CN115336133A - 调制由电压调节器生成的电源电压以用于数据和电力的传输 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成输出电压的装置，包括被配置为选择性地生成数据调制信号的微控制器单元(MCU)；以及被配置为生成基于数据调制信号而被调制的输出电压的电压调节器。另一方面涉及一种生成输出电压的方法，包括：选择性地生成数据调制信号；以及基于数据调制信号对输出电压进行降压和升压。再一个方面涉及一种用于生成输出电压的装置，包括用于选择性地生成数据调制信号的部件、以及用于基于数据调制信号对输出电压进行降压和升压的部件。

Description

调制由电压调节器生成的电源电压以用于数据和电力的传输
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年3月24日在美国专利局提交的非临时申请序列号17/211,125和于2020年4月2日在美国专利局提交的临时申请序列号63/004,339的权益，其全部内容如在下文中完整阐述并为了所有适用目的而被并入本文。
技术领域
本公开的各方面总体上涉及数据和电力的传输，并且具体地涉及调制由电压调节器生成的电源电压的系统和方法，该电压调节器通过设计而被适当地实现用于从第一设备到第二设备的数据和电力的传输。
背景技术
在一些应用中，第一设备向第二设备提供电力，诸如直流(DC)电压，并且还向第二设备提供数据。作为示例，充电器为一对耳塞提供电力，为它们各自的电池充电。充电器还向耳塞提供数据以及从耳塞接收数据。例如，充电器可以发送询问关于当前充电水平或电池状态的消息，并且耳塞将指示电池的当前充电水平或状态的响应消息发送回充电器。
发明内容
以下呈现了一个或多个实施例的简化概述，以便提供对这些实施例的基本理解。该概述不是对所有设想实施例的广泛概览，并且既不旨在识别所有实施例的关键或必要元素，也不旨在勾勒任何或所有实施例的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现一个或多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前奏。
本公开的一个方面涉及一种装置，包括：电池充电器，该电池充电器被配置为对音频设备中的电池充电并且与该音频设备进行数据通信，其中电池充电器包括：微控制器单元(MCU)，该微控制器单元被配置为选择性地生成数据调制信号；以及电压调节器，该电压调节器被配置为生成基于数据调制信号而被调制的输出电压，其中输出电压被用来对电池充电并且与音频设备进行数据通信。
本公开的另一方面涉及一种方法，包括：选择性地生成数据调制信号；基于数据调制信号，对输出电压进行降压和升压；使用输出电压，对音频设备中的电池充电；以及使用输出电压，与音频设备进行数据通信。
本公开的另一方面涉及一种装置，包括：用于选择性地生成数据调制信号的部件；用于基于数据调制信号对输出电压进行降压和升压的部件；用于使用输出电压对音频设备中的电池充电的部件；以及用于使用输出电压与音频设备进行数据通信的部件。
本公开的另一方面涉及一种系统，该系统包括：充电器，该充电器具有：被配置为接收外部电力的连接器、被配置为选择性地生成数据调制信号的第一微控制器单元(MCU)、以及被配置为基于外部电力和数据调制信号来生成输出电压的电压调节器；音频设备，该音频设备包括：被配置为基于输出电压而被充电的电池；以及被配置为基于输出电压提取数据的第二MCU。
为了实现前述和相关目的，一个或多个实施例包括在下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了一个或多个实施例的某些说明性方面。然而，这些方面仅指示可以采用各种实施例的原理的各种方式中的一些，并且描述实施例旨在包括所有这些方面及其等价物。
附图说明
图1图示了根据本公开的一个方面的示例性电力和数据通信系统的框图。
图2图示了根据本公开的另一方面的另一个示例性电力和数据通信系统的框图。
图3图示了根据本公开的另一方面的另一个示例性电力和数据通信系统的框图。
图4图示了根据本公开的另一方面的被配置为生成利用数据信号而被调制的经调节的输出电压的示例性降压-升压电压调节器的示意图。
图5图示了根据本公开的另一方面的被配置为生成利用数据信号而被调制的经调节的输出电压的另一示例性电力和数据通信装置的示意图。
图6A至图6C图示了根据本公开的另一方面的图5的降压-升压电压调节器在三种不同的配置中的示例性反馈电路的示意图。
图7A至图7C图示了根据本公开的其他方面的具有不同反馈电路的示例性降压-升压电压调节器的示意图。
图8图示了根据本公开的另一方面的生成经调节的输出电压的示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种配置的描述，而不旨在表示可以实践本文所描述的概念的唯一配置。详细描述包括特定细节，目的是提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，众所周知的结构和组件以框图形式来示出，以避免混淆这些概念。
图1图示了根据本公开的一个方面的示例性电力和数据通信系统100的框图。电力和数据通信系统100包括主机设备110和客户端设备150。在该示例中，主机设备110被配置作为用于音频耳塞的充电器，而客户端设备150被配置作为音频耳塞。应当理解，系统100可以包括用于左耳和右耳的两个音频耳塞，尽管为了便于解释的目的而图示了一个。
主机设备110可以是向客户端设备150提供电力(例如，直流(DC)电源电压)以用于对电池充电以及提供数据以用于与客户端设备150通信的任何设备。此外，根据该示例，客户端设备150可以向主机设备110提供数据。主机设备(充电器)110只是一个示例，并且可以取决于其实现的特征而被不同地配置。类似地，客户端设备(耳塞)150只是一个示例，并且可以取决于其实现的特征而被不同地配置。
