CN112380080B - 一种usb设备检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种USB设备检测系统及方法，包括：VBUS供电单元、插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元和逻辑控制单元，所述插入检测单元、拔出检测单元的输出端分别与逻辑控制单元的信号输入端ATCH端、DTCH端相连，逻辑控制单元的信号输出端EN_G端与GATE饱和控制单元的输入端相连；本发明通过逻辑控制单元采集插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元检测到的信号，能够实时检测负载的插入和拔出，省掉了成本较高的电流采样电路，节省了功率采样电阻，并大幅度的提升了可检测到的拔出最小电流，保证可以对外部的USB设备实现100%的满充，提升了用户体验。

Description

一种USB设备检测系统及方法
技术领域
本发明属于USB的技术领域，具体涉及一种USB设备检测系统及方法。
背景技术
通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，缩写：USB）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。
传统的USB是一种常用的接口，他只有4根线，两根电源两根信号，信号是串行传输的，速度可以达到480Mbps；可以满足各种工业和民用需要；同时，传统的USB接口的最大输出电压和电流是：5V1.5A。部分定制的USB口可以达到最大20V，电流最大6A以上。
USB口在各种移动设备中的广泛应用，其通常都会由相应的功率与控制电路与其相连，以便在由设备插入之后，能够及时的给外部设备供电及进行通信。
在USB移动电源或者USB充电器领域，系统对于整体的待机要求越加严格，在USB移动电源中，当没有任何设备接入时，系统的待机电流会要求低至250uA以延长设备的待机时间。而在USB充电器领域，外部无任何设备的情况下，系统的待机功耗也有降至75mW的要求，这些都迫使采用USB的各种设备增加外部设备侦测的功能，使得设备在没有被外接的情况下，保持较低的功耗。
图1为现有技术中USB设备插拔检测电路图，如图1所示，USB Port为可能外接设备的输出口，其由USB设备内部供电，并通过VBUS和GND通路进行输出。
当外部无设备接入时，VBUS与GND之间的外部通路完全断开，无电流通过USB线缆中，Vdet因有Rdet接地的通路，且无电流流过Rdet，Vdet电压为0V；当外部有设备接入后，VBUS与GND形成通路，有电流从VBUS向GND流动，因此时Qb尚未开通，此电流经过Rdet流动，并迫使Vdet电压上升。此时检测Vdet电压超过一个预设门限Vref后，Qb导通，Load可以通过Qb流动大电流，并被持续充电。在Qb导通后，因Qb的低阻抗，Vdet电压只能略大于0V，随着Load充电电流的减少，检测系统只有采样Rcs两端的电压，根据Rcs两端电压来判断Load实际的充电电流。当Load实际的充电电流小于一个预设门限Iref后，Qb将再次关断。
此方案有如下问题：
1、需要额外的电流采样电路，包括采样电阻和电流信号放大电路，电流信号比较电路等，成本较高
2、预设的充电电流门限Iref受限于电流采样电路的精度，当Load流过一个小电流充电的时候，电流采样电路可能会误判为Load已经拔出，关闭Qb，然后重新启动Vdet的检测，又再次打开Qb，造成外接设备无法完全被充电。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种USB设备检测系统及方法，能够实时的检测外部设备的插入与拔出，节省了额外的电流采样电路，并大幅提升充电电流门限精度，确保外部设备的充电的可靠。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种USB设备检测系统，包括：VBUS供电单元、插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元和逻辑控制单元，所述VBUS供电单元通过USB接口的VBUS端与负载的正极相连，负载的负极依次与USB接口的GND端、MOS管Qb相连后接地，所述插入检测单元的输入端与USB接口的GND端相连，所述拔出检测单元的输入端与MOS管Qb的栅极相连，所述插入检测单元、拔出检测单元的输出端分别与逻辑控制单元的信号输入端ATCH端、DTCH端相连，逻辑控制单元的信号输出端EN_G端与GATE饱和控制单元的输入端相连，GATE饱和控制单元的输出端与MOS管Qb的栅极相连，MOS管Qb的漏极分别与USB接口的GND端、二极管Db的负极、电阻Rdet的一端相连，二极管Db的正极分别与MOS管Qb的源极、电阻Rcs的一端相连，电阻Rcs的另一端与电阻Rdet的另一端相连后接地。
