多电源供电USB接口的实现方法和USB电源与流程

本发明涉及USB接口，尤其涉及采用USB接口来提供电源供给。

背景技术：

由于目前的USB协议规定USB接口采用单路5V电源供电，所以目前所有的USB接口电源默认输出都是5V，而USB接口电子设备都是5V电源输入。在实际应用中，电子设备内部模块一般需要不同的电源电压供电，例如：12V、5V、3.3V、1.8V、1.2V等，有的甚至需求达到20V以上。目前，电子设备内部模块所需的这些电源都是由USB接口输入的5V电源，经降压或升压变换产生。现有的这种电源供给方式存在一些问题：首先，电源在降压和升压转换过程中，由于转换效率的影响，存在大量的能量损耗，降低了电源利用效率；其次，电源转换的能量损耗都以热量的形式散发，造成电子设备温度升高，需要增加各种散热措施来降低温升；再次，限制了一些高性能但是高功耗、高电压的部件在便携电子设备中的应用，例如：高性能音频器件、高性能电机等。

基于上述原因，一些新的USB接口供电方案不断出现，例如：提升USB供电输出电压最高到12V的QC2.0协议，以及最高到20V的USB Power delivery协议等，这些协议都是通过提升USB电源的供电电压来优化USB供电问题。这类改进的电源供给方式仍然存在一些问题：首先，USB电源的供电电压提升，对于电子设备的电源降压转换模块耐压要求提高，相应成本增加；其次，从高压向低压变化时，例如：从12V降压到1.2V时，电源转换效率较低，造成不必要的能量损耗以及散热措施的采用，不利于电子设备的小型化。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种USB电源，可以简化USB设备电源，提高电源利用效率，减少能量损耗，减少散热措施，有利于电子设备的小型化。

本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种USB电源，包括支持正反插的USB接口；电源路径管理模块，其包括第一组接口和第二组接口以及连接在这两组接口之间的开关阵列，该第一组接口与该USB接口的电源供给端口相连，该第二组接口包括：与第一直流供给相连的接口和与第二直流供给相连的接口；以及控制模块，其与该USB接口的控制端口相连，能够根据从该控制端口获取的信息，对该开关阵列进行控制，从而使该USB电源能够支持正反插地输出第一直流供给和/或第二直流供给；其中，该第一直流供给为基本供给，该第二直流供给为针对USB设备的个性化供给。

本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种多电源供电USB接口的实现方法，包括设置一USB电源，在该USB电源中设置电源路径管理模块，使其包括第一组接口和第二组接口以及连接在这两组接口之间的开关阵列，该第一组接口与USB接口的多个电源供给端口相连，该第二组接口包括：与第一直流供给相连的接口和与第二直流供给相连的接口；并且，在该USB电源中设置控制模块，使其与USB接口的控制端口相连，能够根据从该控制端口获取的信息，对该开关阵列进行控制，从而使该USB电源能够支持正反插地输出第一直流供给和/或第二直流供给；其中，该第一直流供给为基本供给，该第二直流供给为针对USB设备的个性化供给。

与现有技术相比，本发明的USB电源，通过巧妙地设置电源路径管理模块和控制模块，能够支持正反插地输出第一直流供给和/或第二直流供给，可以支持多路不同电压输出，从而可以简化USB设备电源，提高电源利用效率，减少能量损耗，减少散热措施，有利于电子设备的小型化。

