CN210007434U - 一种用于Type-C端口的负载开关结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及负载开关技术领域，公开了一种用于Type‑C端口的负载开关结构。包括以下结构：Type‑C电源通过Buck IC连接内部电源，内部电源的输出通路上串联负载开关，Buck IC的输入端并联LDO，将负载开关和LDO集成在一个单颗芯片，LDO为Type‑C PD协议的控制模块供电。该方案架构通过将高压LDO与负载开关集成为单颗集成电路芯片，实现了具有更高的电路板集成度、更低的系统成本、更便捷的Type‑C端口供电控制方案。将传统分立LDO方案中，LDO的一些外围配置器件集成至集成芯片内部，对LDO输出进行预设；当系统方案采用预设配置时，还可减少外围分立电阻电容配置器件的数目及成本。

Description

一种用于Type-C端口的负载开关结构

技术领域

本实用新型涉及负载开关技术领域，特别是一种用于Type-C端口的负载开关结构。

背景技术

在Type-C端口对内供电的应用系统中，一些系统在采用了多节串联电池储能的同时，充电IC采用buck降压结构以达到更低成本的架构设计目的。但此类架构存在以下问题，当电池电量用尽后，系统内部电源全部失效。此时，只能通过外接Type-C电源实现对系统供电启动的同时并对电池充电。基于Type-C相关接口协议，当Type-C电源接入系统时，默认以5V对系统进行供电；若需要输出更高的电压，需要通过Type-C PD协议进行双向沟通握手后，电压才会执行升压至最高达20V的电压输出。

从图1的常规结构中可以看到，当系统在被5V供电时，由于多串联的电池结构，需要更高的电压才能够实现启动充电Buck IC(图1中Buck Charger)对内充电。这样会导致系统进入以下死循环中：输入电压不足以对系统内部电源供电，系统内部电源没电则无法启动Type-C PD协议的控制模块(图中的PD PHY和EC部分)进行协议沟通以实现对内供电的升压，而无法升压则会维持系统内部电源无供电状态。

为了解决以上问题，如图2所示，会在供电系统中的充电Buck IC输入端并联一颗小功率LDO(低压差线性稳压器)临时为系统内部必要控制器模块供电，以保证当5V供电输入时，可以启动Type-C PD协议控制芯片进行协议沟通以实现升压，进而激活充电Buck IC对系统内部供电。

考虑到输入电压升压后还需一段时间系统内部供电才能达到稳定状态，故此之前，需要保证LDO维持持续供电工作保证必要控制模块供电，以维持Type-C端口对内供电工作状态。考虑到此时供电电压已升至高压，故对LDO输入耐压提出了一定要求。

当系统内部供电稳定后，基于LDO自身工作原理，若依旧维持其作为内部相关模块的供电来源，一方面持续使用会产生明显发热，另一方面，当系统内部电池电量恢复后，若移除外接Type-C电源则会导致相关模块掉电功能失效。因此，会在系统内部供电稳定后，将相关模块的供电来源切换为系统内部供电。另外，以上为Type-C电源对系统内部充电时的工作模式。而当Type-C端口外接待供电设备时(例如U盘)，在经过Type-C协议检测后，需要由系统对外提供5V电压输出。此时，考虑到对供电应用的安全及可靠性要求，会在输出通路上串联5V load switch用以提供相关的电源控制保护功能。

现有方案的上述架构通过采用分立LDO等电子元器件实现，但存在PCB电路板占用面积大等一系列问题。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供了

本实用新型采用的技术方案如下：一种用于Type-C端口的负载开关结构，包括Type-C电源、Type-C PD协议的控制模块、Buck IC、内部电源、负载开关和LDO，所述Type-C电源通过Buck IC连接内部电源，所述内部电源的输出通路上串联负载开关，所述Buck IC的输入端并联LDO，将所述负载开关和LDO集成在一个单颗芯片，所述单颗芯片具有与负载开关和LDO连接的VBUS端口，所述VBUS端口连接到Type-C电源和Buck IC输入端之间，所述LDO为Type-C PD协议的控制模块供电。

进一步的，所述单颗芯片还包括VIN端口、EN_SW端口，EN_SW端口连接输入信号控制负载开关的通断，负载开关接通时，VIN端口和VBUS端口之间为输出通路。

进一步的，所述负载开关的输出电压为5V。

进一步的，所述单颗芯片还包括、nEN_LDO端口、OUT_LDO端口、FB端口，所述OUT_LDO端口连接Type-C PD协议的控制模块为控制模块提供电源供电，所述nEN_LDO端口连接LDO输入使能控制信号，所述LDO预置反馈环路，所述FB端口为反馈环路的调节端口。

