CN114730302A - 外围设备和主机设备的受保护电源和数据总线连接 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括连接器端口，该连接器端口被配置为可选择地与外围设备连接和从外围设备断开。检测器被配置为提供指示外围设备与连接器端口的连接的输出，其中，在外围设备与连接器端口的连接和输出信号之间具有时间延迟。数据开关与检测器和连接器端口的通信引脚可操作地耦合，并响应于检测器的输出可选择地启用和禁用通信引脚和计算机板之间的数据通信。功率开关可操作地与检测器、电源引脚、和DC电源耦合，并且被配置为响应于检测器的输出可选择地连接和断开电源和电源引脚。

Description

外围设备和主机设备的受保护电源和数据总线连接
背景技术
本公开涉及外围设备和主机设备的受保护电源和数据总线连接的装置、系统、和方法。越来越多的应用要求提供外围设备和主机设备的电源和数据总线连接。通用串行总线(USB)行业标准集为计算机与外围设备或其他计算机之间的连接、通信、和供电建立了电缆、连接器、和协议规范。USB型连接通常提供5VDC电源引脚、接地引脚、和多个数据引脚。USB功率传输(USB PD)连接可提供高达20VDC的较高电压的电源引脚。这种连接通常需要更复杂且更昂贵的电路来适应更高的电压。即使有这样的装备，在外围设备和主机设备的连接或断开过程中，主机设备和外围设备仍然存在损坏的重大风险。对于本文公开的独特装置、系统、和方法仍然存在未满足的需求。
发明内容
示例实施例公开
为了清楚、简洁、和准确地描述本公开的示例实施例以及制造和使用它们的方式和过程，并且为了实现实践、制造、和使用它们，现在将参考某些示例实施例(包括图中所示的那些实施例)，使用具体的语言来描述它们的情况。然而，应当理解，本发明的范围没有因此而受到限制，并且本发明包括并保护本领域技术人员可能想到的对示例实施例的改变、修改、和进一步应用。
一个示例实施例是一种独特的装置，包括外围设备和主机设备的受保护的电源和数据总线连接。另一个示例实施例是一种独特的系统，包括外围设备和主机设备的受保护的电源和数据总线连接。另一个示例实施例是一种独特的方法，包括建立外围设备和主机设备的受保护的电源和数据总线连接。进一步的实施例、形式、对象、特征、优点、方面、和好处应从以下描述和附图中变得显而易见。
附图说明
图1是示出根据本公开的示例系统的某些方面的框图。
图2A、2B、和2C是示出图1的系统的某些元件的示例实现的某些方面的电路图。
具体实施方式
参考图1，示出了示例系统100的功能框图，该示例系统100包括主机设备200，该主机设备200通过插入主机设备200的连接器端口209的电缆310与外围设备300操作地耦合。连接器端口209被配置为可选择地与外围设备300耦合以及从外围设备300分离，并向外围设备300提供数据通信和电源。在所示出的实施例中，外围设备300被配置为外围无线通信模块，该外围无线通信模块被配置为与一个或多个远程设备或网络进行无线通信、通过电缆310与主机设备200进行有线通信、以及通过电缆310从主机设备200接收DC功率。在其他实施例中，外围设备300可以是另一种类型的外围设备，其被配置为通过电缆310与主机设备200进行有线通信、以及通过电缆310从主机设备200接收DC功率。应当理解，来自根据本公开的主机设备(例如，主机设备200)的电源连接，可提供比典型的USB通信接口更高的电压和功率，并可以被用来向外围设备提供比典型的USB通信接口更高的备用电源电压。在一个示例应用中，通过具有这样长度的电缆从主机设备向外围设备提供+24VDC电源，使得较低的电压(例如，典型的USB通信接口的较低的电压)由于沿电缆长度的电压降而无法适用。
主机设备200包括连接器端口209、数据信号开关230、外围设备存在检测器250(以下简称检测器250)、DC功率开关270(以下简称功率开关270)、和微控制器或计算机板290(以下简称板290)。在所示出的实施例中，主机设备200被配置为装备控制和监测设备，其被配置为与电网基础设施设备(例如，变压器)可操作地耦合。在其他实施例中，主机设备200可以是其他类型的计算设备或单板计算机。
功率开关270通过电源线271与连接器端口209可操作地耦合。功率开关270还与电源280和检测器250耦合。在所示出的实施例中，电源280被配置为+24VDC电源。在其他实施例中，电源280可被配置为提供其他电压，诸如本文公开的那些电压。功率开关270可操作以响应于通过线路255从检测器250接收到的一个或多个输入，选择性地打开和关闭对连接器端口209的DC电源供应。
