CN103825450B

CN103825450B - 一种时分多址负载系统usb接口供电方法和供电设备

Info

Publication number: CN103825450B
Application number: CN201210470472.4A
Authority: CN
Inventors: 毛建华; 赖玉强
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: US20150127960A1; AU2013347462A1; US9582059B2; EP2830204A4; CN103825450A; EP2830204A1; EP2830204B1; JP2015524099A; JP5957759B2; AU2013347462B2; RU2014142391A; RU2613179C2; WO2014075480A1

Abstract

本发明公开了一种时分多址负载系统USB接口供电方法和供电设备，在确保性能的同时降低使用电容的成本。该USB接口供电设备，包括：依次相连的USB接口、缓启动电路和DC‑DC直流转换电路，DC‑DC直流转换电路的输出为时分多址负载系统供电，供电设备还包括电容器件：电容器件的第一端连接在缓启动电路和DC‑DC直流转换电路之间，电容器件的第二端设置为接地，该电容器件用于限制DC‑DC直流转换电路输入电流；电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC‑DC直流转换电路输入电压、时分多址负载系统所需电压和电流，以及时分多址负载系统工作周期决定。

Description

一种时分多址负载系统USB接口供电方法和供电设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种时分多址负载系统USB（UniversalSerial Bus，通用串行总线）接口供电的方法和供电设备。

背景技术

USB数据终端类产品越来越多，随着数据速率的提升，功能的增加，功耗的增大，使用USB接口的终端对USB接口的供电要求也越来越高。按照USB2.0通讯协议的要求，计算机的USB接口的标准供电电流为500mA，为了保证接口供电的安全，终端产品的供电电路中都设置有限流电路，目的是保护USB供电接口的输出电压不至于跌落到安全值以下，而限流的方式基本上有两种，一种是在DC-DC转换器的输出端进行限流，这种限流方式对DC-DC转换器的输出电流能力的大小要求不高，即输出电流能力小的直流转换器就可以采用这种方式；而另外一种是在DC-DC转换器的输入端进行限流，这种限流方式适合输出电流能力很大以至于该转换器单独输出的电流就可以满足时分多址负载系统突发工作时对电流的需要，需要保持转换器输入端工作电压不跌落或跌落很少。

时分多址负载系统工作于突发模式时，瞬间的大电流要求终端电路必须设置一定容量的大电容来进行能量补偿，使得USB接口端和负载端的电压不至于跌落幅度过大。

现有DC-DC转换器的输入端限流方式中，限流器件的选择未考虑USB协议规范的电压值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种时分多址负载系统USB接口供电方法和供电设备，在确保性能的同时降低使用电容的成本。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种时分多址负载系统USB接口供电设备，包括：USB接口、缓启动电路和DC-DC直流转换电路，三者依次相连，所述DC-DC直流转换电路的输出为时分多址负载系统供电，其特征在于，所述供电设备还包括电容器件：

所述电容器件的第一端连接在缓启动电路和DC-DC直流转换电路之间，所述电容器件的第二端设置为接地，所述电容器件用于限制DC-DC直流转换电路输入电流；所述电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、所述时分多址负载系统所需电压和电流，以及所述时分多址负载系统工作周期决定。

进一步地，所述电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、所述时分多址负载系统所需电压和电流，以及所述时分多址负载系统工作周期决定，包括：

所述电容值采用下式计算获得：

其中，UC1为时分多址负载系统未工作时电容器件初始电压，UC2为时分多址负载系统工作时电容器件的电压，U₀为所述时分多址负载系统所需电压，I₀为所述时分多址负载系统所需电流，U_i为DC-DC直流转换电路输入电压，η为DC-DC直流转换电路转换效率，I为USB接口允许输出最大电流，T为所述时分多址负载系统工作周期。

