动态分配usb端口电源的电子设备及方法

xiaoxiao2020-7-23  10

专利名称:动态分配usb端口电源的电子设备及方法
技术领域
本发明涉及一种动态分配通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)端口电源 的电子设备及方法。
背景技术
USB端口是一种4线串行端口,其包括两个数据线(D+,D-),一个电源线(Vbus)和 一个接地线(GND)。通常,具有USB端口的电子设备可以为插入其的USB设备,例如硬盘 等,提供电源。因此,上述USB设备在其内部不包括电源的情况下也同样可以工作。目前,现行的USB端口标准规定每个USB端口允许提供的最大电压和电流分别为 5V和500mA,所以当某一个USB设备电流需求超过500mA时,使用者需要再接线至其他USB 端口以获取额外的电流,给使用者造成诸多不便。

发明内容
有鉴于此,需提供一种动态分配通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)端口 电源的电子设备,可以动态的分配电源给USB端口。此外,还需提供一种动态分配USB端口电源的方法。本发明实施方式中的动态分配USB端口电源的电子设备,其具有多个USB端口,其 中,每个USB端口对应连接一个USB设备,所述电子设备包括总电流检测电路、多个短路检 测电路、多个中继电路以及USB控制器。其中,总电流检测电路用于接收USB端口驱动电压 并传送至所述USB端口,并检测提供给所述USB端口的总电流是否超过额定总电流,并输出 总电流检测结果。所述短路检测电路连接于所述总电流检测电路与对应的USB端口之间, 用于检测插入其对应的USB端口中的USB设备是否短路,并输出短路检测结果。所述中继 电路对应连接于所述短路检测电路与USB端口之间,用于接通/切断USB端口与其内部电 路的连接。USB控制器与所述总电流检测电路、所述多个短路检测电路以及所述多个中继电 路相连,用于根据所述总电流检测结果以及短路检测结果输出控制信号,从而控制所述中 继电路通断对应的USB端口。本发明实施方式中的动态分配USB端口电源的方法,包括以下步骤接收USB设备 插入信号;判断插入的USB设备是否短路;如果没有短路的话,判断流过USB端口的总电流 是否大于额定总电流;以及如果没有大于额定总电流的话,分配电源给相应的USB端口。本发明中,电子设备利用总电流检测电路以及多个短路检测电路检测USB端口的 总电流是否超过额定总电流以及检测每个插入的USB设备是否短路,从而控制中继电路通 断对应的USB端口,实现USB端口电源的动态分配。


图1所示为本发明动态分配USB端口电源的电子设备的模块图;图2所示为本发明USB端口动态分配电源的示意4
图3所示为本发明图1中总电流检测电路的具体电路图;以及图4所示为本发明图1中中继电路的具体电路图;图5所示为本发明动态分配USB端口电源的方法流程图。
具体实施例方式图1为本发明动态分配通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)电源的电子 设备1的模块图。其中,电子设备1包括电源转换电路110、总电流检测电路120、多个短路 检测电路131、132、133、134、USB控制器140、多个中继电路151、152、153、154以及多个USB 端口 161、162、163、164。其中,所述 USB 端口 161、162、163、164 可以选择连接 USB 设备 21、 22、23、24中的一个或者多个。本实施方式中,仅以四个USB端口为例予以说明,其他实施 方式中,USB端口的数量可以不同。且,每个USB端口都对应有一个短路检测电路与中继电 路,因此,本实施方式的电子设备1中短路检测电路与中继电路的数量均为四个。电源转换电路110用于将外部交流电源转换为可驱动所述USB端口 161、162、163、 164的电源,例如5V。总电流检测电路120与电源转换电路110相连,用于接收USB端口 驱动电压并传送至USB端口 161、162、163、164,并检测供给所述USB端口 161、162、163、164 的总电流是否超过额定总电流,并输出总电流检测结果。短路检测电路131、132、133、134 连接于总电流检测电路120与对应的USB端口 161、162、163、164之间,用于检测插入其对 应的USB端口中的USB设备是否发生短路,并输出短路检测结果。中继电路151、152、153、 154对应连接于短路检测电路131、132、133、134与USB端口 161、162、163、164之间,用于切 断USB端口与电子设备1内部电路的连接,即切断某个USB端口与其对应的短路检测电路 131的连接。USB控制器140与总电流检测电路120、短路检测电路131、132、133、134以及 中继电路151、152、153、154相连,用于根据总电流检测结果以及短路检测结果输出控制信 号,从而控制中继电路151、152、153、154通断USB端口 161、162、163、164与其对应的内部 电路的连接。