通用串行总线的充电系统与方法与流程

1.本发明提供一种充电系统与方法，特别涉及一种应用于通用串行总线的充电系统与方法。


背景技术：

2.过去各种行动装置如笔记本电脑、手机，都采用不同充电接口，导致市面上所有充电器皆无法跨品牌兼容，造成随装置淘汰的浪费与环保问题，因此usb-if(universal serial bus implementers forum)全力推广架构于usbpower delivery(pd)充电，最著名的就是macbook、zenbook等，皆采用usb-pd协议与usb type-c界面充电。usb power delivery涵盖手机、数字相机、行动装置、外接储存外围、笔记本电脑、显示器等，让所有充电、数据传输通用一条线涵盖。
3.usb power delivery在充电及供电规格上，制定了最基本的profile 1(提供5v/2a、10w供电)、profile 2(提供5v/2a及12v/1.5a、10～18w供电)、profile 3(提供5v/2a及12v,3a、10～36w供电)、profile 4(提供5v/2a、20v/3a、10～60w供电)，以及最高级别profile 5(提供5v/2a、20v/5a、10～100w供电)。
4.usb-pd架构上定义了供电端(provider)与受电端(consumer)，两端各自有数据沟通以及提供额外电力的芯片(super speed interchip；ssic)，并利用23.2mhz的vbus收发载频，以300kbps传输速度来传递frequency shift keying(fsk)信号，并决定实际发送的电压值与电流值；而usb-pd 2.0规格，则可支持新型态的无方向性type-c连接头，并且改进采用通过总线进行双向沟通并决定发送电压与电流值。
5.尽管usb-pd拥有诸多优势，功能也最为齐全，但各家厂商并不愿意放弃既有的充电机制。因此，市场上大多数应用会强调多口应用(usb type-a、usb type-c)以及兼容各种协议，也因此会产生各种不兼容或是无法正常运作的状况。在多口充电应用上，非标准usb-pd充电线(例如，apple lightning)插入充电端口后，系统无法判定是否空载。在现有的多口充电技术中，每一个充电埠会使用一组完整的供电路径，type-c接口使用一个pd芯片，type-a接口则直接供电。缺点是成本较高，并且type-a接口无快充机制。


技术实现要素：

6.实施例提供一种充电系统。充电系统包含主电源、供电控制器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一接口及第二接口。供电控制器包含次电源、负载侦测电路、第一次电源埠耦接于次电源、第二次电源埠耦接于次电源。第一次电源埠用以提供第一侦测电流，第二次电源埠用以提供第二侦测电流。供电控制器耦接主电源，第一开关的第一端耦接于主电源，第一开关的控制端耦接于供电控制器，第二开关的第一端耦接于主电源，第二开关的控制端耦接于供电控制器，第三开关的第一端耦接第一次电源埠，第三开关的控制端耦接于供电控制器，第四开关的第一端耦接第二次电源埠，第四开关的控制端耦接于供电控制器，第一接口耦接第一开关的第二端及第三开关的第二端，第二接口耦接第二开关
的第二端及第四开关的第二端。供电控制器用以控制第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，并用以分配传输至第一接口及第二接口的电量，负载侦测电路用以侦测第一侦测电流与第二侦测电流变化量，以决定第一接口和/或第二接口的连接状态。
7.实施例还提供一种通用串行总线系统的充电方法。通用串行总线充电系统包含主电源、供电控制器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一接口及第二接口。供电控制器包含次电源、负载侦测电路、耦接于次电源的第一次电源埠、耦接于次电源的第二次电源埠。第一次电源埠用以提供第一侦测电流，第二次电源埠用以提供第二侦测电流。供电控制器耦接主电源，第一开关的第一端耦接于主电源，第一开关的控制端耦接于供电控制器，第二开关的第一端耦接于主电源，第二开关的控制端耦接于供电控制器，第三开关的第一端耦接第一次电源埠，第三开关的控制端耦接于供电控制器，第四开关的第一端耦接第二次电源埠，第四开关的控制端耦接于供电控制器，第一接口耦接第一开关的第二端及第三开关的第二端，第二接口耦接第二开关的第二端及第四开关的第二端。