USB功率传输源装置的功率节约模式的制作方法

背景技术：

通用串行总线(USB)是定义在总线中使用的用于计算机和电子装置之间的连接、通信以及功率供应(power supply)的电缆、连接器以及通信协议的行业标准。USB被设计成标准化计算机外围设备(包括键盘、定位装置、数码照相机、打印机、便携式媒体播放器、磁盘驱动器以及网络适配器)到个人计算机的连接，用于通信和供应电功率两者。它在其它装置上已变得很普遍，诸如智能手机、PDA以及视频游戏控制台。USB已经有效地替代各种早期的接口，诸如串行和并行端口，以及用于便携式装置的单独的电源充电器。

新的USB功率传输规范在研发中以实现较高功率经由新的USB电缆和连接器的传输。该技术使用与现有USB方案兼容的电缆和插头(plug)来产生用于可能需要超过5伏特的膝上型计算机、平板计算机等的通用电源插头。USB功率传输(USB-PD)规范定义经由USB-PD电缆和USB-PD连接器连接的端口之间的通信链路。所述通信被设计为半双工且基于包的。所述包包含使两个端口能够通信并协商源端口将提供到接收端口的电压和电流的信息。端口还可以协商转换角色(源端口到吸收端口并且反之亦然)。USB-PD规范中的底层通信可以使用二进制频移键控(FSK)或双相标记编码(BMC)。该通信独立于按照USB标准在数据线(诸如D+和D-)上出现的正常USB通信而发生。USB-PD通信经由不同的线(例如，Vbus或CC线)而非USB数据线来进行。

在USB功率传输(PD)中，四种装置被定义：仅提供商、提供商/消费者、消费者/提供商以及仅消费者。为仅提供商、提供商/消费者或消费者/提供商的装置有时可以充当源角色，因此它们在Vbus线上为远端装置提供DC电压以用于消耗或吸收。本发明与充当源角色的仅提供商、提供商/消费者以及消费者/提供商USB-PD装置相关。由USB-PD源装置经由USB电缆向消耗装置提供功率消耗USB-PD源装置中的相当大的功率量。

技术实现要素：

在描述的操作USB功率传输源装置的方法的示例中，一个或多个源性能消息由USB功率传输源装置发送。如果在发送源性能消息之后在预定时间段内未接收到对源性能消息的响应，则装置发送另一源性能消息。如果在发送预定数目的源性能消息之后未接收到响应，则装置在发送另一源性能消息之前等待延长的时间段。在延长的时间段中的一些或全部期间，USB功率传输源装置的接收功能被关断。

另一描述的示例涉及一种操作USB功率传输源装置的方法。根据该方法，USB功率传输源装置与第二USB功率传输装置通信。所述通信包括接收来自第二USB功率传输装置的消息。如果在预定持续时间内未接收到来自第二USB功率传输装置的消息，则USB功率传输装置进入装置休眠模式，其中装置的信号接收功能被关断。

另一描述的示例涉及一种操作USB功率传输源装置的方法。根据该方法，USB功率传输源装置发送一个或多个简略源性能消息。每个简略源性能消息仅包含一个功率传输对象。在发送每个简略源性能消息之后，装置等待预定时间长度以接收对简略源性能消息的响应。当接收到对简略源性能消息的响应时，装置发送包括多个功率传输对象的完全源性能消息。

