用于通用串行总线充电的低功率连接检测方法及系统与流程

本申请案主张2014年8月20日申请的共有的第62/039,705号美国临时专利申请案的优先权，其针对所有目的特此以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于接地面隔离、特定地说在通用串行总线(USB)环境中的接地面隔离的方法及系统。

背景技术：

个人计算机(PC)空间中对低功率消耗的递增需求正驱动客户在所有操作状态中节约电力。此在休眠S4或S5状态(其中在用户看来膝上型计算机似乎被关闭)中尤其如此。若干制造商也已定义称为已连接待机或“InstantGo”的新状态，所述新状态需要超低功率操作。在任一状态中，通用串行总线子系统在可消耗多少电力方面非常受限。在集线器的情况下，其应消耗小于～1mW。在常规集线器中，无法达到所述电力量。当关闭时，集线器无法执行电池充电握手，所以在“关闭”状态中系统实际上失去对标准定义的电池充电1.2或对装置特定充电的支持-即使电力在USB端口的Vbus接脚上仍可用。

第二问题是分配到USB端口充电的总电力预算。4个端口的充电支持可理论上接近10A。大多数系统无法支持此高电流预算。更易于控制的限制可为5A–2个端口可理论上消耗其。

技术实现要素：

因此，需要解决方案，所述解决方案可将用于支持电池充电的多端口USB集线器的挂起及待机电流最小化，且因此帮助将供应电流限于最大值。

根据实施例，通用串行总线(USB)集线器可包括：USB集线器控制器；嵌入式控制器，其经配置以在正常操作模式及低功率模式中操作且与所述USB集线器控制器耦合，其中所述嵌入式控制器经配置以打开或关闭所述USB集线器控制器；至少一个USB端口连接器及与所述USB集线器控制器耦合的相关端口电力控制装置及与所述嵌入式控制器耦合的相关可控制旁路开关，所述开关经配置以当所述嵌入式控制器启用所述相关可控制旁路开关时提供供应电压到所述至少一个USB端口连接器；具有至少一个输出的可控制电压供应调节器单元，所述输出提供第一输出电压，其中所述至少一个输出可通过所述嵌入式控制器控制成关闭，其中所述调节器的所述至少一个输出与所述至少一个USB端口连接器的端口电力控制装置耦合；及可编程电流监测器电路，其包括电流传感器，所述传感器与调节器单元的所述至少一个输出耦合，其中所述调节器单元包括内部第二供应电压调节器，所述调节器提供第二供应电压到所述可编程电流监测器电路，其中在低功率模式期间，所述USB集线器控制器及任何端口电力控制装置关闭且所述可编程电流监测器电路经进一步配置以通过所述电流传感器及旁路开关提供所述第二供应电压到所述至少一个USB端口连接器，且其中当USB装置插接到所述至少一个USB端口连接器时所述可编程电流监测器电路检测从所述内部第二供应电压调节器通过所述至少一个USB端口连接器流动的电流且所述可编程电流监测器电路经配置以唤醒所述嵌入式控制器。

