专利名称：Usb专用充电器识别电路的制作方法
USB专用充电器识别电路
背景技术：
通用串行总线(“USB”)被设计用于在计算机和外围设备之间提供串行通信信道。 例如，USB能够将像鼠标、键盘、游戏垫、操纵杆、扫描仪、外部驱动器等这样的计算机外设连 接到计算机。当USB被设计用于个人计算机时，它成为像PDA、音乐播放器和移动电话这样 的电池供电计算机化的设备的常备配件，这些设备利用USB进行数据通信并且为它们的电 池再充电。USB的设计由USB设计论坛(USBIF)标准化，其是工业标准主体包括来自计算机 和电子工业的最主要的公司。由USBIF认证的几种类型的USB连接器包括像USB-A和USB-B连接器这样的四触 点(引脚或插座)连接器，以及像迷你/微型-A、迷你/微型-B、和迷你/微型AB这样的 五触点(引脚或插座)连接器。大多数计算机，包括膝上型计算机，都具有几个USB-A连接 器，每个连接器都具有电源(Vbus)触点、接地(GND)触点、和两个数据线触点(D+和D-)。膝上型计算机越来越受欢迎。为了保护电池寿命，许多膝上型计算机都具有“非激 活”模式，例如“睡眠”、“待机”和某种“休眠(hibernate) ”模式，此时它们不完全开机或者 完全关机。在运行期间，这种计算机被认为是处于它们的“激活”状态，它们的电池可以持 续几个小时。然而，通过限制电流汲取，计算机的电池在“非激活”状态能够持续几天。一些例外的是，膝上型计算机能够为兼容USB设备充电，当计算机处于激活状态 时这些USB设备插入到计算机的USB端口中。这些情况下，膝上型计算机被认为是“USB主 机”。能够通过USB充电的设备包括，但不限于，移动电话、音乐播放器、PDA等，文中统一称 为“USB设备”。通过用于数据传输的同一 USB端口对USB设备进行充电的功能非常方便并 且越来越受欢迎。应该注意，不符合公认标准的USB设备(不兼容USB设备)总是能够从具有Vbus触 点供电的USB连接器汲取电流。然而，对兼容USB标准的USB设备的期望日益增加。例如， USBIF规定，当计算机处于激活模式并且允许时，USB设备(一种类型的“兼容USB设备”) 只能够从计算机汲取电流。例如，一些膝上型计算机如果仅靠电池电力运行则不允许通过 USB连接器充电。这意味着如果膝上型计算机处于待机模式则USB设备就不能通过膝上型 计算机的USB连接器充电，这是因为它不能够与兼容USB设备进行通信。相反，USB设备能 够通过专用USB充电器(“专用充电器”)充电，该充电器实质上是一个具有AC输入和USB 连接器输出的电源适配器。这种专用充电器具有使USB设备知道其被耦合到专用充电器的 识别协议。目前有几种专用充电器识别(“ID”)协议可以使用。一是，由位于库珀蒂诺，加 利福尼亚的苹果计算机公司(“苹果”)实现的，其采用耦合到USB连接器的D+/D-触点的 电阻分压器，如图1所示。具体地说，苹果专用充电器的电路内部包括一对电阻分压器电 路，第一个分压器电路是将一个7ΙΩ电阻器和一个49.9ΚΩ电阻器串联在5.0伏电压源 和地之间，第二个分压器电路是将一个43. IΩ电阻器和一个49. 9Κ Ω电阻器串联在5.0 伏电压源和地之间。两个分压器的中央节点分别耦合到USB连接器的D+和D-触点。苹果 iPod 或iPhone USB设备(另一种类型的“兼容USB设备”)使用电压检测器来检测D+和D-触点上的电压作为苹果专用充电器的识别协议。另一种专用充电器识别协议是由USBIF规定的。在这个协议中，D+和D-触点被 短路，如图2所示。兼容USB设备的电路内部如图3所示，它能够检测D+和D-触点之间的 短路以验证其耦合到专用充电器。中国的USB专用充电器的国家标准也采用这种协议。还有其它专属的专用充电器ID协议。例如，摩托罗拉的蜂窝电话采用5触点微型 和迷你USB连接器，其具有自己的专属协议用来识别专用充电器。然而，膝上型计算机通常 不提供微型和迷你USB连接器。在USBIF协议中，USB设备的内部电路在D+和D-触点短接在一起时进行检测。该 电路如图3所示。当USB设备检测到USB总线上有电压时，就对D+触点施加电压并且将负 载耦合到D-触点。采用窗口比较器和去抖动计时器，该电路确定D+触点上的电压是否与 D-触点上的电压相同，识别D+和D-触点是短接在一起还是没有被短接。电流USBIF电池 充电说明书的具体说明可以在www, usb. org/developers/devclass docs#approved上找 到，于2009年4月15日发布的、标题为“电池充电说明书”版本1.1，其通过引用并入本文 中。