充电方法包含：供电控制器截止第一开关及第二开关并导通第三开关及第四开关，次电源提供第一侦测电流至第一接口以及提供第二侦测电流至第二接口，当负载侦测电路侦测到第一侦测电流小于空接临界值时，供电控制器判断第一接口未连接线材或连接至第一接口的第一线材为空接，供电控制器保持截止第一开关并导通第三开关，当负载侦测电路侦测到第一侦测电流大于空接临界值时，负载侦测电路判断连接至第一接口的第一线材耦接至第一待充电装置，当负载侦测电路判断第一线材系耦接至第一待充电装置，供电控制器与第一待充电装置进行沟通来交换多个其他供电能力选项，并自多个其他供电能力选项选择其中之一来决定第一输出电能大小，及供电控制器截止第三开关，导通第一开关，并控制主电源提供第一输出电能至第一待充电装置。
附图说明
8.图1是本发明实施例充电系统的示意图。
9.图2a、2b及2c是图1的充电系统的耦接状态与电能提供的方法的流程图。
10.图3a至3d是图1的充电系统的耦接状态的电流示意图。
11.图4为图2a步骤s20、s22第一待充电装置及第二待充电装置与供电控制器沟通方法的细节流程图。
12.附图标记：
13.100:充电系统
14.10:主电源
15.pd:供电控制器
16.s1～s4:开关
17.r1,r2:限流装置
18.p1,p2:接口
19.20:次电源
20.30:负载侦测电路
21.40,50:次电源埠
22.60,62:线材
23.70,72:待充电装置
24.200,300,400,500:方法
25.s10～s574:步骤
具体实施方式
26.图1为本发明实施例充电系统100的示意图。充电系统100包含主电源10、供电控制器pd、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第一接口p1及第二接口p2。主电源10可接收外部电源vsrc的电能输入，外部电源vsrc可为市电交流电源vac或行动电源的电池组直流电源vdc。主电源10，例如可包含一返驰式转换器(flyback converter)，外部电源vsrc例如为交流电源vac，主电源10接受供电控制器pd的指令，而将交流电源vac转换为不同电压的直流电能输出。但本发明的主电源10并不以包含返驰式转换器为限，只要包含具有直流电源转换功能的转换装置，本领域技术人员所熟知的替换转换器技术，皆应包含在本实施例之范畴当中，在此不再加以赘述。第一接口p1可选择性地连接至第一待充电装置70，第二接口p2可选择性地连接至第二待充电装置72；其中第一待充电装置70、第二待充电装置72例如可为手机、笔记本电脑或平板计算机。供电控制器pd包含次电源20、负载侦测电路30、第一次电源埠40与第二次电源埠50。其中第一次电源埠40与第二次电源埠50均耦接于次电源20。次电源20通过第一次电源埠40可提供第一侦测电流，次电源20通过第二次电源埠50可提供第二侦测电流。供电控制器pd耦接主电源10，第一开关s1的第一端与第二开关s2的第一端均耦接于主电源10，第三开关s3的第一端耦接第一次电源埠40，第四开关s4的第一端耦接第二次电源埠50，第一开关s1的控制端、第二开关s2的控制端、第三开关s3的控制端与第四开关s4的控制端各自通过不同路径耦接于供电控制器pd，第一接口p1耦接第一开关s1的第二端及第三开关s3的第二端，第二接口p2耦接第二开关s2的第二端及第四开关s4的第二端。充电系统100可另包含第一限流装置r1、第二限流装置r2，第一限流装置r1可耦接于第一次电源埠40及第三开关s3之间以构成第一次电源路径的一部分，第二限流装置r2可耦接于第二次电源埠50及第四开关s4之间以构成第二次电源路径的一部分。
27.供电控制器pd，例如usb power delivery控制芯片，可用于控制第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3及第四开关s4，并用以分配传输至第一接口p1及第二接口p2的电量，负载侦测电路30用以侦测第一侦测电流与第二侦测电流变化量，决定第一接口p1和/或第二接口p2的连接状态。另外，在实施例中，第一接口p1可以为符合usb power delivery(pd)规范的接口，第二接口p2可以为不符合usb-pd规范的接口。但本发明的充电系统100并不以包含一个符合usb-pd规范的第一接口p1与一个不符合usb-pd规范的第二接口p2为限，凡包含至少一个符合usb-pd规范的第一接口p1与至少一个不符合usb-pd规范的第二接口p2，本领域技术人员所熟知的增加接口数量的充电系统，皆应包含在本实施例之范畴当中，在此不再加以赘述。