根据进一步实施例，所述电流传感器可为分流电阻器，所述电阻器在所述调节器单元的输出与所述至少一个USB端口连接器的端口电力控制装置之间连接。根据进一步实施例，可编程电流监测器电路可具有可通过嵌入式控制器编程的电流阈值。根据进一步实施例，所述可编程电流监测器电路可具有可编程内部定时器单元，所述定时器单元确定可编程电流监测器何时在低功率待机模式中操作。根据进一步实施例，所述嵌入式控制器可切换到睡眠模式，且所述电流监测器电路经配置以当通过电流传感器的电流超过可编程电流阈值时产生馈给到所述嵌入式控制器的唤醒信号。根据进一步实施例，所述嵌入式控制器可在所述低功率模式期间关闭且仅通过电池接收电力，所述电流监测器电路进一步包括串联连接的电阻器及二极管，所述电阻器及所述二极管在内部第二供应电压调节器与调节器单元的输出之间耦合，所述输出用于提供所述第二供应电压到电流传感器。根据进一步实施例，电阻器与二极管之间的节点可与嵌入式控制器的输入端口连接，且所述输入端口经配置以唤醒嵌入式控制器。根据进一步实施例，可控制电压供应调节器可包括进一步可控制输出，所述输出提供用于所述嵌入式控制器的供应电压，其中当所述嵌入式控制器唤醒时，所述嵌入式控制器经配置以打开所述进一步输出。根据进一步实施例，所述内部第二供应电压调节器可为低压降调节器。根据进一步实施例，内部第二供应电压调节器的调节电压可低于所述至少一个输出处的输出电压。根据进一步实施例，在USB端口连接器处检测到插接事件后，所述嵌入式控制器可经配置以关闭所述旁路开关、打开所述可控制电压供应调节器单元的输出且激活USB集线器控制器。根据进一步实施例，所述USB集线器可进一步包括开关，所述开关与所述USB集线器控制器的电力供应输入耦合且接收用于所述USB集线器控制器的供应电压，所述开关通过所述嵌入式控制器控制。根据进一步实施例，所述USB集线器可进一步包括多个USB端口连接器、相关端口电力控制器及相关可控制旁路开关。

根据另一实施例，用于操作包括多个USB端口的USB集线器的方法可包括以下步骤：通过嵌入式控制器控制所述USB集线器以在低功率模式中操作，其中关闭USB集线器控制器及所述USB端口的任何电力端口控制器，其中所述USB集线器汲取最小电流；将所述嵌入式控制器切换到低功率模式；通过旁路开关将第二电压调节器与所述USB端口的相应USB连接器耦合且监测通过所述第二电压调节器提供的电流，且当USB装置插接到所述至少一个USB端口连接器时检测从所述第二电压调节器通过所述至少一个USB端口连接器流动的电流，且当所述电流流动时唤醒所述嵌入式控制器。

根据方法的另一实施例，在唤醒后，所述嵌入式控制器可打开所述USB集线器控制器、所述电力端口控制器且关闭所述旁路开关。根据所述方法的另一实施例，所述USB集线器可包括可编程电流监测器电路，所述电流监测器电路具有可编程内部定时器单元，所述定时器单元确定所述可编程电流监测器何时在低功率待机模式中操作，且所述方法可包括以下步骤：编程所述电流监测器以定义操作周期，其中在所述操作周期的定义时间周期期间，所述电流监测器是在低功率待机模式中且在剩余时间周期期间，所述电流监测器是在正常操作模式中。根据所述方法的另一实施例，所述USB集线器控制器及所述电力端口控制器可通过激活主要电压调节器单元打开。根据所述方法的另一实施例，所述USB集线器控制器可切换电力端口控制器的控制输入以起始电池充电协议。根据所述方法的另一实施例，当在所述低功率模式中时，所述嵌入式控制器可通过电池供电且当在正常操作模式中时，所述嵌入式控制器可通过主要电压调节器单元的可控制输出供电。根据所述方法的另一实施例，所述可编程电流监测器电路可经配置以产生唤醒所述嵌入式控制器的第一信号，且当超过可编程电流阈值时，产生第二信号。根据所述方法的另一实施例，当接收所述第一信号时，所述嵌入式控制器可打开所述主要电压调节器且切换到所述正常操作模式。根据所述方法的另一实施例，当在已接收所述第一信号之后的预定时间周期内未接收任何第二信号时，所述嵌入式控制器可关闭所述主要电压调节器。根据所述方法的另一实施例，当在低功率模式中时，所述嵌入式控制器可消耗最小电流且其中可编程电流监测器装置经配置以监测从所述第二电压调节器通过所述至少一个USB端口连接器流动的电流且其中当所述电流超过可编程阈值时，所述可编程电流监测器装置产生信号，所述信号唤醒所述嵌入式控制器。根据所述方法的另一实施例，当接收所述信号时，所述嵌入式控制器可打开所述主要电压调节器且切换到所述正常操作模式。根据所述方法的另一实施例，当在已接收所述第一信号之后的预定时间周期内未接收任何第二信号时，所述嵌入式控制器可关闭所述主要电压调节器。

