CN1728046A - 通用串行总线的电流限制 - Google Patents
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Abstract
一种负载装置，包括：与通用串行总线连接的接口；连接到该通用串行总线接口用于供给负载装置的电子电路电源的系统总线；连接到该通用串行总线接口的外围设备总线；连接到该通用串行总线接口和外围设备总线用于给外围设备总线提供电源的有源开关。该外围设备总线包括内部电容，该有源开关具有用于控制该有源开关的操作间隔的开关输入。该负载装置还包括连接到该有源开关的开关控制器。该开关控制器构造成通过提供脉冲序列给该开关输入来调节由该内部电容引出的浪涌电流。对该脉冲序列预先设定以便保持系统总线的瞬时电压高于预定的下限。
Description
技术领域
这里描述的发明涉及一种用于连接负载与电源的机构。特别是，这里描述的发明涉及在负载的暂时负载电流需求将要超出电源的电流源容量的情况下由限流的电源供电负载的方法和装置。
背景技术
通用串行总线(USB)标准在传统的串行总线标准的基础上发展，部分原因是由于USB电缆可以给外围设备提供电源的事实。因此，外围设备制造商可以提供新的外围设备，其本身不需要单独的电源适配器。
USB标准对外围设备可以从VBUS引出的最大可允许电流施加了限制。根据USB标准，对于低功率总线供电的装置，连接到VBUS的装置必须将引出的电流限制到100mA，对于高功率总线供电装置，必须将引出的电流限制到500mA。这种限制防止了具有过度负载电流要求的外围设备损害USB连接。
只有在对外围设备的内部电容进行充电所需的暂时周期，外围设备可引起过度负载电流(“浪涌电流”)。此后，由外围设备引起的电流将会在最大允许限制内。然而，暂时周期将大于USB标准允许的周期。因此，可以利用USB标准的电源容量的外围设备的数量将受到限制，。
因此，需要一种由限流电源激励负载的机构，其中负载的暂时负载电流需求超过电源的电流源容量。而且，需要用于激励外围设备的改进的机构，其中外围设备具有由USB连接引起的大的浪涌电流。
发明内容
根据这里描述的本发明的一个方面，提供一种负载装置，其包括连接到通用串行总线的接口，与通用串行总线接口连接、用于激励负载装置电子电路的系统总线，连接到通用串行总线的外围设备总线，以及连接到通用串行总线接口和外围设备总线、用于对外围设备总线提供电源的有源开关。外围设备总线包括内部电容，以及有源开关具有用于控制该有源开关的操作间隔的开关输入。负载装置还包括连接到有源开关的开关控制器。开关控制器构造成通过提供脉冲序列给开关输入而调节由内部电容引起的浪涌电流。预先设定脉冲序列以便保持系统总线的瞬时电压高于预定的下限。
根据这里描述的本发明的另一方面，在负载中包括，连接到通用串行总线的接口，连接到通用串行总线接口用于激励负载电子电路的系统总线，连接到通用串行总线接口且包括内部电容的外围设备总线，以及连接到通用串行总线接口和外围设备总线用于给外围设备总线提供电源的有源开关，该有源开关具有用于控制该有源开关的操作间隔的开关输入，提供一种用于由通用串行总线激励负载的方法，包括，通过提供脉冲序列给开关输入而调节由内部电容引起的浪涌电流。预先设定脉冲序列以便保持系统总线的瞬时电压高于预定的下限。
附图说明
现在，将参考附图，仅以例子的形式描述本发明，其中：
图1是根据这里描述的本发明的手持式计算装置的前俯视图；
图2是描述手持式计算装置的功能元件的示意图
图3是包括电源管理子系统的电路的示意图，以及
图4是电源管理子系统的系统电源总线和外围设备电源总线的电容的充电波形图表。
具体实施方式
现在参考图1，在这里示出了根据本发明的一个方面提供的手持式计算装置，通常表示为100。手持式计算装置100包括显示器122，功能键146和设置于普通壳体中的系统母板(未示出)。显示器122是独立的外围设备，其连接到系统母板且从系统母板接收电源。在一个实施例中，显示器122包括反射或半反射半投射式(transreflective)LCD显示器。可替换地，在另一个实施例中，显示器122包括透射的LCD显示器。虽然在正常操作过程中这些类型的显示器122不会引起显著的电能，但是当这些类型的显示器122被上电时，由它们引起的浪涌电流将变得显著。
