USB接口电路及用于低电力操作的方法与流程

usb接口电路及用于低电力操作的方法
1.分案申请的相关信息
2.本技术是申请日为2016年11月14日，申请号为“201680061263.0”，发明名称为“usb接口电路及用于低电力操作的方法”的发明专利申请的分案申请。


背景技术：

3.通用串行总线(usb)端口及缆线提供多种兼容电子装置的互连，所述电子装置例如是台式计算机、汽车仪表板控制台及电池供电的便携式装置(如膝上计算机、平板计算机、移动电话、电子阅读器及mp3播放器)。使用标准化usb缆线连接接入usb端口以提供：装置之间的串行通信；和用于对电池供电的外围装置进行充电及操作的电电力转移。usb兼容系统常包含接口集成电路(ic)，其安装到内部电路板以将usb数据和电源连接介连到主机系统电路，如电源电路和主机处理器。专用usb充电裝置也是可供使用的，其具有多个用于对各种便携式装置进行充电的usb端口。usb充电器还可包含用于对某些外围装置快速充电的电路。许多台式及膝上型计算机包含多个用于数据传送和/或外围装置充电的usb端口。usb电力传递(usb
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pd)及c型(usb
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c)规范描述经由usb缆线和连接器传递较高电力，以提供用于可容纳超过5v充电电力的装置(例如用于快速或迅速充电功能)的通用电源插头。usb
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pd规范定义用于协商从源端口到汇点端口的电力传送的电压及电流电平的通信，其中电力协商通信独立于正常usb通信。
4.电力消耗是许多usb端口系统(例如电池供电装置)中的usb端口控制器的问题。此外，多端口usb系统可包含一或多个未使用的或未附接的端口以及连接到usb兼容装置的其它端口。不同usb端口是个别地由相关联端口控制器管理，且端口管理器电路使用通信互连(例如，i2c串行总线与数据及时钟线)与端口控制器通信。usb实现者论坛(usb
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if)于2015年10月20日发布i2c规范，其定义端口管理器可用来与端口控制器互动的寄存器集合。i2c为串行接口的实例。端口管理器可通过发送适当命令将未使用的端口控制器放置于低电力操作模式中。然而，端口管理器充当沿i2c总线的主控装置及主从通信架构，且每一端口控制器必须将串行接口电路保持在供电状况下以便在任何时间快速地对读取及写入事务作出反应。此外，空闲模式端口控制器必须对检测到的通信事务作出反应，即使并未针对所述端口控制器寻址，且端口管理器接着必须发送另一命令以将端口控制器放置回到空闲模式中。此状况在具有多个空闲模式端口的系统中恶化，其中到有源端口的通信引起所有空闲端口作出响应，且端口管理器必须发送多个命令以再次将这些端口控制器放置于空闲模式中，所述端口控制器的每一者引起另一空闲模式中断。


技术实现要素：

5.所揭示的实例包含usb端口控制器和用于usb端口控制器的功耗降低及第电力或空闲模式操作的方法。端口控制器响应于来自端口管理器电路的命令而从正常第一电力模式切换到用于降低功耗的第二电力模式。端口控制器响应于在通信连接上检测到的活动或响应于检测到的usb装置的连接而从第二电力模式切换回到第一电力模式。在由于检测到
的通信活动而退出低电力模式的情况下，端口控制器自动切换回到第二电力模式，除非在特定时间内接收寻址到usb端口控制器的通信事务。这通过允许端口控制器在不等待来自端口管理器电路的特定命令的情况下返回到低电力操作模式来促进电力节约，且端口管理器电路并不需要利用此类消息传送来中断其它端口控制器，从而允许空闲模式端口控制器避免对通信事件作出响应。
6.在某些实例中，usb端口控制器可通过端口管理器配置以充当源、汇点及/或充当双角色电源(drp)端口控制器。端口控制器根据此经配置端口模式在正常电力模式及低电力模式两者下操作，且在退出低电力模式后继续或恢复经配置端口模式操作。在某些实施方案中，drp配置的端口控制器在正常电力模式操作期间在未附接汇点状态与未附接源状态之间切换。在低电力或空闲模式操作中，drp配置的端口控制器在未附接的源状态与禁用状态之间切换。在某些实例中，端口控制器包含低电力连接或附接检测电路(例如简单比较器电路)，其监测usb端口连接器的配置信道(cc)线的电压以检测电力同步usb装置的连接。在某些实例中，端口控制器包含具有开关的偏压控制电路，所述开关在低电力模式中在禁用状态下选择性地将相对高电阻的下拉电阻器连接到cc线。这允许比较器电路使用较高阈值电压来进行usb装置附接检测。
