TWI757646B

TWI757646B - Usb設備及其操作方法

Info

Publication number: TWI757646B
Application number: TW108137083A
Authority: TW
Inventors: 曾俊堂; 徐偉倫; 陳博文
Original assignee: 宏正自動科技股份有限公司
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2022-03-11
Also published as: CN112671084A; US11119550B2; TW202117494A; US20210109580A1

Abstract

一種USB設備及其操作方法。USB設備包括第一開關、第二開關、電源轉換器與第一USB連接器。第一開關的第一端被配置為接收第一電壓。電源轉換器被配置為提供第二電壓，且第二電壓小於第一電壓。第二開關的第一端耦接至電源轉換器以接收第二電壓。第一USB連接器的第一電力接腳耦接至第一開關的第二端與第二開關的第二端。

Description

USB設備及其操作方法

本發明是有關於一種電子設備，且特別是有關於一種通用串列匯流排（Universal Serial Bus，以下稱為USB）設備及其操作方法。

為了滿足高功率傳輸與雙向供電的需求，C型通用序列匯流排（USB type-C）已逐漸應用於各種USB設備，例如USB集線器（USB hub）。由於電力傳輸直通（Power delivery pass-through，PD pass-through）模式可以讓USB設備達到最佳的電源使用效率，因而USB集線器常採用電力傳輸直通的電源架構（Power profile）來供電給外接裝置。

在USB集線器應用於高耗電操作的情境下（例如USB集線器同時執行第一外接裝置（例如手機）的影像顯示操作與第二外接裝置（例如隨身碟）的資料存取操作），若USB集線器使用適配器（adapter）作為供電來源，則適配器需提供足夠的電力（例如輸出電壓9V、輸出電流3A）給USB集線器來維持USB集線器的正常運作。此時，假設USB集線器以電力傳輸直通模式連接至第三外接裝置（例如筆記型電腦）。為了安全，在與第三外接裝置進行組態通道（configuration channel，簡稱CC）通訊期間，USB集線器需要以低壓的通訊電力（communication power）供電給第三外接裝置。因為是以電力傳輸直通模式由適配器供電給第三外接裝置，因此USB集線器會讓適配器的輸出電力降至通訊電力（例如5V，3A）。在組態通道通訊期間結束後，USB集線器會讓適配器的輸出電壓升高，以適配於第三外接裝置的用電需求。

然而在所述組態通道通訊期間，當適配器的輸出電壓由高壓狀態（例如9V）降至低壓狀態（例如5V）時，USB集線器將無法獲得足夠的電力來執行所述高耗電操作，進而導致外接裝置的功能中斷。例如，當第一外接裝置（例如手機）在播放影片時，若將第三外接裝置（例如筆記型電腦）以電力傳輸直通模式連接至USB集線器，則可能造成第一外接裝置的螢幕發生閃爍或影片播放中斷的情形。

本發明提供一種USB設備及其操作方法，可提供通訊電力（communication power）給第一USB連接器。

本發明的一實施例提供一種USB設備。所述USB設備包括第一開關、第二開關、電源轉換器與第一USB連接器。第一開關的第一端被配置為接收第一電壓。電源轉換器被配置為提供第二電壓，且第二電壓小於第一電壓。第二開關的第一端耦接至電源轉換器以接收第二電壓。第一USB連接器的第一電力接腳耦接至第一開關的第二端與第二開關的第二端。

在本發明的另一實施例提供一種USB設備的操作方法。所述USB設備的操作方法包括：由第一開關的第一端接收第一電壓；由電源轉換器提供第二電壓，其中第二電壓小於第一電壓；由第二開關的第一端接收第二電壓；提供第一USB連接器，其中第一USB連接器的第一電力接腳耦接至第一開關的第二端與第二開關的第二端；以及當第一USB連接器連接了外部裝置時，在對外部裝置進行偵測的組態偵測期間中，第一開關為截止而第二開關為導通。

