TWI684871B - 多埠ｕｓｂ快充電路 - Google Patents

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Abstract

公開了一種多埠通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)快充電路，包括快充協定電路和兩個以上普充協定電路，每個普充協定電路的ID腳與快充協定電路的VDET腳連接，快充協定電路的VDET腳經由取樣電阻RDET連接到參考地，其中：當任意一個普充協定電路連接的USB輸出口插入有充電設備時，該普充協定電路的ID腳輸出電流Id，電流Id流過取樣電阻RDET並在感測電阻RDET上產生VDET腳的電壓=Rd*Id，Rd是感測電阻RDET的阻值；當快充協定電路通過VDET腳感測到感測電阻RDET上的VDET腳的電壓大於或等於Id*Rd時，將多埠USB快充電路的輸出電壓強制拉低而不支援快充功能；當快充協定電路通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓小於Id*Rd時，對多埠USB快充電路的輸出電壓進行升降壓以支援快充功能。

Description

多埠USB快充電路
本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種多埠USB快充電路。
傳統的多埠通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)快充電路主要分為三種(以兩口USB快充電路為例)：
1)採用一大一小兩個變壓器分別給兩個USB輸出口供電，其中，大變壓器支援快充功能，小變壓器支援普充功能。這裡，兩路輸出分別為獨立完整的電路，所有原副邊控制電路及元器件均需要2套，成本較高。
2)採用一個變壓器同時給兩個USB輸出口供電，其中，變壓器有2個輸出繞組，每個輸出繞組連接1路降壓電路，兩路輸出根據搭配的協定電路的不同分別支援快充功能和普充功能。這裡，變壓器需要2個輸出繞組，增加了變壓器成本；每個輸出繞組連接1路降壓電路，每路輸出需要額外增加一個大電感，成本較高。
3)採用一個變壓器同時給兩個USB輸出口供電，其中，變壓器有1個輸出繞組，兩路輸出並聯連接到該輸出繞組，一路搭配普充協定電路支援普充功能，另一路搭配快充協定電路支援快充功能。這裡，由於兩路輸出並聯連接，該兩路輸出的輸出電壓一致，因此在一個USB輸出口插入有快充設備並且該路輸出的輸出電壓回應於快充協定電路而上升到9V或12V的同時在另一USB輸出口插入普充設備的情況下，如果不將該兩路輸出的輸出電壓降到5V以下，則會存在損壞普充設備的風 險。
在第三種多埠USB快充電路中，為了避免損壞普充設備，當有2個以上USB輸出口插入有充電設備時，需要將各路輸出的輸出電壓強制拉回5V。因此，需要在這種多埠USB快充電路中添加輸出口取樣電路。
第1圖示出了包括輸出口取樣電路的兩口USB快充電路中實現輸出口取樣功能的電路部分的電路原理圖。如第1圖所示，每個USB輸出口有EN、-VBUS、D-、D+、GND五個引腳；當某個USB輸出口沒有插入充電設備時，該USB輸出口的EN腳懸空；當某個USB輸出口插入有充電設備時，該USB輸出口的EN腳短接到GND腳從而輸出低電平；輸出口取樣電路有Gate、DET_EN2、EN_OUT、DET_EN1四個引腳；輸出口取樣電路通過DET_EN1腳和DET_EN2腳分別取樣USB輸出口1和USB輸出口2的EN腳輸出的準位信號，從而判斷USB輸出口1和USB輸出口2是否插入有充電設備；當感測到來自USB輸出口1和USB輸出口2的EN腳的準位信號均為低位準時，輸出口取樣電路判定這兩個USB輸出口都插入有充電設備；此時，輸出口取樣電路通過EN_OUT腳向快充協定電路1和快充協定電路2輸出低位準以禁用這兩個快充協定電路，同時通過Gate腳控制分別與USB輸出口1和USB輸出口2的VBUS引腳連接的2個功率開關關斷直至這兩個USB輸出口的輸出電壓降到5V再導通，以保護這兩個USB輸出口上插入的充電設備。
相比第一種和第二種多埠USB快充電路，雖然第三種多埠USB快充電路需要的變壓器、變壓器的輸出繞組、以及降壓電路較少，但是需要額外增加輸出口取樣電路，因此成本優勢並不明顯。
鑒於以上所述的一個或多個問題，本發明提供了一種新穎的多埠USB快充電路。
