具有控制器电路的串行总线设备及相关使用的制作方法

各种实施例的各方面是针对串行总线系统中的解决方案，并且更特定的方面涉及具有微调组件的低电力解决方案。

背景技术：

总线接口协议可用于允许各种不同电子装置和系统之间的通信。协议可在连接器的物理大小、尺寸和电连接特性方面对它们进行限定。协议还可限定通信如何在所连接的装置之间进行。在一些情况下，协议出于(例如)建立通信速度和电力输送选项的目的而限定装置如何与彼此协商一致。

特定类型的总线接口防议为通用串行总线(usb)。在usb可用于将外部的外围装置附接到个人计算机的同时，它还可用于在外围装置之间介接、为其充电，以及大量其它的应用和使用，例如汽车、相机、智能电话、电视和机顶盒。usb也可用作各种移动装置充电解决方案中的电源。usb提供各种不同的数据传送速度。usb电力输送(pd)协议支持功率协商和支持高达100w(20vx5a)的输送解决方案。

技术实现要素：

本发明的各种实施例针对用于在串行总线系统中提供低电力解决方案的设备。设备可包括逻辑控制器电路，所述逻辑控制器电路被配置成提供对通过串行总线系统的电力输送的控制。逻辑控制器电路可包括模拟电路，所述模拟电路包括多个模拟分量和用于配置模拟分量的微调电路。逻辑控制器电路的数字电路可被配置成在活动模式和休眠模式之间切换，其中休眠模式消耗比主动模式更少的电流。逻辑控制器电路的电压调节器电路可被配置成根据供应电压产生稳定电压。逻辑控制器电路还可包括复位产生电路，所述复位产生电路被配置成确定供应电压已达到第一阈值电压电平；响应于确定供应电压已达到第一阈值电压，启用电压调节器电路；确定稳定电压已达到第二阈值电压电平；确定供应电压已达到第三阈值电压电平；以及响应于确定稳定电压已达到第二阈值电压电平和供应电压已达到第三阈值电压电平，将数字电路从休眠模式切换到活动模式。

本发明的各种实施例针对用于低电力逻辑控制器电路的方法，所述低电力逻辑控制器电路具有微调模拟分量，并被配置成提供对通过串行总线的电力输送的控制。所述方法可包括确定供应电压已达到第一阈值电压电平；响应于确定供应电压已达到第一阈值电压，启用电压调节器电路，所述电压调节器电路被配置成根据供应电压产生稳定电压；确定稳定电压已达到第二阈值电压电平；确定供应电压已达到第三阈值电压电平；以及响应于确定稳定电压已达到第二阈值电压电平和供应电压已达到第三阈值电压电平，将数字电路从休眠模式切换到活动模式，其中休眠模式消耗比活动模式更少的电流。

以上论述/概述并不意图描述本发明的每个实施例或每个实施方案。以下图式和详细描述还举例说明了各种实施例。

附图说明

考虑结合附图的以下详细描述可以更全面地理解各种示例实施例，在附图中：

图1a描绘根据本发明的实施例的被设计成使用串行总线接口来提供装置之间的通信和电力的系统的框图；

图1b示出了根据本发明的实施例的控制器电路的框图；

图2描绘根据本发明的实施例的复位控制电路的行为的状态图；

图3描绘根据本发明的实施例的微调参考电压电路的电路图；

图4描绘根据本发明的实施例的微调电流源电路的电路图；

图5示出了根据本发明的实施例的微调电阻器电路的电路图；以及

图6示出了根据本发明的实施例的微调振荡器电路的电路图。

虽然本文中所论述的各种实施例能够经受修改和替代形式，但在图式中已借助于例子示出了这些实施例的各方面，且将详细描述这些实施例的各方面。然而，应理解，并不打算将本发明限于所描述的特定实施例。相反，意图涵盖落入本发明的范畴内的包括权利要求书中限定的各方面的所有修改、等效物和替代方案。另外，如贯穿本申请案通篇所使用的术语“例子”仅借助于说明，且不加限制。

