源。VCONN电源的电压范围也是从3V到24.5V，因为在某些事件下它可能与VBUS供电暂时短路。VCONN电源也可以被用于EMCA线缆中以在不使用外部片外电压调整器的情况下为IC控制器的内部电路供电。VDDD电源可以是从电子设备的本地电池得到的电源。VDDD电源的电压范围通常在2.0V至5.5V之间，并且可以用于根据电子设备制造商的设计选择在任何C型应用中利用本地电池为IC控制器的内部电路供电。
图3示出了根据本文所描述的USB-C电源架构的示例VCONN开关(例如，图2中的VCONN开关220)的示意图。如图3所示，VCONN开关220耦接在VCONN引脚204与公共电力轨210之间。电力轨210被耦接以向核心电路系统208中的电路提供电力。
VCONN开关220包括DENFET 310、泵开关320、上拉电阻器330、二极管钳位装置340、片上ESD电路350，并且还可以包括充电泵和控制逻辑(未示出)。DENFET 310是20V晶体管，这意味着它可以承受其漏极与其栅极之间的至少20V的电压。DENFET 310的扩展漏极耦接至VCONN引脚204并且其源极(例如，通过合适的电阻器)耦接至电力轨210。DENFET 310的栅极(通过上拉电阻器330)耦接至VCONN引脚204、泵开关320的输出端以及二极管钳位装置340的输入端。泵开关320被配置成接收来自充电泵(未示出)的电压信号(“vpump”)并将该电压信号施加至DENFET 310的栅极。泵开关320的操作由两个控制信号(“sw_disable”和“sw_en_act”)控制，这两个控制信号确定泵开关320的三种操作状态(上电、活动和禁用)。上拉电阻器330耦接在VCONN引脚204与DENFET 310的栅极之间，并且具有适于在电压被施加到VCONN引脚204上时上拉DENFET栅极的电阻(例如，1MΩ)。二极管钳位装置340耦接在DENFET 310的栅极与地之间，并且被配置成在VCONN与VBUS短路的情况下钳位被施加在DENFET栅极上的电压。ESD电路350耦接至VCONN引脚204，并且使用基于栅极感应漏极泄漏(GIDL)的架构来实现ESD保护以防止VCONN引脚204上的过电流浪涌。
在操作中，DENFET 310充当VCONN引脚204与公共电力轨210之间的电力开关。在正常操作期间，DENFET 310的栅极被通过电阻器330弱上拉至VCONN引脚204上的电压或者被上拉至通过泵开关320施加至该DENFET栅极的至多约5V的泵电压信号(“vpump”)。泵电压可以完全导通DENFET 310，这具有至少两个优点。首先，当电流被从VCONN引脚204供应到电力轨210时，DENFET 310的“导通”电阻被最小化。其次，当VCONN输入被短路至VBUS电压(例如，20V)时，泵电压对提供给电力轨210的电压进行限制。由于DENFET 310使高于Vgs＝Vg-Vt的电压(其中，Vg是DENFET栅极电压，Vgs是栅极至源极电压差，并且Vt是DENFET阈值电压)无法通过，因此向DENFET的栅极施加泵电压有效地将提供给电力轨210的电压限制为小于5V。
另外，在VCONN引脚204上的输入电压与VBUS电压(例如，高达24.5V，或者甚至最大约30V)之间的短路事件期间，二极管钳位装置340将DENFET 310栅极上的电压限制为不大于6V。这保护了DENFET栅极并且将电力轨210上提供的输出电压限制为小于6V。不需要电压检测电路系统，并且VCONN开关220的这些电路可以在3.0V至24.5V的范围内无限操作。此外，在VBUS短路事件期间，ESD电路350充当VCONN引脚204上的另一钳位装置，并且由于该电路在约30V附近开始钳位，因此VCONN引脚上的任何振铃都被限制为不大于该电压。(此处，“振铃”是指响应于输入的突然变化例如短路事件而引起的VCONN输入信号的振荡。)如果没有针对VCONN开关220提供ESD保护，则这样的振铃可能会使电压增加高达2倍(例如，如果PD合同要求VBUS提供USB-PD规范中规定的最大20V，则电压增加高达约40V)。
