CN111868703A - Usb电力输送中的可编程vbus放电 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于从USB电力输送(USB‑PD)VBUS线进行电压放电的技术。在示例实施例中，集成电路包括耦合到第一放电电路和第二放电电路的放电控制逻辑。第一放电电路被配置为耦合到VBUS线上的电源节点。第二放电电路被配置为耦合到VBUS线上的输出节点。放电控制逻辑被配置为独立地控制第一放电电路和第二放电电路以使VBUS线上的电压放电。

Description

USB电力输送中的可编程VBUS放电

优先权

本申请是于2018年5月18日提交的第15/983,596号美国专利申请的国际申请，该美国专利申请要求于2018年3月12日提交的第62/641,894号美国临时申请的优先权和权益，所有申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开涉及控制对电子设备的电力输送的集成电路。

背景

各种电子设备(例如，诸如智能手机、平板、笔记本电脑、膝上型电脑、集线器、充电器、适配器等)被配置为根据在各种版本的USB电力输送(USB-PD)规范中定义的USB电力输送协议，通过通用串行总线(USB)连接器传输电力。例如，在一些用途中，电子设备可以配置为通过USB连接器(例如，用于电池充电)接收电力的耗电方，而在其他用途中，电子设备可以配置为向通过USB连接器连接于其的另一设备提供电力的电力提供者。然而，USB-PD规范允许电力提供者和耗电方动态地协商所提供的电压和电流水平。因此，在某些电力输送条件下，所提供的电压/电流可能需要快速放电，但是这可能会使控制这种电压/电流的供应的集成电路器件暴露于加热和闩锁效应。

附图简述

图1A图示根据一些实施例的具有USB-PD子系统的示例管芯上集成电路(IC)控制器。

图1B图示根据一些实施例的可以包括图1A的IC控制器的示例设备。

图2图示根据一些实施例的示例IC控制器的示意图，该IC控制器被配置用于从USB电压(VBUS)线进行可编程电压放电。

图3图示根据一些实施例的示例放电电路。

图4图示根据示例实施例的在没有驱动强度调度的情况下来自USB VBUS线的电流放电的图示。

图5图示了根据示例实施例的在具有可编程驱动强度调度的情况下来自USB VBUS线的电流放电的图示。

图6图示了根据示例实施例的个人计算机(PC)USB-PD电源适配器的示意图。

图7图示了根据示例实施例的移动电话USB-PD电源适配器的示意图。

图8图示了根据示例实施例的USB-PD车载充电器的示意图。

图9图示了根据示例实施例的USB-PD移动电源(power bank)的示意图。

详细描述

下列描述阐述了很多特定的细节，诸如特定系统、部件、方法等的示例，以便提供本文所描述的用于USB VBUS线的电压放电的技术的各种实施例的良好理解。然而对本领域的技术人员将明显的是至少一些实施例可在没有这些特定细节的情况下被实施。在其它实例中，没有详细地描述或以简单的方框图格式呈现公知的组件、元素或方法，以便避免不必要地模糊本文描述的技术。因此，在下文中阐述的特定细节仅仅是示例性的。特定的实施方式可根据这些示例性细节而变化，并且仍然被设想为在本发明的精神和范围内。

在本描述中对“实施例”、“一个实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”和“各种实施例”的提及意为结合实施例所描述的特定特征、结构、步骤、操作或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。此外，在描述中的各处出现的短语“实施例”、“一个实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”和“各种实施例”并不一定都指相同的实施例。

本描述包括对附图的引用，附图构成详细描述的一部分。附图显示根据示例性实施例的图示。在本文中也可被称为“示例”的这些实施例被足够详细地描述，以使本领域的技术人员能够实施本文描述的要求保护的主题的实施例。在不偏离要求保护的主题的范围和精神的情况下，可将实施例组合，可利用其它实施例，或可做出结构的、逻辑的和电气的改变。应理解，本文描述的实施例并不旨在限制主题的范围，而是使本领域的技术人员能够实施、完成和/或使用主题。

本文描述了关于在电子设备中来自USB VBUS线的电压放电的技术的各种实施例。这种电子设备的示例包括但不限于个人电脑(例如，膝上型电脑、笔记本电脑等等)、移动计算设备(例如，平板、平板电脑、电子阅读器设备等等)、移动通信设备(例如，智能电话、蜂窝电话、个人数字助理、消息传送设备、掌上电脑等等)，连接和充电设备(例如，集线器、扩展坞、适配器、充电器等等)、音频/视频/数据记录和/或重放设备(例如，相机、录音机、手持式扫描仪、监控器等等)以及可以将USB连接器(接口)用于通信、电池充电和/或电力输送的其他类似的电子设备。

支持USB的电子设备或系统可以符合通用串行总线(USB)规范的至少一个版本。这种USB规范的示例包括但不限于USB规范修订版本2.0(Revision 2.0)、USB 3.0规范、USB3.1规范和/或其各种增补(例如，诸如On-The-Go(或者OTG))、正式版本以及勘误表。USB规范总体上定义了设计和建立标准通信系统和外围设备所需要的差动串行总线的特性(例如，属性、协议定义、事务的类型、总线管理、编程接口等等)。例如，支持USB的外围设备通过主机设备的USB端口附接于支持USB的主机设备，以形成支持USB的系统。USB 2.0端口包括5V的电源电压线(以VBUS表示)、一对差动的数据线(以D+或DP、和D-或DN表示)以及用于电力回路的地线(以GND表示)。为了向后兼容USB 2.0，USB 3.0端口也提供了VBUS、D+、D-以及GND线。另外，为了支持更快的差动总线(USB超高速总线)，USB 3.0端口还提供了一对差动的发送器数据线(以SSTX+和SSTX-表示)、一对差动的接收器数据线(以SSRX+和SSRX-表示)、用于供电的电源线(以DPWR表示)和用于电力回路的地线(以DGND表示)。为了向后兼容USB 2.0通信和USB 3.0通信，USB 3.1端口提供了与USB 3.0端口相同的线路，但是通过被称作增强型超高速的一组特征来扩展超高速总线的性能。

在USB Type-C规范的各个发布版本和/或正式版本(例如，诸如2014年8月11日发布的发布版本1.0(Release 1.0)、2015年4月3日发布的发布版本1.1(Release 1.1)等等)中定义了用于USB连接器(被称作USB Type-C)的最新技术。USB Type-C规范定义了Type-C插座、Type-C插头和Type-C电缆，它们可以支持USB通信以及通过在USB-PD规范的各种修订版本/正式版本中定义的较新的USB电力输送协议进行电力输送。Type-C功能和要求的示例可包括但不限于根据USB 2.0和USB 3.0/3.1的数据通信和其他通信、Type-C电缆的电子-机械的定义以及性能需求、Type-C插座的电子-机械的定义以及性能需求、Type-C插头的电子-机械的定义以及性能需求、传统电缆组件和适配器的Type-C需求、基于Type-C的设备检测和接口配置的需求、Type-C连接器的优化电力传输的需求等等。根据USB Type-C规范，Type-C端口提供了VBUS、D+、D–、GND、SSTX+、SSTX–、SSRX+和SSRX–线等等。另外，Type-C端口还提供了用于边带传输信号功能的边带使用线(以SBU表示)以及用于发现、配置和管理通过Type-C电缆的连接的配置通道线(以CC表示)。Type-C端口可以与Type-C插头关联和/或与Type-C插座关联。为了易于使用，将Type-C插头和Type-C插座设计为可逆的一对，其操作无论插头到插座的取向。因此，(设置为标准Type-C插头或插座的)标准USB Type-C连接器提供了用于四条VBUS线、四个接地回路(GND)线、两条D+线(DP1和DP2)、两条D-线(DN1和DN2)、两条SSTX+线(SSTXP1和SSTXP2)、两条SSTX-线(SSTXN1和SSTXN2)、两条SSRX+线(SSRXP1和SSRXP2)、两条SSRX-线(SSRXN1和SSRXN2)、两条CC线(CC1和CC2)以及两条SBU线(SBU1和SBU2)的引脚，等等。

一些支持USB的电子设备可遵守USB-PD规范的特定修订版本和/或正式版本(例如，诸如2012年7月5日发布的修订版本1.0、2014年8月11日发布的修订版本2.0等或者其后续的修订版本和/或正式版本)。USB-PD规范定义了标准协议，该标准协议被设计通过经由USB Type-C端口的单一USB Type-C电缆提供更灵活的电力传输连同数据通信，来启用支持USB的设备的最佳功能。USB-PD规范还描述了用于管理通过USB Type-C电缆进行多达100W电力的电力传输必需的架构、协议、供电行为、参数以及布线。根据USB-PD规范，具有USBType-C端口的设备(例如，诸如支持USB的设备)可以与在较旧的USB规范(例如，诸如USB2.0规范、USB 3.1规范、USB电池充电规范Rev.1.1/1.2等等)中所允许的相比协商更多的电流和/或更高的或更低的电压通过USB Type-C电缆。例如，USB-PD规范定义了可在一对支持USB的设备之间协商的电力输送合约(PD合约)的要求。PD合约可以规定均被两个设备适应的功率电平和电力传输的方向，并且可以根据任一设备的请求和/或响应于各种事件和条件(诸如，功率角色交换(power role swap)、数据角色交换、硬复位、电源故障等)动态地重新协商(例如，不需要设备拔去电源插头)。

