CN1780085B - 动态usb电源的***和方法 - Google Patents

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Abstract

动态USB电源的***和方法动态VBUS电源(100)提供一种为USB设备动态供电的***和方法。简言之，一个实施例是一种方法，该方法包括：判定USB设备何时是主设备或从设备；当USB设备是从设备时，利用功率单元(302)通过USB连接器为USB设备供电；而当USB设备是主设备时，利用USB设备通过USB连接器为第二USB设备供电。

Description

动态USB电源的***和方法
技术领域
实施例通常涉及通用串行总线(USB)设备，且更具体地说，涉及用于为USB设备动态供电的***和方法。
背景技术
通用串行总线(USB)设备配置为利用标准化USB连接器耦合到其他USB兼容设备。包含在USB连接器中的是电源连接，通常表示为VBUS1、VBUS等，其用于在耦合的USB设备之间传递功率。
USB“主”设备在作为“主机”设备时，通过VBUS1连接向USB“从”设备提供功率。根据USB设备的类型，USB主/主机设备可从USB主设备中的内部电池或从交流适配器源、或其他USB主设备可用的备用电源提供USB从设备所需的部分或全部功率。(某些USB从设备不能配置为从USB主/主机设备接收功率，因为它们的大供电需求超出了USB最大功率规格。)根据设备配置和USB从设备的功率需求以及USB主/主机设备的供电能力，USB标准规定USB主/主机设备从USB主设备提供+5伏(V)、100毫安(mA)或+5V、500mA的供电。
例如，USB兼容激光打印机需要一个外部电源，且不能配置为从USB主/主机设备获取功率。其他类型打印机可能只有低功率需求，从而可将它们配置为从USB主/主机设备获取功率。
某些USB主/主机设备可能只有有限的供电，从而使得它们能够服务于(提供功率给)供电需求不超过+5伏(V)、100毫安(mA)的USB从设备。不能将这种USB主/主机设备配置为服务于供电需求超过+5伏(V)、100毫安(mA)的USB从设备。
根据USB设备当前的操作功能，可将USB设备配置为作为USB主设备、USB主/主机设备和/或USB从设备进行操作。当作为USB主/主机设备时，USB设备为与其耦合的USB从设备供电。当作为USB从设备时，USB设备可从与其耦合的USB主设备接收功率(如果当作为从设备工作时USB设备配置为从主机获取功率)。
在便携式USB设备正作为USB主/主机设备工作并正通过其内部电池向USB从设备供电的情况下，USB设备的供电(能力)可能是有限的。即，如果USB设备和USB从设备共同消耗该内部电池的有限功率，则当电池内的功率被用完时，这两个设备都将停止运转。此外，内部电池所提供的工作时间总量会因为同时向其USB设备(以主/主机模式工作)和所连接的USB从设备供电而减少。
可将坞(docking)站配置为接收USB兼容设备，以便于在经坞站耦合在一起的USB设备之间进行通信。在某些情况下，USB兼容坞站自身可与电源(电池、交流适配器、或者其他源)耦合，以便与USB坞站耦合的USB从设备接收来自USB坞站的功率。
然而，不能将这种坞站配置为向可作为USB主设备或USB从设备工作的USB设备供电，因为该坞站不包含判定USB设备工作模式的处理装置。
发明内容
动态VBUS电源提供一种用于为USB设备动态供电的***和方法。简言之，一个实施例是一种方法，该方法包括：判定USB设备何时是主设备或从设备；当USB设备是从设备时，利用功率单元通过USB连接器向USB设备供电；而当USB设备是主设备时，利用USB设备通过USB连接器向第二USB设备供电。
另一实施例包括：功率单元；第一开关，耦合在功率单元和第一USB设备之间；第二开关，耦合在第二USB设备和第一USB设备之间；以及开关控制单元，配置为当第一USB设备是配置为经USB连接来接收功率的从设备时闭合第一开关并打开第二开关，从而由功率单元向第一USB设备供电。
附图说明
附图中的组件没必要互相调整比例。相同标号表示所有几个图中的相应部件。
图1是经由通用串行总线(USB)连接器耦合在一起的图像捕获设备、打印机和动态VBUS电源的说明性***。
图2是说明动态VBUS电源实施例的框图。
图3是说明当便携式主设备耦合到动态VBUS电源时从动态VBUS电源的实施例到从设备功率流动的框图。
