USB数据引脚阻抗检测的制作方法

本公开内容总体上涉及电源，并且更具体地检测电源的不正常负载状况。

背景技术：

随着便携式电子装置(例如，智能电话、平板电脑、膝上型计算机等)的普及，电池的安全和高效充电变得重要。在例如由于引脚短路或部分短路而在充电器与负载装置(例如，便携式电子装置)之间的连接有不正常状况的情况下，向负载装置供电导致不必要的功率消耗，并且可能对负载装置和/或充电器造成损害。为了避免这样的损害，负载装置可以向充电器通知不正常的负载状况，并且充电器可以作出响应而关闭电源以停止向负载装置供电。例如，为了通过通用串行总线(USB)接口进行充电，一种常见方法涉及使用USB连接器中的数据信号引脚(例如D+引脚/D-引脚)来从负载装置指示是否存在任何不正常的状况。

然而，在数据信号引脚损坏或短路的情况下，负载电子装置无法向充电器通知不正常状况。作为结果，充电器继续向便携式电子装置提供电力，这会对负载装置和/或充电器造成损害。

技术实现要素：

实施方式涉及一种用于确定正常负载状况的装置，该装置确定通信接口的数据引脚处的阻抗，用于确定引脚的负载状况。

在一个实施方式中，该装置包括：被配置成选择性地向数据引脚注入测试电流的电流源。该装置还包括感测电路，用于感测与没有被注入测试电流的数据引脚处的电压对应的第一测试电压以及与被注入测试电流的数据引脚处的其他电压对应的第二测试电压。感测电路基于第一测试电压和第二测试电压来确定数据引脚处的阻抗。

在一个实施方式中，该装置响应于所确定的阻抗小于阈值阻抗而确定数据引脚具有短路状况。

在一个实施方式中，第一测试电压是在没有被注入测试电流的数据引脚处的电压的按比例降低的电压，第二测试电压是在被注入测试电流的数据引脚处的其他电压的按比例降低的电压。

在一个实施方式中，该装置响应于第二测试电压小于被添加预定阈值电压的第一测试电压而确定数据引脚具有短路状况。

在一个实施方式中，感测电路包括：耦接在数据引脚与节点之间的第一电阻器；以及耦接在节点与第二电压之间的第二电阻器。第一测试电压和第二测试电压可以在所述节点处被感测。感测电路还可以包括第一开关，该第一开关在所述节点与第二电压之间串联地耦接至第二电阻器。

感测电路还可以包括采样和保持电路，该采样和保持电路耦接至节点以感测并保持第一测试电压。感测电路还可以包括比较器，以将第一测试电压与第二测试电压进行比较。感测电路可以基于第一测试电压与第二测试电压的比较来确定数据引脚处的阻抗。采样和保持电路可以包括电容器以及耦接在节点与电容器之间的第二开关。电容器可以响应于第二开关被接通而存储第一测试电压。可以向由采样和保持电路保持的第一测试电压添加预定阈值电压，并且感测电路可以基于第二测试电压与被添加预定阈值电压的第一测试电压的比较来确定数据引脚具有短路状况。该装置可以响应于第二测试电压小于在向第一测试电压添加预定阈值电压的情况下的第一测试电压而确定数据引脚具有短路状况。

在一个实施方式中，通信接口是通用串行总线(USB)接口，数据引脚是USB接口的D+引脚和D-引脚之一。

实施方式还涉及一种用于确定通信接口的数据引脚处的阻抗的方法。在一个实施方式中，该方法包括感测与在没有向数据引脚注入的测试电流的数据引脚处的电压对应的第一测试电压。该方法还包括向数据引脚注入测试电流。该方法包括：感测与在被注入测试电流的数据引脚处的其他电压对应的第二测试电压。另外，该方法包括基于第一测试电压与第二测试电压的比较来确定数据引脚处的阻抗。

在一个实施方式中，该方法还包括响应于所确定的阻抗小于阈值阻抗，确定数据引脚具有短路状况。阈值阻抗根据应用而变化，例如从100Ω变化至1000Ω或者变化至会影响装置之间的正常通信的任何其他的异常低值。