为了解决除非其处于激活模式否则就不能够给计算机上的兼容USB设备充电的 问题，Fairchild半导体公司提出的解决方案如图4所示。基于可用的限制信息，可以认为 Fairchild协议是由USB-A端口的Vbus触点上的电流检测触发的。接下来，可以认为设备使 USB-A端口的D+和D-触点短路以模仿按照USBIF协议的专用充电器。然而，可以认为如 果检测电流小于预定阈值电平，则设备确定该设备是苹果USB设备，并且通过使Vbus循环关 断然后再次返回从而使苹果USB设备检测电路复位。投掷DPDT开关以将分压器电阻耦合 到D+和D-触点，从而符合苹果专用充电器协议。如果带有分压器的检测电流大于没有分 压器的检测电流，则开关将保持不变并且苹果USB充电器将充电。然而，如果带有分压器的 检测电流不大于没有分压器的检测电流，则Vbus再次循环关断和导通以使USB设备的检测 电路复位，并且开关再次被激活以使D+和D-触点短路。当检测电流为零时，开关打开并且 控制复位，Vbus仍然导通从而对USB设备充电。虽然!^airchild的提议试图解决从非激活计算机的USB端口为苹果和USBIF兼容 USB设备充电的问题，但是实际的实现细节仍然很重要。首先，Vbus必须被监视。第二，决策 必须根据电流阈值做出。第三，由于设备反复经历不同可能的模式，所以Vbus必须重复关断 和导通。Fairchild提议的电路和算法因此变得复杂。对于本领域技术人员来说，通过阅读下面的说明书并研究附图中的若干个图，现 有技术的这些和其它局限将变得显而易见。
发明内容
在实施例中，通过示例而非限制的方式示出，USB专用充电器识别电路包括USB D+ 端口、USB D-端口、符合第一识别协议的第一电路、符合第二识别协议的第二电路、以及选 择性地将第一和第二电路之一耦合到USB D+端口和USB D-端口的逻辑。在一个实施例中， 第一电路包括并联耦合在一起的一对分压器。在另一实施例中，第二电路是将USB D+端口 和USB D-端口短路的导体。在替换实施例中，通过示例而非限制的方式示出，用于提供USB充电器识别的方法包括在USB连接器的USB D+端口和USB D-端口处提供第一 USB充电器识别。接着，检 测第一 USB充电器识别是否不适当。接着，如果第一 USB充电器识别不适当，则在USB D+ 端口和USB D-端口处提供第二 USB充电器识别。文中所述实施例的优点在于，USB主机的USB端口(例如，膝上型计算机)可以被 制造以模仿用于USB兼容设备(例如，蜂窝电话和音乐播放器)的多个专用充电器。文中所公开的实施例的另一个优点在于，USB主机的USB端口能够根据一个以上 的专用充电器识别协议自动提供专用充电器识别。对于本领域技术人员来说，通过阅读下面的说明书并研究附图中的若干个图，这 些和其它实施例、特征和优点将变得显而易见。
现在参考附图对几个示例性实施例进行描述，其中相同的部件采用相同的附图标 记。示例性实施例旨在说明，但不限于本发明。附图包括下列图图1是由库珀蒂诺，加利福尼亚的苹果计算机公司制造的专用充电器的现有电路 内部的示意图；图2是示出了根据现有技术的USBIF专用充电器协议被短路的D+和D-USB数据 端口的图；图3是示出了符合USBIF标准的USB兼容设备的现有技术电路内部的方框图；图4是示出了由Fairchild半导体国际公司提议的方法的方框图，用于模仿专用 充电器设备。图5是USB专用充电器识别电路的示例实施例的方框图；以及图6是USB专用充电器识别电路的另一示例实施例的方框图。
具体实施例方式参考现有技术对图1-4进行描述。图5中，以示例并非限制的方式示出了 USB专 用充电器识别电路10的实施方式，包括USB D+端口 12、USB D-端口 14、符合第一识别协议 的第一电路16、以及符合第二识别协议的第二电路18。USB专用充电器10还包括逻辑20， 其配置为选择性地将第一电路16和第二电路18之一耦合到USB D+端口 12和USB D-端 口 14。图5还示出了不构成USB专用充电器识别电路10的一部分的USB连接器22。本实施例中，USB连接器22具有四个触点。两个触点，即Vbus和GND用于提供电 源。另两个触点，即D+触点和D-触点用于承载数据。如图5所示，D+触点耦合到USB专 用充电器识别电路10的D+端口 12，D-触点耦合到USB D-端口 14。在图5的示例性实施例中，第一识别协议被选择为苹果识别协议，第二识别协议 被选择为USBIF识别协议。在其它实施例中，这些协议可以相反，与其它协议混合，或被其 它协议替代。然而，图5的实施例的重要特征在于，它支持多个，即两个或更多个专用充电 器识别协议。本实施例中，如果电路10设置在专用充电器内部，则该专用充电器就是可操 作的，例如，iPod和iWione (其采用苹果识别协议)以及Bladcberry设备(其采用USBIF 识别协议)。本实施例中，第一电路16实质上与图1所示的电路相同，第二电路18实质上 与图2所示的电路相同。
