TWI812013B - 應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路和相關過電壓保護方法 - Google Patents

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Abstract

過電壓保護電路包含過電壓偵測電路、電壓產生電路和開關，用來在USB Type-C通訊埠之兩針腳間提供過電壓保護。過電壓偵測電路依據第二針腳之電位來提供過電壓訊號。開關之第一端和第二端分別耦接至第一和第二針腳，而控制端耦接至開關控制訊號。當過電壓訊號反應第二針腳未出現過電壓時，電壓產生電路提供具第一電位之開關控制訊號，以使開關在第一特性區運作。當過電壓訊號反應第二針腳出現過電壓時，電壓產生電路提供具第二電位之開關控制訊號以截止該開關。在開關控制訊號從第一電位調整至第二電位至開關截止前的期間，開關在第二特性區運作。

Description

應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路和相關過電壓保 護方法
本發明相關於一種應用於USB通訊埠之過電壓保護電路和相關過電壓保護方法，尤指一種應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路和相關過電壓保護方法。
隨著科技日新月異，資料傳輸與資料分享的行為已與日常生活密不可分。使用者常常利用有線或無線的方式，將一個裝置的資料傳送到另一個裝置中加以儲存。近年來，許多不同規格的資料傳輸埠口也被廣泛地應用於各種不同的電腦主機、相機、行動通訊裝置等電子設備中。舉例而言，使用者可透過支援通用串列匯流排(universal serial bus,USB)通訊埠的讀卡機，來將記憶卡中的資料傳送至電腦中的硬碟進行儲存或備份。
USB接頭的外型可以分成Type-A、Type-B和Type-C三大類，其中Type-A和Type-B另包含微USB(micro USB)通訊埠和迷你USB(mini USB)通訊埠兩種型態。這些通訊埠隨著時間逐漸改良規格， 加強了資料傳輸的速度與便利性。最新發佈的Type-C規格具備輕薄精巧、耐插拔、支援大電流充電和高速傳輸數據等優點。此外，Type-C規格的USB接頭亦支援雙向插拔，這意味著無論是正插或是反插，供電端Type-C規格的設備(downstream facing port,DFP)與受電端Type-C規格的設備(upstream facing port,UFP)之間的資料通訊均能正常傳輸。
第1圖為描述現有USB Type-C規格之通訊埠中針腳定義的示意圖。如第1圖所示，Type-C規格之USB通訊埠包含24個針腳，分別位於上排腳位A1-A12和下排腳位B1-B12。接地針腳GND位於腳位A1/A12/B1/B12，第一組超速差分訊號(super speed differential signal)針腳TX1+/TX1-和TX2+/TX2-位於腳位A2/A3/B2/B3，第二組超速差分訊號針腳RX1+/RX1-和RX2-/RX2+位於腳位B10/B11/A10/A11，匯流排電源針腳VBUS位於腳位A4/A9/B4/B9，通道組態(configuration channel)針腳CC1位於腳位A5，通道組態針腳CC2位於腳位B5，差分訊號針腳D+和D-位於腳位A6/B6/A7/B7，而邊帶使用(sideband use)針腳SBU1和SBU2分別位於腳位A8/B8。如第1圖所示，位於腳位A4之匯流排電源針腳VBUS相鄰於位於腳位A5之通道組態針腳CC1，而位於腳位B4之匯流排電源針腳VBUS相鄰於位於腳位B5之通道組態針腳CC2針腳。