功能键146作为手持式计算装置100的通电/断电开关，且也可以作为显示器122的背光键。
除了显示器122和功能键146，手持式计算装置100包括用于将数据输入到数据处理装置的用户数据输入装置。如图所示，优选的用户数据输入装置包括键盘132，指轮148和换码键160。
典型地，手持式计算装置100是至少具有语音和数据通信功能的双向无线通信装置。而且，优选地手持式计算装置100具有与互联网上的其它计算机系统通信的能力。根据提供的精确功能，例如，无线手持式计算装置100可以是数据消息传送装置，双向寻呼机，无线e-mail装置，具有数据消息传送功能的便携式电话，无线互联网设备，或数据通信装置。
图2示出了手持式计算装置100的功能元件。这里使手持式计算装置100可用于双向通信，其将包括通信子系统111，该通信子系统既包括接收器112又包括发送器114，以及诸如一个或多个优选是嵌入式或内置式天线元件116和118的配件，本机振荡器(LOs)113，以及诸如数字信号处理器(DSP)120的处理模块。如通信领域的技术人员所清楚的，通信子系统111的特殊设计将根据该装置所运行的通信网络而定。例如，手持式计算装置100可以包括设计成在MobitexTM移动通信系统，DataTACTM移动通信系统，GPRS网络，UMTS网路，EDGE网络或CDMA网络中运行的通信子系统111。
网络访问要求也将根据网络119的类型而变化。例如，在Mobitex和DataTAC网络中，手持式计算装置100使用与每一个手持式计算装置相关的唯一标识号在网络中注册。然而，在UMTS和GPRS网络中，以及在一些CDMA网络中，网络访问与手持式计算装置100的订户订户或使用者有关。因此为了在GPRS网络中运行，GPRS手持式计算装置需要订户标识模块(SIM)卡，为了在一些CDMA网络中运行，需要RUIM。没有有效的SIM/RUIM卡，GPRS/UMTS/CDMA手持式计算装置将不会完全地工作。本地或非网络通信功能，以及诸如“911”的紧急呼叫的法定需要功能(如果需要)将是可行的，但是手持式计算装置100将不能执行包括在网络中通信的任何其它功能。SIM/RUIM接口144通常与卡槽类似，类似于磁盘或PCMCIA卡，SIM/RUIM卡可以插入或弹出该卡槽中。SIM/RUIM卡可以具有大约64K的存储容量且具有许多关键配置(key configuration)151，以及诸如身份识别的其它信息153和与订户相关的信息。
当需要的网络注册或激活方法已经完成，手持式计算装置100将通过网络119发送和接收通信信号。通过通讯网络119由天线116接收的信号输入到接收器112，该接收器执行如信号放大，频率下降转换，滤波，信道选择等类似的这种普通接收器功能，以及在图2中示出的示例性系统中的模拟到数字(A/D)转换。接收到的信号的A/D转换允许在DSP120中执行诸如解调和解码的更复杂的通信功能。为了数模转换、频率升高转换、滤波、放大和通过天线118在网络119中传输，以类似的方式处理将被传输的信号并且输入到发送器114，包括例如由DSP120进行调制和编码。DSP120不仅处理通信信号，而且提供接收器和发送器控制。例如，在接收器112和发送器114中施加到通信信号的增益将通过DSP120中执行的自动增益控制算法被适应性地控制。
手持式计算装置100优选包括微处理机138，其控制装置的整个运行。通过通信子系统111执行通信功能，至少包括数据和语音通信。微处理机138还进一步与诸如显示器122，闪存124，随机存储器(RAM)126，辅助输入/输出(I/O)子系统128，串行口130，键盘132，扬声器134，麦克风136，短距离通信子系统140和其它任何通常标记为142的装置子系统相互作用。
图2中示出一些子系统执行与通信相关的功能，而其它子系统可提供“常驻(resident)”或装置附属(on-device)功能。例如诸如键盘132和显示器122的一些子系统既可以用于与通信相关的功能，诸如用于在通信网络中传输而输入文本信息，也可以执行诸如计算器和任务表的装置一常用功能。