插入到USB连接器22的不兼容USB设备总是从Vbus获得电源。然而，USB兼容设 备只能够从Vbus获得电源，如果检测到正确的专用充电器识别或者如果在D+和D-数据线 上存在正确的通信，则表明USB主机(如膝上型计算机)被激活。因此图5的USB专用充 电器识别电路10在很多应用中都可用。例如，如果电路10设置在专用充电器内部，则它变 为支持多个充电器识别协议的“通用”充电器，或者它可以被集成到计算机中，从而即使当 计算机处于非激活模式也允许对USB设备进行充电。继续参考图5，第一电路16包括具有节点沈的第一分压器M和具有节点30的第 二分压器观。根据苹果通信协议，第一分压器是一个7 Ω电阻器和一个49.9ΚΩ电阻器 的串联，第二个分压器观是一个43. ΙΩ电阻器和一个49.9ΚΩ电阻器的串联。这个苹果 识别协议(其符合图1所示的电路)优选采用精度电阻器。然而，就像接下来具体讨论 的，可以发现，较低精度等级的电阻器也是可以的。第一分压器M和第二分压器观并联在 5. 0电压源和地(在本实施例中)之间。本实施例中，第二电路18非常简单。它简化为可操作地使D+和D-节点短路的导 体，其符合如图2所示的专用充电器的USBIF识别协议。
逻辑20选择性地将电路16和18耦合到USB D+和USB D-端口。在一个实施例 中，以示例并非限制方式示出，逻辑20包括电子开关32和控制逻辑34。电子开关32所示 为双刀双掷(DPDT)开关，其“掷(throw) ”分别耦合到USB D+和USB D-端口 12和14，“极 (pole) ”分别耦合到电路16和18。这样，当开关32处于第一模式时，第一电路16耦合到D+ 端口 12和D-端口 14，当开关32处于第二模式时，第二电路18耦合到D+端口 12和D-端 口 14。电子开关的设计和制造是本领域技术人员所公知的，并且本领域技术人员可以理解， 其它类型的开关也可以采用，包括但不限于，光、磁和机械开关。控制逻辑34允许电子开关32通过控制线36进行自动操作。在本实施例中，控制 逻辑34包括寄生电阻器38、比较器40、比较器42和配置为锁存器44的双稳态多频振荡器。本实施例中，寄生电阻器38为500ΚΩ，其将电路18耦合到地。本实施例中，比较 器40具有也耦合到电路18的负或“_”输入端，和耦合到4伏参考电压的正或“ + ”输入端。 比较器40的输出端46耦合到锁存器44的复位或“R”输入端。比较器42具有耦合到分压 器观的节点30的负或“_”输入端，和耦合到2. 0伏参考电压的正或“ + ”输入端。比较器 42的输出端48耦合到锁存器44的置位或“S”输入端。锁存器44的Q输出端驱动控制线 36。本实施例中，USB专用充电器ID电路10可以提供两个识别协议，即，苹果识别协 议和USBIF识别协议。当USB设备耦合到USB连接器22时，电路10处于默认苹果识别协 议模式，电路16通过开关32耦合到端口 12和14。这是因为符合苹果识别协议的USB设 备在端口 12和14处不能被检测。因此，如果符合苹果识别协议的USB设备最初被插入到 USB连接器22中，则电路10将指示USB设备是正确的USB专用充电器，该USB设备将通过 USB连接器进行充电。然而，如果当兼容USB的USBIF设备，如Blackberry “智能手机”，被耦合到USB 连接器22，则本实施例中的默认识别协议不适当。然而，本实施例中，控制逻辑34检测 USBIF设备是否耦合到USB连接器22并能够切换到USBIF兼容模式。继续参考图5同时参考图3，应当注意的是，USB设备中的USBIF电路包括耦合到D-触点的电流宿(current sink)。因此，将USBIF设备耦合到USB连接器22会使节点30 下拉到地，从而使比较器42的“_”输入端接地。由于“_”输入端低于2.0伏，所以线48上 的输出为HI (例如5伏)，锁存器44将被置位以在控制线36上提供HI或“ 1 ”的Q输出。 