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TWI461891B - 電源管理電路及其方法 - Google Patents

電源管理電路及其方法 Download PDF

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TWI461891B
TWI461891B TW101138661A TW101138661A TWI461891B TW I461891 B TWI461891 B TW I461891B TW 101138661 A TW101138661 A TW 101138661A TW 101138661 A TW101138661 A TW 101138661A TW I461891 B TWI461891 B TW I461891B
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power supply
electronic device
portable electronic
power
usb
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TW101138661A
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TW201416834A (zh
Inventor
Ying Tzu Chou
Chun Ta Lee
Chih Chain Kung
Chia Zen Sheu
Tsang Ping Liu
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Wistron Corp
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Priority to CN201210436943.XA priority patent/CN103777730B/zh
Priority to US13/844,896 priority patent/US9465393B2/en
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Description

電源管理電路及其方法
本發明是有關於一種電源管理電路及其方法，且特別是有關於一種用於具USB充電埠之可攜式電子裝置的電源管理電路及其方法。
隨著科技的發展，近年來可攜式電子裝置，例如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、數位相機、攝影機或MP3播放器等已廣泛地使用於日常生活中。通常可攜式電子裝置為方便使用者攜帶，均會配備充電電池，以供應電子裝置運作所需電力。然因可攜式電子裝置須處理的功能越來越多，例如藍芽、無線區域網路(Wi-Fi)、3G等，故於運作時會增加可攜式電子裝置的充電電池的功率消耗，從而快速充電對可攜式電子裝置的使用者來說，一直是非常希望達成的目標。
目前產業上普遍推廣利用通用序列匯流排(USB)介面來對可攜式電子裝置進行供電或是對可攜式電子裝置的充電電池充電，從而讓USB對充電電池充電已慢慢演變成業界的標準。習知傳統USB介面的供電電壓為5V，而最大可用電流是限制在500豪安培(mA)。而為了因應市場對USB快速充電的需求，通用序列匯流排應用者論壇(USB-IF)已制定一套新的USB充電規範，即USB-IF電池充電規範1.1(BC1.1)，並已定義出針對每種類型的充電器的可用電流限額(Available Current Allowance)。
在BC1.1的定義下，USB埠配置會分為三種類型以供 不同類型產品使用，如標準下行埠(Standard Downstream Port，簡稱SDP)、充電下行埠(Charging Downstream Port，簡稱CDP)及專用充電埠(Dedicated Charging Port，簡稱DCP)。每種類型的USB埠可支援不同的充電電流和複雜的USB充電器檢測協定。所述標準下行埠即為現行的USB埠，僅能提供以最大電流500豪安培來對充電電池充電。充電下行埠與專用充電埠可進一步的提供最大可用電流到1500豪安培，甚至增加到2000豪安培，藉以符合各類可攜式電子裝置所配備的電池大小與功率消耗需求與規格，並可縮短所需充電時間。
然而，USB埠是在新訂的電池充電規範下分為標準下行埠、充電下行埠與專用充電埠，且對應可攜式電子裝置的功率需求與充電電池容量規格，需使用符合充電規格的USB充電埠。目前的大部份的可攜式電子裝置並不具有辨識USB埠以及對應USB埠的類型的操作應對機制。因此當使用者使用不符合規格的充電埠來對可攜式電子裝置進行供電或對充電電池充電時，除了可攜式電子裝置充電效率會降低之外，當可攜式電子裝置使用不符合規格的充電埠電提供之電力開機時，系統通常會因系統負載的功率消耗超出充電埠可提供之供電功率，而面臨開機又突然關機的情況，從而會造成系統不穩定，甚至損壞。舉例來說，當可攜式電子裝置需要的開機7.5瓦特，而所插入的USB埠為標準下行埠，即所能供應的電源功率僅有2.5瓦特，其並無法提供可攜式電子裝置所需開機的功率，據此即會發生上述開機又關機的問題導致可攜式電子裝置無法正常運作。
有鑑於此，本發明提供一種電源管理電路及其方法，所述電源管理電路及其方法可藉由主動偵測可攜式電子裝置的USB充電埠所連接的USB供電埠之類型以及USB供電埠所提供的供電電壓來判定是否進行可攜式電子裝置的開機程序以及調整開機時系統消耗功率，藉以避免可攜式電子裝置因所插入的USB埠不符合系統負載電力需求規格或是內建電池電力不足而發生瞬間開、關機導致系統損壞之情況，以提高可攜式電子裝置的方便性與穩定性。