图4是说明当供电的主机主设备耦合到动态VBUS电源时从动态VBUS电源的实施例到从设备的功率流动的框图。
图5是说明动态VBUS电源实施例所用的处理器***的框图。
图6是说明为USB设备动态供电过程的实施例的流程图。
具体实施方式
图1是经由通用串行总线(USB)连接器106和108耦合在一起的图像捕获设备102、打印机104和动态VBUS电源100的说明性***。动态VBUS电源100包含电源插座连接器110，以便动态VBUS电源100能够从耦合到配电***的电源插座获取功率。
图像捕获设备102表示便携式设备。因此，图像捕获设备102的功率由内部电池(未示出)提供。在该说明性示例中，图像捕获设备是主设备。
在该说明性示例中，打印机104也作为便携式设备进行说明。在此，打印机是从设备，它通过USB连接器108获取部分或全部其功率。
如果图像捕获设备102(主/主机设备)已经由USB连接器直接耦合到打印机104(从设备)，那么打印机104会经由耦合的USB连接器从图像捕获设备102获取其功率。因此，图像捕获设备102的内部电池会用于向打印机104供电。因为该说明性示例中没将图像捕获设备102耦合到外部电源，所以打印机的操作时间就受限于图像捕获设备102的电池寿命。
然而，当图像捕获设备102、打印机104和动态VBUS电源100经由通用串行总线(USB)连接器106和108耦合在一起时，动态VBUS电源100判定图像捕获设备102是主类型设备。因此，动态VBUS电源100经由USB连接器108向打印机104供电。
图1中的图像捕获设备102用作示范性主/主机设备，该设备配置为通过USB连接器供电。在该简化的说明性示例中，可使用任何适当的USB兼容主/主机设备。类似地，打印机104用作示范性从设备，该设备配置为通过USB连接器接收全部或部分其功率。在该简化的说明性示例中，可使用任何适当的USB兼容从设备。
图2是说明动态VBUS电源100的实施例的框图。动态VBUS电源100的示范性实施例包括壁式适配器202、转换器204、第一开关(SW1)206、第二开关(SW2)208、“非”逻辑设备210和“与”逻辑设备212。
在各种实施例中，第一开关(SW1)206和第二开关(SW2)208可实现为硬件开关设备或固件受控开关。可使用任何适当的开关设备或装置。硬件开关的非限制性示例是晶体管。
动态VBUS电源100耦合到主设备214，该设备配置为针对从设备工作的主机设备。在此，主设备214说明为便携的，且具有内部电池216。USB连接器106耦合动态VBUS电源100与便携式主设备214。USB连接器106利用适当的USB连接器(未示出)经由端口218耦合到动态VBUS电源100。各种实施例可采用各种USB连接器形式来提供USB连接器106与动态VBUS电源100的耦合。USB兼容端口(未示出)位于便携式主设备214上，以耦合便携式主设备214与USB连接器106。
USB连接器106为示范性USB***中所用的VBUS1、USB ID(标识符)、D+(数据)、D-(数据)和GRAND(接地)连接提供连通性。动态VBUS电源100经由USB连接器108耦合到从设备226。USB连接器108利用适当的USB连接器(未示出)经由端口228耦合到动态VBUS电源100。各种实施例可采用各种USB连接器形式来提供USB连接器108与动态VBUS电源100的耦合。位于从设备226上的USB兼容端口(未示出)用于耦合从设备226与USB连接器108。USB连接器108为USB***中所用的VBUS1、USB ID(标识符)、D+(数据)、D-(数据)和GRAND(接地)连接提供连通性。
在某些实施例中，可不使用USB连接器106和/或108。相反，便携式主设备214和/或从设备226可利用适当的连接器(诸如坞站等中采用的)直接耦合到动态VBUS电源100。此外，便携式主设备214、从设备226或动态VBUS电源100所用的端口不必是同一类型的USB端口。端口的选择可作为一个设计选择。
在各种实施例中，动态VBUS电源100使用来自便携式主设备214的USB ID信号，来判定便携式主设备214实际上耦合到端口218。该USB ID信号经由连接230、232和234传送到“非”逻辑门210。如果连接230、232和234上的USB ID信号是逻辑低，则理解为在端口218耦合到动态VBUS电源100的设备是主类型设备。在USB ID信号求反之后，反信号(～USB ID)经连接器236传送到“与”逻辑门212。