这使得开关32从其第一位置切换到第二位置，电路18使D+和D-线短路。一旦图3的电路检测到USB主机是USBIF协议专用充电器电路，它将从D+和D-端 口断开耦合。这使得比较器40在线46上产生一个输出将锁存器44复位，开关32返回到 其第一或默认位置。图6中，USB专用充电器识别电路50的替换实施例以示例而非限制的方式示出。 电路50可以具体为本领域技术人员可知的集成电路(IC)52。IC 52耦合到像膝上型计算 机这样的典型USB主机设备中的多个芯片外元件。这些芯片外元件中的一些可以包括双分 压器54、电源56、USB收发器58 (例如在PC的南桥芯片中)、以及USB连接器60。电路50具有许多与先前所描述的USB专用充电器ID电路10的类似点。因此，相 同的部件采用相同的附图标记，在实施例中，符合第一识别协议的第一电路M由用户来提 供作为芯片外电路。本实施例中，第一识别协议是苹果专用充电器识别协议。其它实施例 中，第一协议可以是不同的协议。用户希望在芯片外提供第一电路的原因在于可以提供高 精度电阻以完全遵循苹果规范。也就是说，高质量精度的电阻器、或者更好的电阻器可 以用于如图6所示的电路M的芯片外实现中。然而，我们发现，在某些场合，不需要在如第一电路M中使用昂贵、高精度的电阻 器。这些情况下，可以省略电路M，集成电路52的RDP引脚可以耦合到如62所表示的地， 从而使得比较器64将电子开关66激活。本实施例中，开关66是双刀双掷(DPDT)开关，其 将内部分压器24”和30”分别耦合到线68和70。因此应该理解，用户可以利用具有外部苹果兼容电路的集成电路52、或者利用通 过使RDP触点接地的内嵌苹果兼容电路。这种配置的优点在于，内部分压器24”和30”可 以使用低质量，并因此不太昂贵的电阻器，其满足苹果协议的电压要求但不满足苹果协议 的所有要求。电子开关32’，在该非限制性实施例中，是双刀三掷(DP3T)开关。也就是说，图6 的电子开关32’具有比参照图5前面所讨论的电子开关32多一个掷。这个附加的掷附接 到USB收发器58，该收发器58例如可以设置在计算机的南桥芯片中。其它的掷可以附接到 例如与图5的电路16和18相对应的电路M和18’。USB专用充电器ID电路50的控制逻辑34实质上与图5所示的控制逻辑34相同。 然而，来自锁存器44’的Q输出端的控制线36’不直接耦合到电子开关32’，而是通过控制 逻辑72耦合到开关32’。在本实施例中，控制逻辑72可以通过其输入CBO和CBl进行编 程，如图6A的表所示。当输入CBO和CBl都为零时，USB专用充电器识别电路50处于自动 或“auto”模式，控制线36’上的信号耦合到控制线36”。可替换的，控制逻辑72能够例如 通过施加“0 1”到CBO和CBl线而强制短路，通过施加“0 1”到CBO和CBl线而强制“电阻 器”(例如，强制耦合到苹果兼容充电器识别电阻器)，并且通过在CBO和CBl线处提供“ 1 1 ”而使USB收发器58耦合到USB连接器60的D+和D-触点。因此可以理解，芯片52可以用在专用充电器中，此外，能够用在像膝上型计算机 这样的USB主机中。当用在USB主机中时，控制逻辑72可以通过例如下拉菜单由设备进行编程。当USB设备处于激活状态时，USB收发器关注针对耦合到USB连接器60的USB设备 的所有协议的兼容性，并允许它们通过连接器进行充电。然而，当USB主机进入非激活模 式，控制逻辑72切换到其“auto”模式，这种情况下，在本实施例中，电路50以上面所述的 方式进行操作。 虽然使用特定术语和设备对各种实施例进行了描述，但是这些描述仅为了说明目 的。所使用的词语是描述性的而非限制性的。应该理解，在不脱离由文字记载和附图支持 的各种发明的精神和范围之内，本领域技术人员可进行改变和变形。此外，应该理解，各种 其它实施例的方面都可以整体或部分地互换。因此其目的在于，权利要求应当根据本发明 的真正精神和范围进行解释，而不对其进行限制或禁止反悔。
权利要求
1.一种USB专用充电器识别电路，包括USB D+ 端口;USB D-端口;符合第一识别协议的第一电路；符合第二识别协议的第二电路；以及逻辑，其选择性地将所述第一电路和所述第二电路之一耦合到所述USB D+端口和USBD-端口。
2.根据权利要求1所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述第一电路包括分压器。
3.根据权利要求2所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述分压器是第一分压器， 并且其中，所述第一电路还包括与所述第一分压器并联耦合的第二分压器。
