用于USB电力递送的稳健电缆类型检测.pdf

用于USB电力递送的稳健电缆类型检测
技术领域
本发明大体来说针对于通用串行总线(USB)电缆，且更特定来说，针对于USB电力 递送(PD)电缆。
背景技术
正在开发新USB电力递送(PD)规范以实现经由新USB电缆及连接器的较高电力的 递送。此技术的意图是形成用于膝上型计算机、平板计算机及可需要5V以上的其它装 置的通用电力插头。USB PD规范定义经由USB-PD电缆及连接器连接的端口之间的通 信链路。所述通信经设计为半双工且基于包的。包含有使得两个端口能够通信及协商的 各种信息，包含源端口将向汇端口提供的电压及电流。所述端口甚至可协商以交换角色 (源端口变为汇端口且反之亦然)。USB PD规范中的基础通信为二进制频移键控(FSK)。 此通信独立于穿过相同电缆但经由不同导线的正常USB通信而发生。USB PD通信通过 “Vbus”导线而非USB数据导线。
由于旧型电缆及甚至新PD电缆具有不同电流额定值，因此新规范的一条便是检测 电缆类型且借此知晓电缆的电流额定值的能力。USB PD装置不被允许请求或提供超过 电缆的额定值的电压或电流。旧型电缆(标准B、标准A、微型A或微型B)限于1.5A 及5V。PD微型电缆(类型A及B)限于3A。PD标准电缆限于5A。
在USB PD系统中的用于发射的等效电路中，理想地rTX＝Z0，使得在发射期间不 存在来自电缆的任何反射。在一些情形中，接收器还可使用大约等于Z0的rRX值，使 得不存在返回到电缆上的反射。在其它情形中，接收器可使rRX设置为比Z0大得多的 值，在此情形中，线有效地为无端接的。在后一种情形中，如果电缆长度为一波长的大 约四分之一，那么在TX侧上于到电缆的输入处看到的电压接近于零。此对常规USB PD 系统形成一些挑战。
发明内容
本发明的实施例包含一种用于检测USB电缆类型的系统及方法。配置于USB电缆 的近端处的USB PD装置经配置以：(i)从所述USB电缆的远端处的装置接收信号并处理 所述信号以确定所述USB电缆的电力额定值；及(ii)依据所述所确定USB电缆电力额定 值以可调整方式确立由所述第一装置递送到所述USB电缆的电力。
附图说明
参考附图来描述实例性实施例，其中：
图1图解说明可如何部署USB PD装置，其中任何给定装置可为提供者/消耗者 (P/C)、消耗者/提供者(C/P)、仅提供者或仅消耗者；
图2图解说明可如何连接两个端口的电路；
图3图解说明典型包的包结构；
图4图解说明硬复位包结构；
图5图解说明前同步码的位流信号结构；
图6图解说明发射器及接收器的等效电路；
图7图解说明非标准A插座的电缆类型检测电路；
图8及9图解说明确定插头类型的方法；
图10图解说明根据本发明的实例性USB PD装置的系统框图；
图11A到11C图解说明A插头连接器标记的示意图；
图12A及12B图解说明B插头连接器标记的示意图；及
图13图解说明根据本发明的实例性方法。
具体实施方式
图1图解说明可如何部署USB PD装置，其中任何给定装置可为提供者/消耗者 (P/C)、消耗者/提供者(C/P)、仅提供者或仅消耗者。图2图解说明可如何连接两个端口 的电路。图3图解说明典型包的包结构。前同步码后续接着包的开始(SOP)、标头、有 效负载(如果有的话)、涵盖标头及有效负载的循环冗余校验(CRC)(例如32位值)及包的 结尾(EOP)。控制消息为不具有任何有效负载的包。本发明提到特定种类的控制消息中 的一些控制消息，且本文中为了清晰起见提供其定义的细节。表1展示如何定义标头。
表1消息标头：

位 字段名称 注释 15 被保留 应设置为0
14……12 数据对象的数目   11……9 MessageID 参见表2 8 端口角色   7……6 规范修订   5……4 被保留 应设置为0 3……0 消息类型  