如果便携式主设备214配置为作为主机设备工作，则在VBUS1连接220、224和222上可检测到相应信号。该信号经由连接器236传送到“与”逻辑门212。
在连接器236上的VBUS1信号为逻辑高(指示便携式主设备214配置用于主机操作)且连接器238上的～USB ID信号为逻辑低(指示耦合到动态VBUS电源100的设备是主类型设备)的情况下，“与”逻辑门212的输出为逻辑高。连接器238上的～USB ID(“非”USB ID)信号是连接器234上的USB ID信号的逻辑反。开关SW1经由连接器240耦合到“与”逻辑门212。当“与”逻辑门212输出为逻辑高时，开关SW1206闭合。因此，转换器204经由连接器242耦合到VBUS1。
另外，USB ID信号经由连接器242耦合到开关SW2208。在连接器242上的USB ID信号为逻辑高(指示耦合到动态VBUS电源100的设备是主类型设备)的情况下，开关SW2208打开。因此，VBUS1连接器222从VBUS1连接器246上去耦。所以不能通过VBUS1连接220、224和222从电池216获取功率，因为开关SW2208是打开的。
因为SW1206闭合，且开关SW2208打开，所以从设备226经由连接242、248和250从转换器204获取功率。因此，动态VBUS电源100的这个示范性实施例已检测到便携式主设备214的存在，且已将VBUS连接与便携式主设备214隔离，从而就不能从那里获取功率，而是从转换器204为从设备226供电。
当另一类设备经由端口218耦合到动态VBUS电源100时，连接器232上的USB ID信号可能是逻辑高。例如，设备可能是从VBUS1连接获取全部或部分所需功率的从设备。因此，连接器232上的逻辑高信号使开关SW2208闭合。连接器238上的～USB ID信号是逻辑低(指示耦合到动态VBUS电源100的设备例如是从类型设备)。因而，“与”逻辑门212的输出是逻辑低。(此外，连接器236上的VBUS1信号也可以是逻辑低。)因为“与”逻辑门212输出是逻辑低，所以开关SW1206打开。
在上述情况中，假定主类型设备在端口228处与动态VBUS电源100耦合，则耦合到端口218的从类型设备经由VBUS1路径(连接250、248、246、222和224)从主类型设备获取功率。
如上所述，动态VBUS电源100的示范性实施例包括壁式适配器202。如果动态VBUS电源100配置为在120/220伏、60赫兹***上工作，则壁式适配器202将从配电***提供的120伏交流电(AC)转换为例如3.3伏直流电(DC)。为方便起见，该实施例使用壁式适配器202，因为该适配器配置为易于***常规的壁装电源插座中。将壁式适配器202的输出提供给转换器204，其中在该说明性实施例中将接收到的功率转换为5伏DC，高达1安培最大额定值。
动态VBUS电源100的其他实施例可采用任何其他适当的电源转换***或装置。例如，可将壁式适配器202修改为耦合到使用不同电压和/或频率供电的配电***。同样，壁式适配器202可配置为提供不同的输出DC电压和/或适当的DC电流。在某些实施例中，转换器204配置为直接从配电***接收功率，其自身将接收到的AC配电***电压转换成适当的USB兼容DC电压。同样，在其他实施例中，转换器204可提供不同的电压和/或电流。
为进一步说明动态VBUS电源100实施例的原理，下面描述两个说明性示例。图3是说明当便携式主设备耦合到动态VBUS电源时从动态VBUS电源的实施例到从设备的功率流动的框图。图4是说明当外部供电的主机主设备耦合到动态VBUS电源时从动态VBUS电源的实施例到从设备的功率流动的框图。
在图3和图4中，动态VBUS电源100的实施例包括功率单元302和开关控制单元304。功率单元302可以是接收外部功率并在VBUS1连接器242上提供适当功率的任何单元。
开关控制单元304是配置为操作开关SW1和SW2的任何适当的逻辑控制单元。开关控制单元304可以是基于软件的设备、基于固件的设备、或组合固件/软件设备。在采用软件控制开关SW1和SW2的实施例中，软件由适当的处理器***306运行。在某些实施例中，开关SW1和/或SW2可以是开关控制单元304的内部组件。
如上所述，开关控制单元304检测USB ID连接器234和VBUS1连接器236上的状态。根据连接器234和236上的逻辑状态，开关控制单元304控制开关SW1和SW2的打开/闭合。
