阅读说明：本技术 具双电源的usb扩展装置及双电源供电方法 (USB expansion device with double power supplies and double power supply method ) 是由 谢国诚 于 2019-03-14 设计创作，主要内容包括：具双电源的USB扩展装置包括：第一电源连接接口,符合USB Type-C及电力传输规格,用以与第一电源电性连接；第二电源连接接口,用以与第二电源电性连接；主机连接接口,符合USB Type-C及电力传输的规格,用以与主机电性连接；外接接口,用以与外接设备电性连接；以及电源管理模块,与第一电源连接接口、第二电源连接接口、主机连接接口及外接接口电性连接；其中,当第一电源连接接口与第二电源连接接口同时分别与第一电源及第二电源电性连接时,对应主机通过主机连接接口要求提供电力,电源管理模块使第一电源的电力通过主机连接接口提供予主机,此时,电源管理模块使第二电源的电力通过第二电源连接接口提供予电源管理模块且通过外接接口提供予外接设备。(The USB expansion device with double power supplies comprises: the first power supply connection interface is in accordance with the USB Type-C and power transmission specification and is electrically connected with a first power supply; the second power supply connection interface is used for being electrically connected with a second power supply; the host connecting interface is in accordance with the USB Type-C and power transmission specification and is used for being electrically connected with the host; the external interface is used for being electrically connected with external equipment; the power management module is electrically connected with the first power supply connection interface, the second power supply connection interface, the host connection interface and the external interface; when the first power supply connection interface and the second power supply connection interface are electrically connected with the first power supply and the second power supply respectively, the corresponding host computer requires to provide electric power through the host computer connection interface, the power supply management module enables the electric power of the first power supply to be provided for the host computer through the host computer connection interface, and at the moment, the power supply management module enables the electric power of the second power supply to be provided for the power supply management module through the second power supply connection interface and provided for the external equipment through the external interface.)

具双电源的USB扩展装置及双电源供电方法

技术领域

本发明关于一种USB扩展装置，特别关于一种具双电源的支持USB Type-C及电力传输(Power Delivery)规格的扩展装置。

背景技术

由于轻薄易携的设计考虑，现行的笔记本电脑或平板计算机等的USB连接接口越趋减少，但仍有需要外接例如鼠标、键盘、打印机、投影机、光驱及外接硬盘等USB设备来使用，因此使得可以额外连接USB设备的USB扩展装置的需求大增。USB集线器(Hub)及USB扩充座(Docking Station)等USB扩展装置可以让多个USB外接设备连接到USB主机(如笔记本电脑或平板计算机等)上，增加了USB主机所能连接的外接USB设备数量。

请参见图1，图1为现有的单电源USB供电系统的方块图。其中，传统的非USB Type-C规格且不具有USB电力传输(Power Delivery，简称PD)功能之一USB扩展装置100与一外部直流(DC)电源电性连接并以其作为一电力来源，或者是同时与电源单元120电性连接，其中该电源单元120可为外部直流(DC)电源或/及USB供电电源，并自外部直流(DC)电源与USB供电电源两者选择其中之一作为供电来源，也就是上述两种情况都是以单电源作为供电来源。当使用USB供电电源作为供电来源时，若该USB扩展装置100所连接的USB外接设备(151、152、153)的总耗电量高于该USB供电电源所提供的电量时，将发生当机、杂音、电压不够、检测不到等不良状况或设备损坏且易导致用电危险。

另一方面，当使用外部直流电源作为供电来源时，该外部直流电源通常选用高于USB外接设备(151、152、153)的用电规格标准，以预防耗电量高于供电量的情况发生。但亦可能有采用非较高规格标准的外部直流电源的情况，此时，也可能导致总耗电量高于外部直流电源的供电量，进而同样发生各种不良状况及可能的用电危险情况。

承上所述，此外，对于支持USB Type-C规格及USB电力传输(Power Delivery)功能的USB扩展装置100，该外部直流电源除了要满足该USB扩展装置100的耗电规格标准外，还需考虑连接至此USB扩展装置100的主机130以及外接设备(151、152、153)的耗电量，一旦发生外部直流电源的供电功率不足的情况，则会使得该主机130无法充电，或慢速充电，或导致该USB扩展装置100及外接设备(151、152、153)发生各种不良状况，更甚者，发生超过负载过热至燃烧等危险情事，故该外部直流电源往往需要使用高功率的电源供应器(如120WPower Adapter)来支持，然而，如此一来，消耗了不必要的能源，且亦不能保证满足该主机130的用电需求(假设未来用电需求提高到120W)。