具体实施方式

本发明的各方面被认为适用于各种不同类型的设备、系统和方法，它们涉及被设计成用于串行总线的控制器电路。在某些实施方案中，当在具有高精确度的低电力解决方案的情形下使用时，本发明的各方面示出为有益的。在一些实施例中，控制器电路可在成本和物理空间方面受限，以及其它限制。可实施这些和其它方面以解决包括上面背景技术中所论述的那些的挑战。虽然未必如此受到限制，但是通过使用此类示例性情形的例子的论述可以理解各个方面。

根据各种实施例，控制器电路包括模拟电路，所述模拟电路已被配置成通过提供不同的微调功能电路的复杂混合来提供精确的模拟值和信号。各种实施例针对多个微调功能电路，所述微调功能电路被设计用于针对不同功能提供精确的参考点的外部测试固定装置。在本发明的某些实施例中，不同的功能电路中的一个或多个可被配置成用于低电力消耗，同时部分地由于电路的微调能力而提供高精确度。

特定实施例针对被设计成用于usbc类连接器的电路。用于c类连接器的usb协议指定系统中的不同装置如何与电力提供能力协商一致(除了其它以外)。这可包括配置信道(cc)的使用，其具有对应的连接线和引脚。例如，cc控制器电路可被配置成使用cc引脚来检测和传输信号，以便检测端口附接和拆卸事件，以及确定电力提供能力、电缆取向、装置作用和当前模式的端口控制。为了易于论述，有时特定地参考usb和c类连接器来论述实施例和特征。应理解，在本文中论述的各种实施例和特征可用于各种额外的和不同的协议和应用，以及用于未来版本的usb协议和c类连接器。

某些实施例针对用于提供串行总线系统中降低的电力解决方案的设备。设备包括逻辑控制器电路，所述逻辑控制器电路被配置成提供对串行总线系统内的电力输送的控制。在各种实施方案中，逻辑控制器电路可包括具有多个模拟分量的模拟电路。微调电路可被配置成允许对用于各个模拟分量的值和设置进行微调。在特定实施方案中，微调电路可被配置成在装置的制造和测试期间用作校准过程的部分。例如，外部参考电压和电阻值可由测试固定装置提供。这些电压和值可由微调电路使用以补偿过程、电压和温度(pvt)变化效应。

根据各种实施例，控制器电路可包括数字电路，所述数字电路提供与串行总线有关的数个不同的控制和检测功能。在某些例子中，数字电路可被配置成在活动模式和休眠模式之间切换。休眠模式可涉及将各个组件放置成悬置状态，以使得相比于活动模式消耗更少的电流(和电力)。

根据各种实施例，复位产生器电路可被配置成基于各个电力供应器和启用信号的状态，控制休眠和活跃状态。举例来说，控制器电路可包括电压调节器电路，所述电压调节器电路被配置成根据供应电压产生稳定电压。复位产生/控制电路可被配置成确定供应电压已达到第一阈值电压电平的时间。响应于这个确定，复位产生电路可启用电压调节器电路。复位产生电路还可被配置成确定稳定电压已达到第二阈值电压电平和供应电压已达到第三阈值电压电平的时间。响应于这两个确定，复位产生电路可将数字电路从休眠模式切换到活动模式。

本发明的各种实施例涉及一种认识：usbc类cc逻辑控制检测电路可得益于精确的电压、电流、电阻和时钟频率，它们共同支持检测不同事件(例如，附接或拆卸事件)的能力。

现转而参看图式，图1a描绘根据本发明的实施例的被设计成使用串行总线接口来提供装置之间的通信和电力的系统的框图。系统包括应用程序处理器102、总线接口逻辑104、信号驱动器电路106和物理连接器108。应用程序处理器102可包括一个或多个计算机处理器电路，所述计算机处理器电路被配置成提供和控制系统的各方面，所述方面可包括操作系统、在操作系统上运行的应用程序、输入和输出(例如，音频和视频)以及其它功能。应用程序处理器设计可包括多个中央处理单元、存储器接口和图形发动机，并且可被配置成支持到其它装置的各种接口。