对于控制消息，数据对象的数目设置为000。消息类型字段的定义展示于表2中。 其它未保留字段可具有任何值。表2中展示13个不同控制消息。
表2控制消息类型：
位3……0 消息类型 发送方 描述 0000 被保留 不适用 未明确定义的所有值被保留且不应使用。 0001 GoodCRC 源或汇   0010 GotoMin 仅源   0011 接受 源或汇   0100 拒绝 源或汇   0101 试通 仅源   0110 PS_RDY 仅源   0111 Get_Source_Cap 源或汇   1000 Get_Sink_Cap 源或汇   1001 协议错误 源或汇   1010 交换 源或汇   1011 被保留 仅汇   1100 等待 仅源   1101 软复位 源或汇   1110-1111 被保留 不适用 未明确定义的所有值被保留且不应使用。
图4图解说明硬复位包结构。图5图解说明前同步码的位流信号结构。
在USB PD术语中，装置的能力包含其可发起及/或汇集的电流及电压量。装置可能 不被准许提供或请求超过电缆的能力的电流。这就是电缆类型检测为USB PD系统的如 此重要的部分的原因。
图6图解说明发射器及接收器的等效电路。理想地，rTX＝Z0，使得在发射期间不存 在来自电缆的任何反射。在一些情形中，接收器还可使用大约等于Z0的rRX值，使得 不存在返回到电缆上的反射。在其它情形中，接收器可使rRX设置为比Z0大得多的值， 在此情形中，线有效地为无端接的。在后一种情形中，如果电缆长度为一波长的大约四 分之一，那么在发射器(TX)侧上于到电缆的输入处看到的电压接近于零。此对常规USB PD系统形成一些挑战。
图7图解说明非标准A插座的电缆类型检测电路10。图7中所展示的电路10可用 于检测ID引脚上的指示电缆的微型连接器的类型的电子标记。图8及9图解说明确定 插头类型的方法。发射器(TX)用于将载波信号放在电缆的近端上的“Vbus”线上，且接 收器(RX)用于检测在电缆的近端处是否存在信号(通常，静噪接收器用于此目的)。开关 Q1到Q4用于形成其中在每一步骤中使用电压输出(如由RX测量)来根据下文表3确定 插头的配置的一系列电路。在正常操作中，开关Q1为导电的(被接通)，且开关Q2到 Q4为不导电的(被关断)。为了使用图8中的电路校验插头类型，可执行一系列步骤，且 可将每一步骤的结果记录为“0”或“1”。所述步骤可包含：
1.晶体管Q1、Q3及Q4为不导电的(被关断)。
2.晶体管Q2为导电的(被接通)。
3.校验静噪-＞断开-“1”，否则“0”-＞位1。
4.晶体管Q3为导电的(被接通)。
5.校验静噪-＞断开-“1”，否则“0”-＞位2。
6.晶体管Q4为导电的(被接通)。
7.校验静噪-＞断开-“1”，否则“0”-＞位3。
下文表3总结所述结果。
在步骤3中，如果Vbus短路(由于其长度为一波长的四分之一(例如粗略地2.5m) 的无端接的电缆)，那么电缆类型检测的不合意结果为故障，情形可能是或可能不是如此。 此意味着使用此电路及算法，无法确定电缆类型。其它电路可能够使用不连接到Vbus 的DC电压检测一些电缆类型，举例来说，检测ID与GND引脚之间的电阻器。图11A 到11C图解说明以此方式操作的A插头连接器标记的示意图。其它电路将不能够完全解 决此问题，这是因为在一些情形中，需要考虑Vbus上的电压以检测在其与ID引脚之间 是否存在电容器。图12A及12B图解说明以此方式操作的B插头连接器标记的示意图。
上文所提及的静噪接收器为检测具有较大振幅的线上是否存在信号的电路。通常， 当信号电平超过20mVrms时，其应触发(断开)。静噪接收器的功能性有时可由FSK接 收器代替，所述FSK接收器将在其可将位可靠地解调的情况下“断开”。
表3插头类型确定：