本發明實施例提供一種電源管理電路，適用於可攜式電子裝置。所述可攜式電子裝置具有USB充電埠，並可攜式電子裝置可經由USB充電埠連接至USB供電埠以接收供電電壓。所述電源管理電路包括USB偵測單元、電壓偵測單元及控制單元。USB偵測單元耦接於USB充電埠並用以判斷USB充電埠所連接的USB供電埠的類型是屬於標準下行埠(Standard Downstream Port，簡稱SDP)或是專用充電埠(Dedicated Charging Port，簡稱DCP)。電壓偵測單元耦接於USB充電埠。電壓偵測單元係用以偵測供電電壓。控制單元耦接於USB偵測單元與電壓偵測單元。控制單元可根據USB供電埠的類型與供電電壓調整可攜式電子裝置的系統消耗功率。當可攜式電子裝置進行開機程序時，若USB供電埠為該用充電埠且供電電壓小於一門檻值，控制單元即時降低可攜式電子裝置的系統消耗功率，使供電電壓維持在門檻值之上以使可攜式電子裝置正常開機。
本發明提供一種電源管理方法，適用於具有USB充電埠之可攜式電子裝置。所述可攜式電子裝置可經由USB充 電埠連接至USB供電埠以接收供電電壓。所述電源管理方法包括下列步驟。首先，判斷USB供電埠的類型為標準下行埠或專用充電埠。其次，偵測供電電壓。隨後，根據USB供電埠的類型與供電電壓調整可攜式電子裝置的一系統消耗功率。當可攜式電子裝置進行開機程序時，若USB供電埠為專用充電埠且供電電壓小於一門檻值，降低可攜式電子裝置的系統消耗功率，使該供電電壓維持在門檻值之上以使可攜式電子裝置可正常開機。
綜上所述，本發明實施例提供之電源管理電路及其方法，可於可攜式電子裝置進行開機程序前，利用主動偵測可攜式電子裝置的USB充電埠所連接的USB供電埠之類型以及USB供電埠所提供的供電電壓來判斷是否進行可攜式電子裝置的開機程序以及調整開機時系統消耗功率，藉以有效避免可攜式電子裝置因所插入的USB埠的供應電力不足無法驅動系統負載或者是內建電池電力不足而發生瞬間開、關機導致系統損壞之問題，提高可攜式電子裝置的穩定性。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。
(第一實施例)
請參照圖1，圖1為根據本發明第一實施例之可攜式電子裝置的功能方塊圖。所述可攜式電子裝置10可例如為智 慧型手機、平板電腦(Tablet)、個人數位助理(PDA)、筆記型電腦、數位相機、MP3播放器等具有一USB充電埠之可攜式電子裝置，但本實施例並不限制。
可攜式電子裝置10包括USB充電埠11、電源管理電路13以及系統負載15。USB充電埠11耦接電源管理電路13，而電源管理電路13耦接系統負載15。簡單來說，可攜式電子裝置10可經由內建的USB充電埠11連接至USB供電埠(未繪示)以接收供電電壓Vin。電源管理電路13隨後可根據所偵測到連接USB充電埠11之USB供電埠(未繪示)的類型以及所接收供電電壓Vin，判斷USB供電埠的供電功率，並對應驅動控制系統負載15的運作。
於本實施例中，系統負載15可例如為可攜式電子裝置10內所有功耗元件，包括中央處理器(未繪示)、系統操作模組(未繪示)、顯示器(未繪示)以及周邊裝置(未繪示)等在內的等效電阻。附帶一提的是，系統負載15的實際架構與實施方式會因可攜式電子裝置10的種類與實體架構而改變，且系統負載15的架構並非為本發明所著重之部分，故在此不再贅述。而USB充電埠11可例如是由通用序列匯流排或微通用序列匯流排(Micro USB)等介面來實現。
於本實施例中，電源管理電路13另包括USB偵測單元131、電壓偵測單元133以及控制單元135。USB偵測單元131與電壓偵測單元133分別耦接於USB充電埠11。控制單元135耦接於USB偵測單元131與電壓偵測單元133。控制單元135另耦接至系統負載15。
詳細地說，USB偵測單元131用以判斷USB充電埠11所連接的USB供電埠的類型是屬於標準下行埠(Standard Downstream Port，簡稱SDP)或是專用充電埠(Dedicated Charging Port，簡稱DCP)，並將判斷結果傳送至控制單元135。舉例來說，當USB偵測單元131偵測USB供電埠的類型是屬於標準下行埠時，輸出具高電壓位準之訊號至控制單元135；反之，當USB偵測單元131偵測USB供電埠的類型是屬於專用充電埠時，輸出具低電壓位準之訊號至控制單元135。
值得一提的是，於此實施例中，所述標準下行埠可提供5伏特(V)之電壓，並最大可用電流為500豪安培(mA)。所述專用充電埠為一般專用充電器，且可依據USB供電埠的規格，提供5伏特或12伏特之電壓，並最大可用電流可為1000豪安培、1500豪安培或2000豪安培。
值得一提的是，USB偵測單元131判斷USB供電埠的類型的方式可以是依據USB供電埠中資料線的佈設方式。具體地說，習知一般USB埠具有四個引腳，該些引腳分別為電源線VBUS、資料線D+/D-以及接地線GND。而專用充電埠與一般標準下行埠的差異在於，專用充電埠的資料線D+與資料線D-會串接一個相連而短路在一起電阻。而標準下行埠的資料線D+/D-則是差動信號線，兩者並不會短路。USB偵測單元131可利用上述特點，經由資料線D+與資料線D-上的電壓變化來辨識USB供電埠的類型。
舉例來說，USB偵測單元131可以輸出電壓至資料線D+，然後偵測資料線D-的電壓，若兩者相近，即表示USB供電埠的類型為專用充電埠。若資料線D-與資料線D+為開路，表示USB供電埠的類型為標準下行埠。
據此本發明技術領域具有通常知識者，應可由上述說 明，推知USB偵測單元131判斷USB供電埠類型的具體方式以及USB偵測單元131的實施方式，故在此不再贅述。
電壓偵測單元133是用以偵測USB充電埠11所接收USB供電埠提供的供電電壓Vin位準。具體地說，當USB供電埠可提供足夠的功率驅動可攜式電子裝置10內系統負載15時，USB充電埠11所接收供電電壓Vin位準可維持於預設的一門檻值(threshold)之上，例如4.5伏特(V)以上。反之，當USB供電埠無法提供足夠的功率驅動可攜式電子裝置10的系統負載15時，USB充電埠11所接收供電電壓Vin位準即會因系統負載15的功率消耗而下降，且低於所述預設的門檻值。所述門檻值可以是依據可攜式電子裝置10內系統負載15的工作電壓與USB供電埠的電力規格來設置，例如為4.5伏特，但本實施例並不以此為限。