进一步地，所述供电设备还包括检测电路和基带控制电路，其中：

检测电路位于USB接口与缓启动电路之间，用于检测USB接口的输出电压是否低于预设门限值；

基带控制电路的一端与检测电路相连，另一端设置为与所述时分多址负载系统相连，用于在检测电路检测到USB接口的输出电压低于预设门限值时，降低所述时分多址负载系统的发射功率。

进一步地，所述电容器件包括电容组和开关组，所述电容组的一端作为电容器件的第一端，所述电容组另一端作为电容器件的第二端，所述开关组与基带控制电路相连，所述开关组根据基带控制电路的控制，打开或关断开关组的内部开关器件，控制所述电容组的电容值。

进一步地，所述电容组包括两个以上并联的电容，每个电容与一开关器件串联，所有开关组成开关组。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种时分多址负载系统USB接口供电方法，包括：

缓启动后，电容器件限制DC-DC直流转换电路输入电流，所述电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、所述时分多址负载系统所需电压和电流，以及所述时分多址负载系统工作周期决定；

DC-DC直流转换电路进行电压转换，为时分多址负载系统供电。

所述电容值采用下式计算获得：

进一步地，所述方法还包括：检测USB接口的输出电压是否低于预设门限值；如果低于预设门限值，则降低所述时分多址负载系统的发射功率。

进一步地，所述方法还包括，在确定所述电容器件的电容值后，通过控制与电容器件连接的开关组中开关器件的通断，调节所述电容器件的电容值。

进一步地，所述电容器件包括两个以上并联的电容，每个电容与一开关器件串联。

本申请设备和方法通过监控USB接口电压（不低于标准规范值）来确定DC-DC转换器输入端需要的最小电容容量，在兼顾整机成本的同时，确保计算机USB接口工作的可靠性及终端工作的可靠性。采用本申请方法和设备，无须关注USB接口是支持USB2.0或USB3.0协议，而只需要考虑USB接口实际的供电能力，具有普遍应用的实际意义。

附图说明

图1是本发明实施例1一种供电设备结构示意图；

图2是本发明实施例1具有基带控制系统的供电设备结构示意图；

图3是本发明实施例1包含电容器件的供电设备结构示意图；

图4是本发明实施例2流程图；

图5为应用示例供电设备结构示意图；

图6为控制模块结构示意图；

图7为时分多址系统工作周期示意图；

图8为时分多址系统工作的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例1

本实施例介绍用于为时分多址负载系统供电的USB接口供电设备，如图1所示，该供电设备包括：依次连接的USB接口、缓启动电路和DC-DC直流转换电路，此外该供电设备还包括用于限流的电容器件，该电容器件的第一端连接在缓启动电路和DC-DC直流转换电路之间，电容器件的第二端设置为接地，其中：

该缓启动电路，用于实现缓启动；

该电容器件用于限制DC-DC直流转换电路输入电流，该电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、时分多址负载系统所需电压和电流，以及时分多址负载系统工作周期决定；

该DC-DC直流转换电路的输出用于为时分多址负载系统供电。

因为不同负载对电流的吸取不同，不同品牌电脑的供电接口提供电流的能力也不同。这就导致需要的电容也是不同的，需要2个或2个以上电容并联构成的电容系列即电容组。电容器件表示一个电容，也可以表示一组电容即电容组。

在一个优选实施例中，该电容器件的电容值采用下式计算获得：

式（1）

其中，UC1为时分多址负载系统未工作时电容器件初始电压，UC2为时分多址负载系统工作时电容器件的电压，U₀为所述时分多址负载系统所需电压，I₀为所述时分多址负载系统所需电流，U_i为DC-DC直流转换电路输入电压，η为DC-DC直流转换电路转换效率，I为USB接口允许输出最大电流，T为所述时分多址负载系统工作周期。如果该DC-DC直流转换电路转换效率较高接近1，则计算电容时也可不考虑。上述公式（1）的各种变形均在本申请保护范围之内。当电容器件仅用一个电容实现时，其电容值可根据式（1）计算获得。