总线接口逻辑104可被配置成进行在相关协议中限定的各个功能。例如，各个usb协议指定兼容装置应能够在其它装置连接到物理连接器108时检测到它们的存在。usb功能还可包括(但不限于)检测附接电缆的取向，协商哪一装置将提供电力，以及确定所连接的装置的电力提供能力。信号驱动器和保护电路106可包括驱动器电路，所述驱动器电路产生遵循特定协议的信号。保护电路可提供(仅作为几个例子)针对连接之间的短路情况、过电压情况和过电流情况的保护。

控制器电路110可被配置成管理在开放系统互连模型(osi模型)的物理(phy)层上的电力输送功能。在某些实施例中，控制器电路110可实施为单个集成电路(ic)芯片的部分。例如，控制器电路110可为充当usbc类配置信道接口和usbpd物理和协议层功能的ic芯片。控制器电路110可用于广泛范围的应用和平台。应用的非限制性例子包括笔记本计算机、桌上型计算机、平板计算机、智能电话和配件。在一些应用中，电力消耗可极为重要，例如涉及各个移动装置的应用。各种实施例针对同时在低电力模式和活动模式期间的ic芯片的低电力消耗。

根据各种实施例，控制器电路110可包括模拟电路114，所述模拟电路114可包括多个模拟分量和用于配置模拟分量的微调电路。控制器电路110还可包括数字电路116，所述数字电路116被配置成在活动模式和休眠模式之间切换，其中休眠模式消耗比活动模式更少的电力和电流。在一些实施方案中，数字电路可使用cmos技术进行设计，所述数字电路可包括mos晶体管，所述mos晶体管当它们没有进行主动地切换时呈现极其低的电力。

根据本发明的各种实施例，微调电路可被配置成使用外部引脚来提供用于对各个模拟分量进行微调的精确的参考点。例如，微调电路可被配置成使用高精确度的电阻器、精确的电压源、精确的电流源及其组合。这些精确的外部参考点可接着用于调整(或修整)模拟分量的值，这可帮助补偿pvt变化。

图1b示出了根据本发明的实施例的控制器电路的框图。图1b中所描绘的控制器电路可用于(例如)图1a中所描绘的系统。图1b中所示的控制器电路可用于具有各种不同配置的系统。根据一些实施例，复位产生/控制电路156可被配置成控制用于各个其它电路和组件的启用、禁用和省电模式。这可包括启用电压调节器电路154、数字电路160和模拟电路158中的每一个。在各种实施例中，复位控制电路156可被配置成检测不同的电压电平满足特定阈值的时间，并使用这个信息来控制各个电路的启用。这个可包括监测由电压调节器电路154使用的供应电压，以及监测通过电压调节器电路154输出的稳定电压。在各种实施例中，电压调节器电路154还可响应于输入控制信号。例如，休眠信号可用于确定数字电路160是处于启用/活动模式还是处于禁用/休眠模式。

根据本发明的一些实施例，微调电压参考电路152可被配置成提供精确的参考电压。各个电路(例如，电压调节器电路154和产生片上偏压电流的电路)可使用参考电压，并得益于其改进了的精确度。如本文所论述，微调电压参考电路152可被配置成允许在控制器电路的校准期间调整(微调)参考电压值。这个微调可极其适用于补偿不同装置之间的过程、电压和温度(pvt)变化。举例来说，各个实施方案在微调设置中具有足够的分辨率，以允许装置之间的总电压变化在装置的整个预期pvt中小于2％。

微调电流源和电阻器162可被配置成提供精确的电流和电阻值，所述值可用于(例如)产生符合所使用的串行总线协议的输出电流和电阻(例如，根据usbc类规范)。例如，根据usbc类规范的电流和电阻的变化在整个pvt中分别小于8％和10％。如本文所论述，微调电压参考电路152可被配置成允许在控制器电路的校准期间调整(微调)参考电压值。在微调设置具有足够的分辨率以及精确的外部参考的情况下，电流和电阻值的变化可在整个预期pvt中维持在usbc类规范之内。

微调振荡器电路164可以类似方式被配置成产生在整个预期pvt中同时具有低电力消耗和低频变化(部分地由于频率的微调)的时钟信号。例如，微调振荡器电路164可被配置成产生由数字电路160使用的45khz时钟。在某些实施例中，可在整个预期pvt变化中将这个时钟的频率变化控制在大约5％内。