主机设备110包括连接器112(例如，通用串行总线(USB)连接器)，连接器112被配置为从连接器112所附接到的设备(例如，计算机、电源插座适配器等)接收外部电力(例如，USB电源电压+V0)并与该设备交换数据。主机设备110还包括电池充电器114和电池116(例如，锂离子电池)。电池充电器114被配置为使用来自连接器112的电源电压+V0来对电池116供电或充电。电池充电器114或电池116还被配置为为本文所述的其他组件生成电源电压+V2。
主机设备110还包括低压差(LDO)电压调节器118，低压差(LDO)电压调节器118被配置为基于从连接器112接收的电压+V0来生成电源电压+V3。电源电压+V3可以适用于微控制器单元(MCU)120内的某些电路(例如，USB数据通信电路)。MCU 120可以是任何类型的处理器、微处理器、其他可编程硬件等。主机设备110还包括DC-DC降压电压调节器117，DC-DC降压电压调节器117被配置为基于来自电池充电器114或电池116的电源电压+V2来生成另一个电源电压+V4。电源电压+V4可以适用于MCU 120内的其他电路(例如，输入/输出(I/O)电路)。
MCU 120可以经由中断请求(IRQ)通信线路和集成电路间(I2C)通信线路来与电池充电器114通信。例如，电池充电器114可以经由IRQ通信线路通知MCU 120：电池116已充满电。并且，作为响应，MCU 120可以经由I2C通信线路来指使电池充电器114停止对电池116充电以节省电力。
主机设备110包括左(L)耳塞检测器126和右(R)耳塞检测器128，左(L)耳塞检测器126和右(R)耳塞检测器128被配置为检测左耳塞和右耳塞(客户端设备)是否连接到主机设备110以接收DC电力和交换数据。由于左耳塞检测器126和右耳塞检测器128是I/O设备，所以这些设备接收由DC-DC降压电压调节器117生成的电源电压+V4。如果未检测到耳塞，则左耳塞检测器126和右耳塞检测器128向MCU 120提供检测信号以将主机设备110配置为相对低功耗模式(例如，禁用向耳塞供电的调节器)，并且如果检测到耳塞，则将主机设备110配置为相对高功耗(例如，启用向耳塞供电的调节器)。
主机设备110还包括盖打开检测器124，盖打开检测器124被配置为检测被配置为容纳左耳塞和右耳塞的隔间的盖是否被打开。来自盖打开检测器124的检测信号被提供给MCU 120。可以这样做以实现耳塞与音频设备(未示出)之间的快速配对。例如，如果盖被打开，则MCU 120向耳塞发送命令以经由与附近的音频设备(例如，智能电话等)的蓝牙通信来与音频设备进行配对。主机设备110还包括蓝牙(BT)配对检测器122(被表示为开关)以向MCU 120提供信号以指示耳塞与音频设备配对。由于盖打开检测器124和BT配对检测器122是I/O设备，所以这些设备接收由DC-DC降压电压调节器117生成的电源电压+V4。
主机设备110还包括DC-DC升压电压调节器130，DC-DC升压电压调节器130被配置为从由电池充电器114或电池116生成的电源电压+V2来生成经调节的电源电压+V5。电源电压+V5经由一对输出引脚和电源线路(一个用于+V5，另一用于接地(GND))向客户端设备150(例如耳塞)供电。MCU 120被配置为经由通用输入/输出(GPIO)通信线路来与DC-DC升压电压调节器130通信。因此，如果MCU 120经由来自左耳塞检测器126和右耳塞检测器128的检测信号确定耳塞未被连接或耳塞中的电池已充满电，则MCU 120经由GPIO线路禁用DC-DC升压电压调节器130以节省电力。否则，MCU 120经由GPIO通信线启用DC-DC升压电压调节器130。
MCU 120耦合到被配置为向客户端设备150提供数据或消息的数据输出引脚。MCU120还耦合到被配置为从客户端设备150接收数据或消息的数据输入引脚。在该示例中，主机设备110是充电器，而客户端设备150是一个耳塞或一对耳塞，主机设备110可以经由数据输出引脚向客户端设备150发送数据或消息以询问其电池的充电状态(例如，是否充满电)，并且客户端设备150可以响应于查询(例如，电池是否充满电)经由数据输入引脚向主机设备110提供数据或消息。例如，如果客户端设备150指示其电池已充满电，则MCU 120可以经由GPIO通信线路禁用DC-DC升压电压调节器130以节省电力；否则，MCU 120可以经由GPIO线路维持调节器130被启用。取决于主机设备110和客户端设备150的性质，在设备之间交换的消息可能不同。
客户端设备150包括电池充电器152和电池154(例如，锂离子电池)。当客户端设备150连接到主机设备110时，电池充电器152经由与主机设备110的对应+V5和GND引脚连接的一对引脚和电源线路来接收电源电压+V5和GND连接。电池充电器152被配置为使用电源电压+V5来为电池154供电或充电。电池154为本文所述的其他组件生成电源电压+V6。
客户端设备150还包括经由I2C线路和IRQ线路来与电池充电器152通信的微控制器单元(MCU)158(例如，处理器、微处理器、任何其他类型的可编程设备等)。MCU 158耦合到数据输入引脚以从主机设备110接收数据，并且还耦合到数据输出引脚以向主机设备110提供数据，如先前所讨论的。作为示例，如果MCU 158经由主机数据输出引脚和客户端数据输入引脚从MCU 120接收到询问电池154的充电状态的消息，则MCU 158可以经由IRQ线路向电池充电器152发送关于查询的消息，并且电池充电器152可以经由I2C线路向MCU 158提供其响应。MCU 158转而可以经由客户端数据输出引脚和主机数据输入引脚将响应转发到主机设备110的MCU 120。