图4示出了根据本文所描述的USB-C电源架构的示例VBUS调整器(例如，图2中的VBUS调整器230)的示意图。如图4所示，VBUS调整器230耦接在VBUS引脚206与公共电力轨210之间。电力轨210耦接至VDDD引脚202，并且还耦接至核心电路系统208中的电路以向其提供电力。当IC控制器100被配置成从VBUS引脚206供电时，VDDD引脚202应该保持悬空并且可以通过片外电容器203耦接至地。片外电容器203应该具有合适的电容(例如，lμF)以提供稳定性并改善VDDD引脚202上的瞬态响应。VBUS调整器230包括耦接在反馈回路中并且被配置成向电力轨210提供固定电压的差分误差放大器、电压缓冲器和输出块。
二极管连接的晶体管412、PFET 414、保护DENFET 416、放大器418和电流源420被配置成作为VBUS调整器230的差分误差放大器操作。二极管连接的晶体管412是耦接至VBUS引脚206的PFET，并且被配置成对差分误差放大器两侧的VBUS电压进行镜像。PFET 414耦接在晶体管412之一的输出端与保护DENFET 416之间，并且其栅极被耦接以接收偏置电压控制信号(“biaspl”)。PFET 414的输出作为输入信号耦接至源极跟随器424的栅极。保护DENFET 416被配置成向放大器418和电流源420中的低电压电路提供高电压保护。DENFET416的栅极被耦接以接收偏置电压控制信号(“biasnl”)。放大器418的输入(左)侧被耦接以接收来自电阻分压器438的反馈电压(“Vfb”)信号。放大器418的基准(右)侧被耦接以接收基准电压(“vref”)，该基准电压(“vref”)与从电阻分压器438接收的反馈电压(“Vfb”)进行比较。放大器418的输出耦接至电流源420。电流源420是恒流源，并且被耦接以通过差分误差放大器提供恒定电流。
共源共栅晶体管422、源极跟随器424、DENFET 426和电流源428被配置成作为电压缓冲器操作，以将来自差分误差放大器的输出信号传递至VBUS调整器230的输出块。共源共栅晶体管422是在VBUS引脚206与源极跟随器424的栅极之间串联耦接的PFET，并且被配置成针对VBUS电压的瞬态电压波动提供保护。源极跟随器424是N型场效应晶体管(NFET)，并且其栅极被耦接以接收来自PFET 414的输入电压。源极跟随器424的输出被耦接至DENFET426和传输晶体管(pass transistor)434的栅极。DENFET 426的栅极被耦接以接收偏置电压控制信号(“biasn1”)。DENFET 426被配置成向电流源428中的低电压电路提供高电压保护。电流源428是恒流源，其耦接至DENFET 426的源极并且被配置成通过VBUS调整器230的电压缓冲器提供恒定电流。
共源共栅晶体管432、传输晶体管434、PFET 436和电阻分压器438被配置成作为VBUS调整器230的输出块操作。共源共栅晶体管432是串联耦接在VBUS引脚206与传输晶体管434的栅极之间的PFET，并且被配置成针对VBUS电压的瞬态电压波动提供保护。传输晶体管434是PFET，并且其栅极被耦接至源极跟随器424的输出端。传输晶体管434的源极被耦接至VBUS引脚206，并且该传输晶体管的漏极作为输入端耦接至PFET 436。PFET 436是串联耦接的共源共栅PMOS器件。PFET436被配置成将从VBUS引脚206接收的电压降低至电力轨210所需的较低的固定电压(例如，下降至小于5V)，从而还向VBUS调整器230的输出块提供高电压保护。PFET 436的栅极中的每一个栅极被耦接以接收各自的偏置电压控制信号(“biaspl”、“biasp2”、“biasp3”、“biasp4”等)。PFET 436的输出被耦接至电力轨210和电阻分压器438。电阻分压器438中的电阻器被选择成根据电力轨210上的电压提供固定比率偏移。
在图4所示的实施方式中，提供给PFET晶体管(例如，PFET 414和PFET 436)的偏置电压控制信号(例如，“biaspl”、“biasp2”、“biasp3”、“biasp4”)是从由VBUS电压供电的20V偏置生成电路(未示出)生成的。每个偏置电压控制信号的电压基于VBUS电压而生成，因此这些偏置电压会随着VBUS电压的变化而动态改变(例如，响应于重新协商的PD合同)。VBUS调整器230还包括原始电压调整器块(图4中未示出)，原始电压调整器块被配置成根据VBUS引脚206上的VBUS电压生成2.0V至5.5V范围内的各种偏置电压。原始电压调整器块的输出被用作各种逻辑模块的电源，并且用于生成被提供给保护DENFET 416和426的偏置电压控制信号(例如“biasnl”)。保护DENFET 416和426的晶体管为20V漏极扩展NMOS器件，并且VBUS调整器230中的大多数其他晶体管器件(例如，晶体管412、418、422、424、432、434和436)兼容5V，这意味着这些晶体管器件可以承受跨其任何端子的约5V的电压。