图2描绘根据本发明的实施例的复位控制电路的行为的状态图。图2的状态图符合usbc类实施方案；然而，流程图中所描绘的各方面可应用于其它协议和对应的实施方案。根据各种实施例，复位控制器可被配置成利用广泛范围的供电电压(vdd)进行操作。举例来说，复位控制电路可被设计成利用在2.7v和5.5v之间的供应电压进行操作。此外，供应电压可由控制器电路芯片外部的源提供。在斜升阶段期间供应电压的特定参数将取决于外部装置。斜升特性，例如电压斜升的速率和斜升分布的一致性，可大大地取决于附接装置而变化。因此，各种实施例针对复位控制器，所述复位控制器被配置成提供用于广泛范围的供电电压的斜升速率的成功上电，以及解释非单调供应电压斜升，或其它变化。

根据框202，图式中的第一状态在vdd上电事件发生时开始。这个事件表示存在vdd供应电压。根据框204，复位控制电路随后确定供应电压是否已达到第一阈值电压。根据框206，响应于供应电压达到第一阈值电压，可启用模拟分量。在一些实施例中，所启用的模拟分量包括参考电压产生器电路，其可产生由电压调节器使用的参考电压。可实施任选的延迟以允许参考电压有时间稳定。这个第一阈值电压的特定值可取决于特定实施方案而变化。针对usbc类兼容装置的特定实施方案，所描绘的第一电压是1.47伏，这表示可安全启用电压调节器电路(框208)的电压。类似地，所描绘的1.8v提供作为例子，且不必是限制性的。

根据框210，一旦已启用电压调节器，复位控制电路就可确定稳定输出电压(vdd1.8)达到第二阈值电压电平的时间。例如，如果电压调节器被设计成在稳定状态下提供1.8v，那么第二阈值电压可被设置成大约1.09v。在这个时间期间，复位控制电路可进行配置，以使得依靠稳定电压的电路保持在复位状态。根据框212，一旦达到第二阈值电压电平，复位控制电路就可去除组件的复位。这些电路可包括(但不必限于)数字电路、振荡器和参考电流产生器。根据各种实施例，复位状态的去除可允许数字电路进入初始状态，在所述初始状态中，一些元件具有电力，但还未完全启用整个电路。在各种实施例中，在去除复位，但还未提供启用信号时，数字电路处于休眠状态。在休眠状态中，数字组件的功率消耗可保持为极低(例如，通过限制性cmos晶体管的切换)。

根据框214，复位控制电路还可被配置成确定供应电压达到第三阈值水平的时间。所描绘的值是2.6v，其对应于相对于上述预期供电电压在2.7v和5.5v之间的例子的可接受容限。根据框216，一旦超过这个电压，复位控制电路就可产生用于数字电路的启用信号。根据某些实施例，复位控制电路可抖动消除这个信号(例如，在12ms内)，以避免启用和禁用状态之间的振荡。这方面的另一解决方案的例子是相较于禁用电压阈值，滞后使用启用电压阈值。

在某些实施例中，复位控制电路可使用模拟比较器，以确定不同的电压达到对应的阈值的时间。这个可包括使用参考电压，以得到阈值电压，例如在框206中启用的(带隙)参考电压。

根据某些实施例，控制器电路可包括处理器电路，所述处理器电路通过存储在存储器电路(或，仅仅“存储器”)中的一组指令(图像)来初始化。在一些实施例中，在已经检索出图像(例如，通过进入或离开休眠模式)之后，复位控制电路可达到对应于框216的状态。因此，根据框218，复位控制电路可被配置成确定先前是否获取图像。例如，图像获取程序可包括一旦完成图像检索就设置标签的步骤。根据框220，在进行到从存储器检索图像之前，复位控制电路可检查这个标签的值。根据框222，在任一事件中，控制器电路可随后进入正常操作。

如果复位控制电路检测到(根据框224)供应电压已下降到第三阈值电压电平以下，或(根据框226)已接收到休眠模式信号，那么根据框228，复位控制电路可去除启用信号，以使得数字电路进入休眠模式。复位控制电路可将数字电路保持在休眠状态，直到分别根据框230和232，它检测到供应电压高于第三阈值，并且不出现休眠模式信号。