附图说明

图1a、图1b和图1c分别是本发明的USB电源、USB线缆和USB设备的框图示意。

图2a和图2b分别是标准的TYPE-C USB插座的端口定义，和本发明的TYPE-C USB插座的端口定义。

图2c和图2d分别是标准的TYPE-C USB插头的端口定义，和本发明的TYPE-C USB插头的端口定义。

图3是本发明的多电源供电USB接口的实现方法的原理性流程示意。

图4是本发明的多电源供电USB接口的实现方法的详细流程示意，适用于USB设备与USB电源采用USB线缆连接的情形。

图5是本发明的多电源供电USB接口的实现方法的详细流程示意，适用于USB设备与USB电源直插连接的情形。

图6是本发明的USB电源的电原理图示意。

图7是本发明的USB线缆的电原理图示意。

图8是本发明的USB设备的电原理图示意。

其中，附图标记说明如下：100 USB电源 120 USB线缆 140 USB设备 160第一负载 180第二负载 101电源输入 102电源转换模块 103电源路径管理模块 1031第一接口 1032第二接口 104 USB接口 105控制模块 121第一USB接口 123第二USB接口 125标识模块 141 USB接口 142电源路径管理模块143电源转换模块 144控制模块 600 USB电源 601电源输入 602电源转换模块 603电源路径管理模块 604 USB接口 605控制模块 700 USB线缆 721第一USB接口 723第二USB接口 725标识模块 800 USB设备 841 USB接口 842电源路径管理模块 844控制模块 860第一负载 880第二负载。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。

参见图1a、图1b和图1c，图1a、图1b和图1c分别是本发明的USB电源、USB线缆和USB设备的框图示意。本发明提供了一种多电源供电USB接口的实现方法，涉及到USB电源100、USB线缆120和USB设备140的实现方法。该方法能够使USB电源100、USB线缆120和USB设备140互相进行检测和识别，在符合条件的情况下，使USB电源100能够输出多路不同电压的电源给USB设备140供电。USB电源100作为电源输出端，可以是电脑等USB主机，也可以是USB电源适配器。USB设备140作为电源输入端可以通过USB线缆120连接到USB电源100，也可以不通过线缆而直接连接到USB电源100。本发明的USB电源100和USB线缆120能够兼容目前传统的单路供电USB设备。

参见图1a，该USB电源100包括：电源输入101，电源转换模块102，电源路径管理模块103，USB接口104，和控制模块105。

电源输入101：提供USB电源的输入电源，根据USB电源100的型式不同，输入电源不同。例如：PC的USB接口，输入为直流(DC)电源；而电源适配器，输入为交流(AC)电源。

电源转换模块102：用于将USB电源100的输入电源进行转换，提供USB电源的输出电源。根据USB电源型式不同，电源转换模块不同：当USB电源输入为AC电源时，电源转换模块为AC/DC整流滤波及DC降压变压器；当USB电源输入为直流电源时，电源转换模块为DC-DC电源转换。该电源转换模块102支持多路直流输出，电压可调。在本实施例中，电源转换模块102输出的第一直流供给为5V DC，当输入电源正常时，第一直流供给为默认输出，供给USB电源100本身其它模块的电源需求；电源转换模块102输出的第二直流供给为20V DC，默认关闭。值得一提的是，该第二直流供给可以在一定范围调节，例如：3V-30V，以满足USB设备的个性化需求。

电源路径管理模块103：位于电源转换模块102的输出和USB接口104的电源端口之间，对两者的连接进行通路控制。首先，当USB设备140未插入时，断开电源转换模块102的输出与USB接口104的电源通路，满足USB协议要求；其次，由于USB Type-C接口支持正反两个方向插入，需要根据插入方向控制电源转换模块102的不同输出连接到对应的USB接口104的电源端口。

可以理解的是，该电源路径管理模块103包括第一组接口1031和第二组接口1032以及连接在这两组接口1031、1032之间的开关阵列，该第一组接口1031与该USB接口104的电源供给端口相连，该第二组接口1032包括：与第一直流供给相连的接口和与第二直流供给相连的接口

USB接口104：用于连接USB线缆120或USB设备140，本发明的USB接口采用Type-C型接口。在本实施例中，该USB接口104为Type-C插座。

根据USB协议规定，标准的Type-C插座接口信号定义如图2a所示，其中A4、A9、B4、B9端口均为USB接口单路电源VBUS。本发明提供的USB电源100的USB接口对标准Type-C接口定义进行修改，将VBUS电源端口拆分为多电源端口。如图2b所示，在本实施例中，将A4和B4定义VBUS1(例如：与第一直流供给相对应)，A9和B9定义为VBUS2(例如：与第二直流供给相对应)，可以实现双路电源供电。在其他实施例中，，可将A4、A9、B4、B9四个端口分别定义为VBUS1、VBUS2、VBUS3、VBUS4，以实现四路电源供电。本发明的Type-C接口其余端口定义和功能保持与传统USB Type-C接口一致，在此不再赘述。

