USB供电端口控制的制作方法

本申请案主张2014年5月6日提出申请的第61/989,112号美国临时申请案的权益，所述美国临时申请案的全文并入本文中。

技术领域

本发明涉及通用串行总线(USB)技术，明确地说涉及用于对USB集线器中所包括的USB端口提供过电流保护的电力开关。

背景技术：

已开发通用串行总线(USB)标准以向个人计算机用户提供用于将宽广范围的外围装置连接到桌上型计算机及膝上型计算机的单个硬件及软件接口。USB已成为用于外围装置的选择接口，这是因为USB提供简单连接性及已证明对与大量外围装置通信有效的标准化接口。除提供用于在外围装置与主机装置之间通信的标准化接口之外，USB还提供经由USB连接双向地转移电力的能力。

建立于电池技术的进步，通过内部可再充电电池至少部分地供电的外围装置已变得在市场中常见。USB已变成用于对这些电池供电式外围装置进行充电的流行机构。对于许多外围装置来说，USB是经提供用于对外围装置的内部电池进行充电的唯一接口。一些USB外围装置不具有内部电池且严格依靠经由USB连接所提供的电力以便进行操作。

从硬件角度，主机装置通常经由通常具有两个或两个以上USB端口的集线器而提供USB接口。通常，USB集线器使可由主机装置支持的USB端口的数目倍增。集线器所支持的USB端口中的每一者是“供电端口”，除支持数据传送之外，所述供电端口还提供给经连接USB外围装置供电及/或对经连接USB外围装置进行充电的能力。一些USB端口经配置为不支持数据传送且严格用于转移电力的专用充电端口，从而使这些端口尤其适合于对外围USB装置的电池进行充电。一些集线器包含内部电力供应器且因此“自供电”。自供电的集线器必须包含过电流保护，以便限制允许连接到集线器的外围装置汲取可能有害电流电平的可能性。

在符合USB标准的装置中，根据在USB说明书及其修订本中所陈述的阈值来限制可经由USB连接转移的电力量。在USB标准的第一版本中，将可经由USB连接转移的电流量限制为500mA。随后将针对USB连接的此电流限制增加到900mA且接着增加到1.5A。针对USB充电端口的电流限制最近已增加到5A。在一些情形中，外围装置一连接到USB集线器的USB端口中的一者，所述USB集线器就提供最大可用电流。然而，在大多数例子中，主机装置对外围装置进行的枚举确定USB集线器应提供的适当电流电平。主机装置的USB硬件必须能够支持这些各种电流限制设定，并提供在任何给定时间均保持低于适用于USB端口的临限电流限制的经调节电力供应。

USB集线器实施电力切换电路，所述电力切换电路经配置以将适用电流限制强加于集线器所支持的USB端口。通常，当由连接到USB端口的外围装置所汲取的电流超过电流限制时，电力切换关断供应到所述USB端口的电力。USB集线器可使用两个不同机构来实施电力切换。

个别模式电力切换针对每一USB端口实施专用电力切换机构。每一USB端口具有一个别电力切换机构，所述个别电力切换机构测量由连接到所述USB端口的外围装置所汲取的电流，且在所述经测量电流汲取超过对此端口强加的电流限制的情况下切断由所述端口的USB连接所提供的电力。

第二电力切换机构是分群(gang)模式电力切换，其中USB集线器在共同基础上调节并控制到USB端口群组的电力。在经分群模式电力切换中，USB集线器测量连接到经分群USB端口的外围装置所共同汲取的总电流。如果由经分群USB端口所汲取的经测量总电流超过正强加的电流限制，那么USB集线器切断到所有经分群USB端口的电力。

就实施过电流保护所需要的成本来说，分群模式电力切换优于个别模式切换，这是因为实施分群模式电力开关仅需要单个电力开关及测量所有端口正汲取的电流的单个电流感测组件，而个别模式需要用于每一USB端口的单独电力开关与电流感测组件。尽管分群模式电力切换提供成本节省，但随着USB充电端口变得越来越普遍且USB端口所支持的电流限制增加，分群模式电力开关对用于递送此电力的USB连接器提出更大要求。

