TWI613546B - 通用序列匯流排集線器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種通用序列匯流排集線器及其控制方法。藉由在通用序列匯流排集線器處於休眠和正常工作狀態時分別提供不同的電壓給電路群組，以減少漏電流的產生。

Description

通用序列匯流排集線器及其控制方法

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種通用序列匯流排集線器及其控制方法。

目前，市面上的電腦最常見的熱插拔介面便為通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)介面。目前大部分的通用序列匯流排介面外接式裝置是以USB2.0接口來連接至電腦。隨著科技日益精進，通用序列匯流排之訊號傳輸規格亦從USB2.0發展至USB3.0。相較於傳統USB2.0的傳輸速率僅有480M bps，USB3.0的傳輸速率可達到5G bps，大幅的增加了資料傳遞之速度。

有關通用序列匯流排的規範並沒有明確定義出電流限制。一般而言，USB2.0集線器提供的核心電壓為3.3V，而USB3.0集線器在休眠狀態和正常運作狀態下提供的核心電壓為1~1.5V。由於現有技術的通用序列匯流排集線器在休眠和正常運作狀態提供固定的核心電壓，因此可能會在休眠狀態下產生漏電流而導致 不必要的電力消耗。

本發明提供一種控制裝置及其操作方法，可減少通用序列匯流排集線器的電力消耗。

本發明的通用序列匯流排集線器，其經由一通用序列匯流排耦接於一主機或另一通用序列匯流排集線器，通用序列匯流排集線器包括控制單元、核心電路群組以及電壓轉換單元。其中控制單元透過探測該通用序列匯流排的訊號判斷通用序列匯流排集線器是否進入休眠狀態。核心電路群組耦接控制單元。電壓轉換單元，耦接控制單元以及核心電路群組，受控於控制單元而於通用序列匯流排集線器處於正常工作狀態時產生正常工作電壓，並於通用序列匯流排集線器處於休眠狀態時產生第一休眠電壓，核心電路群組於休眠狀態下接收第一休眠電壓，其中第一休眠電壓低於正常工作電壓。

本發明的通用序列匯流排集線器的控制方法，通用序列匯流排集線器經由通用序列匯流排耦接於主機或另一通用序列匯流排集線器，通用序列匯流排集線器的控制方法包括下列步驟。透過探測通用序列匯流排的訊號判斷通用序列匯流排集線器是否進入休眠狀態。於通用序列匯流排集線器處於正常工作狀態時，控制電壓轉換單元產生正常工作電壓。於通用序列匯流排集線器處於休眠狀態時，控制電壓轉換單元產生第一休眠電壓，其中核 心電路群組於休眠狀態下接收第一休眠電壓。其中第一休眠電壓低於正常工作電壓，電壓轉換單元內建於通用序列匯流排集線器。

基於上述，本發明藉由在通用序列匯流排集線器處於休眠和正常工作狀態時分別提供不同的電壓給電路群組，以減少漏電流的產生，進而減少通用序列匯流排集線器的電力消耗。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧主機

