USB连接器放电方法及电路与流程

本发明涉及通用串行总线(usb，universalserialbus)领域，尤其涉及一种usb连接器放电方法及电路。

背景技术：

usb连接器已被广泛地应用于诸如电源适配器、移动电源、笔记本电脑、手机、平板电脑之类的电子设备中，以实现充电以及数据传输等功能。

最近发布的c型通用串行总线(usbtype-c)电缆和连接器规范中定义了一种新的符合usb3.1协议的c型usb连接器。在功能和性能方面，c型usb连接器与目前广泛应用的b型usb连接器相比，具有更高的数据速率、更高的可配置充电电流，并且支持usb插头沿双方向插入usb插座。

当上行端口(ufp，upstreamfacingport)设备通过c型usb连接器及相应的电缆与下行端口(dfp，downstreamfacingport)设备连接后，dfp设备会通过vbus引脚向ufp设备输出vbus电压，以向ufp设备充电。

但当电缆去除(removal)后，vbus引脚需要进行放电。目前，c型usb的相关协议中规定了vbus引脚电压放电过程中所需要遵循的各种原则(包括功耗、放电时长、以及摆率(sr，slewrate)等方面)。

但是，目前尚未发现如何依据c型usb的相关协议的规定，来控制vbus引脚电压放电过程的有效解决方案。

技术实现要素：

为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种usb连接器放电方法及电路。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种usb连接器放电电路，配置为对usb连接器第一引脚的电压进行放电；所述放电电路包括：

放电负载，配置为对所述第一引脚的电压进行放电；

第一控制电路，配置为放电过程中调整所述放电负载的大小，使所述放电负载产生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内；所述第一预设条件表征产生的功耗不触发过温保护；以及

第二控制电路，配置为放电过程中检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内。

本发明实施例还提供了一种usb连接器放电方法，包括：

利用放电负载对usb连接器第一引脚的电压进行放电；其中，

在放电过程中，调整所述放电负载的大小，使所述放电负载产生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内；所述第一预设条件表征产生的功耗不触发过温保护；以及

检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内。

本发明实施例提供的usb连接器放电方法及电路，利用放电负载对第一引脚的电压进行放电的过程中，调整所述放电负载的大小，使所述放电负载产生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内；所述第一预设条件表征产生的功耗不触发过温保护；并检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内，如此，能够有效地控制第一引脚的放电过程。

附图说明

在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为本发明实施例第一种usb连接器放电电路结构示意图；

图2为本发明实施例第二种usb连接器放电电路结构示意图；

图3为本发明实施例第三种usb连接器放电电路结构示意图；

图4为本发明实施例第四种usb连接器放电电路结构示意图；

图5为本发明应用实施例放usb连接器电电路结构示意图；

图6为vbus引脚放电过程电压随时间变化示意图；

图7为本发明实施例usb连接器放电方法流程示意图；

图8为采用图5所示的电路的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的描述。

为了便于理解本发明的技术方案，在下文中，首先对本发明中使用的技术术语进行解释。

dfp设备，可以理解为主机(host)。典型的dfp设备是电源适配器，因为它永远都只是供电。

ufp设备，可以理解为从机(device)，典型的ufp设备是u盘、移动硬盘，因为它们永远都是被读写数据和被供电。

双角色端口(drp，dualroleport)设备，drp设备也可以在dfp设备与ufp设备间动态切换，既可以做dfp设备(host)，也可以做ufp设备(device)。典型的drp设备是电脑(可以作为u盘的主机，也可以作为被充电的ufp设备，具有otg(on-the-go)功能的手机(可以作为被充电和被读写数据的设备，也可以作为主机为其他设备提供电源或者读写u盘数据)，移动电源(可通过单个usbtype-c接口放电和充电)。

sr，vbus电压时间变化率。

如背景技术所描述的，当ufp设备通过c型usb连接器及相应的电缆与dfp设备连接后，dfp设备会通过vbus引脚向ufp设备输出vbus电压，以向ufp设备供电。但当电缆去除(removal)后，vbus需要进行放电，以确 保操作安全。

实际应用时，vbus推荐使用如表1所示的操作条件。

表1

同时，由于c型usb连接器支持更高的可配置充电电流，即具有更高的电力传输能力(最高可达100w)，所以c型usb的相关协议中规定了以下主要几种vbus电压的放电模式：