客户端设备150还包括DC-DC降压电压调节器156，DC-DC降压电压调节器156被配置为从由电池154生成的电池电压+V6为MCU 158生成电源电压+V7。客户端设备150还包括用于与音频设备(未示出)配对和通信的蓝牙设备160，如先前所讨论的。蓝牙设备160也接收电池电压+V6。蓝牙设备160经由I2C和IRQ通信线路来与MCU 158通信。客户端设备150还可以包括被配置为检测耳塞是否在耳朵内的入耳式检测器164、以及被配置为检测耳塞的移动或用户头部的间接移动的加速度计162。入耳式检测器164经由IRQ通信线路来与MCU158通信，并且加速度计162经由IRQ和I2C通信线路来与MCU 158通信。
电力和数据通信系统100的一个缺点是主机设备110和客户端设备150具有用于传送数据和电力的分开的引脚。例如，设备110和150中的每一者都具有用于在彼此之间交换数据的两个引脚。这些设备110和150中的每一者还具有用于主机设备110向客户端设备150供电的两个引脚。这些引脚给设备110和150增加了显著的产品成本，并且还占据了显著的电路基板面。减少将主机设备110电连接到客户端设备150的引脚数目的一种解决方案是使用用于将电力从主机设备传输到客户端设备的引脚和电源线路来传输数据。
图2图示了根据本公开的另一方面的另一个示例性电力和数据通信系统200的框图。电力和数据通信系统200与电力和数据通信系统100类似，并且包括许多由相似附图标记指示的相同元件，其中在系统200的情况下最高有效数字(MSD)是“2”与系统100的情况下的“1”形成对比。这些相同或相似的元件已在上面详细描述；因此，以下参考电力和数据通信系统200不提供对这些元件的进一步详细解释。
电力和数据通信系统200与电力和数据通信系统100的不同之处在于：它包括同一对引脚和电源线路来将电力和数据从主机设备210传送到客户端设备250(以及将数据从客户端设备250传送到主机设备210)，并且包括附加组件以实现引脚和电源线路的这种双重用途。在该示例中，主机设备210将数据信号注入到电源电压引脚/线路上以将数据传输到客户端设备250。类似地，客户端设备250将数据信号注入到电源电压引脚/线路上以将数据传输到主机设备210。
更具体地，主机设备210还包括主机侧线路读取器232、主机侧数据调制器234、主机侧数据信号阻断电感器LH和主机侧阻尼电阻器RH。主机侧线路读取器232被配置为从电压电源引脚/线路上的数据信号中提取出自客户端设备250的数据，并将该数据提供给MCU220。主机侧数据调制器234被配置为基于来自MCU 220的数据将数据信号注入或提供到电压电源引脚/线路上，以传输到客户端设备250。主机侧电感器LH基本上将电压电源引脚/线路上的数据信号从在DC-DC升压电压调节器230的输出处的交流(AC)去耦电容器CH阻断或隔离，否则交流(AC)去耦电容器CH将使数据信号与电压电源引脚/线路去耦。跨电感器LH耦合的主机侧电阻器RH被配置为减少由电感器LH的高频谐波和自谐振效应导致的信号反射和电磁辐射。
客户端设备250还包括时钟提取器272、客户端侧线路读取器274、客户端侧数据调制器276、启动同步检测器278、客户端侧数据信号阻断电感器LC和客户端侧阻尼电阻器RC。时钟提取器272可以采用时钟和数据恢复(CDR)电路从电压电源引脚/线路上的数据信号中提取时钟；该时钟被提供给MCU 258以对数据进行时钟记录。客户端侧线路读取器274被配置为从电压电源引脚/线路从出自主机设备210的数据信号中提取数据，并将数据提供给MCU 258。客户端侧数据调制器276被配置为基于来自MCU 258的数据将数据信号注入或提供到电压电源引脚/线路上，以传输到主机设备210。客户端侧电感器LC将电压电源引脚/线路上的数据信号从在电池充电器252的输入处的AC去耦电容器CC阻断或隔离，否则AC去耦电容器CC将使数据信号与电压电源引脚/线路去耦。跨电感器LC耦合的客户端侧电阻器RC被配置为减少由电感器LC的高频谐波和自谐振效应导致的信号反射和电磁辐射。
尽管与电力和数据通信系统100相比，在电力和数据通信系统200中将主机设备210连接到客户端设备250以将电力从主机设备210传输到客户端设备250以及在这些设备之间交换数据的引脚的数目已减少到两(2)个，但是在系统200中需要这样做的组件的数目是众多的。如所讨论的，这些附加组件包括主机设备210中的线路读取器232、数据调制器234、电感器LH和电阻器RH、以及客户端设备250中的时钟提取器272、线路读取器274、数据调制器276、启动同步检测器278、电感器LC和电阻器RC。这些附加组件显著增加了系统200的产品成本，并且占用了大量的电路基板面来实现。此外，附加的电感器LH和LC可能是电磁干扰源，这可能使这些设备210和250难以遵守电磁兼容性(EMC)法规。
图3图示了根据本公开的一个方面的又一示例性电力和数据通信系统300的框图。总之，电源和数据通信系统300在主机设备和客户端设备之间通过电源线路或引脚实现数据传输，而无需显著附加的组件和电路基板面。此外，电力和数据通信系统300不需要具有可能是不想要的电磁辐射源的数据信号阻断电感器。
此外，电力和数据通信系统300通过如下方式来实现电力线路上的数据传输：将系统200的DC-DC升压电压调节器230替换为降压-升压电压调节器并控制降压-升压电压调节器来生成利用传输到客户端的数据信号而被调制的经调节的输出电压。关于从客户端侧到主机侧的数据传输，电力和数据通信系统300可以包括具有电流感测放大器的感测电阻器，以检测由客户端侧在电源线路上实现的电流调制。尽管在本文中使用降压-升压电压调节器来举例说明功率和数据传输概念，但是应理解，其他类型的电压调节器、开关模式电源(SMPS)、DC-DC电源转换器、电荷泵等也可以被配置为执行电力和数据传输操作。