电力轨210上所需的电压通过IC控制器的设计固定。电阻分压器438中的电阻器被选择成根据电力轨210上的电压提供固定比率偏移。跨电阻分压器438的该固定比率电压是反馈电压(“Vfb”)，反馈电压(“Vfb”)被输入至放大器418并与放大器的基准电压(“vref”)进行比较。在VBUS调整器230的稳定操作状态下，基准电压(“vref”)与跨电阻分压器438的反馈电压(“Vfb”)相等，因此放大器418平衡，并且流经其输入(左)侧的电流和基准(右)侧的电流也相等。在示例实施方式中，电力轨210上的设计固定电压被设置为3.3V，并且在稳定操作状态下，反馈电压(“Vfb”)和基准电压(“vref”)两者均等于0.74V。
当电力轨210上的电压被瞬时下拉时(例如，当核心电路系统208中的内部电路导通时)，跨电阻分压器438的反馈电压(“Vfb”)低于稳态基准电压(“vref”)。作为结果，放大器418的输入(左)侧的栅极上的电压降低，并且放大器418传导比稳态时少的电流。为了进行补偿，电流源420拉动较多电流通过放大器418的基准(右)侧。这导致从源极跟随器424的栅极拉出较多电流(因为在其偏置控制信号“biasp 1”的控制下，PFET 414总是传导固定量的电流)。从源极跟随器424的栅极汲取较多电流导致其栅极电压低于稳态时的栅极电压，这进而导致源极跟随器424传导较少电流。为了进行补偿，电流源428从传输晶体管434的栅极汲取比稳态时多的电流。从传输晶体管434的栅极汲取较多电流导致传输晶体管434的栅极电压低于稳态时的栅极电压，这进而导致该传输晶体管传导比稳态时多的电流(因为传输晶体管434是PFET)。因此，较多电流被提供给PFET 436的输入端，并且作为结果通过PFET436输出至电力轨210的电压被上拉。VBUS调整器230像这样操作一小段时间，直至电力轨210上的电压被上拉至其所需电压。以这种方式，VBUS调整器230在其瞬时下降之后将电力轨210上的电压水平上拉。
当电力轨210上的电压被瞬时上拉时(例如，当核心电路系统208中的内部电路关断时)，跨电阻分压器438的反馈电压(“Vfb”)高于稳态基准电压(“vref”)。作为结果，放大器418的输入(左)侧的栅极上的电压变高，并且放大器418传导比稳态时多的电流。为了进行补偿，电流源420拉动较少电流通过放大器418的基准(右)侧。这导致从源极跟随器424的栅极拉出较少电流(因为在其偏置控制信号“biaspl”的控制下，PFET 414总是传导固定量的电流)。从源极跟随器424的栅极汲取较少电流导致其栅极电压高于稳态时的栅极电压，这进而导致源极跟随器424传导较多电流。为了进行补偿，电流源428从传输晶体管434的栅极汲取比稳态时少的电流。从传输晶体管434的栅极汲取较少电流导致传输晶体管434的栅极电压高于稳态时的栅极电压，这进而导致该传输晶体管传导比稳态时少的电流(因为传输晶体管434是PFET)。因此，较少电流被提供给PFET 436的输入端，并且作为结果通过PFET436输出至电力轨210的电压被下拉。VBUS调整器230像这样操作一小段时间，直至电力轨210上的电压被下拉至其所需电压。以这种方式，VBUS调整器230在瞬时上升之后将电力轨210上的电压水平下拉。
根据本文所描述的USB-C电源架构，相同的IC芯片产品可以被布置在有源C型线缆应用中作为从其VCONN引脚供电的线缆控制器(例如，如图5A和图5B所示)，并且可以被布置在DFP/UFP/DRP应用中作为从其VBUS引脚(例如，如图6所示)或从经调整的本地电源(例如，电池)供电的USB-C控制器。这使得相同的IC芯片产品能够被用于多个USB C型应用和USB-PD应用，例如有源线缆、电源适配器、电源组等，从而降低了BOM成本并且为电子设备制造商提供较多设计灵活性。