在一个优选实施例中，该供电设备还包括检测电路和基带控制电路，如图2所示，检测电路位于USB接口与缓启动电路之间，用于检测USB接口的输出电压是否低于预设门限值；基带控制电路的一端与检测电路相连，另一端设置为与所述时分多址负载系统相连，该基带控制电路用于在检测电路检测到USB接口的输出电压低于预设门限值时，降低时分多址负载系统的发射功率。

上述电容器件的电容值可以预先设计好，也可以设计为电容值可调的电容组，在另一个优选实施例中，如图3所示，该电容器件包括电容组和开关组，电容组的一端作为电容器件的第一端，电容组另一端作为电容器件的第二端，开关组与基带控制电路相连，开关组根据基带控制电路的控制，打开或关断开关组内部的开关器件，控制电容组的电容值。

上述电容组包括两个以上并联的电容，每个电容与一开关器件串联，所有开关组成开关组。

实施例2

本实施例介绍用于为时分多址负载系统供电的USB接口供电方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤401，缓启动；

步骤402，限流电路中的电容器件开始工作，限制DC-DC直流转换电路输入电流，该电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、时分多址负载系统所需电压和电流，以及时分多址负载系统工作周期决定；

电容器件的电容值的计算可使用上述实施例1中式（1），此处不再赘述。

在确定电容器件的电容值后，可通过调节与电容器件连接的开关组调节该电容器件的电容值。具体地，该电容器件包括两个以上并联的电容，每个电容与一开关器件串联。

步骤403，DC-DC直流转换电路进行电压转换，为时分多址负载系统供电。

在一个优选实施例中，上述方法还包括：检测USB接口的输出电压是否低于预设门限值；如果低于预设门限值，则降低该时分多址负载系统的发射功率。

下面通过应用示例对上述实施例进行具体说明。

如图5所示，该装置主要由以下几个部分构成：计算机USB接口，控制模块，DC-DC直流转换器，时分多址负载系统和基带控制系统。其中：

计算机USB接口为终端提供电源，并与终端进行数据通讯，目前的计算机USB接口的供电能力都很强，经过实测，在USB端口电压不低于4.75V的条件下输出电流都可以超过500mA以上，而且台式电脑的USB接口供电能力要大于笔记本电脑的USB接口供电能力；

控制模块，如图6所示，由检测电路和缓启动电路构成，有的DC-DC转换器的输入端本身就携带控制模块全部功能或其中一部分功能，因此控制模块可以根据情况来选择是否添加；

控制模块中的检测电路具有设置门限电压并检测的功能。在正常工作期间，检测电路可以对USB口供电时的电压进行检测，当时分多址负载系统在突发模式工作时，USB口由于提供瞬时大电流而导致USB接口和DC-DC转换器输入电压下降，当检测电路检测到USB接口的电压跌落达到设定的阈值（可以设置的比4.75V略高一些比如4.8V），立刻输出信号给基带控制系统，以示告警。

缓启动电路的作用是，在终端上电时，延长电压爬升时间，限制流过大电容的电流，防止电路刚上电时大电容瞬间对地短路产生大电流损坏大电容和直流转换器。

DC-DC直流转换器的作用是将USB接口的电压转换为时分多址负载系统需要的工作电压，它和连接在其输入端的大电容一起给时分多址负载系统工作时提供电流，大电容对于稳定直流转换器输入端的电压具有重要作用。

时分多址负载系统，是终端上按照一定时间周期工作的射频功放负载系统，它具有突发模式工作特性的负载，其工作周期特性参照图7，它的特点是一个周期时间内，一段时间工作，一段时间关闭。该功放负载能够接受基带控制系统对其进行功率控制。