通道組態針腳CC1和CC2針腳的電位可用來判斷正插或是反插，還可以作為供電端Type-C規格的設備以及受電端Type-C規格的設備之間的電流宣告功能。舉例而言，透過位於腳位A5之通道組態針腳CC1和位於腳位B5之通道組態針腳CC2針腳對應之通道組態電壓，受 電端Type-C規格的設備可以得知供電端Type-C規格的設備所能提供的最大電流，以讓受電端Type-C規格的設備可以充分利用此最大電流。依據USB Type-C規範，當來源端裝置(source)與目的端裝置(sink)透過通道組態針腳CC1相連接時，來源端裝置必須施加一供應電壓Vconn在未與目的端裝置相連的通道組態針腳CC2腳位上。當目的端裝置透過USB供電規範要求來源端裝置提供超過5V的電壓時，來源端裝置會提高匯流排電源針腳VBUS的電壓(例如20V)給目的端裝置使用。此時若使用者不當地移除目的端裝置(例如拔掉連接來源端裝置和目的端裝置的USB纜線)，就有可能讓匯流排電源針腳VBUS與通道組態針腳CC1/CC2誤觸而造成短路。因此，在USB供電應用中需在USBType-C規格之通訊埠中兩相鄰之間提供過電壓保護。
本發明提供一種應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路，其包含一第一端點、一第二端點、一過電壓偵測電路、一開關，以及一電壓產生電路。該第一端點耦接至一供應電壓，而該第二端點耦接至該USB Type-C通訊埠之一針腳或一第二針腳。該過電壓偵測電路依據該第二端點之電位來提供一過電壓訊號。該開關之一第一端耦接至該第一端點，一第二端耦接至該第二端點，而一控制端耦接至一開關控制訊號。該電壓產生電路依據該過電壓訊號來提供該開關控制訊號並調整該開關控制訊號之電位，其中當該過電壓訊號反應該第二端點並未出現過電壓時，該電壓產生電路提供具一第一電位之該開關控制訊號，以使該開關在一第一特性區運作；當該過電壓訊號反應該第二端點出現過電壓時，該電壓產生電路將該開關控制訊號從該第一 電位調整至一第二電位以截止該開關；且在該電壓產生電路將該開關控制訊號從該第一電位調整至該第二電位後至該開關被截止前的期間，該開關在一第二特性區運作。
本發明另提供一種在USB Type-C通訊埠中提供過電壓保護之方法，其包含在一第一端點提供一供應電壓；將一USB Type-C通訊埠之一第一針腳或一第二針腳耦接至一第二端點；一開關依據一開關控制訊號來選擇性地導通或切斷該第一端點和該第二端點之間的訊號傳送路徑；偵測該第二針腳之電位，並提供相對應之一過電壓訊號；當該過電壓訊號並未反應任何過電壓狀況時，提供具一第一電位的該開關控制訊號以導通該開關，使得該開關在該第二端點並未出現過電壓時在一第一特性區內運作，並在該第二端點出現過電壓後至該開關被截止前在一第二特性區內運作；以及當該過電壓訊號反應該第二端點出現過電壓時，將該開關控制訊號之電位從該第一電位調整至一第二電位以截止該開關。
10:過電壓偵測電路
20:電壓產生電路
30:開關
100:過電壓保護電路
N1:第一端點
N2:第二端點
SOVP:過電壓訊號
Vg:開關控制訊號
610-650:步驟
第1圖為描述現有USB Type-C規格之通訊埠中針腳定義的示意圖。
第2圖為本發明實施例中一種應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路的示意圖。
第3圖為本發明實施例中應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路在未啟動過電壓保護功能時運作之示意圖。
第4圖為本發明實施例中應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路 在啟動過電壓保護功能時運作之示意圖。