根据USB-PD规范，电子设备通常被配置为通过配置在USB VBUS线上的电力路径向另一设备输送电力。提供电力的设备通常被称为(或包括)“提供者”(或电源)，而消耗电力的设备通常被称为(或包括)“消费者”(或功率耗散器)。电力路径通常包括串联耦合在VBUS线上的电源开关，该电源开关被配置为开启和关闭电力输送。

USB-PD电源可以配置为从AC电源适配器或从另一AC源汲取电力。因此，作为AC到DC转换的一部分，一些实现在VBUS线的电源侧使用大容量电容器，以便去除功率信号的AC分量。这种大容量电容器可能相当大(例如，1mF至6mF)，并且可能在VBUS线上引起非常高的电流，具有发热和IC控制器闩锁的风险。因此，在某些条件下，需要USB-PD电源来使(在电源侧上的)大容量电容器和在VBUS线的功率耗散器侧的电压非常快速的放电。然而，通过使用IC控制器使VBUS线上的电压快速放电并非易事，因为VBUS线在高达20V的电压下可承载高达5A的电流，总功率高达100W。

例如，一些同时期的实现被配置为仅在VBUS线的输出(功率耗散器)侧通过外部部件(例如，诸如非常大的电阻器)使VBUS电压放电。因此，这些实现遭受较高的材料清单(BOM)成本，并且不提供针对VBUS线上的带电供电的可能放电的保护(例如，由电源驱动的大量电流，其不被施加到负载或被负载消耗)。此外，这种实现通常将VBUS电压一直放电到基本上0V，这可能导致大电流在相当长的时间段内流向地(从而导致过度加热)，并导致操作USB控制器芯片的电力的损失。

为了解决USB-PD VBUS电压放电的同时期实现的这些和其他缺点，本文描述的技术提供了一种具有多个独立受控的、管芯上放电电路的IC控制器，这些电路被配置为从VBUS线使电压放电。在VBUS线上的某些事件和/或条件下，如VBUS交换事件、分离条件和故障条件(例如，过流、短路、过压、反向电流等)，需要USB-PD控制器来对其电源和功率耗散器节点上的电压进行快速放电。根据本文所述的技术，IC控制器检测这些事件/条件，并通过以可编程放电速率将电流从VBUS线经由一个或更多个管芯上放电电路驱动到USB线地线来使VBUS电压放电。以这种方式，本文描述的技术允许将VBUS线上的电压放电到多个可编程电压电平中的任何一个，同时保护不受高电流和带电供电放电的影响，但是不需要任何外部/芯片外放电部件。

在本文描述的技术的示例实施例中，IC控制器包括两个内部管芯上放电电路，其被配置为耦合到VBUS线，并且在VBUS线上的负电压转换期间降低VBUS线上的电压。放电电路之一操作成从VBUS线的电源侧的节点处使VBUS电压放电，而另一个放电电路操作成从VBUS线的功率耗散器处的节点使VBUS电压放电。两个放电电路还可以被配置为在分离条件下使VBUS电压放电以满足USB-PD指定的定时。电源侧的放电电路也可用于加速VBUS电压在功率耗散器侧斜坡下降至默认的5V，而不会将VBUS电压一直拉低至基本0V。关于动态重新协商的PD合约，本文描述的技术允许监控VBUS线上的电压，并且仅将其下拉到期望的非零电压电平(如，从12V下降到9V)。

如本文所使用的，“逻辑”指的是具有一个或更多个电路的硬件块，该电路包括被配置为处理模拟和/或数字信号并响应于控制信号执行一个或更多个操作的各种电子部件。这种电子部件的示例包括但不限于晶体管、二极管、电阻器、电容器、电感器、逻辑门及其各种电路。“USB-PD子系统”指的是一个或更多个逻辑块和其他模拟/数字硬件电路，其可以由集成电路(IC)控制器中的固件可控制，并且被配置且可操作以执行功能并满足在USB-PD规范的至少一个发布版本中指定的要求。

在示例实施例中,IC包括在单片(例如，单一)半导体管芯中设置的USB-PD子系统。该USB-PD子系统包括放电控制逻辑，其被耦合以控制至少两个管芯上放电电路。第一放电电路被配置为耦合到VBUS线上的电源节点，而第二放电电路被配置为耦合到VBUS线上的输出节点。放电控制逻辑被配置为独立地控制第一放电电路和第二放电电路以使VBUS线上的电压放电。在一个示例方面中，电源节点设置在VBUS线上的电源开关的一侧，而输出节点设置在VBUS线上的电源开关的另一侧。在一个方面中，IC还包括耦合到第一放电电路的第一输入引脚、耦合到第二放电电路的第二输入引脚以及耦合到第一放电电路和第二放电电路的一个或更多个接地输出引脚。在另一方面中，IC还包括被配置为耦合到VBUS线上的电源节点的电源引脚，其中USB-PD子系统被配置为由电源引脚供电。在一个方面中，IC还包括固件指令，以控制由放电控制逻辑应用于第一放电电路和第二放电电路中的至少一个的驱动强度调度。在示例方面中，USB-PD子系统还包括电压阈值检测器，该电压阈值检测器耦合到放电控制逻辑，并被配置为相对于多个电压电平来监控在电源节点处和输出节点处VBUS线上的电压。在示例方面中，USB-PD子系统还包括保护逻辑，该保护逻辑耦合到放电控制逻辑，并被配置为监控VBUS线上的电压的放电速率，并防止使带电供电电压放电。在一个方面中，放电控制逻辑被配置成生成施加到第一放电电路和第二放电电路的多位控制信号，其中多位控制信号以步进方式控制从VBUS线放电的电流量。在另一方面中，第一放电电路和第二放电电路中的每一个包括一个或更多个漏极扩展场效应晶体管(DEFET)，其能够承受高的(例如，约30V)漏极-源极电压。在示例方面中，放电控制逻辑被配置为控制第一放电电路以第一放电速率使VBUS线上的电压放电，并控制第二放电电路以第二放电速率使VBUS线上的电压放电。在一个方面中，放电控制逻辑被配置为在非零电压电平处停止VBUS线上的电压的放电。在另一方面中，USB-PD子系统还包括被配置成监控VBUS线上的电压的电压阈值检测器、被配置成监控在USB接地线上返回的电流的电流感测检测器、以及耦合到电流感测检测器和电压阈值检测器并被配置成检测VBUS线上的一个或更多个故障事件的故障检测器。

在另一个示例实施例中，一种装置/系统包括USB Type-C连接器和耦合到该连接器的IC，以控制该连接器的VBUS线上的电力传输。该IC包括耦合到VBUS线上的电源节点的第一放电电路、耦合到VBUS线上的输出节点的第二放电电路以及耦合到第一放电电路和第二放电电路并被配置为独立地控制第一放电电路和第二放电电路来使VBUS线上的电压放电的控制逻辑。在示例方面中，该装置还包括串联耦合在VBUS线上的电源开关，其中电源节点设置在电源开关的一侧，而输出节点设置在电源开关的另一侧。在一个方面中，IC包括将第一放电电路耦合到电源节点的第一输入引脚、将第二放电电路耦合到输出节点的第二输入引脚以及将第一放电电路和第二放电电路耦合到本地接地的一个或更多个接地输出引脚。在另一个方面中，IC被配置成根据USB-PD规范来控制通过VBUS线的电力传输。在一个方面中，IC被配置为控制VBUS线上的电压的放电速率，并且在另一个方面中，IC被配置为相对于多个电压电平监控VBUS线上的电压。在各个方面中，该装置可以是PC电源适配器、移动电话充电器、壁式插座、车载充电器或移动电源。

在另一示例实施例中，一种用于通过设置在IC控制器中的放电控制逻辑来控制VBUS线上的电力传输的方法包括：控制第一放电电路以使来自VBUS线上的电源节点的电压放电；以及由放电控制逻辑控制第二放电电路，以使来自VBUS线上的输出节点的电压放电；其中第一放电电路和第二放电电路彼此独立地被控制。在一个方面中，电源节点设置在VBUS线上的电源开关的一侧，而输出节点设置在VBUS线上的电源开关的另一侧。在示例方面中，该方法还包括：在IC控制器的第一输入引脚处从VBUS线接收第一电流，该第一输入引脚耦合到第一放电电路；在IC控制器的第二输入引脚处接收第二电流，该第二输入引脚耦合到第二放电电路；以及将第一和第二电流放电到IC控制器的一个或更多个接地输出引脚，该输出引脚耦合到第一和第二放电电路。在另一个方面中，该方法还包括通过IC控制器的耦合到VBUS线上的电源节点的电源引脚汲取用于IC控制器的电力。在一个方面中，该方法还包括相对于多个电压电平监控电源节点处和输出节点处的VBUS线上的电压。在示例方面中，该方法还包括监控VBUS线上的电压的放电速率。在一个方面中，该方法还包括保护IC控制器免受VBUS线上的带电供电电压放电的影响，并且在另一个方面中，该方法还包括生成多位控制信号并将该多位控制信号施加到第一和第二放电电路。在示例方面中，该方法还包括控制第一放电电路以第一放电速率使VBUS线上的电压放电，并控制第二放电电路以第二放电速率使VBUS线上的电压放电。在一个方面中，该方法还包括在非零电压电平处中止VBUS线上的电压的放电。在另一个方面中，该方法还包括监控返回到USB接地线的电流，并检测在VBUS线上的一个或更多个故障事件。