附图说明

图1是示出与功率传输相关的USB功率传输装置的方面的框图。

图2是表示USB功率传输数据包的数据结构图。

图3是描绘通过USB功率传输源装置传送源性能(capability)消息的时序图。

图4是表示在USB功率传输源装置中采用装置休眠模式以便减少功耗的方法的流程图。

图5是表示在USB功率传输源装置中使用简略源性能消息以便减少功耗的方法的流程图。

图6是描绘通过USB功率传输源装置传送和接收各种消息的时序图。

图7是表示在USB功率传输源装置中采用装置休眠模式以便减少功耗的方法的流程图。

具体实施方式

本发明总体涉及USB功率传输源装置的功率节约模式。

图1是示出与功率传输相关的USB功率传输装置100的方面的框图。图1的装置100可以提供功率来源或吸收功率，并且因此可以用作提供商或消费者USB功率传输装置。一些实施例的方法和功能还涉及源装置，其可以向其它USB装置提供功率但不能接收来自其它USB装置的功率。USB功率传输装置100包括USB插座160，所述USB插座160能够可附接地接收设置在USB电缆150的一端上的USB连接器，如本领域中众所周知的。USB电缆的另一端可以永久地附接到第二USB装置，或可以终止在可以可附接地连接到第二支持USB(USB-capable)装置的第二USB连接器处。在任一种情况下，该第二USB装置有时将在本文中被称为远端装置。在另一实施例中，USB电缆150可以永久地附连到USB装置100。USB功率传输装置100还包括USB-PD控制器110，其经由USB电缆150控制与其它USB功率传输装置的关于功率传输的通信，并且还控制到另一USB功率传输装置的功率的实际来源或从另一USB功率传输装置接收的功率的吸收。

USB-PD控制器110包括频移键控(FSK)调制解调器120、微控制器单元130以及电缆型检测电路140。FSK调制解调器120包括FSK接收器122、FSK传送器124以及静噪接收器126。图1的实施例仅是说明性的，并且USB-PD调制解调器120(以及因此其主接收器122和传送器124)可以采用除根据示例实施例的频移键控以外的其它调制方案，例如双相标记编码(BMC)。FSK接收器122从远端USB功率传输装置接收关于USB功率传输的通信。FSK传送器124将关于USB功率传输的通信传送到远端USB功率传输装置。此类关于USB功率传输的通信可以包含协商哪个装置将为(提供功率的)源和哪个装置将为(接收功率的)吸收装置，并且协商功率传输的电压、电流以及模式，以及伴随通过USB电缆150从一个装置到另一装置的功率传输的其它信息。FSK接收器122和FSK传送器124有时在本文中可以一起被称为FSK收发器。FSK收发器122/124经由电压总线(Vbus)145与远端USB装置通信。图1中示出的FSK调制解调器120还包括静噪接收器126。静噪接收器126是低功率接收器，其在主FSK接收器122关断的时候可以被打开(left on)以便检测来自远端USB装置的包的到达。在静噪接收器126检测到包的到达之后，微控制器单元130可以接通FSK接收器122以继续FSK调制解调器120的正常操作。微控制器单元130控制USB-PD控制器110的操作，产生关于USB功率传输的消息以被发送到远端USB装置，并且处理从远端USB装置接收的关于USB功率传输的消息。USB-PD控制器110还包括电缆型检测电路140，其从USB插座160接收电缆识别信号147。基于从USB插座160接收的电缆识别信号147，电缆型检测电路确定电缆是否插入在USB插座160中，并且如果是，则确定所述电缆是什么类型的电缆。该信息被提供到微控制器单元130，所述微控制器单元130可以使用除了其他的以外的该信息来确定什么功率传输模式或多个功率传输模式适合于给定的USB电缆类型。在一些实施例中，ID线147实际上可以为在C型USB连接器中通常被称为CC1和CC2的两个单独的线。另外，在一些实施例中，电缆型信息还可以经由Vbus 145被提供到电缆型检测电路140。

图1中示出的USB功率传输装置100还包括两个电源：5伏特电源165和20伏特电源170。该实施例仅是说明性的，并且USB功率传输装置100也可以包括附加的电源或其电压可以被改变的单个电源。USB功率传输装置100还包括功率吸收装置175，其可以接收通过Vbus 145供应的功率以为USB功率传输装置100供电。USB功率传输装置100进一步包括电源开关180、185、190。USB-PD控制器110控制电源开关180、185、190以便选择电源并通过耦合阻抗195将选定的电源耦合到Vbus 145，或如果USB功率传输装置100将从远端装置接收功率则将功率吸收装置175耦合到Vbus 145。在一些实施例中，耦合阻抗195可以不存在。