值得一提的是，参见图2c和2d的Type-C插头定义，直插连接时，USB设备140采用Type-C插头，USB电源100仍然使用Type-C插座。

控制模块105：用于控制电源转换模块102和电源路径管理模块103，使得USB接口104能够提供USB设备140所需的电源供给。该控制模块105与该USB接口104的控制端口相连，能够根据从该控制端口获取的信息，对该电源转换模块102的输出电压和该电源路径管理模块103的开关阵列进行控制，从而使该USB电源100能够支持正反插地输出第一直流供给和/或第二直流供给。

具体而言，该控制模块105的主要功能包括：①、完成USB协议规定的USB设备140插入识别过程，建立USB电源100、USB线缆120和USB设备140的正常识别。②、检测USB线缆120的标识信息，读取线缆参数，包括线缆支持的电源数量、额定电流等。③、检测USB设备140的标识信息，识别设备的参数，包括设备所需求的电源数量和电压等。④、根据识别到的USB线缆120和USB设备140的标识信息，控制电源转换模块102，输出符合需求的电源(主要指针对USB设备的个性化需求，而调节第二直流供给，使其能够满足要求)。⑤、检测USB接口104的插入方向，根据插入方向不同，控制电源路径管理模块103将电源转换模块102的输出到不同的VBUS端口。⑥、标识出USB电源100本身的设备参数，包括支持输出的电源数量及电压范围等信息，供USB设备140进行检测。

参见图1b，该USB线缆120为电子标识(EMCA)线缆，其包括：第一USB接口121，第二USB接口123和标识模块125。

第一USB接口121和第二USB接口123：均采用USB Type-C型插头，标准的USB Type-C插头接口定义如图2c所示，本发明的USB Type-C插头接口定义如图2d所示，电源端口定义与图2b所示USB电源100的USB接口VBUS端口定义一致。USB线缆120两端的两个USB接口121、123的VBUS分别对应，各自通过独立电源线连接。USB接口121、123其它端口定义与标准USB Type-C接口插头定义一致。

标识模块125：用于标识USB线缆120的类型和参数，包括USB线缆120支持的电源数量、每路电源的额定电流等。

参见图1c，该USB设备140包括：USB接口141，电源路径管理模块142，电源转换模块143和控制模块144。

USB接口141：采用USB Type-C型接口，根据USB设备类型不同，接口使用的型式不同。对于无需线缆连接的直插型USB设备，USB接口采用USB Type-C型插头，接口定义与USB线缆120的接口定义一致，如图2d所示；对于需要线缆连接的USB设备，USB接口采用USB Type-C型插座，接口定义与USB电源100的接口定义一致，如图2b所示。

电源路径管理模块142：对USB接口141输入的多路电源进行通路控制，保证USB Type-C接口正反两个插入方向时，控制各路均能准确切换到相应的负载160、180。对于线缆连接型USB设备，电源路径管理模块142是必需的；对于直插型USB设备，电源路径管理模块142非必需。

电源转换模块143：用于对USB输入电源进行电源转换，将输入电源转换为其它所需电源给负载供电；该模块为可选模块，如果USB多路供电能满足设备需求，则无需该模块。

控制模块144：用于实现以下功能：①、完成USB协议规定的USB接口识别过程，建立USB电源100、USB线缆120和USB设备140的正常连接。②、与USB电源100的控制模块105进行通信，获取USB电源100和USB线缆120的信息。③、根据获取到的USB电源100和USB线缆120的信息以及检测到的USB接口的插入方向，控制电源路径管理模块142，将USB接口141输入电源切换到各自的负载160、180。④、标识出USB设备140本身的设备参数，包括支持所需的电源数量及电压等信息，供USB电源100进行检测。