更具体地，电力和数据通信系统300包括主机侧降压-升压电压调节器310、耦合在电压调节器310的输出处的正和负电源线路340+和340-两端的电容器CREG、微控制器单元(MCU)320、感测电阻器RSENSE和电流感测放大器330。MCU 320选择性地生成数据或电压调制信号，用于控制降压-升压电压调节器310以生成利用该数据或电压调制信号而被调制或变化的经调节的输出电压VO。由于降压-升压电压调节器310可以被操作在降压模式下以通过对电容器CREG放电来主动降低输出电压VO，并且可以被操作在升压模式下以通过对电容器CREG充电来主动增加输出电压VO，所以降压-升压模式电压调节器310能够抵抗在客户端侧的负载电容器CLOAD和电容器CREG的AC去耦效应，从而以足够的数据速率上下移动输出电压VO，以实现经由电力线路340+/340-的数据传输。因此，降压-升压电压调节器310能够经由由MCU 320生成的数据或电压调制信号向客户端侧发送数据。
如图3中所描绘的，对经调节的输出电压VO的数据调制可以是正调制或负调制或它们的组合。在正调制方案中，经调节的输出电压VO根据要被传输的数据而在正常电压电平Vnorm和较高经调制电压电平Vmod之间变化。正常电压电平Vnorm是客户端侧上的电池充电器为了给对应的电池充电而需要的基本固定的DC电压。因此，当没有数据要被传输到客户端侧时(调节器310没有接收到数据调制信号)，降压-升压电压调节器310的经调节的输出电压VO基本上处于正常电压电平Vnorm。在负调制方案中，经调节的输出电压VO根据要被传输的数据而在正常电压电平Vnorm和较低调制电压电平Vmod之间变化。客户端侧(例如耳塞350)可以包括电路系统(例如，比较器、模数转换器(ADC)等)以检测调节器310的经调节的输出电压VO的正电压或负电压调制，以便从电力线路340+/340中提取数据。
为了实现从客户端侧到主机侧的数据传输，客户端设备或耳塞350可以根据要被传输的数据动态地改变其电源负载，以在电力线路340+和340-上实现电流调制(I-MOD)。沿着负电力线路340-串联连接的感测电阻器RSENSE被配置为将电流调制(I-MOD)转换成对应的电压信号。电流感测放大器330被配置为接收对应的电压信号并产生经放大的电压信号，该经放大的电压信号表示从客户端侧到MCU 320的经电流调制的数据。
因此，由电力和数据通信系统300提供的解决方案几乎不需要对系统100的主机设备110和客户端设备150进行修改。例如，DC-DC升压电压调节器130可以用降压-升压电压调节器310代替。来自MCU 120的数据输出信号可以被提供给降压-升压电压调节器310以调制其经调节的输出电压VO。并且，可以在返回电力线路上提供感测电阻器RSENSE和电流感测放大器330以解调电流调制信号并将数据提供给MCU 120。在客户端设备150上，可以提供电路系统来对降压-升压电压调节器310的经数据调制的经调节输出电压VO解调，并且可以提供其他电路系统来利用数据改变其负载，以便产生电流调制信号以用于将数据传输到主机设备110。
图4图示了根据本公开的另一个方面的示例性降压-升压电压调节器400的示意图，该降压-升压电压调节器400被配置为生成利用数据信号而被调制的经调节的输出电压VO。降压-升压电压调节器400包括四(4)个开关设备M1至M4、调节电感器LREG、误差放大器410和控制器420。降压-升压电压调节器400从电池或电池充电器(例如，系统100和200的+V2)接收输入电压VBATT，并在电阻和电容负载(被表示为与电容器CLOAD并联耦合的电阻器RLOAD)两端生成经调节的输出电压VO。
开关设备Ml和M2中的每一者可以被配置作为p沟道金属氧化物半导体(PMOS)场效应晶体管(FET)或PMOS FET。开关设备M3和M4中的每一者可以被配置作为n沟道金属氧化物半导体(NMOS)FET或NMOS FET。PMOS FET M1包括被耦合到电池或电源的正侧的源极和被配置为接收控制信号S1的栅极。NMOS FET M3包括被耦合到PMOS FET M1的漏极的漏极、被耦合到电池或电源的负侧的源极、以及被配置为接收控制信号S3的栅极。调节电感器LREG的第一端子耦合到PMOS FET M1的漏极(也耦合到NMOS FET M3的漏极)。
NMOS FET M4包括被耦合到调节电感器LREG的第二端子的漏极、被耦合到电池或电源的负侧的源极、以及被配置为接收控制信号S4的栅极。PMOS FET M2包括被耦合到调节电感器LREG的第二端子(也被耦合到NMOS FET M4的漏极)的漏极、被耦合到负载(RLOAD||CLOAD)的正侧的源极和被配置为接收控制信号S2的栅极。负载的负侧耦合到电池或电源的负侧。
误差放大器410包括被配置为接收反馈电压VFB的第一(例如，正)输入，该反馈电压VFB可以利用从主机设备传输到客户端设备的数据信号来调制。误差放大器410还包括被配置为接收基本恒定的参考电压VREF的第二(例如，负)输入。误差放大器410包括输出，该输出被配置为基于反馈电压VFB与参考电压VREF之间的差异来产生误差电压VERR。控制器420被配置为基于误差电压VERR分别生成用于开关设备M1至M4的栅极的控制信号S1至S4。控制信号S1至S4分别控制开关设备M1至M4的开/关(闭合/打开)状态。
如所讨论的，当通过对电容负载CLOAD放电来降低经调节的输出电压VO时，降压-升压电压调节器400可以被操作在降压(连续导通)模式下。在降压模式下，降压-升压电压调节器400降低输出电压VO以维持反馈电压VFB基本上等于参考电压VREF(换言之，维持误差电压VERR基本上为零(0)伏)。如图4中的操作表中所总结的，在降压模式下，控制器420在(电感器LREG的)充电阶段期间生成控制信号S1至S4以接通开关设备M1和M2并断开开关设备M3和M4；并且在(电感器LREG的)放电阶段期间接通开关设备M2和M3并断开开关设备M1和M4。控制器420以高频(例如，2.5兆赫兹(MHz))执行充电阶段与放电阶段之间的切换。在降压模式下，输出电压VO小于输入电压VBATT，并且可以由VO＝D*VBATT给出，其中D是被定义为充电阶段的时间间隔在充电和放电阶段二者的时间间隔内的占空比。