图1A图示根据本文描述的用于VBUS电压放电的技术所配置的示例半导体设备。在图1A所示的实施例中，设备100是在半导体管芯上制造的IC控制器。例如，IC控制器100可以是在由加利福尼亚圣何塞的Cypress半导体公司开发的CCCx USB控制器系列中的单芯片IC设备。在另一个示例中，IC控制器100可以是作为片上系统(SoC)制造的单芯片IC。在其他实施例中，IC控制器可以是封装在单个半导体封装中的多芯片模块。除了其他部件之外，IC控制器100还包括CPU子系统102、外围互联部114、系统资源116、各种输入/输出(I/O)块118(例如，118a-118c)以及USB-PD子系统120。

CPU子系统102包括耦合于系统互联部112的一个或多个CPU(中央处理单元)104、闪存106、SRAM(静态随机存取存储器)108以及ROM(只读存储器)110。CPU 104是可以在IC或SoC设备中操作的适合的处理器。在一些实施例中，CPU可以采用广阔的时钟选通来优化低功率操作，并且可以包括使CPU能够以各种电力状态运行的各种内部控制器电路。例如，CPU可以包括唤醒中断控制器，其被配置成将CPU从休眠状态唤醒，由此在IC芯片处于休眠状态的时候使得电源能够被切断。闪存106是非易失性存储器(例如，与非门闪存、或非门闪存等)，其被配置用于存储数据、程序和/或其他固件指令。闪存106紧密耦合在CPU子系统102内，以提高访问时间。SRAM 108是被配置用于储存由CPU 104存取的数据和固件指令的易失性存储器。ROM 110是可配置用于储存引导例程、配置参数以及其他固件参数和设置的只读存储器(或其他适合的储存介质)。系统互联部112是系统总线(例如，单级或多级的先进高性能总线(或AHB))，其被配置成使CPU子系统102的各种部件相互耦合的接口以及在CPU子系统的各种部件和外围互联部114之间的数据和控制接口。

外围互联部114是外围总线(例如，单级或多级的AHB)，其提供在CPU子系统102与其外围设备和其他资源(诸如，系统资源116、I/O块118以及USB-PD子系统120)之间的主要数据以及控制接口。外围互联部114可包括各种控制器电路(例如，直接存储器存取或DMA控制器)，其可被编程以在外围块之间传输数据而不用CPU子系统102负担。在各种实施例中，在CPU子系统的组件中的每个组件和外围互联部均可与每个选项或类型的CPU、系统总线和/或外围总线不同。

系统资源116包括支持IC控制器100以其各种状态和模式操作的各种电子电路。例如，系统资源116可以包括电源子系统，该电源子系统提供对于每个控制器状态/模式所需的电源，例如诸如电压和/或电流参考、唤醒中断控制器(WIC)、上电复位(POR)等。在一些实施例中，电源子系统还可以包括允许IC控制器100从具有几个不同电压和/或电流电平的外部源汲取电力和/或向外部源提供电力并且支持控制器在几个电源状态(例如，睡眠和活动状态)下操作的电路。系统资源116还可包括时钟子系统，该时钟子系统提供由IC控制器100使用的各种时钟以及实施各种控制器功能(诸如，外部重置)的电路。

IC控制器(诸如，IC控制器100)在各种实施例和实施方式中可包括各种不同类型的I/O块和子系统。例如，在图1A所示的实施例中，IC控制器100包括GPIO(通用输入输出)块118a、TCPWM(计时器/计数器/脉宽调制)块118b、SCB(串行通信块)118c以及USB-PD子系统120。GPIO 118a包括被配置成实施各种功能(诸如，例如，上拉、下拉、输入阈值选择、输入和输出缓冲区启用/禁用、连接于各种I/O引脚的多路复用信号等等)的电路。TCPWM 118b包括这样的电路：其被配置成实施计时器、计数器、脉宽调制器、解码器以及被配置成对输入/输出信号进行操作的各种其他模拟/混合信号元件。SCB 118c包括被配置成实施各种串行通信接口(诸如，例如，I²C、SPI(串行外围接口)、UART(通用异步接收器/发送器)、CAN(控制器局域网)接口、CXPI(时钟扩展外设接口)等等)的电路。

USB-PD子系统120提供到USB Type-C端口的接口，并被配置为支持USB通信以及其他USB功能，诸如电力输送和电池充电。USB-PD子系统120包括Type-C端口所需的静电放电(ESD)保护电路。USB-PD子系统120还包括Type-C收发器和物理层逻辑(PHY)，其被配置为集成基带PHY电路，以执行在物理层发送中涉及的各种数字编码/解码功能(例如，双相符号编码-BMC编码/解码、循环冗余校验-CRC等等)以及模拟信号处理功能。USB-PD子系统120还根据USB-PD规范的要求，提供终端电阻器(R_P和R_D)及其开关，以实现连接检测、插头定向检测和通过Type-C电缆的电力输送角色。IC控制器100(和/或其USB-PD子系统120)还可被配置成对USB-PD规范中定义的通信(诸如，例如，SOP、SOP’以及SOP"消息传送)进行响应。

在其他电路中，USB-PD子系统120还可以包括：模数转换器(ADC)，其用于将各种模拟信号转换成数字信号；误差放大器(ERROR AMP)，其用于根据PD合约控制施加到VBUS线的电源电压；高压调节器(HV REG)，其用于将电源电压转换成对IC控制器100供电所需的精确电压(例如，3-5V)；电流感测放大器(CSA)和过压保护(OVP)电路，其用于在具有可配置阈值和响应时间的VBUS线上提供过流和过压保护；一个或更多个栅极驱动器(GATE DRV)，其用于控制打开和关闭通过VBUS线供电的电源开关；和用于支持Type-C通信信道(C-C)线上的通信的通信信道PHY(CC BB PHY)逻辑。

根据本文所述的技术，USB-PD子系统120包括放电控制逻辑，该放电控制逻辑被耦合以控制至少两个管芯上放电电路(VBUS DISCH)，该至少两个管芯上放电电路可以将VBUS线电压放电到一定范围的电压电平。第一放电电路被配置为耦合到VBUS线上的电源节点，而第二放电电路被配置为耦合到VBUS线上的输出(功率耗散器)节点。放电控制逻辑被配置为独立地控制第一放电电路和第二放电电路，以将VBUS线上的电压放电到期望的电压电平(例如，如在PD合约中协商的)。

图1B图示了其中可以实施所描述的用于VBUS电压放电的技术的示例应用环境。在这些应用环境中的每个应用环境中，IC控制器(诸如，图1A的IC控制器100)可以被设置并且配置在电子设备(例如，支持USB的设备)中，以根据本文描述的技术执行操作。在一个示例实施例中，IC控制器100a可以被设置并且配置在用于膝上型电脑、笔记本电脑等的个人计算机(PC)电源适配器130中。在另一示例实施例中，IC控制器100b可以被设置并且配置在用于移动电子设备(例如，智能手机、平板等)的电源适配器(例如，壁式充电器)140中。在另一个示例实施例中，IC控制器100c可以被设置并且配置在壁式插座150中，该壁式插座150被配置为通过USB Type-A和/或Type-C端口提供电力。在另一个示例实施例中，IC控制器100d可以被设置并且配置在车载充电器160中，该车载充电器160被配置为通过USB Type-A和/或Type-C端口提供电力。在又一个示例实施例中，IC控制器100e可以被设置并且配置在移动电源170中，该移动电源170能够被充电且然后通过USB Type-A或Type-C端口向另一个电子设备提供电力。在其他实施例中，配置有本文所述的VBUS放电电路的IC控制器可以设置在各种其他的支持USB的电子或机电设备中。

应当理解，IC控制器(诸如图1A的IC控制器100)可以设置在不同的应用中，这些应用可能在所使用的电源类型和输送电力的方向方面有所不同。例如，在车载充电器160的情况下，电源是提供DC电力的汽车电池，而在移动的电源适配器140的情况下，电源是AC壁式插座。此外，在PC电源适配器130的情况下，电力输送的流是从提供者设备到消费者设备，而在移动电源170的情况下，电力输送的流可以是双向的，这取决于移动电源是作为电力提供者(例如，向另一设备供电)还是作为电力消费者(例如，自己充电)来操作。由于这些原因，图1B中所示的各种IC控制器应用应被视为说明性的，而不是限制性意义上的。