另一种这种子系统包括电源管理子系统142，其执行用于手持式计算装置100的电源处理功能。电源处理子系统142将在下面详细描述。
微处理机138使用的操作系统软件优选地存储在诸如闪存124的永久存储器中，其可以替换为只读存储器(ROM)或类似存储元件(未示出)。本领域的技术人员将会理解，操作系统，特殊装置应用程序，或其部分将被临时下载在诸如RAM126的易失存储器中。接收到的通信信号也将被存储在RAM126中。
如图所示，闪存124可以被分割成用于计算机程序158和程序数据存储区150，152，154和156的不同区域。这些不同的存储区域表示每一个程序可以分配一部分闪存124，用于它们自己的数据存储需求。除了其操作系统功能，优选地微处理器138使在手持式计算装置中执行软件应用程序成为可能。控制基本操作的预定组的应用程序通常在制造过程中被安装在手持式计算装置100上。
例如，一组基本软件应用程序将执行数据和/或语音通信功能。另一组基本基本软件应用程序包括计算机处理指令，当从闪存124和/或RAM126访问和由微处理器138执行时，该指令限定开关控制器102。开关控制器102与后述的电源处理子系统142相互作用且执行电源管理功能。开关控制102将在下面详细描述。
优选的软件应用程序可以是具有组织和管理与手持式计算机的订户相关的数据项目功能的个人信息管理(PIM)应用程序，例如，但是并不局限于e-mail，日历事件，语音邮件，预约和任务项目。当然，在手持式计算装置上可以使用一个或多个存储区从而方便PIM数据项目的存储。这种PIM应用程序优选地具有通过无线网络119发送和接收数据项目的功能。在优选实施例中，通过无线网络119，利用订户的对应于与主计算机系统有关或存储的数据项目，PIM数据项目被无缝地结合、同步和更新。进一步的应用程序也可以通过网络119，辅助I/O子系统128，串行口130，短范围通信子系统140或任何其他适合的子系统142下载到手持式计算装置100上，并且为了由微处理器138执行而由订户安装到RAM126中或优选地安装到非易失性存储器(未示出)中。这种应用程序安装的灵活性增加了装置的功能性，并且可以提供提高的装置附属功能，与通信相关的功能，或者两者都有。例如，安全通信应用程序可以使得利用手持式计算装置100执行电子商务功能和其它这种金融交易成为可能。
在数据通信模式中，诸如文本信息或下载的网页这种接收到的信号将由通信子系统111处理并被输入到微处理器138，其优选地进一步处理用于输出到显示器122或可替换地输出到辅助I/O装置128的接收到的信号。手持式计算装置100的订户也可以例如使用键盘132，结合显示器122和可能的辅助I/O设备128编辑诸如email信息的数据项目，其中键盘优选地是完全的字母数字混合型键盘或电话型小键盘。然后这样编辑的项可以经由通信网络通过通信子系统111传输。
对于语音通信，除了接收到的信号将被优选地输出到扬声器134和用于传输的信号将由麦克风136产生外，手持式计算装置100的整个操作类似。可替换的语音或音频I/O子系统，如语音信息记录子系统，也可以在手持式计算装置100上实现。虽然语音或音频信号输出优选地最初通过扬声器134完成，但是显示器122也可以用于提供例如呼叫方识别，语音呼叫的持续时间，或其它相关信息的指示。
图2中的串行口130通常将在个人数字助理(PDA)型手持式计算装置中出现，该手持式计算装置需要与订户的桌上型计算机(未示出)同步。串行口130使订户可以通过外部设备或软件应用程序设置首选项，并且通过提供信息或下载到手持式计算装置100的软件而不是通过无线通信网络来扩展手持式计算装置100的功能。
优选地，串行口130包括通过USB电缆与桌上型计算机连接的通用串行总线(USB)端口。由于串行口130允许桌上型计算机通过电源管理子系统142提供电源给手持式计算装置100，而不需要单独的电源，所以作为USB接口的串行口130的结构是有利的。
例如短范围通信子系统的其它的通信子系统140是进一步可选择的部件，其可以在手持式计算装置100和不同的系统或装置之间提供通信，该不同的系统或装置不必是相似的装置。例如，子系统140可以包括红外线装置和相关的电路和部件或BluetoothTM通信模块以便用相似的启动系统和装置提供通信。