基於上述，在本發明的諸實施例中，USB設備除了可以提供電力傳輸直通（PD pass-through）路徑來傳輸正常操作電壓給第一USB連接器之外，USB設備還可以提供一條電力旁通路徑來傳輸通訊電力給第一USB連接器。USB設備可藉由控制第一開關與第二開關的導通狀態來提供USB設備的電力傳輸直通路徑或電力旁通路徑。因此，當USB設備的第一USB連接器連接至外部裝置而進行組態通道（configuration channel，簡稱CC）通訊時，USB設備可經由所述電力旁通路徑供應電力給所述外部裝置。如此一來，在USB設備運作於高耗電狀態期間，當外接裝置以電力傳輸直通模式連接至第一USB集線器時，USB設備不需要調降適配器的輸出電壓。因此，USB設備不會因再次連接另一外部裝置而發生供電不足的情形。

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。

在本案說明書全文（包括申請專利範圍）中所使用的「耦接（或連接）」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接（或連接）於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1是依照本發明的一實施例的USB設備100的電路方塊圖。如圖1所示，USB設備100包括開關110、開關120、電源轉換器130與USB連接器140。USB設備100可以經由USB連接器140與外部裝置（例如電子裝置101）相連接。依照設計需求，USB連接器140可以是C型通用序列匯流排（USB Type-C，又稱為USB-C）連接器或是其他USB連接器。因此，USB設備100可以透過USB連接器140來同時進行電力傳輸（power delivery, PD）操作與資料傳輸操作。

於圖1的實施例中，開關110的第一端可以接收第一電壓V1。依照設計需求，第一電壓V1可以是適配器（adapter，未繪示）經由USB設備100的電力傳輸直通（PD pass-through）路徑提供給開關110的輸出電壓。開關120的第一端耦接至電源轉換器130，以便接收電源轉換器130提供的第二電壓V2。依照設計需求，電源轉換器130可例如是習知電壓轉換器或是其他電壓轉換電路/元件。電源轉換器130所提供的第二電壓V2小於第一電壓V1。舉例來說，第二電壓V2可以是符合USB協定的通訊電力（communication power）所規範的電壓。USB連接器140的第一電力接腳P1耦接至開關110的第二端與開關120的第二端。

依照設計需求，開關110與開關120可以是金屬氧化物半導體（Metal-Oxide-Semiconductor）電晶體開關或是其他電力開關。USB設備100可控制開關110與開關120的導通狀態，以提供外部裝置與USB設備100之間的電力傳輸直通路徑或電力旁通路徑。舉例來說，如圖1所示，開關120可以提供電力旁通路徑，以作為USB設備100與電子裝置101進行組態通道（configuration channel，簡稱CC）通訊時的供電路徑。當電子裝置101連接至USB連接器140時，USB設備100可以在與電子裝置101進行CC通訊期間中將開關120導通（turn on）並將開關110截止（turn off），以經由電力旁通路徑提供第二電壓V2給電子裝置101。

當USB設備100與電子裝置101之間的CC通訊結束後，USB設備100可以將開關110導通並將開關120截止，以經由電力傳輸直通路徑提供第一電壓V1給電子裝置101。所述電力傳輸直通路徑可以作為USB設備100對電子裝置101進行充電的供電路徑。依據實際應用需求，電子裝置101可以是筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、行動電源等電子產品。

此外，USB設備100可以依照設計需求來決定的USB連接器的配置數量。舉例來說，圖2是依照本發明的另一實施例的USB設備200的電路方塊示意圖。如圖2所示，USB設備200可以包括3個USB連接器140、240與250。依照設計需求，USB設備200可以是USB集線器（USB hub）、USB行動電源或是其他USB設備，而USB連接器140、240與/或250可以是C型通用序列匯流排（USB Type-C，又稱為USB-C）連接器或是其他USB連接器。

USB設備200可以經由USB連接器140、240與250的任何一個而連接於外部裝置。所述外部裝置可以是圖2所示的適配器201、電子裝置101與電子裝置202，而電子裝置101與電子裝置202可以是筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、行動電源等電子產品。