4.根据权利要求3所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述第二电路是导体。
5.根据权利要求4所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述逻辑将所述第一电路耦 合到所述USB D+端口和所述USB D-端口作为默认状态。
6.根据权利要求5所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述逻辑包括具有至少两个 极并且每个极具有至少两个掷的电子开关。
7.根据权利要求6所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述电子开关将所述第一电 路和所述第二电路耦合到所述USB D+端口和所述USB D-端口。
8.根据权利要求7所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述逻辑还包括具有耦合到 所述USB D+端口和所述USB D-端口中的至少之一的输入和耦合到所述电子开关的输出的 电路。
9.根据权利要求8所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述电路的所述输出连接到 所述电子开关的控制输入。
10.根据权利要求8所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述控制电路的所述输出 通过控制操作模式的控制逻辑耦合到所述电子开关的控制输入。
11.根据权利要求8所述的USB专用充电器识别电路，其中，所述逻辑包括双稳态多频 振荡器。
12.一种提供USB充电器识别的方法，包括在USB D+端口和USB D-端口处提供第一 USB充电器识别；检测所述第一 USB充电器识别是否不适当；以及如果所述第一 USB充电器识别不适当，则在所述USB D+端口和所述USB D-端口处提 供第二 USB充电器识别。
13.根据权利要求12所述的提供USB充电器识别的方法，其中，所述第一USB充电器识 别是默认识别。
14.根据权利要求12所述的提供USB充电器识别的方法，其中，所述默认识别支持在所 述USB D+端口和所述USB D-端口处的不可检测协议。
15.根据权利要求14所述的提供USB充电器识别的方法，其中，所述不可检测协议是苹 果计算机公司开发的充电器识别协议。
16.根据权利要求15所述的提供USB充电器识别的方法，其中，所述第二USB充电器识 别是在所述USB D+端口和所述USB D-端口处的可检测协议。
17.根据权利要求16所述的提供USB充电器识别的方法，其中，所述可检测协议是 USBIF充电器识别协议。
18.一种USB充电器识别装置，包括用于在USB D+端口和USB D-端口处提供第一 USB充电器识别的模块； 用于检测所述第一 USB充电器识别是否不适当的模块；以及用于如果所述第一 USB充电器识别不适当、则在所述USB D+端口和所述USB D-端口 处提供第二 USB充电器识别的模块。
19.根据权利要求18所述的USB充电器识别装置，其中，所述用于检测的模块包括 具有耦合到所述USB D+端口和所述USB D-端口中的至少之一的输入以及控制输出的电路。
20.根据权利要求19所述的USB充电器识别装置，其中，所述用于提供的模块包括 耦合到所述电路的所述控制输出的电子开关。
全文摘要
在一个实施例中，以示例而非限制的方式示出，USB专用充电器识别电路包括USB D+端口、USB D-端口、符合第一识别协议的第一电路、符合第二识别协议的第二电路、以及选择性地将第一电路和第二电路之一耦合到USB D+端口和USB D-端口的逻辑。在替代实施例中，以示例而非限制的方式示出，提供USB充电器识别的方法包括在USB D+端口和USB D-端口处提供第一USB充电器识别。接着，检测第一USB充电器识别是否不适当。然后，如果第一USB充电器识别不适当，则在USB D+端口和D-端口处提供第二USB充电器识别。
文档编号H02J7/00GK102055223SQ20101058253
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者K·赫尔弗里赫 申请人:马克西姆综合产品公司