总结上述，如何满足支持USB Type-C规格及USB电力传输功能的扩展装置、USB主机及USB外接设备的用电需求，同时又能兼顾安全性及供电效益，实是目前亟待解决的重要课题。

发明内容

为解决前述的现有技术问题，本发明提出一种具双电源的USB扩展装置，其包括：一第一电源连接接口，符合USB Type-C及电力传输(Power Delivery)的规格，用以与一第一电源电性连接；一第二电源连接接口，用以与一第二电源电性连接；一主机连接接口，符合USB Type-C及电力传输的规格，用以与一主机电性连接；至少一外接接口，用以与至少一外接设备电性连接；以及一电源管理模块，与该第一电源连接接口、该第二电源连接接口、该主机连接接口及该至少一外接接口电性连接；其中，当该第一电源连接接口与该第二电源连接接口同时分别与该第一电源及该第二电源电性连接时，对应该主机通过该主机连接接口要求提供电力，该电源管理模块使该第一电源的电力通过该主机连接接口提供予该主机，此时，该电源管理模块使该第二电源的电力通过该第二电源连接接口提供予该电源管理模块且通过该至少一外接接口提供予该至少一外接设备。

本发明再提出一种双电源供电方法，应用于符合USB电力传输(Power elivery)规格的一USB扩展装置，该USB扩展装置包括一第一电源连接接口、一第二电源连接接口、一主机连接接口、至少一外接接口及一电源管理模块，该第一电源连接接口符合USB Type-C及电力传输的规格且与一第一电源电性连接，该第二电源连接接口与一第二电源电性连接，该主机连接接口符合USB Type-C及电力传输的规格且与一主机电性连接，该至少一外接接口与至少一外接设备电性连接；该方法包括：沟通符合USB Type-C及USB电力传输规格的供电/受电信息于该第一电源与该主机之间；根据供电/受电信息通过该主机连接接口提供该第一电源的电力予该主机；以及使该第二电源的电力通过该第二电源连接接口提供予该电源管理模块且通过该至少一外接接口提供予该至少一外接设备；其中，接受该第一电源与该第二电源的电力的对象不同。

借由本发明的具双电源的USB扩展装置及双电源供电方法，可以满足达到同时供电予USB扩展装置、USB主机(或其他耗电量较大的装置)及USB外接设备的需求与目的，同时又能兼顾用电安全性及供电效益。

附图说明

图1为现有的单电源USB供电系统的方块图。

图2为包括本发明的较佳实施例的具双电源的USB扩展装置的系统方块图。

图3为本发明的较佳实施例的具双电源的USB扩展装置的方块图。

图4为本发明的另一较佳实施例的具双电源的USB扩展装置的方块图。

图5为本发明一实施例的双电源供电方法的流程图。

图6为本发明另一实施例的双电源供电方法的流程图。

其中附图标记为：

100USB 扩展装置

120 电源单元

130、230 主机

151、152、153、251、252、253、254 外接设备

200、300、400 具双电源之USB扩展装置

220 第一电源

320、420 第一电源连接接口

240 第二电源

340、440 第二电源连接接口

310、410 电源管理模块

330、430 主机连接接口

350、450 外接界面

415 电源供需开关及转换单元

418 电源供需事务处理单元

S510、S520、S530、S610、S620、S630、S640、S650、S660 步骤

具体实施方式

USB(Universal Serial Bus；通用串行总线)以其即插即用的便利性著名，自桌面计算机、笔记本电脑、平板计算机、智能型手机、外接储存硬盘、数字相机、打印机、数字电视以及汽车中通讯娱乐系统等都仰赖USB来进行数据传输，可说是目前最为广泛应用的传输界面。

USB除可传输数据外，亦可做电力的供输。自早期USB 2.0仅能提供2.5W，USB 3.0提供4.5W，乃至2012年7月公布的USB电力传输(Power Delivery，简称PD)1.0大幅跃升至最高可提供100W电力(20V/5A)，至此，也能对平板计算机、笔记本电脑等设备进行USB供电，大幅扩大了可被供电的设备类型。