本实施方式中,节点VUSB与VUSB’的电压均大致等于5V。请同时参阅图2,所示为本发明USB端口动态分配电源的示意图。根据USB端口标 准规定可知,每个USB端口允许提供的最大电流为500mA,故,本实施方式中,USB端口 161、 162、163、164的额定总电流即为4个USB端口 161、162、163、164的电流总和,S卩,2A。由图2 可知,插入至USB端口 161、162、163的USB设备21、22、23所需的电流分别为100mA、300mA、 800mA。由于USB设备23所需要的电流超过USB端口标准所规定的最大电流(500mA),故, 该种USB设备被称之为非标准USB设备。在现有的方式中,这种非标准USB设备就需要两 个以上的USB端口同时提供电流。然而,在本实施方式中,当USB设备23插入至USB端口 163时,其对应的短路检测 电路133会检测USB设备23是否短路。如果发生短路,短路检测电路133发送短路检测信 号至USB控制器140,则USB控制器140切断USB端口 163与电子设备1内部电路的连接, 并通知用户移除插入的USB设备23。当USB设备23移除后,USB控制器140重新启动所述 USB端口 163。如果没有短路发生,总电流检测电路120同时也会检测提供给USB端口 161、 162、163的总电流是否超过额定总电流。如果超过所述额定总电流,则总电流检测电路120 发出总电流检测结果至USB控制器140,USB控制器140同样断开USB端口 163与电子设备 1内部电路的连接,并通知用户移除插入的USB设备23。同样,当USB设备23移除后,USB控制器140重新启动所述USB端口 163。如果没有超过额定总电流,则电子设备1分配电源 至USB端口 163。故,本实施方式中,非标准USB设备23仅需一个USB端口 163即可供电。同样地,当USB设备24插入至USB端口 164时,短路检测电路134与总电流检测 电路120会进行同样的检测工作。也就是说,只有当USB设备24所需要的电流小于800mA 时,电子设备1才有足够的电源分配,反之,USB控制器140则会按照预先设定好的规则切 断相应的USB端口,例如最后插入的USB端口(USB端口 164),或者非标准USB端口(USB 端口 163),与电子设备1内部的电路连接。当USB设备24移除后,USB控制器140重新启 动所述USB端口 164。由于短路检测电路131、132、133、134与总电流检测电路120的内部电路均相同, 故,本实施方式中仅以总电流检测电路120为例予以说明,如图3所示。总电流检测电路 120包括电流/电压转换电路121与电压比较电路122。其中,电流/电压转换电路121用 于将检测到的电流信号转换为电压信号,其包括电容Cl、多个电阻Rl、R2、R3、R4、R5以及 运算放大器Al。电阻Rl与电容Cl并行连接于总电流检测电路120的输入端(5V)与其输 出端(节点Vbus)之间,电阻R2串连于运算放大器Al的负极输入端与节点Vbus之间,电阻 R3串连于运算放大器Al正极输入端与5V之间,电阻R4连接于运算放大器Al的输出端与 负极输入端之间,电阻R5连接于运算放大器Al正极输入端与接地端之间。其中,电阻R2、 R3、R4、R5与运算放大器Al组成一个典型的放大电路,其放大系数取决于电阻R4于R2的 比值。且,运算放大器Al的输出端输出一个代表感测到的电流大小的电压信号。电压比较电路122用于将电流/电压转换电路121输出的电压信号与参考电压做 比较,并输出比较信号至USB控制器140,其包括两个电阻R6、R7以及比较器A2。其中,比 较器A2的正极输入端与运算放大器Al的输出端相连,其负极输入端通过电阻R6接地,并 作为参考电压端,其输出端与USB控制器140相连,并输出比较信号。电阻R7连接于比较 器A2的电源端与负极输入端之间。本实施方式中,电阻R6、R7组成分压电路,用于分压比 较器A2电源端的电源电压(3. 3V),电阻R6上的分压作为比较器A2的参考电压,S卩,0. 8V。本实施方式中,当USB设备插入其对应的USB端口时,由于负载电容效应会产生 瞬间的突波电流,如果不予以抑制的话,总电流检测电路120与短路检测电路131、132、 133、134则会误动作,故,电容Cl用于抑制USB设备插入其对应端口时所产生的突波电流 (Inrush current)。又,由于总电流检测电路120的输出电压大致等于其输入的电压,即, 5V,也就是说,总电流检测电路120的输入与输出电压压差较小,故电阻Rl选取阻值较小的 电阻,例如0. 1 Ω。具体工作原理如下当USB设备插入其对应端口时,电容Cl相当于短路,则5V提供的电源全部供给电 容Cl充电,则无电流流经电阻Rl,相应地,电流/电压转换电路121无输出,故,总电流检测 电路120会忽略所述的瞬间突波电流。