CN110380721A - 一种USB Type-C的CC引脚电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种USB Type‑C的CC引脚电路。在Type‑C接口电路中，引入高压NMOS做电压隔离，生成第一低压区。上拉电阻电路、CC连接检测电路、PD通信电路等放在第一低压区实现高压保护。下拉电阻电路直接连接在CC引脚上，使得Type‑C接口处于DRP或者SNK模式的无电(Dead Battery)状态时，接入SRC或者其他DRP能够正常实现CC连接。将下拉电阻电路中的电阻分割成第一电阻和第二电阻两部分串联，并在中间串联节点做电压钳位，生成第二低压区。下拉电阻电路的使能控制开关和第二电阻放在第二低压区实现高压保护。第一电阻放在高压区，并在电压钳位电路工作时起到限流作用。本发明的耐压设计方法和电路结构能够应用于所有模式的Type‑C接口电路中，解决CC引脚的耐压问题。
Description
技术领域
本发明涉及USB Type-C接口电路技术领域，具体是涉及一种USB Type-C的CC引脚电路。
背景技术
随着电子技术发展的日新月异，以手机、平板和笔记本电脑为代表的便携式电子产品已经广泛地影响着人们的日常生活。新型的USB Type-C接口支持正反面***，解决了“USB永远插不准”的世界性难题。另外，Type-C接口相对传统的USB接口还具有更轻的重量，更纤薄的设计，更小的尺寸，以及可拓展功能性更强等特点，非常适合应用到便携式电子产品身上。Type-C接口面世以来，仅仅用了几年时间，就得到了广泛的普及。
USB快速充电技术的兴起，使得USB接口中VBUS传输的电压不再是固定的5V，而是可覆盖到3V到20V的电压范围。于是，无论是充电器还是充电设备都面临着高压带来的诸多可靠性问题。Type-C接口的CC引脚紧靠着VBUS引脚，并且两者之间的距离非常小，在线缆插拔过程中或者连接中的线缆出现晃动，CC引脚都很容易跟VBUS引脚短接在一起，从而使得VBUS的电压直接打到CC引脚上。因此，对Type-C接口电路的CC引脚进行耐高压设计是非常必要的。
根据USB端口的供电或受电情况，USB的Type-C将端口划分为SRC(仅供电)、SNK(仅取电)、DRP(可供电或取电)等电源工作模式。其中，DRP可分为SRC连接态(供电)和SNK连接态(取电)。目前，现有的Type-C的CC引脚耐压设计电路，是简单地在CC引脚串接高压NMOS作为电压隔离，然后把CC引脚上的所有电路都放在高压NMOS隔离生成的低压区。这种方法能够很好地应用于类似适配器这样的SRC模式中。但是，当该方法应用于DRP或者SNK模式时，如图1所示，图1为现有的Type-C的CC引脚电路在SNK连接态的示意图。CC引脚Ⅳ串接高压NMOSⅢ作为电压隔离，形成高压区Ⅰ和低压区Ⅱ，CC引脚Ⅳ和高压NMOSⅢ处于高压区Ⅰ，由上拉电阻Ⅵ和开关Ⅶ串联组成的上拉电阻电路、下拉电阻Ⅹ和开关Ⅸ串联组成的下拉电阻电路、CC连接检测电路Ⅷ和PD通信电路Ⅸ均放置于低压区Ⅱ。Type-C接口进入无电(DeadBattery)状态后，内部电源VDD为0，高压NMOSⅢ关断。此时接入SRC或者其他DRP无法形成连接CC引脚的下拉通路，当另一端Type-C接口的Rp_SRC电阻Ⅴ出现，会把CC引脚Ⅳ的电压拉高到另一端Type-C接口的电源VDDSRC，所以无法实现CC连接，另一端Type-C接口不会输出VBUS，导致无电(Dead Battery)状态一直无法激活。这种情况在实际应用上往往是不可以接受的。
发明内容
本发明的目的是提供一种USB Type-C的CC引脚电路，能够应用于所有模式的Type-C接口电路中，解决CC引脚的耐压问题。
为了实现上述目的，本发明提供的USB Type-C的CC引脚电路包括高压NMOS、上拉电阻电路、CC连接检测电路、PD通信电路、下拉电阻电路和电压钳位电路，高压NMOS的栅极连接内部电源VDD，上拉电阻电路、CC连接检测电路和PD通信电路的一端均连接至高压NMOS的源极，高压NMOS的漏极与下拉电阻电路相连，高压NMOS的漏极连接到CC引脚的第一端，下拉电阻电路包括第一电阻电路和第二电阻电路，电压钳位电路连接在第一电阻电路和第二电阻电路的串联节点和地之间。
