CN210201551U

CN210201551U - 控制器和usb源设备

Info

Publication number: CN210201551U
Application number: CN201920511165.3U
Authority: CN
Inventors: Lorin Christophe; C·洛林
Original assignee: STMicroelectronics Grenoble 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Grenoble 2 SAS
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: FR3080195A1; CN110391731B; CN110391731A

Abstract

本公开涉及控制器和USB源设备。例如，一种支持USB功率传送模式且耦合至USB接收器设备的USB源设备，包括传送电源电压的功率转换器和耦合至功率转换器的电容网络。一种用于管理USB源设备的输出电源引脚上的电源电压的方法，包括：对电容网络放电，以便响应于通过USB接收器设备将电源电压降低到目标电压的请求而降低电源电压；以及向功率转换器传送用于电源电压的设定点电压，设定点电压的值非线性地降低，以便保持设定点电压的时间变化低于电源电压的时间变化。

Description

控制器和USB源设备

相关申请的交叉参考

本申请要求2018年4月17日提交的法国专利申请第1853349号的优先权并且是2018年8月24日提交的美国申请第16/111,933号的部分延续，该美国申请要求2017年8月25日提交的法国专利申请第1757877号的优先权。以上所有申请均通过引证并入本文。

技术领域

本实用新型的实施方式和实施例涉及通用串行总线(USB)设备，具体是支持USB功率传送模式的通用串行总线设备(本领域技术人员熟知的首字母缩略词USB PD)，更具体地，涉及对USB线缆(将称为USB源的设备链接到称为USB接收器的设备)上传输的电压的调整，并且涉及控制器和USB源设备。

背景技术

理论上，支持USB功率传送模式的USB设备可以经由本领域技术人员所熟知的首字母缩略词VBUS的输出电源引脚来传输高达100W的功率(最大电压为20V，最大电流为5A)。

因此，支持USB PD模式并向USB接收器设备传送第一功率的USB源设备能够响应于USB接收器设备的功率改变请求而传送与第一功率不同的第二功率。

如果所请求的第二功率低于第一功率，则USB源设备被配置为在VBUS输出电源引脚上产生与第二功率对应的第二电压，而不是与第一功率对应的第一电压。第二电压通常低于第一电压。

一般来说，第二电压通过在标准化生产周期内通过放电去耦电容器并调节VBUS输出电源引脚上的电压来降低第一电压而产生，其中标准化生产周期通常为本领域技术人员所熟知的缩写tSrcReady(源就绪时间)，即一般等于270ms。

然而，第一电压的这种降低通常会导致VBUS输出电源引脚上传送的电压的下冲。

如果在VBUS输出电源引脚上传送的该电压下降到低于用于验证USB源设备的较低阈值(本领域技术人员通常已知的缩写为vSrcValid_lo)，则存在USB接收器设备将非故意地停止操作的风险。

另外，如果所传送电压的调节率变得大于与去耦电容器的放电相关的传送电压的降低率，则调节达到饱和，使USB源设备在消隐时间内切换到待机模式。

然而，在USB源设备处于待机状态时，随着电容网络的放电继续使传送电压降低，并且由于调节仅在消隐时间结束处才重新激活，因此存在所传送电压的值在调节被重新激活之前降到低于阈值vSrcValid_lo或者不能够在标准化生产周期tSrcReady结束之前达到目标电压的风险。

一种常见的解决方案是产生恒定电流，用于释放在输出电源引脚上传送的电压，但这种解决方案要求为USB源设备的每个应用调整恒定电流。

另一种常见的解决方案是对输出电源引脚上传送的电压提供线性调节，并通过固定电阻器对去耦电容器进行放电。

然而，为了维持调节的操作，该解决方案要求使用小电阻器，从而增加USB源设备的消耗。

因此，需要提供一种低复杂性且低消耗的技术解决方案，可以确保USB源设备响应于降低输出电源引脚上传送的电压的请求的正确操作，并且避免所传送电压的潜在下冲。

实用新型内容

根据一个方面，提出了一种用于管理支持USB功率传送模式且耦合至USB接收器设备的USB源设备的输出电源引脚上的电源电压的方法。USB源设备包括传送电源电压的功率转换器和耦合至功率转换器的电容网络。