图3描绘根据本发明的实施例的微调参考电压电路的电路图。参考电压电路302可被配置成产生参考电压(vbg)，其可在整个值集合中进行调节(微调)。在某些实施例中，参考电压电路302可为带隙参考电路。在微调参考电压电路的校准期间，可从自动测试设备提供外部电压(vext)。自动测试设备并不具有微调参考电压电路的大小或成本限制。因此，有可能形成高度精确的参考电压。

比较器304可被配置成比较参考电压和外部提供电压，以及产生基于比较结果的输出(intb)。所得输出可用作搜索算法的部分，并且可针对用于参考电压电路302的不同的修整设置重复测试过程。根据各种实施例，用于输出的从负值到正值的交叉点可用于识别微调参考电压电路所要的设置。一旦完成微调过程，开关306就可用于连接参考电压下的比较器和外部引脚以及断开所述比较器和外部引脚的连接。

应认识到，比较器偏移可产生比较器的不精确的测量结果。在某些实施方案中，可使用低偏移比较器。在一些情况下，外部参考电压可进行调整以补偿比较器的偏移。

实验测试示出了参考电压可被微调到变化小于1％，其中参考电压在1.229v到1.238v范围内变化(温度＝-40c～105c，电压＝2.7/3.3/5.5v)。

图4描绘根据本发明的实施例的微调电流源电路的电路图。运算放大器402以负反馈配置形式连接，以便将穿过晶体管404的电流维持在所要电流电平。穿过晶体管404的电流被提供到微调电阻410，并且所得电压(vtrim)被提供到放大器402的正输入终端，以形成负反馈。参考电压(vbg)被提供到放大器402的负输入终端。放大器402的所得输出使得由晶体管404提供的电流增加或减少，直到放大器402的输入上的电压是相同的，vtrim.＝vbg。此时，电流表示电路的稳态电流电平。因为正输入终端上的电压是穿过晶体管的电流(itrim)和微调电阻器410的电阻(rtrim)两者的函数(vtrim＝itrimrtrim)，调节微调电阻器的值改变了稳态电流，即，rtrim的改变导致itrim的改变，因为itrimrtrim＝vbg。

晶体管406到408被配置为到晶体管404的电流镜，并因此穿过晶体管404的电流的改变引起穿过晶体管406到408的电流的对应的改变。由控制器电路使用的内部参考电流通过晶体管407和408产生。晶体管406操作以提供测量电流(imes)，所述测量电流与内部参考电流相同，或是已知比例的内部参考电流。根据本发明的实施例，微调电流源电路包括连接点(id)，其被设计成用于连接到提供外部电阻(rext)的自动测试设备。由于跨越外部电阻(rext)的对应的电压降，来自晶体管406的测量电流产生电压(vmes)。因此，节点(vp)上的电压表示穿过晶体管406的电流。vp节点还连接到比较器412的正输入终端，以便比较通过实际电流产生的电压与预期电压。

根据某些实施例，在开关416关闭和开关418打开的情况下，采用来自比较器412的测量。因此，用于测量的输出将基于vmes与vtrim的比较(其中vtrim等于vbg)。可针对rtrim的不同值重复测量，并且可存储比较器412的输出以找到交叉点(例如，其中vm＞vp到vp＜vm的过渡，或反过来)。此信息随后可用于选择和设置rtrim的合适的值。

各种实施例基于所述认识：将vtrim用作由比较器412使用的电压可将误差引入到输出中。举例来说，放大器402中可存在偏移，并且参考电压vbg的值可具有某一误差。因此，微调电流源电路可包括连接点(端口)，所述连接点被设计成用于连接到自动测试设备，以便提供外部参考电压(vext)。在测量过程期间，开关418可关闭，开关416可打开。因此，负终端上的电压(vm)可具有通过自动测试设备设置而不是通过所测试的ic芯片的内部过程变化设置的精确度。

根据实施例，比较器412可被设计成具有低偏移特性，以改进测量的精确度。测量可使用数字对分搜索算法进行，但是其它搜索算法也是可能的。实验结果支持在温度＝-40c～105c，电压＝2.7/3.3/5.5v时，电流源可被微调到在1％和2％之间变化。