明确地说，实施分群模式电力切换需要：包括USB端口中的每一者的USB连接器经受高达由单个电力开关及电流感测组件正强加的电流限制的电流。由于通常将分群模式电力开关所使用的电流限制与所有所支持USB端口上的电流汲取的总和进行比较，因此此电流限制通常设定为尽可能高的以便支持所述所支持USB端口上的同时电流汲取。此外，必须由USB供电端口开关支持的电流限制已随着由USB支持的电流汲取的增加而逐渐增加。然而，在改变USB标准之前，目前正出售的许多USB连接器最初经设计以在使用时供在较低电流电平下使用。因此，分群模式电力开关中所使用的USB连接器组件可暴露于超过所述USB连接器的电流额定值的电流电平，因而使这些组件加压并增加故障及失败。

个别电力模式切换对USB连接器施加较小应力，这是因为每一USB端口具有经配置以保护个别USB端口的专用电力开关及电流感测单元。此允许个别模式电力开关中的电流限制设定根据正受保护的个别USB端口的连接器硬件的电流额定值及连接到所述USB端口的外围装置的性质而设定，而不关注为多个USB端口提供用以同时操作的充足电流。因此，需要可提供分群模式电力切换的成本效益同时提供个别模式电力切换所提供的USB连接器上的经减小应力及个别化保护的USB电力切换。

技术实现要素：

常规电力开关必须在个别模式电力切换与经分群模式电力切换的优点及缺点之间做出选择。因此，需要可提供两种电力切换模式所提供的一些益处的电力开关。此透过本发明的实施例而实现。

根据实施例，USB集线器包含多个USB端口、用于将电流供应提供到所述多个USB端口的电力元件、多个电流测量单元及供电端口控制逻辑单元。所述多个电流测量单元测量由USB端口子群组所汲取的电流。USB端口子群组由所述多个USB端口中的一或多者构成。所述供电端口控制逻辑单元经配置以控制所述电力元件。所述供电端口控制逻辑单元从所述多个电流测量单元接收一或多个电流测量且经配置以在所述所接收电流测量指示所述USB端口子群组中的一或多者已超过电流限制的情况下引导所述电力元件关断到所述多个USB端口的所述电流供应。

根据其它实施例，所述电力元件是电力开关或可控制电力供应器。根据其它实施例，所述电流测量单元中的每一者包括分流电阻器及电流感测单元。其它实施例包含多个寄存器，其中所述多个寄存器中的每一者针对每一USB端口子群组存储一电流限制。其它实施例包含比较器，所述比较器经配置以从所述多个寄存器检索一或多个电流限制且进一步经配置以确定所述电流测量中的一或多者是否超过所述所检索电流限制中的一或多者。根据其它实施例，所述电流测量单元包括模/数转换器。根据其它实施例，所述供电端口控制逻辑单元进一步经配置以对所述所接收电流测量进行求和以确定由所有USB端口子群组所汲取的总电流，且所述供电端口控制逻辑单元进一步经配置以确定由所有USB端口子群组所汲取的所述总电流是否超过电流限制。

附图说明

通过参考附图，可较好地理解本发明，且所属领域的技术人员可明了本发明的众多目标、特征及优点。在不同图式中，使用相同参考符号来指示类似或相同物项。

图1是图解说明常规个别模式电力开关的组件的示意图。

图2是图解说明常规分群模式电力开关的组件的示意图。

图3是图解说明所主张本发明的电力开关实施例的组件的示意图。

图4是图解说明所主张本发明的另一电力开关实施例的组件的示意图。

具体实施方式

参考在附图中图解说明且在以下说明中详述的示范性(且因此非限制性)实施例更全面地阐释本发明及本发明的各种特征及有利细节。可省略对已知编程技术、计算机软件、硬件、操作平台及协议的说明，以便在细节上不使本发明不必要地模糊。然而，应理解，虽然指示优选实施例，但详细说明及特定实例仅以图解方式而非限制方式给出。所属领域的技术人员依据此揭示内容将明了在基础发明性概念的精神及/或范围内的各种替代、修改、添加及/或重新布置。

另外，本文中所给出的任何实例或图解不应以任何方式视为对其借此得以利用的任一或任何术语的局限、限制或明确定义。替代地，这些实例或图解应视为关于一个特定实施例而描述且仅为说明性的。所属领域的技术人员将了解，这些实例或图解借此得以利用的任一或任何术语涵盖其它实施例以及可能或可能不随其或在本说明书中的其它地方给出的其实施方案及更改，且所有此些实施例均打算包含在所述或那些术语的范围内。