在一个实施方式中，该方法还包括响应于第二测试电压小于第一测试电压，确定数据引脚具有短路状况。

在一个实施方式中，该方法还包括按比例降低在没有向数据引脚注入的测试电流的数据引脚处的电压以产生第一测试电压。该方法还包括按比例降低在具有向数据引脚注入的测试电流的数据引脚处的其他电压以产生第二测试电压。

在一个实施方式中，该方法包括向第一测试电压添加预定阈值电压。可以在向第一测试电压添加预定阈值电压的情况下执行数据引脚处的阻抗的确定。该方法还可以包括响应于第二测试电压小于在向第一电压添加预定阈值电压的情况下的第一测试电压，确定数据引脚具有短路状况。

在一个实施方式中，该方法还包括对第一测试电压采样并且保持第一测试电压。在第一测试电压被保持的同时感测第二测试电压，并且在第一测试电压被保持的情况下执行数据引脚处的阻抗的确定。

附图说明

所公开的实施方式具有其他优点和特征，这将根据具体实施方式、所附权利要求书和附图(或绘图)而变得明显。附图的简要介绍如下。

图1是根据一个实施方式的通过通信接口进行通信的两个装置的框图。

图2是示出根据一个实施方式的具有用于识别不正常负载状况的示例阻抗测量电路的装置的框图。

图3是根据一个实施方式的图2的阻抗测量电路中的感测电路的详细框图。

图4示出了根据一个实施方式的示出图3的阻抗测量电路的操作的时序图。

图5是示出根据一个实施方式的装置在建立与其他装置的连接之前识别不正常连接的流程图。

图6是示出根据一个实施方式的图3的阻抗测量电路的操作的流程图。

具体实施方式

本文将参照附图来描述实施方式。然而，本文所公开的原理可以按照许多不同的形式来实现并且不应被解释为限于在此阐述的实施方式。在说明书中，可以省略公知特征和技术的细节，以避免不必要地模糊实施方式的特征。

在附图中，附图中相同的附图标记表示相同的元件。为了清楚起见，附图的形状、尺寸和区域等可能被放大。

本文的实施方式涉及一种通过通信接口建立与其他装置的正常连接的装置。在一个实施方式中，该装置确定负载状况以建立与其他装置的正常连接。该装置通过测量通信接口的数据引脚处的阻抗来确定负载状况。响应于确定正常负载状况，该装置建立与其他装置的连接。此外，响应于确定不正常的负载状况，该装置终止与其他装置的连接或者中止向其他装置供电。

本文中不正常的负载状况是指装置的数据引脚由于短路连接或部分短路连接而具有低阻抗的负载状况。例如，装置的数据引脚在阻抗值小于100Ω或者是可能阻碍正常通信的其他异常低值的情况下具有不正常的负载状况。

示例通信装置

图1示出了两个电子装置110A和110B。装置110A经由通信接口140与装置110B进行通信。装置110A和装置110B可以通过通信接口140来交换数据流、控制信号或状态通知。此外，装置110A可以通过通信接口140向装置110B提供电力。

在一个实施方式中，装置110A是通过通信接口140向装置110B提供电力的充电器。装置110A可以是能够向装置110B提供电力的任何电子装置。例如，装置110A是充电器、计算机或移动手持装置。装置110B是负载装置，其可以是通过通信接口140从装置110A接收电力的任何电子装置。例如，装置110B是计算机、或移动手持装置。装置110B可以包括电池，用于存储从装置110A提供的电力。在一个实施方式中，装置110A是电源充电器单元，装置110B是便携式电子装置(例如，移动手持装置)，并且通信接口140是通用串行总线(USB)接口。

装置110A和装置110B经由通信接口140通信地耦接至彼此。通信接口140包括装置110A上的连接器130A、装置110B上的其他连接器130B、以及耦接在连接器130之间的线缆150。每个连接器130包括多个物理引脚，并且线缆150包括多个连接线145(例如145A、145B、145C、145D、145E等)。在一个实施方式中，连接器130A的每个引脚通过相应的连接线145被耦接至连接器130B的其相应引脚。例如，连接器130A的数据引脚通过连接线145被耦接至连接器130B的相应数据引脚。在其他实现方式中，一些引脚可以不连接，或者一个装置中的单个引脚连接至其他装置中的多个引脚。