由上述方案可见，本发明通过对高压NMOS及下拉电阻电路的设计，整体电路结构划分成高压区、第一低压区和第二低压区三个区域。高压NMOS、第一电阻电路和CC引脚处于高压区，上拉电阻电路、CC连接检测电路和PD通信电路处于第一低压区，第二电阻电路和电压钳位电路处于第二低压区。其中，高压NMOS可实现隔离高压的作用。当Type-C正常连接时，高压NMOS表现为一个低阻值的传输开关，使得电压信号能够在高压NMOS源极节点和CC引脚之间无损失地传递。CC连接检测电路，可实现Type-C连接状态的识别判断。PD通信电路可现USB功率传输协议的通信。电压钳位电路可通过电压钳位实现耐压保护。该电路结构能够应用于所有模式的Type-C接口电路中，即使处于DRP或者SNK模式的无电(Dead Battery)状态，接入SRC或者其他DRP也能够正常实现CC连接。同时，实现CC引脚的高压保护，解决CC引脚的耐压问题。
进一步的方案是，高压NMOS为耐压值大于Type-C接口VBUS的最高电压的NMOS。
由上可见，当CC引脚与VBUS引脚短接在一起时，该USB Type-C的CC引脚电路中的高压NMOS可正常工作，避免被击穿。
更进一步的方案是，上拉电阻电路包括阻抗器件、第一使能控制开关，阻抗器件和第一使能控制开关串联连接，上拉电阻电路远离高压NMOS的源极的一端连接内部电源VDD。
更进一步的方案是，阻抗器件为电阻或电流源。
更进一步的方案是，第一使能控制开关为PMOS、NMOS、PNP或NPN器件。
由上可见，该USB Type-C的CC引脚电路的上拉电阻电路可实现对高压NMOS源极节点信号的上拉作用。
更进一步的方案是，第一电阻电路包括第一电阻。
更进一步的方案是，第二电阻电路包括第二电阻、第二使能控制开关，第二使能控制开关串接在第一电阻和第二电阻之间，第二电阻的另一端接地。
更进一步的方案是，第二使能控制开关为PMOS或PNP器件。
由上可见，通过将第二使能控制开关串接在第一电阻和第二电阻之间，可避免CC引脚出现高压时第二使能控制开关被击穿，另外相比将第二使能控制开关串接在第二电阻与地之间的连接方法可减少导通阈值损失。当CC引脚13出现高压时，第一电阻12可起到限流作用。同时，当处于DRP或者SNK模式的无电(Dead Battery)状态，通过第二使能控制开关的导通可实现CC引脚的电压处于连接态的电压范围，并激活无电(Dead Battery)状态。
附图说明
图1为现有的Type-C的CC引脚电路在SNK连接态的示意图。
图2为本发明一种USB Type-C的CC引脚电路结构的示意图。
图3为本发明应用于Type-C DRP模式实施例的电路结构示意图。
图4为运用本发明的Type-C DRP实施例在SRC连接态的示意图。
图5为运用本发明的Type-C DRP实施例在SNK连接态的示意图。
图6为本发明应用于Type-C SRC模式实施例的电路结构示意图。
图7为本发明应用于Type-C SNK模式第一实施例的电路结构示意图。
图8为本发明应用于Type-C SNK模式第二实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
参见图2，图2为本发明一种USB Type-C的CC引脚电路结构的示意图。该CC引脚电路包括高压NMOS11、上拉电阻电路、CC连接检测电路23、PD通信电路24、下拉电阻电路和电压钳位电路，高压NMOS11的栅极连接内部电源VDD，上拉电阻电路、CC连接检测电路23和PD通信电路24的一端均连接至高压NMOS的源极，高压NMOS11的漏极与下拉电阻电路相连，高压NMOS11的漏极连接到CC引脚的第一端，下拉电阻电路包括第一电阻电路和第二电阻电路，电压钳位电路连接在第一电阻电路和第二电阻电路的串联节点和地之间。其中，上拉电阻电路包括阻抗器件21、第一使能控制开关22，阻抗器件21和第一使能控制开关22串联连接，上拉电阻电路远离高压NMOS11的源极的一端连接内部电源VDD。第一电阻电路包括第一电阻12，第二电阻电路包括第二电阻32、第二使能控制开关31，第二使能控制开关31串接在第一电阻12和第二电阻32之间，第二电阻32的另一端接地。
具体地，整体电路结构划分成高压区1、第一低压区2和第二低压区3三个区域。高压NMOS11、第一电阻电路和CC引脚13处于高压区1，上拉电阻电路、CC连接检测电路23和PD通信电路24处于第一低压区2，第二电阻电路和电压钳位电路处于第二低压区3。其中，内部电源VDD一般不超过5.5V，高压NMOS能够承受Type-C接口的VBUS的最高电压。由于高压NMOS11的栅极连接内部电源VDD，并且NMOS11传输高电压会有阈值损失，所以当CC引脚出现高压时，灌到高压NMOS11源极节点的电压不会高于内部电源VDD。因此，高压NMOS11可实现隔离高压的作用。当Type-C正常连接时，高压NMOS11源极节点和CC引脚13的电压远低于内部电源VDD，因此高压NMOS11表现为一个低阻值的传输开关，使得电压信号能够在高压NMOS11源极节点和CC引脚13之间无损失地传递。CC连接检测电路23，实现Type-C连接状态的识别判断，可包括比较器、参考电压和逻辑电路等。