根據本發明實施例的多埠USB快充電路，包括快充協定電路和兩個以上普充協定電路，每個普充協定電路的ID腳與快充協定電 路的VDET腳連接，快充協定電路的VDET腳經由取樣電阻RDET連接到參考地，其中：當任意一個普充協定電路連接的USB輸出口插入有充電設備時，普充協定電路的ID腳輸出電流Id，電流Id流過取樣電阻RDET並在取樣電阻RDET上產生VDET腳的電壓=Rd*Id，Rd是取樣電阻RDET的阻值；當快充協定電路通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓大於或等於Id*Rd時，將多埠USB快充電路的輸出電壓強制拉低而不支援快充功能；當快充協定電路通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓小於Id*Rd時，對多埠USB快充電路的輸出電壓進行升降壓以支援快充功能。
302、602‧‧‧AC輸入整流電路
304、604‧‧‧一次側控制電路
306、606‧‧‧二次側同步整流電路
308、608‧‧‧快充協定電路
Io‧‧‧輸出電流
USB‧‧‧通用序列匯流排
RDET‧‧‧取樣電阻
Id1、Id1N‧‧‧電流
RSNS‧‧‧限流電阻
Tf‧‧‧時間
312、612‧‧‧USB輸出口設備插入取樣電路
310、310-1、310-2、610、610-1、610-2‧‧‧普充協定電路
EN、VBUS、D-、D+、GND、Gate、DET_EN2、EN_OUT、DET_EN1、VDET、ID、SEL、VSNS、SD_A、SD_B、DN、DP、SD、VOUT、VIN‧‧‧引腳
從下面結合附圖對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：第1圖示出了包括輸出口取樣電路的兩口USB快充電路中實現輸出口取樣功能的電路部分的電路原理圖。
第2圖示出了根據本發明實施例的多埠USB快充電路中實現輸出口取樣功能的電路部分的電路原理圖。
第3圖示出了根據本發明實施例的多埠USB快充電路的電路原理圖。
第4圖和第5圖分別示出了第3圖所示的普充協定電路實現對輸出電流的限流功能的兩種方式的工作原理圖。
第6圖示出了根據本發明另一實施例的多埠USB快充電路的電路原理圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是 為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
為了解決上述問題，本發明提出了一種新型的多埠USB快充電路，其中，只採用一個變壓器，變壓器只有一個輸出繞組，多路輸出並聯連接到該輸出繞組，完全依靠快充協定電路與普充協定電路之間的通訊而無需專門的輸出口取樣電路來實現USB輸出口取樣，具有成本低、可靠性好、使用靈活的特點。
第2圖示出了根據本發明實施例的多埠USB快充電路中實現輸出口取樣功能的電路部分的電路原理圖。如第2圖所示，根據本發明實施例的多埠USB快充電路包括一個快充協定電路和N個普充協定電路(即，普充協定電路1至N，N是大於1的整數)；每個普充協定電路的EN腳、VOUT腳、D-腳、和D+腳分別與相應USB輸出口的EN腳、VBUS腳、D-腳、和D+腳連接；每個普充協定電路的GND腳連接到參考地；每個普充協定電路的ID腳與快充協定電路的VDET腳連接；快充協定電路的VDET腳經由取樣電阻RDET(阻值為Rd)連接到參考地。
如第2圖所示，當普充協定電路1至n(n是大於0且小於或等於N的整數)連接的USB輸出口均插入有充電設備時，普充協定電路1至n的EN腳會感測到低位準，並且普充協定電路1至n的ID腳會輸出電流Id1至Idn，Id1=Id2=...Idn=Id；電流Id1至Idn流經取樣電阻RDET並在取樣電阻RDET上產生VDET腳的電壓=Rd(Id1+Id2+..Idn)，即VDET腳的電壓=n*Rd*Id；快充協定電路根據取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓可以確定當前有多少USB輸出口插入有充電設備；當取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓
Figure 107129141-A0305-02-0006-1
Rd*Id時，快充協定電路將多埠USB快充電路的輸出電壓強制拉低到5V；此時，多埠USB快充電路不支援快充功能。
第3圖示出了根據本發明實施例的多埠USB快充電路的 電路原理圖。如第3圖所示，根據本發明實施例的多埠USB快充電路包括AC輸入整流電路302、一次側控制電路304、二次側同步整流電路306、快充協定電路308、普充協定電路310-1和310-2(統稱為普充協定電路310)、以及USB輸出口設備插入取樣電路312。
這裡，需要說明的是，雖然第3圖僅示出了多埠USB快充電路包括一個快充協定電路308和兩個普充協定電路310的情況，但是結合第3圖描述的工作原理也可以應用於包括一個快充協定電路308、以及兩個以上普充協定電路310的多埠USB快充電路。