物理层围绕FSK收发器122/124被构建，该物理层允许USB功率传输装置100和远端USB装置经由Vbus 145彼此发送功率传输消息。物理层之上是协议层，并且随后是策略引擎层。物理层使用二进制频移键控(FSK)调制或双相标记编码(BMC)。物理层还使用例如4b5b编码来对包中的一些位进行编码。根据示例实施例的功率传输数据包的包格式在图2中示出。每个包200以前导码210开始，所述前导码包含总共64位的交替的1和0的序列。前导码210之后是包起始分隔符(SOP)220，其为宣布新数据包的起始的预定20位码字。SOP 220之后是包含由协议层使用的信息的标头(header)(其使用4b5b码来编码)。包含在标头230中的其它信息中是消息类型字段，其指示包200表示什么种类的消息。标头230还包含数据字段(有时称为Nobj)，其指示包中跟随的数据对象的数目。在被称为源性能消息的特定类型的消息中，标头230之后是使用4b5b码编码的一个或多个数据字段，其被称为功率传输对象(PDO)。以下进一步讨论源性能消息。功率传输对象之后是32位循环冗余校验(CRC)250。CRC 250是用于检测数据包200中包含的数据的意外改变的错误检测码。CRC基于标头230和功率传输对象来计算。CRC是使用4b5b码被编码成40位的标头230和功率传输对象的内容的多项式除法的32位余数。在通过例如第二USB装置检索数据包后，重复计算，并且如果校验值不匹配，则可以对假定的数据损坏采取校正动作。最后，CRC 250之后是宣布数据包200结束的预定5位包结束分隔符(EOP)。

源性能消息是由USB-PD源装置诸如装置100发送以广播其作为功率源的可用性的消息。源性能消息是包含关于作为源的装置的性能的信息的包。每个源性能消息包含一个或多个功率传输对象：每个功率传输对象对应设备以电缆提供的每个供应(supply)类型。每个功率传输对象包含多个数据字段，每个数据字段指示相关联的电压供应类型的不同参数。图2中示出的说明性包结构中，字节0 240、字节1 242、字节n-1 244以及字节n 246组成数据包200的一个或多个功率传输对象。在示例实施例中，每个功率传输对象包含4个字节(32位)。这些32位中是变化位长的多个位字段。例如，每个功率传输对象的第一位字段指定功率供应的类型，即，固定电压、可变电压或电池。每个功率传输对象的第二位字段指定相关联的功率供应可以提供到Vbus 145的固定电压或最小电压。每个功率传输对象的第三位字段指定相关联的功率供应可以提供的最大电流或功率。对于可变的功率供应或电池功率供应，第四位字段包含相关联的功率供应可以向Vbus 145提供的最大电压。对于固定电压功率供应，功率传输对象的第四位字段指定固定电压功率供应可以传输的峰值电流。所述峰值电流字段告知远端(吸收)装置其是否可以在相对短的持续时间内提供较高电流，并且告知，如果是，则电流可变得多高并且较高电流水平可以持续多长时间。每个源性能消息的第一功率传输对象与固定电压功率供应相关联。该第一功率传输对象包含涉及双重角色功率、USB挂起支持、外部功率、USB通信性能以及数据角色交换的附加位字段。

GoodCRC消息是控制消息，其由远端USB功率传输装置发送以响应于由USB功率传输源装置诸如USB-PD源装置100发送的源性能消息。GoodCRC消息指示源性能消息已经被接收并且CRC校验值匹配。GoodCRC消息具有与源性能消息相同的帧格式，但是不包含任何功率传输对象。因此，在标头中指示包中的数据对象的数目的Nobj字段为零。标头中的消息类型字段具有将消息识别为GoodCRC消息的唯一值。