PD通信电路24，实现USB功率传输协议的通信，可包括TX和RX等电路。下拉电阻电路中，第一电阻12与CC引脚13的一端连接，第二使能控制开关31串接在第一电阻12和第二电阻32之间，可避免CC引脚13出现高压时第二使能控制开关31被击穿，另外相比将第二使能控制开关串接在第二电阻与地之间的连接方法可减少导通阈值损失。同时，电压钳位电路的钳位电压低于安全电压，当CC引脚13出现高压时，第一电阻电路和第二电阻电路的串联节点电压高于钳位电压，电压钳位电路会导通并流走电流，通过第一电阻12的IR压降(IRdrop)降压使得第一电阻电路和第二电阻电路的串联节点的电压不超过安全电压。基于该下拉电阻电路的结构设计，可解决CC引脚13的耐压问题。
以下具体实施例中，阻抗器件21为电流源，第一使能控制开关22为PMOS(P1),第二使能控制开关31为PMOS(P2)，电压钳位电路采用齐纳二极管33以实现。
参见图3，图3为本发明应用于Type-C DRP模式实施例的电路结构示意图。在本实施例中，Type-C DRP默认处于SRC和SNK两种非连接态之间切换。当切换到SRC模式时，第一使能控制开关22(P1)导通，第二使能控制开关31(P2)关断。高压NMOS11源极节点被上拉到内部电源VDD。由于高压NMOS11的栅极接内部电源VDD，高压NMOS11传输VDD电压会有阈值损失，所以此时CC引脚13上的电压表现为内部电源VDD减去高压NMOS11的阈值电压。CC连接检测电路23检测的是高压NMOS11源极节点的电压，所以能够准确识别到SRC的非连接态。当切换到SNK模式时，第一使能控制开关22(P1)关断，第二使能控制开关31(P2)导通。CC引脚13通过下拉电阻电路被下拉到地。此时高压NMOS11能够把CC引脚13的低电压无损地传递到高压NMOS11源极节点，CC连接检测电路23能够准确识别到SNK的非连接态。
参见图4，图4为运用本发明的Type-C DRP实施例在SRC连接态的示意图。在此状态中，第一使能控制开关22(P1)导通，第二使能控制开关31(P2)关断，即第一使能控制开关22(P1)的栅极接地，第二使能控制开关31(P2)的栅极接内部电源VDD。电流源21提供的电流Ip流经第一使能控制开关22(P1)、高压NMOS11、CC引脚13、线缆14和另一端Type-C接口的Rd_SNK电阻15到地。处于连接态时CC引脚13上的电压为Ip×Rd_SNK，一般低于2.6V；PD通信电路24正常工作时CC引脚13的电压一般低于1.2V。因此，高压NMOS11能够在高压NMOS11源极节点和CC引脚13之间无损地传递电压信号。当CC引脚13出现高压时，高压NMOS能够把高压NMOS11源极节点的电压控制在比内部电源VDD低一个阈值电压，可实现保护第一低压区2的耐压安全；齐纳二极管33反向击穿导通，并流走电流，然后通过该电流流经第一电阻12的IR压降(IRdrop)把第一电阻电路和第二电阻电路的串联节点的电压控制在齐纳二极管33的钳位电压以下，从而保证第二低压区3的耐压安全。
参见图5，图5为运用本发明的Type-C DRP实施例在SNK连接态的示意图。在此状态中，第一使能控制开关22(P1)关断，第二使能控制开关31(P2)导通，即第一使能控制开关22(P1)的栅极接内部电源VDD，第二使能控制开关31(P2)的栅极接地。CC引脚13的电压由另一端Type-C接口的Rp_SRC电阻16，与本Type-C接口的第一电阻12(R1)和第二电阻32(R2)的分压产生，即为(VDDSRC×(R1+R2))/((Rp_SRC+R1+R2))，一般低于2.6V；PD通信电路24正常工作时CC引脚13的电压一般低于1.2V。因此，高压NMOS11能够在高压NMOS11源极节点和CC引脚13之间无损地传递电压信号。同时，当CC引脚13出现高压时，高压NMOS11和齐纳二极管33也能保证第一低压区2和第二低压区3的耐压安全。
当Type-C DRP实施例处于无电(Dead Battery)状态时，对应的内部电源VDD电压为0，第一使能控制开关22(P1)、第二使能控制开关31(P2)和高压NMOS11的栅极电压默认为低电位，高压NMOS11保持关断。此时，当另一端Type-C接口的Rp_SRC电阻16出现，会把CC引脚13的电压拉高，同时当第一电阻电路和第二电阻电路的串联节点的电压高于第二使能控制开关31(P2)的阈值电压后，第二使能控制开关31(P2)会导通并使得CC引脚13的电压处于连接态的电压范围。于是，另一端Type-C接口识别到CC引脚13的电压后，进入SRC连接态并把VBUS送过来，激活本Type-C接口的无电(Dead Battery)状态。区别于图1，图1为现有的Type-C的CC引脚电路在SNK连接态的示意图，当该电路应用于DRP或者SNK模式时，Type-C接口进入无电(Dead Battery)状态后，内部电源VDD为0，高压NMOS关断。此时接入SRC或者其他DRP无法形成连接CC引脚13的下拉通路，CC引脚13的电压被拉高到另一端Type-C接口的电源VDDSRC，所以无法实现CC连接，另一端Type-C接口不会输出VBUS，导致无电(DeadBattery)状态一直无法激活。