7.另外的所揭示实例包含用于操作usb端口控制器的方法，包含响应于来自端口管理器电路的命令将控制器的操作从第一(正常)电力模式切换到第二低电力模式。某些实例还提供响应于在通信连接上检测到的活动或检测到的usb装置到usb端口控制器的连接从第二电力模式切换到第一电力模式。所述方法进一步包含在响应于检测到的通信活动切换到第一电力模式后自动切换回到第二电力模式，除非在特定时间内接收到寻址到usb端口控制器的通信事务。
附图说明
8.图1为具有主机处理器、端口管理器及多个usb端口控制器ic以与usb兼容装置介接的主机印刷电路板的示意图。
9.图2为在图1的端口控制器中实施的状态机的示意图。
10.图3a及3b描绘用于操作usb端口控制器的方法的流程图。
具体实施方式
11.在图式中，相同参考数字贯穿全文指代相同元件，且各种特征不必按比例绘制。同样，术语“耦合(couple/couples)”意在包含间接或直接电连接。举例来说，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，那么所述连接可以是经由一或多个介入装置及连接的直接电连接或间接电连接。
12.图1展示使用主机印刷电路板(pcb)100实施的usb主机系统，其包含实施usb电力传递(usb
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pd)系统的各种电路。所述系统包含多个端口连接器102
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1及102
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2，以及相关联的端口控制器集成电路(ic)120
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1及120
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2。端口控制器120将主机电路(例如介接处理器110)与一或多个usb装置(图中未展示)介接，以用于通过连接器102传送数据和/或电力。第一usb端口控制器ic 120
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1描述如下，且针对第二所说明的usb端口控制器120
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2提供类似组件及操作。主机系统100使用端口控制器120控制主机pcb 100与经连接usb兼容装置之间
的电力传送。在一个实例中，连接器102为与相对应的usb端口相关联的c型(usb
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c)端口连接器102。在一个实例中，usb控制器120包含将基带收发器124与usb缆线连接器102的配置信道线114电耦合的端子。基带收发器124包含用以根据来自主机处理器110的发射数据信号将数据发射到cc线114和用以从配置信道线114接收数据的i/o连接。主机处理器110及控制器ic 120由向控制器120的第一电压节点in提供正电压的电力供应器108供电。控制器ic 120还包含经由ic 120的输出端子out连接到usb连接器102的总线电压线112(vbus)的电源电路122。
13.在一个实例中，主机处理器110为可编程或经编程处理器，其在经供电时可操作用来执行存储于相关联电子存储器(图中未展示)中的指令，以与经由usb缆线(图中未展示)连接到相对应的端口连接器102的相关联usb兼容装置协商usb电力传送参数。在其它实例中，主机110可为任何合适的处理器、逻辑电路或其组合，无论是实施为单一电路(例如集成电路或ic)还是实施为多个电路。在一个实例中，主机pcb 100提供从控制器ic 120到主机处理器110的dp_out及dm_out连接，且usb控制器120提供dm_in及dp_in端子以连接到连接器102的d 线及d
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线，所述d 线及d
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线允许主机处理器110发送及接收数据包。控制器ic 120还提供用于连接到usb缆线102的接地线的接地端子gnd。在某些实例中，并未提供主机处理器110，端口接口并未使用连接器102的d 线及d
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线，且未使用或可省略dm_in及dp_in端子。在某些实例中，端口控制器120实施沿着一或多个配置信道线114与经连接usb装置的通信，以与端口管理器电路104交换数据。