在一个实施方式中，通信接口140是包括USB连接器130A、130B和USB线缆150的通用串行总线(USB)接口。USB连接器130A和130B中的每一个包括VBUS引脚、D+引脚、D-引脚、标识(ID)引脚和接地(GND)引脚。VBUS引脚用于提供高供电电压。D+引脚和D-引脚是用于传送数据的数据引脚。ID引脚用于标识哪个装置被连接至USB线缆。GND引脚用于提供低供电电压(例如，地电压)。连接器130A和连接器130B中的VBUS引脚、D+引脚、D-引脚、ID引脚和GND引脚分别通过连接线145A至145E耦接至彼此。线缆150还可以包括屏蔽件148，用于减少电噪声对信号的影响以及减少可能干扰其他装置的电磁辐射。优选地，屏蔽件148被耦接至低供电电压190。

通常，连接器130中的一个或线缆150会损坏，从而阻碍了两个装置110之间的正常通信。线缆150或连接器130可能会由于灰尘或连接不良而损坏。例如，装置110B中的数据引脚(例如，D-)变得通过相对低的寄生(即不期望的)阻抗短路并且降低了信号幅度。降低的信号幅度妨碍了两个装置110之间的通信，在数据引脚被短路至用于提供高供电电压的引脚(如，VBUS)的情况下，短路的两个引脚之间的寄生阻抗可以表示为电阻器Rup。相似地，在数据引脚被短路到用于提供低供电电压190的引脚(例如，GND)的情况下，短路的两个引脚之间的寄生阻抗可以表示为电阻器Rdn。因此，数据引脚处的寄生阻抗可以表示为电阻器Rup与电阻器Rdn的并联组合(即，Rup||Rdn)。当寄生阻抗相当低(例如，<100Ω)时，数据引脚处的包括负载阻抗和寄生阻抗的总阻抗变得近似于寄生阻抗。

测量在装置110A中的数据引脚处的阻抗使得装置110A能够在不接收来自装置110B通知或指示的情况下确定不正常的负载状况。当测量的总阻抗小于特定阈值(例如，100Ω)时，装置110A确定不正常的负载状况。因此，装置110A可以觉察到不正常的负载状况，并且相应地作出响应。例如，响应于确定不正常的负载情况，装置110A可以终止该连接或者停止向装置110B供电。

图2示出了根据一个实施方式的具有用于识别不正常负载状况的示例阻抗测量电路200的装置110。阻抗测量电路200包括电流源220、感测电路250和开关SW。这些部件一起被用于确定包括数据引脚(例如，D+或D-)处的Rup和Rdn的寄生阻抗在内的阻抗。图2所示的示例示出了感测电路250用于确定数据引脚D-中的一个的阻抗的情况。

在一个方面，阻抗测量电路200通过使用电流源220向数据引脚注入测试电流Itest来确定连接器130的数据引脚中的一个处的阻抗。在一个实现方式中，电流源220被耦接在用于提供高供电电压的引脚(例如，VBUS)与数据引脚(例如，D-)之间。开关SW可以在引脚(例如，VBUS)与数据引脚之间串联地耦接至电流源220，用于选择性地向数据引脚注入测试电流Itest。如将在下面更详细地说明的，感测电路250使用没有被注入测试电流Itest的数据引脚处的电压以及被注入测试电流Itest的数据引脚处的其他电压来确定数据引脚处的阻抗。

在一个实施方式中，阻抗测量电路200例如通过多路复用来确定多个数据引脚处的阻抗。在另一个实现方式中，装置110包括多个阻抗测量电路200，其中多个阻抗测量电路200中的每一个确定在其相应的引脚处的阻抗。基于所确定的阻抗，装置110识别数据引脚处的不正常负载状况。

图3是根据一个实施方式的图2的阻抗测量电路200的感测电路250的详细框图。在一个实现方式中，感测电路250包括分压器电路310、采样和保持电路350、比较器360、阈值电压源370以及输出电路380。分压器电路310包括电阻器Rpd1、Rpd2，并且划分(即，按比例降低)数据引脚(例如，D-)处的电压以在节点325处产生按比例降低的电压。分压器电路310还可以包括用于使能和禁止分压的开关S1。在一个实现方式中，电阻器Rpd1被耦接在阻抗待测量的引脚(在该示例中为数据引脚(例如，D-))与节点325之间。优选地，第二电阻器Rpd2和开关S1串联地耦接在节点325与低供电电压(GND)之间。