USB源化装置(sourcing device)为激活的第一标志是在Vbus线上检测到DC电压(例如5V)。在电缆的远端处的装置(例如鼠标)可以使用该电压来操作。在大多数情况下，源化装置为USB-PD电缆源的第一标志是FSK调制解调器120经由Vbus线145发送源性能消息(在大多数实施例中，FSK调制解调器电容耦合到Vbus线)。在替代实施例中，BMC调制解调器可以经由CC线发送消息。当USB-PD伙伴装置未连接在电缆的远端处时，FSK调制解调器接收器122将不接收任何响应信号。当信号被发送而没有响应时，USB-PD协议层将触发两次重试，其中重试意味着相同包将再次被发送。如果在传送后以及时方式接收到响应，那么下一重试不被发送。

图3是示出可以如何观察包从FSK传送器124出来到Vbus线145(或CC线)上的时序图。S1 310表示在策略引擎层处产生的第一源性能消息。在传送S1之后，FSK接收器122监听响应，并且如果未在响应中接收到有效的GoodCRC消息，则在时间t1 320流逝之后重新发送包。在发送S1消息310总共三次并在第三次传送后等待时间t2 330之后，协议层向策略引擎报告存在发送失败。策略引擎随后将在向协议层发送另一源性能消息S2 350以用于传送之前等待延长时间t3 340。在大多数情况下，S1和S2中的数据是相同的，尽管它们可能是不同的，例如，如果装置的提供性能在此期间已发生改变。该过程可以无结束地被重复，或USB-PD源装置100可以在已经发送大量源性能消息(例如，150个)后停止发送源性能消息。

USB功率传输规范提供一种检测在一些情况下电缆何时插入到装置的插座中的方法。在这种情况下，没有电缆被插入，则USB-PD装置诸如装置100可以进入最低功率模式以减少其消耗的功率量。在该最低功率模式中，源化装置甚至不必对Vbus线145施加任何DC电压，因为没有插头被插入。随后当方法检测到插入电缆时，源化装置100可以开始对Vbus施加DC电压并继续(或开始)正常的源操作。无论电缆150何时插入在插座160中，USB功率传输源装置100都向Vbus 145提供DC电压(通常为5V)。然而，可能发生的情况是：电缆插入在插座中(或电缆150可以永久地附接到装置100)，但是电缆的另一端未连接到任何装置。USB功率传输1.0规范未提供检测该情况的方法。在该情况下，源化装置100对Vbus 145施加DC电压，如同伙伴装置连接在电缆的远端处一样。示例实施例提供源100可以在该情境中使用的低功率模式以减少其功耗。

根据USB功率传输规范，如果远端伙伴装置即使在图3中标记为t3 340的间隔内发送消息，USB功率传输装置也能够立刻做出反应。而且，提供USB-PD装置诸如装置100在该过程中被要求维持Vbus 145上的DC电压。

根据示例实施例，FSK接收器122在图3中标记为t3 340的间隔期间关断。在一个实施例中，静噪接收器126在该时间段期间也关断。在某些实施例中，USB功率传输装置100的其它部分在t3期间也关断。这些措施允许USB功率传输装置100减少其功耗。该低功率模式在本文中被称为装置休眠。因为装置的接收器122在t3间隔期间被停用，所以在电缆被插入而在其远端处未附接USB-PD装置时，装置100不通过运行接收器浪费功率。无论USB电缆150何时耦合到插座160，如由USB功率传输规范所要求，USB-PD源装置100在t3期间继续对Vbus 145施加DC电压(例如，5V)，而装置100处于装置休眠模式。如果USB-PD装置100在t3间隔期间具有需要被服务的一些其它(多个)待定任务，则在一个实施例中，静噪接收器126可以使得启用，同时其它(多个)待定任务被处理。