於一具體實施方式中，電壓偵測單元133可例如是由一比較器(未繪示)來實現。進一步地說，比較器的第一輸入端(例如正輸入端)耦接參考電壓V_REF，例如USB供電埠的5伏特的90%，即4.5伏特，而比較器的第二輸入端(例如負輸入端)耦接USB充電埠11，以接收USB供電埠提供之供電電壓Vin。比較器的輸出端則耦接控制單元135，以將電壓比較結果傳送至控制單元135。
舉例來說，當電壓偵測單元133偵測USB供電電壓Vin大於參考電壓V_REF時，輸出具高電壓位準之訊號至控制單元135；反之，當電壓偵測單元133偵測供電電壓Vin小於參考電壓V_REF時，輸出具低電壓位準之訊號至控制單元135。所述比較器可例如由運算放大器(operational amplifier)來實現，但本發明並不限制比較器的類型。值得 注意的是，參考電壓V_REF係對應所述門檻值，並可以是利用分壓電路來實現。
控制單元135可主動根據USB供電埠的類型與供電電壓Vin調整該可攜式電子裝置10的整體系統消耗功率，即調整系統負載15的功率消耗，例如調整顯示器的螢幕亮度與中央處理器的運作頻率，以使可攜式電子裝置10可於選定的工作模式下正常開機。
簡單來說，當可攜式電子裝置10的充電電池的電壓小於一預設值，並欲進行開機程序時，若插入的USB供電埠被USB偵測單元131判定為專用充電埠，且供電電壓Vin因系統負載15的功率消耗而小於預設的門檻值，(例如4.5伏特)時，控制單元135可透過調整系統負載15的功率消耗，以降低可攜式電子裝置10的系統消耗功率，使供電電壓Vin維持在門檻值之上以使可攜式電子裝置10正常開機。同時，控制單元135還可利用USB供電埠提供的電力對內建的充電電池(未繪示圖1)進行充電。
此外，當可攜式電子裝置10進行開機程序時，若插入的USB供電埠被USB偵測單元131判定為標準下行埠且可攜式電子裝置10的充電電池電壓小於預設值時，則控制單元135可即時禁止可攜式電子裝置10開機，並利用USB供電埠提供的電力對可攜式電子裝置10的充電電池進行充電。附帶一提的是，上述預設值可以是依據可攜式電子裝置10內的充電電池的規格來設置，例如可為充電電池供應電壓的下限，但本實施例並不限制。
據此，電源管理電路13可於可攜式電子裝置10的充電電壓小於預設值時，透過主動偵測可攜式電子裝置10的 USB供電埠之電源供應狀態，對應調整可攜式電子裝置10的電力消耗，使可攜式電子裝置10可正常開機，藉以避免可攜式電子裝置10發生瞬間開、關機導致系統損壞之問題，進而可提高可攜式電子裝置10的實用性與穩定性。
當電源管理電路13的USB偵測單元131判斷USB供電埠的類型為專用充電埠時，控制單元135進一步可根據供電電壓Vin的電壓變化，以決定目前所插入之USB供電埠的供電功率，亦即判斷USB供電埠的電流規格為1000豪安培、1500豪安培或是2000豪安培，以對應調整可攜式電子裝置10的系統消耗功率，例如以比例方式調整可攜式電子裝置10的中央處理器運作頻率與顯示器的螢幕亮度，產生多種省電模式，並驅動可攜式電子裝置10切換於該些省電模式，降低系統消耗功率。所述多種省電模式可以是對應於USB供電埠的電流規格，亦即供電功率，使可攜式電子裝置10可在選定的省電模式正常開機。
以下針對控制單元135切換於多種省電模式方式做說明。
於此實施例中，可攜式電子裝置10的控制單元135可依據電力供應狀態驅動系統負載15使可攜式電子裝置10切換於正常工作模式、第一省電模式以及第二省電模式。舉例來說，所述正常工作模式可以是對應於5伏特電壓與2000豪安培電流的專用充電埠，其供電功率極為10瓦特(W)或是對應於12伏特電壓與1500豪安培電流的專用充電埠，其供電功率極為18瓦特。所述第一省電模式可以是對應於5伏特電壓與1500豪安培電流的專用充電埠，其供電功率極為7.5瓦特。而所述第二省電模式可以是對應於5伏 特電壓與1000豪安培電流的專用充電埠，其供電功率極為5瓦特。值得注意的是，於實務上，可攜式電子裝置10的省電模式可依據實際需求來設置，本實施並不以此為限。
於一實施方式中，在第一省電模式下，控制單元135可如前述將中央處理器運作頻率調整至第一省電頻率(例如將運作頻率降低10%)，同時將顯示器的螢幕亮度調整至第一省電亮度(例如將亮度調暗10%)，再進行開機程序。而在第二省電模式下，控制單元135可如前述將中央處理器運作頻率調整至第二省電頻率(例如降低20%)，並將顯示器的螢幕亮度調整至第二省電亮度(例如將亮度調暗20%)，再進行開機程序。
接著，請參照圖2，圖2是根據本發明第一實施例之可攜式電子裝置的電路運作波形示意圖。曲線C10繪示可攜式電子裝置10所接收的供電電壓。
如圖2所示，若可攜式電子裝置10的充電電池電壓小於預設值，且可攜式電子裝置10的USB偵測單元131判斷USB供電埠的類型為專用充電埠時(如時間點T1之前)，控制單元135可先驅動可攜式電子裝置10操作於正常工作模式，然若USB供電埠的供電功率無法驅動系統負載15時，供電電壓Vin即會開始下降，例如由5伏特開始下降。當電壓偵測單元133偵測到供電電壓Vin低於所述門檻值(例如4.5伏特)時(如時間點T1)，控制單元135即會調整系統負載15的功率消耗，使切換可攜式電子裝置10至第一省電模式(即時間點T2)。此時，因可攜式電子裝置10的系統消耗功率下降，而使得供電電壓Vin回升在門檻值(例如4.5伏特)之上(如時間點T3)。
當供電電壓Vin在門檻值上且超過一段預設時間tc，例如20毫秒(ms)~60毫秒，控制單元135可試著切換回正常工作模式(如時間點T4)，藉以判斷先前供電電壓Vin的下降是否是因為開機一瞬間時的瞬間功率消耗。倘若供電電壓Vin隨即開始下降(如時間點T4~T5之間)低於門檻值(例如4.5伏特)時，則表示USB供電埠的供電功率僅能支持可攜式電子裝置10操作於第一省電模式。
控制單元135即會於調整系統負載15，使可攜式電子裝置10以第一省電模式正常開機。控制單元135可判定USB供電埠的電流規格為1500豪安培，其供電功率為7.5瓦。此外，控制單元135可重複切換於正常工作模式與第一省電模式之間多次(如時間點T5~T7之間)，以反覆確認USB供電埠的供電功率。