28.图2a为判断充电系统100的耦接状态与电能提供的方法200的流程图，方法200包含以下步骤：
29.s10：供电控制器pd截止第一开关s1及第二开关s2并导通第三开关s3及第四开关s4，次电源20提供第一侦测电流至第一接口p1及提供第二侦测电流至第二接口p2；供电控制器pd具有供电能力组合(power capability set)，供电控制器pd可依据供电能力组合来
设定主电源10，供电能力组合包含多个供电能力选项(power data object,pdo)；多个供电能力选项包含第一供电能力选项(first fixed supply object)与多个其他供电能力选项。第一供电能力选项可使主电源10的输出电能为多数待充电装置默认均可接受的充电电能(例如：5v)。多个其他供电能力选项与第一供电能力选项不同，多个其他供电能力选项可使主电源10具有不同的输出电能(例如：3.3v、9v、15v...)。若第一侦测电流由小于空接临界值转变为大于空接临界值，执行步骤s14；若第二侦测电流由小于空接临界值转变为大于空接临界值，执行步骤s16；
30.s14：供电控制器pd判定第一接口p1连接至第一待充电装置70，供电控制器pd截止第三开关s3且导通第一开关s1，供电控制器pd并以第一供电能力选项初始设定主电源10，使第一输出电能等于第一供电能力选项所对应的电能，主电源10通过第一开关s1提供第一输出电能至第一待充电装置70；随后跳转至步骤s20；
31.s16：供电控制器pd判定第二接口p2连接至第二待充电装置72，供电控制器pd截止第四开关s4且导通第二开关s2，供电控制器pd并以第一供电能力选项初始设定主电源10，使第二输出电能等于第一供电能力选项所对应的电能，主电源10通过第二开关s2提供第二输出电能至第二待充电装置72；随后跳转至步骤s22；
32.s20：第一待充电装置70通过讯号线与供电控制器pd沟通，供电控制器pd向第一待充电装置70提供供电能力组合，双方沟通后，供电控制器pd自供电能力组合选择一供电能力选项来设定主电源10，使第一输出电能改变为被选择的供电能力选项所对应的电能，主电源10通过第一开关s1提供第一输出电能来对第一待充电装置70充电；随后跳转至步骤s24；
33.s22：第二待充电装置72透过讯号线与供电控制器pd沟通，第二待充电装置72向供电控制器pd提供装置请求供电能力选项，装置请求供电能力选项对应到供电能力组合所包含的多个供电能力选项其中之一，装置请求供电能力选项可能是第一供电能力选项，也可能是多个其他供电能力选项其中之一；双方沟通后，供电控制器pd依据装置请求供电能力选项来设定主电源10，使第二输出电能改变为被选择的供电能力选项所对应的电能，主电源10通过第二开关s2提供第二输出电能来对第二待充电装置72充电；
34.s24：第一待充电装置70是否已从第一接口p1移除，或第二待充电装置72是否已从第二接口p2移除；若是，执行步骤s26；若否，跳转至步骤s10；
35.s26：主电源10停止充电，跳转至步骤s10。
36.在步骤s24中，侦测第一待充电装置70是否已从第一接口p1移除，或第二待充电装置72是否已从第二接口p2移除。在步骤s26中，供电控制器pd会控制对应的开关使主电源10针对已移除待充电装置的接口停止充电，并转跳至步骤s10侦测是否有待充电装置连接到接口。
37.在步骤s24中，假设第一待充电装置70是唯一连接于充电系统100的待充电装置，而且第一待充电装置70尚未从第一接口p1移除，则会跳转至步骤s10去侦测是否有其他待充电装置连接到其他接口，若没有其他待充电装置连接到其他接口(例如：第二侦测电流持续维持小于空接临界值)，则第一待充电装置70仍会保持由先前循环的步骤s20中由被选择的供电能力选项所对应的电能持续供电；倘若步骤s10侦测到有其他待充电装置连接到其他接口(例如：第二侦测电流由原本小于空接临界值转变为大于空接临界值)，则要参照图4
的方法500来找出最理想的供电方式，方法500是当第一接口p1与第二接口p2均分别耦接至不同待充电装置时，图2a步骤s20、s22第一待充电装置70及第二待充电装置72与供电控制器pd沟通的细节流程。