图5A和图5B共同示出了体现本文所描述的USB-C电源架构的EMCA线缆组件的示意图。具体地，图5A示出了USB C型线缆500的一端，并且图5B示出了同一线缆的另一端。均从线缆500的VCONN线供电的两个IC控制器100A和100B作为线缆控制器被布置在线缆的相应端。如图5A和图5B的实施方式所示，线缆500被配置成在其线路上传输多种不同类型的通信。例如，线缆500支持隧道协议，隧道协议在线缆500的SSTX线和SSRX线上提供多种类型的通信，例如PCI-Express(PCI-E)、显示端口(DP)和USB 3.0+(例如10GB+)。在使用中，线缆500的一端可以插入主设备(例如，膝上型电脑、笔记本电脑、台式计算机等)，并且另一端可以插入外围设备(例如，坞站、监视器等)。主设备将不同类型的通信捆绑并通过线缆500的线路将它们隧穿至外围设备，并且外围设备在另一端接收到这些通信后将它们解绑。
如图5A所示，USB-C插头540A、IC控制器100A以及时钟和数据恢复(CDR)芯片535A被布置在USB-C线缆500的一端内。如图5B所示，USB-C插头540B、IC控制器100B和CDR芯片535B被布置在线缆500的另一端内。线缆500包括SSTX线、SSRX线、SBU1线和SBU2线以及接地GND线(以及其他)，这些线从线缆一端处的插头540A路由至线缆另一端处的插头540B。接地GND线从插头540A延伸至插头540B。SSTX线、SSRX线以及SBU1线和SBU2线经由CDR芯片535A和535B从插头540A路由至插头540B。CDR芯片535A和535B中的每一个包括被配置成对SSTX线、SSRX线和SBU线上的信号重新计时和重新调节的各种部件(例如，中继器、桥接器等)。
参照图5A，IC控制器100A的VDDD引脚202A通过合适的电容器(例如，lμF)耦接至地，这提供了稳定性并改善了VDDD引脚上的瞬态响应。VBUS_IN引脚206A保持悬空。IC控制器100A的四个输入/输出引脚(“GDR_GPIO1”、“GDR_GPIO2”、“GDR_GPIO3”、“GDR_GPIO4”)耦接至CDR芯片535A的相应引脚用于至其的数据、控制和供电。插头540A的VCONN线连接至IC控制器100A的VCONN引脚204A。根据本文所描述的USB-C电源架构，VCONN引脚204A通过VCONN开关耦接至IC控制器100A的VDDD电力轨。在操作中，IC控制器100A被配置成接收VCONN引脚204A上的输入电压并经由VDDD电力轨向IC控制器的内部电路提供操作电力。
参照图5B，IC控制器100B的VDDD引脚202B通过合适的电容器(例如，lμF)耦接至地，这提供了稳定性并改善了VDDD引脚上的瞬态响应。VBUS_IN引脚206B保持悬空。IC控制器100B的四个输入/输出引脚(“GDR_GPIO1”、“GDR_GPIO2”、“GDR_GPIO3”、“GDR_GPIO4”)耦接至CDR芯片535B的相应引脚用于至其的数据、控制和供电。插头540B的VCONN线连接至IC控制器100B的VCONN引脚204B。根据本文所描述的USB-C电源架构，VCONN引脚204B通过VCONN开关耦接至IC控制器100B的VDDD电力轨。在操作中，IC控制器100B被配置成接收VCONN引脚204B上的输入电压并经由VDDD电力轨向IC控制器的内部电路提供操作电力。
图6示出了体现本文所描述的USB-C电源架构的、作为DFP/UFP/DRP C型应用的USB-PD电源适配器600的示意图。根据USB-PD规范，电源适配器可以被配置成通过在USB-CVBUS线路上配置的电力路径将电力(例如，在高达20V处电流高达5A，总计高达100W)传输至另一设备。通过USB-C VBUS线提供电力的设备通常被称为(或包括)“电力提供者”，并且消耗所提供的电力的设备通常被称为(或包括)“电力消耗者”。
在图6中，USB-PD电源适配器600包括IC控制器100、USB C型连接器640、电源转换器650和次要控制器660。IC控制器100包括如前所述的USB-PD子系统，并且被配置成与附接至USB C型连接器640的电力消耗者(未示出)协商PD合同。在各种实施方式中，USB C型连接器640可以是C型插头或C型插座。电源转换器650是AC电源并且包括大容量电容器(largebulk capacitor)，该大容量电容器被配置成去除被提供到VBUS线601上的电源信号中的AC分量。电源转换器650耦接至次要控制器660，次要控制器660被配置成基于来自IC控制器100的输出引脚(“FB”)的反馈信号控制由电源转换器提供的电压。IC控制器100支持两种操作模式：恒压模式和恒流模式(也称为直接充电模式)。一旦通过USB C型连接器640的CC1线与电力消耗者进行了适当的协商，则IC控制器100在其两种操作模式之间切换，并且在其输出引脚“FB”上提供适当的反馈信号以控制次要控制器660的操作。