(1)去连接后源端和接收端自动放电模式(autosinkandsourcedischargeafteradisconnect)：vbus电压从21.5v放至安全0v(vbusdischargefrom21.5vtovsafe0v)；

(2)去连接后仅接收端自放电模式(autosinkdischargeafteradisconnectstateonly)：vbus电压从16v放至安全5v(vbusdischargefrom16vtovsafe5v)；这种模式下的放电时长参数称为tsinkdischargefull；

(3)连接状态中仅源端自放电模式(autosourcedischargeduringaconnectionstateonly)：vbus电压从21.5v放至安全5v(vbusdischargefrom21.5vtovsafe5v)。

其中，所述安全5v是指：安全工作电压为5v；相应地，安全0v是指：安全工作电压为0v。

这里，实际应用时，推荐使用如表2所示的安全工作电压。

表2

c型usb的相关协议中规定了vbus放电过程中所需要遵循的包含功耗、放电时长、以及sr等方面的各种原则。具体地，

(1)放电过程中的功耗不能触发设备实施过温保护(otp，overtemperatureprotect)，这样，设备就不能正常工作了。

(2)当电容值为1μf～100μf(较为通用的取值)时，放电时长参数(tsinkdischargefull)需要小于等于50ms。

(3)放电过程中sr需要小于等于30mv/μs，如果sr过高，会导致用于检测vbus电压的模数转换器(adc，analog-to-digitalconverter)不能精确识别vbus的电压值。

基于此，在本发明的各种实施例中：利用放电负载对第一引脚的电压进行放电的过程中，调整所述放电负载的大小，使所述放电负载产生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内；所述第一预设条件表征产生的功耗不触发过温保护；并检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内。

需要说明的是，本文所用的第一、第二......仅表示不同位置的元件，不对元件的参数或功能进行限定。

本发明实施例提供一种usb连接器放电电路，配置为对usb连接器第一引脚的电压进行放电。如图1所示，该放电电路包括：放电负载11、第一控制电路12、以及第二控制电路13；其中，

放电负载对所述第一引脚的电压进行放电；在放电过程中，所述第一控制电路12调整所述放电负载11的大小，使所述放电负载11产生的功耗满足第一 预设条件，且放电时长在第一预设范围内；所述第一预设条件表征产生的功耗不触发过温保护；而所述第二控制电路13则检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载11的大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内，这样，能够有效地控制第一引脚的放电过程。

其中，实际应用时，所述第一预设条件需要根据触发电路过温保护(otp，overtemperatureprotect)的相关参数(包括触发门限、电路的热阻(thermalresistance)、以及最高环境温度(maxambientenvironmenttemperature)等)来设置。

所述第一预设范围及第二预设范围可以根据usb相关协议的规定来设置。

所述第一引脚可以为电源引脚。其中，当usb连接器为c型usb连接器时，所述电源引脚是指vbus引脚。当然，本领域技术人员可以认识到，根据本发明的放电电路和方法并不限于usbtype-c的场景，而是能够应用于任何未来与usbtype-c连接器相兼容的usb连接器。

在一实施例中，如图2所示，所述放电负载11包括：第一放电负载111及第二放电负载112；所述第一放电负载111小于所述第二放电负载112；其中，

在整个放电过程中，所述第一放电负载111一直对所述第一引脚的电压进行放电；同时，所述第一控制电路12检测所述第一引脚的电压是否小于第一阈值，当所述检测结果表征所述第一引脚的电压小于第一阈值时，产生使能信号；所述第二放电负载112响应所述第一控制电路12产生的使能信号，对所述电源第一引脚的电压进行放电。

这里，所述第一引脚的电压从高电压放至低电压的过程中，当所述第一引脚的电压处于较高电压时，采用尺寸较小的第一放电负载111来放电，如此，能有效地降低功耗，而当所述第一引脚的电压降低至一定值时，则同时采用第一放电负载111和尺寸较大的第二放电负载112来同时对所述第一引脚的电压进行放电，如此，能使放电过程快速完成，从而满足usb协议对放电时长的要求。

其中，所述第一阈值可以根据需要来设置。

所述第一放电负载111及第二放电负载112的大小可通过仿真实验来确定。

在一实施例中，如图3所示，该放电电路还可以包括：参考电压产生电路14；在放电过程中，所述参考电压产生电路14为所述第二控制电路13提供变化的参考电压，提供的变化的参考电压大于第二阈值。