数据信号开关230通过数据信号线229与连接器端口209可操作地耦合，并通过数据信号线和电源线239与板290的数据端口292可操作地耦合。数据信号开关230可操作以响应于通过线路253从检测器250接收的一个或多个输入，选择性地启用和禁用连接器端口209和板290之间的数据通信。检测器250通过线路251与连接器端口209操作地耦合，并且可选地通过线路259与板290的数字输入端249可操作地连接，并且可操作以检测连接到连接器端口209的外围设备的存在与否。
参考图2A、2B和2C中，示出了示例电路201的示意图，该图示出了系统100的示例实现的某些方面。电路201包括连接器端口209，连接器端口209被配置为可选择地与外围设备(例如，外围设备300或另一外围设备)耦合和从外围设备分离，并且向外围设备提供数据通信和电源。在所示出的实施例中，连接器端口209被配置为六引脚USB型连接器端口，包括外围检测引脚209.1、数据引脚209.2和209.3、电源引脚209.5、以及接地引脚209.2和209.6。应当理解，连接器端口209可以以多种其他形式提供，包括具有不同数目的外围检测引脚、数据引脚、电源引脚、和接地引脚的形式。在所示出的实施例中，电源引脚209.5可选择地与+24VDC电源可操作地耦合，如本文进一步描述的。应当明白，电源引脚209.5可以多种其他形式提供，可选择地与较低电压(例如，12VDC)下或较高电压(例如，48VDC)下的电源可操作地耦合。
外围检测引脚209.1通过提供过电流保护的正温度系数(PTC)器件PTC1和电阻器R14连接到比较器251的负输入引脚。电容器Cl5和电阻器R12连接到电源280和比较器251的负输入引脚。电阻器R11连接到电源280，并通过电阻器R17连接到功率MOSFET Ql的栅极。应当明白，功率MOSFET Ql是DC功率开关组件的一个非限制性示例，并且在其他实施例中可以使用各种其他开关器件，例如，其他类型的固态开关器件或其他类型的开关或开关器件。此外，应当理解，比较器251是检测器组件的一个非限制性示例，并且各种其他检测器组件或检测器组件的组合可以在其他实施例中使用，例如，其他类型的逻辑、开关、信号处理器件、或其他固态器件。在某些形式中，比较器251被实现为离散集成电路芯片。在其他形式中，比较器251可以使用多个组件或多个信号处理电路的子集来实现。
数据引脚209.2与小外形晶体管瞬态电压抑制器(TVS)U2的输入/输出引脚I/Ol和I/O4耦合并耦合到共模扼流圈L4。数据引脚209.3与TVS U2的输入/输出引脚I/O2和I/O3耦合并耦合到共模扼流圈L4。电容器C36跨接在数据引脚209.2和数据引脚209.3之间。电源引脚209.5通过PTC器件PTC6和铁氧体磁珠FB6耦合到功率MOSFET Ql的漏极引脚。接地引脚209.4和209.6耦合到地并通过PTC器件PTC2耦合到TVS U2的接地引脚。数据引脚209.2和数据引脚209.3被配置为分别接收和发送负USB数据信号USBDN和正USB数据信号USBDP。
共模扼流圈L4与USB信号开关231的引脚D+和D-耦合。应当理解，USB信号开关231是诸如数据信号开关230的数据信号开关的一个示例实现。在其他实施例中，可以利用各种其他类型的数据信号开关器件或器件的组合，本领域技术人员在受益于本公开的情况下会想到这一点。USB信号开关231的接地引脚GND耦合到地。USB信号开关231还包括引脚D1+和引脚D1-，引脚D1+通过电阻器R9与地耦合，引脚Dl-通过电阻器R10与地耦合。此外，电容器C2耦合在引脚D+和地之间，而电容器Cl1耦合在引脚D-和地之间。
USB信号开关231的VCC引脚与连接器端口229的引脚229.1耦合。USB信号开关231的引脚S1和S2通过电阻器R8与连接器端口229的引脚229.1耦合。USB信号开关231的引脚D2+与连接器端口229的引脚229.3耦合。USB信号开关231的引脚D2-与连接器端口229的引脚229.2耦合。连接器端口229的引脚229.4与地耦合。电容器C13一极耦合到地，而另一极耦合到引脚229.2和引脚D2-。电容器C12一极耦合到地，而另一极耦合到引脚229.3和引脚D2+。连接器端口229还可操作地与诸如板290的微控制器或计算机板耦合。
当比较器251的负输入端的电压比比较器251的正输入端的电压更高时，比较器251输出端的输出被驱动到低状态(例如，0.0至+0.4VDC)。当比较器251的正输入大于其负输入时，比较器251的输出端为高阻抗且不控制比较器251的输出电平。相反，电阻器R13将比较器的输出端处的信号拉高至电源280的+24VDC电平。