电源适配器600在其VBUS线601上包括电力开关603。电力开关603被配置作为通过来自IC控制器100中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_P_CTRL”)的信号控制的导通/关断开关设备。在操作中，VBUS线601上电力流动的方向是从电源转换器650到附接至USB C型连接器640的电力消耗者(例如，未示出的移动电话)。在与电力消耗者协商了PD合同的情况下，IC控制器100将电力开关603导通用于以所协商的电压水平和/或电流水平向电力消耗者提供电力。
根据本文所描述的USB-C电源架构，IC控制器100通过电源适配器600的VBUS线601供电。IC控制器100的VDDD引脚202通过合适的电容器(例如，1μF)耦接至地，这提供了稳定性并且改善了VDDD引脚上的瞬态响应。VCONN引脚204连接至USB C型连接器640中对应的引脚。电源适配器600的VBUS线601连接至IC控制器100的VBUS_IN引脚206。根据本文所描述的USB-C电源架构，VBUS_IN引脚206通过VBUS调整器耦接至IC控制器100的VDDD电力轨。在操作中，IC控制器100被配置成接收VBUS IN引脚206上的输入电压并且经由VDDD电力轨向IC控制器的内部电路提供操作电力。
本文所描述的USB-C电源架构使得一个IC芯片产品能够在具有不同电源要求的多个不同的USB C型应用和USB-PD应用(例如，EMCA线缆、电源适配器、电源组等)中实施。IC芯片产品可以从三种可能的电源供电：VBUS、VCONN和VDDD。芯片的VCONN引脚可以以20V以上的电压操作并且具有IEC ESD保护，IEC ESD保护由于传输线效应(例如，振铃)而对VCONN供电线上的电压进行限制。对于USB-PD规范允许的所有PD合同例如从3V到高达20V，该芯片还支持从其VBUS引脚为其内部电路供电。由于所有功能都可以被集成到单个IC控制器中以支持所有三个电源，因此这样的电源架构还可以降低BOM成本。
图7示出了根据本文所描述的USB-C电源架构的替选实施方式的VCONN开关的示意图。VCONN开关720耦接在VCONN引脚204与公共电力轨210之间。电力轨210被耦接以向核心电路系统208中的电路提供电力。
VCONN开关720包括NFET 722、齐纳二极管724和上拉电阻器726。NFET 722的漏极耦接至VCONN引脚204，并且其源极耦接至电力轨210。NFET 722的栅极通过上拉电阻器726耦接至VCONN引脚204和齐纳二极管724的输出端。上拉电阻器726具有适于在电压被施加至VCONN引脚204时的NFET栅极的弱上拉的电阻。齐纳二极管724耦接在NFET722的栅极与地之间。与普通二极管不同，齐纳二极管724具有高掺杂p-n结，该高掺杂p-n结使得电流不仅能够从其阳极向其阴极流动而且还能够沿相相反的方向流动(例如，在达到其齐纳电压的情况下)。在操作中，NFET 722的栅极被弱上拉电阻器726控制成VCONN引脚204上提供的供电电压，并且齐纳二极管724防止该栅极电压变得过高。这使得VCONN引脚204上的输入电压能够被施加至电力轨210以便为核心电路系统208的内部电路供电。
在图7的实施方式和/或其他替选实施方式中，外部片外OVP电路可以被用于保护VCONN引脚免受VBUS短路事件。图8示出了这样的替选实施方式的示意图，这对于仅具有5V晶体管电路可用的半导体制造商可能是有用的。