图3表示后述的电源(power)管理子系统142。如图所示，电源管理子系统142包括系统电源总线300，外围设备电源总线302，和与系统电源总线300和外围设备功率总线302连接的有源开关304。系统电源总线300将电源提供给微处理器138，闪存124，RAM126，辅助输入/输出(I/O)子系统128，通信子系统140和装置子系统142(包括电源管理子系统142)。系统电源总线300与USB接口130的电源通道连接，并且通过连接在桌上型计算机和USB口130之间的USB电缆接收来自桌上型计算机的电源。系统电源总线300包括大的系统电源总线电容器306，其减少从USB口130提供给系统电源总线300的电压中的谐波。
如图所示，外围设备电源总线302提供电源给LCD显示器122。LCD显示器122包括大的外围设备电源总线电容器308a，308b，其减少通过外围设备电源总线302提供给LCD显示器122的电压中的谐波。可替换地，外围设备电源总线电容器308可以直接在外围设备电源总线302上提供。在任一种情况下，外围设备电源总线电容器308在外围设备电源总线302上产生大的电容性负载，当LCD显示器122被上电时，外围设备电源总线302上的电容性负载将会引出大的浪涌电流。
有源开关304电气串联设置在系统电源总线300和外围设备电源总线302之间，且将电源从系统电源总线300提供给外围设备总线302。典型地，LCD显示器122需要的电压大于系统总线电压。因此，优选地有源开关304作为电压放大器，其给LCD显示器122提供正确的工作电压。优选地，有源开关304包括LT3200-5电荷泵，然而也可以使用其它类型的有源开关。
开关控制器102连接到有源开关304的栅极输入，并控制有源开关304的运行。开关控制器102构造成调节通过有源开关304由外围设备电源总线电容器308引出的浪涌电流。
现在将描述开关控制器102的操作方法。最初，手持式计算设备100的使用者连接桌上型计算机和手持式计算装置100上USB口130之间的USB电缆。然后，订户按下手持式计算装置100上的通电/断电键146，由此给开关控制器102发信号以便开始给显示器122加电。
如上所述，USB标准将由低电源总线激励装置从USB电缆引出的最大电流限制在100mA(虽然USB电缆的源极端可以源有更大的电流)。然而，一般地，最初由外围设备电源总线电容器308引出的电流将大大超出该限制，至少直到外围设备电源总线电容器308开始充电时。由于USB标准需要手持式计算装置100将引出的电流限制到100mA，通常这对于从USB电缆对手持式计算装置100加电是不可能的。
为了克服该问题，开关控制器102通过提供周期栅极信号给有源开关204的栅极输入来脉冲宽度调制有源开关304，这使得有源开关304周期性地打开和关闭。因此，有源开关304仅引出来自系统电源总线300的电流的短脉冲。同时，有源开关304通过将对应系列的短电流脉冲提供给外围设备电源总线302，对外围设备电源总线电容器308进行缓慢地充电。
对周期性栅极信号的脉冲宽度进行选择，使得由手持式计算装置100引出的平均电流大致小于此种情况下的电流：即如果有源开关304被持续保持打开则手持式计算装置100将引出的电流。相反地，也对周期性栅极信号的脉冲宽度进行选择使得系统电源总线300的瞬时电压保持在由系统电源总线300供电的硬件元件的适当操作所需要的最小电压等级之上。
开关控制器102继续提供周期性栅极信号给有源开关304直到外围设备总线电容器308大致充满电。其后，开关控制器102保持有源开关304完全打开。
由于LCD显示器122的负载特性是公知的，外围设备电源总线电容器308达到充满电所需要的最大时间可以预先决定。因此，开关控制器102继续提供周期性栅极信号给有源开关304预定的最大时间周期，该预定的最大时间周期是外围设备电源总线电容器308开始大致充满电所需要的时间周期。
图4示出了系统电源总线电容器306和外围设备电源总线电容器308的充电波形。如图所示，在时间间隔T1过程中，有源开关304关闭，这使得系统电源总线电容器306充电。然后开关控制器102使有源开关304打开时间间隔T2，这使得外围设备电源总线电容器308充电，且使系统电源总线电容器306放电。时间间隔T2的持续时间是这样的，使得系统电源总线300的瞬时电压不会下降到最小系统电压之下。