该方法包括：响应于通过USB接收器设备将电源电压降低到目标电压的请求，

对电容网络进行放电以降低电源电压，以及

向功率转换器传送用于电源电压的设定点电压，设定点信号的值非线性地降低，以保持设定点电压的时间变化低于电源电压的时间变化。

这种方法有利地使得在目标电压的产生期间根据电容网络的放电确保电源电压的调节率低于电源电压的降低，而无需USB源设备的附加实施，诸如可编程电流源。

因此，在目标电压的产生期间，电源电压的调节是可操作的，以便避免电源电压的下冲或者甚至是USB接收器设备的断开。

此外，设定点电压的非线性降低有利地使得可以使用具有更高值的放电电阻器，从而降低USB源设备的消耗。

根据一种实施模式，设定点电压的值逐渐地降低到目标电压，两个相邻增量之间设置有步长，并且每个增量的持续时间等于设置持续时间和可变第一数的乘积。

通过非限制性示例，可基于设置持续时间、设定点电压和步长来确定每一个可变第一数。

作为变量，设定点电压的值可以例如从电源电压的若干预定值中选择，目标电压的值是预定值之一，并且设定点信号的值可以例如逐渐地降低到目标电压。增量分别对应于设定点电压值和目标电压值之间包含的预定值。每个增量的持续时间等于设置持续时间和可变第二数的乘积。另外，可变第二数基于当前设定点电压、紧邻且低于当前设定点电压的预定值和设置持续时间来确定。

根据另一实施方式，电源电压的预定值为20V、15V、12V、9V和5V。

根据另一方面，提出了一种用于管理USB源设备的输出电源引脚上的电源电压的控制器，该USB源设备支持USB功率传送模式且耦合至USB接收器设备，USB源设备包括传送电源电压的功率转换器和耦合至功率转换器的电容网络。控制器包括：

放电电路，被配置为响应于通过USB接收器设备将电源电压降低到目标电压的请求而对电容网络进行放电，以便降低电源电压，以及

控制电路，被配置为响应于请求向功率转换器传送用于电源电压的设定点电压，并且非线性地降低设定点信号的值，以便保持设定点电压的时间变化低于电源电压的时间变化。

根据一个实施例，设定点电压的时间变化具有伪指数形状。

根据一个实施例，放电电路位于USB接收器设备或功率转换器中的至少一个的外部。

根据一个实施例，控制电路被配置为逐渐地降低到目标电压，两个相邻增量之间设置有步长，并且每个减量的持续时间等于设置持续时间和可变第一数的乘积。

通过非限制指示，控制电路可进一步被配置为基于设置持续时间、当前设定点电压和两个相邻减量之间的步长确定可变第一数。

根据另一实施例，设定点信号的值能够选自电源电压的多个预定值，并且目标电压的值是预定值中的一个值。

控制电路被配置为将设定点信号的值逐渐地降低到目标电压。减量分别对应于设定点电压的值和目标电压值之间包含的预定值。每个减量的持续时间等于设置持续时间和可变第二数的乘积。此外，控制电路被配置为基于当前设定点电压、紧邻且低于当前设定点电压的预定值和设置持续时间来确定可变第二数。

根据又一实施例，电源电压的预定值为20V、15V、12V、9V和5V。

通过非限制性示例，控制器可以被实施为集成电路。

根据另一方面，提出了一种支持USB功率传送模式并且包括上面定义的至少一个控制器的USB源设备。

USB源设备可以是USB C型源设备。

根据另一方面，提出了一种USB源设备，用于支持USB功率传送模式，其特征在于，USB源设备包括：功率转换器，传送电源电压；电容网络，耦合至功率转换器；以及控制器，被配置为管理USB源设备的输出电源引脚上的电源电压，控制器包括：放电电路，被配置为响应于通过USB接收器设备将电源电压降低到目标电压的请求而对电容网络放电，以便降低电源电压；以及控制电路，被配置为响应于请求向功率转换器传送用于电源电压的设定点电压，并且非线性地降低设定点电压的值，以便保持设定点电压的时间变化低于电源电压的时间变化。

根据一个实施例，USB源设备是USB C型源设备。

根据另个实施例，设定点电压的时间变化具有伪指数形状。

根据又一方面，提出了包括上文定义的至少一个USB源设备的电子设备，诸如蜂窝移动电话、平板电脑或笔记本电脑。

附图说明

本实用新型的其他优点和特征将在检查实施方式和实施例的完全非限制性模式的详细说明以及附图时变得明显，其中：

图1至图5示意性示出了本实用新型的实施方式和各种实施例的模式。

具体实施方式

图1中的参考标号1表示电子设备，在这种情况下例如为笔记本电脑，其包括支持USB功率传送模式并且例如与USB 3.1标准兼容的称为USB源设备2的设备，并且例如包括不具有特定***方向的可逆USB连接器3(其是本领域技术人员通常已知的C型)。