分压器电路310基于开关S1的操作来对数据引脚处的电压进行分压。当开关S1断开时，因为没有电流流过电阻器Rpd1、Rpd2，所以节点325处的电压基本上等于数据引脚的电压。当开关S1接通时，节点325处的电压是数据引脚D-处的电压的按比例降低的电压。通过划分数据引脚处的电压，分压器电路310使得即使数据引脚处的电压非常大，例如接近高电压电源的电压电平时，采样和保持电路350仍然能够正常操作。

在一个实施方式中，采样和保持电路350包括电容器Ct和开关S2、S3。在一个实现方式中，比较器360的第一输入(例如，负输入)被耦接至节点325，并且比较器360的第二输入(例如，正输入)被耦接至节点335，其中开关S2被耦接在节点325与节点335之间。电容器Ct被耦接在节点335与节点345之间。

开关S3、S4和阈值电压源370向由采样和保持电路350保持的电压添加预定阈值电压V_TH。在一个实现方式中，开关S3被耦接在节点345与低供电电压(例如，GND)之间。开关S4被耦接在节点345与具有预定阈值电压V_TH的阈值电压源370之间。优选地，开关S3在与S2相同的状态下进行操作，并且开关S4在与开关S2和开关S3的状态相反的状态下操作。

为了获得在没有被注入测试电流Itest的节点325处的电压，禁用开关SW，并且启用分压器电路310(即，将开关SW断开以及将开关S1接通)。开关S2被接通以耦接节点325和节点335，开关S3被接通以将节点345耦接至低供电电压，并且开关S4被断开以将节点345从阈值电压源370解除耦接。因此，电容器Ct被充电，用于对节点335处的电压进行采样，节点335处的电压是在没有被注入测试电流Itest的数据引脚D-处的电压的按比例降低的电压。该电压作为电压Vdn1即作为比较器360的正输入被存储在电容器Ct中。在对Vdn1进行采样之后，将开关S2和开关S3断开，以通过存储在电容器Ct上的电荷保持节点335处的电压Vdn1。对于图3中的感测电路，节点335处的电压Vdn1可以根据下式来计算：

当节点335处的电压Vdn1被保持时，将S4接通以向节点335处的电压Vdn1添加预定阈值电压V_TH。在一种方法中，预定阈值电压V_TH可以根据下式来计算：

在一个方面，寄生阻抗Rup||Rdn被确定为目标阻抗(例如，100Ω)。

为了感测在被注入测试电流Itest的节点325处的电压，启用开关SW和分压器电路310(即，将开关SW接通并且将开关S1接通)。将开关S2断开以将节点325从节点335解除耦接。节点325处的电压Vdn2根据注入到数据引脚D-的测试电流Itest和数据引脚D-处的阻抗而增大。因此，节点325处的电压Vdn2反映了在向数据引脚D-注入测试电流Itest的情况下数据引脚D-处的电压的按比例降低的电压，这表现为节点325处的电压Vdn2和比较器360的负输入。对于图3中的感测电路，节点325处的电压Vdn2可以根据下式来计算：

在感测到在被注入测试电流Itest的节点325处的电压Vdn2以及在没有被注入测试电流Itest的节点335处的电压Vdn1之后，比较器360将电压Vdn1与电压Vdn2进行比较以产生比较信号365。在一个方法中，如果电压Vdn2低于在向Vdn1添加预定阈值电压V_TH的情况下的电压Vdn1，则比较器360产生具有高状态的比较信号365。如果电压Vdn2不低于在向电压Vdn1添加预定阈值电压V_TH的情况下的电压Vdn1，则比较器360产生具有低状态的比较信号365。