14.端口控制器120各自包含通信接口电路142，其用以在正常模式下通过通信连接与端口管理器电路104通信。在一个实例中，端口管理器104与主机处理器110通信，且引导或控制经连接usb端口控制器120的操作以用于沿通信连接的消息交换。在另一个实施方案中，端口管理器电路104包含于主机电路110中。在又一实施方案中，端口管理器电路104及端口控制器电路处于同一ic中。在又一实施方案中，多个端口控制器处于同一ic中。在所说明的实例中，提供i2c串行总线连接，其包含串行时钟线106(scl)及串行数据线(sda)。在此实例中，端口控制器120提供i2c接口电路142，其在低电力模式操作期间选择性地断电。在一个实例中，端口管理器电路104充当通信主控装置，且端口控制器ic 120各自在使用i2c总线106及108彼此通信的主从通信配置中充当从属装置。确切地说，端口管理器104可向总线提供消息包。经连接端口控制器120各自分配有唯一地址，且每一端口控制器120评估所接收消息包的地址字段以确定其为既定接收方。使用此配置，在某些实例中，端口管理器104可将数据写入到每一个别端口控制器ic 120的寄存器137到139并从其读取数据，以便交换数据以控制端口控制器120的某些操作。
15.端口控制器120还包含低电力模式控制电路130以及通信接口电路142。控制电路142可为任何合适的逻辑电路，无论是可编程的还是其它形式，以实施端口控制器120的高级电力模式和端口模式操作，如本文中进一步详述。在一个实例中，控制电路130包含状态机140，其可在各种实例中通过执行固件或程序指令或通过专用逻辑电路来实施。控制电路130还包含定时器电路141、警报暂存器137(警报)、角色控制寄存器138(角色控制)及命令寄存器139(命令)，其用作与端口管理器电路104的接口。
16.控制电路130控制端口控制器120的电力模式。在一个实例中，低电力控制电路130控制电源电路122选择性地实施用于正常操作usb端口控制器120的第一电力模式(正常模
式)或用于降低usb端口控制器120的电力消耗的第二电力模式(lp模式)。在一个实例中，所说明的低电力模式控制电路130的所有或一些组件在于第二电力模式下操作期间保持供电，且端口控制器120的剩余电路中的一些或全部在第二电力模式下断电。在一个实施方案中，低电力模式控制电路130包含两个区段，一个区段包含操作开关s1及s2的开关电路和比较器电路150，且这些电路仅在低电力模式下通电。在正常模式操作开始时，i2c接口电路142和寄存器137
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139及141变成有源的。在此实例中，促进低电力消耗且只有用于监测usb装置(例如，上拉/下拉及比较器)的连接的电路是有源的。在一个实例中，电源电路122包含电力转换电路以在电力模式控制电路130的控制下向端口控制器ic 120内的各种电路提供电力。端口管理器电路104可引导控制电路130通过撰写指令寄存器139而使端口控制器120进入低电力模式。在某些实施方案中，端口管理器电路104还可命令控制电路130从低电力模式切换到正常电力模式，但并非是对所揭示实例的所有实施方案的严格要求。控制电路130通过连接132以操作方式与电源电路122耦合，以便控制端口控制器120内的某些电路的选择性关断或闲置，以实施低电力空闲模式。
17.控制电路130还控制端口控制器120的“端口模式”。在某些实例中，端口模式由端口管理器电路104使用写入操作引导到控制电路130的角色控制寄存器138。控制电路130经由连接132提供控制信号或命令消息传送，以允许端口管理器电路104将电源电路122配置为选择性地在经配置端口模式下操作。在一个实例中，经配置端口模式包含第一端口模式(源端口模式)，其中电源电路122向usb端口连接器102的电源线112传递电力。在第二端口模式(汇点端口模式)下，电源电路122接收来自电源线112的电力。在第三端口模式(两用电源或drp模式)下，电源电路122抑制传递电力到电源线112或从电源线112接收电力，从而等待usb装置连接到连接器102。
18.端口管理器电路104经由i2c接口电路142将适当位写入到控制电路角色控制寄存器138，以选择性地控制相关联usb端口的接口以实施多种不同配置。usb
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pd标准定义四类usb兼容装置，包含仅提供者、提供者
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客户、客户
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提供者及仅客户。为仅提供者、提供者
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客户或客户