換言之，控制單元135可以重複切換可攜式電子裝置10的工作模式，以測試USB充電埠11所提供的電力是否足夠。舉例來說，當控制單元135連續三次將可攜式電子裝置10的工作模式切換至正常工作模式，而供電電壓Vin皆會下降至門檻值(例如4.5伏特)以下時，控制單元135便可以確認USB充電埠11所連接的USB供電埠是屬於1500豪安培。當控制單元135將可攜式電子裝置10的工作模式切換至第一省電模式，而供電電壓Vin連續三次下降至門檻值以下時，控制單元135便可以確認USB充電埠11所連接的供電埠是屬於1000豪安培。以此類推，控制單元135可以利用上述方法判斷供電埠是屬於何種類型(1000豪安培、1500豪安培和2000豪安培)的專用供電埠。
同樣地，若可攜式電子裝置10操作於第一省電模式下 ，而供電電壓Vin仍然持續下降，則控制單元135會切換至第二省電模式，判定USB供電埠的電流規格為1000豪安培，其供電功率為5瓦特。控制單元135並主動對應地調整系統負載15的功率消耗，使可攜式電子裝置10可在第二省電模式下正常開機。換言之，當電壓偵測單元133偵測到供電電壓Vin低於所述門檻值(例如4.5伏特)時，控制單元135可隨即調整系統負載15的功率消耗，並依序切換至該些預設之省電模式之一(亦即第一省電模式與第二省電模式)，直到供電電壓Vin回升至門檻值上且超過一段預設時間。然後，控制單元135停止切換該些省電模式，使可攜式電子裝置10操作在目前所選定的工作模式下進行開機。
請參照圖3，圖3是根據本發明第一實施例之可攜式電子裝置的另一電路運作波形示意圖。曲線C20繪示可攜式電子裝置10所接收的供電電壓Vin。如曲線C20所示，當控制單元13驅動可攜式電子狀裝置10依序切換至該些預設之省電模式，亦即由正常工作模式切換至第一省電模式，或是由第一省電模式切換至第二省電模式，若供電電壓Vin持續在門檻值上且超過一段預設時間tc，控制單元135停止切換該些省電模式，使可攜式電子裝置10在目前所選定的該些省電模式之一下開機，並同時對可攜式電子裝置10的充電電池充電。
此外，當可攜式電子裝置10的USB偵測單元131判斷USB供電埠的類型為標準下行埠，且可攜式電子裝置10的充電電池電壓大於所設預設值時，可攜式電子裝置10內系統負載15即會操作於充電電池提供之電力，而使可攜式 電子裝置10正常開機並操作於正常工作模式。
值得一提的是，控制單元135可以是由微控制器(microcontroller)或嵌入式控制器(embedded controller)等處理晶片，並透過韌體程式設計方式實現上述USB供電埠種類與規格判斷方式以及對應系統負載15調整方式，但本實施例並不限制。於一實施方式中，控制單元135可利用微控制器或嵌入式控制器的通用輸入接腳(General Purpose Input，GPI)，來接收USB偵測單元131與電壓偵測單元133的偵測訊號，並利用微控制器或嵌入式控制器的通用輸出接腳(General Purpose Output，GPO)來控制設定可攜式電子裝置10的工作模式，並對應調整系統負載15的功率消耗。
要說明的是，圖1僅為本發明實施例提供可攜式電子裝置的系統功能方塊示意圖，並非用以限定本發明。同樣地，本發明亦不限定、USB充電埠11、USB偵測單元131、電壓偵測單元133以及控制單元135的種類、實體架構、實施方式及/或連接方式。同樣地，圖1僅用以本發明實施例提供電源管理電路的運作方式示意圖，並非用以限定本發明。
(第二實施例)
接著，請參照圖4，圖4為根據本發明第二實施例之可攜式電子裝置的功能方塊圖。於本實施例中，所述可攜式電子裝置20可例如為智慧型手機、平板電腦(Tablet)、個人數位助理(PDA)、筆記型電腦、數位相機、MP3播放器等具有一USB充電埠之可攜式電子裝置，但本實施例並不限制 。
可攜式電子裝置20包括USB充電埠21、電源管理電路23以及系統負載25。可攜式電子裝置20可經由內建USB充電埠21連接至USB供電埠(未繪示)以接收供電電壓Vin。電源管理電路23可根據USB供電埠的種類與規格對應驅動控制系統負載25的運作。所述系統負載25可例如為可攜式電子裝置20內所有功耗元件，包括中央處理器(未繪示)、系統操作模組(未繪示)、顯示器(未繪示)以及周邊裝置(未繪示)等在內的等效電阻。
圖4與圖1的差異處在於電源管理電路23的電路架構。於本實施例中，電源管理電路23另包括多工單元231、充電單元233、充電電池235、電池偵測單元237。電源管理電路23的其餘電路架構類似於前述實施例電源管理電路13之電路架構，故在此不再贅述。多工單元231分別耦接USB充電埠21、充電單元233、電壓偵測單元133、控制單元135及系統負載23。充電單元233耦接充電電池235，充電電池235耦接電池偵測單元237與系統負載25。電池偵測單元237耦接控制單元135。
多工單元231可將供電電壓Vin選擇性地提供給充電單元233、電壓偵測單元133及系統負載25。充電單元233可利用USB充電埠21接收的供電電壓Vin依據USB供電埠的供電功率與電池溫度來對充電電池235充電。充電電池235用以於提供驅動可攜式電子裝置20的系統負載25所需電力。電池偵測單元237用以偵測充電電池235的電力。
附帶一提的是，充電電池235可以為單一充電電池， 例如鋰離子電池(Lithium-Ion)、鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-MH)或是由多個充電電池組成的充電電池組(rechargeable battery pack)，是依據可攜式電子裝置20的種類而定，本實施例並不限制。
簡單來說，控制單元135可透過電池偵測單元237偵測充電電池235的電壓，以根據充電電池235的狀態與USB充電埠21接收的供電電壓Vin變化，調整系統負載25的功率消耗，使可攜式電子裝置20在選定的工作模式下，得以正常開機。同時，控制單元135另可驅動多工單元231將USB充電埠21的供電電壓Vin提供給充電單元233，以對充電電池235充電。