图1图解说明个别模式电力切换的常规实施方案。在图1的电力开关实施方案中，USB集线器100经由两个USB端口105及110提供与外围装置的USB连接性。代表主机装置，USB集线器100经由USB端口105及110支持所述主机装置与外围USB装置之间的数据传送及电力转移。使用支持USB端口105及110中的每一者处的USB连接的个别对D+与D-线来支持数据传送。电力开关115及120支持经由USB端口105及110进行的电力转移。USB集线器100由USB端口105及110通过经由PRTPWR信号线发信号通知相应电力开关115及120而独立地实现电力转移。作为个别模式电力切换实施方案，图1中所图解说明的USB端口中的每一者具有专用电力开关，从而允许通过每一USB端口进行的电力转移受USB集线器100独立控制。除给USB端口105及110供应电力之外，电力开关115及120还分别保护USB端口105及110以及连接到那些端口的外围装置免受可能潜在地损坏外围装置或主机装置中的电路的过电流情况影响。

在对USB端口105及110中的每一者提供个别电流保护中，电力开关115及电力开关120两者均包含过电流感测电路，所述过电流感测电路测量由USB端口所汲取的电流并确定所述经测量电流汲取是否超过针对所述USB端口的预定电流限制。作为个别模式电力开关实施方案，每一电力开关115及120独立地操作。如果电力开关115的电流感测电路检测到由连接到USB端口105的外围装置进行的超过针对所述端口的电流限制的电流汲取，那么电力开关115关断到USB端口105的电力。在检测到过电流情况并断开到USB端口的电力后，每一电力开关即刻经由过电流感测(OCS)信号线将此条件往回发信号通知到USB集线器100。可基于对连接到每一USB端口的外围装置的枚举而个别地确定针对USB端口105及110的电流限制。基于连接到每一USB端口的外围装置的性质而个别地制定对所述端口的电流限制保护的此能力是个别模式电力切换所提供的关键益处。然而，如上文所描述，此益处是以包含用于每一USB端口的电力切换及电流感测硬件所需的成本代价实现。

图2图解说明常规分群模式电力切换实施方案。在此电力开关实施方案中，USB集线器200经由USB端口205及210支持与外围装置的USB连接。如同个别模式电力切换实施方案，USB集线器200经由USB端口205及210支持主机装置与外围USB装置之间的数据传送及电力转移。与个别模式电力切换相同地，使用支持USB端口205及210中的每一者处的USB数据传送的个别对D+与D-线来支持数据传送。

不同于个别模式电力开关，在图2的分群模式电力开关中，经由USB端口105及110进行的电力转移受单个电力开关215控制。USB集线器200由USB端口105及110两者通过经由PRTPWR信号线发信号通知电力开关215而实现电力转移。作为分群模式电力开关的实施方案，USB端口105及110共用单个电力开关与电流感测单元215。因此，通过USB端口105及110进行的电力转移受USB集线器100共同控制。如同图1的个别模式电力开关，电力开关215保护USB端口205及210以及连接到那些端口的外围装置免受可能损坏外围装置或主机装置中的电路的过电流情况影响。

电力开关215包含过电流感测电路，所述过电流感测电路测量由USB端口205及210所共同汲取的总电流并确定这些端口中的任一者上是否存在过电流情况。作为分群模式电力开关，电力开关215对USB端口205及210两者提供共同过电流保护。如果电力开关215的电流感测电路检测到由USB端口205及USB端口210进行的超过规定电流限制的总电流汲取，那么电力开关215关断到USB端口205及USB端口210两者的电力递送。在检测到过电流情况且断开到USB端口205及210两者的电力后，电力开关215即刻经由OCS信号线将此过电流情况往回发信号通知到USB集线器200。

通常基于对连接到USB端口205及210两者中的每一者的外围装置的枚举而确定由电力开关215强加于所述USB端口上的电流限制。基于对所有经连接外围装置的枚举，可由USB集线器200确定充分保护所有外围装置的单个电流限制。将由USB集线器200确定的电流限制传递到强加此电流限制的电力开关215。不同于个别模式电力开关，分群模式电力开关无法个别地制定对每一USB端口的电流限制保护。然而，通过利用单个电力开关与电流感测单元，与个别模式电力开关相比，分群模式电力开关提供相当大的成本节省。