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提供者的装置有时可起源的作用，以在vbus线112上提供dc电源以供远端装置消耗或吸收。usb
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c辨识三类usb装置：下行端口(dfp)、上行端口(ufp)及双角色端口或双角色电源(drp)。在不存在usb
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pd消息传送的情况下，dfp为电源且ufp吸收电力。usb
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c缆线及连接器包含用于电力配置和用于基带通信的配置信道(cc)线114或多个配置信道线。usb
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pd规范提供使用双相标记译码(bmc)的基带通信以用于通过配置信道线114交换消息。usb
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c系统使用具有两个配置信道线cc1及cc2的c型插头。结合单一配置信道线114描述本公开的各个方面，且这些技术可在各种实施方案中相对于多个配置信道线应用。usb
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pd规范定义在经由usb
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pd缆线及连接器连接的端口之间的半双工基于数据包的通信链路，以交换使得两个端口能够通信并协商从源端口提供到汇点端口的电压和电流的信息。端口可协商交换角色(源到汇点及汇点到源)。cc线上的bmc通信独立于通过usb缆线的d 线及d
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线的正常usb通信。所述一或多个配置信道线可用于借助于模拟信号电平来协商已连接装置的电力传送配置。举例来说，在没有usb
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pd消息传送的情况下通过控制配置信道线114上的dc电压来传递高达15w的电力。通过来自dfp装置的上拉电流(例如，使用上拉电阻器rp或电流源)及来自ufp装置的下拉电阻器rd(或下拉电流源)来确定配置信道线114的标称电压。由于上拉电平和下拉电平的组合，cc线电压值因此在许多情况下可在0.3v到2.4v之之间变化。
19.图2展示由控制电路130实施的实例状态机140的进一步细节。控制电路130检测到由于通信线106或108上的噪声或其它误触发警报而退出低电力模式，且因此在端口管理器104没有进一步动作的情况下使端口控制器120返回低电力模式。在第一(正常)电力模式期间的drp端口模式中，状态机140在未附接src状态201与未附接snk状态202之间切换。在未附接src状态201下，usb端口控制器120通过闭合图1中的开关s4来将上拉电阻器rp1连接到usb端口连接器102的配置信道线114，且正常模式比较器电路(图中未展示)监测配置信道线114的电压，以检测吸电usb装置到usb端口连接器102的连接。在未附接snk状态202下，usb端口控制器120闭合开关s3以将相对低电阻的下拉电阻器rd1连接到配置信道线114，且正常模式比较器电路监测通信通道线114以检测供电usb装置到usb端口连接器102的连接，其由配置信道线电压高于阈值转换所指示。开关s3及s4为单刀双掷，以使得总是仅闭合一个。在一个实例中，正常模式电路能够检测低至0.25v的配置信道电压。
20.在端口控制器120的低电力模式操作期间的drp端口模式下，状态机140在其中usb端口控制器120施加不同的上拉电阻器rp2(或电流源)并监测配置信道线114的未附接src状态201与其中usb端口控制器120施加不同的下拉电阻器rd2并监测配置信道线114以检测供电usb装置到usb端口连接器102的连接的禁用状态203之间切换。在一个实例中，低电力控制电路130包含开关电路146，其中第一开关s1在禁用状态203期间闭合以将rd2连接到配置信道线114。在此配置中，第一低电力比较器电路144将配置信道线114的电压cc与阈值电压vth2进行比较，并在比较器输出145处提供信号wake2，其指示cc电压已超出阈值电压vth2，从而指示usb装置连接到端口102
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1。