为了保证终端系统工作的灵活性，可以用一可调电容值的电容组代替图5中的电容，此外还需要一开关组与之配合。开关组和基带控制系统相连，受基带控制系统的控制，决定开关接通还是关断，从而控制电容组的电容值。基带控制系统随着USB接口电压的波动同时调整电容值，当USB接口的电压跌落到门限值时，开关打开，电容值增加。前面分析过不同电脑的USB接口的供电能力相差较大，当终端插在某种型号的笔记本电脑的USB接口上工作时，USB电压跌落到门限值时，开关打开给功放负载供电的电容增加，充电环节会有更多的电容被充电，从而满足功放负载对电流的需要。当USB接口的电压远高于门限值，此时可以通过基带控制系统关闭一些开关，减少多余的电容，只要少数电容就可以满足功放负载对电流的需要。

基带控制系统，主要是接受控制模块中检测电路传来的告警信号。并对时分多址负载系统的功放负载进行功率控制，降低时分多址负载系统的功放负载的发射功率，从而降低功放负载对电流的需求，并且能够控制开关组中开关器件的通断。防止直流转换器输入端及USB接口电压跌落过低影响终端工作的稳定性及USB供电接口的稳定性。

图8描述了该系统的工作原理：

终端上电（步骤801）后，经缓启动电路降低上电瞬间的浪涌冲击电流（步骤802），确保终端安全完成上电过程。上电完成后，配置终端工作在最大发射功率下，即时分负载系统中的功放负载可以工作在最大发射功率下（步骤803）。控制模块检测USB接口的电压跌落情况（步骤804），如果电压跌落达到设定的阈值（为了确保安全，这个阈值一般会比4.75V的门限高一点，比如4.80V等），控制模块给基带控制系统一个信号以示告警，基带控制信号会降低时分多址负载系统的功放的发射功率（步骤805），以减小对USB接口供电的索取，这个过程会重复进行，直到接口电源达到或略高于设定的电压阈值，此时表明时分负载系统的功放功率等级可以确保终端处于安全的工作状态，USB接口也处于安全状态。

下面以图5所示电路为例对直流转换器的输入端大电容的计算进行详细描述：

设控制模块工作时电阻的典型值为R，直流转换器的输入电压、电流为U_i，I_i，输出电压为U_o，I_o，直流转换器效率为η，电容供电的电流为I_c，USB接口的电压为VBUS，典型正常值为5V，发生跌落时下限值为4.75V，USB接口允许输出的最大电流为I，则功放不工作时，储能电容上的电压为UC1，考虑到此时工作电流很小而控制模块的阻抗极低忽略此时的压差，即UC1接近USB接口典型正常值5V；功放工作时，储能电容上的电压均值近似为UC2：

UC1＝5 式（2）

UC2=4.75-IR 式（3）

根据直流电源转换器的转换效率公式有如下等式成立：

U_i×I_i×η＝U_o×I_o 式（4）

大电容提供的电流为I_c，则有下面的等式成立

I_c=Ii-I 式（5）

对于一个固定的终端系统，负载需要的电流即时分多址负载系统所需电流I_o，负载需要的输出电压即时分多址负载系统所需电压Uo，直流转换效率η，直流转换器的输入电压工作范围，都可以通过查数据手册简单计算得知，因此由等式（2）-（5）可以推算出大电容提供的电流I_c与USB接口供电能力的关系式：

式（6）

由于大电容在Ton（时分多址系统该值是固定的，GSM一般为577us）时间内输出电荷为ΔQ，则有下式成立

ΔQ=I_c×Ton 式（7）

在Ton工作时间内电容上的电压跌落ΔU近似认为：

ΔU=UC1-UC2 式（8）

大电容的容量设置为C，则有下面的等式成立

式（9）

联立（2）-（8）可以求出所需的大电容容量C：

式（10）

UC1为时分多址负载系统未工作时电容器件的初始电压，可以近似等于USB接口的典型电压，UC2为时分多址负载系统工作时电容器件的电压。上述计算过程是按照理想状态计算的，实际选型中电容值优选大于该理论计算值。