101‧‧‧通用序列匯流排

100、200‧‧‧通用序列匯流排集線器

102‧‧‧控制單元

104‧‧‧核心電路群組

1041‧‧‧第一電路群組

1043‧‧‧第二電路群組

108‧‧‧電壓轉換單元

110、202、204、300‧‧‧穩壓器

302‧‧‧穩壓電路

304‧‧‧分壓單元

306‧‧‧比較器

VO‧‧‧正常工作電壓

VS1‧‧‧第一休眠電壓

VS2‧‧‧第二休眠電壓

S1‧‧‧通知訊號

S2‧‧‧喚醒訊號

VCC‧‧‧參考電壓

Vsw‧‧‧鋸齒波訊號

V1‧‧‧穩壓電壓

V2‧‧‧分壓訊號

PWM1‧‧‧脈衝寬度調變訊號

R1~R3‧‧‧電阻

SW1‧‧‧開關

S402~S406‧‧‧通用序列匯流排集線器的控制方法步驟

圖1繪示為本發明一實施例之通用序列匯流排集線器的示意圖。

圖2繪示為本發明另一實施例之通用序列匯流排集線器的示意圖。

圖3繪示為本發明一實施例之穩壓器的示意圖。

圖4繪示為本發明一實施例之通用序列匯流排集線器的控制方法。

圖1繪示為本發明一實施例之通用序列匯流排集線器的示意圖。請參照圖1，通用序列匯流排集線器100包括控制單元102、核心電路群組104以及電壓轉換單元108。其中控制單元102 耦接核心電路群組104以及電壓轉換單元108，電壓轉換單元108更耦接核心電路群組104。其中，通用序列匯流排集線器100的規格可為USB_2.0或USB3.0。其中，核心電路群組104為通用序列匯流排集線器100的核心電路，與輸入輸出(I/O)電路(未繪示)不同，核心電路的供電電壓低於輸入輸出(I/O)電路的供電電壓，舉例而言，在USB3.0規格的通用序列匯流排集線器100中，在正常工作狀態下，輸入輸出(I/O)電路的供電電壓為3.3V，而核心電路的供電電壓為1.XV(1.0~1.5V)，核心電路群組104的供電電壓取決於通用序列匯流排集線器100的製程，以80nm的製程為例，核心電路群組104在正常工作狀態下的供電電壓為1.2V。控制單元102可透過一通用序列匯流排101耦接到一主機10或另一通用序列匯流排集線器(未繪示)，並透過探測通用序列匯流排101的訊號判斷通用序列匯流排集線器100是否進入休眠狀態。例如，當通用序列匯流排集線器的規格為USB_2.0時，控制單元102可透過探測該通用序列匯流排101上傳輸的握手協定的機制中定義的特定圖案(pattern)判斷通用序列匯流排集線器100是否進入休眠狀態，當通用序列匯流排集線器100的規格為USB3.0時，控制單元102則透過探測通用序列匯流排101上的來自主機10或該另一通用序列匯流排集線器(未繪示)的提示訊號判斷通用序列匯流排集線器100是否進入休眠狀態。

當控制單元102判斷出通用序列匯流排集線器100處於正常狀態時，控制單元102控制電壓轉換單元108產生正常工作 電壓VO給控制單元102以及核心電路群組104，以提供控制單元102以及核心電路群組104運作所須的核心電壓，正常工作電壓VO可例如為1.2伏特，然不以此為限。

而當控制單元102判斷出通用序列匯流排集線器100須進入休眠狀態時，控制單元102控制電壓轉換單元108產生第一休眠電壓VS1，其中第一休眠電壓VS1小於正常工作電壓VO。核心電路群組104於休眠狀態下接收第一休眠電壓VS1，其中在一實施例中核心電路群組104包括在休眠狀態下須進行運作的第一電路群組1041，例如訊號接收偵測電路(receiving detecting circuit)、遠程喚醒電路(remote wakeup circuit)以及低頻周期訊號偵測電路(LFPS detecting circuit)等等。在休眠狀態下控制單元102與第一電路群組1041仍可依據第一休眠電壓VS1執行基本的運作，第一休眠電壓VS1可例如為1.0伏特，然不以此為限，第一休眠電壓VS1大於或等於第一電路群組1041的最低操作電壓。在一實施例中，第一休眠電壓VS1可以是能維持控制單元102與第一電路群組1041之基本運作的最低操作電壓，其由製程決定，不同的製程條件下，第一休眠電壓VS1不同。核心電路群組104還包括在休眠狀態下不須運作的第二電路群組1043，例如用於處理資料傳輸的電路，比如資料收發模塊(TRX module)的實體層電路(ePHY circuit)。在休眠狀態下第一休眠電壓VS1無法使第二電路群組1043正常運作，亦即第一休眠電壓VS1低於第二電路群組1043的最低操作電壓。