图2图示了根据用于本文所述的VBUS电压放电的技术的IC控制器(例如，诸如图1A中的IC控制器100)的示意图。IC控制器200耦合到VBUS线201，并被配置成在VBUS线201上的负电压转换期间控制VBUS电压的放电。VBUS线201包括电源开关203，其被配置为由IC控制器200中的栅极驱动器控制的开/关式开关设备。在电源开关203的一侧，VBUS线上的电源节点205(例如，大容量电容器节点)耦合到电源，诸如电源适配器(未示出)。电源节点205耦合到IC控制器200的输入引脚215。在电源开关203的另一侧，VBUS线路上的输出节点207(例如，耗散器节点或消费者节点)耦合到USB Type-C插座或插头(未示出)。输出节点207耦合到IC控制器200的输入引脚217。

电源开关203包括一个或更多个功率场效应晶体管(功率FET)。功率FET可以是N沟道或P沟道晶体管。功率FET在一些重要的特性方面与FET以及用于其他非输电用途的其他类型的晶体管开关设备不同。作为分立半导体开关设备，功率FET需要在接通的时候承载在其源极和其漏极之间的大量电流，在其接通的时候从其源极到其漏极具有非常低的电阻，以及在其关断的时候耐受从其源极到其漏极的高电压。在一些实施例中，同一IC控制器200可以被配置成控制具有N沟道功率FET的电源开关或具有P沟道功率FET的电源开关，这取决于通过VBUS线201耦合在外部电力路径上的电源开关的类型。

在其他部件中，IC控制器200包括CPU 202，CPU 202通过一个或更多个总线212耦合到电流感测检测器222、故障检测器224、保护逻辑226、一个或更多个可编程阈值检测器228-1和228-2以及放电逻辑232。CPU 202被配置成执行可存储在非易失性存储器中的固件和/或软件指令，并且当固件和/或软件指令被执行时，根据本文描述的技术，对电流感测检测器222、故障检测器224、保护逻辑226、阈值检测器228-1和228-2以及可编程放电逻辑232进行重新配置和/或重新编程。在各种实施方式和实施例中，由固件指令访问/使用的配置数据可以存储在任何合适的易失性和/或非易失性储存器中，该储存器可以包括但不限于储存元件阵列、可再编程闪存、可再编程或一次性可编程(OTP)寄存器、RAM阵列和数据触发器阵列。在一些实施例中，固件指令及其数据可以存储在芯片上，而在其他实施例中，一些(或全部)固件指令及其数据可以存储在外部存储器(例如，串行EEPROM)中并且可以就地执行，或者可以在执行之前或在某些操作事件(例如，通电或复位时)时被读取并被加载到IC控制器200的易失性存储器中。

应当理解，各种实施例可以提供各种机制来促进根据本文所述的用于VBUS电压放电的技术操作的IC控制器(及其各种部件)的可重新配置性和/或可重新编程性。例如，一些实施例可以将配置和/或编程数据存储在逻辑电路中，该逻辑电路通过使用基于电阻器的熔丝来启用/禁用，该熔丝在制造IC控制器时被修整。这种熔丝的示例包括激光熔丝、电熔丝和具有熔丝的一些特性和非易失性存储器的一些特性的非易失性锁存器。在一些实施例中，引脚绑定(pin-strapping)可用于促进IC控制器的可编程性。引脚绑定机制可以包括将多个控制器引脚/端子连接(例如，经由跳线或PCB迹线)到电源或地，以使每个输入向IC控制器提供二进制值，其中所提供的输入值的集合被用于配置数据，以对控制器的一个或更多个部件进行配置和编程。在一些实施例中，用于编程IC控制器的配置数据可以存储为电阻器配置存储。例如，一组电阻器可以连接在IC控制器的一组引脚/端子和电源或地之间，以产生可由ADC测量的电压或电流，从而产生二进制值来配置控制器的一个或更多个参数。在其他实施例中，用于编程IC控制器的配置数据可以作为掩模ROM或金属掩模来提供。例如，芯片制造商可以通过使用专用于定制配置的单个光刻掩模改变“1”和“0”之间的预定义内部节点的连接来定制特定批次的IC控制器芯片，而其他掩模在批次之间保持不变，从而为特定批次的控制器提供定制配置参数。

应当理解，各种实施例可以为根据如本文所述的用于VBUS电压放电的技术操作的IC控制器(及其部件)提供各种类型的可编程性。例如，一些实施例(诸如在图2所示的实施例)可以提供动态可编程性，其中配置改变在IC控制器的正常操作过程中通常(但不一定总是)响应于一个或更多个操作条件或外部命令的改变并基于先前编程到控制器中的数据被重新编程。其他实施例可以使用系统内可编程性，其中在IC控制器的正常操作过程中，响应于外部命令并基于与命令相关联地下载到控制器中的新配置数据，对配置改变进行重新编程。在一些实施例中，IC控制器可以作为其制造的一部分或者作为最终产品(例如，诸如电源适配器、壁式插座、车载充电器、移动电源等)的制造的一部分而被工厂编程。例如，IC控制器可在制造期间通过使用各种机制(诸如存储在非易失性存储器中的固件指令、引脚绑定、电阻器编程、激光修整的熔丝、NV锁存器或OTP寄存器)来编程。

在图2的实施例中，电流感测检测器222通过总线212耦合到CPU 202，并且耦合到连接到USB接地线的IC控制器200的输出引脚(未示出)。电流感测检测器222包括过电流保护逻辑，该过电流保护逻辑在操作期间感测通过VBUS线201输送的电流或通过USB接地线返回的电流，并且当感测的电流高于配置的阈值时，将控制信号施加到故障检测器224。在IC控制器200的操作期间，CPU 202可重新编程或选择电流感测检测器222的一个或更多个配置参数(例如，诸如电流检测阈值)。例如，响应于一个或更多个操作条件或命令的变化，并且基于外部和/或先前编程的数据，CPU 202可以执行固件指令。

故障检测器224包括故障检测逻辑，并通过总线212耦合到CPU 202。故障检测器224被配置成从电流感测检测器222、保护逻辑226和电压阈值检测器228-1/228-2接收数据和/或控制信号，并且还被耦合成向放电控制逻辑232提供数据和/或控制信号。响应于由CPU 202执行的固件指令和/或基于接收到的信号，故障检测器224确定在VBUS线201(或IC控制器200中的其它地方)上是否已经出现故障状况，并向放电控制逻辑232提供适当的数据/控制信号。在IC控制器200的操作期间，CPU 202可以例如通过响应于操作条件或命令的变化并基于外部和/或先前编程的数据来执行固件指令，对故障检测器224的一个或更多个配置参数进行重新编程。故障检测器224可以检测的VBUS线201上的故障状况的示例包括但不限于过电流状况、短路状况、过电压状况、反向电流状况等。故障检测器224还可以检测VBUS线201上的VBUS交换事件。

VBUS交换在USB-PD规范中被称为快速角色交换(FRS)，其是一种允许在USB-PD系统中交换电源和功率耗散器的角色的机制。例如，电子设备(例如，诸如移动电源)中的同一Type-C端口在连接到提供者设备时可以是电源耗散器，或者在连接到消费者设备时可以是电源。根据USB-PD规范中定义的FRS，Type-C端口的这些角色可以在特定条件下动态切换(例如，无需拔出)，而不会由附接设备损失电力。也就是说，符合FRS的端口必须能够足够快地(即在150μs以下)从耗电切换到供电，以避免任何电力中断。根据本文描述的技术，故障检测器224还被配置为检测VBUS线201上的VBUS交换事件，并向保护逻辑226提供相应的触发信号，以便满足USB-PD规范的FRS要求。

保护逻辑226通过总线212耦合到CPU 202，并耦合到放电控制逻辑232。保护逻辑226包括硬件电路，以接收指示由故障检测逻辑224检测到的故障状况的控制信号，并向CPU202提供相应的中断信号。保护逻辑226还包括计数器和可编程阈值检测器，其被配置为连续监控由放电控制逻辑232使能的来自VBUS 201的电压放电的实际速率。当达到编程阈值时，或者当实际放电速率与预测/预期速率显著不同时，保护逻辑226向放电控制逻辑232提供适当的控制信号以停止放电。这允许放电控制逻辑232保持VBUS电压放电开启，直到达到编程阈值，同时电压放电速率被监控并与对于给定放电曲线或状态的预期速率相比较。在IC控制器200的操作期间，保护逻辑226的计数器和阈值参数可以例如通过执行适当的固件指令由CPU 202重新编程。

电压阈值检测器228-1耦合到输入引脚215和放电电路230-1，并且被配置为监控VBUS线201的电源节点205上的电压。电压阈值检测器228-2耦合到输入引脚217和放电电路230-2，并且被配置为监控VBUS 201的输出节点207上的电压。每个电压阈值检测器228-1/228-2也通过总线212耦合到CPU 202。以这种方式，图2中的实施例为VBUS线201的电源节点和输出节点提供了单独的电压阈值检测器。然而，应该理解，在一些实施例中，相同的电压阈值检测器块可以被配置成监控VBUS线上的电源电压和输出电压。因此，图2的实施例图示两个单独的电压阈值检测器应被视为说明性的，而不是限制性意义上的。

