一种兼容通信和快充的主设备及兼容系统的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及的是一种兼容通信和快充的主设备及兼容系统。


背景技术：

2.现有的usb设备，分为主设备和从设备；主设备通常包括pc（personal computer）、服务器、工作站、车载电脑等设备；从设备通常包括手机、平板、mifi（mobile wifi）、cpe（customer premise equipment）等设备。通讯时，主从设备相连，由主设备向从设备供电，如图1所示。通常情况下大多数主设备（如pc）仅支持usb2.0，其最大供电能力只有500ma，若使用主设备对从设备充电，则充电速度较慢。但是，随着手机、平板等移动设备的发展，产品功能增多，使用时间增加和功耗上升使得电池容量越来越大，因此对快速充电的要求也越来越高。
3.目前所使用的usb type-a接口、type-b接口或usb type-c接口的终端设备，使用的快充协议（如：bc1.2（battery charging v1.2）、qc（quickcharge）、fcp（fast charge protocol）/scp（super charge protocol）、sfcp（supports spreadtrum fast charge protocol）等）都是通过usb的dp信号和dn信号来握手（还有部分usb type-c接口的设备使用cc信号来握手），识别对应的快充协议。还有pump express协议是用vbus脚上的电流脉冲来握手。
4.因此，对这些设备来说，如果要进行快速充电，就需要一个特制的充电器，必须设有dp信号和dn信号的传输脚以及vbus脚。手机之类的终端设备进行数据通信和快速充电时，必须分别连接usb主设备和充电器这两个设备，增加了用户设备的冗余，同时也无法完成某些需要同时快速充电和数据通信的需求，如产线的自动化测试等。
5.因而现有技术还有待改进和提高。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种兼容通信和快充的主设备及兼容系统，以解决现有主设备不能对从设备进行快充的问题。
7.为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：
8.一种兼容通信和快充的主设备，连接从设备，其包括一电路板，所述电路板上设有电源开关电路、切换开关电路和快充电路；所述快充电路连接电源开关电路和切换开关电路，电源开关电路和切换开关电路均连接从设备；
9.所述快充电路将输入的快充输入电压降压为对应的快充电源电压；
10.所述电源开关电路根据第一切换信号控制是否将主设电源电压输出给从设备供电，根据第二切换信号控制是否将所述快充电源电压输出从设备充电；
11.所述切换开关电路根据第三切换信号选择是将主设备连接从设备并进行数据通信，还是将快充电路连接从设备并识别快充协议后进行快充。
12.所述的兼容通信和快充的主设备中，所述电源开关电路包括第一开关芯片、第二开关芯片、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
13.所述第一开关芯片的vin脚输入主设电源电压；第一开关芯片的脚连接第一电阻的一端、第二电阻的一端和第三电阻的一端；第一电阻的另一端输入第一切换信号，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端连接第一开关芯片的脚;第一开关芯片的vout脚连接第二开关芯片的vout脚和从设电源端；第二开关芯片的vin脚连接快充电路；第二开关芯片的脚连接第四电阻的一端、第五电阻的一端和第六电阻的一端；第四电阻的另一端输入第二切换信号，第六电阻的另一端接地，第五电阻的另一端连接第二开关芯片的脚； 第一开关芯片的gnd脚和第二开关芯片的gnd脚均接地。
14.所述的兼容通信和快充的主设备中，所述电源开关电路还包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；