第5圖為本發明實施例中應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路在啟動過電壓保護功能時運作之示意圖。
第6圖為本發明實施例中應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路運作時之流程圖。
第2圖為本發明實施例中一種應用於USB Type-C通訊埠之過電壓保護電路100的示意圖。過電壓保護電路100包含一第一端點N1、一第二端點N2、一過電壓偵測電路10、一電壓產生電路20，以及一開關30。過電壓保護電路100之第一端點N1和第二端點N2可耦接至USB Type-C規格之通訊埠中兩相鄰針腳以提供過電壓保護。在第2圖所示之實施例中，第一端點N1可耦接至供應電壓Vconn，再經由開關30選擇性地耦接至第1圖所示之通道組態針腳CC1或CC2，而第二端點N2可耦接至第1圖所示之通道組態針腳CC1或CC2，但不限定本發明之範疇。
過電壓偵測電路10耦接於電壓產生電路20和第二端點N2之間，用來監控第二端點N2之電位，並提供相關第二端點N2電位之過電壓訊號SOVP。在一實施例中，過電壓偵測電路10可包含一感測電阻，而過電壓訊號SOVP為流經感測電阻之電流，其中過電壓訊號SOVP之值正相關於第二端點N2之電位。然而，過電壓偵測電路10之實作方式並不限定本發明之範疇。
電壓產生電路20可依據過電壓訊號SOVP來提供一開關控制訊號Vg並調整開關控制訊號Vg之電位，進而選擇性地導通或截止開關30。在一實施例中，電壓產生電路20可為一電荷泵(charge pump)。然而，電壓產生電路20之實作方式並不限定本發明之範疇。
開關30之第一端耦接至第一端點N1，第二端耦接至第二端點N2，而控制端耦接至電壓產生電路20以接收開關控制訊號Vg。在一實施例中，開關30為具低導通電阻之元件，例如N型金氧半場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,NMOSEFT)，其第一端為汲極(drain)，第二端為源極(source)，而控制端為閘極(gate)。然而，開關30之種類並不限定本發明之範疇。
第3圖為本發明實施例中USB過電壓保護電路100在未啟動過電壓保護功能時運作之示意圖。第4圖和第5圖為本發明實施例中USB過電壓保護電路100在啟動過電壓保護功能時運作之示意圖。為了說明目的，假設第一端點N1耦接至供應電壓Vconn，第二端點N2耦接至第1圖所示之通道組態針腳CC1/CC2，而開關30為N型金氧半場效電晶體。
當開關30在線性區(linear region)運作時，其汲極-源極電壓VDS之值小於閘極-源極電壓VGS和臨界電壓Vth之差值(VDS<VGS-Vth)，而導通電流Id之值如下列公式(1)所示；當開關30在飽和區(saturation region)運作時，其汲極-源極電壓VDS之值大於於閘極-源極電壓VGS和臨界電壓Vth之差值(VDS>VGS-Vth)，而導通電流 Id之值如下列公式(2)所示，其中μn代表反轉層電子的移動率，W代表開關30之通道寬度，L代表開關30之通道長度，而Cox代表單位面積的氧化層電容。
Id=μnCox(W/L)*(2(VGS-Vth)VDS-VDS2)...(1)
Id=0.5*μnCox(W/L)*(VGS-Vth)2...(2)
在本發明中，當USB過電壓保護電路100未啟動過電壓保護功能時，開關30會在線性區運作(如第3圖所示)；當USB過電壓保護電路100啟動過電壓保護功能時，開關30會先在飽和區運作(如第4圖所示)，之後會被截止(如第5圖所示)。