根据本发明，所揭示电缆类型检测机构及方法有利地使用并处理由USB PD电缆的 远端发射的包以检测电缆的一个或两个插头中的电容器的存在。此检测机构耦合到USB  PD装置的USB插座且可驻留于USB PD装置中，但预期其它配置。依据图10、图11A 到11C及图12A到12B在图7中的电缆类型检测电路10的上下文中描述检测机构。此 机构还可扩展到其它电路。
在一些实施例中，检测机构驻留于近端USB PD装置中且耦合到接纳USB PD电缆 的近端的插座。USB PD装置经配置以接收及处理由Vbus上的电缆的远端装置(而非产 生其自身AC信号的近端装置)发送的特性信号(例如AC信号或包数据)。此克服当近端 装置在其于Vbus上发送AC信号时总是在Vbus上看到接近于0V(由于如先前所描述 的无端接电缆)时的问题。USB PD装置经配置以将电力递送到远端装置44，而同时检测 来自远端装置44的特性信号的存在。
图10图解说明根据本发明的实例性USB PD装置的系统框图，且图13图解说明根 据本发明的实例性方法50。USB PD控制器20经配置以驻留于USB PD装置22中或以 其它方式与其相关联。USB PD控制器20耦合到USB插座24，所述USB插座经配置以 接纳电缆26的近端25。其它应用还可使用USB PD控制器20及下文所概述的电缆类型 检测机构。
在图10中，Q为表示图7中所展示及先前所论述的晶体管Q1到Q4的开关状态的 值的向量。多点控制单元(MCU)或其它逻辑装置28经由Q控制电缆类型检测电路30。 FSK调制解调器34中的TX块32可或可不端接来自电缆类型检测电路30的线36。RX 块38及/或静噪RX块40端接具有较大电阻或阻抗的来自USB插座24的线。RX块38 可使经解调位通过到逻辑装置28，但其可连同包类型一起仅递送标头及有效负载未编码 位。逻辑装置28执行协议、策略引擎及装置策略管理器功能。策略引擎解译策略管理 器的输入以便实施针对给定端口的策略且引导协议层以发送适当消息。装置策略管理器 经由策略引擎将本地策略应用于每一端口。在一些实施例中，逻辑装置28还可执行其 它功能(例如CRC检测、4b5b解码或其它功能)。
逻辑装置28与RX块38之间的确切任务划分可取决于设计参数而变化。逻辑装置 28经配置以发送其需要的位以发射到TX块32。TX块32可添加4b5b编码、前同步码、 SOP、CRC及/或EOP，且逻辑装置28不必被需要来建构确切包。基于由电缆26的远 端44处的远端装置42产生的特性信号，逻辑装置28经配置以处理所接收信号且响应 地将信号发送到外部电力开关S1到S3以控制连接到装置的电力系统的Vbus线的参数。 举例来说，其可汇集5V或发起20V。
连接到插座36的USB PD装置22可假设附接有旧型电缆21直到其以其它方式知 晓为止，这是因为此保护其免于从远端装置提供或请求可超过电缆能力的电流。USB PD 装置22可执行上文所描述的电缆类型检测过程。如果由于位1＝0结果为“故障”，那 么可接着执行下文所描述的过程。否则，已使用上文所描述的电缆类型检测过程知晓电 缆类型。
标准B插座
具有标准B插座的USB PD装置22为C/P或仅C装置。根据USB-PD系统，装置 22从电缆26的远端装置44接收的第一数据包特性信号不仅仅可能为能力消息、硬复位 包或位流。其还被允许发送Get_source_cap消息及软复位消息，在此情形中，其可接收 GoodCRC消息。
如果不知晓电缆类型，那么具有标准B插座24的USB PD装置22可知晓电缆26 为PD(5A)、PD(3A)或旧型电缆。USB PD装置22可等待直到其从电缆26的远端装置 44接收到用以确定电缆类型的数据包为止。当电缆26上的远端装置44发送数据包时， Vbus导线不再出现于USB PD装置22中以使其免于短路。在等待第一包时，晶体管Q1 为闭合的而晶体管Q2到Q4为断开的。根据用以确定电缆类型的一个实施例，可后续 接着以下步骤：