15.所述第一电容连接在第一开关芯片的vin脚与地之间，第二电容连接在第一开关芯片的vout脚与地之间，第三电容连接在第二开关芯片的vin脚与地之间，第四电容连接在第二开关芯片的vout脚与地之间。
16.所述的兼容通信和快充的主设备中，所述切换开关电路包括模拟开关、第五电容和第七电阻；
17.所述模拟开关的hsd1 脚输入主设备的dp信号，模拟开关的hsd2 脚和hsd2-脚均连接快充电路，模拟开关的d 脚连接从设备，模拟开关的d-脚连接从设备，模拟开关的hsd1-脚输入主设备的dn信号；模拟开关的vcc脚输入供电电压、还通过第五电容接地；模拟开关的s脚输入第三切换信号、还通过第七电阻接地；模拟开关的gnd脚和脚均接地。
18.所述的兼容通信和快充的主设备中，所述快充电路包括快充芯片、电感、第六电容、第七电容和第八电容；
19.所述快充芯片的vin脚输入快充输入电压、还通过第六电容接地；快充芯片的dp脚连接模拟开关的hsd2 脚，快充芯片的dm脚连接模拟开关的hsd2-脚，快充芯片的sw脚连接电感的一端和第八电容的一端，快充芯片的vout脚连接电感的另一端和第二开关芯片的vin脚，快充芯片的bst脚连接第八电容的另一端，快充芯片的gnd脚接地。
20.所述的兼容通信和快充的主设备中，所述快充电路还包括第九电容和第十电容；
21.所述第九电容连接在快充芯片的vin脚与地之间，第十电容连接在电感的另一端与地之间。
22.一种兼容系统，包括从设备，其还包括所述的兼容通信和快充的主设备；所述主设备连接从设备；
23.所述主设备判断需要数据通信时，输出主设电源电压给从设备供电并与从设备进行数据通信；判断需要快充时，识别快充协议将快充电源电压输出给从设备进行快充。
24.相较于现有技术，本实用新型提供的兼容通信和快充的主设备及兼容系统，主设备连接从设备，主设备一电路板，所述电路板上设有电源开关电路、切换开关电路和快充电路；所述快充电路连接电源开关电路和切换开关电路，电源开关电路和切换开关电路均连接从设备；所述快充电路将输入的快充输入电压降压为对应的快充电源电压；所述电源开关电路根据第一切换信号控制是否将主设电源电压输出给从设备供电，根据第二切换信号
控制是否将所述快充电源电压输出从设备充电；所述切换开关电路根据第三切换信号选择是将主设备连接从设备并进行数据通信，还是将快充电路连接从设备并识别快充协议后进行快充。从而解决了现有主设备不能对从设备进行快充的问题。
附图说明
25.图1 是现有主设备对从设备充电的结构框图。
26.图2 是本实用新型提供的兼容系统的结构框图。
27.图3 是本实用新型提供的电源开关电路的电路图。
28.图4 是本实用新型提供的切换开关电路的电路图。
29.图5 是本实用新型提供的快充电路的电路图。
30.图6 是本实用新型提供的另一实施例的兼容系统的结构框图。
具体实施方式
31.本实用新型提供一种兼容通信和快充的主设备及兼容系统。为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
32.请参阅图2，本实用新型提供的兼容系统包括兼容通信和快充的主设备10和从设备20，所述兼容通信和快充的主设备10连接从设备20；所述主设备10判断需要数据通信时，输出主设电源电压给从设备供电并与从设备进行数据通信；判断需要快充时，识别快充协议将快充电源电压charger_vbus输出给从设备进行快充。所述主设备可为pc、服务器、工作站、车载电脑等设备，
33.所述兼容通信和快充的主设备的电路板上设有电源开关电路110、切换开关电路120和快充电路130；所述快充电路连接电源开关电路和切换开关电路，电源开关电路和切换开关电路均连接从设备。所述快充电路130将输入的快充输入电压vin降压为对应的快充电源电压charger_vbus；所述电源开关电路110根据第一切换信号host_sw1控制是否将主设电源电压输出给从设备供电，根据第二切换信号host_sw2控制是否将所述快充电源电压charger_vbus输出从设备充电；所述切换开关电路120根据第三切换信号host_sw3选择是将主设备连接从设备并进行数据通信，还是将快充电路130连接从设备并识别快充协议后进行快充。