在第3圖所示的多埠USB快充電路中，USB輸出口設備插入取樣電路312完全依靠快充協定電路308與兩個普充協定電路310之間的通訊來感測USB輸出口是否插入有充電設備。這裡，快充協定電路308既能夠識別快充設備支援的快充協定也能夠識別普充設備支援的普充協定，並且能夠通過光耦將變壓器的二次側的電壓和/或電流資訊回饋給變壓器的一次側的初級控制器，從而控制多埠USB快充電路的輸出電壓和/或輸出電流。相比傳統的快充協定電路，快充協定電路308增加了一個VDET腳和一個SEL腳，其中：快充協定電路308通過VDET腳來取樣普充協定電路310連接的USB輸出口是否插入有充電設備。如果快充協定電路308通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓大於或等於Id*Rd，則快充協定電路308判定普充協定電路310連接的USB輸出口插入有充電設備，強制將多埠USB快充電路的輸出電壓在時間Tf內拉回5V，根據最大允許的輸出功率將輸出電流切換到相應的較大值，且關閉快充協定感測，此後只支援普充協定。如果快充協定電路308通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓小於Id*Rd，則快充協定電路308判定普充協定電路310連接的USB輸出口沒有插入充電設備，恢復快充協定感測，根據實際需要對輸出電壓進行升降壓，並根據最大允許的輸出功率將輸出電流切換到較小值。
快充協定電路308通過SEL腳來進行功率選擇。在SEL腳浮接的情況下，多埠USB快充電路的輸出電壓和輸出電流受VDET腳 控制，即多埠USB快充電路的輸出功率受VDET腳控制。在SEL腳接地的情況下，多埠USB快充電路的輸出功率不受VDET腳控制，維持為一個定值。
在第3圖所示的多埠USB快充電路中，普充協定電路310能夠識別普充設備支援的普充協定並能夠實現對多埠USB快充電路的輸出電流的限流功能。第4圖和第5圖示出了第3圖所示的普充協定電路實現對多埠USB快充電路的輸出電流的限流功能的兩種方式的工作原理圖。
如第4圖所示，普充協定電路310可以通過其內置的功率開關的導通電阻Rds_on來進行電流感測，從而實現一定的限流功能。第4圖所示的普充協定電路實現限流功能的具體過程如下：當普充協定電路內置的功率開關導通時，多埠USB快充電路針對該普充協定電路所在的輸出線路的輸出電流Io完全流過該功率開關的導通電阻；功率開關的導通電阻上的壓降為Io*Rds_on；如果功率開關的導通電阻上的壓降Io*Rds_on大於第一過流判定電壓，則表明輸出電流Io超過最大輸出電流；此時，兩個普充協定電路310控制功率開關關斷以保護普充協定電路不會被過流損壞。該限流方式不需要增加額外的取樣電阻，但精度受普充協定電路內置的功率開關的導通電阻的精度的影響。
如第5圖所示，兩個普充協定電路310可以另外包括一個VSNS腳，並通過感測VSNS腳連接的限流電阻RSNS上的壓降來實現精確的限流功能。第5圖所示的普充協定電路實現限流功能的具體過程如下：當普充協定電路內置的功率開關導通時，多埠USB快充電路針對該普充協定電路所在的輸出線路的輸出電流Io經由限流電阻RSNS流過該功率開關的導通電阻；限流電阻RSNS上的壓降為Io*RSNS；如果限流電阻RSNS上的壓降Io*RSNS大於第二過流判定電壓，則表明輸出電流Io超過最大輸出電流；此時，普充協定電路310控制功率開關關斷以保護普充協定電路不會被過流損壞。
在第3圖所示的多埠USB快充電路中，當普充協定電路連接的USB輸出口插入有充電設備時，普充協定電路的EN腳會感測到低 位準，此時普充協定電路會同時執行2個動作：1)經由ID腳輸出電流Id給快充協定電路308的VDET腳，使得快充協定電路308在時間Tf內將輸出電壓下拉到5V；2)在時間Tf內控制其內置的功率開關關斷，以保護普充協定電路連接的USB輸出口上插入的充電設備不被高壓損壞(當輸出電壓還未降到5V時)，並且在經過時間Tf後再控制其內置的功率開關導通給充電設備供電。
第6圖示出了根據本發明另一實施例的多埠USB快充電路的電路原理圖。如第6圖所示，根據本發明另一實施例的多埠USB快充電路包括AC輸入整流電路602、原邊控制電路604、副邊同步整流電路606、快充協定電路608、普充協定電路610-1和610-2(統稱為普充協定電路610)、以及USB口設備插入取樣電路612。
這裡，需要說明的是，雖然第6圖僅示出了多埠USB快充電路包括一個快充協定電路608和兩個普充協定電路610的情況，但是結合第6圖描述的工作原理也可以應用於包括一個快充協定電路608、以及兩個以上普充協定電路610的多埠USB快充電路。
