具有功率限制反馈回路的电源拓扑结构

摘要

本发明提供一种电源拓扑结构，包括交流/直流适配器或直流/直流适配器、含有有源系统的电子设备、电池和适配器控制器，该适配器控制器对适配器输出电压进行闭环控制，适配器将代表其最大功率的信号连接到一条控制线上，该控制线与该电子设备相连，电子设备也将代表瞬时功耗与适配器最大功率之间差值的误差信号连接到该控制线上。适配器根据误差信号的大小来调整其输出电压。适配器控制器根据代表适配器最大功率的信号来设定一个用于分配电池充电电流的极限值，当瞬时功耗接近适配器最大功率时电池的充电电流就趋近于零。当电子设备连接备用适配器而适配器的最大功率值发生变化时，适配器控制器会相应地调整该用于分配电池充电电流的极限值。

说明书

技术领域

本发明系关于电源拓扑结构，具体为一种具有适配器而且适配器生成一个与可用功率或者最大功率相关的信号的供电电路，以及可配置用于接收这种信号的电子设备。本发明适用于便携式电子设备，同时也适用于其它使用适配器供电的设备。

背景技术

许多电子设备使用交流/直流(AC/DC)适配器或者直流/直流(DC/DC)适配器来给设备供电并给设备的电池充电，例如计算机、移动电话、收音机、打印机和个人数据助理(PDA)等。交流变直流的适配器也称为“AC/DC适配器”、“交流适配器”或者“适配器”，通常连接室电插座并将100-240伏、50-60赫兹的交流电转换成直流输出供电子设备使用。直流变直流适配器也称为“DC/DC适配器”、“直流适配器”或者“适配器”，通常将一定电压的直流输入电流转换成另一电压的直流输出电流，常用于连接交通工具上的附属连接器给电子设备供电，例如用于汽车、船舶和飞机上。

适配器输出的电流和电压连接到电子设备的输入电源轨。对于在适配器不可用时使用电池或者其它能量储存设备来供电的电子设备来说，电池或者其它能量储存设备的输出电流和电压也连接到输入电源轨。输入电源轨上连接的其它元件负责检测适配器或电池是否可用，并将适配器输出电压和电池输出电压转换成电子设备内的有源系统可用的电压，以及给电池充电。

传统的电源拓扑结构选定的适配器最大功率通常可以在供给电子设备内部的有源系统的负载的同时可以给电池充电。而且，传统电源拓扑结构中的适配器输出电压通常远远高出电池输出电压。举例来说，一个配备3电芯锂离子电池的电子设备，输入电源轨上的电池输出电压的范围约为直流9伏到13.5伏，视电池的充电状况而变化。传统电源拓扑结构中，输入电源轨上的适配器输出电压就会在直流16.8伏到19伏之间变化，而与输入电源轨相连的元件都需要容许30伏的直流电压，以便于为设计留下余地。传统电源拓扑结构中的适配器输出电压和电池输出电压的巨大差异影响了与输入电源轨相连的元件的成本和尺寸。容许30伏直流电压的元件相对于容许较低电压的元件来说更为昂贵，体积也更大。另外，适配器电压和电池电压差异较大时，电压转换器和其它的元件在适配器供电时工作效率就低于电池供电时的工作效率。工作效率降低就意味着电子设备内部的损耗增大，进而会影响到许多系统参数，例如元件工作温度，有源和无源冷却元件的尺寸和成本，印刷电路板面积，以及包装尺寸和复杂度等。  最近有人尝试使用一个功率分配控制器来分配用于有源系统和电池充电的功率，以期改进传统的电源拓扑结构。在一个示例性的电源电路中，当电子设备消耗的功率超过某个与适配器最大电流相关的固定分配极限值的时候，功率分配控制器就会减小电池充电的电流。在另一示例性的电源电路中，上述的固定分配极限值与适配器最大功率相关。相对于传统电源拓扑结构来说，使用功率分配控制器就可以使用较小的适配器，因为有源系统的负载和电池充电的负载不会在同一时间达到各自的最大值。

功率分配控制器的配置是通过将多个电阻或其它元件连接到功率分配控制器的编程输入端实现的，配置后通常只能用于特定的固定分配极限值。当电子设备连接分配极限值不同的多个适配器时，例如一个轻量级的旅行适配器，其额定最大功率较小，而一个较大的扩展坞适配器或者是快速充电适配器的额定最大功率就会较大，由于电子设备生产时其功率分配控制器的分配器极限值就已经设定，功率分配控制器就无法根据各个适配器的分配极限值来调整工作状态。分配极限值不匹配就可能导致电池充电不足，或者导致电子设备工作的功率超过适配器的最大功率。第6,611,129号美国专利就是具有固定功率分配极限值的功率分配控制的一个实例。