34.请一并参阅图3，所述电源开关电路110包括第一开关芯片u1、第二开关芯片u2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5和第六电阻r6；所述第一开关芯片u1的vin脚输入主设电源电压host_vbus（由主设备的电路板上的电源电路提供）；第一开关芯片u1的脚连接第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端和第三电阻r3的一端；第一电阻r1的另一端输入第一切换信号host_sw1，第二电阻r2的另一端接地，第三电阻r3的另一端连接第一开关芯片u1的脚;第一开关芯片u1的vout脚连接第二开关芯片u2的vout脚和从设电源端；第二开关芯片u2的vin脚连接快充电路130（由快充电路提供快充电源电压charger_vbus）；第二开关芯片u2的脚连接第四电阻r4的一端、第五电阻r5的一
端和第六电阻r6的一端；第四电阻r4的另一端输入第二切换信号host_sw2，第六电阻r6的另一端接地，第五电阻r5的另一端连接第二开关芯片u2的脚； 第一开关芯片u1的gnd脚和第二开关芯片u2的gnd脚均接地。
35.其中，所述第一切换信号host_sw1和第二切换信号host_sw2通常由主设备的电路板上的控制电路提供，如单片机的gpio脚输出，此处只是使用该切换信号，对控制电路不作详述。第一开关芯片u1和第二开关芯片u2的型号优选为sgm2588，带反向阻断，可避免电流倒灌。这两个切换信号为对应开关芯片的使能信号，为高电平时打开对应的开关芯片，为低电平时关闭对应的开关芯片。上电时，无切换信号输出，通过第二电阻r2、第六电阻r6将两个切换信号对应拉低为低电平，后续再根据切换需求选择将对应的切换信号输出为高电平。当第一切换信号host_sw1为高电平时，第一开关芯片u1打开，将主设备的电源电路提供的主设电源电压host_vbus输出至从设电源端，输出从设电源电压device_vbus给从设备供电。当第二切换信号host_sw2为高电平时，第二开关芯片u2打开，将快充电路130提供的快充电源电压charger_vbus输出至从设电源端，输出从设电源电压device_vbus给从设备充电。在具体实施时，第一开关芯片u1和第二开关芯片u2也可替换为一个二选一的开关。
36.优选地，所述电源开关电路110还包括第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4；所述第一电容c1连接在第一开关芯片u1的vin脚与地之间，第二电容c2连接在第一开关芯片u1的vout脚与地之间，第三电容c3连接在第二开关芯片u2的vin脚与地之间，第四电容c4连接在第二开关芯片u2的vout脚与地之间。
37.其中，第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4的规格优选为2.2uf（容值）/16v（耐压）；第一电容c1、第三电容c3用于对所接开关芯片的vin脚输入的电源电压进行滤波；第二电容c2、第四电容c4用于对所接开关芯片的vout脚输出的从设电源电压device_vbus进行滤波。
38.请一并参阅图4，所述切换开关电路120包括模拟开关u3、第五电容c5和第七电阻r7；所述模拟开关u3的hsd1 脚输入主设备的dp信号host_dp（连接主设备中usb接口的dp脚、用于传输dp信号），模拟开关u3的hsd2 脚和hsd2-脚均连接快充电路130，模拟开关u3的d 脚连接从设备（具体连接从设备中usb接口的dp脚、用于传输dp信号的），模拟开关u3的d-脚连接从设备（具体连接从设备中usb接口的dn脚、用于传输dn信号），模拟开关u3的hsd1-脚输入主设备的dn信号host_dn（连接主设备中usb接口的dn脚、用于传输dn信号）；模拟开关u3的vcc脚输入供电电压vcc、还通过第五电容c5接地；模拟开关u3的s脚输入第三切换信号host_sw3、还通过第七电阻r7接地；模拟开关u3的gnd脚和脚均接地。