在图8中，IC控制器800包括VDDD引脚802、VCONN引脚804和VBUS引脚806，它们全部(直接或间接地)耦接至公共电力轨810并且被配置成接收输入电压信号用于为核心电路808供电。VCONN开关820耦接在VCONN引脚804与公共电力轨810之间。VCONN开关820被配置成向电力轨810提供VDDD电压范围(例如，2.0V至5.5V)内的稳定电压。VBUS调整器830耦接在VBUS引脚806与公共电力轨810之间。VBUS调整器830被配置成将VBUS引脚806上的(例如，3.0V至24.5V范围内的)输入电压转换成电力轨810上所需的VDDD电压范围(例如，2.0V至5.5V)内的电压。
提供了外部片外OVP电路805以将VCONN引脚804连接至VCONN电源(未示出)。OVP电路805包括防止高IR电压降的低阻开关，这使得VCONN开关820能够在5V范围内正常操作。当在操作中发生VBUS短路事件时，VCONN供电路径被OVP电路805切断，从而为VCONN开关820和核心电路系统808的内部电路提供高电压保护。
本文所描述的USB-C电源架构的各种实施方式可以包括各种操作。这些操作可以由硬件部件、数字硬件和/或固件以及/或者其组合来执行和/或控制。如本文所使用，术语“耦接至”可以意指直接连接或通过一个或更多个中间部件间接连接。通过各种裸片上总线提供的任何信号可以与其他信号进行时分复用并且可以通过一个或更多个公共裸片上总线提供。另外，电路部件或块之间的互连可以被示出为总线或单个信号线。总线中的每一个可以可替选地是一个或多个单个信号线，并且每个单个信号线可以可替选地是总线。
某些实施方式可以被实现为计算机程序产品，计算机程序产品可以包括存储在非暂态计算机可读介质例如易失性存储器和/或非易失性存储器上的指令。这些指令可以用于对包括处理器(例如，CPU)或其等同物(例如，比如处理核、处理引擎、微控制器等)的一个或更多个设备进行编程和/或配置，使得在通过处理器或其等同物执行这些指令时，这些指令使所述设备执行针对本文所描述的USB-C电源架构所描述的操作。计算机可读介质还可以包括用于存储或传输可由机器(例如，设备或计算机)读取的形式(例如，软件、处理应用等)的信息的一种或更多种机制。非暂态计算机可读存储介质可以包括但不限于电磁存储介质(例如，软盘、硬盘等)、光学存储介质(例如，CD-ROM)、磁光存储介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)、闪速存储器或者其他现在已知或以后开发的适于存储信息的非暂态型介质。
尽管以特定顺序示出并描述了本文中的电路和块的操作，但是在一些实施方式中，每个电路/块的操作顺序可以改变以使得可以以相反的顺序执行某些操作，或者使得可以至少部分地与其他操作同时和/或并行地执行某些操作。在其他实施方式中，可以以间歇和/或交替的方式执行不同操作的子操作或指令。
在前述说明书中，已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明。然而，将明显的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛的精神和范围的情况下，可以对发明进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于通用串行总线USB C型设备的集成电路IC控制器，所述IC控制器包括：
电力轨，其耦接至所述IC控制器的内部电路；以及
耦接至所述电力轨的VDDD端子、VCONN端子和VBUS端子，其中：
VCONN开关耦接在所述VCONN端子与所述电力轨之间；并且
VBUS调整器耦接在所述VBUS端子与所述电力轨之间；
其中，所述电力轨被配置成从所述VCONN端子和所述VBUS端子中的任何一个端子向所述IC控制器的内部电路提供操作电力。
2.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述VCONN端子能够操作以承受至少20V的输入电压。
3.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述VBUS端子被配置用于在3.0V与24.5V之间的输入电压。
4.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述VCONN开关包括：
漏极扩展n型场效应晶体管DENFET，其耦接在所述VCONN端子与所述电力轨之间；以及
泵开关，其耦接至所述DENFET的栅极。
5.根据权利要求4所述的IC控制器，所述VCONN开关还包括：