电压阈值检测器228-1和228-2包括分别监控电源开关203的两侧上的VBUS线201的电压电平的逻辑，并向故障检测器224和放电控制逻辑232提供数据和/或控制信号。每个电压阈值检测器228-1/228-2中的逻辑包括电阻分压器和电压参考发生器，它们通过适当的连接电路(例如，总线、MUX)耦合到一组比较器。电阻分压器提供多个分接点(tap point)来降低在VBUS线201上检测到的电压。分接点的缩放电压输出(例如，10％、20％等)通过比较器与参考电压发生器生成的参考电压进行比较。当缩放电压达到比较器的参考电压时，比较器跳闸并生成输出信号，该输出信号指示在VBUS线201上的相应节点处测量的电压已经达到由参考电压信号表示的电压电平。输出信号被提供给故障检测器224，故障检测器224又在总线212上生成中断，以向CPU 202指示检测到的电压电平(或其变化)。以这种方式，电压阈值检测器228-1/228-2中的每一个可以监控在VBUS线201的相应节点处的电压电平，并且可以检测相对于多个电压电平的VBUS电压。

在IC控制器200的操作期间，CPU 202可以单独地且彼此独立地对每个电压阈值检测器228-1和228-2的参考阈值电压、到各种分接点的连通性路由以及其他配置参数进行重新编程。例如，通过执行适当的固件指令，CPU 202可以独立于由电压阈值检测器228-2监控的电压阈值，降低或增加由电压阈值检测器228-1监控的阈值电压电平。这种可编程阈值控制避免了IC控制器200的电力损失，例如，在控制器仅由VBUS线201的电源侧供电的应用中。此外，用于电压阈值检测器228-1和228-2的单独且独立的可编程控制允许IC控制器200实现PD合约(或其一部分)，该合约要求在USB-PD规范所要求的时间限制内在VBUS线201上的任何负电压转换。

在IC控制器200内，放电电路230-1耦合在输入引脚215和接地输出引脚211之间，以将电流从VBUS线201的电源节点205驱动到地，从而降低电源节点处的VBUS电压。类似地，放电电路230-2耦合在输入引脚217和接地输出引脚211之间，以将电流从VBUS线201的输出节点207驱动到地，从而降低输出节点处的VBUS电压。应注意，图2中的实施例为由放电电路230-1和230-2放电的电流提供单个接地输出引脚211。然而，应该理解，在一些实施例中，每个放电电路可以耦合到IC控制器的其自己的接地输出引脚，而在其他实施例中，任何放电电路可以耦合到控制器的多个接地输出引脚。因此，图2的实施例图示了用于两个放电电路的单个接地输出引脚，其应该被认为是说明性的，而不是限制性的。

放电电路230-1和230-2被配置为通过驱动电流从VBUS线通过IC控制器200到USB接地/返回线(和/或到另一个系统接地)来降低VBUS线201上的电压。放电控制逻辑232被配置成单独地并且彼此独立地控制每个放电电路230-1和230-2的操作。例如，放电控制逻辑232可以单独地且独立于其施加到放电电路230-2的控制信号，施加控制信号以启用和禁用放电电路230-1，其中控制信号调节由每个放电电路通过IC控制器200传导的电流的定时、持续时间和量。

图3图示根据本文描述的用于VBUS电压放电的技术的示例放电电路230。类似于图2的放电电路230-1/230-2，图3中的放电电路230被配置为将电流从VBUS线的节点驱动到接地。放电电路230设置在IC控制器(例如，诸如图2的IC控制器200)的半导体管芯上，并且耦合在控制器的输入引脚215或217和接地输出引脚211之间。IC控制器的输入引脚215/217被配置成从VBUS线的节点接收高压VBUS信号(“vbus_shv”)，接地输出引脚211被配置成向USBGND线(或向其他系统接地)提供返回信号(“vgnd_io”)。

放电电路230包括耦合到晶体管设备230b的逻辑门230a，并且被配置为接收多位控制信号230c(“dischg_ds[n:0])、使能信号230d(放电使能信号“dischg_en”和高电压使能信号“enable_hv”)以及电源信号230e(低电压信号“vpwr_lv”和高电压信号“vpwr_hv”)。放电电路230耦合到其自身的接地引脚230f，以确保其电子元件不受来自接地输出引脚211的地弹(ground bounce)的影响。逻辑门230a被配置成接收来自放电控制逻辑的使能信号230d作为输入，并且生成施加到晶体管设备230b的栅极的高电压N栅极使能信号(“ng”)作为输出。晶体管设备230b由多组独立控制的DEFET晶体管构成，多组DEFET在输入引脚215/217和接地输出引脚211之间相互并联。每组DEFET的栅极被耦合以接收来自逻辑门230a的高电压N栅极使能信号，并且每个DEFET晶体管被配置为在其漏极和其源极之间承受高电压(例如，约30V)。在晶体管设备230b及引脚215/217和211之间的管芯上使用具有合适电阻率特性的金属走线，以避免或至少最小化加热或熔化的风险。例如，在一些实施例中，这种金属走线可以被构造成承受880mA(22V/25Ω)的最大电流，这远远高于在USB-PD电流放电要求下由放电电路230预期传导的最大电流。

多位控制信号230c由放电控制逻辑(例如，诸如图2中的放电控制逻辑232)提供并且被配置成以可编程的驱动强度控制通过晶体管设备230b驱动的电流量。例如，如果可以在一个DEFET晶体管的漏极和源极之间驱动的电流被表示为“X”，那么具有一个DEFET的组将具有1X的驱动强度，具有两个DEFET的组将具有2X的驱动强度，具有四个DEFET的组将具有4X的驱动强度等等。因此，通过使用“1”和“0”的正确组合来接通/关断相应组的DEFET晶体管，可以使用表示为多位信号的数字字来控制放电电流的量。在示例实施例中，晶体管设备230b包括六组DEFET，其被配置用于1X、2X、4X、8X、16X和32X的驱动强度。每组DEFET由6位控制信号230c的一个位独立控制，这允许放电控制逻辑将晶体管设备230b的驱动强度控制在1X和63X之间的任何水平。在操作期间，放电控制逻辑使用6位控制信号的位来逐步接通DEFET的组，以确保通过晶体管设备230b驱动的电流逐渐增加，从而不会在接地输出引脚211处产生地弹。这种驱动强度调度的定时可以基于IC控制器的操作特性，并且可以基于特定的USB-PD应用进行编程。

返回参考图2，放电控制逻辑232通过总线212耦合到CPU 202。放电控制逻辑232被配置成从保护逻辑226和从电压阈值检测器228-1/228-2接收数据和/或控制信号，并且还被耦合成向放电电路230-1和230-2提供控制信号。响应于由CPU 202执行的固件指令和/或基于接收的信号，放电控制逻辑232可以彼此独立地控制放电电路230-1和230-2，并且可以使每个放电电路以可编程的放电速率从其在VBUS线201上的相应节点使电压放电。在IC控制器200的操作期间，CPU 202可以例如通过响应于操作条件或命令的变化并基于外部和/或先前编程的数据来执行固件指令，对放电控制逻辑232的定时、持续时间、驱动强度和其他配置参数进行重新编程。

放电控制逻辑232被配置成彼此独立地驱动放电电路230-1和230-2，这消除了对外部(片外)限流高瓦数电阻器的需要。此外，放电控制电路232被配置为响应于固件指令或来自电压阈值检测器228-1/228-2的信号，停止通过放电电路的放电电流。例如，当VBUS线201上的电压达到某个非零电压电平(例如，12V、9V、6V等)时，放电控制逻辑232可以停止放电。非零电压电平可以通过电压阈值检测器228-1/228-2的配置参数来编程，或者可以基于检测到VBUS电压已经越过相应阈值来编程。这允许放电控制逻辑232控制从VBUS线201的节点205和207中的任一个的VBUS电压放电速率。

在一些实施例中，放电控制逻辑232还可以被配置为例如响应于来自保护逻辑226的信号而自动关断放电电路230-1/230/2。例如，当VBUS线201上的电压被检测到达到低于5.5V时，该自动断开功能可以被激活，以确保VBUS电压永远不会降到低于5V的USB默认值。反过来，这确保了关闭VBUS线201的电源的任何系统部件都不会损失电力。

在一些实施例中，放电控制逻辑232还可以被配置为保护IC控制器200免受来自VBUS线201的带电供电的放电影响。例如，在尽管放电电路230-1被接通某个时间段，但是电源节点205处的VBUS电压没有下降时，这可以指示带电供电电流正在通过IC控制器200放电。响应于检测到这种状况(例如，通过使用来自可编程计数器的输出信号)，电压阈值检测器228-1生成对放电控制逻辑232的相应信号，并且放电控制逻辑关闭放电电路230-1和/或230-2以保护IC控制器200。

在一些实施例中，放电控制逻辑232还可以被配置为以相同或不同的速率使VBUS节点205和207上的电压放电。可以基于由IC控制器200接收的外部命令和/或基于操作条件的变化(例如，如基于来自控制器的其他部件的信号检测到的)来动态地重新编程放电速率。例如，放电控制逻辑232可以生成单独的脉宽调制(PWM)使能信号(例如，诸如图3中的“dischg_en”信号230d)并将其应用到每个放电电路230-1和230-2。这允许每个放电电路以其自己的定时接通和关断，从而允许独立控制其放电速率。

