Usb线供电电源系统及usb线供电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源系统领域，尤其是涉及一种降低USB线供电芯片发热量的电源系统以及降低USB线供电芯片发热量的方法。
【背景技术】
[0002]随着集成电路技术的发展，芯片规模的扩大、速度的提升以及功能复杂性的提高等都对芯片自身的功耗要求越来越高。加之封装后的芯片具有热阻，即芯片消耗的功率加大，进一步增加了芯片的耗散功率。如果封装片内部环境到封装片外部环境的热势差越大，并且在环境温度相同的条件下，说明芯片本身的温度也就越高。由于芯片的最高工作温度是固定的，所以降低功耗就需要降低芯片内部的耗散功率。所以在芯片电源系统设计中，需要考虑尽可能减小芯片内部耗散功耗的最大值。
[0003]参见图1，图1为普通USB线供电方案的电路结构原理图，在设有USB芯片的PCB板上，USB接口 10与芯片13电连接，芯片13与外设14电连接，PCB板上的USB接口 10通过USB线12与其相配对的外部的USB接口与外部电源电连接，在USB电源系统中，一般芯片10 口(输入输出端口)和外设14的工作电压为3.3伏，芯片13自身逻辑工作电压为1.2伏或1.8伏。
[0004]传统的降低芯片功耗的解决方案主要有以下有三种:
假设芯片10 口和外设最大工作电流为133，逻辑最大工作电流为112，则芯片的总最大工作电流为133和112之和。USB线供电输入电压最大值为5.25伏，芯片10 口和外设的工作电压为3.3伏，逻辑工作电压为1.2伏。
[0005]参见图2，图2为现有的一种通过内部LD0(低压差线性稳压器)供电方案的电路结构原理图，其中USB接口 20与芯片23上的两个并联连接的片内低压差线性稳压器的公共输入端电连接，其中第一片内低压差线性稳压器25的输出端与外设24电连接，第二片内低压差线性稳压器26的输出端接电容后接地。在此方案中，芯片23耗散功率与电流功耗的关系为P=5.25VX (133+112)。
[0006]参见图3，图3为现有的DC-DC BUCK降压变换电路供电方案的电路结构原理图，其中USB接口 30与芯片33上的两个并联连接的降压变换电路的公共输入端电连接，第一降压变换电路39通过电感L1与外设34电连接，在此方案中，芯片33耗散功率和电流功耗关系为P=1(\(3.3￥\133+1.2￥\112)，其中1(为内部0(:-00 Buck降压变换电路的效率。利用高压到低压的额外电流转换效率，有效降低输入电流功耗，从而降低芯片自身功率耗散，但是电磁兼容性及内部电路设计难度大且成本高。
[0007]参见图4，图4为现有的外部LD0供电方案的电路结构原理图，其中USB接口40与芯片43外的两个并联连接的片外低压差线性稳压器的公共输入端电连接，第一片外低压差线性稳压器47的输出端分别与芯片43以及外设44电连接，第二片外低压差线性稳压器48的输出端与芯片43电连接。在此方案中，芯片43耗散功率和电流功耗关系为P=3.3VX 133+1.2VX 112。该方法采用在芯片43外置低压差线性稳压器，利用外部的低压差线性稳压器承担5伏到3.3伏和5伏到1.2伏的功耗及发热，从而降低芯片自身功率耗散，但是使用外部的低压差线性稳压器供电需要额外的外部低压差线性稳压器，导致电路成本高。
【发明内容】
[0008]本发明的主要目的是提供一种生产成本低且工作稳定的USB线供电电源系统。
[0009]本发明的另一目的是提供一种工作稳定性高的USB线供电电源系统的供电方法。
[0010]为了实现上述的主要目的，本发明提供的电源系统包括USB接口、片外电阻阵列以及芯片，其中芯片包括片内选通开关阵列、片内电压检测器以及第一片内低压差线性稳压器、第二片内低压差线性稳压器，USB接口通过片外电阻阵列连接至片内选通开关阵列，片内选通开关阵列包括至少一个开关，开关连接至片内电压检测器的输入端，片内电压检测器的输出端连接至片内选通开关阵列的逻辑电路，片内选通开关阵列中的开关连接至第一片内低压差线性稳压器的输入端，第一片内低压差线性稳压器的输出端与第二片内低压差线性稳压器的输入端之间连接有一个位于芯片外的电阻。
[0011]由上述方案可见，外部电源通过USB接口输入USB标准电压，电源系统通过片内电压检测器监视片外电阻阵列与片内选通开关阵列之间连接的节点的电压，动态的选通片内选通开关阵列中的开关，从而选通片外电阻阵列中的不同的电阻支路，实现上述节点在一个固定较低的电压范围附近浮动，然后第一片内低压差线性稳压器再将节点的固定较低的电压稳压至芯片10口以及外设所需的电压，同时，通过第一片内低压差线性稳压器的输出端与第二片内低压差线性稳压器的输入端之间连接的位于芯片外的电阻消耗掉二者之间的电压差，从而使本来由内部耗散的功率由外部电阻耗散，该电源系统无须额外的低压差线性稳压器或成本较高的功率电感，降低了整体产品的成本。
[0012]进一步的方案是，片外电阻阵列中包含至少一条支路。
[0013]更进一步的方案是，片外电阻阵列的每条支路中包含至少一个电阻。
[0014]更进一步的方案是，片外电阻阵列的每条支路分别连接至片内选通开关阵列中的一个开关。