39.其中，模拟开关u3优选型号为sgm7222的双刀双掷（dpdt）高速模拟开关，其脚为使能脚并通过接地将该使能脚上的使能信号下拉为低电平（有效），控制模拟开关u3工作。供电电压vcc通过第五电容c5滤波后、从vcc脚输入给模拟开关u3供电，电压范围为4.3v~4.8v。模拟开关u3的s脚为控制脚，根据第三切换信号host_sw3的高低电平来选择是主设备连接从设备进行数据通信，还是快充电路连接从设备来进行握手。第三切换信号host_sw3由主设备的电路板上的控制电路提供，如单片机的gpio脚输出。默认状态下，s脚被第七电阻r7拉低（相当于第三切换信号host_sw3为低电平），d-脚连接hsd1-脚，d 脚连接hsd1 脚，即主设备连接从设备，两者之间通过dp信号（host_dp—devices_dp）和dn信号（host_
dn—devices_dn）进行数据传输。当第三切换信号host_sw3为高电平时，d-脚连接hsd2-脚，d 脚连接hsd2 脚，即快充电路连接从设备，两者之间通过dp信号（charger_dp—devices_dp）和dn信号（charger _dn—devices_dn）进行快充协议的识别。
40.请一并参阅图5，所述快充电路130包括快充芯片u4、电感l1、第六电容c6、第七电容c7和第八电容c8；所述快充芯片u4的vin脚输入快充输入电压vin、还通过第六电容c6接地；快充芯片u4的dp脚连接模拟开关u3的hsd2 脚，快充芯片u4的dm脚连接模拟开关u3的hsd2-脚，快充芯片u4的sw脚连接电感l1的一端和第八电容c8的一端，快充芯片u4的vout脚连接电感l1的另一端和第二开关芯片u2的vin脚，快充芯片u4的bst脚连接第八电容c8的另一端，快充芯片u4的gnd脚接地。
41.其中，所述快充芯片u4可采用支持多种快充协议的快充芯片，经过握手识别后，可以根据不同协议实现快速充电，型号优选为ip6505。快充输入电压vin的输入范围为4.5v~32v，由充电器提供。现有充电器在接入220v市电后，对市电整流、滤波、降压处理后即可输出快充输入电压vin，此为现有技术，此处不作赘述。快充芯片u4主要是降压转换，将输入的快充输入电压vin降压为合适的快充电源电压charger_vbus并通过其vout脚输出，供给从设备实现快充。电感l为储能电感，sw脚为电感连接脚，sw脚上的电压值由连接的从设备通过dp/dn发送命令来进行控制（即通过对应的快充协议来调整快充电源电压charger_vbus的压值），输出的电流值由连接的从设备确定（不超过从设备的最大输出能力的情况下）。第六电容c6为输入电容，用于滤波去扰，规格优选为100uf（容值）/25v（耐压）；第七电容c7为输出电容，用于滤波使电压平滑，规格优选为100uf/16v；第八电容c为自举电容。
42.优选地，为了增加滤波效果，所述快充电路130还包括第九电容c9和第十电容c10；所述第九电容c9连接在快充芯片u4的vin脚与地之间，第十电容c10连接在电感l1的另一端与地之间。第九电容c9的规格优选为22uf（容值）/25v（耐压），第十电容c10的规格优选为10uf（容值）/25v（耐压）。
43.请继续参阅图2至图5，所述兼容系统的工作原理为：
44.当主设备与从设备通过对应的usb接口连接后，主设备与从设备进行usb接口的识别。主设备与从设备之间进行数据通信还是快充，是根据用户需求来判断的，即数据通信是否切换为快充的条件可以由主设备根据实际需要判断，快充切换为数据通信的条件可以增加其他检测模块通知主设备中的控制电路，或者由控制电路定时切换。
45.比如：手机自动化生产线的应用场景中，pc通过usb接口的dp脚/dn脚向手机发送命令，使手机进入对应的测试状态，需要手机的数据通信测试和快充功能测试相互切换。判断和切换的操作都在产线的自动化测试软件中设置，这个自动化测试软件安装在主设备的控制模块，输出对应电平的切换信号即可。