更詳細地說，當控制單元135透過電池偵測單元237偵測充電電池235的電壓大於一預設值(例如為充電電池正常電壓的10%)時，可攜式電子裝置20可使用充電電池235提供之電力並以正常工作模式開機。
若控制單元135透過電池偵測單元237偵測充電電池235的電壓低於預設值時，且判定USB供電埠的種類為標準下行埠時，控制單元135停止系統負載25運作，以禁止可攜式電子裝置20開機。同一時間，控制單元135可驅動多工單元231將USB充電埠21的供電電壓Vin提供給充電單元233，以對充電電池235進行充電。從而可於充電電池235的電壓經充電後大於預設值，使可攜式電子裝置20使用充電電池235的電力正常開機。
接著，控制單元135透過電池偵測單元237偵測充電電池235的電壓低於預設值時，並判定USB供電埠的種類為專用充電埠時，控制單元135隨即驅動多工單元231將 USB充電埠21的供電電壓Vin供給系統負載25。此外，控制單元135並透過前述實施例所述USB供電埠的供電功率判斷方式，決定可攜式電子裝置20的工作模式，使可攜式電子裝置20正常開機。此外，控制單元135可USB充電埠21的供電功率足夠驅動系統負載25的情況下，驅動多工單元231將USB充電埠21的供電電壓Vin提供給充電單元233，以對充電電池235進行充電。
值得一提的是，於一實施方式中，控制單元135可利用微控制器或嵌入式控制器的通用輸入接腳(General Purpose Input，GPI)，來接收USB偵測單元131、電壓偵測單元133以及電池偵測單元237的偵測訊號，並利用微控制器或嵌入式控制器的通用輸出接腳(General Purpose Output，GPO)來控制設定可攜式電子裝置20的工作模式，並對應調整系統負載25的功率消耗。
電源管理電路23的其他電路架構類似於圖1之電源管理電路13，且本發明技術領域具有通常知識者應可上述說明推知過電源管理電路23的運作方式，故在此不再贅述。要要說明的是，圖4僅為本發明實施例提供可攜式電子裝置的系統功能方塊示意圖，並非用以限定本發明。同樣地，本發明亦不限定USB充電埠21、USB偵測單元131、電壓偵測單元133、控制單元135、多工單元231、充電單元233、充電電池235、電池偵測單元237的種類、實體架構、實施方式及/或連接方式。
(第三實施例)
電源管理電路33可以整合電源轉換單元以符合不同的電壓輸入，請參照圖5，圖5為根據本發明第三實施例之可 攜式電子裝置的功能方塊圖。於本實施例中，所述可攜式電子裝置30可例如為智慧型手機、平板電腦(Tablet)、個人數位助理(PDA)、筆記型電腦、數位相機、MP3播放器等具有一USB充電埠之可攜式電子裝置，但本實施例並不限制。
可攜式電子裝置30包括USB充電埠31、電源管理電路33以及系統負載35。可攜式電子裝置30可經由內建USB充電埠31連接至USB供電埠(未繪示)以接收供電電壓Vin。電源管理電路33可根據USB供電埠的種類與規格對應驅動控制系統負載35的運作。所述系統負載35可例如為可攜式電子裝置30內所有功耗元件，包括中央處理器(未繪示)、系統操作模組(未繪示)、顯示器(未繪示)以及周邊裝置(未繪示)等在內的等效電阻。
圖5與圖1的差異處在於電源管理電路33的電路架構。於本實施例中，電源管理電路33另包括一電源轉換單元331。所述電源轉換單元331耦接於USB充電埠31與電壓偵測單元133及系統負載35之間。電源轉換單元331可用以將經由USB充電埠31接收USB供電埠的供電電壓Vin降壓至可攜式電子裝置30的工作電壓，例如為5伏特，以供應給系統負載35。電源轉換單元331可以為一般直流/直流轉換電路(DC-to-DC Converter)或是低壓降穩壓器(low dropout regulator)來實現，但本實施例並不限制。
簡單來說，當USB充電埠31接收USB供電埠的供電電壓Vin，其依據USB供電埠的種類與規格可例如為5伏特或12伏特。電源轉換單元331會將USB供電埠的供電電壓Vin，穩定地以可攜式電子裝置30的工作電壓，例如 為5伏特供應系統負載35，以驅動系統負載35的運作。而電壓偵測單元133亦可依據電源轉換單元331的輸出電壓，對USB供電埠的規格進行判斷，以對應調整系統消耗功率，使可攜式電子裝置30能正常開機。
附帶一提的是，前述實施例之多工單元、充電電池、充電單元與電池電壓偵測單元亦可整合於電源轉換電路33內。也就是說，電源轉換單元331的輸出電壓可透過多工單元切換運作，經由充電單元來對充電電池進行充電。
圖5之電源管理電路33的其他電路架構類似於圖1之電源管理電路13，且本發明技術領域具有通常知識者應可上述說明推知過電源管理電路33的運作方式，故在此不再贅述。要說明的是，圖5僅為本發明實施例提供可攜式電子裝置的系統功能方塊示意圖，並非用以限定本發明。同樣地，本發明亦不限定USB充電埠31、電源轉換單元331、系統負載35的種類、實體架構、實施方式及/或連接方式。
(第四實施例)
由上述的實施例，本發明可歸納出一種電源管理方法，適用於具有USB充電埠與電源管理電路之可攜式電子裝置。可攜式電子裝置可經由內建USB充電埠連接至USB供電埠(未繪示)以接收供電電壓，並根據USB供電埠的供電功率對應驅動可攜式電子裝置的開機程序。
所述可攜式電子裝置30可例如為智慧型手機、平板電腦(Tablet)、個人數位助理(PDA)、筆記型電腦、數位相機、MP3播放器等具有一USB充電埠之可攜式電子裝置，但本實施例並不限制。此電源管理方法可以是藉由於內建於可 攜式電子裝置的微控制器(microcontroller)或嵌入式控制器(embedded controller)等處理晶片，透過韌體程式設計方式來實現，但本實施例並不以此為限。
請參照圖6並同時參照圖1，圖6為根據本發明第四實施例之用於可攜式電子裝置的電源管理方法之步驟流程示意圖。
首先，於步驟S100中，驅動USB偵測單元131偵測並判斷USB供電埠的類型。具體地說，驅動USB偵測單元131判斷USB供電埠的類型是否屬於標準下行埠。當USB偵測單元131判定USB供電埠的類型屬於標準下行埠時，執行步驟S110。反之，當USB偵測單元131判定USB供電埠的類型並非標準下行埠，亦即屬於專用充電埠時，執行步驟S140。