将兼容的外围设备连接到连接器端口209建立了引脚209.1和地之间的连接。例如，可以通过足够低阻抗(例如，1Kohm)的、连接到连接器端口209的引脚209.1和引脚209.6的连接电缆或外围设备中的内阻来提供这种连接。响应于连接到兼容的外围设备，电容器C15通过电阻器R14和PTC器件PTC1放电，导致比较器251的负引脚处的电压以与由电阻器R14和电容器C15建立的阻容(RC)时间常数相对应的速率从24VDC衰减至约12VDC。由于比较器251的正引脚通过电阻器R15连接到电压源280并通过电阻器R16连接到地，所以比较器251的正引脚名义上处于或大约为18VDC。比较器251任选地且优选地具有滞后以提供稳定性。因此，当比较器251的负输入端处的电压降低到足够低的电平以克服滞后(例如，在16VDC或大约16VDC)时，比较器251的漏极开路输出从主动驱动的低电压输出(由从电源280经过电阻器R13的压降确定)变为更高的电压输出(由比较器251的漏极开路输出响应其负输入端处的电压变化通过电阻器R13被拉至更高的电压而确定)。
反向偏置双共阴极肖特基二极管D1在其阴极侧与比较器251的漏极开路输出端耦合，并且在其阳极侧与USB信号开关231的引脚S1和S2以及晶体管Q2的栅极耦合。如果二极管D1的阴极的电压低于其阳极的电压，则电流将通过二极管D1从阳极流向阴极。因此，当比较器处于其低状态时，电流将流动通过二极管D1，因为其阳极侧将比其阴极侧高～0.35VDC。由于阴极的电压与比较器输出端的电压(0.0VDC至0.4VDC)相同，所以阳极将在0.35V至0.75V的范围内。对于USB开关的输入，该电压为“低”信号。另一方面，当比较器251的输出端为高阻抗时，通过电阻器R13将输出上拉至标称+24VDC。二极管D1随后被反向偏置，因为其阴极的电压高于其阳极的电压，因而没有电流流动通过二极管D1。在此状态下，二极管D1的阳极侧通过电阻器R8被拉高，因此USB信号开关231的输入端S1和S2处于高状态(标称5VDC)。
如果VUSB开启，则在比较器251的漏极开路输出通过电阻器R13被拉高至高压(例如，+24VDC)后，连接二极管D1的输出端和引脚S1和S2的节点处的电压通过电阻器R8上拉至高压(例如，+5VDC)。比较器251的输出端为低电压(0.0到0.4V)或高阻抗，其实际上是开路。当处于高阻抗状态时，通过电阻器R13将输出端拉高至标称24VDC。当二极管D1的阴极侧被拉低时，它将传导电流，从而拉低二极管Dl的阳极侧。当二极管D1的阴极侧被拉高时，它将相对于其阳极侧反向偏置，因而实际上将是开路。这允许电阻器R8上拉连接到USB开关231的引脚S1和S2的信号。作为响应，USB信号开关231接通，并且外围设备与微控制器或计算机板之间的USB数据通信被启用。此外，二极管D1.1的阳极被施加到晶体管Q2的栅极上，使得晶体管Q2接通。作为响应，Q2的漏极变为低电压，迫使晶体管Q1的栅极处产生标称12VDC电压并将其接通。晶体管Q1接通时，接通的24VDC电源被启用并连接到外围设备，标称24VDC被提供给引脚209.5。如果VUSB关断，比较器251的漏极开路输出变为更高的电压不会接通USB信号开关231或晶体管Q1，从而使电源引脚209.5有效关断。反向偏置二极管D1.2被可选地提供，并在一侧与比较器251的漏极开路输出端耦合，而在另一侧通过线路259与板290的数字输入294或另一板耦合，以用于将连接状态传送到板。提供给数字输入259的这个信号通常被拉高，并且在比较器251接通时被拉低。
当没有兼容的外围设备(例如，没有外围设备或不兼容的外围设备)与连接器端口209耦合时，检测引脚209.1处存在开路，并且比较器251的负输入引脚通过电阻器R12拉高至标称24VDC。比较器251的正引脚名义上为24VDC的2/3，或约18VDC。当负极引脚处于24VDC左右时，比较器251的漏极开路输出变为(或保持在)低电压(例如，0.0VDC至0.4VDC(输出晶体管的Vsat))。这将连接二极管D1和USB信号开关231的引脚S1和S2的节点处的电压拉至低电压(例如，0.35+Vsat＝0.35至0.75VDC)，这关断(或保持关断)USO信号开关231。当阴极处于高(标称24VDC)时，二极管D1被反向偏置，并且二极管D1的阳极被拉高至(标称)5VDC。低电压还被提供给晶体管Q2的栅极，该栅极被关断(或保持关断)，进而关断(或保持关断)晶体管Q1并禁用(或保持禁用)至外围设备的接通的24VDC。