在一些实施例中，放电控制逻辑232还可以通过可编程驱动强度调度来控制每个放电电路230-1/230-2的放电速率。例如，在操作期间，放电控制逻辑232可以生成单独的多位控制信号(例如，诸如图3中的信号230c)并将其施加到每个放电电路230-1和230-2。这允许每个放电电路以其自身的驱动强度被驱动，从而允许对其放电速率的独立控制。在一些实施例中，每个放电电路230-1/230-2的多位控制信号可以用于逐步接通。例如，放电控制逻辑232可以通过在某个时间段(例如，10ms)内逐渐提高驱动强度来开始，然后在某个时间段(例如，20ms)内保持电流放电水平，并且此后继续逐渐增加驱动通过放电电路的电流，直到其达到期望的放电水平。驱动强度的增加可以一步一步地来完成，其中每一步之间至少为1ms。该机制允许放电控制逻辑232防止接地输出引脚211处的地弹。地弹是指接地电压突然升高到基本上0V以上的情况。当大量电流通过芯片的接地引脚被下拉时(例如，当放电电路以其最大驱动强度立即接通时)，可能会出现这种情况。

放电控制逻辑232可以响应于反映每个放电电路的驱动强度调度的固件指令来驱动放电电路230-1/230-2中的一个或两个。在一些实施例和实施方式中，放电控制逻辑232可以在所有情况下和/或对于两个放电电路使用相同的驱动强度调度。当可以容忍更长的时间延迟和在高VBUS电压电平下的高电流时，该机制可能是有用的。在其他实施例和实施方式中，放电控制逻辑232可以使用针对预定义的使用条件而缩放的驱动强度调度。当VBUS线201上的初始VBUS电压和电容负载已知时，该机制可能是有用的。在其他实施例和实施方式中，放电控制逻辑232可以使用驱动强度调度，该驱动强度调度使用基于VBUS电压的条件更新。例如，当前确定的VBUS电压电平可以用作针对存储在闪存中的数据的查找值，以确定使用什么(如果有的话)驱动强度。该机制不需要对VBUS线201上的电容负载的任何了解，并且自动对VBUS电压电平做出反应。

在一些实施例中，放电控制逻辑可以控制IC控制器中的放电电路，而不使用可编程固件或可重新配置的硬件。例如，逻辑引擎可以被设计成(例如，作为可合成的RTL)具有调度器、计数器和其他固定的硬件元件，这些硬件元件被配置成以固定的定时调度来激活放电电路。放电控制逻辑还可以使用固定的电流放电曲线和多个预设的驱动强度调度，这些调度通过硬连线为有限数量的操作条件或场景提供支持。

图4图示了在没有驱动强度调度的操作环境中(例如，当IC控制器的放电电路以全驱动强度接通时)来自VBUS线的电流放电的图示400。对于相同的IC控制器芯片，在不同的电阻条件下，绘制出随时间推移的通过放电电路电流流动随时间的速率I(t)。电阻条件反映放电电路的操作参数(例如，诸如温度和VBUS电压)，并表征其放电能力。例如，曲线402图示了在相对高的电阻条件下(例如，在较高的操作温度和/或VBUS电压下)的放电电流。如曲线402所示，在不使用驱动强度调度的情况下，在高电阻条件下放电的电流可以达到大约130mA。曲线404图示了在相对低的电阻条件下(例如，在较低的操作温度和/或VBUS电压下)的放电电流。如曲线404所示，在不使用驱动强度调度的情况下，在低电阻条件下放电的电流可以达到大约250mA。曲线406图示了在典型电阻条件下(例如，在普通/室内操作温度和/或典型VBUS电压下)的放电电流。如曲线406所示，在不使用驱动强度调度的情况下，在典型电阻条件下放电的电流可以达到大约200mA。

图5图示了在使用驱动强度调度的操作环境中(例如，当放电控制逻辑使用如本文所述的可编程驱动强度调度时)来自VBUS线的电流放电的图示500。对于相同的IC控制器芯片，在高、低和典型电阻条件下，绘制出随时间推移的通过放电电路电流流动随时间的速率I(t)。对于每个电阻条件，图示500图示了通过放电电路驱动的电流的初始逐步增加，随后是放电水平不增加的保持时段，然后是被驱动的电流的另一个逐步增加。

例如，曲线502图示了在相对高电阻条件下的放电电流。如曲线502所示，在高电阻条件期间放电的电流峰值约为125mA，这与不使用驱动强度调度的高电阻条件下的130mA相比(例如，如图4中的曲线402所示)是较小的。曲线504图示了在相对低电阻条件下的放电电流。如曲线504所示，在低电阻条件期间放电的电流峰值约为200mA，这与不使用驱动强度调度的低电阻条件下的250mA相比(例如，如图4中的曲线404所示)是较小的。曲线506图示了在典型电阻条件下的放电电流。如曲线506所示，在典型电阻条件期间放电的电流峰值约为175mA，这与不使用驱动强度调度的典型电阻条件下的200mA相比(例如，如图4中的曲线406所示)是较小的。总的来说，图5图示了当与不使用驱动强度调度的驱动方案相比时，使用如本文描述的可编程驱动强度调度可以降低放电电流的峰值幅度。

本文描述的用于VBUS电压放电的技术可以在几种不同类型的USB-PD应用中体现。一个示例是源应用，其中电源被配置为提供者设备，以通过USB Type-C端口向消费者设备供电。另一个示例是双角色电源(DRP)应用，其中USB Type-C端口被配置为作为电源或功率耗散器操作，或者可以通过使用USB-PD电源角色交换在这两个角色之间动态交替。

图6图示了根据示例实施例的具有光隔离器反馈的PC USB-PD电源适配器。IC控制器600可以设置在芯片封装中，并且包括根据本文描述的用于VBUS电压放电的技术配置的USB-PD子系统。IC控制器600被配置成与附接到USB Type-C端口640的消费者设备(未示出)协商PD合约，并通过输出引脚(“CATH/COMP”)控制从功率转换器650输出的所需的VBUS电压。USB Type-C端口640通常与Type-C插头相关联，但是应当理解，在各种实施例中，USBType-C端口可以改为与Type-C插座相关联。功率转换器650是AC电源，并且耦合到补偿网络660，补偿网络660是专用于功率转换器设计的电阻器-电容器(RC)电路，并且被耦合以从IC控制器600的输出引脚(“FB”)接收反馈信号。

IC控制器600耦合到VBUS线601，并被配置成在其之上的负电压转换期间控制VBUS电压的放电。VBUS线601包括电源开关603，其被配置为由来自IC控制器600中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_P_CTRL”)的信号所控制的开/关式开关设备。在电源开关603的一侧，VBUS线上的电源节点605耦合到功率转换器650，功率转换器650包括被配置为移除功率信号的AC分量的大容量电容器。电源节点605耦合到IC控制器600的输入引脚(“VBUS_IN_DIS”)。“VBUS_IN_DIS”引脚耦合到管芯上放电电路，该电路被配置为从电源节点605下拉电流，从而降低其VBUS电压。在电源开关603的另一侧，VBUS线上的输出节点607耦合到USBType-C端口640。输出节点607耦合到IC控制器600的另一个输入引脚(“VBUS_C_DIS”)。“VBUS_C_DIS”引脚耦合到另一管芯上放电电路，该电路被配置为从输出节点607下拉电流，从而降低其VBUS电压。通过IC控制器600的管芯上放电电路下拉的电流被驱动到IC控制器600的输出引脚(“GND”)611。接地引脚611耦合到USB Type-C端口640的接地GND线。IC控制器600中的放电控制逻辑被配置成通过使用调节由每个放电电路通过IC控制器传导的电流的定时、持续时间和量的使能和控制信号，单独且彼此独立地控制每个放电电路的操作。

在操作中，VBUS线601上的功率流的方向是从功率转换器650到诸如膝上型计算机(未示出)的消费者设备，其附接到USB Type-C端口640。当与消费者设备的PD合约被协商后，IC控制器600接通电源开关603，从而以协商的电压和/或电流电平向消费者设备提供电力。当PD合约被动态地重新协商到更低的VBUS电压和/或电流时(例如，当消费者设备已经完成对其电池的充电并且现在只需要电力来操作时)，可能需要在VBUS线601上的负电压转换。作为响应，根据本文描述的技术，IC控制器600中的放电控制逻辑接通管芯上放电电路，以降低节点605和/或607处的VBUS电压。当VBUS线601上的电压达到新的PD合约要求的更低的电压电平时，放电控制逻辑关断放电电路并停止放电。