值得一提的是，USB供電埠的類型判斷方式可以是依據USB供電埠的資料線配置方式，例如資料線D+/D-之間的電壓差來判斷。舉例來說，USB偵測單元131可以輸出電壓至資料線D+，然後偵測資料線D-的電壓，若兩者相近，即表示USB供電埠的類型為專用充電埠。若資料線D-與資料線D+為開路，表示USB供電埠的類型為標準下行埠。
於步驟S110中，偵測並判斷可攜式電子裝置10的充電電池電壓是否小於一預設值，例如為可攜式電子裝置10的充電電池的的一下限值，如充電電池電力的10%。當可攜式電子裝置10的充電電池電壓小於預設值時，(即當充電電池電力不足)，執行步驟S120。反之，當可攜式電子裝置10的充電電池電壓仍高於預設值時，執行步驟S130。
於步驟S120中，可攜式電子裝置10的控制單元135停止系統負載15的運作以禁止可攜式電子裝置開機。同時，控制單元135並驅動一充電單元(未繪示於圖1)以標準下行埠的供應電流對充電電池進行充電。於步驟S130中，可攜式電子裝置10可使用充電電池的電力，並使可攜式電子裝置10在正常工作模式下正常開機。
於步驟S140中，當判定USB供電埠的類型屬於專用充電埠時，驅動電壓偵測單元133偵測USB充電埠所接收的供電電壓Vin。於步驟S150中，電壓偵測單元133判斷供電電壓Vin是否小於一預設的門檻值(例如為4.5伏特)，以供控制單元135決定USB供電埠的供電功率。當電壓偵測單元133判斷出供電電壓Vin大於預設的門檻值(例如為4.5伏特)，執行步驟S160。反之，當電壓偵測單元133判斷出供電電壓Vin小於預設的門檻值，則執行步驟S170。
於步驟S160中，當電壓偵測單元133判斷出供電電壓Vin大於預設的門檻值，亦即USB供電埠的供電功率可足夠驅動系統負載15的運作時，控制單元135據此判定USB供電埠的規格為5伏特電壓與2000豪安培的電流，其供電功率為10瓦特，並驅動可攜式電子裝置10正常開機。
於步驟S170中，當電壓偵測單元133判斷出供電電壓Vin小於預設的門檻值，亦即USB供電埠的供電功率無法驅動系統負載15的運作時，偵測可攜式電子裝置10的充電電池電壓，以判斷可攜式電子裝置10的充電電池電壓是否低於預設值。若可攜式電子裝置10的充電電池電壓大於預設值，則可執行步驟S160，控制單元135驅動可攜式電子裝置10使用充電電池的電力正常開機。若可攜式電子裝 置10的充電電池電壓低於預設值，則可執行步驟S180。
於步驟S180中，控制單元135可透過調整系統負載15的功率消耗(例如降低中央處理器運作頻率及顯示器的螢幕亮度等)，以降低可攜式電子裝置10的系統消耗功率，，且依序切換至多種省電模式直至充電電池電壓大於該預設值，以使可攜式電子裝置10於選定省電模式正常開機。同時，控制單元135另可將USB供電埠提供的電力經由充電單元對充電電池充電。
接著，根據前述實施例，本實施例另歸納出USB供電埠的供電功率判斷方法與可攜式電子裝置對應的操作機制。請參照圖7同時參照圖1，圖7為根據本發明第四實施例之USB供電埠的供電功率判斷模式以及可攜式電子裝置的工作模式切換方法之步驟流程示意圖。
當控制單元135根據電壓偵測單元133判斷出USB充電埠11所接收USB供電埠的供電電壓Vin低於門檻值時，控制單元135進一步地透過調整可攜式電子裝置10的系統消耗功率，主動驅動可攜式電子裝置10依序切換於預設的多種省電模式，以使供電電壓Vin維持於門檻值(例如4.5伏特)之上，進而可使可攜式電子裝置10可在USB供電埠供應之供電功率下正常開機。所述多種省電模式可以是對應於USB供電埠的供電功率。於此實施例中，控制單元135可依據USB供電埠的供電功率驅動可攜式電子裝置10切換於正常工作模式、第一省電模式及第二省電模式。
值得一提的是，於本實施例中，正常工作模式對應於USB供電埠的供電功率為10瓦特亦即供電電壓Vin為5伏特，且最大可用電流為2000毫安培。第一省電模式對應 於USB供電埠的供電功率為7.5瓦特亦即供電電壓Vin為5伏特，且最大可用電流為1500毫安培。第二省電模式對應於USB供電埠的供電功率為5瓦特亦即供電電壓Vin為5伏特，且最大可用電1000毫安培。需注意得是，上述正常工作模式、第一省電模式及第二省電模式對應USB供電埠供電功率的定義是以BC1.1規範中USB供電埠的規格的一種設定方式，並僅用說明本實施例中省電模式切換運作，但本實施例並不以此為限。
詳細地說，於步驟S201中，控制單元135可透過傳送控制可攜式電子裝置10的顯示器(未繪示)之螢幕亮度調降至預設的第一省電亮度，並調整中央處理器運作頻率至預設的第一省電頻率，以驅動可攜式電子裝置10操作於第一省電模式。所述第一省電亮度可以是正常螢幕亮度的80%，且可以是利用輸出一脈波寬度調整訊號來調整系統負載15中顯示器的光源，但本實施例並不限制。而第一省電頻率可以為依據正常處理頻率的70%，並可透過調整供應中央處理器運的時鐘訊號週期來調整來實現，但本實施例並不限制。據此，以降低可攜式電子裝置10的系統負載15的功率消耗。
接著，於步驟S203中，控制單元135隨即驅動電壓偵測單元133判斷供電電壓Vin是否維持在門檻值之上且超過一預設時間(例如20毫秒(ms)~60毫秒)，以藉此決定USB供電埠的供電功率，以及可攜式電子裝置10開機模式。具體地說，當判斷出所偵測的供電電壓Vin低於門檻值時，執行步驟S207。當判斷出所偵測的供電電壓Vin維持在門檻值之上且超過一預設時間時，執行步驟S205。
於步驟S207中，當供電電壓Vin於可攜式電子裝置10操作在第一省電模式中仍低於門檻值(例如4.5伏特)，控制單元135即可因USB供電埠目前的供電功率無法支持第一省電模式中系統負載15的功率消耗，而將可攜式電子裝置10的螢幕亮度調降至第二省電亮度(例如正常亮度60%)，並調整中央處理器運作頻率至第二省電頻率(例如正常處理頻率的50%)，以驅動可攜式電子裝置10操作於第二省電模式。控制單元135亦可據此判斷USB供電埠的供電功率為5瓦特(即供電電壓Vin為5伏特，且最大可用電流為1000毫安培)。