[0015]由此可见，片外电阻阵列中的不同电阻支路的选取方式由芯片10和外设最大工作电流、逻辑最大工作电流、外部电源最大供电电压及其最小内阻、外部电源最小供电电压、片外电阻阵列与片内选通开关阵列之间连接的节点的预期电压以及所需的稳压分辨率来决定，并且通过选通片内选通开关阵列的不同开关来实现选取片外电阻阵列中的不同电阻支路。
[0016]更进一步的方案是，片内电压检测器包括比较器、反相器、电平转换器以及第一可调电阻、第二可调电阻，比较器输出端与反相器输入端电连接，反相器输出端与电平转换器输入端电连接，第一可调电阻与第二可调电阻之间串联连接，电平转换器的输出端与片内选通开关阵列的逻辑电路连接。
[0017]更进一步的方案是，比较器输出端通过一个NM0S管连接至第一可调电阻与第二可调电阻之间。
[0018]更进一步的方案是，第一可调电阻与电源端之间串联至少两个电阻。
[0019]由此可见，片内选通开关的逻辑电路通过片内电压检测器中的检测电平转换器的输出来动态调整片内选通开关中的开关。若片内选通开关阵列中从上到下的开关为SWla、3町15以及311(3，假设其控制信号为30、31、32，上电时30、31、32默认值为000，芯片默认低功耗模式，先调节到001，再逐步开启芯片各模块，如果电平转换器的逻辑LS输出为1，即高电平，则继续开启，如果电平转换器的逻辑LS输出为0，即低电平，则将控制片内选通开关的控制信号增加到010，再循环上述步骤，直至所需模块都已开启，此后再进入动态调节模式。
[0020]为实现上述的另一目的，本发明提供一种USB线供电电源系统的供电方法，包括外部电源供电步骤:外部电源通过USB接口输入电压；电压检测步骤:片内电压检测器检测片外电阻阵列与片内选通开关阵列之间连接的节点的电压;开关选通步骤:根据片内电压检测器输出的信号控制片内选通开关阵列中各开关的通断;稳压步骤:第一片内低压差线性稳压器将节点的电压稳压至芯片10 口以及外设所需的电压。
[0021]由此可见，片内电压检测器通过监视节点的电压，控制片内选通开关阵列中各开关的通断，从而选择片外电阻阵列中的不同电阻支路，保证节点的电压在一定范围内变化，然后通过片内低压差线性稳压器将节点电压稳压。
[0022]进一步的方案是，执行稳压步骤后执行降压步骤，通过位于芯片外的电阻消耗第一片内低压差线性稳压器的输出电压与第二片内低压差线性稳压器的输出电压之间的压差。
[0023]由此可见，又位于芯片外的电阻消耗掉第一片内低压差线性稳压器与第二片内低压差线性稳压器之间的输出电压差，从而使本来由内部耗散的功率由外部电阻耗散，降低了芯片的功耗。
[0024]进一步的方案是，开关选通步骤中，根据电平转换器的输出逻辑，控制片内选通开关阵列中各开关的通断。
[0025]由此可见，通过电平转换器的逻辑LS输出的高低电平来调节控制片内选通开关的控制信号。
【附图说明】
[0026]图1是现有的普通USB供电方案电路结构原理图。
[0027]图2是现有的内部LD0供电方案电路结构原理图。
[0028]图3是现有的DC-DCBUCK降压变换电路供电方案电路结构原理图。
[0029]图4是现有的芯片外置LD0供电方案电路结构原理图。
[0030]图5是本发明USB线供电电源系统实施例的电路结构原理图。
[0031]图6是本发明USB线供电电源系统实施例的片内电压检测器电路结构原理图。
[0032]以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0033]参见图5，图5为本发明实施例的电路结构原理图。本发明的电源系统包括片外电阻阵列100、片内选通开关阵列200、片内电压检测器300、第一片内低压差线性稳压器400、第二片内低压差线性稳压器500、片内电阻R3以及片外电阻R2。其中，USB接口 1与片外电阻阵列100电连接，片外电阻阵列100包括电阻Rla、电阻Rlb、电阻Rlc以及电阻Rld，片内选通开关阵列200从上至下包括开关SWla、开关SWlb以及开关SWlc，电阻Rid连接至开关SWla的第一端，电阻Rla与电阻Rlc串联后并联在电阻Rid两端并且连接至开关SWlb的第一端，电阻Rib并联在电阻Rlc上后连接至开关SWlc的第一端，片内电阻R3并联在开关SWlc两端之间。由图5可知，电阻Rla、电阻Rib以及片内电阻R3之间是串联的关系。片内选通开关阵列200中的开关SWla、开关SWlb以及开关SWlc的第二端均分别连接至片内电压检测器300的输入端以及第一片内低压差线性稳压器400的输入端，其中，片内电压检测器300的输出端接片内选通开关阵列200的逻辑电路，第一片内低压差线性稳压器400的输出端通过片外电阻R2连接至第二片内低压差线性稳压器500的输入端，第一片内低压差线性稳压器400的输出端连接至外设600。
[0034]假设外部电源输入电压VUSB的范围为USB标准电压范围的4.75伏到5.25伏。USB线由于线材和长度的关系存在一定的变化范围，在此假定为0到3欧姆之间。第一片内低压差线性稳压器400的输出电压VI为3.3伏，第二片内低压差线性稳压器500的输出电压V2为1.2伏，假设芯片10 口最大工作电流I33A为50毫安，外设600最大工作电流I3