优选地，所述插入检测单元包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的同相输入端Vdet与USB接口的GND端相连，所述电压比较器U1的反相输入端Vref与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述电压比较器U1的反相输入端提供参考阈值电压，所述电压比较器U1的输出端与逻辑控制单元的输入端ATCH端相连。
优选地，所述GATE饱和控制单元单元包括误差运算放大器U2，所述误差运算放大器U2的反相输入端VLM与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述误差运算放大器U2的反相输入端提供参考阈值电压，所述误差运算放大器U2的同相输入端依次串接电容C1、电阻Rc后与误差运算放大器U2的输出端相连，所述误差运算放大器U2的输出端与电阻Rc之间的连线分别与MOS管Qb的栅极、二极管D1的正极相连，二极管D1的负极与逻辑控制单元的输出端EN_G端相连。
优选地，所述拔出检测单元包括电压比较器U3，所述电压比较器U3的同相输入端Viref与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述电压比较器U3的同相输入端提供参考阈值电压，所述电压比较器U3的反相输入端Vgs与MOS管Qb的栅极相连，所述电压比较器U3的输出端与逻辑控制单元的输入端DTCH端相连。
优选地，所述MOS管Qb为一个N型金属-氧化物半导体场效应晶体管（N-MOSFET）。
优选地，所述二极管Db为MOSFET的自带寄生二极管。
优选地，所述电阻Rdet的取值在100K-10MOhm之间。
相应地，一种USB设备检测方法，所述方法基于上任一项所述的系统，包括：
S101、在EN_G=0时，当ATCH=1将判断为有效的设备插入信号，在经过一定的延时去抖处理后，将使能EN_G=1；
S102、当EN_G=1后，逻辑控制单元屏蔽DTCH信号一个预设时间t1，以留给GATE饱和控制电路建立稳定的控制；
S103、在EN_G=1的情况下，DTCH=1将被判断为设备拔出的信号，并在经过一定的延时去抖处理后，将使能EN_G=0；
S103、在EN_G=0后，逻辑控制单元等待一个预设时间t2后再次准备ATCH的输入检测。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明一种USB设备检测系统及方法，包括：VBUS供电单元、插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元和逻辑控制单元，本发明通过逻辑控制单元采集插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元检测到的信号，能够实时检测负载的插入和拔出，省掉了成本较高的电流采样电路，节省了功率采样电阻，并大幅度的提升了可检测到的拔出最小电流，保证可以对外部的USB设备实现100%的满充，无需采样负载电流即实现了超低电流的检测，节省了成本和空间，并提升了用户体验。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；
图1为现有技术中USB设备插拔检测电路图；
图2为本发明实施例一提供的一种USB设备检测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例二中插入检测单元的电路原理图；
图4为本发明实施例三中GATE饱和控制单元的电路原理图；
图5为本发明实施例三MOS管Qb栅极与源极的电压Vdet与漏极与源极的电压Vgs的特性图；
图6为本发明实施例三中MOS管Qb栅极与源极的电压Vdet随着流过Load的电流Iload变化的特性图；
图7为本发明实施例四中GATE饱和控制单元的电路原理图；
图8为本发明实施例五拔出检测单元的电路原理图；
图9为本发明实施例六提供的一种USB设备检测方法的流程示意图；