在时间间隔T3期间，开关控制器102使有源开关304关闭，这使得系统电源总线电容器306充电且使外围设备电源总线电容器308放电。时间间隔T3的持续时间是这样的，使得在间隔T3的末端处外围设备总线302的瞬时电压大于间隔T2开始时的外围设备总线302的瞬时电压。开关控制器102重复由充电间隔T2，T3表示的充电阶段直到外围设备电源总线电容器308开始大致充满电。
本发明由这里提出的权利要求限定，且上述描述仅仅是本发明优选实施例的示例性的描述。如提交的权利要求所限定的，本领域的普通技术人员可以设想对于前述实施例的某些修改而不会超出本发明的范围，虽然这些修改没有在这里明白地讨论。
Claims (11)
1、一种负载装置，包括：
与通用串行总线连接的接口；
连接到通用串行总线接口用于给该负载装置的电子电路供电的系统总线；
连接到通用串行总线接口且包括内部电容的外围设备总线；
连接到该通用串行总线接口和外围设备总线用于给外围设备总线提供电源的有源开关，该有源开关具有用于控制该有源开关的操作间隔的开关输入；以及
连接到该有源开关的开关控制器，该开关控制器构造成通过提供脉冲序列给该开关输入来调节由该内部电容引出的浪涌电流，对该脉冲序列预先设定以便保持系统总线上的瞬时电压高于预定的下限。
2、根据权利要求1的负载装置，其中该有源开关包括电压放大器，由电压放大器提供的电源具有大于系统总线的稳定状态的电压。
3、根据权利要求2的负载装置，其中该脉冲序列限定一序列充/放电周期，该开关控制器构造成在第一周期过程中关闭该有源开关，在第二周期过程中打开该有源开关，在该第一周期的末端，该外围设备总线的瞬时电压具有第一值，在第二周期的末端，该外围设备总线的瞬时电压具有大于该第一值的第二值。
4、根据权利要求3的负载装置，其中该开关控制器构造成循环打开和关闭该有源开关直到该内部电容充电到预定的电压等级。
5、根据权利要求4的负载装置，其中该开关控制器构造成通过脉冲宽度调制该有源开关来循环打开和关闭该有源开关。
6、一种用于从通用串行总线供给负载电源的方法，其中该负载包括与通用串行总线连接的接口；连接到该通用串行总线接口用于供给负载电子电路电源的系统总线；连接到该通用串行总线接口且包括内部电容的外围设备总线；以及连接到该通用串行总线接口和外围设备总线用于给外围设备总线提供电源的有源开关，该有源开关具有用于控制该有源开关的操作间隔的开关输入，该方法包括：通过提供脉冲序列给该开关输入来调节由该内部电容引出的浪涌电流，对该脉冲序列预先设定以便保持该系统总线的瞬时电压高于预定的下限。
7、根据权利要求6的方法，其中该有源开关包括电压放大器，且该调节步骤包括利用该电压放大器提供具有大于该系统总线的稳定状态的电压的电源。
8、根据权利要求7的方法，其中该脉冲序列限定一序列充/放电周期，所述调节步骤包括，该开关控制器构造成在第一周期过程中关闭该有源开关，在第二周期过程中打开该有源开关，在该第一周期的末端，该外围设备总线的瞬时电压具有第一值，在第二周期的末端，该外围设备总线的瞬时电压具有大于该第一值的第二值。
9、根据权利要求8的方法，其中该电压保持步骤包括，循环打开和关闭该有源开关直到该内部电容已经充电到预定的电压等级。
10、根据权利要求9的方法，其中循环打开和关闭该有源开关的步骤包括脉冲宽度调制该有源开关。
11、一种计算机可读媒体，包括用于便携式计算装置处理单元的计算机处理指令，该便携式计算装置包括：与通用串行总线连接的接口；连接到该通用串行总线接口用于供给负载电子电路电源的系统总线；连接到该通用串行总线接口且包括内部电容的外围设备总线；以及连接到该通用串行总线接口和外围设备总线用于给外围设备总线提供电源的有源开关，该有源开关具有用于控制该有源开关的操作间隔的开关输入，该计算机处理指令当由该处理单元执行时使得该便携式计算装置通过提供脉冲序列给该开关输入来调节由该内部电容引出的浪涌电流，对该脉冲序列预先设定以便保持该系统总线的瞬时电压高于预定的下限。
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