输出电路380从比较器360接收比较信号365，并且根据使能信号385来产生阻抗检测信号DET。输出电路380存储比较信号365的状态(高或低)，并且产生阻抗检测信号DET作为其输出。在一个方面，高状态下的阻抗检测信号DET指示数据引脚D-处的阻抗低，这是因为在被注入测试电流Itest的情况下的Vdn2由于数据引脚D-处的不正常低阻抗状态而低于在没有被注入测试电流Itest的情况下的Vdn1，从而指示数据引脚D-具有不正常的负载状况，例如短路状况或局部短路状况。相似地，低状态下的阻抗检测信号DET指示数据引脚D-处的阻抗通常为高，这是因为在被注入测试电流Itest的情况下的Vdn2由于数据引脚D-处的正常阻抗状态而高于在没有被注入测试电流Itest的情况下的Vdn1，从而指示数据引脚D-具有正常的负载状况。在一个实现方式中，输出电路380是锁存器，并且当使能信号385处于启用状态(如，高状态)时，基于比较信号365产生阻抗检测信号DET。在另一个实现方式中，输出电路380是触发器，并且当使能信号385从一种状态(例如，低状态)转换到另一种状态(例如，高状态)时，基于比较信号365产生阻抗检测信号DET。

参照图4，示出了根据一个实施方式的图3的阻抗测量电路200的操作的时序图。该时序图包括开关S1、S2、S3、S4、SW、比较器360的在节点335处的正输入电压V+、比较器360的在节点325处的负输入电压V-以及阻抗检测信号DET的波形。在一个方法中，如图4所示，阻抗测量电路200在四个阶段T1、T2、T3和T4中进行操作。在其他实施方式中，阻抗测量电路200可以在不同的和/或附加的阶段中进行操作。

在第一阶段T1中，阻抗测量电路200被禁用。开关SW和开关S1被断开，以禁止测试电流Itest流过数据引脚。开关S2和开关S3被接通，并且开关S4被断开。因此，正输入电压V+和负输入电压V-彼此基本上等于数据引脚处的电压电平405。此外，例如低状态下的阻抗检测信号DET指示没有检测到不正常阻抗。

在第二阶段T2中，阻抗测量电路200感测(或采样)与数据引脚处的电压对应的节点325处的电压。第一开关S1被接通并且阻抗测量电路200的分压电路310被启用。另外，开关S2和开关S3保持接通，并且开关S4保持断开。电阻器Rpd1和电阻器Rpd2拉低节点325处的电压。因此，比较器360的在V+节点335处的正输入电压和比较器360的在节点325处的负输入电压V-达到电压电平410。采样和保持电路350对没有被注入测试电流Itest的节点325、335处的电压电平410进行采样作为电压Vdn1。

在第三阶段T3中，阻抗测量电路200保持所采样的电压并且确定数据引脚处的阻抗。开关S2和开关S3被断开，并且开关S4被接通。因此，预定阈值电压V_TH被添加到节点335处的电压Vdn1，并且比较器360的在节点335处的正输入电压V+达到电压电平430。另外，开关SW被接通，以启用电流源220并且向数据引脚注入测试电流Itest。随着测试电流Itest被注入，比较器360的在节点325处的负输入电压V-达到电压电平440。比较器360感测节点325处的电压Vdn2为电平440，并且将节点335处的为电平430的电压Vdn1与节点325处的为电平440的电压Vdn2进行比较。在一个示例中，如果在节点325处的为电平440的电压Vdn2小于在节点335处的为电平430的电压Vdn1，从而指示数据引脚D-处的不正常负载状况，则阻抗测量电路200产生处于高状态450的检测信号DET。检测信号DET可能根据锁存比较信号365的使能信号385而以特定的延迟460产生。

在第四阶段T4中，阻抗测量电路200被重置。第一开关S1保持接通，以启用阻抗测量电路200的分压电路310。另外，开关S2和开关S3被接通，并且开关S4被断开。电阻器Rpd1和电阻器Rpd2拉低节点325处的电压，这是因为在阶段T2中被启用了分压器310。因此，比较器360的在节点335处的正输入电压V+和比较器360的在节点325处的负输入电压V-达到电压电平410。与在阶段T2中不同，响应于在阶段T3中检测到不正常负载状况，检测信号DET被锁存并保持处于高状态450以指示数据引脚D-处的不正常负载状况。阻抗测量电路200可以进入阶段T1，然后比较器360的正输入电压V+和负输入电压V-彼此基本上相等。