这里，实际应用时，所述第二阈值根据需要进行设置。设置时，需要结合放电电流的大小、电路的正常工作以及协议规定的sr等因素。

在放电过程中，所述第二控制电路13根据所述第一引脚的电压发生横跨参考电压的变化来调整所述放电负载11的大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内。

具体地，当所述第一引脚的电压高于所述参考电压时，所述第二控制电路13减小所述放电负载11。相应地，当所述第一引脚的电压低于所述参考电压时，所述第二控制电路13增大所述放电负载11。

这里，当所述第一引脚的电压高于所述参考电压时，说明第一引脚的电压的sr小于所述参考电压的sr，此时，需要增大所述放电负载11，以便对所述第一引脚的电压进行快速下拉，从而增大所述第一引脚电压的sr。当所述第一引脚的电压小于所述参考电压时，说明第一引脚的电压的sr大于所述参考电压的sr，此时，需要减小所述放电负载11，以便减弱对所述第一引脚的电压下拉能力，从而减小所述第一引脚电压的sr。

另外，实际应用时，如图4所示，该放电电路还可以包括：第三控制电路15，为所述第一控制电路12及第二控制电路13提供使能信号；相应地，所述第一控制电路12响应使能信号，在放电过程中调整所述放电负载11的大小，使所述放电负载11产生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内；当然，第二控制电路13响应使能信号，在放电过程中检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载11的大小，使所述第一引脚电压的sr在第二预设范围。

从上面的描述中可以看出，本发明实施例提供的放电电路，利用放电负载 11对第一引脚的电压进行放电的过程中，考虑了功耗、sr以及放电时长三种因素，从而能有效地控制第一引脚的放电过程。

下面结合一个应用实例来进一步详细说明本发明的方案。

图5为应用实施例的电路结构图。需要说明的是：

首先，本应用实施例是针对c型usb连接器，对应的第一引脚为vbus。

其次，设计本应用实施例时，遵循了表1及表2所列出的相关参数。同时，还遵循了表3所示的相关参数。

表3

其中，tsafe0v、tsafe5、tsinkdischargefull各自表示的放电时长含义如图6所示。这里，在图6中，接收端去连接vbus门限(vbus_sink_disconnect_threshold)所表达的含义是：在接收端，其vbus电压小于vbus_sink_disconnect_threshold时，表明接收端处于去连接状态。

实际应用时，vbus_sink_disconnect_threshold可通过i2c寄存器(register)来配置。

第三，在本应用实施例中，热阻(thermalresistance)是70℃/w，最高环境温度(maxambientenvironmenttemperature)是85℃，引起otp的门限温度(risingthresholdoftheotp)是145℃，电路中电容cvbus的电容值范围为1uf～100uf。

这里，假设vbus引脚放电产生的功耗为pdis，由于vbus引脚放电所产生的功耗不能触发otp，因此85℃+pdis*70＜145，从而得出pdis＜0.86w，即vbus引脚放电所产生的功耗要小于0.86w。

从表3中可以看出，在vbus电压的几种放电模式中，对放电时长参数的限制中，只有tsinkdischargefull最短，因此，设计本应用实施例电路各器件的参数时，tsinkdischargefull是最基本的一个因素。

结合图5，在本应用实施例中，放电负载11包括：第一n沟道金属氧化物半导体场效应管(nmos)m1、第二nmosm2；第一控制电路12包括：比较器comp、第一反相器inv1、第二反相器inv2、第三nmosm3、第四nmosm4、以及第一电阻r1；第二控制电路13包括：误差放电器a0及第二电阻r2；参考电压产生电路14包括：电流源i0及电容c0。

同时，图5所示的电路还包括：第三电阻r3、第四电阻r4、开关k0及电容cvbus；其中，第三电阻r3及第四电阻r4的阻值比值为9∶1，起到分压的作用。

图5所示的放电电路的工作原理为：

为了方便描述，在以下的描述中，vbus引脚的电压称为vbus；将误差放大器a0同相输入端及比较器comp负极的电压称为vf，将误差放大器a0反向输入端的电压称为vr，将第二电阻r2、第一nmosm1及第四nmosm4所形成的节点处的电压称为vg；比较器comp的正极接收参考电压vbg。