同样地,短路检测电路131、132、133、134也不工作。 由于电容Cl的充电时间可以调整为与突波电流出现瞬间的时间相匹配,则当电子设备1正 常工作时,电容Cl充电饱和,因此,此时会有电流流经电阻R1。若USB端口 161、162、163、164的总电流未超过额定总电流时,流经电阻Rl的电流 较小,则电阻Rl上的分压较小,该分压通过运算放大器Al运算后输出一个电压信号至电压 比较电路122。本实施方式中,运算放大器Al的放大倍数为0.4。在电压比较电路122中, 比较器Α2正极输入端接收到运算放大器Al输出的电压信号,由于此时所述电压信号小于负极参考电压信号,因此,比较器A2输出低电平总电流检测信号,例如0V,至USB控制器 140。此时,USB控制器140根据接收到的低电平总电流检测信号控制电子设备1分配电源 至相应的USB端口。若USB端口 161、162、163、164的总电流超过额定总电流时,流经电阻Rl的电流较 大,则电阻Rl上的分压较大,该分压通过运算放大器Al运算后输出一个电压信号至电压比 较电路122。在电压比较电路122中,比较器A2正极输入端接收到运算放大器Al输出的电 压信号,由于此时所述电压信号大于负极参考电压信号,因此,比较器A2输出高电平总电 流检测信号,例如3. 3V,至USB控制器140。此时,USB控制器140根据接收到的高电平总 电流检测信号控制相应的中继电路切断对应的USB端口。本实施方式中,所述短路检测电路131、132、133、134的内部电路架构与总电流检 测电路120的内部电路架构大致相同,区别在于电流/电压转换电路中,5V替换为Vbus 节点,Vbus节点替换为Vbus’节点。二者工作原理也完全相同,故在此不再描述。由于本发明中,中继电路151、152、153、154内部电路架构完全相同,故,仅以中继 电路151为例予以说明,如图4所示。其中,中继电路151包括二个电阻R8、R9、晶体管Q1、 芯片U1。晶体管Ql为npn型晶体管,其基极通过电阻R8与USB控制器140相连,其发射 极接地。本实施方式中,芯片Ul具有五个引脚,其中,引脚1连接3. 3V的电压源,引脚2悬 空,引脚3与短路检测电路131相连,引脚4与USB端口 161相连,引脚5通过电阻R9与晶 体管Ql的集电极相连。常态时(总电流检测电路120以及短路检测电路131输出的检测信号均为正常 时),芯片Ul的引脚3与引脚4相连,也就是说,常态时短路检测电路131与USB端口 161 相接通,电子设备1会对USB端口 161进行供电。当总电流检测电路120以及短路检测电路131输出的检测信号均为异常时,USB控 制器140输出一个除能(disable)信号,例如,高电平信号,至晶体管Q1,此时晶体管Ql导 通,将这个除能信号放大后输出至芯片Ul的引脚5。从而引脚1与引脚5之间的线圈(未 示出)产生磁力将芯片Ul的引脚3连接至与引脚2,则中继电路151将USB端口 161与电 子设备1内部电路切断。本实施方式中,中继电路151为高电平触发,在本发明其他实施方 式中,中继电路151也可以为低电平触发。图5所示为本发明动态分配USB电源的方法流程图。其中,在步骤S510中,USB 控制器140接收USB设备插入USB端口的信号。步骤S520中,USB控制器140判断上述插 入的USB设备是否短路。如果短路的话,执行步骤S521,USB控制器140输出除能信号,并 通知用户移除插入的USB设备。接着,执行步骤S550,USB控制器140重新启动所述USB设 备插入的USB端口。如果没有短路的话,继续步骤S530,USB控制器140继续判断流经所有 USB端口的总电流是否超过额定总电流。如果超过额定总电流的话,执行步骤S531,USB控 制器140输出除能信号,并按照预先设定的规则通知用户移除相应的USB设备,例如移除 最后插入的USB设备或者移除非标准的USB设备。同样地,接着执行步骤S550。如果没有 超过额定总电流的话,继续步骤S540,USB控制器140控制电子设备1分配电源给插入的 USB 端 口。本发明中,电子设备1利用总电流检测电路120以及多个短路检测电路131、132、 133、134检测USB端口的总电流是否超过额定总电流以及检测每个插入的USB设备是否短路,从而控制中继电路151、152、153、154通断对应的USB端口 161、162、163、164,实现USB
端口电源的动态分配。
权利要求
一种动态分配通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)电源的电子设备,其具有多个USB端口,其中,每个USB端口对应连接一个USB设备,其特征在于,所述电子设备包括总电流检测电路,用于接收USB端口驱动电压并传送至所述USB端口,并检测提供给所述USB端口的总电流是否超过额定总电流,并输出总电流检测结果;多个短路检测电路,连接于所述总电流检测电路与对应的USB端口之间,用于检测插入其对应的USB端口中的USB设备是否短路,并输出短路检测结果;多个中继电路,对应连接于所述多个短路检测电路与USB端口之间,用于接通/切断USB端口与其内部电路的连接;以及USB控制器,与所述总电流检测电路、所述多个短路检测电路以及所述多个中继电路相连,用于根据所述总电流检测结果以及短路检测结果输出控制信号,从而控制所述中继电路通断对应的USB端口。