图中：1为VBUS供电单元，2为插入检测单元，3为GATE饱和控制单元，4为拔出检测单元，5为逻辑控制单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图2所示，一种USB设备检测系统，包括：VBUS供电单元1、插入检测单元2、GATE饱和控制单元3、拔出检测单元4和逻辑控制单元5，所述VBUS供电单元1通过USB接口的VBUS端与负载的正极相连，负载的负极依次与USB接口的GND端、MOS管Qb相连后接地，所述插入检测单元2的输入端与USB接口的GND端相连，所述拔出检测单元4的输入端与MOS管Qb的栅极相连，所述插入检测单元2、拔出检测单元4的输出端分别与逻辑控制单元5的信号输入端ATCH端、DTCH端相连，逻辑控制单元5的信号输出端EN_G端与GATE饱和控制单元3的输入端相连，GATE饱和控制单元3的输出端与MOS管Qb的栅极相连，MOS管Qb的漏极分别与USB接口的GND端、二极管Db的负极、电阻Rdet的一端相连，二极管Db的正极分别与MOS管Qb的源极、电阻Rcs的一端相连，电阻Rcs的另一端与电阻Rdet的另一端相连后接地，所述二极管Db为MOSFET的自带寄生二极管。
本实施例通过逻辑控制单元5采集插入检测单元2、GATE饱和控制单元3、拔出检测单元4检测到的信号，实现实时的检测负载的插入和拔出，省掉了成本较高的电流采样电路，节省了功率采样电阻，并大幅度的提升了可检测到的拔出最小电流，保证可以对外部的USB设备实现100%的满充，无需采样负载电流即实现了超低电流的检测，节省了成本和空间，并提升了用户体验。
实施例二：
如图3所示，所述插入检测单元2包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的同相输入端Vdet与USB接口的GND端相连，所述电压比较器U1的反相输入端Vref与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述电压比较器U1的反相输入端提供参考阈值电压，所述电压比较器U1的输出端与逻辑控制单元5的输入端ATCH端相连。
具体地，插入检测单元2用于外接负载（以下称为Load）接入后，对此接入设备的自动检测；在外部无Load的情况下，MOS管Qb处于关断状态，逻辑控制单元5输出信号EN_G=0，此时因外部无Load接入，VBUS供电单元1与GND之间无电流，Vdet=0V；当外部Load接入后，在VBUS供电单元1与GND之间形成电流回路。
当外部Load接入后，将有电流Iload_LKG流过电阻Rdet，形成电压Vdet，则：Vdet=Rdet*Iload_LKG；在实际运用过程中，电阻Rdet一般取值在100K-10MOhm之间，即使Iload_LKG是一个很小的值，比如10uA，也可以使Vdet=1V以上，此时插入检测单元2可以将此电压Vdet与一个预设的电压Vref进行比较，一旦Iload_LKG>Vref/Rdet, 比较器的输出ATCH即被置为1，向逻辑控制单元5报告此时设备已经插入。
本实施例中，Vref为一个预设的电压，可能依据外部不同的电阻Rdet或者用户不同的设计期望而有所调整，生成的电压比较器U1，也可能会有一定的时间延时或者比较器的输出再经过一个预设的时间延时，以确保ATCH信号的稳定；同时，电压比较器U1也具备一定的回滞电压。
实施例三：
如图4所示，所述GATE饱和控制单元3单元包括误差运算放大器U2，所述误差运算放大器U2的反相输入端VLM与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述误差运算放大器U2的反相输入端提供参考阈值电压，所述误差运算放大器U2的同相输入端依次串接电容C1、电阻Rc后与误差运算放大器U2的输出端相连，所述误差运算放大器U2的输出端与电阻Rc之间的连线分别与MOS管Qb的栅极、二极管D1的正极相连，二极管D1的负极与逻辑控制单元5的输出端EN_G端相连。
具体地，GATE饱和控制单元3受控于逻辑控制单元5的信号输出端EN_G，当EN_G=1时，此部分电路才开始工作；其输入信号为电压Vdet，输出控制信号为MOS管Qb的栅极电压Vgs。当GATE饱和控制单元3不工作时，输出端的MOS管Qb的栅极电压Vgs将确保低于MOS管Qb的开通门限电压Vgs_th，确保MOS管Qb处于截止状态。