在第6圖所示的多埠USB快充電路中，USB輸出口設備插入取樣電路612同樣完全依靠快充協定電路608與普充協定電路610之間的通訊來感測USB輸出口是否插入有充電設備。這裡，快充協定電路608既能夠識別快充設備的快充協定也能夠識別普充設備的普充協定。相比第3圖所示的快充協定電路308，快充協定電路608多了SD_A、SD_B、和EN_DET三個功能腳，其中：快充協定電路608通過SD_A腳控制與USB1輸出口連接的功率開關的導通和關斷，通過SD_B腳控制普充協定電路610內置的功率開關的導開和關斷，並通過EN_DET腳感測USB1輸出口是否插入有充電設備。如果USB1輸出口插入有充電設備，則流過取樣電阻RDET上的電流為Id，快充協定電路608通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的電壓為Id*Rd，此時若有另一USB輸出口插入有充電設備，則快充協定電路608的VDET腳上的電壓為2*Id*Rd，此時快充協定電路608可以判定有2個USB輸出口插入有充電設備。
第6圖所示的多埠USB快充電路實現多埠快充的具體過程如下：1)當USB1輸出口插入有充電設備時，快充協定電路608根據經由其自身的DN和DP腳以及USB1輸出口的D+、D-腳接收到的信號來識別充電設備的充電協定，此時若其他USB輸出口插入有充電設備，快充協定電路608通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的電壓大於或等於2*Id*Rd，通過SD_A和SD_B腳控制各個USB輸出口連接的功率開關關斷，在Tf時間內將輸出電壓下拉到5V，然後再控制各個USB輸出口連接的功率開關導通。此後，快充協定電路608只能識別普充協議，同時各個普充協定電路610也可以根據經由其D+、D-腳接收到的信號來智慧識別普充協議。2)當USB1輸出口沒有插入充電設備、而其他任一USB輸出口插入有充電設備時，快充協定電路608可以根據經由其自身的DP、DN腳、普充協定電路610的DP、DN腳、以及充電設備的D+、D-腳接收到的信號來識別充電設備的快充協定，這樣做的目的是防止充電設備的D+、D-直接短接而損壞。若此時有第二個充電設備插入到多埠USB快充電路的其他USB輸出口，快充協定電路608可以通過VDET腳感測到取樣電阻RDET上的電壓大於或等於2*Id*Rd，並可以通過SD_A和SD_B腳控制各個USB輸出口連接的功率開關關斷，在Tf時間內將輸出電壓下拉到5V，然後再控制各個USB輸出口連接的功率開關導通。此後，快充協定電路608只能識別普充協議，同時各個普充協定電路610也可以根據經由其D+、D-腳接收到的信號來智慧識別普充協議。
普充協定電路610也具有對於多埠USB快充電路的輸出電流的限流功能。與普充協定電路310類似，普充協定電路610的內置功率開關也具有一定的限流作用。相比普充協定電路310，普充協定電路610多了DN、DP和SD三個功能腳，其中：DN、DP和D+、D-四個功能腳主要用於將來自充電設備的D+、D-腳的信號傳輸給快充協定電路608，用於識別快充協議並進行升降壓操作；同時，DN、DP和D+、D-腳之間隔離，防止各個USB輸出口之間的充電設備的D+、D-腳短接在一起而出現風險；SD腳用於普充協定電路610的內置功率開關的閘極驅動，快充協定電路608的SD_B腳輸出的信號提供給普充協定電路610的SD腳， 作為普充協定電路610的內置功率開關的閘極驅動信號，負責控制普充協定電路610的內置功率開關的導通與關斷。
在根據本發明實施例的多埠USB快充電路中，只採用一個變壓器，多路輸出並聯工作，不需額外增加輸出口取樣電路來實現多埠快充的目的，具有成本低、電路結構簡單的特點。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
USB‧‧‧通用序列匯流排
RDET‧‧‧取樣電阻
Id1、Id1N‧‧‧電流
EN、VBUS、VDET、D-、D+、GND、DN、DP、ID、VOUT、VIN‧‧‧引腳

Claims (9)