后续，2014年8月公布的USB PD 2.0规格首度支持新型态USB Type-C(USB3.1)无方向性连接器，早期USB并没有提供一个方式可以让受电端(Power Sink)知道供电端(Power Source)的能力，USB PD 2.0规格可以解决这个问题，通过USB 3.1Type-C中特有的组态通道(Configuration Channel，简称CC)接脚进行两端的双向沟通(在CC在线传输串行的双相标记码(Bi-phase Mark Code，简称BMC)，在两台设备连接期间能定义电源角色，并让供电端与受电端能够知道对方的能力并互相配合，以决定发送的电压/电流值，并与以往的USB数据通信通道独立开来。

接着，于2016年3月公布的USB PD 3.0规格，其相较于以往的USB电池充电规范(Battery Charging，简称BC)能够支持的电压种类更多且更高，特别的是USB PD 3.0规格增加了可程序电源供应(Programmable Power Supply，简称PPS)功能，容许对总线电压及电流进行精确调节，此外亦可兼容各家厂商的快充协议且最新可支持到QC 4.0快充。

以上关于USB及USB Power Delivery规格的各版本详细技术内容皆可参阅已公布的规格书。

请参阅图2及图3。图2为包括本发明的较佳实施例的具双电源的USB扩展装置的系统方块图。图3为本发明的较佳实施例的具双电源的USB扩展装置的方块图。

如图2所示，本发明的较佳实施例的具双电源的USB扩展装置200与一第一电源220、一第二电源240、一主机230及多个外接设备(251、252、253、254)电性连接。其中，请搭配图3，具双电源的USB扩展装置300通过一第一电源连接接口320与该第一电源220电性连接、通过一第二电源连接接口340与该第二电源240电性连接、通过一主机连接接口330与该主机230电性连接、通过一外接接口350与外接设备(251、252、253、254)电性连接(该外接接口350为示意方块，实际实施上其具有四个单独的子外接接口分别与外接设备(251、252、253、254)电性连接)。

如图3所示，本发明的较佳实施例的具双电源的USB扩展装置300的一电源管理模块310与该第一电源连接接口320、该第二电源连接接口340、该主机连接接口330及该外接接口350电性连接，该第一电源连接接口320及该主机连接接口330支持USB Type-C及电力传输(Power Delivery，简称PD)的规格，也就是该第一电源连接接口320及该主机连接接口330之中具有组态通道(Configuration Channel)。该第一电源连接接口320及该主机连接接口330彼此间可通过该电源管理模块310进行关于供电/受电的电压值/电流值数据的双向沟通。该主机连接接口330可以是供电端(Power Source)也可以是受电端(Power Sink)，于本发明中为受电端。

具双电源的USB扩展装置200例如是USB集线器(Hub)或USB扩充座(DockingStation)等支持USB电力传输规格的USB扩展装置。该第一电源220及该第二电源240可以是任何可提供电力且支持USB电力传输规格的电力来源。于某一实施例中，该第一电源220为直流(DC)电源。该主机230例如是桌面计算机、笔记本电脑、平板计算机等支持USB电力传输规格的装置，或是其他耗电量较大且支持USB电力传输规格的装置。以上举例本发明皆并不加以限制。

该第二电源连接接口340及该外接接口350与USB规格连接接口，可支持USB 2.0、3.0、3.1等规格，某一实施例中亦可支持USB Type-C及USB电力传输规格，本发明并不加以限制。

于本发明之一较佳实施例中，该具双电源的USB扩展装置200借由该第一电源连接接口320与该第一电源220电性连接，同时，该具双电源的USB扩展装置200借由该第二电源连接接口340与该第二电源240电性连接，此时，该主机230的角色为受电端并接受供电。其中，该主机230端具有支持USB Type-C及USB电力供应的USB控制器及该USB连接接口(图式未绘)，该主机230借由该主机230的该USB连接接口与具双电源的USB扩展装置200的该主机连接接口330电性连接，该主机230借由该主机230的USB控制器通过该主机230的该USB连接接口与该具双电源的USB扩展装置200的该主机连接接口330进行关于供电/受电的双向信息沟通。该第一电源220通过该第一电源连接接口320与该具双电源的USB扩展装置200进行关于供电/受电的双向信息沟通。