而後，於步驟S209中，判斷供電電壓Vin在第二省電模式下是否持在門檻值之上且超過預設時間(例如20毫秒~60毫秒)。當判斷出供電電壓Vin在第二省電模式下仍低於門檻值時，執行步驟S213。而當判斷出供電電壓Vin在第二省電模式下高於門檻值，且維持一段預設時間時，執行步驟S211。
於步驟S211中，控制單元135即時停止切換該些省電模式，使可攜式電子裝置10操作於第二省電模式，並對電池充電，以於充電電池電力恢復時，由充電電池取代USB供電埠，供電給系統負載15。於步驟S213中，控制單元135禁止可攜式電子裝置10開機，並對充電電池充電。
於步驟S205中，控制單元135可主動將可攜式電子裝置10調整回正常工作模式。也就是說，將顯示器的螢幕亮度調為正常亮度，並將中央處理器運作頻率調整至正常運頻率，以驅動可攜式電子裝置10操作於正常工作模式，藉以避免系統初開機時系統負載15因過高電流產生的功率消 耗而導致誤判。
而於切換回正常工作模式時，控制單元135驅動電壓偵測單元133偵測供電電壓Vin，以判斷供電電壓Vin是否小於門檻值。當判斷出供電電壓Vin小於門檻值時，執行步驟S217。反之，當判斷出供電電壓Vin大於門檻值時，執行步驟S219。
於步驟S217中，切換可攜式電子裝置10至第一省電模式，並判斷出USB供電埠的供電功率為7.5瓦特(即供電電壓Vin為5伏特，且最大可用電流為1500毫安培)。同時，控制單元135將USB供電埠的供電電力經由充電單元對充電電池充電。
而於步驟S219中，當判斷出供電電壓Vin大於門檻值且維持預設的一段時間時，於步驟S219中，控制單元135停止切換該些省電模式，使可攜式電子裝置10操作在正常工作模式開機。
附帶一提的是，控制單元135還可於一實施方式中，由正常運作模式切換至第一省電模式後，重複執行供電電壓Vin偵測與切換第一省電模式回至正常運作模式，即步驟S205、S215以及S217至少兩次以上，藉以判斷確認USB供電埠的供電功率。同樣地，控制單元135於第一省電模式切換至第二省電模式後，重複執行供電電壓Vin偵測與切換第二省電模式回至第一省電模式。也就是說，控制單元135可以藉由重複切換可攜式電子裝置10的工作模式，測試USB充電埠11所提供的電力適用於哪一種工作模式，判斷USB供電埠的規格是屬於何種類型(1000毫安培、1500毫安培和2000毫安培)的專用供電埠。然因所述供電 電壓偵測與模式切換的次數可以是依據實際可攜式電子裝置運作需求來設計，故本實施例並不限制。
值得一提的是，上述圖6及圖7所述之電源管理方法及供電功率判斷方法是由內建於可攜式電子裝置10之微控制器(microcontroller)或嵌入式控制器(embedded controller)等處理晶片，透過韌體程式設計方式來實現，並於可攜式電子裝置10進行開機程序時執行。
要說明的是，圖6與圖7分別僅用於說明本實施例所歸納出用於可攜式電子裝置10之電源管理及供電功率判斷方法，並非用以限定本發明。
此外，值得注意的是，上述實施例中元件之間的耦接關係包括直接或間接的電性連接，只要可以達到所需的電信號傳遞功能即可，本發明並不受限。上述實施例中的技術手段可以合併或單獨使用，其元件可依照其功能與設計需求增加、去除、調整或替換，本發明並不受限。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。
綜上所述，本發明實施例提供之電源管理電路及其方法，可於可攜式電子裝置進行開機程序前，利用主動偵測可攜式電子裝置的USB充電埠所連接的USB供電埠之類型以及USB供電埠所提供的供電電壓來判斷是否進行可攜式電子裝置的開機程序以及調整開機時的系統消耗功率，藉以有效避免可攜式電子裝置因所插入的USB埠的供應電力不足無法驅動系統負載或者是內建電池電力不足而發生瞬間開、關機導致系統損壞之間題，提高可攜式電子裝置的穩定性。
此外，本發明提供一種電源管理電路及其方法還可於可攜式電子裝置的充電電池電力不足時，利用USB供電埠的供電功率，來對充電電池進行充電縮短充電時間。因此，藉由本發明實施例提供之電源管理電路及其方法，可攜式電子裝置可不需要加設充電專用的充電埠以及配置的專屬充電器，而可直接使用USB埠即可，據此可降低可攜式電子裝置的製作成本，同時提升可攜式電子裝置的便利性。
雖然本發明之實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30‧‧‧可攜式電子裝置
11、21、31‧‧‧USB充電埠
13、23、33‧‧‧電源管理電路
131‧‧‧USB偵測單元
133‧‧‧電壓偵測單元
135‧‧‧控制單元
231‧‧‧多工單元
233‧‧‧充電單元
235‧‧‧充電電池
237‧‧‧電池偵測單元
331‧‧‧電源轉換單元
15、25、35‧‧‧系統負載
C10、C20‧‧‧曲線
T1~T7‧‧‧時間點
tc‧‧‧預設時間
Vin‧‧‧供電電壓
S100~S180、S201~S217‧‧‧步驟流程
圖1為根據本發明第一實施例之可攜式電子裝置的功能方塊圖。
圖2為根據本發明第一實施例之可攜式電子裝置的電路運作波形示意圖。
圖3為根據本發明第一實施例之可攜式電子裝置的另一電路運作波形示意圖。
圖4為根據本發明第二實施例之可攜式電子裝置的功能方塊圖。
圖5為根據本發明第三實施例之可攜式電子裝置的功能方塊圖。
圖6為根據本發明第四實施例之用於可攜式電子裝置 的電源管理方法之步驟流程示意圖。
圖7為根據本發明第四實施例之USB供電埠的供電功率判斷模式以及可攜式電子裝置的工作模式切換方法之步驟流程示意圖。
10‧‧‧可攜式電子裝置
11‧‧‧USB充電埠
13‧‧‧電源管理電路
131‧‧‧USB偵測單元
133‧‧‧電壓偵測單元
135‧‧‧控制單元
15‧‧‧系統負載
Vin‧‧‧供電電壓

Claims (16)