2.如权利要求1所述的电子设备,其特征在于,更包括电源转换电路,用于将外部交流 电源转换为所述USB端口驱动电压。
3.如权利要求1所述的电子设备,其特征在于,所述总电流检测电路包括 电流/电压转换电路,用于将检测到的电流信号转换为电压信号;以及电压比较电路,用于判断所述电压信号是否超过参考电压信号,并输出比较信号至所 述USB控制器。
4.如权利要求3所述的电子设备,其特征在于,所述电流/电压转换电路包括 电容;第一电阻,与所述电容并行连接于所述总电流检测电路的输入端与输出端之间,用于 感测所述电流信号;以及运算放大器,其负极输入端与所述总电流检测电路输入端相连,其正极输入端与所述 总电流检测电路的输出端相连,其输出端输出代表感测到的电流大小的电压信号。
5.如权利要求1所述的电子设备,其特征在于,所述任一短路检测电路包括 电流/电压转换电路,用于将检测到的电流信号转换为电压信号;以及电压比较电路,用于判断所述电压信号是否超过参考电压信号,并输出比较信号至所 述USB控制器。
6.如权利要求5所述的电子设备,其特征在于,所述电流/电压转换电路包括 电容;第一电阻,与所述电容并行连接于所述对应短路检测电路的输入端与输出端之间,用 于感测所述电流信号;以及运算放大器,其负极输入端与所述对应短路检测电路的输入端相连,其正极输入端与 对应短路检测电路的输出端相连,其输出端输出代表感测到的电流大小的电压信号。
7.如权利要求4或6任一项所述的电子设备,其特征在于,所述电压比较电路包括 比较器,其正极输入端与所述运算放大器的输出端相连,其负极输入端作为参考电压端,其输出端与所述USB控制器相连,用于输出所述比较信号; 第二电阻,连接于所述比较器负极输入端与地之间;以及第三电阻,连接于所述比较器负极输入端与其电源端之间,其与所述第二电阻组成分压电路。
8.如权利要求1所述的电子设备,其特征在于,所述每个中继电路包括电晶体,其基极与所述USB控制器相连,其发射极接地,用于放大所述控制信号;以及芯片,用于根据所述放大后的控制信号通断对应的USB端口,其具有五个引脚,其中, 第一引脚接收电源信号,第二引脚悬空,第三引脚与其对应的短路检测电路相连,第四引脚 与其对应的USB端口相连,第五引脚与所述电晶体的集电极相连。
9.一种动态分配通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)端口电源的方法,其特 征在于,包括接收USB设备插入信号;判断插入的USB设备是否短路;如果没有短路的话,判断流过USB端口的总电流是否大于额定总电流;以及如果没有大于额定总电流的话,分配电源给相应的USB端口。
10.如权利要求9所述的动态分配USB端口电源的方法,其特征在于,所述判断插入的 USB设备是否短路的步骤还包括当插入的USB设备短路时,发出除能信号,并通知用户移除 所述插入的USB设备的步骤。
11.如权利要求9所述的动态分配USB端口电源的方法,其特征在于,所述判断流过 USB端口的总电流是否大于额定总电流的步骤还包括当流过USB端口的总电流超过额定总 电流时,发出除能信号,并通知用户移除相应的USB设备的步骤。
12.如权利要求9所述的动态分配USB端口电源的方法,其特征在于,更包括重新启动 插入的USB设备对应的USB端口的步骤。
全文摘要
一种动态分配USB端口电源的电子设备,其包括总电流检测电路用于检测提供给USB端口的总电流是否超过额定总电流。多个短路检测电路连接于总电流检测电路与对应的USB端口之间,用于检测插入对应的USB端口的USB设备是否短路。多个中继电路对应连接于短路检测电路与USB端口之间,用于通断USB端口与内部电路的连接。USB控制器用于根据总电流检测结果及短路检测结果控制中继电路通断对应的USB端口。本发明电子设备检测USB端口的总电流是否超过额定总电流及检测每个插入的USB设备是否短路,从而控制中继电路通断对应的USB端口,实现USB端口电源的动态分配。
文档编号G01R31/02GK101963835SQ20091030477
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月24日 优先权日2009年7月24日
发明者卓小棋, 周玉柱, 廖明裕 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司

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