在图3中，从设备308耦合到端口228，且主机主设备310耦合到端口218。在此，主机主设备310是USB主类型设备，在此不希望为从设备308供电。例如，主机主设备310可以是便携式的，且使用电池(类似于上面所述的图2的便携式主设备214)。在其他情况下，主机主设备可不配置为通过其VBUS1连接器250提供从设备308的功率需求。
因此，开关控制单元304根据VBUS1连接器236和USB ID连接器234上的逻辑信号状态检测上述情况。在此，在图3的示范性实施例中，开关控制单元304经由连接器312向开关SW1发送信号，以闭合该开关。同样，开关控制单元304经由连接器314向开关SW2发送信号，以打开开关SW2，由此，把主机主设备310与功率单元302隔离。在连接242、248和250上示出了从电源控制单元302向从设备308供电的路径。
如图4所述，现在从设备308耦合到端口218，且主机主设备402耦合到端口228。在此，主机主设备402是配置为向从设备308供电的USB主类型设备。例如，一类主机主设备可包含功率***404，该***配置为在其VBUS1连接器406上供电。
因此，开关控制单元304根据VBUS1连接器236和USB ID连接器234上的逻辑信号状态检测上述情况。在此，在图4的示范性实施例中，开关控制单元304经由连接器312向开关SW1发送信号，以打开开关SW1，由此把USB VBUS1连接器(并且因此把主机主设备402与从设备308)与功率单元302隔离。同样，开关控制单元304经由连接器314向开关SW2发送信号，以闭合该开关。在连接406、248、246和222上示出了从主机主设备402向从设备308供电的路径。
返回到图2，如果上述从设备308耦合到端口218，且上述主机主设备402耦合到端口228，则动态VBUS电源100会检测上述状态，并且SW1会打开而SW2会闭合，以便从主机主设备402向从设备308提供功率。
图5是说明动态VBUS电源100实施例所用的处理器***306的框图。处理器***306包括处理单元502、存储器504和逻辑506。在一个实施例中，逻辑506以存在于计算机可读媒体上的程序的形式从存储器504中检索，并由处理器***306运行，以控制到在上文所述的各种USB设备的功率。
图6是说明为USB设备动态供电过程的实施例的流程图600。图6的流程图600示出了实现逻辑506(图5)的实施例的体系结构、功能性和操作。一个备选实施例用配置为状态机的硬件来实现流程图600的逻辑。在这点上，各块可表示代码的模块、片段或部分，其包括一个或多个实现特定逻辑功能的可执行指令。还应注意到，在备选实施例中，块中所示的功能可不按图6所示的顺序发生，或可包含附加功能。例如，图6中接连示出的两个块实际上可基本上同时执行，有时这些块可按相反顺序执行，或某些块可在所有情况下都不执行，这取决于所涉及的功能性，这将在下文进一步阐述。
该过程从块602开始。在块604，作出USB设备何时是主设备或从设备的判定。在块606，当USB设备是从设备时，利用功率单元通过USB连接器向USB设备供电。在块608，当USB设备是主设备时，利用USB设备通过USB连接器向第二USB设备供电。该过程在块610结束。
在存储器504(图5)中实现的逻辑506的实施例可利用任何适当的计算机可读媒体来实现。在该说明书的上下文中，“计算机可读媒体”可以是能够存储、通信、传播或输送与所用或结合指令执行***、装置和/或设备相关联的数据的任何装置。例如，计算机可读媒体可以是(但不限于)电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体***、装置、设备，或现在已知或以后开发的传播媒介。
应当强调的是，上述实施例只是公开的***和方法的示例。可对上述实施例进行许多变动和修改。所有这种修改和变动都试图包含在这里该公开的范围内，且受如下权利要求书保护。

Claims (9)

1.一种为通用串行总线设备(100)供电的***，所述***包括：
功率单元(302)；
第一开关(206)，耦合到所述功率单元(302)和第一通用串行总线设备(226)之间；
第二开关(208)，耦合到第二通用串行总线设备(214)和第一通用串行总线设备(226)之间；以及
开关控制单元(304)，配置为：判定所述第一通用串行总线设备(226)何时是主设备或从设备，并且当第一通用串行总线设备(226)是配置为经由通用串行总线连接(108)接收功率的从设备时，闭合第一开关(206)，并打开第二开关(208)，以便由所述功率单元(302)向第一通用串行总线设备(226)供电，