46.数据通信切换为快充的条件，可以设定为某一项测试完成后，手机回复完成状态。然后pc发命令切换到快充，手机与快充电路握手，进行充电。快充切换为数据通信的条件，可以设定为一定的时间或者增加检测电路（如串采样电阻，pc通过检测电压来判断充电电流，电流小于一定值认为充电完成），此时再切换回数据通信，pc发命令询问手机电量，若手机回复电量100%则通过测试。
47.当需要进行usb的数据通信时，第一切换信号host_sw1为高电平，第一开关芯片u1打开，将主设备的电源电路提供的主设电源电压host_vbus转换为从设电源电压device_
vbus给从设备供电。此时无第二切换信号host_sw2输出，相当于第二开关芯片u2的第二切换信号host_sw2被第六电阻r6拉低，第二开关芯片u2关闭不工作。同时，第三切换信号host_sw3保持当前的低电平，模拟开关u3的 d-脚连接hsd1-脚，d 脚连接hsd1 脚，相当于主设备与从设备之间通过dp信号（host_dp—devices_dp）和dn信号（host_dn—devices_dn）进行usb的数据传输。
48.当需要进行快充时，将第三切换信号host_sw3变为高电平，模拟开关u3的d-脚连接hsd2-脚，d 脚连接hsd2 脚，即快充电路连接从设备，两者之间通过dp信号（charger_dp—devices_dp）和dn信号（charger _dn—devices_dn）进行快充协议的握手识别。同时，快充芯片u4根据快充协议将输入的快充输入电压vin降压为合适的快充电源电压charger_vbus，第二切换信号host_sw2变为高电平且无第一切换信号host_sw1输出（相当于低电平），第二开关芯片u2打开且第一开关芯片u1关闭，第二开关芯片u2将快充电路130提供的快充电源电压charger_vbus转换为从设电源电压device_vbus并输出给从设备充电。
49.在快充过程中，由于已经通过快充协议调整好了用于充电的从设电源电压device_vbus的电压值，之后的dp/dn信号空闲，此时若需要快充的同时进行数据通信，可停止输出第三切换信号host_sw3（其被第七电阻r7拉低），则模拟开关u3的 d-脚连接hsd1-脚，d 脚连接hsd1 脚，此时主设备与从设备之间即可通过dp信号（host_dp—devices_dp）和dn信号（host_dn—devices_dn）进行usb的数据传输。数据传输完成后，可将第三切换信号host_sw3变为高电平，又切换回快充连接方式。
50.这样利用分时复用，即通过在同一硬件通路（模拟开关）上切换来实现数据通信和快充的“轮流”支持，如在一个时间点上只能支持二者之一，也可在一段时间内快充时进行数据通信；即可解决数据传输和dp/dn（快充连接方式）不能共用的问题。
51.需要理解的是，为了方便与现有的主设备和快速充电器搭配使用，再基于快速充电器是独立的，其功能与快充电路130相同，还可将电源开关电路110和切换开关电路120做成一个兼容设备，如图6所示，该兼容设备连接主设备、从设备和快速充电器。这样无需对现有主设备进行改动，还方便与现有设备搭配使用。
52.综上所述，本实用新型的兼容通信和快充的主设备及兼容系统，将主设备与支持快充协议的充电器（对应快充电路）合二为一，通过增加对应的开关切换，通过一个主设备就能实现主设备对从设备供电并数据传输，主设备对从设备进行快充充电的功能切换，还能在快充的同时进行数据传输。减少了设备冗余，可应用于usb数据通信与快充同时进行或交替进行的场景（如生产线手机自动化测试，各种功能测试都需要pc通过usb接口的dp/dn给手机发送命令，当测试完某一功能后，需要继续测试手机（从设备）快充功能，通过本主设备切换到内置的快速充电，与手机握手识别快充协议之后即可启动快速充电）。
53.应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。