参见图3，图3是本发明的多电源供电USB接口的实现方法的原理性流程示意。本发明的多电源供电USB接口的实现方法大致包括以下步骤：

S301、将USB接口标准定义的四个电源供给端口与多路电源供给相对应。

S303、在USB电源中设置电源转换模块，用于提供第一直流供给和第二直流供给。

S305、在USB电源中设置电源路径管理模块，用于提供电源转换模块与USB接口之间链路的切换。

S307、在USB电源中设置控制模块，用于控制该电源路径管理模块和该电源转换模块。

参见图4，图4是本发明的多电源供电USB接口的实现方法的详细流程示意，适用于USB设备与USB电源采用USB线缆连接的情形。这时，本发明方法包括：

S401、设备通过线缆连接到电源，电源识别设备插入。

S403、识别线缆插入方向，控制路径管理给设备输出第一直流供给。

S405、启动设备检测模块，设备识别到USB电源接入。

S407、识别线缆是否为电子标识线缆？是的话，转步骤S409，否则转步骤S421。

S409、电源给线缆供电，启动线缆上的标识模块。

S411、电源/线缆/设备建立通信，电源读取线缆和设备信息。

S413、判断第二直流供给是否满足设备供电需求？是的话，转步骤S415，否则转步骤S423。

S415、调整第二直流供给，并通过路径管理将多路电源输出到设备。

S417、设备检测USB插入方向，调整电路路径管理模块切换到不同的负载。

S419、USB设备正常工作。

S421、普通无源线缆，不支持多路供电。

S423、关闭USB电源，USB设备不工作。

参见图5，图5是本发明的多电源供电USB接口的实现方法的详细流程示意，适用于USB设备与USB电源直插连接的情形。这时，本发明方法包括：

S501、设备直接连接到电源，电源识别设备插入。

S503、电源识别设备插入方向，控制路径管理给设备输出第一直流供给。

S505、启动设备检测模块，设备识别到USB电源接入。

S507、电源/设备建立通信，电源读取设备信息。

S509、判断第二直流供给是否满足设备供电需求？是的话，转步骤S511，否则转步骤S517。

S511、调整第二直流供给，并通过路径管理将多路电源输出到设备。

S513、设备检测电源USB方向，调整电路路径管理模块切换到不同的负载。

S515、USB设备正常工作。

S517、关闭USB电源，USB设备不工作。

参见图6，图6是本发明的USB电源的电原理图示意。USB电源600通过插头601输入220V市电，电源转换模块602采用AC/DC整流变化模块将220V AC电源转换为300V左右的高压DC电源，然后通过DC降压变压器将该高压DC电源降压。其中，DC降压变压器支持双路输出OUT1、OUT2，且输出电压可调，其中输出OUT1(即第一直流供给)默认为5V，输出OUT2(即第二直流供给)默认关闭。输出OUT1的5V电源同时给USB电源600内的控制模块605供电。

USB电源600的电源路径管理模块603采用4路功率开关S1、S2、S3、S4，默认全部断开。功率开关S1、S2、S3、S4由控制模块605根据USB Type-C协议和检测到的USB线缆和设备标识信息进行控制。

控制模块605选用USB Type-C控制芯片，其支持USB Power Delivery 2.0协议，其工作原理如下。

①、当USB设备通过USB线缆接入时，USB Type-C控制芯片检测到USB设备接入，识别USB接口的插入方向。如果USB线缆正插，即USB线缆的VBUS1(Cable)和USB电源的VBUS1(Host)对应，控制功率开关S1接通，提供第一直流供给给VBUS1(Host)及VBUS1(Cable)；如果USB线缆反插，即USB线缆的VBUS1(Cable)和USB电源的VBUS2(Host)对应，控制功率开关S3接通，提供第一直流供给给VBUS2(Host)及VBUS1(Cable)，以此确保第一直流供给必须通过线缆的VBUS1(Cable)提供给USB设备，首先给USB设备的控制模块供电。

②、USB Type-C控制芯片识别到USB线缆插入，控制自身内部开关接通，将输出OUT1提供的第一直流供给输送到VCONN给USB线缆的标识模块供电。

③、USB Type-C控制芯片通过USB接口604的CC信号与USB线缆的标识模块以及USB设备的控制模块建立USB Power Delivery协议通信，读取USB线缆和USB设备里面的标识信息，识别USB线缆的类型是否支持多路电源，识别USB设备的供电电压需求信息，在本实施例中，USB电源识别到USB设备需要第一直流供给和第二直流供给两路电源。