  1. 一種電源管理電路，適用於一可攜式電子裝置，該可攜式電子裝置具有一USB充電埠，該可攜式電子裝置經由該USB充電埠連接至一USB供電埠以接收一供電電壓，該電源管理電路包括：一USB偵測單元，耦接於該USB充電埠，用以判斷該USB充電埠所連接的該USB供電埠的類型是屬於一標準下行埠(Standard Downstream Port,SDP)或是一專用充電埠(Dedicated Charging Port,DCP)；一電壓偵測單元，耦接於該USB充電埠，用以偵測該供電電壓；以及一控制單元，耦接於該USB偵測單元與該電壓偵測單元，根據該USB供電埠的類型與該供電電壓調整該可攜式電子裝置的一系統消耗功率；其中，在該可攜式電子裝置進行開機程序時，若該USB供電埠為該專用充電埠且該供電電壓小於一門檻值，該控制單元降低該可攜式電子裝置的該系統消耗功率，使該供電電壓維持在該門檻值之上以使該可攜式電子裝置正常開機。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源管理電路，其中該控制單元經由調整該可攜式電子裝置的一中央處理器運作頻率與一螢幕亮度以產生多種省電模式，當該供電電壓小於該門檻值時，該控制單元依序切換至該些省電模式之一，直到該供電電壓大於該門檻值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電源管理電路，其中當該供電電壓維持在該門檻值之上且超過一預設時間，該控制單元停止切換該些省電模式，使該可攜式電子裝置操作在目前所 選定的該些省電模式之一。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的電源管理電路，其中該控制單元根據該供電電壓的電壓變化決定該USB供電埠的一供電功率。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電源管理電路，其中該些省電模式包括一第一省電模式及一第二省電模式，並該可攜式電子裝置於該第二省電模式之該系統消耗功率係低於該可攜式電子裝置於該第一省電模式之該系統消耗功率，該控制單元並根據該USB供電埠的該供電功率對應調整該中央處理器運作頻率與該螢幕亮度以產生該第一省電模式及該第二省電模式。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的電源管理電路，其中若該USB供電埠為該標準下行埠且該可攜式電子裝置的一充電電池電壓小於一預設值時，則該控制單元禁止該可攜式電子裝置開機。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電源管理電路，其中若該USB供電埠為該專用充電埠，且該可攜式電子裝置的該充電電池電壓大於該預設值時，該控制單元驅動該可攜式電子裝置以該供電功率進行開機程序。
  8. 如申請專利範圍第3項所述的電源管理電路，其中於該可攜式電子裝置操作在目前所選定的該些省電模式之一時，該控制單元驅動一充電單元對該可攜式電子裝置的一充電電池進行充電。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的電源管理電路，其中該電壓偵測單元包括一比較器，具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端耦接該USB充電埠，該第二輸 入端耦接於一參考電壓，該輸出端耦接至該控制單元，其中該參考電壓對應該門檻值。
  10. 一種電源管理方法，適用於具有一USB充電埠的一可攜式電子裝置，並該可攜式電子裝置經由該USB充電埠連接至一USB供電埠以接收一供電電壓，該電源管理方法包括：判斷該USB供電埠的類型為一標準下行埠或一專用充電埠；偵測該供電電壓；以及根據該USB供電埠的類型與該供電電壓調整該可攜式電子裝置的一系統消耗功率；其中，在該可攜式電子裝置進行開機程序時，若該USB供電埠為該專用充電埠且該供電電壓小於一門檻值，降低該可攜式電子裝置的該系統消耗功率，使該供電電壓維持在該門檻值之上以使該可攜式電子裝置正常開機。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電源管理方法，於根據該USB供電埠的類型與該供電電壓調整該可攜式電子裝置的該系統消耗功率的步驟包括：調整該可攜式電子裝置的一中央處理器運作頻率與一螢幕亮度以產生多種省電模式，並當該供電電壓小於該門檻值時，依序切換至該些省電模式之一，直到該供電電壓大於該門檻值。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的電源管理方法，其中，當該供電電壓維持在該門檻值之上且超過一預設時間，停止切換該些省電模式，並使該可攜式電子裝置在目前所選定的該些省電模式之一下進行開機程序。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的電源管理方法，其中，當該供電電壓維持在該門檻值之上且超過一預設時間，使該可攜式電子裝置在目前所選定的該些省電模式之一上調至具較高該系統消耗功率之一省電模式。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的電源管理方法，於根據該USB供電埠的類型與該供電電壓調整該可攜式電子裝置的該系統消耗功率的該步驟中，還包括：重複切換該可攜式電子裝置的工作模式，以判斷該USB供電埠的電力的一供電功率。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的電源管理方法，其中於偵測該供電電壓之該步驟後包括：根據該供電電壓的電壓變化決定該USB供電埠的一供電功率；以及根據該供電功率與該可攜式電子裝置的一電池電壓決定是否允許該可攜式電子裝置開機。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的電源管理方法，其中於判斷該USB供電埠的類型的該步驟中還包括：若該USB供電埠的類型屬於該標準下行埠，偵測一充電電池電壓；以及若該充電電池電壓小於一預設值，禁止該可攜式電子裝置開機，並對該充電電池進行充電。
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