对应该主机230通过该主机连接接口330要求提供电力，一电源管理模块310使该第一电源220的供电通过该主机连接接口330提供予该主机230，同时，该电源管理模块310使该第二电源240的供电通过该第二电源连接接口340提供予该电源管理模块310且通过该外接接口350提供予外接设备(251、252、253、254)。也就是，该主机230所需的电力完全由该第一电源220供应，而不受该些外接设备(251、252、253、254)及该具双电源的USB扩展装置200的耗电的影响，该些外接设备(251、252、253、254)及该具双电源的USB扩展装置200另有该第二电源240供应电力。即，该第一电源220的受电对象与该第二电源240的受电对象不同。

关于前述如何进行供电的细节，更进一步，请参阅图4，图4为本发明的另一较佳实施例的具双电源的USB扩展装置的方块图。一电源管理模块410更包括一电源供需事务处理单元418与一电源供需开关及转换单元415，该电源供需事务处理单元418与该电源供需开关及转换单元415彼此间电性连接并沟通信号。该电源供需开关及转换单元415可检测一第一电源连接接口420及一主机连接接口430的电力状态，且接受该电源供需事务处理单元418的电源状态查询。此外，该电源供需开关及转换单元415具有直流电(DC)转换及电压调整功能，且可开/关该第一电源连接接口420及该主机连接接口430间的电力信道。

该第一电源连接接口420与该电源供需开关及转换单元415电性连接且借由USBType-C规格中的VBUS接脚传输该第一电源220的电力至该电源供需开关及转换单元415。该第一电源连接接口420包括一组态通道(Configuration Channel)并可与该电源管理模块410沟通及确认供电功率。该第一电源连接接口420借由USB Type-C规格中的CC接脚与该电源供需事务处理单元418电性连接及沟通与该第一电源220、该主机230相关的供电/受电的信息。

承上，该主机连接接口430与该电源供需开关及转换单元415电性连接且借由USBType-C规格中的VBUS接脚接受自该电源供需开关及转换单元415所传输来的供电。该电源供需事务处理单元418借由USB Type-C规格中的CC接脚与该主机连接接口430电性连接及沟通与该第一电源220、该主机230相关的供电/受电的信息。

该第二电源连接接口440与该电源供需事务处理单元418及一外接接口450电性连接，该第二电源240通过一第二电源连接接口440提供电力至该电源供需事务处理单元418及通过一外接接口450供电予外接设备(251、252、253、254)。

该外接接口450与主机连接接口430电性连接，该外接接口450与该主机连接接口430彼此间沟通USB数据信号，外接设备(251、252、253、254)通过该外接接口450传输USB数据信号至该主机连接接口430再传输至该主机230。相反的路径，该主机230通过该主机连接接口430传输USB数据信号至该外接接口450再传输至外接设备(251、252、253、254)。

USB Type-C中由于电力可双向传输，为确保电压及方向性正确，故需预先作沟通。关于前述「对应该主机230通过该主机连接接口430要求提供电力」的步骤更包括：通过一组态通道(Configuration Channel)，该电源供需事务处理单元418通过该第一电源连接接口420询问该第一电源220可提供的供电能力数据并得到自该第一电源连接接口420的回复(此称供电电力表格(Power Table)，其包括通过该第一电源连接接口420所能够提供的电源方案参数(不同的总线电压和电流数据))，该主机230通过该主机连接接口430询问可提供的供电能力数据，该电源供需事务处理单元418即以供电电力表格通过该主机连接接口430回复该主机230。依据该电源供需事务处理单元418所回复的供电电力表格，该主机230通过该主机连接接口430提出其所需要的电源功率。