现在将进一步描述多个示例实施例。第一示例实施例是一种装置，包括：连接器端口，被配置为可选择地与外围设备连接和从外围设备断开，该连接器端口包括电源引脚和通信引脚；检测器，包括输入引脚和输出引脚，该输入引脚与连接器端口可操作地耦合，该检测器被配置为响应于外围设备与连接器端口的连接，在输出引脚处提供输出，其中，在外围设备与连接器端口的连接和提供输出之间存在时间延迟；数据开关，与通信引脚和检测器输出引脚可操作地耦合，并且被配置为响应于在输出引脚处的输出，可选择地启用和禁用通信引脚和计算机板之间的数据通信；以及功率开关，与检测器、电源引脚、和DC电源可操作地耦合，并且被配置为响应于在输出引脚处的输出，可选择地连接和断开电源和电源引脚。
在第一示例实施例的在某些形式中，与检测器的输入引脚耦合的电路节点响应于外围设备与连接器端口的连接从第一电压转变为第二电压。在某些形式中，第一电压是较高的电压(例如，DC电源电压)，并且第二电压是较低的接地电压。在某些形式中，电路节点与电容器耦合，该电容器被配置为响应于外围设备与连接器端口的连接放电，以用于将电路节点从第一电压转变为第二电压。在某些形式下，时间延迟与电容器和相关电阻器的时间常数成比例。在某些形式中，电路节点与连接器端口的检测引脚耦合。某些形式还包括外围设备。在某些形式中，外围设备和连接器端口的连接启动从第一电压到第二电压的改变。在某些形式下，检测器被配置为离散设备。某些形式还包括计算机板。
第二示例实施例是一种系统，包括：主机计算机设备，包括连接器端口、检测器、数据开关、以及功率开关，该连接器端口包括电源引脚、通信引脚、和检测引脚，该检测器包括与检测引脚可操作地耦合的输入端，数据开关与检测器的输出端可操作地耦合并且与通信引脚可操作地耦合，功率开关与检测器的输出端、电源引脚、和DC电源可操作地耦合；以及外围设备，被配置为可选择地与连接器端口连接；其中，外围设备和连接器端口的连接将检测引脚与地连接，响应于检测引脚与地的连接，输入到检测器的电压在转变时间内从第一电压转变为第二电压，响应于到第二电压的转变，检测器的输出改变，数据开关响应于检测器的输出的改变接通与外围设备的通信，并且功率开关响应于检测器的输出的改变接通到外围设备的电源。
在第二示例实施例的某些形式中，转变时间至少部分地由电容器和相关联的电阻器的时间常数确定。在某些形式下，检测器被实现为离散集成电路芯片。在某些形式中，主机计算机设备被配置为控制和监测电网基础设施设备。在某些形式中，电网基础设施设备包括变压器。
第三示例实施例是一种方法，包括：将外围设备与主机设备的连接器端口连接，包括连接外围设备和主机设备各自的电源引脚、通信引脚、和检测引脚；响应于连接的动作，在转变时间内将到主机设备的检测器的输入从第一电平改变为第二电平；响应于输入的改变，改变检测器的输出，响应于输出的改变，启用主机设备的数据开关和外围设备之间的通信；以及响应于输出的改变，启用从主机设备到外围设备的电源。
在第三示例实施例的某些形式中，转换时间至少部分地由电阻-电容时间常数确定。在某些形式下，检测器的输入的改变包括使电容器放电。在某些形式中，启用通信包括接通数据开关。在某些形式下，启用电源包括接通电源。
虽然本公开的示例实施例已在附图和前述描述中详细说明和描述，但应将其视为说明性而非限制性的，应当理解的是，仅示出和描述了某些示例实施例，并且希望保护在所要求保护的发明的精神范围内的所有改变和修改。应当理解，尽管在上述描述中使用的诸如优选、优选地、更优地、或更优选之类的词表示这样描述的特征可能更可取，但它可能不是必需的，并且可以在本发明的范围内考虑缺少这些特征的实施例(如以下权利要求定义的范围)。在阅读权利要求时，当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”、或“至少一部分”之类的词语时，除非权利要求中有明确的相反规定，否则无意将权利要求仅限于一项。当使用“至少一部分”和/或“一部分”语言时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非另有明确说明。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
连接器端口，所述连接器端口被配置为可选择地与外围设备连接和从所述外围设备断开，所述连接器端口包括电源引脚和通信引脚；
检测器，所述检测器包括输入引脚和输出引脚，所述输入引脚与所述连接器端口可操作地耦合，所述检测器被配置成响应于所述外围设备与所述连接器端口的连接，在所述输出引脚处提供输出，其中，在所述外围设备与所述连接器端口的连接和提供所述输出之间具有时间延迟；
数据开关，所述数据开关与所述检测器输出引脚和所述通信引脚可操作地耦合，并且被配置成响应于在所述输出引脚处的输出，可选择地启用和禁用所述通信引脚和计算机板之间的数据通信；以及