此外，如所讨论的，当通过对电容负载CLOAD充电来增加经调节的输出电压VO时，降压-升压电压调节器400可以被操作在升压(连续导通)模式下。在升压模式下，降压-升压电压调节器400增加输出电压VO以维持反馈电压VFB基本上等于参考电压VREF(换言之，维持误差电压VERR基本上为零(0)伏特)。如图4中的操作表中所总结的，在升压模式下，控制器420在(电感器LREG的)充电阶段期间生成控制信号S1至S4以接通开关设备M1和M4并断开开关设备M2和M3；在(电感器LREG的)放电阶段期间接通开关设备M1至M2并断开开关设备M3至M4。在电感器“放电”周期期间，仅通过M1和M2维持供电电路，来自电感器LREG的负载端的正向反-EMF与输入电源串联。类似地，控制器420以高频(例如，2.5MHz)执行充电阶段与放电阶段之间的切换。在升压模式下，输出电压VO大于输入电压VBATT，并且可以由VO＝Vbatt*(1/(1-D))给出，其中D是被定义为充电阶段的时间间隔在充电和放电阶段二者的时间间隔内的阶段的占空比。
因此，参考图3中的正调制时序图，当没有数据传输到客户端设备时，控制器420连同误差放大器410经由控制信号S1至S4操作开关设备M1至M4，以将输出电压VO调节为基本上处于Vnorm(例如，名义上在升压和降压模式之间切换)。如所讨论的，Vnorm是电池充电器对客户端设备上的电池充电所需的电压(即，向客户端设备供电的电压)。当要向客户端设备提供数据时，控制器420连同误差放大器410经由控制信号S1至S4操作开关设备M1至M4，以在高逻辑数据电平被传输的情况下积极地操作在升压模式下来将输出电压VO增加到Vmod，并且在低逻辑数据电平被传输的情况下积极地操作在降压模式下来将输出电压VO降低到Vnorm。
类似地，参考图3中的负调制时序图，当没有数据被传输到客户端设备时，控制器420连同误差放大器410经由控制信号S1至S4操作开关设备M1至M4，以将输出电压VO调节为基本上处于Vnorm(例如，名义上在升压和降压模式之间切换)。同样，Vnorm是电池充电器对客户端设备上的电池充电所需的电压(即，向客户端设备供电的电压)。当要向客户端设备提供数据时，控制器420连同误差放大器410经由控制信号S1至S4操作开关设备M1至M4，以在低逻辑数据电平被传输的情况下积极地操作在降压模式下来将输出电压VO降低到Vmod，并且在高逻辑数据电平被传输的情况下积极地操作在升压模式下来将输出电压VO增加到Vnorm。
图5图示了根据本公开的另一方面的被配置为生成利用数据信号而被调制的经调节的输出电压VO的示例性电力和数据通信装置500的示意图。电力和数据通信装置500可以是如何操作“现售的”降压-升压电压调节器以产生经调节的输出电压的示例性的更详细实现，该经调节的输出电压包括客户端设备用于电力目的(例如，给电池充电)所需的DC电压电平并利用针对数据到客户端设备的传输的数据信号来调制。
更具体地，电力和数据通信装置500包括降压-升压电压调节器510，降压-升压电压调节器510可以是“现售的”集成电路(IC)或专门设计用于该特定应用的IC。降压-升压电压调节器IC 510包括一组引脚1至6。调节电感器LREG的两端分别耦合到IC 510的引脚1和4。IC 510的引脚2被配置为接收输入电压VIN，诸如电池或充电器电压(例如，系统100和200的+V2)。IC 510的引脚3被配置为接收模式信号，该模式信号指示降压-升压电压调节器510被操作在脉冲频率调制(PFM)模式还是脉冲宽度调制(PWM)模式下。降压-升压电压调节器510在数据被传输到客户端设备时可以被操作在PWM模式下以获得最佳瞬态性能，并且在没有数据(仅电力)被传输到客户端设备时可以被操作在PFM模式下以获得最佳功率效率。IC510的引脚5是降压-升压电压调节器510的输出，在此生成经调节的输出电压VO。并且，IC510的引脚6被配置为接收反馈电压VFB，该反馈电压VFB可以由反馈网络520通过对输出电压VO进行分压而生成。
反馈网络520包括被串联耦合在降压-升压电压调节器510的输出(引脚5)和接地之间的电阻器R1、R2和R5。在电阻器R1和R2之间的节点处生成反馈电压VFB，并将其提供给IC510的引脚6。根据制造商对调节器510的可能要求，电容器C2可以耦合在IC 510的引脚6和接地之间以降低反馈电压VFB中的噪声并稳定反馈电压VFB。反馈网络520还包括耦合在降压-升压电压调节器510的输出(引脚5)和微控制器单元(MCU)530的引脚之间的电阻器R3。另外，反馈网络520包括耦合在电阻器R2和R5之间的节点与MCU 530的引脚之间的电阻器R4。电容器C1耦合在降压-升压电压调节器510的输出(引脚5)和接地之间，并用作电压调节器输出电容器以用于在切换期间维持输出电压VO。
经由其耦合到反馈网络520的引脚，MCU 530影响或配置反馈网络520以利用数据调制降压-升压电压调节器510的输出电压VO。该操作将参考负调制进行讨论，其中所生成的最高输出电压VO是客户端设备出于电力目的(例如，为电池充电)所需的正常电压电平Vnorm。当没有数据被传输到客户端设备时，降压-升压电压调节器510将输出电压VO调节为基本上处于Vnorm。当MCU 530影响或配置反馈网络520以利用数据调制输出电压VO时，如果高逻辑电压电平是期望的，则MCU 530可以使降压-升压电压调节器510将输出电压VO设置为Vnorm，并且如果逻辑电压电平是期望的，则将输出电压VO设置为Vmod，并且如果特殊操作是期望的(例如，发起或唤醒客户端设备)，则将输出电压VO设置为低于Vmod的电压(例如，sub-Vmod)。因此，降压-升压电压调节器510根据数据在Vnorm、Vmod和sub-Vmod之间改变输出电压VO。以下提供反馈网络520的配置的描述以实现三个不同的输出电压电平。