图7图示了根据各种实施例的USB-PD电源适配器(例如，诸如用于移动电话的壁式适配器或壁式插座)。IC控制器700可以设置在芯片封装中，并且包括根据本文描述的用于VBUS电压放电的技术配置的USB-PD子系统。IC控制器700被配置成与附接到USB Type-C端口740的消费者设备(未示出)协商PD合约。在各个实施例中，USB Type-C端口740可以与Type-C插头或与Type-C插座关联。功率转换器750是AC电源，并且包括大容量电容器，该大容量电容器被配置为移除提供到VBUS线701上的功率信号的AC分量。功率转换器750耦合到控制器760，控制器760被配置为基于来自IC控制器700的输出引脚(“FB”)的反馈信号来控制由功率转换器提供的电压。IC控制器700支持两种操作模式，恒压模式和恒流模式(也称为直接充电模式)。在通过USB Type-C端口740与消费者设备进行适当协商后，IC控制器700在其两种操作模式之间切换，并在其输出引脚“FB”上提供适当的反馈信号来控制控制器760的操作。

IC控制器700耦合到VBUS线701，并被配置成在VBUS线701上的负电压转换期间控制VBUS电压的放电。VBUS线701包括电源开关703，其被配置为由来自IC控制器700中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_P_CTRL”)的信号所控制的开/关式开关设备。在电源开关703的一侧，VBUS线上的电源节点705耦合到功率转换器750。电源节点705耦合到IC控制器700的输入引脚(“VBUS_IN_DIS”)。“VBUS_IN_DIS”引脚耦合到管芯上放电电路，该电路被配置为从电源节点705下拉电流，从而降低其VBUS电压。在电源开关703的另一侧，VBUS线上的输出节点707耦合到USB Type-C端口740。输出节点707耦合到IC控制器700的另一个输入引脚(“VBUS_C_DIS”)。“VBUS_C_DIS”引脚耦合到另一管芯上放电电路，该电路被配置为从输出节点707下拉电流，从而降低其VBUS电压。通过IC控制器700的管芯上放电电路下拉的电流被驱动到IC控制器700的输出引脚(“GND”)711。接地引脚711耦合到USB Type-C端口740的接地GND线。IC控制器700中的放电控制逻辑被配置成通过使用调节由每个放电电路通过IC控制器传导的电流的定时、持续时间和量的使能和控制信号，单独且彼此独立地控制每个放电电路的操作。

在操作中，VBUS线701上的功率流的方向是从功率转换器750到诸如移动电话(未示出)的消费者设备，其附接到USB Type-C端口740。当与消费者设备的PD合约被协商后，IC控制器700接通电源开关703，从而以协商的电压和/或电流电平向消费者设备提供电力。当PD合约被动态地重新协商以降低VBUS电压和/或电流时(例如，当消费者设备已经完成对其电池的充电时)，可能需要在VBUS线701上的负电压转换。作为响应，根据本文描述的技术，IC控制器700中的放电控制逻辑接通管芯上放电电路，以降低节点705和/或707处的VBUS电压。当VBUS线701上的电压达到新的PD合约要求的更低的电压电平时，放电控制逻辑关断放电电路并停止放电。

图8图示了根据示例实施例的示例双端口USB Type-A/Type-C车载充电器。IC控制器800可以设置在芯片封装中，并且包括根据本文描述的用于VBUS电压放电的技术配置的USB-PD子系统。IC控制器800被配置成与附接到USB Type-C端口840的消费者设备(未示出)协商PD合约。USB Type-C端口840通常与Type-C插座相关联，但是应当理解，在各种实施例中，USB Type-C端口可以改为与Type-C插头相关联。电池850是DC电源，例如，诸如汽车电池。电池850耦合到调节器860，调节器860被配置为基于来自IC控制器800的输出引脚的使能和反馈信号来控制电池在VBUS线801上提供的电压。电池850还耦合到调节器865，调节器865被配置成控制电池在VBUS线上提供到USB Type-A端口845的电压。基于来自IC控制器800的输出引脚的使能和电压选择信号来控制调节器865，以根据较旧的USB规范(例如，诸如USB 2.0规范、USB电池充电规范Rev.1.1/1.2等)来提供VBUS电压和电流，以通过USBType-A端口为支持USB的设备充电。在一些实施例中，IC控制器800可以配置有用于USBType-A端口845的充电检测块，并且可以提供启用或禁用USB Type-A充电的选项。

IC控制器800耦合到VBUS线801，并被配置成在负电压转换期间控制VBUS电压的放电。VBUS线801包括电源开关803，其被配置为由来自IC控制器800中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_P_CTRL”)的信号所控制的开/关式开关设备。在电源开关803的一侧，VBUS线上的电源节点805耦合到电池850。电源节点805耦合到IC控制器800的输入引脚(“VBUS_C_DIS”)。“VBUS_C_DIS”引脚耦合到管芯上放电电路，该电路被配置为从电源节点805下拉电流，从而降低其VBUS电压。在电源开关803的另一侧，VBUS线上的输出节点807耦合到USBType-C端口840。输出节点807耦合到IC控制器800的另一个输入引脚(“VBUS_IN_DIS”)。“VBUS_IN_DIS”引脚耦合到另一管芯上放电电路，该电路被配置为从输出节点807下拉电流，从而降低其VBUS电压。通过IC控制器800的管芯上放电电路下拉的电流被驱动到IC控制器800的输出引脚(“GND”)811。接地引脚811耦合到USB Type-C端口840的接地GND线。IC控制器800中的放电控制逻辑被配置成通过使用调节由每个放电电路通过IC控制器传导的电流的定时、持续时间和量的使能和控制信号，单独且彼此独立地控制每个放电电路的操作。

在操作中，VBUS线801上的功率流的方向是从电池850到诸如移动电话(未示出)的消费者设备，其附接到USB Type-C端口840。当与消费者设备的PD合约被协商后，IC控制器800接通电源开关803，从而以协商的电压和/或电流电平向消费者设备提供电力。当PD合约被动态地重新协商到更低的VBUS电压和/或电流时(例如，当消费者设备已经完成对其电池的充电时)，可能需要在VBUS线801上的负电压转换。作为响应，根据本文描述的技术，IC控制器800中的放电控制逻辑接通管芯上放电电路，以降低节点805和/或807处的VBUS电压。当VBUS线801上的电压达到新的PD合约要求的更低的电压电平时，放电控制逻辑关断放电电路并停止放电。

图9图示了根据一个实施例的示例USB-PD DRP应用。图9所示的系统可以是双端口USB Type-A/Type-C移动电源，其被配置为作为电源或功率耗散器操作，或者可以通过使用USB-PD电源角色交换在这两个角色之间动态交替。IC控制器900可以设置在芯片封装中，并且包括根据本文描述的用于VBUS电压放电的技术配置的USB-PD子系统。当以电源角色操作时，IC控制器900被配置成与附接到USB Type-C端口940的消费者设备(未示出)协商PD合约。当以功率耗散器角色操作时，IC控制器900被配置成通过USB Type-C端口940控制电池950的充电。USB Type-C端口940通常与Type-C插座相关联，但是应当理解，在各种实施例中，USB Type-C端口可以改为与Type-C插头相关联。

电池950是DC电源，它可以是单个电池，也可以是具有串联联接的多个电池的电池组。电池950耦合到调节器960。当IC控制器900以电源角色操作时，调节器960被配置为基于来自IC控制器的输出引脚的使能和反馈信号来控制在VBUS线901上提供的电压。电池950也耦合到调节器965。当IC控制器900以电源角色操作时，调节器965被配置成控制电池在VBUS线上提供到USB Type-A端口945的电压。基于来自IC控制器900的输出引脚的使能和电压选择信号来控制调节器965，以根据较旧的USB规范(例如，诸如USB 2.0规范、USB电池充电规范Rev.1.1/1.2等)来提供VBUS电压和电流，以通过USB Type-A端口为支持USB的设备充电。电池950也耦合到电池充电器970。当IC控制器900以功率耗散器角色操作时，电池充电器970被配置为基于来自IC控制器的输出引脚的使能信号来控制在VBUS线901上提供的电压，以对电池950充电。在电池是多电池组(例如，诸如膝上型电池组)的实施例中，低压差(LDO)调节器980可以耦合在电池950和IC控制器900的输入引脚(“VDDD”)之间，以向IC控制器提供操作电力。

IC控制器900耦合到VBUS线901，并被配置成在VBUS线901的负电压转换期间控制VBUS电压的放电。VBUS线901包括电源开关903，其被配置为由来自IC控制器900中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_P_CTRL”)的信号所控制的开/关式开关设备。在电源开关903的一侧，VBUS线上的电源节点905耦合到调节器960，调节器960又耦合到电池950。电源节点905耦合到IC控制器900的输入引脚(“VBUS_C_DIS”)。“VBUS_C_DIS”引脚耦合到管芯上放电电路，该电路被配置为从电源节点905下拉电流，从而降低其VBUS电压。在电源开关903的另一侧，VBUS线上的输出节点907耦合到USB Type-C端口940。输出节点907耦合到IC控制器900的另一个输入引脚(“VBUS_IN_DIS”)。“VBUS_IN_DIS”引脚耦合到另一管芯上放电电路，该电路被配置为从输出节点907下拉电流，从而降低其VBUS电压。通过IC控制器900的管芯上放电电路下拉的电流被驱动到IC控制器900的输出引脚(“GND”)911。接地引脚911耦合到USB Type-C端口940的接地GND线。IC控制器900中的放电控制逻辑被配置成通过使用调节由每个放电电路通过IC控制器传导的电流的定时、持续时间和量的使能和控制信号，单独且彼此独立地控制每个放电电路的操作。