C型连接器3经由C型USB电缆6链接至称为USB接收器设备4的设备，USB接收器设备4也支持USB功率传送模式，在这种情况下例如为智能手机类型的移动电话并且还包括USBC型连接器5。

USB源设备2和USB接收器设备4均包括至少一个通道配置引脚CC1、至少一个输出电源电压引脚VBUS1和至少一个接地引脚GND(图2)。相同种类的引脚通过USB电缆6相互链接。

应该注意，上文提到的USB源和接收器设备通过非限制性示例来示出。例如，USB源设备2可以操作为USB接收器设备，而USB接收器设备4例如在特定情况下可以操作为USB源设备。

现在参照图2以更详细地示出USB源设备2的示例性实施例，其进一步包括电功率转换器7、电源线8、电容网络9和电源控制器10。

例如，电功率转换器7是AC/DC(反激)转换器。

该转换器7的电源输入7EA耦合至作为USB源设备2的功率源的电源网络11。

该转换器7的控制输入7EC耦合至电源控制器10。

该转换器7的输出7S经由电源线8耦合至至少一个输出电源引脚VBUS1。

电功率转换器7被配置为在电源控制器10的控制下向电源线8传送电源电压V_BUS1。

电容网络9包括耦合在电功率转换器7的输出7S和地GND之间的第一电容器C1以及耦合在输出电源引脚VBUS1和地GND之间的第二电容器C2。

电源控制器10以集成方式(例如，以微控制器的形式)生产，并且包括放电电路12、反馈电路13和控制电路14。

放电电路12包括：

第一放电级12a，耦合在电功率转换器7的输出S1和地GND之间，并且被配置为在控制电路14的控制下对第一电容器C1进行放电；以及

第二放电级12b，耦合在至少一个输出电源引脚V_BUS1和地GND之间，并且被配置为在控制电路14的控制下对第二电容器C2进行放电。

举例来说，第一放电级12a包括在控制电路14的控制下的第一放电电阻器RD1和第一开关IPT1，并且第二放电级12b包括在控制电路14的控制下的第二放电电阻器RD2和第二开关IPT2。

例如，第一和第二开关IPT1、IPT2中的每一个都可以晶体管的形式产生，并且被配置为在电容网络9放电时在控制电路14的控制下处于接通状态。

反馈电路13包括：

检测输入13ED，耦合至电功率转换器7的输出7S，并且用于接收由电功率转换器7传送的电源电压V_BUS1，

控制输入13EC，耦合至控制电路14，并且用于接收设定点电压Vc，以及

输出13S，耦合至电功率转换器7的控制输入7EC。

反馈电路13被配置为基于电源电压V_BUS1和设定点电压Vc之间的比较向电功率转换器7传送反馈电压，以便朝向设定点电压Vc调节电源电压V_BUS1。

通过非限制指示，反馈电路13可以包括可变电阻分压电桥、可控电流源、光耦合设备或本领域技术人员已知的控制回路中的至少一个。

控制电路14耦合至至少一个通道配置引脚CC1，并且包括：

第一控制模块MC1，耦合至第一和第二放电级12a和12b，并且被配置为控制它们的放电；以及

第二控制模块MC2，耦合至电功率转换器7的控制输入7EC，并且被配置为向反馈电路13传送设定点信号SC，以便经由反馈电路13驱动电源电压V_BUS1的调节。

第二控制模块MC2包括：

数模转换器15(DAC)，被配置为在控制信号SC的控制下传送设定点电压Vc；以及

控制级16，被配置成向数模转换器15传送控制信号SC，以便驱动设定点信号SC的变化。

当USB接收器设备4(图1)请求低于由USB源设备2提供的电源电压V_BUS1的电源时，USB接收器设备4被配置为经由通道配置引脚CC1向USB源设备2的控制电路14传送将电源电压V_BUS1降至目标电压VF的请求。

第一控制模块MC1被配置为对电容网络9进行放电以便降低电源电压V_BUS1，并且第二控制模块MC2被配置为驱动电源电压V_BUS1必须跟随的设定点电压的调节。

通过非限制性示例，降低请求前的电源电压V_BUS1为20V，并且目标电压为5V。

根据数模转换器15的分辨率，在其输出处获得最小电压变化步长Vstep(电压步长)，对应于能够由数模转换器15实现的最小变化，在这种情况下例如为Vstep＝12.5mV。执行最小电压变化步长Vstep所需的时间(换句话说，最小时间变化步长(时间步长))通过电源控制器10的时钟信号来确定，在这种情况下例如为Tstep＝1/32768s。Tstep和Vstep的这些值给出409V/s的最大dV/dt。