图4是表示在USB功率传输源装置中采用装置休眠模式以便最小化功耗的方法的流程图。在框400处，表示源性能消息的数目的变量n被设定为零。在框410处，USB功率传输源装置(诸如图1中的装置100)经由Vbus 145发送源性能消息，并且n因此被递增。在判定框420处，确定在发送源性能消息之后是否已在预定时间段内接收到对源性能的响应。在示例实施例中，该预定时间长度通过图3中示出的t1间隔320表示。在一个实施例中，在发送第三源性能消息后等待的时间长度t2 330不等于在发送前两个源性能消息后等待的时间长度t1，如图3中所示。在任何事件下，如果在预定时间段内接收到对源性能消息的响应，则USB-PD源装置100与发送关于功率传输的响应的远端装置协商，如框430处示出。如果该协商产生关于功率传输的协定，则USB-PD源装置100将使用所商定的功率传输模式来开始到远端装置的功率传输。另一方面，如果在预定量的时间内未接收到对源性能消息的响应，则确定是否已经发送预定数目N个源性能消息，如判定框440处指示。在示例实施例中，N为3，如关于图3所描述。在该实施例中，如果n≠3，则装置尚未发送三个源性能消息并且因此过程返回到框410，其中另一源性能消息被发送并且n再次被递增。另一方面，如果在判定框440处n等于N，则已经发送预定数目的源性能消息。在该事件下，如框450中指示，USB-PD源装置等待由图3中的t3表示的延长的时间段。在该延长的时间段期间，USB-PD源装置(诸如装置100)进入装置休眠模式，其中USB-PD源装置的信号接收功能关断。例如，在一个实施例中，USB-PD控制器110的主接收器122在延长的时间段t3期间关断。此外，在一个实施例中，静噪接收器126在该时间期间也关断，并且在某些实施例中，USB功率传输装置100的其它部分也关断。此外在框450处，在框410处开始的USB-PD源装置开始传送新一轮源性能消息之前，变量n被重置为零。

当处于装置休眠模式时，USB功率传输源装置100用来确定其需要何时醒来并准备发送下一源性能消息的时钟可能不如装置100在正常操作时精确。此外，当处于装置休眠模式时，装置100将不接收由在电缆的远端处的USB-PD装置发送到其的任何消息。装置休眠的该特性意味着使用该装置休眠模式的任何USB-PD装置将不完全遵守USB功率传输规范。然而，装置将仍是完全功能的并且可与其它USB功率传输装置互相操作。

在USB功率传输源装置的一个实施例中，除在图3中示出的时间间隔t3期间进入装置休眠模式外，装置还使用比USB功率传输规范中要求的时间段更长的t3时间段。这进一步减少功耗。如果USB-PD接收装置连接在电缆150的远端处，则所述USB-PD接收装置将等待时间t_SinkWaitCap用于源性能消息到达。如果源性能消息未到达，则远端接收装置将发送硬重置消息，再次等待t_SinkWaitCap，并发送另一硬重置消息，再次等待t_SinkWaitCap，并随后发送又一硬重置消息。在此之后，在一个实施例中，接收装置将假定源是无响应的。时间t_SinkWaitCap在USB功率传输规范中定义。因此，在一个实施例中，USB-PD源装置使用延长的t3时间段但将其保持为少于3*t_SinkWaitCap，以便避免被归类为无响应的，被归类为无响应可能导致互操作性问题。

在另一实施例中，USB功率传输源装置100发送简略源性能消息，直到其第一次接收到GoodCRC消息。这最小化图3中示出的S1间隔的持续时间，并且进一步减少功耗。在一个实施例中，源化装置100发送仅包括一个功率传输对象的源性能消息，直到其接收到GoodCRC消息。在接收到GoodCRC消息后，源化装置100发送包括功率输传输对象的全部补充的另一源性能消息。包括在该随后的源性能消息中的功率传输对象的实际数目将取决于装置能够提供的功率供应类型的数目。在一个实施例中，包括在简略源性能消息中的单个功率传输对象是与需要被包含在所有USB-PD源装置中的固定的5伏特电源相关联的功率传输对象。