图3图解说明能够使个别模式电力切换与分群模式电力切换以提供两种过电流保护模式中的每一者所提供的特定益处的方式组合的电力切换的实施例。在图3中所图解说明的实施例中，使用单个电力开关325给USB端口305及USB端口350提供过电流保护。供电端口控制逻辑单元300控制电力开关325。在一些实施例中，供电端口控制逻辑单元是USB集线器或USB供电端口控制器的组件。供电端口控制逻辑单元300基于USB端口350或USB端口305上所汲取的电流是否已触发电流限制阈值而控制电力开关325的状态。独立地监视USB端口350及USB端口305两者以检测连接到这些端口的外围装置是否正汲取超过电流限制阈值的电流。

在图3的实施例中，使用电流感测单元及分流电阻器来测量由连接到USB端口305或USB端口350的外围装置所汲取的电流。更具体来说，由电流感测单元320及分流电阻器310测量USB端口305上所汲取的电流。电流感测单元320基于跨越分流电阻器310的经测量电压降而计算USB端口305上所汲取的电流。另一电流感测单元340及分流电阻器345类似地确定USB端口350上所汲取的电流。使用由电流感测单元320所产生的电流测量来检测USB端口305上的过电流情况，且使用由电流感测单元340所产生的测量来检测USB端口350上的过电流情况。

为确定在USB端口中的任一者中是否已超过电流限制，将由电流感测单元做出的电流测量与针对USB端口中的每一者已个别地规定的电流限制值进行比较。在一些实施例中，使用比较器组件来确定是否已超过USB端口的电流限制。在图3的实施例中，比较器330接收USB端口305上所汲取的经测量电流，如由电流感测单元320所测量。比较器330对照存储于寄存器315中的与USB端口305相关联的电流限制设定而评估经测量电流的值。如果比较器330确定经测量电流超过USB端口305的电流限制设定，那么比较器330将此情况发信号通知到供电端口控制逻辑单元300。响应于在USB端口305上检测到此过电流情况，端口电力控制逻辑单元300接着发信号通知电力开关325以切断供应到USB端口305及USB端口350两者的电力。

供电端口控制逻辑单元300基于关于USB端口350所做出的电流测量而类似地提供过电流保护。分流电阻器345及电流感测单元340用以测量USB端口350上所汲取的电流。比较器335对照对USB端口350的电流限制设定来评估这些电流测量。比较器从寄存器355检索对USB端口350的电流限制设定。基于电流限制设定及经测量电流，比较器335确定USB端口350中是否存在过电流情况。如果检测到过电流情况，那么比较器335将此信息转送到供电端口控制逻辑单元300。与在USB端口305中检测到过电流情况相同地，供电端口控制逻辑单元300通过发信号通知电力开关325以切断供应到USB端口305及USB端口350两者的电力而对USB端口350中的过电流情况做出响应。

以此方式，图3的实施例利用单个电力开关325来实施对多个USB端口的过电流保护同时利用对每一USB端口个别化的电流感测测量及确定。通过支持可针对个别USB端口而制定的电流限制设定，可做出电流限制评估，同时使包括所述USB端口的USB连接器上的应力最小化。因此，图3的实施例提供分群模式电力开关的成本效益，同时仍提供个别模式电力开关所提供的经减小应力及较严密制定的过电流保护。

在一些实施例中，针对每一USB端口的电流限制可为比较器的固定方面。图3的实施例利用寄存器315及355来存储电流限制设定以分别检测USB端口305及350中的过电流情况。可视需要运用经更新电流限制设定来更新这些寄存器。在一些情景中，由这些寄存器所提供的灵活性无法证明其额外成本是合理的。替代地，每一比较器可替代地利用固定电流限制设定。在其它实施例中，可使用单个寄存器来存储由所有比较器所使用的单个电流限制设定。在一些情景中，可使用相同电流限制用于对所有USB端口进行过电流保护。此单个电流限制可存储于由比较器中的每一者存取的中央寄存器中。

图4图解说明使用端口电力控制逻辑单元来为四个经分群USB端口提供过电流保护的实施例，所述端口电力控制逻辑单元经配置以充当电流限制阈值的中央评估器。针对四个经分群USB端口410、420、430及440中的每一者提供独立电流感测。如同图3的实施例，使用电流感测组件(例如分流电阻器及相关联电流感测单元)来独立地实施对USB端口中的每一者的电力线的电流感测。通过电流感测组件405确定由连接到USB端口410的外围装置所汲取的电流。同样针对其余USB端口中的每一者而独立地实施电流感测。每一电流感测单元405、415、425及435将电流测量输出到端口电力控制逻辑单元400。