现有技术的一个常见解决方案是线性降低电源电压V_BUS1必须跟随的设定点电压Vc的值。

在这种情况下，为了维持反馈电路13的操作，设定点电压Vc的时间变化(换句话说，设定点电压Vc的时间导数)必须低于电源电压V_BUS1的变化率。

由于电源电压V_BUS1持续下降，因此目标电压VF对于确保反馈电路13的正确操作至关重要。因此，

其中R是第一放电级12a和第二放电级12b的放电电阻器RD1和RD2的等效电阻，并且C是电容网络9的电容器C1和C2的等效电容。

对于具有VF＝5V、C＝1000μF且

的所谓反激转换器7，等效电阻R小于66欧姆。

应该注意，转换器7也可以是本领域技术人员已知的开关模式电源或DC/DC(降压)转换器。在VF＝5V、C＝200μF且

的情况下，等效电阻R小于330欧姆。

通过这些等效电阻R的值，电容网络9放电开始时的放电电流和USB源设备2的消耗都很高。

因此，根据一个实施例，电源控制器10被配置为一旦接收到降低电源电压V_BUS1的请求时配置为执行以下至少一个步骤：

对电容网络9进行放电，以降低电源电压V_BUS1；以及

向功率转换器7传送电源电压V_BUS1必须跟随的设定点电压Vc。

设定点电压Vc的值在约束时间量内非线性地降低(例如，具有伪指数形状)。在一些实施例中，时间量通过应用来确定，例如通过USP功率传送模式来确定。

更准确地，设定点电压Vc的值逐渐地降低到目标电压VF。

设置两个增量之间的步长。每个增量的持续时间是可变的，并且等于设置持续时间和可变第一数的乘积。

在这种情况下，两个增量之间的步长是最小电压变化步长Vstep。在这种情况下，设置持续时间是最小时间变化步长Tstep。

可变第一数Nstep1基于设置持续时间Tstep、当前设定点电压Vc和步长Vstep来确定。

例如，

其中符号

表示天花板整数部分(ceiling integer part)的符号。

应该注意，设定点电压随时间降低。因此，可变第一数Nstep1随时间增加。

图3示出了可变第一数Nstep1根据设定点电压Vc的示例性变化。

当设定点电压Vc的值大于17V时，第一数Nstep1等于3。当设定点电压Vc等于目标电压VF(即，5V)时，第一数Nstep1的值达到10。

如图3所示，电容网络9放电开始时设定点电压Vc的变化率较高。更准确地，设定点电压Vc在三个最小时间变化步长Tstep之后降低了最小电压变化步长Vstep。

相比之下，电容网络9放电结束时设定点电压Vc的变化率并不高，并且需要等待10个最小时间变化步长Tstep以在设定点电压Vc中具有一个最小电压变化步长Vstep的降低。换言之，在放电结束时具有较低的放电电流是有利的。

因此，更大的等效电阻R(例如，120欧姆)有利地能够用于例如具有所谓的反激转换器的配置，以便减少USB源设备的消耗。

作为变型，代替数模转换器17，USB源设备2的第二控制模块MC2可以包括本领域技术人员已知的分压器17(图4)，以便传送设定点电压Vc，其值能够从电源电压V_BUS1的一系列预定值Vp中选择。

根据USB 3.1标准，电源电压V_BUS1的这些预定值Vp例如为20V、15V、12V、9V和5V，并且目标电压VF例如也从这些预定值中选择。

在这种情况下，控制电路10被配置为将设定点电压Vc的值逐渐地降低到目标电压VF。

增量分别对应于设定点值Vc和目标电压VF之间包含的预定值。

例如，对于将电源电压V_BUS1从20V降至9V的请求，需要将设定点电压Vc的值从20V降至15V，然后从15V降至12V，最后从12V降至9V。对应的增量为20V、15V、12V和9V。