进一步的，所述反馈回路为3.3V输出的反馈回路。

进一步的，所述单颗芯片中集成多个负载开关和一个LDO，每个负载开关分别和LDO连接后连接到一个VBUS端口，每一个VBUS端口连接到一个Type-C电源。

进一步的，具有多个负载开关时，每个负载开关具有一个EN_SW端口，所有的负载开关共用同一个VIN端口。

进一步的，每一个Type-C电源\VBUS端口和Buck IC的输入端之间单独设置高压隔离开关。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：该方案架构通过将高压LDO与负载开关集成为单颗集成电路芯片，实现了具有更高的电路板集成度、更低的系统成本、更便捷的Type-C端口供电控制方案。同时，将传统分立LDO方案中，LDO的一些外围配置器件集成至集成芯片内部，对LDO输出进行预设；当系统方案采用预设配置时，还可减少外围分立电阻电容配置器件的数目及成本。

附图说明

图1是常规结构中Type-C端口对内供电的应用结构示意图。

图2是常规结构中Type-C端口对内供电的另一种应用结构示意图。

图3是本实用新型用于Type-C端口的负载开关电路的结构示意图。

图4是本实用新型单颗芯片A的结构示意图。

图5是本实用新型具有多个Type-C端口的负载开关电路的结构示意图。

图6是图5中加入高压隔离开关的系统应用结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：如图3所示，Type-C电源通过Buck IC连接内部电源，所述内部电源的输出通路上串联负载开关，所述Buck IC(图中Buck Charger)的输入端并联LDO，将所述负载开关和LDO集成在一个单颗芯片A，该芯片内部包含2个主要部分：作为功率供电输出的典型输出电压为5V的负载开关(load switch)模块与在死电池(dead battery)状态下提供系统内部控制器供电的高耐压输入低压差线性稳压器(LDO)模块；所述单颗芯片具有与负载开关和LDO连接的VBUS端口，所述VBUS端口连接到Type-C电源和Buck IC输入端之间，所述LDO为Type-C PD协议的控制模块供电。

当电池电量用尽后，系统内部电源全部失效，系统进入死电池模式。此时，只能通过外接Type-C电源实现对系统供电启动的同时并对电池充电。由于系统电源供电失效，所有控制信号维持在无供电的低电平状态。

基于Type-C相关接口协议，当Type-C电源接入待供电系统时，默认以5V对系统进行供电输出。若需要更高电压，则需要通过PD协议进一步沟通获取。此时由于输入的5V电压不足以启动充电Buck IC，故系统内部经由DC-DC 3.3V模块对Type-C PD协议控制模块(图示中的PD PHY与EC部分)供电的供电通路失效。

单颗芯片A的5V load switch输出通路控制信号EN_5V由于其控制源头的Type-CPD协议控制模块没有供电，处于低电平无效状态，不会误开启5V load switch功能。

于此同时，模块A的LDO控制通路使能由PG_V3P3控制，Type-C电源的5V供电在开启有效时已对单颗芯片A模块进行供电激活。PG_V3P3信号由DC-DC3.3V模块或其他对系统内部3.3V供电状态进行监测的模块产生，PG_V3P3用于表示系统内部3.3V电源是否处于有效可用状态。由于此时系统内部没电，该信号的产生模块无法输出，故PG_V3P3处于低电平状态，也同样表示了系统3.3V电源处于无效不可用状态。因此此时A中的LDO通路处于低使能输出有效状态。该LDO的默认3.3V输出将对Type-C PD协议控制模块供电，使其可以启动Type-C PD协议控制芯片进行协议沟通以实现输入端电压供电的升压，进而激活充电BuckIC通路实现对系统内部供电。

当系统内部供电稳定后，基于LDO自身工作原理，若依旧维持其作为内部相关模块的供电来源，一方面持续使用会产生明显发热，另一方面，当系统内部电池电量恢复后，若移除外接Type-C电源则会导致相关模块掉电功能失效。因此，采用PG_V3P3作为Type-C PD协议控制模块供电电源控制、切换信号。当系统内部供电稳定后，PG_V3P3信号变为高电平，表示系统内部3.3V电源处于有效可用状态。此时系统内部经由DC-DC 3.3V模块对Type-CPD协议的控制模块(该控制模块采用PD PHY以及EC实现，实现结构为现有技术)供电的供电通路已可以有效供电，即实现了对A的LDO输出关闭操作。实现将Type-C PD协议控制模块的供电来源切换为系统内部供电的操作。