图4的实施例利用专用可切换电力供应器445将电力提供到所支持USB端口，而非利用电力开关。如同图3的实施例的电力开关，电力供应器445接收来自供电端口控制逻辑单元400的命令。如果供电端口控制逻辑单元400检测到过电流情况，那么分派指令电力供应器445切断到USB端口410、420、430及440的电力的命令。在由自给式及单独供电式组件(例如汽车电子器件)构成的系统中，用专用电力供应器445替换电力开关是尤其有用的。

在图4的实施例中，端口电力逻辑控制单元400经配置以充当能够评估所支持USB端口410、420、430或440中的任一者上是否已违反电流限制设定的比较器。由电流感测单元405、415、425及435做出的测量被提供到电力逻辑控制单元400，所述电力逻辑控制单元接着将所述测量与从一组电流限制寄存器450所检索的电流限制设定进行比较。如同图3的实施例，所支持USB端口410、420、430或440中的每一者将具有存储于所述组电流限制寄存器450中的相关联寄存器中的电流限制。此外，所述组电流限制寄存器450中可存在一或多个额外寄存器，其中这些额外寄存器存储用于评估由所有USB端口410、420、430或440进行的共同电流汲取的电流限制。端口电力逻辑控制单元400经配置以将所接收电流测量与从电流限制寄存器450中的一者所检索的相关联电流限制设定进行比较。如果违反电流限制，那么端口电力控制逻辑单元400发信号通知电力供应器445以切断到所有USB端口的电力。

以此方式经配置，端口电力逻辑控制单元400能够做出关于个别USB端口及所有所支持USB端口的总体使用两者的电流限制确定。因此端口电力逻辑控制单元400能够基于多种情况而强加电流限制。端口电力控制逻辑单元400实施个别模式电力切换所提供的个别化过电流保护及分群模式电力切换所提供的共同保护两者。

在一些实施例中，除充当比较器之外，端口电力控制逻辑还将进一步经配置以充当电流感测单元。在此类实施例中，仍可使用分流电阻器来获得可用于计算由个别USB端口进行的电流汲取的电压测量。与每一分流电阻器相关联的电压测量是到端口电力控制逻辑单元的输入。在一些实施例中，可使用输入多路复用器，其中多路复用器输入接收针对分流电阻器中的每一者的多对电压测量。所述多路复用器进一步经配置以检索适用于来自寄存器的每一对分流电阻器读数的电流限制，所述寄存器存储针对个别USB端口的电流限制。所述多路复用器进一步经配置以将每一对电压测量输出到经配置为电流感测单元的模/数转换器(ADC)。接着由端口电力控制逻辑单元使用由ADC做出的测量及所检索电流限制来做出过电流确定。如上文所描述，以此方式配置的端口电力控制逻辑单元能够针对每一USB端口做出个别过电流确定，以及跨越所有USB端口做出共同过电流确定。

在一些实施例中，可将USB端口划分成多个子群组，其中每一USB端口子群组共用单个电流感测单元及单个比较器。在此些例子中，多个USB端口可共同受单个电流限制保护，同时安全地保持在针对用于实施每一USB端口的USB连接器的电流额定值内。每一USB端口子群组使用共用电力轨而供电。在子群组所共用的电力轨上使用分流电阻器来测量由个别USB端口子群组进行的电流汲取。举例来说，在图4的实施例的修改形式中，电流感测组件405可测量USB端口410及420上所汲取的电流，且电流感测组件425可测量USB端口430及440上的电流汲取。可根据USB连接器的电流额定值来确定可分群到此些子群组中的USB端口的数目。

根据各种实施例，可使用专用电流感测单元及从寄存器检索针对每一子群组的电流限制的比较器来评估对所述子群组的测量。举例来说，在一些实施例中，将使用ADC来实施电流感测，所述ADC经配置以做出针对每一个别USB端口子群组的过电流确定。根据其它实施例，可由端口电力控制逻辑单元集中地评估对所有子群组进行的电流测量。如所描述，可使用ADC及输入多路复用器来实施对所有USB端口子群组进行的集中过电流评估。以此方式对USB端口进行分组提供减少电流感测及比较器单元的数目的成本效益，同时仍确保USB连接器不经受可能损坏电流。