如上所述，藉由在休眠狀態下提供低於正常工作電壓VO的休眠電壓給核心電路群組104，可減少漏電流的產生，進而大幅地減低電力消耗。在休眠狀態下，先進製程(<90nm)的電路會產生漏電流，而本案藉由降低休眠狀態下提供的電壓從而降低漏電流，而由於電力消耗正比于電壓的平方，因此使得通用序列匯流排集線器100的電力消耗呈平方數地下降。而同時該休眠電壓又可使通用序列匯流排集線器100在休眠狀態下所須持續運作的電路(第一電路群組1041)維持基本的運作，從而維持在休眠狀態下所須具有的功能。

例如當使用者喚醒通用序列匯流排集線器100時，第一電路群組1041可接收喚醒訊號S2，並依據喚醒訊號S2發出通知訊號S1給控制單元102，以使控制單元102控制電壓轉換單元108輸出正常工作電壓VO至控制單元102、第一電路群組1042與第二電路群組1043，以使其進入正常狀態，而得以執行其所具有的完整功能，其中喚醒訊號S2可例如藉由滑鼠或鍵盤所觸發。

進一步來說，如圖1所示之通用序列匯流排集線器100中的電壓轉換單元108在一實施例中可包括穩壓器110。其中穩壓器110耦接控制單元102與核心電路群組104。在一實施例中，穩壓器110受控於控制單元102而經由通用序列匯流排集線器100之一第一輸出管腳，將上述的正常工作電壓VO與第一休眠電壓VS1輸出至一外部電感，該外部電感位於通用序列匯流排集線器200之片外，通用序列匯流排集線器100還包括一第一輸入管腳， 耦接核心電路群組104，經由該外部電感接收正常工作電壓VO或第一休眠電壓VS1。

值得注意的是，上述實施例之通用序列匯流排集線器100可例如實施於一晶片上，且電壓轉換單元108可配置於通用序列匯流排集線器100內部。

圖2繪示為本發明另一實施例之通用序列匯流排集線器的示意圖。圖2中標號相同之模塊的功能與運作與圖1均相同，在此不再贅述。當控制單元102判斷出通用序列匯流排集線器200處於正常狀態時，控制單元102控制電壓轉換單元108產生正常工作電壓VO給控制單元102、第一電路群組1041以及第二電路群組1043，以提供控制單元102、第一電路群組1041以及第二電路群組1043運作所須的電源，正常工作電壓VO可例如為1.2伏特，然不以此為限。與圖1不同的是，當控制單元102判斷出通用序列匯流排集線器200須進入休眠狀態時，控制單元102控制電壓轉換單元108產生第一休眠電壓VS1與第二休眠電壓VS2，其中第二休眠電壓VS2低於第一休眠電壓VS1。第一電路群組1041以及第二電路群組1043分別於休眠狀態下接收第一休眠電壓VS1與第二休眠電壓VS2，其中第一電路群組1043則可包括在休眠狀態下須進行運作的電路，例如訊號接收偵測電路、遠程喚醒電路以及低頻周期訊號偵測電路等等。在休眠狀態下控制單元102與第一電路群組1041仍可依據第一休眠電壓VS1執行基本的運作。另外，第二電路群組1043可包括在休眠狀態下不須運作的 電路，例如用於處理資料傳輸的電路。在圖2的實施例中，休眠狀態下提供給第二電路群組1043的第二休眠電壓VS2是比第一休眠電壓VS1更低的電壓以進一步降低功耗，第二休眠電壓VS2可例如為0.7伏特，然不以此為限，在一實施例中，第二休眠電壓VS2可以是保證第二電路群組1043可從休眠狀態中喚醒的最低電壓值，其由製程決定，不同的製程條件下，第二休眠電壓VS2亦不同，第二休眠電壓VS2亦可為更低的電壓或者是0伏特。

在圖2的實施例中，藉由將電路分為第一電路群組1041與第二電路群組1043，並在休眠狀態下提供不同的休眠電壓給第一電路群組1041與第二電路群組1043，進一步降低無須運作的第二電路群組1043的休眠電壓，從而進一步減少漏電流的產生，進而大幅地減低電力消耗。此外，並提供比正常工作電壓VO低的第一休眠電壓VS1給控制單元102與第一電路群組1041，可使通用序列匯流排集線器100維持在休眠狀態下所須具有的功能。