关于前述「该电源管理模块410使该第一电源220的电力通过该主机连接接口430提供予该主机230」的步骤更包括：通过该组态通道(Configuration Channel)，该电源供需事务处理单元418向该第一电源连接接口420提出该主机230通过该主机连接接口430所提出需要的电源功率，该第一电源220通过该第一电源连接接口420接受该主机230所需要的电源功率并将总线电压修改成相应的参数，该电源供需事务处理单元418检查供电电源无误后，通知该电源供需开关及转换单元415启动该第一电源连接接口420与该主机连接接口430间的电源传输通道(该电源供需开关及转换单元415尚可进一步进行电压调整)，使得该第一电源220的电力通过该第一电源连接接口420的USB Type-C的VBUS接脚及该主机连接接口430的USB Type-C的VBUS接脚提供予该主机230。此时，来自该第一电源连接接口420的该第一电源220供电仅提供予该主机230。以上经过询问沟通且提供所需的弹性供电方式提供了有效益的供电模式而避免消耗了不必要的能源。

本发明提出一种双电源供电方法，应用于符合USB电力传输(Power Delivery)规格的USB扩展装置，如图2所示，该具双电源的USB扩展装置200与该第一电源220、该第二电源240、该主机230及该些外接设备(251、252、253、254)电性连接。其中，请搭配图3，该具双电源的USB扩展装置300包括该第一电源连接接口320、该第二电源连接接口340、该主机连接接口330、该外接接口350及该电源管理模块310。该具双电源的USB扩展装置300通过该第一电源连接接口320与该第一电源220电性连接、通过该第二电源连接接口340与该第二电源240电性连接、通过该主机连接接口330与该主机230电性连接、通过该外接接口350与该些外接设备(251、252、253、254)电性连接(该外接接口350为示意方块，实际实施上其具有四个单独的子外接接口分别与该些外接设备(251、252、253、254)电性连接)。其他关于图2及图3的说明内容可参见前述。

请参阅图5，图5为本发明一实施例的双电源供电方法的流程图。本发明的双电源供电方法包括：步骤S510：沟通符合USB Type-C及USB电力传输规格的供电/受电信息于该第一电源220与该主机230之间；接着，步骤S520：根据供电/受电信息通过该主机连接接口330提供该第一电源220的电力予该主机230；然后，步骤S530：使该第二电源240的电力通过该第二电源连接接口340提供予该电源管理模块310且通过该外接接口350提供予该些外接设备(251、252、253、254)；其中，接受该第一电源220与该第二电源240的电力的对象不同。

更详细地说明，请参阅图4，该电源管理模块410更包括该电源供需事务处理单元418与该电源供需开关及转换单元415。该电源供需开关及转换单元415可检测该第一电源连接接口420及该主机连接接口430的电源状态，且接受该电源供需事务处理单元418的电源状态查询。此外，该电源供需开关及转换单元415具有直流电(DC)转换及电压调整功能，且可开/关该第一电源连接接口420及该主机连接接口430间的电力信道。该第一电源连接接口420包括一组态通道(Configuration Channel)，可与该电源管理模块410沟通及确认供电功率。其他关于图4的说明可参见前述，于此不再重复赘述。请参阅图6，图6为本发明另一实施例的双电源供电方法的流程图。其中，沟通符合USB Type-C及USB电力传输规格的供电/受电信息于该第一电源220与该主机230之间的步骤S510更包括：步骤S610：该电源供需事务处理单元418通过该第一电源连接接口420询问该第一电源220的供电功率并得到回复；步骤S620：该主机230通过该主机连接接口430询问供电功率，该电源供需事务处理单元418通过该主机连接接口430回复该主机230供电功率；步骤S630：该主机230通过该主机连接接口430依该电源供需事务处理单元418所回复的供电功率提出需要的电源功率。根据供电/受电信息通过该主机连接接口430提供该第一电源220的电力予该主机230的步骤S520更包括：步骤S640：该电源供需事务处理单元418向该第一电源连接接口420提出该主机230通过该主机连接接口430所提出需要的电源功率；步骤S650：该电源供需事务处理单元418通知该电源供需开关及转换单元415启动该第一电源连接接口420与该主机连接接口430间的电源传输通道；步骤S660：该第一电源220的电力通过该主机连接接口430提供予该主机230。

总结上述，通过本发明的支持USB电力传输规格的电源管理模块及连接接口所构成的具双电源USB扩展装置，使得第一电源可有效益地供电予主机(或其他需要较大供电的装置)，第二电源供电予USB扩展装置及外接设备，双电源同时可各别提供予不同的受电对象，借此达成本发明的满足受电设备的用电需求、用电安全性及供电效益的目的。