38.图2b判断充电系统100的耦接状态与电能提供的方法300的流程图，方法300包含以下步骤：
39.s11：供电控制器pd截止第一开关s1及第二开关s2并导通第三开关s3及第四开关s4，次电源20提供第一侦测电流至第一接口p1及提供第二侦测电流至第二接口p2；
40.s32：当第一侦测电流小于空接临界值，供电控制器pd维持第一开关s1截止，第三开关s3导通，维持第一次电源埠40通过第三开关s3提供第一侦测电流；随后回到步骤s11。
41.图2c为判断充电系统100的耦接状态与电能提供的方法400的流程图，方法400包含以下步骤：
42.s11：供电控制器pd截止第一开关s1及第二开关s2并导通第三开关s3及第四开关s4，次电源20提供第一侦测电流至第一接口p1及提供第二侦测电流至第二接口p2；
43.s42：当第二侦测电流小于空接临界值，供电控制器pd维持第二开关s2截止，第四开关s3导通，维持第二次电源埠42透过第四开关s4提供第二侦测电流；随后回到步骤s11。
44.在实施例中，输出电能可为usb power delivery规范的电能值，例如，5v、9v或15v。待充电装置可为任何使用usb充电的装置，例如手机、数字相机、行动装置、外接储存周边、笔电、显示器等。
45.若第一侦测电流小于空接临界值，例如0.5ma，负载侦测电路30可判定连接至第一接口p1的第一线材60为空接，并且供电控制器pd持续控制第一开关s1截止，第三开关s3导通，由第一次电源埠40通过第三开关s3提供第一侦测电流。当第一侦测电流大于空接临界值时，负载侦测电路30可判定第一接口p1耦接至第一待充电装置70，触发供电控制器pd控制第三开关s3截止，第一开关s1导通，供电控制器pd并以第一供电能力选项来设定主电源10，使主电源10通过第一开关s1提供第一输出电能，例如5v，给第一待充电装置70。如此主电源10可以仅在第一接口p1的第一线材60连接至第一待充电装置70的情况下通过第一开关s1提供输出电能。
46.图3a至3d为判断充电系统100的耦接状态的电流示意图。实施例中负载侦测电路30判断第一接口p1的连接状态方法如下。如图3a所示，若第一侦测电流大于0ma且小于2ma时，例如0.5ma，则判断连接至第一接口p1的第一线材60为主动线材，且主动线材空接，因此持续消耗0.5ma较低电流；本案所谓主动线材系指具有led指示灯或集成电路ic等消耗电能组件的充电线。如图3b所示，若第一侦测电流实质上维持在0ma，则判断第一接口p1未连接至线材或所连接的第一线材60为被动线材且空接；本发明所谓的被动线材是指不具有消耗电能组件，单纯导线的充电线。如图3c所示，若第一侦测电流由先前侦测纪录的小于2ma(例如：1ma)上升至大于100ma，例如1a，则判断新连接至第一接口p1的第一线材60为主动线材且耦接第一待充电装置70。如图3d所示，若第一侦测电流由先前侦测纪录的实质上0ma上升至大于100ma，例如1a，则判断新连接至第一接口p1的第一线材60为被动线材且耦接第一待充电装置70。负载侦测电路30判断第二接口p2的耦接状态的方式与第一接口p1相同，在此不赘述。
47.图4为第一待充电装置70及第二待充电装置72与供电控制器pd沟通方法500的流
程图。沟通的方法500包含以下步骤：
48.s501：是否侦测到第二待充电装置72耦接至第二接口p2；若是，跳至步骤s554；若否，跳至步骤s505；
49.s503：是否侦测到第一待充电装置70耦接至第一接口p1；若是，跳至步骤s554；若否，跳至步骤s507；
50.s505：第一待充电装置70通过讯号线与供电控制器pd沟通，供电控制器pd向第一待充电装置70提供供电能力组合，双方沟通后，第一待充电装置70自供电能力组合选择一供电能力选项，供电控制器pd再依据被选择的供电能力选项来设定主电源10，使第一输出电能更新为被选择的供电能力选项所对应的电能，主电源10通过第一开关s1提供第一输出电能来对第一待充电装置70充电；然后跳至步骤s24；
51.s507：第二待充电装置72通过讯号线与供电控制器pd沟通，第二待充电装置72向供电控制器pd提供装置请求供电能力选项；供电控制器pd依据装置请求供电能力选项来设定主电源10，使第二输出电能更新为装置请求供电能力选项对应的电能，主电源10通过第二开关s2提供第二输出电能来对第二待充电装置72充电；然后跳至步骤s24；
