TW201814543A

TW201814543A - 一種ｕｓｂ充電與通訊的裝置與方法

Info

Publication number: TW201814543A
Application number: TW105130548A
Authority: TW
Inventors: 蔡奇雄
Original assignee: 蔡奇雄
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2018-04-16

Abstract

本發明是一種USB充電裝置與控制方法，透過切換通訊介面的使用目的，使得電源設備除能夠透過USB端口介面提供外部充電外，並可提供非USB資料傳輸協議例如UART，I2C串行協定與外部設備通訊，對於無USB資料傳輸能力但需要通訊功能的USB電源設備提供方便的解決方法。

Description

一種USB充電與通訊的裝置與方法

本發明是關於一種透過USB端口提供電源與資料傳輸功能的裝置與方法，能夠適用於不同於USB通訊協定資料傳輸需求的裝置例如行動電源、電動車電池等。

當前以USB端口為介面的電源設備其架構包含電源和電源轉換器將交流或直流轉換為設定的額定直流的輸出電壓與電流，有USB介面充電功能則包含輸出符合USB充電規範的USB電源轉換器與USB充電枚舉元件以供設備插入USB端口時枚舉其充電能力。

USB標準1.0及2.0的供電功率僅為2.5w(0.5A/5v)。USB 3.0，它的供電功率可達4.5w(0.9A/5v)。USB-Type C 1.1規範也帶有自己的供電運行模式，在該規範下USB-Type C介面能夠用於快速充電。如下表是目前USB電源規範簡表。

其中USB BC (battery charging)1.2建立通過USB端口為可攜式裝置充電的正確方式與規範確定了端口應如何向終端設備枚舉提供合適的電流，以及識別應用端口類型的協議。三種USB BC1.2端口類型為SDP(standard downstream port)、DCP(dedicated charging port)和CDP(charging downstream port)，其中標準下行端口(SDP)即為一般USB 2.0/3.0 host的電源與數據傳輸規範最大電流500mA/900mA；專用充電端口(DCP)不支持數據傳輸，能夠提供1.5A以上的電流，例如在端口的D+和D-線之間阻抗小於200Ω表示輸出電流可達1.5A。這種類型的端口支持較高充電能力的牆上/行動充電器和車載充電器，無需枚舉(枚舉近似短路)；而充電下行端口(CDP)既支持大電流充電，也支持完全兼容USB 2.0的數據傳輸，包含特別設計的USB充電IC，端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉電阻，但只能以USB通訊協定通訊，也具有充電器枚舉檢測階段切換的內部電路。因為作為USB充電接口用途時USB端口的D+和D-線大多被當作偵測充電規格枚舉時使用，許多電源設備USB端口不再當作通訊用途或僅能提供USB協議的通訊能力(例如行動電源，車用電源有USB接頭只能夠對行動裝置充電但不能與周邊裝置通訊，而有些桌上型腦或筆電的USB端口能夠對行動裝置充電也能與USB周邊裝置通訊)，目前市面是已有許多符合USB充電規範的設計與充電IC和枚舉模擬器解決方案，但都不能提供非USB通訊的解決方案。此外傳統USB2.0連接器接頭有四線(VBUS、D-、D+、GND)與五線分別(VBUS、D-、D+、ID、GND)，五線接頭中有一ID訊號線，在USB的規範如下：On-the-Go主(host)端，將此訊號連接到地(GND)，從(device)端此訊號浮接。本發明如使用五線接頭，可利用此ID訊號得知外部裝置(host)是否接入。

本發明針對USB端口做擴展，USB D+，D-訊號線可以在枚舉後移做其他二線以下(含)通訊協定的訊號例如UART，I2C等二線非同步或同步數據傳輸線或單線單向數據傳輸，對於需要電源與通訊能力有限的設備提供非USB傳輸協定的解決方式。

有關本發明為達上述目的、特徵所採用的技術手段及其功效，茲例舉實施例並配合圖式說明如下：第一圖係本發明實施例之範例架構示意圖：包括一個微控制器MCU單元(100)；一電流轉換單元(101)例如分流器(current shunt)連接MCU單元(100)可經MCU內部ADC轉換器偵測USB端口輸出電流大小；一電子開關單元(102)將USB D+與D-訊號線間連接或斷開的切換器；可由MCU單元(100)輸出控制電子開關單元(102)的開或關；通訊匯流排單元(103)，連接MCU單元(100)的通訊接腳與USB接腳D+和D-連接，此外根據USB接頭如存在ID接腳可增加一數位ID輸入單元(104)，作為ID信號的準位偵測；另外可選擇地有一個USB充電枚舉單元(110)能模擬D+與D-的壓降例如開路或是短路或是特定阻抗的壓降，能枚舉此電源的輸出能力；一USB電源轉換輸出單元(111)輸出USB規範的電源；一USB 4/5 pins端口單元(112)，作為U外接頭。在電源轉換輸出單元(111)開啟輸出的情況下，MCU單元(100)經由連接的電流轉換單元(101)由內部ADC轉換感測到USB端口上VBUS電源訊號的負載電流大小，根據USB接頭存不存在ID接腳線分為兩種方式處理；A)USB接頭不存在ID接腳線：在MCU單元(100)透過內部計時器(Timer)週期性地經由控制電子開關單元(102)控制USB D+與D-訊號線間的連接狀態時間與斷開狀態時間；在斷開狀態的時間(T_c)內(通訊模式)，MCU單元(100)通過匯流排單元(103)輸出特定封包資料由回覆結果判斷USB端口是否存在可接受的裝置、如果是接受的裝置則保持在通訊狀態。B)USB接頭存在ID接腳線：數位ID輸入單元(104)輸入為Low(低準位)時MCU單元(100)控制電子開關單元(102)維持在連接狀態(充電模式)；輸入為High(高準位)時，MCU單元(100)控制電子開關單元(102)維持D+與D-斷路狀態(通訊模式)。