图5是表示在USB功率传输源装置中使用简略源性能消息以便最小化功耗的方法的流程图。在框500处，装置经由Vbus 145发送一个或多个简略源性能消息。在一个实施例中，简略源性能消息仅包含功率传输对象。在框510处，在每个简略源性能消息的发送之后，USB-PD源装置等待预定时间长度以接收对简略源性能消息的响应。在框520处，如果USB-PD源装置接收到对简略源性能消息的响应，则源装置发送完整源性能消息，在一个实施例中，所述完整源性能消息包含多个功率传输对象。

在另一实施例中，在USB功率传输源装置100已接收到GoodCRC消息或任何其它有效USB-PD消息之后，所述USB功率传输源装置将不开始再次使用装置休眠模式，直到通信停止一段时间。但是如果远端装置被拔出并且因此停止发送任何USB-PD消息达一段时间，则USB-PD源装置100重新使用本文中描述的装置休眠模式以节约功率。图6是示出在此情况下通过FSK收发器124/122发送和接收数据包的示例的时序图。图6示出无响应的三个源性能消息610的传送，其后是延长的时间段t3612，在所述延长的时间段期间没有源性能消息被发送，并且在所述延长的时间段期间USB-PD源装置100进入装置休眠模式，其中所述USB-PD源装置关闭其接收器122，如以上关于图3所描述。USB-PD源装置100再次醒来以发送另一源性能消息614。此时，USB-PD装置已经连接在电缆150的远端处，并且该远端装置利用GoodCRC消息616对源性能消息614做出响应，并且随后发生消息交换。远端装置发送功率请求消息618，并且由USB-PD源装置100利用GoodCRC消息620确认对请求消息618的成功接收。USB-PD源装置100随后利用接受消息622指示其对功率请求的接受。该接受消息的接收由远端USB-PD装置利用GoodCRC消息624来确认。USB-PD源装置100随后发送功率源就绪消息626以指示其准备好提供功率，并且远端装置利用GoodCRC消息628确认对功率源就绪消息626的接收。然而，在发送GoodCRC消息628之后，远端装置被拔出或另外变得不响应，并且因此永不对源性能消息630做出响应。

在未收到远端装置的回复的一些预定量的时间之后，USB-PD源装置100可以发送源性能消息(或另一类型的消息)，如图6中的630处示出。如果三个源性能消息630被发送而无响应，则USB-PD源装置100接着通过发送软重置消息来尝试软重置。如在USB功率传输规范中所定义，软重置消息用于从协议层错误恢复。软重置将消息计数器置于已知状态以便重新获得消息同步。软重置不改变被传输的功率；其尝试在不影响功率系统的情况下修复协议错误。如果未从远端装置接收到响应，软重置消息可以被再重新发送两次。如果在三次软重置尝试后未接收到响应，则USB-PD源装置100等待时间t_HardReset(由USB功率传输规范定义)，并且接着发送硬重置消息。硬重置将Vbus 145上的电压变为低于0.8V以迫使重置系统。根据示例实施例，在USB-PD源装置100发送硬重置消息634之后，所述USB-PD源装置100在图6中示出的时间段t4 636期间进入装置休眠模式。

图7是表示在USB功率传输源装置中采用装置休眠模式以便最小化功耗的方法的流程图。在框700处，USB功率传输装置(诸如图1中的装置100)经由Vbus 145与第二(远端)USB功率传输装置通信。该通信包括将消息传送到第二USB功率传输装置，并且接收来自第二USB功率传输装置的消息。在框710处，如果在预定持续时间内未接收到来自第二USB功率传输装置的消息，则USB-PD源装置100进入装置休眠模式，其中USB功率传输源装置100的信号接收功能关断。

因此，本文已经描述用于实施USB功率传输源装置的功率节约模式的电路和方法。

在权利要求书的范围内，在描述的实施例中修改是可能的，并且其它实施例是可能的。例如，虽然USB-PD调制解调器120(以及因此其主接收器122和传送器124)被描述为使用频移键控(FSK)调制方案，但是这些元件也可以采用除频移键控外的其它信号调制方案。