以德州仪器公司的一款直流转换器bq24165为例，该器件的转换效率η为90％，bq24165给GSM900MHz负载供电，该负载在33dBm下3.6V供电时需要的电流1.8A，由此可知：U_o=3.6V，I_o=1.8A，η90%，U_i=4.75V，Ton=0.577ms，UC1=5v，为计算方便，忽略控制模块上的压降，此时UC2=U_i=4.75v。由式（10）可以计算出所需要的大电容为:

根据此公式计算的电容，肯定大于考虑控制模块上有压降时的电容，因此该电容值肯定满足时分多址负载系统对大电容的需求。

按照一般USB2.0协议规定的USB接口输出的标准最大电流500mA计算，可以得到所需要的海量电容为2.34mF。考虑到目前的计算机接口的USB接口的供电能力都比较强，实测带载能力差的一款MAC笔记本的输出电流也有700mA，计算可以得到所需要的海量电容为1.88mF，同理对于支持USB3.0接口的电脑来说，USB接口的供电能力为900mA，可以计算出需要的海量电容至少为1.42mF。功放负载系统的电容带有可调电容组时，也可以根据USB2.0和USB3.0供电能力的不同，来控制电容数量，这样无须重新改版设计终端，采用可调电容组即能解决供电问题。从这个实例可以看出USB接口供电能力越强，所需要添加的海量电容的值越小。

本申请的时分多址负载系统供电设备和方法，克服了现有技术计算海量电容的不足，结合USB接口供电的实际情况，不但考虑到USB接口和直流转换器在正常工作时的可靠性，同时也考虑了增加海量电容后上电瞬间的可靠性问题，将计算方法进行了扩展，在满足终端负载供电的同时，兼顾成本的考虑，因充分发挥了电脑USB接口的供电能力，终端侧需要的海量电容就会减少，降低了终端的设计成本。并且本申请不仅适用于支持USB2.0协议的USB接口，也适用于支持USB3.0协议的USB接口。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种时分多址负载系统USB接口供电设备，包括：USB接口、缓启动电路和DC-DC直流转换电路，三者依次相连，所述DC-DC直流转换电路的输出为时分多址负载系统供电，其特征在于，所述供电设备还包括电容器件：

所述电容器件的第一端连接在缓启动电路和DC-DC直流转换电路之间，所述电容器件的第二端设置为接地，所述电容器件用于限制DC-DC直流转换电路输入电流；所述电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、所述时分多址负载系统所需电压和电流，以及所述时分多址负载系统工作周期决定；

所述供电设备还包括检测电路和基带控制电路，其中：

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述电容器件的电容值根据时分多址负载系统工作及未工作时电容器件的电压、USB接口允许输出的最大电流、DC-DC直流转换电路输入电压、所述时分多址负载系统所需电压和电流，以及所述时分多址负载系统工作周期决定，包括：

所述电容值采用下式计算获得：

C = \frac{(\frac{U_{0} \times I_{0}}{U_{i} \times η} - I) \times T}{U C 1 - U C 2}

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述电容器件包括电容组和开关组，所述电容组的一端作为电容器件的第一端，所述电容组另一端作为电容器件的第二端，所述开关组与基带控制电路相连，所述开关组根据基带控制电路的控制，打开或关断开关组的内部开关器件，控制所述电容组的电容值。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：

所述电容组包括两个以上并联的电容，每个电容与一开关器件串联，所有开关组成开关组。

5.一种时分多址负载系统USB接口供电方法，包括：

DC-DC直流转换电路进行电压转换，为时分多址负载系统供电；

所述方法还包括：检测USB接口的输出电压是否低于预设门限值；如果低于预设门限值，则降低所述时分多址负载系统的发射功率。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述电容值采用下式计算获得：

C = \frac{(\frac{U_{0} \times I_{0}}{U_{i} \times η} - I) \times T}{U C 1 - U C 2}

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述方法还包括，在确定所述电容器件的电容值后，通过控制与电容器件连接的开关组中开关器件的通断，调节所述电容器件的电容值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述电容器件包括两个以上并联的电容，每个电容与一开关器件串联。