在第3圖所示之實施例中，假設供應電壓Vconn為5V，開關30之臨界電壓Vth為1V，μnCox(W/L)之值為0.8，通道組態針腳CC1用來偵測來源端裝置與目的端裝置之連結，而供應電壓Vconn會藉由通道組態針腳CC2輸出至纜線。當通道組態針腳CC2的負載抽500mA之電流時，未發生短路時通道組態針腳CC2的電壓不低於4.5V。在此種情況下，過電壓偵測電路10提供之過電壓訊號SOVP並未反應任何過電壓狀況，此時當電壓產生電路20依據過電壓訊號SOVP來提供7V的開關控制訊號Vg時，會使得開關30能在線性區運作以提供導通電流Id。更詳細地說，當電壓產生電路20提供7V的開關控制訊號Vg時，此時開關30之閘極-源極電壓VGS為2.5V，而汲極-源極電壓VDS之值為0.5V。依據上述公式(1)，在線性區運作時開關30之導通電流導通電流Id之值約莫為0.5A，其從開關30之第一端流至第二端。
在第4圖所示之實施例中，假設供應電壓Vconn為5V，開關30之臨界電壓Vth為1V，μnCox(W/L)之值為0.8，通道組態針腳CC1用來偵測來源端裝置與目的端裝置之連結，而供應電壓Vconn會藉由通道組態針腳CC2輸出至纜線。當通道組態針腳CC2發生短路時電壓會升高(最高可能達20V)，當通道組態針腳CC2之電壓升至一短路臨界電壓(例如6.5V)時，過電壓偵測電路10提供之過電壓訊號SOVP會反應過電壓狀況，此時電壓產生電路20會依據過電壓訊號SOVP來調降開關控制訊號Vg之電位，進而截止開關30。然而，由於過電壓偵測電路10和電壓產生電路20需要一段時間反應，在開關30被截止前通道組態針腳CC2之電壓依舊會持續上升。在通道組態針腳CC2發生短路到將控制訊號Vg降至0V之前，開關30之最大閘極-源極電壓VGS為2V，使得開關30在飽和區運作。依據上述公式(2)，在飽和區運作時開關30之導通電流導通電流Id之值約莫為0.4A，其從開關30之第二端流至第一端。
在第5圖所示之實施例中，同樣假設通道組態針腳CC1用來偵測來源端裝置與目的端裝置之連結，而供應電壓Vconn會藉由通道組態針腳CC2輸出至纜線。在過電壓偵測電路10將控制訊號Vg之電位降至0V後，在開關30被截止前通道組態針腳CC2之電壓依舊會持續上升。在通道組態針腳CC2發生短路後到開關30被截止前，假設通道組態針腳CC2的最大電壓為8V。在開關30被截止後，導通電流Id之值為0，第一端點N1(供應電壓Vconn)和第二端點N2(通道組態針腳CC2)之間呈開路，進而避免通道組態針腳CC2之過電壓經由匯流排電源針腳VBUS而損毀USB Type-C通訊埠。
同理，在通道組態針腳CC2用來偵測來源端裝置與目的端裝置之連結，而供應電壓Vconn藉由通道組態針腳CC1輸出至纜線的應用中，當USB過電壓保護電路100偵測到通道組態針腳CC1發生短路而啟動過電壓保護功能時，開關30會先在線性區運作(如第4圖所示)，之後會被截止(如第5圖所示)，進而避免通道組態針腳CC1之過電壓經由匯流排電源針腳VBUS而損毀USB Type-C通訊埠。
第6圖為本發明實施例中USB過電壓保護電路100運作時之流程圖，其包含下列步驟：步驟610：將過電壓保護電路100之第一端點N1耦接至供應電壓Vconn，並將過電壓保護電路100之第二端點N2耦接至一USB Type-C通訊埠之第一針腳或第二針腳。
步驟620：過電壓保護電路100之開關30依據開關控制訊號Vg來選擇性地導通或切斷第一端點N1和第二端點N2之間的訊號傳送路徑。
步驟630：偵測第二端點N2之電位，並提供相對應之過電壓訊號SOVP。
步驟640：當過電壓訊號SOVP並未反應任何過電壓狀況時，提供具第一電位的開關控制訊號Vg以導通開關30，使得開關30在第二端點N2並未出現過電壓時在一第一特性區內運作，並在第二端點N2出現過電壓至開關30被截止前在一第二特性區內運作。