21.在一个实例中，低电源电路130还包含开关s2，其在未附接src状态201下的低电力模式操作期间选择性地闭合。闭合开关s2而连接在供电电压v 与配置信道线114之间的第二上拉电阻器rp2，以及将cc线电压与第三阈值电压vth3进行比较的低电力比较器150。在此操作条件下，比较器150在输出151处提供信号wake3，以指示cc电压已降低到指示装置端口102
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1的连接的阈值电压vth3以下。此外，端口控制器120在从第二电力模式切换到第一电力模式后继续在经配置端口模式(例如，源、汇点或drp)下操作。以此方式，端口控制器120降低主机系统100的电力消耗，且当在通信总线106、108或在通信信道线114上发生误触发事件时允许空闲端口控制器120迅速返回低电力模式。如果吸电usb装置附接到端口连接器102而端口控制器状态机140处于未附接src状态201中，那么状态机140转到等待附接src状态204并接着继续实施状态机140。然而，在禁用状态203中，如果控制信道线114上的电压上升高于由vth2设置的检测阈值，那么状态机140转换到未附接snk状态202。在交替地闭合s1及s2以在将rp连接到cc线114与将rd连接到所述cc线之间切换时，配置信道线114上的电压将从高到低或从低到高变化，且比较器电路将忽略此预期转换，以使得wake2或wake3信号均不会引起端口控制器120在转换期间退出低电力操作模式。
22.在一个实例中，低电力模式控制电路130响应于通信接口电路142接收来自端口管理器电路104的命令(例如i2cidle命令)而将端口控制器120的操作从用于正常操作端口控制器120的第一电力模式切换到用于降低端口控制器120的电力消耗的第二电力模式。控制电路130响应于在通信连接106、108上检测到的活动或检测到的usb装置到usb端口连接器102的连接而将usb端口控制器120的操作从第二电力模式切换回第一电力模式。并且，如果由检测到的通信连接活动引起退出低电力模式，那么控制电路130启动定时器141，并且在
从第二电力模式切换到第一电力模式之后的非零特定时间内(例如在定时器141到期时)没有接收到寻址到usb端口控制器120的通信事务的情况下，将端口控制器120的操作自动切换回第二电力模式。以此方式，如果端口管理器电路104在定时器141到期之前并未驱动读取或写入事务，那么端口控制器120返回低电力模式。这允许电路120迅速返回低电力操作，包含其中由通信线106或108上的噪声引起退出低电力模式和端口管理器104并未试图与端口控制器120通信的情境。如果端口管理器104尝试实际通信事务，那么低电力i2c模式的端口控制器120会检测时钟线106和/或数据线108上的上升沿和/或下降沿，并在5ms内恢复正常电力模式操作以便能够处理来自端口管理器电路104的另一读取或写入。
23.图1的实例端口控制器ic 120还提供经降低电力以用于使用专用低电力检测电路监测低电力模式操作期间的配置信道线114，以检测控制器130因其退出第二电力模式的通信或附接事件。在一个实例中，低电源电路130包含一或多个边缘检测器电路，其在第二(低)电力模式下操作以识别线106(时钟)及108(数据)的电压中的上升沿。在图1的实例中，低电源电路130包含比较器148，其将串行时钟线scl的电压与阈值电压vth1进行比较以检测串行时钟线的上升或下降沿。比较电路148包含输出143，其可在第二电力模式lp下操作以响应于通信连接106、108的经检测信号边缘而提供通信检测信号wake1。响应于指示通信连接106、108的经检测信号边缘的通信检测信号wake1，控制电路130将端口控制器120的操作从第二电力模式切换到第一电力模式。
24.端口控制器120还包含在第二电力模式下保持供电的专用低电力附接或连接检测电路。比较器144将配置信道线114的电压cc与参考电压vth2进行比较以便检测usb装置到usb端口连接器102的连接。比较器输出145响应于配置信道线114的电压cc超出阈值电压vth2而提供端口连接检测信号wake2。端口控制器120还包含具有开关电路的偏压控制电路146，其由控制连接134上的一或多个控制信号控制以选择性地上拉或下拉(例如偏压)配置信道线114上的电压cc。在一个实例中，偏压电路146实施单刀双掷开关，其经展示为图1中用于低电力操作模式的开关s1及s2。端口控制器120的正常模式电路在正常电力模式操作期间闭合图2的处于未附接snk状态202的开关s3，以连接配置信道线114与电路接地参考gnd之间的5.1kω电阻器rd1。连接中的usb源装置将向配置信道线114提供电流，从而使cc线电压为大致0.4v。