参见图6，图6为本发明应用于Type-C SRC模式实施例的电路结构示意图。在本实施例中，整体电路结构划分成高压区1、第一低压区2。高压NMOS11和CC引脚13处于高压区1，上拉电阻电路、CC连接检测电路23和PD通信电路24处于第一低压区2。具体地，如果不支持对上拉电阻电路的通断控制，可以不采用第一使能控制开关22(P1)。本实施例的工作过程跟Type-C DRP模式实施例的SRC非连接态和SRC连接态一致，此处不再重复描述。
参见图7，图7为本发明应用于Type-C SNK模式第一实施例的电路结构示意图。在本实施例中，整体电路结构划分成高压区1、第一低压区2、第二低压区3。高压NMOS11、第一电阻电路和CC引脚13处于高压区1，CC连接检测电路23和PD通信电路24处于第一低压区2。第二电阻电路和电压钳位电路处于第二低压区3。如果不支持对下拉电阻电路的通断控制，可以不采用第二使能控制开关31(P2)和齐纳二极管33，然后第一电阻12和第二电阻32可以合并成约5.1kΩ的下拉电阻放在高压区1，具体如图8所示。本实施例的工作过程跟Type-CDRP模式实施例的SNK非连接态和SNK连接态一致，此处不再重复描述。
综上，本发明一种USB Type-C的CC引脚电路通过精巧的电路结构设计，整体电路结构划分成高压区、第一低压区和第二低压区三个区域，可解决CC引脚的耐压问题。同时，通过将下拉电阻电路直接连接在CC引脚上，可使得当Type-C接口处于DRP或者SNK模式的无电(Dead Battery)状态时形成下拉通路，接入SRC或者其他DRP能够正常实现CC连接,从而激活无电(Dead Battery)状态，并实现有效传输CC引脚的电压信号。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种USB Type-C的CC引脚电路，包括高压NMOS、上拉电阻电路、CC连接检测电路、PD通信电路、下拉电阻电路和电压钳位电路，所述高压NMOS的栅极连接内部电源VDD，所述上拉电阻电路、所述CC连接检测电路和所述PD通信电路的一端均连接至高压NMOS的源极，所述高压NMOS的漏极连接至所述下拉电阻电路以及CC引脚的第一端；
其特征在于：
所述下拉电阻电路包括串联连接的第一电阻电路和第二电阻电路，所述电压钳位电路连接在所述第一电阻电路和所述第二电阻电路的串联节点和地之间。
2.根据权利要求1所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述高压NMOS为耐压值大于Type-C接口VBUS的最高电压的NMOS。
3.根据权利要求1所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述上拉电阻电路包括阻抗器件、第一使能控制开关，所述阻抗器件和所述第一使能控制开关串联连接，所述上拉电阻电路远离所述高压NMOS的源极的一端连接内部电源VDD。
4.根据权利要求3所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述阻抗器件为电阻或电流源。
5.根据权利要求1至4任一项所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述第一使能控制开关为PMOS、NMOS、PNP或NPN器件。
6.根据权利要求1所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述第一电阻电路包括第一电阻。
7.根据权利要求1所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述第二电阻电路包括第二电阻、第二使能控制开关，所述第二使能控制开关串接在所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述第二电阻的另一端接地。
8.根据权利要求6或7所述的USB Type-C的CC引脚电路，其特征在于：所述第二使能控制开关为PMOS或PNP器件。
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