步驟650：當過電壓訊號SOVP反應第二端點N2出現過電壓 時，將開關控制訊號Vg之值從第一電位調整至第二電位以截止開關30。
在開關30為N型金氧半場效電晶體之實施例中，上述第一特性區為線性區，第二特性區為飽和區，而第一電位高於第二電位。
在本發明中，開關控制訊號Vg之第一電位可依據開關30的元件特性、第二端點N2的負載電流值，以及在第二端點N2發生短路後至開關30被截止之前第二端點N2的最大電壓為來決定。如此一來，當第二端點N2並未發生過電壓狀況時，具第一電位的開關控制訊號Vg會讓開關30在第一特性區(線性區)內運作；當第二端點N2發生過電壓狀況且開關30尚未被截止時，具第一電位的開關控制訊號Vg會讓開關30在第二特性區(飽和區)內運作。以第3圖至第5圖來作說明，假設供應電壓Vconn為5V，而開關30為5V的N型金氧半場效電晶體。在此種情況下，本發明可將開關控制訊號Vg之第一電位設為7V，使得當第二端點N2並未發生過電壓狀況時(第3圖所示之偏壓狀態)開關30會在線性區內運作，而當第二端點N2發生過電壓狀況且開關30尚未被截止時(第4圖所示之偏壓狀態)開關30會在飽和區內運作。然而，第3圖至第5圖中所示之電壓值和電流值僅為了說明目的，並不限定本發明之範疇。
綜上所述，本發明之過電壓保護電路可應用在符合USB Type-C規格之通訊埠中，以避免USB Type-C通訊埠中兩相鄰針腳之間發生短路時的過電壓造成元件損毀。當未偵測到過電壓時，過電壓保護電路之開關會在線性區運作，進而導通USB Type-C通訊埠中兩相鄰 針腳之間的訊號傳輸路徑；當偵測到過電壓時，過電壓保護電路之開關30會先在飽和區運作，之後會被截止，進而切斷USB Type-C通訊埠中兩相鄰針腳之間的訊號傳輸路徑。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:過電壓偵測電路
20:電壓產生電路
30:開關
100:過電壓保護電路
N1:第一端點
N2:第二端點
SOVP:過電壓訊號
Vg:開關控制訊號
Id:導通電流

Claims (15)

  1. 一種應用於通用串列匯流排(USB)Type-C通訊埠之過電壓保護電路，其包含：一第一端點，耦接至一供應電壓；一第二端點，耦接至該USB Type-C通訊埠之一第一針腳或一第二針腳；一過電壓偵測電路，其依據該第二端點之電位來提供一過電壓訊號；一開關，其包含：一第一端，耦接至該第一端點；一第二端，耦接至該第二端點；以及一控制端，耦接至一開關控制訊號；以及一電壓產生電路，其依據該過電壓訊號來提供該開關控制訊號並調整該開關控制訊號之電位，其中：當該過電壓訊號反應該第二端點並未出現過電壓時，該電壓產生電路提供具一第一電位之該開關控制訊號，以使該開關在一第一特性區運作；當該過電壓訊號反應該第二端點出現過電壓時，該電壓產生電路將該開關控制訊號從該第一電位調整至一第二電位以截止該開關；且在該電壓產生電路將該開關控制訊號從該第一電位調整至該第二電位後至該開關被截止前的期間，該開關在一第二特性區運作。
  2. 如請求項1所述之過電壓保護電路，其中：該第一針腳係為該USB Type-C通訊埠之一第一通道組態(configuration channel)針腳(CC1)；而該第二針腳係為該USB Type-C通訊埠之一第二通道組態針腳(CC2)。
  3. 如請求項1所述之過電壓保護電路，其中：當該開關在該第一特性區運作時，一第一導通電流從該開關之該第一端流至該第二端，且該第一導通電流之值正比於該開關之該控制端和該第二端之間的電壓差；且當該開關在該第二特性區運作時，一第二導通電流從該開關之該第二端流至該第一端，且該第二導通電流之值正比於該開關之該控制端和該第二端之間的電壓差平方值。