於另一些實施例中，USB設備200也可以配置3個以上的USB連接器或配置其他連接器（例如影像輸出埠），且USB設備200也可以配置有不同類型的USB連接器，例如USB設備200可以同時配置有USB Type-C連接器與USB Type-A連接器。

請再參照圖2所示。USB設備200還包括控制器141、控制器241、控制器251、開關110、開關120、開關210、開關220、開關230、電源轉換器130與系統電路260。控制器241耦接至USB連接器240與開關210，以控制USB連接器240與開關210的運作。USB連接器240具有電力接腳P2。且電力接腳P2耦接至開關110的第一端與開關210的第一端。適配器201可以經由USB連接器240提供第一電壓V1給開關110與開關210。開關210的第二端耦接至電源轉換器130的電力輸入端。

當適配器201連接於USB連接器240時，控制器241可以將開關210導通，以便由USB連接器240將第一電壓V1提供給電源轉換器130。電源轉換器130的電力輸出端耦接至開關120的第一端與開關230的第二端。電源轉換器130可以將第一電壓V1轉換為第二電壓V2，且第二電壓V2小於第一電壓V1。於本實施例中，第一電壓V1可以是適配器201提供給USB連接器240的輸出電壓（例如20V），而第二電壓V2可以是電源轉換器130提供給電子裝置101、202的電源電壓（例如5V）。

開關230的第一端耦接至USB連接器250的電力接腳P3。控制器251耦接至USB連接器250與開關230，以控制USB連接器250與開關230的運作。舉例來說，當USB連接器250連接於電子裝置202時，控制器251可以將開關230導通，以便由電源轉換器130輸出第二電壓V2給電子裝置202。

USB連接器140具有電力接腳P1，且電力接腳P1耦接至開關110的第二端與開關120的第二端。控制器141耦接至USB連接器140與開關110、120、220。當USB連接器140連接於外部裝置101時，控制器141可以對所述外部裝置101進行組態偵測（configuration detection）。在組態偵測期間，控制器141可以將開關110與開關220截止，且將開關120導通。

舉例來說，假設USB設備200耦接至外部顯示器（未繪示），且USB設備200的USB連接器240已連接於適配器201，USB設備200的USB連接器250已連接於電子裝置202，而USB設備200的USB連接器140尚未連接於電子裝置101。在USB設備200應用於高耗電操作的情境下（例如USB設備200同時對電子裝置202充電，並將電子裝置202的影像資料輸出至外部顯示器），若將USB設備200的USB連接器140連接至電子裝置101，則USB連接器140需獲得通訊電力，才能讓控制器141對電子裝置101進行組態偵測。因此，控制器141可以在組態偵測期間將開關110與開關220截止，且在所述組態偵測期間將開關120導通，以便讓USB連接器140接收電源轉換器130提供的第二電壓V2（也就是通訊電力）。

在控制器141與電子裝置101進行通訊的期間（也就是組態偵測期間），控制器141可以偵測電子裝置101的電壓需求，以作為組態偵測結果。在所述組態偵測期間結束後，於電子裝置101的正常操作期間中，控制器141可以依據所述組態偵測期間獲知的組態偵測結果來將開關110與開關120其中一者截止，並將開關110與開關120其中之另一者導通。

舉例來說，假設控制器141依據所述組態偵測結果得知電子裝置101的電壓需求為5V，則控制器141可以讓開關110與開關220保持在截止狀態，並讓開關120保持在導通狀態，以供電給電子裝置101。另一方面，假設控制器141依據所述組態偵測結果得知電子裝置101的電壓需求為20V，則控制器141可以將開關110導通並將開關120與開關220截止，以形成電力傳輸直通路徑來供電給電子裝置101。另一方面，假設控制器141依據所述組態偵測結果得知適配器201未連接至USB連接器240且適配器201連接至USB連接器140，則控制器141可以將開關220導通並將開關110與開關120截止，以便供電給電源轉換器130。