当IC控制器900以电源角色操作时，VBUS线901上的功率流的方向是从电池950到诸如移动电话(未示出)的消费者设备，其附接到USB Type-C端口940。当与消费者设备的PD合约被协商后，IC控制器900接通电源开关903并且关断电源开关909，并且以协商的电压和/或电流电平向消费者设备提供电力。当PD合约被动态地重新协商以降低VBUS电压和/或电流时，例如，当消费者设备已经完成对其电池的充电时，可能需要在VBUS线901上的负电压转换。作为响应，根据本文描述的技术，IC控制器900中的放电控制逻辑接通管芯上放电电路，以降低节点905和/或907处的VBUS电压。当VBUS线901上的电压达到新的PD合约要求的更低的电压电平时，放电控制逻辑关断放电电路并停止放电。

IC控制器900还耦合到电源开关909，以在以功率耗散器角色操作时，通过USBType-C端口940控制电池950的充电。电源开关909在VBUS线901上耦合在USB Type-C端口940和电池充电器970之间，并且被配置为由来自IC控制器900中的栅极驱动器的输出引脚(“VBUS_C_CTRL”)的信号控制的开/关式开关设备。

当IC控制器900以功率耗散器角色操作时，VBUS线901上的功率流的方向是从附接到USB Type-C端口940的功率适配器(例如，壁式充电器)到电池950。IC控制器900接通电源开关909，关断电源开关903，并使电池充电器970对电池950充电。然后，在电池充电器970设定的电压和电流下，电力在VBUS线901上从USB Type-C端口940流向电池950。在各种实施例中，以这种方式，IC控制器900可以交替其操作角色来实现USB-PD DRP应用。

本文所述的技术允许将VBUS线电压放电至多个可编程电压电平中的任何一个，同时保护不受高电流和带电供电放电的影响，但不需要任何外部部件，诸如限流高瓦数电阻器。此外，在各种实施例中，本文描述的技术提供电路以减少管芯上放电电流，从而限制地弹、管芯上电压降和焦耳加热的风险。

本文所述的用于VBUS电压放电的技术的各个实施例可以包括各种操作。这些操作可以由硬件部件、数码硬件和/或固件、和/或其组合执行和/或控制。在本文使用时，术语“耦合于”可意味着直接连接或通过一个或多个中间部件间接连接。通过各种管芯上总线提供的任何信号可以与其它信号时间复用并通过一个或更多个公共管芯上总线来提供。另外，在电路部件或块之间的互连可被示为总线或单信号线。总线中的每一个可以可选地是一个或更多个单信号线，并且单信号线中的每一个可以可选地是总线。

某些实施例可被实施为可包括储存在非暂态计算机可读介质(例如，诸如易失性存储器和/或非易失性存储器)上的指令的计算机程序产品。这些指令可用于对包括一个或更多个通用或专用处理器(例如，诸如CPU)或其等效形式(例如，诸如处理核心、处理引擎、微控制器等)的一个或更多个设备编程，使得当由处理器或其等效形式执行时，指令使设备执行用于本文所述的VBUS电压放电的所述操作。计算机可读介质还可包括用于以机器(例如，诸如设备或计算机)可读的形式(例如，软件、进行处理的应用程序等)储存或传输信息的一个或更多个机构。非暂态计算机可读存储介质可包括但不限于电磁储存介质(例如，软盘、硬盘等等)、光学储存介质(例如，CD-ROM)、磁光储存介质、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程存储器(例如，EPROM和EEPROM)、闪存或适合储存信息的另一现在已知或以后开发的非暂态类型的介质。

虽然以特定的顺序示出和描述了本文的电路和块的操作，但是在一些实施例中，每个电路/块的操作的顺序可改变，使得某些操作可以按相反的顺序执行，或使得某个操作可与其它操作至少部分地同时和/或并行地执行。在其他实施例中，指令或不同操作的子操作可以以间歇和/或交替的方式执行。

在前述说明书中，本发明已参考其特定示例实施例进行描述。然而明显的是，在不偏离如在所附权利要求中阐述的本发明的更宽的精神和范围的情况下，可对其做出各种修改和改变。说明书和附图相应地是从说明性意义上而非从限制性意义上来考虑的。

Claims (20)

1.一种用于控制通用串行总线(USB)电压(VBUS)线上的电力传输的集成电路(IC)，所述IC包括：

USB电力输送(USB-PD)子系统，其中，所述USB-PD子系统包括：

第一放电电路，所述第一放电电路被配置为耦合到所述VBUS线上的电源节点；

第二放电电路，所述第二放电电路被配置为耦合到所述VBUS线上的输出节点；以及

放电控制逻辑，所述放电控制逻辑耦合到所述第一放电电路和所述第二放电电路，所述放电控制逻辑被配置为独立地控制所述第一放电电路和所述第二放电电路，以使所述VBUS线上的电压放电。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述电源节点设置在所述VBUS线上的电源开关的一侧，并且所述输出节点设置在所述VBUS线上的所述电源开关的另一侧。

3.根据权利要求1所述的集成电路，还包括：

第一输入引脚，所述第一输入引脚耦合到所述第一放电电路；

第二输入引脚，所述第二输入引脚耦合到所述第二放电电路；以及

一个或更多个接地输出引脚，所述接地输出引脚耦合到所述第一放电电路和所述第二放电电路。

4.根据权利要求1所述的集成电路，还包括固件指令，所述固件指令用于控制由所述放电控制逻辑应用于所述第一放电电路和所述第二放电电路中的至少一个的驱动强度调度。

5.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述USB-PD子系统还包括耦合到所述放电控制逻辑的电压阈值检测器，所述电压阈值检测器被配置为监控所述电源节点处和所述输出节点处的所述VBUS线上的电压。

6.根据权利要求5所述的集成电路，其中，所述电压阈值检测器被配置为相对于多个电压电平来监控所述VBUS线上的电压。

7.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述USB-PD子系统还包括耦合到所述放电控制逻辑的保护逻辑，所述保护逻辑被配置为监控所述VBUS线上的电压的放电速率。

8.根据权利要求7所述的集成电路，其中，所述保护逻辑被配置为免受所述VBUS线上的带电供电电压的放电影响。

9.根据权利要求7所述的集成电路，其中，所述放电控制逻辑被配置为生成施加到所述第一放电电路和所述第二放电电路的多位控制信号。

10.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述第一放电电路和所述第二放电电路中的每一个包括一个或更多个漏极扩展场效应晶体管(DEFET)。

11.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述放电控制逻辑被配置为控制所述第一放电电路以第一放电速率使所述VBUS线上的电压放电，并控制所述第二放电电路以第二放电速率使所述VBUS线上的电压放电。

12.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述放电控制逻辑被配置为以非零电压电平停止使所述VBUS线上的电压放电。

13.根据权利要求1所述的集成电路，其中，所述USB-PD子系统还包括：

电压阈值检测器，所述电压阈值检测器被配置为监控所述VBUS线上的电压；

电流感测检测器，所述电流感测检测器被配置为监控在USB接地线上返回的电流；和

故障检测器，所述故障检测器耦合到所述电流感测检测器和所述电压阈值检测器，所述故障检测器被配置为检测所述VBUS线上的一个或更多个故障事件。

14.一种装置，包括：

通用串行总线(USB)Type-C连接器，所述USB Type-C连接器包括电压(VBUS)线；和

集成电路(IC)，所述IC被耦合以控制所述VBUS线上的电力传输，所述IC包括：

第一放电电路，所述第一放电电路被耦合到所述VBUS线上的电源节点；

第二放电电路，所述第二放电电路被耦合到所述VBUS线上的输出节点；以及

放电控制逻辑，所述放电控制逻辑耦合到所述第一放电电路和所述第二放电电路，所述放电控制逻辑被配置为独立地控制所述第一放电电路和所述第二放电电路，以使所述VBUS线上的电压放电。

15.根据权利要求14所述的装置，还包括耦合在所述VBUS线上的电源开关，其中所述电源节点设置在所述电源开关的一侧，而所述输出节点设置在所述电源开关的另一侧。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述IC包括：

第一输入引脚，所述第一输入引脚将所述第一放电电路耦合到所述电源节点；

第二输入引脚，所述第二输入引脚将所述第二放电电路耦合到所述输出节点；以及

一个或更多个接地输出引脚，所述接地输出引脚将所述第一放电电路和所述第二放电电路耦合到本地接地。

17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述IC被配置为根据USB电力输送(USB-PD)规范来控制通过所述VBUS线的电力传输。

18.根据权利要求14所述的装置，其中，所述IC被配置为控制所述VBUS线上的电压的放电速率。

19.根据权利要求14所述的装置，其中，所述IC被配置为相对于多个电压电平来监控所述VBUS线上的电压。

20.根据权利要求14所述的装置，其中，所述装置是个人计算机(PC)电源适配器、移动电话充电器、壁式插座、车载充电器或移动电源之一。

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