GATE饱和控制单元3内部有一个误差运算放大器，预设的电压值VLM由不同的设计期望而有所调整，其决定了本控制部分的控制目标，一般为0.1V；电阻Rc与电容C1串联后并接在误差运算放大器U2的同相输入端和输出端，将电压Vdet形成一个负反馈控制，运算放大器U2通过调节MOS管Qb的栅极电压Vgs使得Vdet始终跟随VLM。MOS管Qb为一个N型金属-氧化物半导体场效应晶体管（N-MOSFET）。其两个引脚，漏极与源极的电压（在本应用中等于Vdet）可以受控于其栅极与源极的电压（在本应用中等于Vgs），通过控制MOS管Qb的栅极电压Vgs，可以使MOS管Qb始终工作于饱和区。一个N-MOSFET的栅极与源极的电压（VDS，在本应用中等于Vdet）和漏极与源极（VGS，在本应用中等于Vgs）的电压的特性如图5所示。
图5中，在饱和区中，ID电流（在本实施例中为Iload）与VGS电压存在线性关系，即：ID=k*(VGS-Vth)，其中系数k、电压Vth由某一种选定的MOS管Qb决定，一旦MOS管Qb的型号确定后，系数k、电压Vth即可确定，Vth为MOS管Qb的开通门限电压。
在EN_G=1后，MOS管Qb将会开始进入导通状态，因MOS管Qb导通时，其形成的通路阻抗将远远小于电阻Rdet，绝大部分的Iload将会通过MOS管Qb进行流动。
此时，GATE饱和控制单元3将控制MOS管Qb工作于饱和区，依据不同预设电压VLM设置，MOS管Qb的工作状态将在VDS=VLM的一条直线上移动。例如，在工作点A，此时流过Load的电流为IloadA，此时VDS=VLM对应于Vgs=VGS_A，随着Load电流的增加，Vgs电压会随着Load电流逐渐上升，当到达IloadB时，此时，Vgs=VGS_B，VDS电压保持等于VLM不变。MOS管Qb的工作点从A点移动到B点。随着Load电流的继续增大，VGS电压可能会继续增加，比如Load电流增加至ILoadC，MOS管Qb进入线性区，此时Vdet将由Qb的导通阻抗(RDSON)与ILoadC决定且大于VLM：即：Vdet=RDSON*IloadC>VLM，如果Iload继续增大Vdet将以如上关系增加。
相反的，如果在大电流场合Vdet>VLM后，Iload电流逐渐减小，直至回到某个电流后使Vdet≤VLM，此时GATE饱和控制单元3将重新控制VGS电压，使得Vdet=VLM。Vdet随着Iload变化的特性曲线如图6所示。
图6中，当MOS管Qb工作于饱和区和线性区时，其可以随着Iload的变化实现不同的工作点转移。EN_G为控制GATE饱和控制单元3的使能，当EN_G=1时，GATE饱和控制单元3可以工作，当EN_G=0时，GATE饱和控制单元3被禁止工作。
实施例四：
如图7所示，EN_G控制的方式除了上述的采用二极管钳位电路外，还可以通过如图7电路实现，控制目标均为使EN_G=0时，MOS管Qb关闭，EN_G受控于逻辑控制单元5。
实施例五：
如图8所示，所述拔出检测单元4包括电压比较器U3，所述电压比较器U3的同相输入端Viref与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述电压比较器U3的同相输入端提供参考阈值电压，所述电压比较器U3的反相输入端Vgs与MOS管Qb的栅极相连，所述电压比较器U3的输出端与逻辑控制单元5的输入端DTCH端相连。
具体地，Iload电流逐渐减少的过程中，在饱和区时，因k系数较大，其可以保证当Iload电流（ID电流）很小时（小于100uA），依然保持Vdet=VLM的关系；但是Load的完全移除，因Iload电流通路被完全断开，Iload=0A，此时Vdet=0V，Vgs在GATE饱和控制单元3的作用下也向下调整，使得Vgs<Vth，MOS管Qb完全进入截止状态，为了保证这个状态的稳定，一个额外的Vgs电压检测电路作为专门的拔出检测：
本实施例中，Viref为一个预设的电压，可能依据外部不同的NMOSFET特性和用户不同的设计；期望而有所调整。生成电压比较器U3也可能会有一定的时间延时或者比较器的输出再经过一个预设的时间延时，以确保DTCH信号的稳定，同时，电压比较器U3也可能具备一定的回滞电压。
实施例六：
如图9所示，一种USB设备检测方法，所述方法基于上所述的系统，包括：
S101、在EN_G=0时，当ATCH=1将判断为有效的设备插入信号，在经过一定的延时去抖处理后，将使能EN_G=1；
S102、当EN_G=1后，逻辑控制单元屏蔽DTCH信号一个预设时间t1，以留给GATE饱和控制电路建立稳定的控制；
S103、在EN_G=1的情况下，DTCH=1将被判断为设备拔出的信号，并在经过一定的延时去抖处理后，将使能EN_G=0；
S103、在EN_G=0后，逻辑控制单元等待一个预设时间t2后再次准备ATCH的输入检测。