於另一些實施例中，圖2的控制器141、241、251可以共同整合為一個控制晶片。當USB設備200連接至電子裝置101時，所述控制晶片中的控制器141、241、251可以互相進行溝通，以便依據電子裝置101的電壓需求來進行各USB連接器140、240、250的電源分配。舉例來說，當USB設備200連接至電子裝置101且電子裝置101的電壓需求大於5V時，USB設備200可以依據電源分配的結果而由USB連接器240輸出符合電子裝置101的電壓需求的第一電壓V1。控制器141可以將開關110導通並將開關120截止，以便讓電子裝置101經由電力直通路徑來接收第一電壓V1。

透過上述對開關110與開關120的控制方式，當USB設備200在執行高耗電操作期間連接至電子裝置101時，USB設備200僅需透過開關110與開關120的切換，便可經由電力旁通路徑來提供通訊電力給電子裝置101。由於電子裝置101可經由所述電力旁通路徑來獲得通訊電力，故本發明不需要透過調降適配器201的輸出電壓（例如由20V降為5V）的方式來提供通訊電力。

如此一來，處於高耗電狀態的USB設備200不會因電子裝置101的接入（plug in），而發生供電不足的情形。同時，在USB設備200執行高耗電操作之前已連接至USB設備200的電子裝置202也不會因電子裝置101的接入，而發生螢幕閃爍或影片播放中斷的情形。

請再參照圖2所示，USB連接器140的第一電力接腳P1還耦接至開關220的第一端，而開關220的第二端則耦接至電源轉換器130的電力輸入端。當USB連接器140連接至電子裝置101而USB連接器240未連接至適配器201時，控制器141可以將開關220導通，以便由電子裝置101傳輸電力至電源轉換器130。電源轉換器130可以供電給USB設備200的系統電路260。依照設計需求，系統電路可以是USB設備200中用來執行特定功能的電路，例如中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、晶片組、記憶體等。

圖3是本發明的一實施例的USB設備200的操作方法的流程示意圖。請參照圖2與圖3所示，當USB連接器240連接至適配器201時，開關110的第一端可以在步驟S310接收USB連接器240提供的第一電壓V1。於步驟S320中，電源轉換器130可以提供第二電壓V2，其中第二電壓V2小於第一電壓V1。於步驟S330中，開關120的第一端可以接收電源轉換器130提供的第二電壓V2。於步驟S340中，USB設備200可以提供USB連接器140（也就是第一USB連接器），其中USB連接器140的第一電力接腳P1耦接至開關110的第二端與開關120的第二端。於步驟S350中，當USB連接器140（也就是第一USB連接器）連接了外部裝置（例如電子裝置101）時，在對所述外部裝置進行偵測的組態偵測期間中，控制器141可以將開關110截止並將開關120導通。開關110與開關120的詳細操作方式可以參照圖1與圖2實施例的相關說明來類推，故不再贅述。

綜上所述，在本發明的諸實施例中，USB設備可藉由控制第一開關與第二開關的導通狀態來提供USB設備的電力直通（pass-through）路徑或電力旁通路徑。因此，當USB設備的第一USB連接器連接至外部裝置時，所述外部裝置可經由所述電力旁通路徑獲得與USB設備進行通訊的電力。如此一來，當USB設備運作於高耗電狀態期間（例如USB設備同時進行影像輸出與資料存取），USB設備不會因再次連接另一外部裝置而發生供電不足的情形。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200:USB設備 101、202:電子裝置 110、120、210、220、230:開關 130:電源轉換器 140、240、250:USB連接器 141、241、251:控制器 201:適配器 260:系統電路 P1:第一電力接腳 P2:第二電力接腳 P3:第三電力接腳 S310、S320、S330、S340、S350:方法步驟 V1:第一電壓 V2:第二電壓

圖1是依照本發明的一實施例的USB設備的電路方塊（circuit block）示意圖。圖2是依照本發明的另一實施例的USB設備的電路方塊示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的USB設備的操作方法的流程示意圖。