附图说明

图1展示第一实施例的框图。

图2展示第二实施例的框图。

图3展示根据各种实施例的用于操作USB集线器的流程图。

具体实施方式

一般期望当USB集线器不使用中时，所述集线器不会汲取任何电流。在此情况中，所述系统进入挂起或待机，且电流汲取为最小。仅当检测到装置被附接时，才应该有电流流动。

在USB环境中，存在多种电池充电规范。所有规范使用在数据线上的信令。即使当无任何装置附接时，使用数据线的检测方案仍具有电流。

存在可通过感测负载电流来检测装置附接的USB电力控制器。所述USB电力控制器是可行解决方案，但对于四端口USB集线器，需要四个USB电力控制器，这构成非常昂贵的解决方案。

此外，因为USB电力控制器在5V下以每个端口高达2.4安培的有效电流操作，所以此类装置无法被集成到USB集线器集成电路中。因此，因为用于集成电路USB集线器的65nm工艺并非针对此规范设计，所以集成将不会非常成本有效。

根据各种实施例，可提供电路以将支持电池充电的多端口USB集线器的挂起及待机电流最小化。

图1展示USB集线器电路的实施例。当在挂起/待机模式中时，电路100提供集线器控制器150的完全断电，且电路100将常规端口电力控制器160用于所述集线器。电压调节器单元110可接收输入电压且包括各种输出。电压控制器单元110可通过微控制器130来控制。例如，第一3V输出可由微控制器控制以打开或关闭，以提供电力到USB集线器控制器150及电流监测器120。可提供第二3.3V输出(3V输出)以向所述微控制器提供供应电压，其可为永久有效的低压降调节器以向所述微控制器供电，或也可为可切换电压调节器，其中电池135(例如，硬币型电池)可用以在睡眠或低功率模式期间提供电力。当所述微控制器具有基本上不汲取任何电流的睡眠模式时，使用电池的实施例可为非必需的。然而，诸多可用微控制器可能不提供此规范。电压调节器单元110可进一步包括向电流监测器120供电的3.3V低压降电压调节器。然而，在仅低压降电源被用于微控制器的情况下，相同输出也可向电流监测器120供电。

也提供可切换5V输出以用于通过相关端口电力控制器160向USB端口连接器170供电。类似于第一3.3V输出(3V输出)，微控制器130经配置以打开或关闭此5V输出。电压调节器单元110可进一步(例如)包括串行接口或任何其它合适接口以由微控制器130控制。由于特定输出电压可被完全关闭，因此集线器150的电力消耗可实际上减少到零电流。

根据各种实施例，电流感测监测器120可用作集中装置以检测通过所述端口中的任一者流动的电流。根据一个实施例，(例如)由本申请案的受让人制造的MCHP PAC1710可用作中心电流感测装置120。然而，可使用其它电流感测监测器。电流感测监测器120还可包括串行接口或任何其它合适接口以与微控制器130通信。低值迹线电阻器或实际电阻器125可置于电力路径中的印刷电路板(PCB)上。根据实施例，在检测到被附接的下游USB装置后，电流感测监测器120可经设计以通过警示微控制器130起始系统的更高电力模式。在此实施例中，所述微控制器在深睡眠模式中通过所述低压降供应电压运行，且经配置使得其可通过电流监测器120唤醒。所述USB集线器控制器150及所有的端口电力控制器被关闭。还关闭5V输出电源。因此，电流接收器120可经配置以通过分流电阻器125供应所述低压降3V供应电压到旁路单元175。旁路单元175是通过所述微控制器控制，且当所述微控制器在睡眠模式中时，旁路单元175用所述低压降3V电力供应电压向USB连接器170供电，由此绕开端口电力控制器160。一旦USB装置已与端口连接器170连接，将汲取可通过电流监测器检测的小电流。所述电流监测器将接着唤醒微控制器130。微控制器130可接着改变集线器的操作方式，(例如)，将集线器从省电模式切换到正常操作模式。例如，将打开3V输出供应电压与5V输出供应电压。一旦所述系统完全有效，USB集线器150激活端口电力控制器160且开始通过相应电力端口控制器160与所附接的下游装置进行正常电池充电协商。