图5示出了根据本发明的实施例的微调电阻器电路的电路图。图5中所描绘的微调电阻器电路被配置成设置微调电阻器502的电阻值。微调电阻器电路被配置成允许自动测试设备连接到连接点(id)。微调电阻器电路被配置成修整微调电阻器502的电阻，以使它匹配由自动测试设备提供的外部电阻(rext)。这通过比较微调电压(vtrim)和参考电压(vref)来实现。如结合其它微调电路所论述，(对分)搜索算法可用于寻找微调电阻器502的所要设置和电阻值。

参考电压(vref)可使用电阻分压器电路产生，所述电阻分压器电路使用两个参考电阻器(rref)。根据各种实施例，电阻器可在它们的理想电阻、结构和制造过程方面进行匹配。以此方式，电阻器的pvt变化将与彼此紧密匹配，并相互消除，以在极接近二分之一的vdd下提供vref。外部电阻(rext)可随后被设置成微调电阻器的所要值。结果是当微调电阻器处于所要值时，vtrim将匹配vref。例如，rext可使用具有极高精确度的外部5.1kω电阻器来实施。在完成(对分)搜索算法之后，微调电阻器的电阻(vtrim)可微调到5.1kω±2％。

图6示出了根据本发明的实施例的微调振荡器电路的电路图。图6中所描绘的微调振荡器电路使用电容式充电，以确定振荡频率。微调电流源602被配置成用于控制充电速率和对应的振荡频率。例如，振荡频率可被计算为：

其中ton是过渡之间的时间，c是电容器604的电容，i是由微调电流源602提供的电流，vref是参考电压，以及tcomp_delay是由比较器608、sr(置位复位)锁存器610和电容器604的任何放电时间引入的延迟。

电路通过使用微调电流源对电容器604进行充电以及比较所得电压(vp)和参考电压(vref)来操作。一旦参考电压超过电容器上的电荷，比较器608的输出就逆变，以使得锁存器610启用晶体管606，其随后对电容器604进行放电。接着响应于所述放电，对锁存器610进行复位。锁存器610的复位产生锁存器610的逆变输出(qn)上的正边沿。所述正边沿被提供到触发器612的定时输入，所述触发器612被配置成在每一此类边缘上逆变其输出。

根据某些实施例，微调电流源602可为单独电流源或它可从偏压电路(例如，结合图4论述的微调电路)获得。在一些情况下，参考电压(vref)可通过微调参考(例如，结合图3论述的微调电路)获得。实施例还允许电容器604可进行微调以用于调整时钟频率。微调电容器可就地使用或结合微调电流源使用。

各个实验结果示出了可提供微调振荡器，所述微调振荡器在整个过程、电压和温度中提供在上下5％范围内变化的45khz的时钟频率。

测试结果支持根据在本文中论述实施例，模拟电路架构可提供高精确度、多个特征和低电力消耗。特定结果表明，针对具有微调电压参考、1.8v片上调节器、微调电流源、微调振荡器和微调电阻器的电路，可在休眠模式中实现大约4.4ua的标称电流消耗，可在活动模式中实现大约13ua的标称电流消耗。

可以实施各种块、模块或其它电路以执行本文中描述和/或附图中所示的操作和活动中的一个或多个。在这些情形中，可以使用进行这些或相关的操作/活动中的一个或多个的电路实施“块”(此外，有时“电路”、“逻辑电路”或“模块”)。在各种实施例中，在有限的灵活性足够的情况下，硬连线控制块可用于使此类实施方案的区域最小化。可替换的是和/或此外，在以上论述的实施例中的某些中，一个或多个模块为被配置且被布置成用于实施这些操作/活动的精密的逻辑电路或可编程逻辑电路。

基于以上论述和说明，本领域的技术人员将易于认识到，可以对各种实施例作出各种修改和改变而无需严格遵循本文中说明和描述的示例性实施例和应用。例如，设备可包括与图式所说明的微调组件和配置不同的微调组件和配置。此类修改不脱离本发明的各个方面的真实精神和范畴，包括在权利要求书中阐述的各方面。