52.s554：当多个待充电装置连接至充电系统100时，以第一供电能力选项来设定主电源10，使其输出第一供电能力选项对应的电能，例如5v；以避免中断原有的单一待充电装置的充电过程，以及避免毁损新连接的待充电装置；
53.s556：第一开关s1与第二开关s2均导通，使主电源10通过第一开关s1提供与第一供电能力选项所对应的电能给第一待充电装置70，以及主电源通过第二开关s2提供第一供电能力选项所对应的电能给第二待充电装置72；
54.s558：第二待充电装置72与供电控制器pd沟通，第二待充电装置72向供电控制器pd提供装置请求供电能力选项；
55.s560：第一待充电装置70与供电控制器pd沟通，供电控制器pd送出更改后的供电能力组合给第一待充电装置70，更改后的供电能力组合包含第一供电能力选项与第二待充电装置72提供的装置请求供电能力选项；
56.s564：第一待充电装置70是否能接受对应第二待充电装置72的装置请求供电能力选项？若是，执行步骤s566；若否，执行步骤s568；
57.s566：供电控制器pd依据对应第二待充电装置72的装置请求供电能力选项来设定主电源10，使主电源10分别通过第一开关s1与第二开关s2提供装置请求供电能力选项对应的电能给第一待充电装置70与第二待充电装置72；然后跳至步骤s24
58.s568：依据充电系统100的出厂或使用者设定，供电控制器pd决定此时是否优先仅满足第一待充电装置70或第二待充电装置72的快速充电需求，或以较低电压来同时满足两待充电装置的充电需求；若供电控制器pd判断要优先满足第一待充电装置70的快速充电需求，则执行步骤s570；若供电控制器pd判断要优先满足第二待充电装置72的快速充电需求，则执行步骤s572；否则执行步骤s574；
59.s570：截止第二开关s2，第一待充电装置70通过讯号线与供电控制器pd沟通，供电控制器pd向第一待充电装置70提供步骤s505的供电能力组合，双方沟通后，第一待充电装置70自步骤s505的供电能力组合选择一供电能力选项，供电控制器pd再依据被选择的供电能力选项来设定主电源10，使第一输出电能更新为被选择的供电能力选项所对应的电能，
主电源10透过第一开关s1提供第一输出电能来对第一待充电装置70充电，以满足第一待充电装置70快速充电的需求；然后跳至步骤s24；
60.s572：截止第一开关s1，供电控制器pd依据第二待充电装置72提供的装置请求供电能力选项来设定主电源10，使第二输出电能更新为第二待充电装置72提供的装置请求供电能力选项所对应的电能，主电源10通过第二开关s2提供第二输出电能来对第二待充电装置72充电，以满足第二待充电装置72快速充电的需求；然后跳至步骤s24；
61.s574：以第一供电能力选项来设定主电源10，使其输出第一供电能力选项所对应的电能，例如5v；如此舍弃快速充电能力，但能维持连接到充电系统100的多个待充电装置均能继续同时充电；跳至步骤s24。
62.在步骤566中，当供电控制器pd欲以其他供电能力选项来取代原本步骤556设定主电源10的第一供电能力选项时，也就是说，主电源10的输出电能自第一供电能力选项所对应的电能(例如：5v)变更为其他供电能力选项所对应较高电压的电能前(例如：较高的12v)，供电控制器pd可进行如下的事先安全检查步骤：
63.(1)检查确认目前有连接待充电装置的第一接口p1与第一接口p2对应的次电源路径(第三开关s3与第四开关s4)均截止，且对应的主电源路径(第一开关s1与第二开关s2)均导通，如此避免在次电源路径产生不必要的电能损耗。
64.(2)若充电系统100还有额外尚未耦接至待充电装置的第三接口，则供电控制器pd会先检查确认第三接口对应的主电源路径的第五开关已截止；如此当第三待充电装置稍后连接到第三接口时，可避免其他供电能力选项对应的较高电压，毁损新耦接至充电系统100的第三待充电装置。
65.综上所述，本发明的应用于通用串行总线的充电系统与方法，可以同时侦测耦接多个usb充电接口的充电线材是否空接，并且以低成本的方式使多个usb充电接口同时提供较高的输出电能，克服各种多口充电技术中不兼容或是无法正常运作的状况，达到节省电能及充分运用usb power delivery所提供快速充电的优势。
66.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。