所述***还包括通用串行总线标识符连接器(232，234)，所述连接器耦合到所述开关控制单元(304)、第一通用串行总线设备(226)和第二通用串行总线设备(214)，并且其中所述开关控制单元(304)还配置为检测通用串行总线标识符连接器(232，234)上的信号，以判定第一通用串行总线设备(226)是主设备。
2.如权利要求1所述的***，其中所述开关控制单元(304)还配置为：当第一通用串行总线设备(226)是配置为经由所述通用串行总线连接(108)供电的主设备时，打开第一开关(206)，并闭合第二开关(208)，以便第一通用串行总线设备(226)向第二通用串行总线设备(214)供电。
3.如权利要求1所述的***，还包括：
“非”逻辑门(210)，位于所述开关控制单元(304)中，且具有耦合到所述通用串行总线标识符连接器(234)的输入，以便所述通用串行总线标识符连接器(234)上的逻辑低信号被转换为所述“非”逻辑门(210)输出上的逻辑高信号；
VBUS连接器(236)，耦合到所述开关控制单元(304)、第一通用串行总线设备(226)和第二通用串行总线设备(214)；以及
“与”逻辑门(212)，位于所述开关控制单元(304)中，且具有耦合到所述VBUS连接器(236)的第一输入以及耦合到所述“非”逻辑门(210)输出的第二个输入，从而，当在所述VBUS连接器(236)和所述“非”逻辑门(210)输出上都出现逻辑高信号时，第一开关(206)闭合，且第二开关(208)打开。
4.如权利要求3所述的***，还被配置，从而当所述VBUS连接器(236)或所述“非”逻辑门(210)输出的其中一个上出现逻辑低信号时，第一开关(206)打开，且第二开关(208)闭合。
5.如权利要求3所述的***，其中第二开关(208)耦合到所述通用串行总线标识符连接器(234)，从而，当所述通用串行总线标识符连接器(234)上出现逻辑高信号时，第二开关(208)闭合，并且从而当所述通用串行总线标识符连接器(234)上出现逻辑低信号时，第二开关(208)打开。
6.一种用于为通用串行总线设备供电的方法，所述方法包括：
判定第一通用串行总线设备何时是主设备或从设备；
当第一通用串行总线设备是从设备时，利用功率单元(302)通过通用串行总线连接器向第一通用串行总线设备供电；以及
当第一通用串行总线设备是主设备时，利用第一通用串行总线设备通过通用串行总线连接器向第二通用串行总线设备供电，
其中通用串行总线标识符连接器耦合到开关控制单元、第一通用串行总线设备和第二通用串行总线设备，并且其中所述开关控制单元配置为检测通用串行总线标识符连接器上的信号，以判定第一通用串行总线设备是主设备。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
当第一通用串行总线设备是从设备时，闭合第一开关(206)，以便从耦合到第一开关(206)的所述功率单元(302)向第一通用串行总线设备供电；以及
当第一通用串行总线设备是从设备时，打开第二开关(208)，以便第二通用串行总线设备与第一通用串行总线设备隔离。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：
当第一通用串行总线设备是主设备时，打开第一开关(206)，以便耦合到第一开关(206)的所述功率单元(302)与第一通用串行总线连接器隔离；以及
当第一通用串行总线设备是主设备时，闭合第二开关(208)，以便由第一通用串行总线设备为第二通用串行总线设备供电。
9.一种用于向通用串行总线设备供电的***，所述***包括：
用于判定第一通用串行总线设备何时是主设备或从设备的装置；
用于接收来自配电***的交流功率并将接收的交流功率转换成适于通用串行总线连接器的直流功率的装置；
用于当第一通用串行总线设备是从设备时使用用于接收并转换功率的所述装置通过所述通用串行总线连接器向第一通用串行总线设备供电的装置；以及
用于当第一通用串行总线设备是主设备时使用第一通用串行总线设备通过所述通用串行总线连接器向第二通用串行总线设备供电的装置，
其中通用串行总线标识符连接器耦合到开关控制单元、第一通用串行总线设备和第二通用串行总线设备，并且其中所述开关控制单元配置为检测通用串行总线标识符连接器上的信号，以判定第一通用串行总线设备是主设备。
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