  4. 如請求項1所述之過電壓保護電路，其中：該開關為一N型金氧半場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,NMOSEFT)；該開關之該第一端為一汲極；該開關之該第二端為一源極；而該開關之該控制端為一閘極。
  5. 如請求項4所述之過電壓保護電路，其中：該第一特性區為一線性區；當該開關在該線性區運作時，一第一導通電流從該開關之該第一 端流至該第二端，且該第一導通電流之值正比於2(VGS-Vth)VDS-VDS2；VGS為該開關之一閘極-源極電壓；VDS為該開關之一汲極-源極電壓；而Vth為該開關之一臨界電壓。
  6. 如請求項4所述之過電壓保護電路，其中：該第二特性區為一飽和區；當該開關在該飽和區運作時，一第二導通電流從該開關之該第二端流至該第一端，且該第二導通電流之值正比於(VGS-Vth)2；VGS為該開關之一閘極-源極電壓；而Vth為該開關之一臨界電壓。
  7. 如請求項4所述之過電壓保護電路，其中：當該開關之該控制端接收到具該第一電位之該開關控制訊號且該第二針腳並未出現過電壓時，VDS<VGS-Vth；VGS為該開關之一閘極-源極電壓；VDS為該開關之一汲極-源極電壓；而Vth為該開關之一臨界電壓。
  8. 如請求項4所述之過電壓保護電路，其中：當該開關之該控制端接收到具該第一電位之該開關控制訊號且該第二針腳出現過電壓時，VDS>VGS-Vth；VGS為該開關之一閘極-源極電壓； VDS為該開關之一汲極-源極電壓；而Vth為該開關之一臨界電壓。
  9. 如請求項1所述之過電壓保護電路，其中該電壓產生電路為一電荷泵(charge pump)。
  10. 如請求項1所述之過電壓保護電路，其中該第一電位之值係依據該開關的元件特性、該第二針腳的負載電流值，以及該第二針腳發生短路後至該開關截止前該第二針腳的最大電壓來決定。
  11. 一種在USB Type-C通訊埠中提供過電壓保護之方法，其包含：在一第一端點提供一供應電壓；將一USB Type-C通訊埠之一第一針腳或一第二針腳耦接至一第二端點；一開關依據一開關控制訊號來選擇性地導通或切斷該第一端點和該第二端點之間的訊號傳送路徑；偵測該第二端點之電位，並提供相對應之一過電壓訊號；當該過電壓訊號並未反應任何過電壓狀況時，提供具一第一電位的該開關控制訊號以導通該開關，使得該開關在該第二端點並未出現過電壓時在一第一特性區內運作，並在該第二端點出現過電壓後至該開關被截止前在一第二特性區內運作；以及當該過電壓訊號反應該第二端點出現過電壓時，將該開關控制訊 號之電位從該第一電位調整至一第二電位以截止該開關。
  12. 如請求項11所述之方法，其中：該第一針腳為該USB Type-C通訊埠之一第一通道組態針腳(CC1)；而該第二針腳為該USB Type-C通訊埠之一第二通道組態針腳(CC2)。
  13. 如請求項11所述之方法，其中：該開關之一第一端耦接至該第一端點，一第二端耦接至該第二端點，而一控制端耦接至該開關控制訊號；當該開關在該第一特性區運作時，一第一導通電流從該第一端點經由該開關流至該第二端點，且該第一導通電流之值正比於該開關之該控制端和該第二端之間的電壓差；且當該開關在該第二特性區運作時，一第二導通電流從該第二端點經由該開關流至該第一端點，且該第二導通電流之值正比於該開關之該控制端和該第二端之間的電壓差平方值。
  14. 如請求項11所述之方法，其中：該開關為一N型金氧半場效電晶體；該第一特性區為一線性區；且該第二特性區為一飽和區。
  15. 如請求項11所述之方法，其另包含：依據該開關的元件特性、該第二端點的負載電流值，以及該第二 端點發生短路後至該開關截止前該第二端點的最大電壓來決定該第一電位之值。
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