本發明實施例之一種USB充電與通訊的裝置與方法：所揭之圖式及方法說明僅為本發明之實施例而已，非為限定本發明實施的唯一實例；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇與原則，所作之其他等效變化或修飾，皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍內。

第一圖：

100‧‧‧微控制器MCU單元

101‧‧‧電流轉換單元

102‧‧‧電子開關單元

103‧‧‧通訊匯流排單元

104‧‧‧ID輸入單元

110‧‧‧USB充電枚舉單元

111‧‧‧USB電源轉換輸出單元

112‧‧‧USB 4/5 pins端口單元

第二圖：

步驟200‧‧‧有無ID pin分為流程(210)與流程(220)

步驟210‧‧‧ID訊號判斷是否有充電裝置插入USB端口

步驟211‧‧‧控制電子開關斷開

步驟220‧‧‧檢測封包資料的回應結果

步驟221‧‧‧三種情況a)無旗標且T_u週期，b)無旗標且T_c週期，c)其他

步驟222‧‧‧控制電子開關連接

步驟223‧‧‧控制電子開關斷開，送出封包資料

步驟230‧‧‧比較電流I與設定值I_max，I_min

第一圖為本發明實施範例架構示意圖。

第二圖為本發明實施範例控制流程圖。

本發明實施例之範例架構以第一圖表示，包括一個微控制器MCU單元(100)；一電流轉換單元(101)連接MCU單元(100)可經MCU內部ADC轉換器偵測USB端口輸出電流大小；一電子開關單元(102)將USB D+與D-訊號線間連接或斷開的切換器；可由MCU單元(100)輸出訊號控制電子開關單元(102)的開或關；一通訊匯流排單元(103)，連接MCU單元(100)的通訊接腳與D+和D-連接；此外根據USB接頭如存在ID接腳線可增加一數位ID輸入單元(104)，作為ID信號的準位偵測；另外可選擇地有一個USB充電枚舉單元(110)能模擬D+與D-的壓降例如開路或是短路或是特定阻抗的壓降，能枚舉此電源的輸出能力；一USB電源轉換輸出單元(111)輸出USB充電規範的電源；一USB 4/5 pins端口單元(112)，作為U外接頭。

整個MCU單元(100)控制方法的程序可以第二圖控制流程說明。在電源轉換輸出單元(111)開啟輸出的情況下，步驟(200)開啟時序(Timer)中斷服務並設定”通訊模式”週期T_u與”充電模式”週期T_c，根據有無ID接腳線分為：A)有ID接腳線：進入步驟(210)根據ID訊號(Low或High)判斷是否有充電裝置插入USB端口，如果有則進入步驟(212)MCU輸出訊號控制電子開關單元(102)使得D+和D-連接(充電模式)後進入步驟(230)；如果沒有則進入步驟(222)。B)沒有ID接腳線：執行步驟(220)後進入步驟(221)分為三種情況：a)無E旗標且T_u週期開始：進入步驟(223)控制電子開關單元(102)使得D+和D-斷路(通訊模式)後經由通訊匯流排單元(103)送出封包資料後進入步驟(230)；b)無E旗標且T_c週期開始：進入步驟(222)控制電子開關單元(102)使得D+和D-連接(充電模式)後進入步驟(230)；c)其它：進入步驟(230)。

步驟(220)：檢測送出封包資料的回應結果(Ack/Nack)如果有正確的回應則設定通訊裝置旗標E_c否則清除旗標E_c；步驟(230)：ADC轉換結果電流I，如果大於一設定大電流的臨界值(I_max)則依需求控制電子開關單元(102)並設定外部充電裝置旗標E_c；否則如果存在放電負載但大於一設定小電流的臨界值(I_min)則控制電子開關單元(102)維持斷路狀態(通訊模式)並設定通訊裝置旗標E_u，否則如電流小於臨界值(I_min)且E_u旗標存在可送出檢測封包資料，否則清除E_c旗標最後回到步驟(200)。

Claims

一種USB充電與通訊的裝置與方法，包含：一5 pins(VBUS,D-,D+,ID,GND)或4 pins USB(VBUS,D-,D+,GND)端口；一電子開關單元控制USB端口D+和D-訊號線間斷開或連結；一非USB通訊匯流排單元與USB端口D+和D-訊號線連結。
如申請專利範圍第1項所述之裝置，包含：一微控制器(MCU)或是應用集成電路(ASCI)，控制方法包含以USB端口ID pin的準位高低，控制外部電子開關使得USB介面D+和D-訊號線間斷開或連結。
如申請專利範圍第1項所述之裝置，包含：一微控制器(MCU)或是應用集成電路(ASCI)，控制方法包含以其ADC類比轉換獲得USB VBUS上負載電流的大小，以此控制外部電子開關使得USB端口D+和D-訊號線間斷開或連結。
如申請專利範圍第1項所述之裝置，包含：一微控制器(MCU)或是應用集成電路(ASCI)，控制方法包含週期性的控制外部電子開關使得USB端口D+和D-訊號線間斷開或連結，並在斷開期間經由非USB通訊協定發送封包以確認外部設備是否接上USB端口。
如申請專利範圍第1項所述之裝置，包含：一應用集成電路(ASCI)，輸出控制電子開關使得USB介面D+和D-訊號線間斷開或連結，並提供通訊介面與USB端口D+和D-訊號線連結，能由其ADC輸入獲得USB VBUS上負載電流大小資訊，與數位輸入偵測USB ID pin準位。