根据一些实施例，特定地说当在低功率模式中使用电池用于向所述微控制器供电时，所述微控制器可不能够通过从电流监测器120接收警示信号而唤醒。由于在低功率模式中集线器控制器150与微控制器130必须有效地降低电力以节约电力，因此需要首先检测USB端口170上的插接事件以了解装置是否在那里且是否需要充电。因此，在具有最小电流的此实施例中，电压调节器单元110需要经配置以仅针对电流监测器120提供供应电压，其中微控制器130仅从硬币型电池135汲取电流。

根据各种实施例，电流监测器120(例如，PAC1710)可用以(如图1中所示)检测端口170上的USB附接事件且警示所述系统的嵌入式控制器130。所述微控制器可接着发送信号给所述电压调节器以打开主3V输出电源及5V输出电源。此外，停用旁路单元175且微控制器130现在可检查是否存在来自电流监测器120的警示信号。或者，所述警示信号可引起微控制器130中的中断。如果USB集线器控制器150是在分开的可切换电力供应线上，那么微控制器130接着可决定打开所述USB集线器控制器的电力。

电压调节器单元110可经设计以允许控制器130接通分别向USB集线器控制器150及(若干)端口电力控制器160供电的3V输出线及5V输出线，且如果实施，那么接通第二3V输出线以提供电力到微控制器130自身用于正常操作。此外或替代地，所述控制器可断言相应启用信号以选择性地打开所述电流监测器及USB集线器控制器150。

当触发事件发生且所述微控制器已启用集线器控制器150时，集线器控制器150将(例如，经由PRT_PWR接脚)双态切换VBUS，且引起下游装置重新起始其电池充电(BC)请求。此时，正常BC会话可开始。

根据各种实施例的所述电路具有以下益处：所述电路在任何面向下游端口(图1中仅展示一个端口)上提供充电能力。所述系统可意识到电流汲取，且嵌入式控制器130可通过电流监测器120监测电池电量，以在达到最小阈值时停止充电，且甚至估计所述情况何时将发生。因此，可提供低电流操作，(例如)使用经设计以在电流事件后警示微控制器130的电流监测器120。例如，此模式中的电力消耗可为仅5uA(在睡眠中)及250uA(在读取模式期间，其中所述微控制器是唤醒的)，其中电力端口控制器160一般各自需要150uA。

根据如图1及2中所示的各种实施例，可提供非常低功率的系统级解决方案。所述电路可基于系统设计电流阈值来切断端口。此可通过系统地切断所述端口以查看哪些端口影响电流汲取，由此指示已用/未使用端口来实现。此解决设计具有固定量的电流(可为小于“可”提供到多个端口的电流)的系统的问题。就总成本而言，根据各种实施例的电路可对于4端口解决方案提供超过使用4个“智能型”电力端口控制器的显著材料成本节约。

根据图2，展示使用微控制器的“n”端口USB集线器200的示范性电路图，所述微控制器具有针对低功率关闭模式的第二电池电源。可实施任何数量的端口。DC-DC调节器110提供各种供应电压。针对嵌入式控制器130的正常操作提供第一3V供应电压。第二3V供应电压向电流监测装置120供电，且经由FET开关180向USB集线器控制器150供电。可提供分别的1.2V调节器140以针对USB集线器150产生低核心供应电压。电流监测装置120是与分流电阻器125(优选具有非常低的电阻)耦合，所述电阻器经布置于调节器110的主5V输出与各种USB端口控制器160及连接器170之间。此外，电流监测器120产生馈给到嵌入式控制器130的警示信号。然而，如下文将更详细解释，此警示信号将不能够唤醒微控制器130本身。嵌入式控制器还通过串行接口(例如，如图1中所示的SMBus接口)与电流监测器120耦合。嵌入式控制器130可通过此串行接口配置电流监测器且设定适当电流阈值。嵌入式控制器130产生输出信号以控制FET开关180。