1.当静噪RX 40及/或FSK调制解调器34检测到数据包到达时，断开晶体管Q1 且闭合晶体管Q2及Q3。
2.如果静噪RX 40及/或FSK调制解调器34仍检测到包，那么存在将Vbus与ID 引脚耦合的电容器，如图12B中所展示。电缆类型为PD(5A)。闭合晶体管Q1，且断 开晶体管Q2到Q4。退出过程。
3.否则，闭合晶体管Q1(晶体管Q2及Q3保持闭合)。
4.如果静噪RX 40及/或FSK调制解调器34检测到包，那么不存在将ID与GND 引脚耦合的电容器。电缆类型为旧型的，如图11A中所展示。闭合晶体管Q1，且断开 晶体管Q2到Q4。退出过程。
5.否则，断开晶体管Q2及Q3(晶体管Q1保持闭合)。
6.如果静噪RX40及/或FSK调制解调器34检测到包，那么存在将ID与GND引 脚耦合的电容器，如图12A中所展示。电缆类型为PD(3A)。闭合晶体管Q1，且断开 晶体管Q2到Q4。退出过程。
7.否则，仍不知晓电缆类型。闭合晶体管Q1，且断开晶体管Q2到Q4。退出过程。
注意，遵循此过程可致使包CRC发生故障。协议处置此故障且致使发送更多包。 在一些尝试之后，如果电缆类型仍未确定，那么装置可选择假设其为旧型电缆。或者， 为了避免导致策略引擎中的问题，装置可选择对一子组的到达包执行电缆类型检测机 构。此确保将如策略引擎所期望处理再被尝试的包，从而避免将扰乱正常USB PD操作 的硬复位。举例来说，可使用仅每隔一个包。
微型B插座
具有微型B插座24的USB PD装置22为C/P或仅C装置。根据USB-PD系统，装 置22从电缆26的远端装置44接收的第一数据包不仅仅可能为能力消息、硬复位包或 位流。其还被允许发送Get_source_cap消息及软复位消息，在此情形中，其可接收 GoodCRC消息。
如果不知晓电缆类型，那么具有微型B插座24的USB PD装置22可知晓电缆26 为如图12A中所展示的PD(3A)或如图11A中所展示的旧型电缆。USB PD装置22可 等待直到其从电缆26上的远端装置44接收到用以确定电缆类型的数据包为止。当电缆 26上的远端装置44发送数据包时，Vbus导线不再出现于USB PD装置22中以使其免 于短路。在等待第一包时，晶体管Q1为闭合的而晶体管Q2到Q4为断开的。根据用以 确定电缆类型的一个实施例，可后续接着以下步骤：
1.当静噪RX 40及/或FSK调制解调器34检测到数据包到达时，闭合晶体管Q2 及Q3(晶体管Q1保持闭合)。
2.如果静噪RX 40及/或FSK调制解调器34检测到包，那么不存在将ID与GND 引脚耦合的电容器，如图11A中所展示。电缆类型为旧型。闭合晶体管Q1，且断开晶 体管Q2到Q4。退出过程。
3.否则，断开晶体管Q2及Q3(晶体管Q1保持闭合)。
4.如果静噪RX 40及/或FSK调制解调器34检测到包，那么存在将ID与GND引 脚耦合的电容器，如图12A中所展示。电缆类型为PD(3A)。闭合晶体管Q1，且断开 晶体管Q2到Q4。退出过程。
5.否则，仍不知晓电缆类型。闭合晶体管Q1，且断开晶体管Q2到Q4。退出过程。
注意，遵循此过程可致使包CRC发生故障。协议处置此故障且致使发送更多包。 在一些尝试之后，如果电缆类型仍未确定，那么装置可选择假设其为旧型电缆。或者， 为了避免导致策略引擎中的问题，装置可选择对一子组的到达包执行电缆类型检测机 构。此确保将如策略引擎所期望处理再被尝试的包，从而避免将扰乱正常USB PD操作 的硬复位。举例来说，可使用仅每隔一个包。
微型AB插座
具有微型AB插座24的USB PD装置22可为任何类型的USB PD装置(C/P、仅C、 P/C、仅P)。根据USB-PD系统，装置22从电缆26的远端装置44接收的第一数据包不 仅仅可能为能力消息、硬复位包、位流或Get_source_cap消息。其还可发送Get_source_cap 消息、软复位消息或能力消息，在此情形中，其可接收GoodCRC消息。
