CN1780085A

CN1780085A - 动态usb电源的系统和方法

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Publication number: CN1780085A
Application number: CN200510118830.5A
Authority: CN
Inventors: A·潘迪特; R·波尔; D·拜尔恩
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: US7310697B2; US20060095641A1; CN1780085B

Abstract

动态VBUS电源(100)提供一种为USB设备动态供电的系统和方法。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电源的系统和方法

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设备动态供电的系统和方法。

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设备动态供电的系统和方法。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电源的说明性系统。

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系统的框图。

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的说明性系统。动态VBUS电源100包含电源插座连接器110，以便动态VBUS电源100能够从耦合到配电系统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系统中所用的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系统中所用的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赫兹系统上工作，则壁式适配器202将从配电系统提供的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插入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系统或装置。例如，可将壁式适配器202修改为耦合到使用不同电压和/或频率供电的配电系统。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配置为直接从配电系统接收功率，其自身将接收到的AC配电系统电压转换成适当的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系统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系统404，该系统配置为在其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系统306的框图。处理器系统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，并由处理器系统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系统、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、红外线或半导体系统、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系统和方法的示例。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

1.一种为通用串行总线(USB)设备(100)供电的系统，所述系统包括：

功率单元(302)；

第一开关(206)，耦合到所述功率单元(302)和第一USB设备(226)之间；

第二开关(208)，耦合到第二USB设备(214)和第一USB设备(226)之间；以及

开关控制单元(304)，配置为：当第一USB设备(226)是配置为经由USB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USB设备(226)供电。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述开关控制单元(304)还配置为：当第一USB设备(226)是配置为经由所述USB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USB设备(226)向第二USB设备(214)供电。

3.如权利要求1所述的系统，还包括USB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USB设备(226)和第二USB设备(214)，并且其中所述开关控制单元(304)还配置为检测USB ID连接器(232，234)上的信号，以判定第一USB设备(226)是主设备。

4.如权利要求1所述的系统，还包括：

USB标识符(ID)连接器(232，234)，耦合到所述开关控制单元(304)、第一USB设备(226)和第二USB设备(214)；

“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USB ID连接器(234)的输入，以便所述USB ID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USB设备(226)和第二USB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)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。

5.如权利要求4所述的系统，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。

6.如权利要求4所述的系统，其中第二开关(208)耦合到所述USB ID连接器(234)，从而，当所述USB ID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USB ID连接器(234)上出现逻辑低信号时，第二开关(208)打开。

7.一种用于为通用串行总线(USB)设备供电的方法，所述方法包括：

判定所述USB设备何时是主设备或从设备；

当所述USB设备是从设备时，利用功率单元(302)通过USB连接器向所述USB设备供电；以及

当所述USB设备是主设备时，利用所述USB设备通过USB连接器向第二USB设备供电。

8.如权利要求7所述的方法，还包括：

当所述USB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)向所述USB设备供电；以及

当所述USB设备是从设备时，打开第二开关(208)，以便第二USB设备与所述USB设备隔离。

9.如权利要求7所述的方法，还包括：

当所述USB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)与所述USB连接器隔离；以及

当所述USB设备是主设备时，闭合第二开关(208)，以便由所述USB设备为第二USB设备供电。

10.一种用于向通用串行总线(USB)设备供电的系统，所述系统包括：

用于判定所述USB设备何时是主设备或从设备的装置；

用于接收来自配电系统的交流(AC)功率并将接收的AC功率转换成适于USB连接器的直流(DC)功率的装置；

用于当所述USB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USB连接器向所述USB设备供电的装置；

用于当所述USB设备是主设备时使用所述USB设备通过所述USB连接器向第二USB设备供电的装置。