100:USB設備

101:電子裝置

110、120:開關

130:電源轉換器

140:USB連接器

P1:第一電力接腳

V1:第一電壓

V2:第二電壓

Claims

一種USB設備，包括：一第一開關，具有一第一端被配置為接收一第一電壓；一電源轉換器，被配置為提供一第二電壓，其中該第二電壓小於該第一電壓；一第二開關，具有一第一端耦接至該電源轉換器以接收該第二電壓；一第一USB連接器，具有一第一電力接腳耦接至該第一開關的一第二端與該第二開關的一第二端，其中該第二開關設置於該第一USB連接器進行組態偵測的供電路徑上；以及一第二USB連接器，具有一第二電力接腳耦接至該第一開關的該第一端以提供該第一電壓，其中當該第一USB連接器連接了一外部裝置時，在對該外部裝置進行偵測的一組態偵測期間中，該第一開關為截止且該第二開關為導通。
如申請專利範圍第1項所述的USB設備，其中在該組態偵測期間結束後於該外部裝置的一正常操作期間中，依據該組態偵測期間的一組態結果，該第一開關與該第二開關其中一者被截止而另一者被導通。
如申請專利範圍第1項所述的USB設備，其中該電源轉換器被配置為將該第一電壓轉換為該第二電壓。
如申請專利範圍第1項所述的USB設備，更包括：一第三開關，具有一第一端耦接至該第二USB連接器的該第二電力接腳以接收該第一電壓，其中該第三開關的一第二端耦接至該電源轉換器的一電力輸入端以提供該第一電壓。
如申請專利範圍第1項所述的USB設備，更包括：一第三開關，具有一第一端耦接至該第一USB連接器的該第一電力接腳，其中該第三開關的一第二端耦接至該電源轉換器的一電力輸入端。
如申請專利範圍第1項所述的USB設備，更包括：一第三開關，具有一第一端耦接至該第二USB連接器的一第二電力接腳，其中該第三開關的一第二端耦接至該電源轉換器的一電力輸出端以接收該第二電壓。
如申請專利範圍第1項所述的USB設備，其中該電源轉換器被配置為供電給該USB設備的一系統電路。
一種USB設備的操作方法，包括：由一第一開關的一第一端接收一第一電壓；由一電源轉換器提供一第二電壓，其中該第二電壓小於該第一電壓；由一第二開關的一第一端接收該第二電壓；提供一第一USB連接器，其中該第一USB連接器的一第一電力接腳耦接至該第一開關的一第二端與該第二開關的一第二端，且該第二開關設置於該第一USB連接器進行組態偵測的供電路徑上；提供一第二USB連接器，並使用該第二USB連接器的一第二電力接腳來提供該第一電壓至該第一開關的該第一端；以及當該第一USB連接器連接了一外部裝置時，在對該外部裝置進行偵測的一組態偵測期間中，該第一開關為截止而該第二開關為導通。
如申請專利範圍第8項所述的操作方法，更包括：在該組態偵測期間結束後於該外部裝置的一正常操作期間中，依據該組態偵測期間的一組態結果，該第一開關與該第二開關其中一者被截止而另一者被導通。
如申請專利範圍第8項所述的操作方法，其中該電源轉換器被配置為將該第一電壓轉換為該第二電壓。
如申請專利範圍第8項所述的操作方法，更包括：由一第三開關的一第一端接收來自於該第二USB連接器的該第二電力接腳的該第一電壓；以及由該第三開關的一第二端提供該第一電壓至該電源轉換器的一電力輸入端。
如申請專利範圍第8項所述的操作方法，更包括：提供一第三開關，其中該第三開關的一第一端耦接至該第一USB連接器的該第一電力接腳，以及該第三開關的一第二端耦接至該電源轉換器的一電力輸入端。
如申請專利範圍第8項所述的操作方法，更包括：提供一第三開關，其中該第三開關的一第一端耦接至該第二 USB連接器的一第二電力接腳，以及該第三開關的一第二端耦接至該電源轉換器的一電力輸出端以接收該第二電壓。
如申請專利範圍第8項所述的操作方法，更包括：由該電源轉換器供電給該USB設備的一系統電路。