在本应用实施例中，利用误差放大器a0形成负反馈回路(调节vg的大小) 来控制vbus引脚放电的sr。

基于此，在本应用实施例提供的电路中，需要满足以下公式：

这是因为：

q＝cδv＝iδt(2)

其中，q表示电量，c表示电容，v表示电压，i表示电流，t表示时间。

将公式(2)进行变形，则有：

利用公式(3)，结合本应用实施例提供的电路，则有：

同时，30mv/μs＝30ma/μf＝300na/10pf；

而且，由于

因此，

由于且考虑到充电电流的大小(功耗)，因此，在本应用实施例中，设置sr门限值为25na/60pf(4.17mv/μs)，即参考电压产生电路14提供的参考电压的sr门限值为25na/60pf。

除此以外，为了满足tsinkdischargefull≤50ms这个条件，在本应用实施例中，利用比较器comp来检测vbus是否小于12v，当vbus小于12v时，使能第二nmosm2，以迅速拉低vbus。

当然，本应用实施例提供的电路还包括第三控制电路(未示出)，由第三控制电路为比较器comp及误差放电器a0提供使能信号(en)，并为开关k0提供去使能信号(enb)。

首先，初始时，开关k0处于导通状态，需要放电时，第三控制电路向比 较器comp及误差放电器a0提供使能信号(en)，以使比较器comp及误差放电器a0开始工作，同时向开关k0提供去使能信号(enb)，以使开关k0断开。

之后，利用第一nmosm1，vbus从21.sv开始放电。在放电过程中，比较器comp实时将vbg(1.2v)与vf进行比较，当vbus在21.5v～12v范围内，比较器comp输出逻辑低电平，经过第一反相器inv1及第二反相器inv2的作用后，仍然输出逻辑低电平，这种逻辑低电平让第二nmosm2处于截止状态，所以在该范围内，只利用第一nmosm1对vbus进行放电；此时，考虑到功耗(小于0.86w)的因素，第一nmosm1的尺寸较小。而当vbus低于12v后，比较器comp输出逻辑高电平，经过第一反相器inv1及第二反相器inv2的作用后，输出逻辑高电平，致使第二nmosm2导通，因此该阶段利用第一nmosm1及第二nmosm2对vbus进行放电；此时，考虑到功耗(小于0.86w)及放电时长(tsinkdischargefull≤50ms)的因素，第二nmosm1的尺寸较大，从而将vbus迅速下拉至相应的安全工作电压。

其中，第一nmosm1及第二nmosm2尺寸的大小可通过仿真实验来确定。

在放电过程中，开关k0的断开使得参考电压产生电路14开始工作，产生相应的参考电压vr(变化的，即具有一定的sr)，并输出至误差放电器a0，误差放电器a0将vf及vr进行比较，当vf大于等于vr(vbus的sr较低)时，输出逻辑高电平，使得vg升高，从而增大放电负载11的下拉能力，对vbus进行快速下拉，以增大vbus的sr；当vf小于vr(vbus的sr较高)时，输出逻辑低电平，使得vg降低，从而减缓放电负载11的下拉能力，以减小vbus的sr。

从上面的描述中可以看出，本应用实施例采用两个放电分支对vbus进行放电，具体地，当vbus为高电压(21.5v～12v)时，采用较小的第一nmosm1来放电，如此，能有效地降低放电过程所产生的功耗，而当vbus为低电压(小于 12v)时，采用较小的第一nmosm1及较大的第二nmosm2同时来放电，较大的第二nmosm2可以将vbus迅速下拉至安全工作电压，如此，能有效地控制放电时长(tsinkdischargefull≤50ms)。

同时，本应用实施例利用误差放大器a0形成负反馈回路，如此，能有效地控制vbus的sr(vsrcslewneg≤30mv/μs)。

基于上述实施例的放电电路，本发明实施例还提供了一种usb接口检测电路，安装在所述usb连接器，所述usb接口检测电路包含上述的放电电路。

这里，实际应用时，本发明实施例提供的usb接口检测电路可用在dfp设备中、ufp设备和drp设备(其在连接到ufp设备时作为dfp设备操作，在连接到dfp设备时作为ufp设备操作)中。