图6A图示了反馈网络520当被配置为产生最高输出电压VO(例如，处于Vnorm)时的示意图。在此配置中，MCU 530将其引脚配置为向反馈网络520呈现接地电位。此外，MCU引脚处的接地电位使电流IDATA从R2和R5之间的节点通过电阻器R4流入MCU引脚，另外附带电流IR3从输出(引脚5)通过电阻器R3流入MCU引脚。还存在通过电阻器R5流向接地的反馈电流IFB。因此，流过电阻器R1的电流是反馈电流IFB和IDATA之和。由于降压-升压电压调节器510调节输出电压VO以维持反馈电压VFB基本上等于内部参考电压VREF，所以输出电压VO可以由以下等式给出：
VO＝R1*(IFB+IDATA)+VFB 等式1
如所讨论的，在负调制中，等式1被用来确定Vnorm的输出电压VO的电平。
图6B图示了反馈网络520当被配置为产生较低输出电压VO(例如，在Vmod)时的示意图。在此配置中，MCU 530将其引脚置于三态以向反馈网络520呈现相对较高的阻抗或浮置引脚。浮置MCU引脚使电流IDATA从降压-升压电压调节器510的输出(引脚5)经由电阻器R3和R4流入R2和R5之间的节点。正如所讨论的，存在通过电阻器R5流向接地的反馈电流IFB。因此，流过电阻器R1的电流是反馈电流IFB和IDATA之差。由于降压-升压电压调节器510调节输出电压VO以维持反馈电压VFB基本上等于内部参考电压VREF，所以输出电压VO可以由以下等式给出：
VO＝R1*(IFB-IDATA)+VFB 等式2
比较等式2与等式1，可以看出，Vmod配置中的输出电压VO小于Vnorm配置中的输出电压VO，因为输出电压VO在等式2中是电流IFB与IDATA之差的函数，而在等式1中是电流IFB与IDATA之和的函数。
图6C图示了反馈网络520当被配置为产生最低输出电压VO(例如，在sub-Vmod)时的示意图。在此配置中，MCU 530将其引脚设置为高电压+V，例如高于电阻器R2和R5之间的节点处的电压。除了流过电阻器R3的电流IDATA1之外，MCU引脚处的高电压使另一电流IDATA2流入R2和R5之间的节点。正如所讨论的，存在通过电阻器R5流向接地的反馈电流IFB。因此，流过电阻器R1的电流是反馈电流IFB与电流IDATA1和IDATA2的总和之间的差。由于降压-升压电压调节器510调节输出电压VO以维持反馈电压VFB基本上等于内部参考电压VREF，所以输出电压VO可以由以下等式给出：
VO＝R1*(IFB–(IDATA1+IDATA2))+VFB 等式3
比较等式3与等式2，可以看出，sub-Vmod配置中的输出电压VO小于Vmod配置中的输出电压VO，因为输出电压VO在等式3中是电流IFB与电流IDATA1和IDATA2的总和之间的差的函数，而在等式2中是电流IFB与IDATA之差的函数。
本文描述的示例性实现的特征在于电阻器反馈网络简单地根据微控制器调制升压-降压电压调节器。然而，如果所选电压调节器提供这种机制，则可以替代地调制电压调节器的参考电压。
图7A图示了根据本公开的另一方面的另一个示例性电力和数据通信装置700的示意图。在电力和数据通信装置500中，MCU 530经由单个引脚向反馈网络520施加三个(3个)不同的输入(例如，GND、浮置和+V)，以使电压调节器510针对三个输出电压VO生成不同电压电平。在电力和数据通信装置700中，MCU包括多于一个的引脚(例如，两个引脚)，MCU可以通过引脚向反馈网络施加不同的输入。这导致MCU使电压调节器针对输出电压VO生成多于(3个)的电压电平，如本文更详细讨论的。
更具体地，电力和数据通信装置700包括与先前讨论的降压-升压电压调节器510类似的降压-升压电压调节器705(例如，包括：可以耦合电感器LREG的引脚1和4；用于接收输入电压VIN的引脚2；被配置为接收指示脉冲频率调制(PFM)模式或脉宽调制(PWM)模式的模式信号的引脚3；其处降压-升压电压调节器705生成输出电压VO的引脚5；以及用于经由反馈网络710接收与输出电压VO相关的反馈电压VFB的引脚6)。
反馈网络710又包括被串联耦合在降压-升压电压调节器705的输出(引脚5)和接地之间的电阻器R1、R2和R5。第一电容器C1也耦合在降压-升压电压调节器705的输出(引脚5)和接地之间。降压-升压电压调节器705的引脚6耦合到电阻器R1和R2之间的节点。第二电容器C2耦合在引脚6和接地之间。反馈网络710还包括被耦合在降压-升压电压调节器705的输出(引脚5)和MCU 715的第一引脚A之间的电阻器R3。类似地，反馈网络710包括被耦合在电阻器R2和R5之间的节点与MCU 715的第一引脚A之间的电阻器R4。另外，反馈网络710包括被耦合在MCU 715的第一引脚A和第二引脚B之间的电阻器R6。
通过使两个引脚A和B耦合到反馈网络710，MCU 715能够在反馈电压VFB和输出电压VO之间生成不同的关系，例如，针对输出电压VO可以实现多于三个(3个)的电压电平。在图7A中还描绘的真值表示出了可以通过MCU 715将接地、浮置和电压(VA或VB)的不同组合应用到引脚A和B上而实现的针对输出电压VO的九个(9个)不同的电压电平VO1到VO9。
图7B图示了根据本公开的另一方面的另一个示例性电力和数据通信装置720的示意图。电力和数据通信装置720是电力和数据通信装置700的替代实现，具有用于反馈网络的不同配置。特别地，电力和数据通信装置720包括与先前讨论的降压-升压电压调节器705类似的降压-升压电压调节器725。
电力和数据通信装置720还包括反馈网络730，反馈网络730包括被串联耦合在降压-升压电压调节器725的输出(引脚5)和接地之间的电阻器R1、R2和R5。第一电容器C1也耦合在降压-升压电压调节器725的输出(引脚5)和接地之间。降压-升压电压调节器725的引脚6耦合到电阻器R1和R2之间的节点。第二电容器C2耦合在引脚6和接地之间。
反馈网络730包括电阻器R3，电阻器R3与电阻器R4串联耦合在降压-升压电压调节器725的输出(引脚5)与电阻器R2和R5之间的节点之间。MCU 735的第一引脚A耦合到电阻器R3和R4之间的节点。反馈网络730还包括电阻器R6，电阻器R6耦合在电阻器R2和R5之间的节点与MCU 735的第二引脚B之间。通过具有经由其而耦合到反馈网络730的两个引脚A和B，MCU 735能够在反馈电压VFB和输出电压VO之间生成不同的关系，使得例如针对输出电压VO可以实现多于三个(3个)的电压电平。在图7A中描绘的真值表还可以适用于电力和数据通信装置720。