進一步來說，如圖2所示之通用序列匯流排集線器200中的電壓轉換單元108在一實施例中可包括穩壓器202與穩壓器204。其中穩壓器202耦接控制單元102與第一電路群組1041，而穩壓器204耦接控制單元102與第二電路群組1043。在一實施例中，穩壓器202受控於控制單元102而經由通用序列匯流排集線器200之一第一輸出管腳，將上述的正常工作電壓VO與第一休眠電壓VS1輸出至一外部電感，該外部電感位於通用序列匯流排集線器200之片外，通用序列匯流排集線器200還包括一第一輸 入管腳，耦接該第一電路群組1041，經由該外部電感接收正常工作電壓VO或第一休眠電壓VS1。穩壓器204則受控於控制單元102而經由通用序列匯流排集線器200之一第二輸出管腳，將上述的正常工作電壓VO與第二休眠電壓VS2輸出至另一外部電感，通用序列匯流排集線器200還包括一第二輸入管腳，耦接該第二電路群組1043，經由該外部電感接收正常工作電壓VO或第二休眠電壓VS2。

在其它實施例中，電壓轉換單元108可僅包括一個穩壓器202，而進一步包括一切換單元(未繪示)，該切換單元耦接該控制單元102與該第二電路群組1043，受控於該控制單元102而於該通用序列匯流排集線器200處於該正常工作狀態時，將穩壓器202輸出的正常工作電壓VO提供給該第二電路群組1043，並於該休眠狀態時將經由該通用序列匯流排集線器200之一第二輸入管腳輸入的第二休眠電壓VS2提供給該第二電路群組1043，其中該第二休眠電壓VS2來自一主機板(未繪示)，經由該第二輸入管腳輸入。

現在討論圖1與圖2之實施例之優劣。相較於圖2的實施例，圖1為第一電路群組1041與第二電路群組1043提供相同的休眠電壓VS1，儘管電力消耗較之圖2之實施例高，但因為電壓轉換單元108僅需輸出一個休眠電壓，因此僅需佔用通用序列匯流排集線器200一個輸出管腳和一個輸入管腳。而圖2的實施例佔用較多的輸出和輸入管腳，但漏電流和電力消耗進一步降 低，因此圖1和圖2之實施方式可供設計需要靈活選擇。

圖3繪示為本發明一實施例之穩壓器的示意圖。請參照圖3，詳細來說，穩壓器110、穩壓器202與穩壓器204的實施方式可如圖3所示。穩壓器300包括穩壓電路302、分壓單元304以及比較器306。其中穩壓電路302耦接參考電壓VCC以及比較器306的輸出端，比較器306的一輸入端耦接分壓單元304，另一輸入端則接收鋸齒波訊號Vsw，分壓單元304更耦接穩壓電路302的輸出端。

其中分壓單元304用以對穩壓電路302所輸出的穩壓電壓V1(亦即上述的正常工作電壓VO、第一休眠電壓VS1或第二休眠電壓VS2)進行分壓，以產生分壓訊號V2至比較器306。比較器306比較分壓訊號V2與鋸齒波訊號Vsw以產生脈衝寬度調變訊號PWM1至穩壓電路302，使穩壓電路302依據脈衝寬度調變訊號PWM1對參考電壓VCC進行穩壓而產生穩壓電壓V1，其中穩壓電路302可例如為降壓電路、升壓電路或降壓/升壓電路。

詳細來說，分壓單元304可例如包括電阻R1~R3以及開關SW1，其中電阻R1、R2串聯於穩壓電路302的輸出端與接地之間，開關SW1與電阻R3串聯於電阻R1、R2的共同接點與接地之間。開關SW1的導通狀態受控於控制單元102，藉由控制開關SW1的導通狀態即可控制穩壓電路302輸出正常工作電壓或休眠電壓。