其中，实际应用时，所述usb接口检测电路可以被包含在一个集成电路中。

另外，本发明实施例还提供了一种usb连接器，包括上述的usb接口检测电路。

本发明实施例提供的方案，其应用场景为：电源适配器(source)和个人电脑(pc，personalcomputer)(sink)，此时，电源适配器是dfp设备，pc是ufp设备，当pc利用电源适配器充电时，电源适配器与pc基于usb功率传输(pd，powerdelivery)电力通信协议来协商充电电流及充电电压，之后电源适配器基于协商的充电电压及充电电流，通过vbus引脚及电缆向pc供电。而当电源适配器与pc之间所连接的电缆去除后，则需要对vbus引脚的电压进行放电。

当然，还可以设想到其它应用场景，例如移动电源和电脑、电脑和其它大功率设备(比如充电器等)等等。

基于本发明实施例的usb连接器放电电路，本发明实施例还提供了一种usb连接器放电方法，如图7所示，该方法包括：

步骤700：利用放电负载对usb连接器第一引脚的电压进行放电；

步骤701a：在放电过程中，调整所述放电负载的大小，使所述放电负载产 生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内；所述第一预设条件表征产生的功耗不触发过温保护；

步骤701b：在放电过程中，还检测所述第一引脚的电压是否发生横跨参考电压的变化，以及响应所述变化调整所述放电负载大小，使所述第一引脚电压的摆率在第二预设范围内。

其中，实际应用时，所述第一预设条件需要根据触发电路otp的相关参数(包括触发门限、电路的热阻(thermalresistance)、以及最高环境温度(maxambientenvironmenttemperature)等)来设置。

所述第一预设范围及第二预设范围可以根据usb相关协议的规定来设置。

其中，在一实施例中，所述放电负载包括：第一放电负载及第二放电负载；所述第一放电负载小于所述第二放电负载；

相应地，放电过程中调整所述放电负载的大小，使所述放电负载产生的功耗满足第一预设条件，且放电时长在第一预设范围内时，检测所述第一引脚的电压是否小于第一阈值，当所述检测结果表征所述第一引脚的电压小于第一阈值时，产生使能信号，以利用所述第一放电负载及第二放电负载对所述第一引脚的电压进行放电。

换句话说，当所述第一引脚的电压处于较高电压时，采用尺寸较小的第一放电负载来放电，如此，能有效地降低功耗，而当所述第一引脚的电压降低至一定值时，则同时采用第一放电负载和尺寸较大的第二放电负载来同时对所述第一引脚的电压进行放电，如此，能使放电过程快速完成，从而满足usb协议对放电时长的要求。

其中，所述第一阈值可以根据需要来设置。

所述第一放电负载及第二放电负载的大小可通过仿真实验来确定。

在一实施例中，该方法还可以包括：

放电过程中产生所述参考电压，产生的参考电压是变化的，且大于第二阈值。

这里，实际应用时，所述第二阈值根据需要进行设置。设置时，需要结合 放电电流的大小、电路的正常工作以及协议规定的sr等因素。

所述响应所述变化调整所述放电负载大小，具体包括：

当所述第一引脚的电压高于所述参考电压时，增大所述放电负载。

当所述第一引脚的电压低于所述参考电压时，减小所述放电负载。

其中，当所述第一引脚的电压高于所述参考电压时，说明第一引脚的电压的sr小于所述参考电压的sr，此时，需要增大所述放电负载，以便对所述第一引脚的电压进行快速下拉，从而增大所述第一引脚电压的sr。当所述第一引脚的电压小于所述参考电压时，说明第一引脚的电压的sr大于所述参考电压的sr，此时，需要减小所述放电负载，以便减弱对所述第一引脚的电压下拉能力，从而减小所述第一引脚电压的sr。

同时，为了更好地说明采用本发明实施例的技术方案，能有效地控制放电过程，采用图5所示的放电电路进行了仿真实验，图8示出了仿真结果。从图7所示的仿真波形中可以看出：当vbus小于12v时，另一放电分支(第二nmosm2)被使能，从而将vbus迅速下拉至安全工作电压；同时，vbus的sr被控制在小于30mv/μs的范围内。这表明：本发明实施例所提供的usb连接器放电电路能够有效地控制放电过程。其中，在图8中，从上到下每条曲线分别是：使能信号(en)随时间的变化曲线、vbus随时间的变化曲线、vr随时间的变化曲线、vf随时间的变化曲线以及vbus引脚电压放电电流(dischargecurrent)随时间的变化曲线。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。