每个增量的持续时间是可变的，并且等于设置持续时间和可变第二数的乘积。

换言之，在持续时间结束时，当前设定点电压值Vc偏移到紧邻且低于当前设定点电压Vc的预定值Vci。

例如，设置持续时间也可以是最小时间变化步长Tstep。

可变第二数Nstep2基于当前设定点电压Vc、紧邻且低于当前设定点电压Vc的预定值Vci和设置持续时间Tstep来确定。

例如，如下计算可变第二数Nstep2：

例如，R＝120欧姆且C＝1000μF，可以在图5中找到可变第二数Nstep2的计算值。

如果当前设定点电压Vc为20V且目标电压为5V，则首先需要在偏移到紧邻且低于当前设定点电压Vc的预定值Vci(即，15V)之前等待1130个最小时间变化步长Tstep。

然后，当前设定点电压Vc变为15V，并且基于该当前设定点值Vc、紧邻且低于当前设定点电压Vc的预定值Vci(即，12V)和设置持续时间Tstep来确定可变第二数Nstep2。然后，需要在将设定点电压Vc从15V偏移到12V之前等待887个Tstep。

以相同方式，在将设定点电压Vc从12V偏移到9V之前等待1130个Tstep，最后在将设定点电压Vc从9V偏移到5V之前等待2309个Tstep。

因此，实现了USB源设备的输出电源引脚上的电源电压的非线性调节，使得不仅可以避免电源电压的潜在下冲以便确保USB源设备的正确操作，而且还可以使用更大的电阻(例如，120欧姆)而不是在反激转换器情况下的66欧姆，以便降低消耗而不对USB源设备的结构进行额外修改。应注意，实施例提供了通过计数器降低输出电压来防止进入打嗝(hiccup)模式(例如，反激)的解决方案。更新率与DAC 15的分辨率相关。为了保持反馈回路锁定，斜坡下降斜率(例如，如图3所示)可能需要比由放电回路12提供的下降时间更慢。为了实现这一点，选择第一放电电阻器RD1和/或第二放电电阻器RD2的电阻值，以使时间常数低于斜坡下降斜率的等效伪指数形状(例如，如图3所示)。在上述实施例中，第一放电电阻器RD1和第二放电电阻器RD2位于电功率转换器7的外部，由此限制裸片上的功耗。

Claims

1.一种控制器，用于管理USB源设备的输出电源引脚上的电源电压，其特征在于，所述USB源设备支持USB功率传送模式且耦合至USB接收器设备，所述USB源设备包括传送所述电源电压的功率转换器和耦合至所述功率转换器的电容网络，所述控制器包括：

放电电路，被配置为响应于通过所述USB接收器设备将所述电源电压降低到目标电压的请求而对所述电容网络放电，以便降低所述电源电压；以及

控制电路，被配置为响应于所述请求向所述功率转换器传送用于所述电源电压的设定点电压，并且非线性地降低所述设定点电压的值，以便保持所述设定点电压的时间变化低于所述电源电压的时间变化。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述设定点电压的时间变化具有伪指数形状。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述放电电路位于所述USB接收器设备或所述功率转换器中的至少一个的外部。

4.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制电路被配置为将所述电源电压逐渐地降低到所述目标电压，两个相邻减量之间设置有步长，并且每个减量的持续时间等于设置持续时间和可变第一数的乘积。

5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述控制电路进一步被配置为基于所述设置持续时间、当前设定点电压和两个相邻减量之间的所述步长确定所述可变第一数。

6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述设定点电压的值选自所述电源电压的多个预定值，所述目标电压的值是所述电源电压的所述预定值中的一个值。

7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述控制电路被配置为将所述设定点电压的值逐渐地降低到所述目标电压，减量分别对应于所述设定点电压的值和所述目标电压之间包含的所述预定值，每个减量的持续时间等于设置持续时间和可变第二数的乘积。

8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，所述控制电路进一步被配置为基于所述当前设定点电压、紧邻且低于所述当前设定点电压的预定值和设置持续时间确定所述可变第二数。

9.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述电源电压的预定值包括20V、15V、12V、9V或5V中的至少一个值。

10.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器被实施为集成电路。

11.一种USB源设备，用于支持USB功率传送模式，其特征在于，所述USB源设备包括：

功率转换器，传送电源电压；

电容网络，耦合至所述功率转换器；以及

控制器，被配置为管理所述USB源设备的输出电源引脚上的所述电源电压，所述控制器包括：

放电电路，被配置为响应于通过USB接收器设备将所述电源电压降低到目标电压的请求而对所述电容网络放电，以便降低所述电源电压；以及

12.根据权利要求11所述的USB源设备，其特征在于，是USB C型源设备。

13.根据权利要求11所述的USB源设备，其特征在于，所述设定点电压的时间变化具有伪指数形状。