图7C图示了根据本公开的另一方面的另一个示例性电力和数据通信装置740的示意图。电力和数据通信装置740是电力和数据通信装置700或720的替代实现，具有用于反馈网络的不同配置。特别地，电力和数据通信装置740包括与先前讨论的降压-升压电压调节器705或725类似的降压-升压电压调节器745。
电力和数据通信装置740还包括反馈网络750，反馈网络750包括被串联耦合在降压-升压电压调节器745的输出(引脚5)和接地之间的电阻器R1、R2和R5。第一电容器C1也耦合在降压-升压电压调节器745的输出(引脚5)和接地之间。降压-升压电压调节器745的引脚6耦合到电阻器R1和R2之间的节点。第二电容器C2耦合在引脚6和接地之间。
反馈网络750还包括电阻器R3，电阻器R3与电阻器R4串联耦合在降压-升压电压调节器745的输出(引脚5)与电阻器R2和R5之间的节点之间。MCU 755的第一引脚A耦合到电阻器R3和R4之间的节点。反馈网络750还包括电阻器R6，电阻器R6与电阻器R7串联耦合在降压-升压电压调节器745的输出(引脚5)与电阻器R2和R5之间的节点之间。MCU 755的第二引脚B耦合到电阻器R6和R7之间的节点。通过具有经由其而耦合到反馈网络750的两个引脚A和B，MCU 755能够在反馈电压VFB和输出电压VO之间生成不同的关系，例如，针对输出电压VO可以实现多于三个(3个)的电压电平。在图7A中描绘的真值表还可以适用于电力和数据通信装置740。
图8图示了根据本公开的另一方面的生成输出电压的示例性方法800的流程图。方法800包括选择性地生成数据调制信号(框810)。用于选择性地生成数据调制信号的部件的示例包括本文描述的任何微控制器单元(MCU)。方法800还包括基于数据调制信号对输出电压进行降压和升压(块820)。用于基于数据调制信号对输出电压进行降压和升压的部件的示例包括本文描述的任何降压-升压电压调节器，或能够支持根据本文描述的方法和变型生成经数据调制供应的其他可能的电压调节器。
方法800还包括使用输出电压对音频设备中的电池充电(框830)。用于使用输出电压对音频设备中的电池充电的部件的示例包括本文所述的任何降压-升压电压调节器与音频设备中的电池(诸如本文所述的耳塞)之间的电连接。此外，方法800包括使用输出电压与音频设备进行数据通信(框840)。用于使用输出电压与音频设备进行数据通信的部件的示例包括本文所述的任何降压-升压电压调节器与音频设备(诸如本文所述的耳塞)中的处理器(例如，MCU)之间的电连接。
提供本公开的前述描述以使本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域的技术人员来说，对本公开的各种修改将是显而易见的，并且在不背离本公开的精神或范围的情况下，本文所定义的一般原理可以被应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文描述的示例，而是要被赋予与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (34)

1.一种装置，包括：
电池充电器，被配置为对音频设备中的电池充电并且与所述音频设备进行数据通信，其中所述电池充电器包括：
微控制器单元(MCU)，被配置为选择性地生成数据调制信号；以及
电压调节器，被配置为生成基于所述数据调制信号而被调制的输出电压，其中所述输出电压被用来对所述电池充电并且与所述音频设备进行数据通信。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压调节器包括降压-升压电压调节器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压调节器被配置为：在没有从所述MCU接收到所述数据调制信号时，生成处于第一电压电平的所述输出电压。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述电压调节器被配置为：基于所述数据调制信号，在所述第一电压电平和第二电压电平之间改变所述输出电压。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第二电压电平高于所述第一电压电平。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述第二电压电平低于所述第一电压电平。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述电压调节器被配置为：基于所述数据调制信号，将所述输出电压设置为第三电压电平。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一电压电平高于所述第二电压电平，并且所述第二电压电平高于所述第三电压电平。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括反馈网络，所述反馈网络包括第一电阻器，所述第一电阻器在所述电压调节器的输出和接地之间与第二电阻器串联耦合，其中所述反馈网络被配置为在所述第一电阻器和所述第二电阻器之间的节点处生成反馈电压，其中所述电压调节器被配置为生成所述输出电压以维持所述反馈电压基本上等于参考电压。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述MCU被配置为：基于所述数据调制信号，改变通过所述第一电阻器的电流。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述MCU被配置为：基于所述数据调制信号，在至少两个不同的电流电平之间改变所述电流，以使所述电压调节器分别在两个不同的电压电平之间改变所述输出电压。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述MCU被配置为：基于所述数据调制信号，在至少三个不同的电流电平之间改变所述电流，以使所述电压调节器分别在三个不同的电压电平之间改变所述输出电压。