电阻器，其耦接在所述VCONN端子与所述DENFET的栅极之间；以及
二极管钳位装置，其耦接在所述DENFET的栅极与地之间。
6.根据权利要求4所述的IC控制器，还包括ESD电路，其耦接在所述VCONN端子与所述DENFET的栅极之间。
7.根据权利要求1所述的IC控制器，其中，所述VBUS调整器包括：
一个或更多个共源共栅p型场效应晶体管PFET，所述一个或更多个共源共栅p型场效应晶体管耦接在所述VBUS端子与所述电力轨之间，其中，所述一个或更多个共源共栅PFET被配置成将来自所述VBUS端子的电压降低至小于5V；以及
一个或更多个漏极扩展n型场效应晶体管DENFET，所述一个或更多个漏极扩展n型场效应晶体管耦接在所述VBUS端子与所述VBUS调整器的一个或更多个低电压电路之间，其中，所述一个或更多个DENFET被配置成向所述低电压电路提供高电压保护。
8.根据权利要求7所述的IC控制器，其中，所述一个或更多个PFET是5V晶体管，并且所述一个或更多个DENFET是20V晶体管。
9.一种通用串行总线USB设备，包括：
USB C型连接器，其包括VBUS线和VCONN线；以及
集成电路IC控制器，其包括：
VDDD端子；
VCONN端子，其耦接至所述USB C型连接器的VCONN线；
VBUS端子，其耦接至所述USB C型连接器的VBUS线；以及
电力轨，其耦接至所述IC控制器的内部电路；
其中，所述VDDD端子、所述VCONN端子和所述VBUS端子耦接至所述电力轨，并且其中：
VCONN开关耦接在所述VCONN端子与所述电力轨之间；并且
VBUS调整器耦接在所述VBUS端子与所述电力轨之间；
其中，所述电力轨被配置成从所述VCONN端子和所述VBUS端子之一向所述IC控制器的内部电路提供操作电力。
10.根据权利要求9所述的USB设备，其中，所述IC控制器能够操作以承受所述VCONN端子上的至少20V的输入电压。
11.根据权利要求9所述的USB设备，其中，所述IC控制器被配置成接收所述VBUS端子上的在3.0V与24.5V之间的输入电压。
12.根据权利要求9所述的USB设备，其中，所述USB设备是USB C型线缆。
13.根据权利要求9所述的USB设备，其中，所述USB设备包括电源适配器。
14.根据权利要求9所述的USB设备，其中，所述USB设备包括电源组。
15.一种在通用串行总线USB C型设备中操作集成电路IC控制器的方法，所述方法包括：
接收所述IC控制器的VCONN端子和VBUS端子之一上的输入电压；
其中，所述IC控制器包括所述VCONN端子、所述VBUS端子、VDDD端子和耦接至所述IC控制器的内部电路的电力轨，其中，所述VDDD端子、所述VCONN端子和所述VBUS端子耦接至所述电力轨，并且其中：
VCONN开关耦接在所述VCONN端子与所述电力轨之间；并且
VBUS调整器耦接在所述VBUS端子与所述电力轨之间；以及
经由所述电力轨从所述VCONN端子和所述VBUS端子之一向所述IC控制器的内部电路提供操作电力。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，接收所述输入电压包括接收由于所述VCONN端子与所述VBUS端子之间的短路事件的所述VCONN端子上的至少20V的电压。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述短路事件期间将从所述VCONN开关到所述电力轨的输出电压限制为不大于6V。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，接收所述输入电压包括接收所述VBUS端子上的在3.0V与24.5V之间的电压。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，接收所述输入电压包括接收所述VBUS端子上的大于5V的电压，并且所述方法还包括所述VBUS调整器将所述VBUS端子上的电压降低至所述电力轨上的小于5V。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括在3.0V与24.5V之间的电压范围内操作所述VCONN开关和所述VBUS调整器。
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