以下元件提供低功率系统级电流事件检测。DC-DC调节器110具有通过电阻器115与嵌入式控制器130的输入耦合的3.3V低压降调节器输出3VLP。此3.3V LDO输出3VLP进一步通过二极管190与主5V调节器输出轨耦合。此外，电容器112可被设置在电阻器115与接地之间。所述LDO输出提供低电流源(当所述系统在非常低电流模式中时，所述电流源打开)。可使用其它低电流检测器电路。

每个端口包括标准电力端口控制器160及USB连接器170。每个USB连接器170的数据线与USB集线器150耦合。每个电力端口控制器160从由DC-DC调节器110提供的主5V供应电压提供供应电压到其相关USB连接器170。可通过由所述微控制器输出信号PPC_PYPASS控制的FET 175旁路每个电力端口控制器160。还可通过将FET 175的栅极与其源极耦合的电阻器馈给所述PPC_BYPASS信号。

在非常低功率模式中，关闭所述主3V输出及所述主5V输出，关闭开关180且所述3V_COIN电源供应电力到嵌入式控制器，所述控制器是在“关闭模式”中或深睡眠模式中且从其硬币型电池汲取非常少的电流(例如，8μA)。3VLP是在此模式中打开的仅有的电压源–提供高达250μA的电流到电流感测监测器120。

电流监测器120可在需要非常少的电流(例如，5uA)的睡眠模式及需要更高电流(例如，250uA的电流)的正常操作模式中操作。为减少电力消耗，电流监测器120将在一些时间内循环进入或退出其睡眠模式中，导致大于5uA但远小于250uA。例如，根据实施例，电流监测器120可经设计以依据其自身的内部定时器从睡眠模式唤醒。为此目的，电流监测器120可经编程以设定打开时间及关闭时间的比率。例如，所述电流监测器可经编程以在95％的时间睡眠且仅在5％的时间唤醒。此设定将导致随时间大约17.25uA的平均电流消耗。

当所述系统在低功率模式中时，所述PPC_BYPASS信号为高–迫使到USB端口170的电流通过旁路FET 175来自3VLP。一旦USB装置插接到所述四个端口中的一者，此将立刻引起连接到电阻器115与电容器112之间的节点的控制器130的输入上的低信号。所述嵌入式控制器将检测此(例如，接收改变后中断信号)且因为所述输入(VCI_IN)从所述硬币型电池获取能量，所以唤醒。如上文所提及，当通过3V_COIN供应时，所述微控制器不能够由此实施例中的任何其它信号激活。嵌入式控制器130现在可通过打开DC-DC调节器110且关闭PPC_BYPASS而激活所述主5V供应电压及所述主3V供应电压。DC-DC控制器110可通过控制器130控制以个别打开所述主5V输出及所述第二3V输出。DC-DC调节器110经激活以输出用于可通过集线器150个别激活的电力端口控制器160的主5V供应电压。此外，可激活USB集线器150，且可唤醒整个系统，或可仅给个别端口供电以用于充电而剩余系统留在睡眠模式中。再次，一旦所述微控制器完全唤醒且端口电力控制器160激活伴随旁路单元175停用，集中电流监测装置120可被设定成在正常模式中操作且可检测电流流动且警示微控制器采取进一步行动。