本实施中，逻辑控制单元对于读取到的ATCH信号或者DTCH信号，可进行多次重复采样；逻辑控制单元对于每一个输入信号，可能会做延时或者过采样，以确保信号的准确性；采用本方法可以实时的检测插入和拔出，省掉了成本较高的电流采样电路，节省了功率采样电阻，并大幅度的提升了可检测到的拔出最小电流，保证可以对外部的USB设备实现100%的满充。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种USB设备检测系统，其特征在于：包括：VBUS供电单元、插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元和逻辑控制单元，所述VBUS供电单元通过USB接口的VBUS端与负载的正极相连，负载的负极依次与USB接口的GND端、MOS管Qb相连后接地，所述插入检测单元的输入端与USB接口的GND端相连，所述拔出检测单元的输入端与MOS管Qb的栅极相连，所述插入检测单元、拔出检测单元的输出端分别与逻辑控制单元的信号输入端ATCH端、DTCH端相连，逻辑控制单元的信号输出端EN_G端与GATE饱和控制单元的输入端相连，GATE饱和控制单元的输出端与MOS管Qb的栅极相连，MOS管Qb的漏极分别与USB接口的GND端、二极管Db的负极、电阻Rdet的一端相连，二极管Db的正极分别与MOS管Qb的源极、电阻Rcs的一端相连，电阻Rcs的另一端与电阻Rdet的另一端相连后接地；
所述逻辑控制单元根据所述插入检测单元、GATE饱和控制单元、拔出检测单元检测到的信号，实时的检测负载的插入和拔出。
2.根据权利要求1所述的一种USB设备检测系统，其特征在于：所述插入检测单元包括电压比较器U1，所述电压比较器U1的同相输入端Vdet与USB接口的GND端相连，所述电压比较器U1的反相输入端Vref与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述电压比较器U1的反相输入端提供参考阈值电压，所述电压比较器U1的输出端与逻辑控制单元的输入端ATCH端相连。
3.根据权利要求1所述的一种USB设备检测系统，其特征在于：所述GATE饱和控制单元单元包括误差运算放大器U2，所述误差运算放大器U2的反相输入端VLM与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述误差运算放大器U2的反相输入端提供参考阈值电压，所述误差运算放大器U2的同相输入端依次串接电容C1、电阻Rc后与误差运算放大器U2的输出端相连，所述误差运算放大器U2的输出端与电阻Rc之间的连线分别与MOS管Qb的栅极、二极管D1的正极相连，二极管D1的负极与逻辑控制单元的输出端EN_G端相连。
4.根据权利要求1所述的一种USB设备检测系统，其特征在于：所述拔出检测单元包括电压比较器U3，所述电压比较器U3的同相输入端Viref与阈值电压产生电路的输出端相连，所述阈值电压产生电路为所述电压比较器U3的同相输入端提供参考阈值电压，所述电压比较器U3的反相输入端Vgs与MOS管Qb的栅极相连，所述电压比较器U3的输出端与逻辑控制单元的输入端DTCH端相连。
5.根据权利要求1所述的一种USB设备检测系统，其特征在于：所述MOS管Qb为一个N型金属-氧化物半导体场效应晶体管（N-MOSFET）。
6.根据权利要求1所述的一种USB设备检测系统，其特征在于：所述二极管Db为MOSFET的自带寄生二极管。
7.根据权利要求1所述的一种USB设备检测系统，其特征在于：所述电阻Rdet的取值在100K-10MOhm之间。
8.一种USB设备检测方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1-7任一项所述的系统，包括：
S101、在EN_G=0时，当ATCH=1将判断为有效的设备插入信号，在经过一定的延时去抖处理后，将使能EN_G=1；
S102、当EN_G=1后，逻辑控制单元屏蔽DTCH信号一个预设时间t1，以留给GATE饱和控制电路建立稳定的控制；
S103、在EN_G=1的情况下，DTCH=1将被判断为设备拔出的信号，并在经过一定的延时去抖处理后，将使能EN_G=0；
S103、在EN_G=0后，逻辑控制单元等待一个预设时间t2后再次准备ATCH的输入检测；
所述EN_ G为逻辑控制单元与GATE饱和控制单元连接的信号输出端EN_G端；所述ATCH为逻辑控制单元与插入检测单元连接的信号输入端ATCH 端；所述DTCH为逻辑控制单元与拔出检测单元连接的信号输入端DTCH端。
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