  1. 一種多埠USB快充電路，包括快充協定電路和兩個以上普充協定電路，每個普充協定電路的ID腳與所述快充協定電路的VDET腳連接，所述快充協定電路的VDET腳經由取樣電阻RDET連接到參考地，其中：當任意一個普充協定電路連接的USB輸出口插入有充電設備時，所述普充協定電路的ID腳輸出電流Id，所述電流Id流過所述取樣電阻RDET並在所述取樣電阻RDET上產生VDET腳的電壓=Rd*Id，Rd是所述取樣電阻RDET的阻值；當所述快充協定電路通過VDET腳感測到所述取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓大於或等於Id*Rd時，將所述多埠USB快充電路的輸出電壓強制拉低而不支援快充功能；當所述快充協定電路通過VDET腳感測到所述取樣電阻RDET上的VDET腳的電壓小於Id*Rd時，對所述多埠USB快充電路的輸出電壓進行升降壓以支援快充功能；其中，所述普充協定電路具有VSNS腳和內置的功率開關，限流電阻RSNS經由VSNS腳連接到所述普充協定電路，當所述功率開關導通時所述多埠USB快充電路針對所述普充協定電路所在的輸出線路的輸出電流經由所述限流電阻RSNS流過所述功率開關的導通電阻，當所述限流電阻RSNS上的壓降大於第二過流判定電壓時，所述普充協定電路控制所述功率開關關斷。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多埠USB快充電路，其中，所述快充協定電路還具有SEL腳，在SEL腳浮接的情況下，所述多埠USB快充電路的輸出電壓和輸出電流受所述快充協定電路的VDET腳控制，在SEL腳接地的情況下，所述多埠USB快充電路的輸出功率不受所述快充協定電路的VDET腳控制。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的多埠USB快充電路，其中，所述普充協定電路具有內置的功率開關，當所述功率開關導通時所述多埠USB快充 電路針對所述普充協定電路所在的輸出線路的輸出電流完全流過所述功率開關的導通電阻，當所述功率開關的導通電阻上的壓降大於第一過流判定電壓時，所述普充協定電路控制所述功率開關關斷。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的多埠USB快充電路，其中，當所述普充協定電路連接的USB輸出口插入有充電設備時，所述普充協定電路同時執行以下2個動作：1)經由ID腳輸出電流Id給所述快充協定電路的VDET腳，使得所述快充協定電路在預定時間內將所述多埠USB快充電路的輸出電壓強制拉低；2)在所述預定時間內控制所述普充協定電路的內置的功率開關關斷，並在經過所述預定時間後控制所述普充協定電路的內置的功率開關導通。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的多埠USB快充電路，其中，所述普充協定電路還具有DN和DP腳，所述快充協定電路還具有DN和DP腳，所述快充協定電路經由其自身的DN和DP腳、所述普充協定電路的DN和DP腳、以及所述普充協定電路連接的USB輸出口的D-和D+腳感測插入所述USB輸出口的充電設備的充電協定。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的多埠USB快充電路，其中，所述快充協定電路還具有EN_DET腳，所述快充協定電路經由EN_DET腳連接外置的功率開關並經由所述外置的功率開關連接USB輸出口。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的多埠USB快充電路，其中，所述快充協定電路還具有SD_A和SD_B腳，所述普充協定電路還具有SD腳，所述快充協定電路經由SD_A腳和所述普充協定電路的SD腳控制所述普充協定電路的內置的功率開關的導通與關斷，並通過SD_B腳控制所述外置的功率開關的導通與關斷。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的多埠USB快充電路，其中，當所述快充協定電路連接的USB輸出口插入有充電設備並且所述兩個以上普充協定電路連接的USB輸出口均沒有插入充電設備時，流過所述取樣電阻RDET的電流為Id，所述快充協定電路通過VDET腳感測到所述取樣電阻RDET上的電壓為Id*Rd，此時所述快充協定電路對所述多埠USB快充電路的輸出電壓進行升降壓以支援快充功能。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的多埠USB快充電路，其中，當所述兩個以上普充協定電路連接的USB輸出口中的至少一個USB輸出口以及所述快充協定電路連接的USB輸出口均插入有充電設備時，所述快充協定電路通過VDET腳感測到所述取樣電阻RDET上的電壓大於或等於2*Id*Rd，此時所述快充協定電路將所述多埠USB快充電路的輸出電壓強制拉低，經由SD_A和SD_B腳在預定時間內控制所述普充協定電路的內置的功率開關和所述外置的功率開關關斷，並在經過所述預定時間後控制所述普充協定電路的內置的功率開關和所述外置的功率開關導通。
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