如图1及2中所示，一旦所述微控制器及调节器110完全激活，嵌入式控制器130可通过电流监测器120确定通过其串行接口的电流且决定进一步行动。所述微控制器可(例如)通过USB集线器150个别地打开或关闭特定端口。在一些实施例，电流监测器120可发送信号到所述嵌入式控制器，指示已超过阈值，且所述控制器可接着激活USB集线器150或控制所述集线器以执行特定功能。在其它实施例中，微控制器130可轮询电流监测器120。USB集线器控制器150可接着双态切换端口电力控制器160上的PRT_PWR输入。每个电力端口控制器160可包括与USB集线器控制器150连接的过电流感测输出(OCS#)。一旦所述PRT_PWR已由集线器150双态切换，相应USB装置可开始协商电池充电配置文件且开始充电。如果装置电流下降到低于阈值或未插接，那么电流监测器120解除断言所述警示信号。在此时，所述微控制器可关闭开关180，告知DC-DC调节器110关闭主轨3V_MAIN及5V_MAIN，且停止将PPC_BYPASS下拉。此保持3VLP轨打开且将系统设定回到初始状态。

图3展示示范性操作流程图。在步骤300中，初始状态定义所述DC-DC调节器关闭且低压降调节器打开。功率FET 180关闭，如果微控制器的睡眠电流足够低，那么微控制器也关闭且由电池或低压降调节器供应。还关闭主机(未展示)且关闭集线器控制器150。关闭所有端口电力控制器160且打开旁路单元。

将假定没有任何装置插接到连接器170中的任一者中，因此，仅电流监测器120当置于睡眠模式中时汲取(例如)5uA的最小电流或当在循环模式中(如上文所描述95％关闭/5％打开)操作时汲取17.25uA。在步骤310中，插接事件在USB连接器170中的一者处发生。所述经插接的USB装置可提出电池充电请求，然而，归因于USB集线器的断电状态，没有任何事情发生。然而，归因于插接，通过旁路单元175从低压降调节器接收3.3V供应电压的USB供应电压线将汲取在步骤320中检测的小量电流。此还引起微控制器130的唤醒，所述唤醒将继而打开DC-DC调节器。在步骤330中，通过分流器125的电流是由电流监测器120检查。在所述电流低于可编程阈值的情况下，将不会断言所述警示信号且因此在步骤340中，所述微控制器可标记所述事件并非充电请求，且关闭DC-DC调节器单元110。集线器可经配置以仅在已打开主供应电压之后在预定时间周期已过而没有任何电流超过阈值(警示信号保持解除断言)之后到达步骤340。

在所汲取的电流高于所述阈值的情况下，接着在步骤350中，电流监测器120将断言警示信号且微控制器130可对FET 180通电(其还将对集线器控制器150通电)。在步骤360中，集线器控制器150将双态切换每个端口的PRT_PWR且进入专用充电端口(DCP)模式。在步骤370中，USB装置将协商电池充电配置文件以对其电池充电。在步骤380中，将检查装置电流是否下降到低于阈值或装置是否被拔下。如果是，那么例程跳到步骤390，其中所述警示信号将被解除断言且微控制器可决定进一步行动(例如返回到初始状态且关闭所有电源)。

在微控制器130包括仅汲取非常低的电流的睡眠模式的情况下，微控制器可由还提供电力到电流监测器的低压降调节器供电。然而，仅在微控制器在正常操作模式中不需要太多电力且允许在正常操作期间使用低压降调节器作为主电源的情况下，此实施例才是可行的。

电力及成本节约实例：

常规4端口电池充电集线器及简单端口电力控制器：在3.3V下3mA～5mA＝10mW到17mW。

常规4端口电池充电集线器及根据各种实施例的电流感测端口电力控制器：每个端口：在5V下150uA＝0.75mW。因此，对于4端口解决方案：4X 0.75＝3mW。

根据各种实施例的所提出的解决方案：挂起功率＝在5V下5uA＝0.025mW。节约随端口的数量按比例增长。

如上所述，各种实施例还提供显著成本节约，因为当实施四端口集线器时，使用电流传感器替代多个端口电力控制器提供高达50％的成本节约。