在此情况中，无法从初始电缆类型检测尝试缩小可能电缆类型。因此，可执行但要 以如下文所展示的不同次序执行整个过程。最后确定位1的值是必要的，这是因为装置 不控制到达包的持续时间。因此，最后步骤校验包仍到达，此意味着在不存在信号时确 定位2及位3的值。
1.当静噪RX 40及/或FSK调制解调器34检测到包到达时，闭合晶体管Q2及Q3 且断开晶体管Q1(晶体管Q4保持断开)。
2.校验静噪→如果断开，那么将位2设置为“1”，否则，将位2设置为“0”
3.闭合晶体管Q4(晶体管Q1保持断开)。
4.校验静噪→如果断开，那么将位3设置为“1”，否则，将位3设置为“0”
5.闭合晶体管Q1，且断开晶体管Q2到Q4。
6.校验静噪→如果断开，那么将位1设置为“1”，否则，将位1设置为“0”
再次连同表3一起使用位1、位2及位3中的值确定电缆类型。如果电缆类型仍不 知晓，那么USB PD装置22可等待下一数据包且再次尝试。在一些尝试之后，如果电 缆类型仍未确定，那么装置22可选择假设其为旧型电缆。注意，遵循此过程可致使包 CRC发生故障。协议处置此故障且致使发送更多包。或者，为了避免导致策略引擎中的 问题，装置可选择对一子组的到达包执行电缆类型检测机构。此确保将如策略引擎所期 望处理再被尝试的包，从而避免将扰乱正常USB PD操作的硬复位。举例来说，可使用 仅每隔一个包。
根据上文所概述的实施例的过程，USB PD装置可仅在从电缆的远端接收到包之后 完成电缆类型检测。对于为源的装置，此意味着其提供的能力可在从电缆的远端接收到 包之后改变，这是因为其可使其提供的电流增加超出1.5A(旧型电缆极限)。对于为汇 的装置，此意味着其请求的电流可超过1.5A(旧型电缆极限)。上文所描述的过程可经 修改以与其它现有或未来电缆类型检测电路一起工作。
图13中大体图解说明所有这些方法，其中方法50包含在USB电缆的远端处的装 置经由电缆发送信号(步骤52)及在电缆的近端处的USB PD装置接收信号(步骤54)。方 法50还包含USB PD装置基于所接收信号确定USB电缆的电缆类型(步骤56)。在所述 时刻处，USB PD装置依据所确定电缆类型确立电缆的使用的汇电流或源电流或者其它 方面(步骤58)。
虽然上文描述已描述电缆类型检测机构的特定实施例，但可对所述检测机构做出各 种改变。举例来说，检测机构不限于与图7或10的电路一起使用。此外，检测机构已 描述为假设有限数目个潜在USB电缆类型(例如特定插座(标准B、微型B及微型AB)) 及电流(1.5A、3A及5A)。然而，上文所描述的检测机构可经修改以支持任何适合插座 (现有或稍后开发)及电流、电压或其它操作特性的使用。
在一些实施例中，通过由计算机可读程序代码形成且体现于计算机可读媒体中的计 算机程序实施或支持上文所描述的各种功能。短语“计算机可读程序代码”包含任何类 型的计算机代码，包含源代码、目标代码及可执行代码。短语“计算机可读媒体”包含 能够由计算机存取的任何类型的媒体，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、 硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其它类型的存储器。“非暂时性” 计算机可读媒体不包含运输暂时性电信号或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链 路。非暂时性计算机可读媒体包含其中可永久地存储数据的媒体及其中可存储数据且稍 后覆写数据的媒体，例如可重写光盘或可擦除存储器装置。
本发明所涉及领域的技术人员将了解，可对所描述的实例性实施例做出修改且许多 其它实施例也可在所主张发明的范围内。