圖4繪示為本發明一實施例之通用序列匯流排集線器的 控制方法。通用序列匯流排集線器經由通用序列匯流排耦接於主機或另一通用序列匯流排集線器。歸納上述通用序列匯流排集線器的控制方法可包括下列步驟。首先，透過探測通用序列匯流排的訊號判斷通用序列匯流排集線器是否進入休眠狀態(步驟S402)。若通用序列匯流排集線器處於正常工作狀態，控制電壓轉換單元產生正常工作電壓(步驟S404)，相反地，若通用序列匯流排集線器進入休眠狀態，則控制電壓轉換單元產生第一休眠電壓，其中核心電路群組於休眠狀態下接收第一休眠電壓(步驟S406)。其中第一休眠電壓低於正常工作電壓，且第一休眠電壓低於第二電路群組的最低操作電壓。

綜上所述，本發明藉由在通用序列匯流排集線器處於休眠狀態時提供不同的電壓給不同的電路群組，以減少漏電流的產生，如此不但可減少通用序列匯流排集線器的電力消耗，且不會增加額外的製造成本。

10‧‧‧主機

100‧‧‧通用序列匯流排集線器

101‧‧‧通用序列匯流排

102‧‧‧控制單元

104‧‧‧核心電路群組

1041‧‧‧第一電路群組

1043‧‧‧第二電路群組

108‧‧‧電壓轉換單元

110‧‧‧穩壓器

VO‧‧‧正常工作電壓

VS1‧‧‧第一休眠電壓

S1‧‧‧通知訊號

S2‧‧‧喚醒訊號

Claims (13)