如针对图2至图4所公开的，所公开的阻抗测量电路200提供了用于确定数据引脚处的阻抗以确定负载状况的低成本的方法。阻抗测量电路200避免注入高频AC信号以及执行卷积计算来测量阻抗。相反，阻抗测量电路200采用廉价的部件，并且使用DC分量来确定数据引脚处的阻抗。作为结果，所公开的阻抗测量电路200提供了一种用于确定负载状况的廉价解决方案。

建立通信的方法

图5是示出根据一个实施方式的装置110A在建立与负载装置110B的连接之前识别不正常连接的流程图。在一个实施方式中，装置110A是通过USB接口向装置110B提供电力的充电器。在建立通信连接之前，装置110A和装置110B执行握手操作，装置110A如下所述以避免干扰握手操作的方式来识别不正常负载状况。

装置110A通过通信接口140被附接510至负载装置110B。响应于附接负载装置110B，装置110B可以开启装置110A的电源。

装置110A如以上针对图2至图4所述的那样使用阻抗测量电路200来确定520通信接口140的数据引脚处的阻抗。响应于确定数据引脚处的阻抗低，装置110A确定数据引脚具有不正常的负载状况并且关闭530电源。

响应于确定数据引脚处的阻抗是正常的，装置110A确定数据引脚具有正常的负载状况并且执行560握手操作。例如，在USB接口的情况下，装置110A将数据引脚D+和D-短路并且根据USB电池充电1.2协议来执行握手操作。在完成握手操作(即，传递USB BC 1.2协议)之后，释放数据引脚D+和D-。

装置110A还可以使用阻抗测量电路200来再次确定570数据引脚处的阻抗。相似地，响应于确定数据引脚处的阻抗低，装置110A关闭530电源。

响应于确定数据引脚处的阻抗是正常的，装置110A建立580与负载装置110B的通信连接，在装置110A是充电器的情况下，装置110A向负载装置110B供电。

其他实施方式可以以不同的顺序执行图5的步骤。此外，其他实施方式可以包括与此处描述的步骤不同的步骤和/或额外的步骤。例如，可以在握手操作之前的步骤520中或在握手操作之后的步骤570中执行一次对数据引脚处的阻抗的确定。另外，对数据引脚处的阻抗的确定可以执行两次以上。

图6是根据一个实施方式的操作图3的阻抗测量电路的流程图。可以根据在图6中描述的步骤来执行图5的步骤520和570。

在一种方法中，装置110A感测在没有注入被测试电流Itest的数据引脚处的电压。装置110A按比例降低610在没有被注入测试电流Itest时的数据引脚处的电压。在一个实施方式中，装置110A采用分压器电路310来按比例降低数据引脚处的电压。装置110A使用采样和保持电路350对在没有被注入测试电流Itest的数据引脚处的电压的按比例降低的电压进行采样620。此外，该装置使用采样和保持电路350来保持630所采样的电压。可以向所保持的电压添加预定的阈值电压V_TH。

此外，装置110A感测在被注入测试电流Itest的数据引脚处的电压。装置110A向数据引脚注入640测试电流Itest。装置110A使用分压器电路按比例降低650在被注入测试电流Itest时的数据引脚处的电压。

装置110A将在没有被注入电流的数据引脚处的电压的按比例降低的电压与在被注入电流的数据引脚处的电压的按比例降低的电压进行比较660。

装置110A基于该比较而产生670阻抗检测信号DET。在一种方法中，装置110A基于该比较来产生阻抗检测信号DET以指示检测到数据引脚处的阻抗低。装置110A基于阻抗检测信号DET来确定数据引脚处的不正常负载状况。

有利地，所公开的装置和方法使得能够检测来自装置本身的数据引脚处的不正常的负载状况。在没有接收到来自其他装置的指示或通知的情况下，该装置和方法通过测量数据引脚处的阻抗来确定数据引脚处的不正常负载状况。对于充电装置，不正常负载状况的自确定防止向存在短路连接的负载装置提供电力并且避免损坏充电装置和负载装置。

虽然已经在上面针对若干实施方式描述了本发明，但是可以在本发明的范围之内进行各种修改。因此，本发明的公开内容意在说明所附权利要求中阐述的本发明的范围而非意在限制本发明的范围。