功率开关，所述功率开关与所述检测器、所述电源引脚、和DC电源可操作地耦合，并且被配置成响应于在所述输出引脚处的输出，可选择地连接和断开所述电源和所述电源引脚。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，响应于所述外围设备与所述连接器端口的连接，与所述检测器的输入引脚耦合的电路节点从第一电压转变到第二电压。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一电压为较高的电压，并且所述第二电压为较低的接地电压。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述电路节点与电容器耦合，所述电容器被配置成响应于所述外围设备与所述连接器端口的连接放电，以用于将所述电路节点从所述第一电压转变到所述第二电压。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其中，所述时间延迟与所述电容器和相关联的电阻器的时间常数成比例。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其中，所述电路节点与所述连接器端口的检测引脚耦合。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括所述外围设备。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述外围设备和所述连接器端口的连接启动从所述第一电压到所述第二电压的改变。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述检测器被配置为离散设备。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括所述计算机板。
11.一种系统，包括：
主机计算机设备，所述主机计算机设备包括连接器端口、检测器、数据开关、以及功率开关，所述连接器端口包括电源引脚、通信引脚、和检测引脚，所述检测器包括与所述检测引脚可操作地耦合的输入端，所述数据开关与所述检测器的输出端可操作地耦合并且与所述通信引脚可操作地耦合，所述功率开关与所述检测器的输出端、所述电源引脚、和DC电源可操作地耦合；
外围设备，所述外围设备被配置成可选择地与所述连接器端口连接；
其中，所述外围设备和所述连接器端口的连接将所述检测引脚与地连接，响应于所述检测引脚与地的连接，输入到所述检测器的电压在转变时间内从第一电压转变到第二电压，响应于到所述第二电压改变的转变，所述检测器的输出改变，响应于所述检测器的输出的改变，所述数据开关接通与所述外围设备的通信，并且响应于所述检测器的输出的改变，所述功率开关接通到所述外围设备的电源。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述转变时间至少部分地由电容器和相关联的电阻器的时间常数确定。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述检测器被实现为离散集成电路芯片。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，其中，所述主机计算机设备被配置成控制和监测电网基础设施设备。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的系统，其中，所述电网基础设施设备包括变压器。
16.一种方法，包括：
将外围设备与主机设备的连接器端口连接，包括连接所述外围设备和所述主机设备各自的电源引脚、通信引脚、和检测引脚；
响应于连接的动作，在转变时间内将到所述主机设备的检测器的输入从第一电平改变到第二电平；
响应于所述输入的改变，改变所述检测器的输出；
响应于所述输出的改变，启用所述主机设备的数据开关和所述外围设备之间的通信；以及
响应于所述输出的改变，启用从所述主机设备到所述外围设备的电源。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述转变时间至少部分地由电阻-电容时间常数确定。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，到所述检测器的输入的改变包括使电容器放电。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述启用通信包括接通所述数据开关。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述启用所述电源包括接通所述电源。
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