1. 一種通用序列匯流排集線器，其經由一通用序列匯流排耦接於一主機或另一通用序列匯流排集線器，該通用序列匯流排集線器包括：一控制單元，透過探測該通用序列匯流排的訊號判斷該通用序列匯流排集線器是否進入一休眠狀態；一核心電路群組，耦接該控制單元；以及一電壓轉換單元，內建於該通用序列匯流排集線器，其耦接該控制單元以及該核心電路群組，受控於該控制單元而於該通用序列匯流排集線器處於一正常工作狀態時產生一正常工作電壓，並於該通用序列匯流排集線器處於該休眠狀態時產生一第一休眠電壓，該核心電路群組於該休眠狀態下接收該第一休眠電壓，其中該第一休眠電壓低於該正常工作電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的通用序列匯流排集線器，其中當該核心電路群組於該休眠狀態下接收到一喚醒訊號時，該核心電路群組依據該喚醒訊號通知該控制單元控制該電壓轉換單元輸出該正常工作電壓至該核心電路群組。
3. 如申請專利範圍第2項所述的通用序列匯流排集線器，其中該喚醒訊號為由一滑鼠或一鍵盤所觸發。
4. 如申請專利範圍第1項所述的通用序列匯流排集線器，其中該通用序列匯流排集線器進一步包括：一第一穩壓器，耦接該控制單元與該核心電路群組，受控於 該控制單元而輸出該正常工作電壓或該第一休眠電壓；一第一輸出管腳，耦接該第一穩壓器，將該正常工作電壓或該第一休眠電壓輸出至一外部電感；以及一第一輸入管腳，耦接該核心電路群組，經由該外部電感接收該正常工作電壓或該第一休眠電壓。
5. 如申請專利範圍第4項所述的通用序列匯流排集線器，其中該第一穩壓器包括：一穩壓電路，耦接一參考電壓，依據一脈衝寬度調變訊號對該參考電壓進行穩壓以輸出該正常工作電壓或該第一休眠電壓；一分壓單元，耦接該穩壓電路的輸出端，受控於該控制單元分壓該穩壓電路的輸出電壓，而產生一分壓訊號；以及一比較器，其輸入端耦接該分壓單元，該比較器之輸出端耦接該穩壓電路的輸入端，該比較器比較該分壓訊號與一鋸齒波訊號而產生該脈衝寬度調變訊號至該穩壓電路。
6. 如申請專利範圍第5項所述的通用序列匯流排集線器，其中該分壓單元包括：一第一電阻，其第一端與第二端分別耦接至該穩壓電路的輸出端與一共同接點；一第二電阻，其第一端與第二端分別耦接至該共同接點與一接地；一第三電阻；以及一開關，與該第三電阻串接於該共同接點與該接地之間，其 中該開關的導通狀態受控於該控制單元以使該穩壓電路輸出該正常工作電壓或該第一休眠電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述的通用序列匯流排集線器，其中當該通用序列匯流排集線器的規格為USB_2.0時，該控制單元透過探測該通用序列匯流排上傳輸的握手協定的機制中定義的特定圖案判斷該通用序列匯流排集線器是否進入該休眠狀態；以及其中當該通用序列匯流排集線器的規格為USB3.0時，該控制單元透過探測該通用序列匯流排上的來自該主機或該另一通用序列匯流排集線器的一提示訊號判斷該通用序列匯流排集線器是否進入該休眠狀態。
8. 如申請專利範圍第1項所述的通用序列匯流排集線器，該核心電路群組更包括一第一電路群組及一第二電路群組，其中該第一電路群組包括於該休眠狀態下須進行運作的核心電路，該第二電路群組包括於該休眠狀態下不須運作的核心電路，其中該第一休眠電壓低於該第二電路群組的一最低操作電壓。
9. 如申請專利範圍第8項所述的通用序列匯流排集線器，其中該電壓轉換單元受控於該控制單元而更於該通用序列匯流排集線器處於該休眠狀態時產生一第二休眠電壓，該第二電路群組於該休眠狀態下接收該第二休眠電壓，該第一電路群組於該休眠狀態下接收該第一休眠電壓，其中該第二休眠電壓低於該第一休眠電壓。
10. 如申請專利範圍第8項所述的通用序列匯流排集線器， 其中該通用序列匯流排集線器進一步包括：一第二穩壓器，耦接該控制單元與該第二電路群組，受控於該控制單元而輸出該正常工作電壓或一第二休眠電壓；一第二輸出管腳，耦接該第二穩壓器，將該正常工作電壓或該第二休眠電壓輸出至一外部電感；以及一第二輸入管腳，經由該外部電感接收該正常工作電壓或該第二休眠電壓。
11. 如申請專利範圍第8項所述的通用序列匯流排集線器，其中該通用序列匯流排集線器進一步包括：一第二輸入管腳，接收來自一主機板的一第二休眠電壓；以及一切換單元，其耦接該控制單元與該第二電路群組，受控於該控制單元而於該通用序列匯流排集線器處於該正常工作狀態時，將該正常工作電壓提供給該第二電路群組，並於該通用序列匯流排集線器處於該休眠狀態時將該第二休眠電壓提供給該第二電路群組。
12. 一種通用序列匯流排集線器的控制方法，該通用序列匯流排集線器經由一通用序列匯流排耦接於一主機或另一通用序列匯流排集線器，該控制方法包括：透過探測該通用序列匯流排的訊號判斷該通用序列匯流排集線器是否進入一休眠狀態；於該通用序列匯流排集線器處於一正常工作狀態時，控制一 電壓轉換單元產生一正常工作電壓；以及於該通用序列匯流排集線器處於該休眠狀態時，控制該電壓轉換單元產生一第一休眠電壓，其中一核心電路群組於該休眠狀態下接收該第一休眠電壓；其中該第一休眠電壓低於該正常工作電壓，其中該電壓轉換單元內建於該通用序列匯流排集線器。
13. 如申請專利範圍第12項所述的通用序列匯流排集線器的控制方法，其中該核心電路群組更包括一第一電路群組及一第二電路群組，該第一電路群組包括於該休眠狀態下須進行運作的核心電路，該第二電路群組包括於該休眠狀態下不須運作的核心電路，其中該第一休眠電壓低於該第二電路群組的一最低操作電壓。