13.根据权利要求9所述的装置，其中所述反馈网络还包括：
第三电阻器，被耦合在所述第二电阻器和接地之间；
第四电阻器，被耦合在所述电压调节器的所述输出与所述MCU的引脚之间；以及
第五电阻器，被耦合在所述第二电阻器和所述第三电阻器之间的节点与所述MCU的所述引脚之间。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述MCU被配置为：将所述引脚接地，以使所述电压调节器生成处于一电压电平的所述输出电压。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述MCU被配置为：使所述引脚浮置，以使所述电压调节器生成处于一电压电平的所述输出电压。
16.根据权利要求13所述的装置，其中所述MCU被配置为：将所述引脚设置为处于第一电压电平，以使所述电压调节器生成处于第二电压电平的所述输出电压。
17.根据权利要求1所述的装置，还包括反馈网络，所述反馈网络被耦合到所述电压调节器的输出、所述电压调节器的反馈输入以及所述MCU的一组引脚。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述MCU被配置为改变由所述电压调节器生成的所述输出电压，改变由所述电压调节器生成的所述输出电压包括：将不同的输入施加到所述一组引脚。
19.一种用于生成输出电压的方法，包括：
选择性地生成数据调制信号；
基于所述数据调制信号，对所述输出电压进行降压和升压；
使用所述输出电压，对音频设备中的电池充电；以及
使用所述输出电压，与所述音频设备进行数据通信。
20.根据权利要求19所述的方法，其中对所述输出电压进行降压和升压包括：在所述数据调制信号未被生成时，将所述输出电压调节为处于第一电压电平。
21.根据权利要求20所述的方法，其中对所述输出电压进行降压和升压包括：基于所述数据调制信号，在所述第一电压电平和第二电压电平之间改变所述输出电压。
22.根据权利要求20所述的方法，其中对所述输出电压进行降压和升压包括：基于所述数据调制信号，在所述第一电压电平、第二电压电平和第三电压电平之间改变所述输出电压。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括：通过使用被串联耦合在第一节点与第二节点之间的第一电阻器和第二电阻器对所述输出电压进行分压来生成反馈电压，所述输出电压在所述第一节点处被生成，其中对所述输出电压进行降压和升压包括：维持所述反馈电压基本上等于参考电压。
24.根据权利要求23所述的方法，其中基于所述数据调制信号对所述输出电压进行降压和升压包括：基于所述数据调制信号，改变通过电阻器的电流。
25.一种用于生成输出电压的装置，包括：
用于选择性地生成数据调制信号的部件；
用于基于所述数据调制信号对所述输出电压进行降压和升压的部件；
用于使用所述输出电压对音频设备中的电池充电的部件；以及
用于使用所述输出电压与所述音频设备进行数据通信的部件。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述用于对所述输出电压进行降压和升压的部件包括：用于在所述数据调制信号未被生成时将所述输出电压调节为处于第一电压电平的部件。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述用于对所述输出电压进行降压和升压的部件包括：用于基于所述数据调制信号而在所述第一电压电平和第二电压电平之间改变所述输出电压的部件。
28.根据权利要求26所述的装置，其中所述用于对所述输出电压进行降压和升压的部件包括：用于基于所述数据调制信号而在所述第一电压电平、第二电压电平和第三电压电平之间改变所述输出电压的部件。
29.根据权利要求25所述的装置，还包括：用于通过使用被串联耦合在第一节点和第二节点之间的第一电阻器和第二电阻器对所述输出电压进行划分来生成反馈电压的部件，所述输出电压在所述第一节点处被生成，其中所述用于对所述输出电压进行降压和升压的部件包括：用于维持所述反馈电压基本上等于参考电压的部件。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述用于基于所述数据调制信号对所述输出电压进行降压和升压的部件包括：用于基于所述数据调制信号改变通过所述第一电阻器的电流的部件。
31.一种系统，包括：
充电器，包括：
连接器，被配置为接收外部电力；
第一微控制器单元(MCU)，被配置为选择性地生成第一数据调制信号；以及
电压调节器，被配置为：基于所述外部电力和所述第一数据调制信号，生成输出电压；
音频设备，包括：
电池，被配置为基于所述输出电压而被充电；以及
第二MCU，被配置为：基于所述输出电压，提取第一组数据。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述电压调节器包括降压-升压电压调节器。
33.根据权利要求31所述的系统，其中所述第二MCU被配置为：基于第二数据调制信号，调制被耦合到所述电压调节器的负载。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述充电器包括：
感测电阻器，被耦合到所述负载；以及
电流感测放大器，被耦合到所述感测电阻器，其中所述第一MCU被耦合到所述电流感测放大器。
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