实施例2：如图4所示，负载开关模块正常工作时电流流向为电流从系统内部流出至系统外部，即从VIN端口经过负载开关结构流出至VBUS端口。负载开关(load switch)具备基本的通断使能，受EN_SW端口输入信号控制负载开关工作状态。此外，负载开关的输出VBUS端口还需具备耐高压特性，以及模块可以具有欠压保护、过压保护、过温保护、过流保护、防电流反灌等特性。

高耐压输入的低压差线性稳压器(LDO)典型工作时间为系统处于死电池或从死电池状态激活至充电状态后，需要从外部Type-C电源的VBUS端直接取电时。其输入端接至VBUS端口，能够支持高于5V的输入电压，输出端为OUT_LDO端口用于为系统内部控制模块提供电源供电。nEN_LDO为低压差线性稳压器模块(LDO)的输入使能控制信号。LDO模块内预置3.3V输出反馈环路，使用中亦可以通过FB端调整反馈环路实现调整输出电压的目的。此外，低压差线性稳压器的输出OUT_LDO端还可以具防电流反灌特性，以及模块可以具有欠压保护、过压保护、过温保护、过流保护等特性。

实施例3：如图5所示，针对实施例1，另一种变形结构为多个USB Type-C电源端口的LDO与负载开关(Load Switch)集成至单颗芯片，在对多端口的VBUS供电隔离后共用一个高耐压LDO模块，而负载开关数量则与USB Type-C电源端口数目一致，图5中展示了LoadSwitch1和Load Switch2两个负载开关，但本实用新型负载开关的数量不限制2个。

具体表现在内部具有：2个或多个作为功率供电输出的典型输出电压为5V的负载开关(load switch)模块与1个在死电池(dead battery)状态下提供系统内部控制器供电的高耐压低压差线性稳压器(LDO)模块。

Load Switch1和Load Switch2的输入端共同接至VIN端口，输出端则独立为VBUS1端口、VBUS2端口。EN_SW1端口、EN_SW1端口分别控制控制Load Switch1、Load Switch2的工作状态。

高耐压的低压差线性稳压器(LDO)模块的输入端接至VBUS1端口、VBUS2端口，其输入端均能够支持高于5V的输入电压，内部实现VBUS1端口与VBUS2端口的电压隔离，避免不同外部端口VBUS不同状态时互相影响。低压差线性稳压器(LDO)模块的输入实现可以从VBUS1端口或VBUS2端口任一存在外部供电的电源取电，将输入电压变换为预设的输出电压从OUT_LDO端输出。nEN_LDO为低压差线性稳压器(LDO)模块的输入使能控制信号。LDO模块内预置3.3V输出反馈环路，使用中亦可以通过FB端调整反馈环路实现调整输出电压的目的。

如图6所示，为了将不同的每一个Type-C电源\VBUS端口和Buck IC的输入端之间单独设置高压隔离开关(HV LoadS)，实现Buck IC的输入端对应的不同Type-C电源的隔离。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于Type-C端口的负载开关结构，包括Type-C电源、Type-C PD协议的控制模块、Buck IC、内部电源、负载开关和LDO，所述Type-C电源通过Buck IC连接内部电源，所述内部电源的输出通路上串联负载开关，所述Buck IC的输入端并联LDO，其特征在于，将所述负载开关和LDO集成在一个单颗芯片，所述单颗芯片具有与负载开关和LDO连接的VBUS端口，所述VBUS端口连接到Type-C电源和Buck IC输入端之间，所述LDO为Type-C PD协议的控制模块供电。

2.如权利要求1所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，所述单颗芯片还包括VIN端口、EN_SW端口，EN_SW端口连接输入信号控制负载开关的通断，负载开关接通时，VIN端口和VBUS端口之间为输出通路。

3.如权利要求2所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，所述负载开关的输出电压为5V。

4.如权利要求2所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，所述单颗芯片还包括、nEN_LDO端口、OUT_LDO端口、FB端口，所述OUT_LDO端口连接Type-C PD协议的控制模块为控制模块提供电源供电，所述nEN_LDO端口连接LDO输入使能控制信号，所述LDO预置反馈环路，所述FB端口为反馈环路的调节端口。

5.如权利要求4所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，所述反馈环路为3.3V输出的反馈环路。

6.如权利要求4所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，所述单颗芯片中集成多个负载开关和一个LDO，每个负载开关分别和LDO连接后连接到一个VBUS端口，每一个VBUS端口连接到一个Type-C电源。

7.如权利要求6所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，具有多个负载开关时，每个负载开关具有一个EN_SW端口，所有的负载开关共用同一个VIN端口。

8.如权利要求7所述的用于Type-C端口的负载开关结构，其特征在于，每一个Type-C电源\VBUS端口和Buck IC的输入端之间单独设置高压隔离开关。

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