④、USB Type-C控制芯片根据识别到的USB设备的信息，控制电源转换模块602的输出OUT2产生USB设备需求的第二直流供给，同时对应于USB线缆正插或反插，分别接通功率开关S2或S4，将第二直流供给输入到VBUS2(Host)或VBUS1(Host)，确保第二直流供给通过USB线缆的VBUS2(Cable)提供给USB设备。

由上可见，该电源路径管理模块603的开关阵列由四个功率开关S1、S2、S3、S4构成，其中功率开关S1、S3用于建立该第一直流供给(5V)的供给链接，功率开关S2、S4用于建立该第二直流供给(20V)的供给链接。具体而言，这四个功率开关S1、S2、S3、S4默认都是断开的，当该USB电源连接USB设备时，该控制模块605根据USB设备的插入方向，首先使功率开关S1或S3闭合，其它三个功率开关保持断开，使得该USB电源输出第一直流供给该USB设备建立通信；进而，该控制模块605判断该第二直流供给是否能够满足USB设备的个性化需求，如果能够满足，根据连接方向，使功率开关S2或S4闭合，如果不能够满足，使四个功率开关S1、S2、S3、S4再次全部断开。在本实施例中，功率开关S1、S2、S3、S4选用MOS管实现。

参见图7，图7是本发明的USB线缆的电原理图示意。该USB线缆700能够与本发明的USB电源600配接。该USB线缆700支持双路供电，其内部采用双路VBUS线缆，分别将线缆两端的USB连接器721、723的VBUS1和VBUS2对应连接，形成两个电源传输路径。标识模块725选用USB Type-C电子标识芯片，由USB电源600提供的VCONN电源供电，能够标识USB线缆的参数，如支持双路电源、电源的额定电流和电压、线缆的数据速率等。

参见图8，图8是本发明的多电源USB接口的USB设备的电原理图示意。该USB设备800可以通过USB线缆700与本发明的USB电源600相连，由USB电源600提供电源供给。该USB设备800的电源路径管理模块842采用四路功率开关S1、S2、S3、S4，其中功率开关S1、S3默认接通，功率开关S2、S4默认断开，连通5V负载通路860。当USB设备800通过USB线缆700接到USB电源600时，USB电源600检测到USB设备800后会输出5V电源，通过USB线缆的VBUS1(Cable)提供给USB设备800。由于USB设备800的USB接口841也支持正反插操作，正插时，USB线缆700的VBUS1(Cable)对应于USB设备800的VBUS1(Device)；反插时，USB线缆700的VBUS1(Cable)对应于USB设备800的VBUS2(Device)。由于功率开关S1、S3默认接通，无论正插或反插，都会有第一直流供给提供给USB设备800的控制模块844。

控制模块844选用USB Type-C控制芯片，支持USB Power Delivery功能。其识别到USB电源600提供的第一直流供给之后，启动USB设备端的接口识别过程，控制电源路径管理模块842，其工作原理如下。

①、USB设备800的控制模块844通过USB接口841的CC信号与USB电源600的控制模块605建立USB Power Delivery协议通信，可以获取USB线缆700和USB电源600里面的标识信息，识别USB线缆700的类型是否支持多路电源，识别USB电源600所能提供的电源电压信息。

②、如果USB电源600能满足设备需求，USB Type-C控制芯片识别USB接口的插入方向。如果USB线缆700正插，即USB线缆700的VBUS1(Cable)和USB设备的VBUS1(Device)对应，控制功率开关S3断开、开关S4接通，使VBUS2(Device)切换到20V负载通路880；如果USB线缆700反插，即USB线缆700的VBUS1(Cable)和USB设备800的VBUS2(Device)对应，控制功率开关S1断开、开关S2接通，使VBUS1(Device)切换到20V负载通路880；

③、如果USB电源600无法满足设备需求，则通知USB电源600关闭电源输出，USB设备800不工作。

与现有技术相比，本发明通过巧妙地设置电源路径管理模块103和控制模块105，使USB电源100能够支持正反插地输出第一直流供给和/或第二直流供给，可以支持多路不同电压输出，从而可以简化USB设备电源，提高电源利用效率，减少能量损耗，减少散热措施，有利于电子设备的小型化。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。