25.在低电力模式中，控制电路130闭合开关s1以连接配置信道线114与gnd之间的更大电阻器rd2(例如，125kω或更大，如200kω)。下拉电阻器rd2的电阻高于在第一电力模式下施加的下拉电阻。在某些实例中，当端口控制器120在汇点端口模式下操作时或当在处于第二电力模式的drp端口模式操作期间在禁用状态203下操作时，施加此较大下拉电阻rd2。优选地，电阻器rd2的电阻值足够大以使得配置信道线114似乎对正在usb缆线的另一端处施加上拉电阻器rp的已连接usb源开放。在某些实例中，下拉电阻器rd2的电阻值足够大以使得其不会由连接在缆线另一端处的供应usb装置检测到，并且cc线电压凭此保持高于电压vopen。电压vopen取决于上拉rp的强度，但在某些实例中可为1.6v或2.6v。并且，当供电usb装置连接到端口连接器102时，rd2的较大电阻增大配置信道线电压cc。这促进在低电力模式期间使用阈值比较电压vth显著高于0.25伏的低成本简单比较器144，以允许精确检测实际装置连接，同时降低由配置信道线114上的噪声引起的错误检测的可能性。响应于usb装置连接到usb端口连接器102，控制电路130配置成响应于来自比较器144的端口连接检测
信号wake2而将端口控制器120从第二电力模式切换到第一电力模式，所述端口连接检测信号wake2指示配置信道线114的电压cc超出阈值电压vth2。
26.图3a及3b说明操作usb端口控制器的方法300，其可实施于上述端口控制器120中。方法300在图3a中于302处在第一(正常)电力模式下开始。在302处，端口控制器302根据端口管理器104所命令的端口模式而以经配置源、汇点或drp端口模式操作。在304处，对于经配置源端口模式，(例如，通过控制电路130闭合图1中的第三开关s3)或通过将电流源(图中未展示)连接到线114而将上拉电阻器rp连接到配置信道线114。对于在306处的经配置汇点端口模式，端口控制器120将5.1kω下拉电阻器(图1中的rd1)连接到配置信道线114。在308处，对于经配置双角色电源端口模式，端口控制器120在图2中的未附接src状态201与未附接snk状态202之间切换。控制电路130在310处确定是否已从端口管理电路104接收i2cidle命令。如果为否(在310处为否)，那么方法300继续上文如302至308处所描述的正常电力模式操作。
27.如果已从端口管理器电路104接收i2cidle命令(在图3a中的310处为是)，那么方法300在图3b中继续，包含在312处将操作切换到用于降低端口控制器120的电力消耗的第二电力模式。在第二电力模式中，端口控制器120根据由端口管理器电路104设置的先前经配置端口模式在314、316或318处实施低电力操作。在314处，对于源端口模式，电源电路122将电力传递到电源线112，且偏压电路146经由开关s4将47kω上拉电阻器rp1(或电流源，图中未展示)连接到配置信道线114。在316处，对于汇点端口模式，电源电路122从电源线112接收电力，且偏压电路146经由图1中的开关s1将200kω下拉电阻器rd2连接到配置信道线114。在318处，对于drp端口模式，电源电路122抑制将电力传递到电源线112或从电源线112接收电力，从而等待usb装置连接到usb端口连接器102，并在未附接src状态201与禁用状态203之间切换，其中偏压电路146经由处于禁用状态203的开关s1将200kω下拉电阻器rd2连接到配置信道线114。
28.控制电路130在320处确定是否已检测到端口连接活动或i2c通信活动。如果为否(在320处为否)，则过程300在312至318处以第二电力模式继续。如果在310处检测到通信活动，那么方法300进行到322，包含返回第一电力模式并继续经配置端口模式操作。控制电路130在322处启动定时器，并在324处确定在定时器到期之前用匹配地址接收i2c包。如果为否(在324处为否)，那么控制电路130在328处使端口控制器120自动返回低电力模式，且过程使用如上文所描述的经配置端口模式返回312到318。否则(在324处为是)，端口控制器120对i2c消息作出响应并在图3a中在302到308处继续正常电力模式，如上文所描述。
29.如果在320处检测到端口附接或连接(在320处为是)，那么端口控制器120在330处根据相同经配置端口模式返回第一电力模式，且控制电路130例如通过在图1中的警报暂存器137中写入适当标志位而警告端口管理器电路104。当在330处退出低电力模式时，端口控制器120保持处在当其检测到端口连接时所处的上一端口模式(例如源/汇点)中。举例来说，如果端口控制器120在低电力模式下施加rp2，那么端口控制器120在正常模式下连接rp1并接着断开rp2，以使得发生几乎无缝转换。在转换到正常电力模式过程中，端口控制器120在低电力模式下类似地从rd2的连接自动切换到rd1的连接。过程300接着返回到图3a中的302到308以用于如上文所描述的正常模式操作。
30.修改在所描述的实施例中是可能的，且在权利要求书的范围内，其它实施例是可
能的。