另外也有人改装电子设备，将与适配器规格(例如最大电流或者最大功率)相关的一个或者多个固定值从适配器传递给经过改装的电子设备。电子设备经过改装后能够接收与适配器参数相关的固定值，并决定适配器输出电流分配给有源系统和电池充电电路的比例，或者作出其它决定以改变电子设备的工作模式。在一个示例性的电源电路中，电子设备接收适配器的相关信息而并不根据接收到的信息来改变适配器的输出电压，换言之，电子设备没有对适配器进行闭环控制。由于没有进行闭环控制，还是需要使用输出电压远高于电池输出电压的适配器，前述的效率降低问题依然存在。第6,058,034号美国专利就是一个实例。

发明内容

本发明提供了一种电源电路结构，该结构将交流/直流适配器或直流/直流适配器连接到电子设备，电子设备中包含一个适配器控制器、一个可充电电池和一个有源系统，有源系统用于实现电子设备的功能。适配器生成直流输出电流和电压提供给适配器控制器和有源系统，并用于电池充电。在本发明的一个实施例中，适配器输出电压和电池电压仅相差几百毫伏，比传统适配器中的适配器电压和电池电压差值要小很多。在本发明的一个实施例中，适配器部分生成一个与适配器最大功率相关的参考电压。参考电压连接到适配器控制线上，适配器控制线从适配器连接到电子设备和适配器控制器。适配器控制器根据一个与适配器输出电压相关的输入信号和一个与消耗电流相关的输入信号生成一个与电子设备的瞬时功率相关的信号，并将该信号与代表适配器最大功率的参考电压相比较。适配器控制器使用上述比较的结果形成一个适配器控制信号，当瞬时功耗小于或者等于适配器最大功率时控制信号的大小为0，当瞬时功耗大于适配器最大功率时，控制信号的大小就与瞬时功耗和适配器最大功率的差值有关。适配器控制器将适配器控制信号连接到适配器控制线。

适配器接收到上述控制信号并根据其大小来调整适配器输出电压。如果控制信号为0，则表明瞬时功耗不大于适配器最大功率，则适配器输出电压保持在标称值不变，仅在容差范围内波动。如果控制信号不为0，则适配器输出电压会减小，从而使得电子设备的功耗也减小。将瞬时功耗与代表适配器最大功率的极限值相比，根据比较结果生成控制信号，并根据控制信号调整适配器输出电压，这种调整方式即为适配器控制器的闭环控制。

在本发明的另一实施例中，与适配器最大功率相关的参考电压通过适配器控制线连接到适配器控制器，该参考电压代表一个控制极限值，在此控制极限值以下，则适配器控制器允许适配器的输出功率由有源系统和电池共享。当有源系统消耗的功率接近适配器的最大功率时，充电所消耗的功率就趋近于0。当有源系统和电池充电消耗的功率之和超过上述的控制极限值时，适配器的输出电压就会降低，进而电池充电的功率也会降低，直到瞬时功耗不大于适配器的最大功率时适配器输出功率控制环路达到稳定状态。如果有源系统的功率进一步增大，电池充电的功率就会继续减小，直至有源系统的功耗等于适配器的最大功率，电池不再充电。在本发明的一个实施例中，如果有源系统的功耗增加并超过适配器的最大功率，电池就会给有源系统供电。相反，如果有源系统消耗的功率降低到适配器最大功率以下，适配器用于电池充电的功率就会增大。当有源系统处于静态时，适配器最大功率的绝大部分都可用于电池充电。

附图说明

后文具体实施方式结合以下附图进行，将使得本发明之实施例的特性、内容和优点更加易于理解。

图1为本发明的一个实施例的块图。

图2为本发明的一个实施例提供的适配器的示意图。

图3为本发明的一个实施例提供的一种包含有源系统、电池和适配器控制器的电子设备的示意图。

具体实施方式

以下具体实施方式中所提及之实施例系用于说明本发明而非将本发明之范围限制于这些实施例的范围内。本发明不限于任何特定的电路、电压值、电流值、电池化学成分或其它参数。

图1为本发明的一个实施例的块图。总的看来，交流/直流适配器100使用功率变换器将交流输入电压转换成直流输出电压。在本发明的一个实施例中，功率变换器为反激式变换器(flyback converter)。适配器的直流输出电压和电流连接到电子设备200的输入端，该电子设备200包括一个输入电源轨，图中由线条206代表，包括一个有源系统202，包括可充电电池204以及一个适配器控制器300。在本发明的一个实施例中，可充电电池204为锂离子电池。在本发明的其它实施例中，锂聚合物电池、镍氢电池、镍铬电池、铅酸电池和其它成分的可充电电池或者等同的可充电的电能储存设备都可能使用。有源系统202包括可实现电子设备200所提供的功能的电气和电子元件。适配器控制器300测量与适配器100、有源系统202、电池204相关的电压和电流，并对适配器输出进行闭环控制以有效地给电池204充电并给有源系统202供电。

适配器控制器300测量电子设备200的输入电压和另一个与电子设备200消耗的电流相关的电压，并生成一个代表电子设备200的瞬时功耗的信号。适配器控制器300将上述代表瞬时功耗的信号与一个来自适配器100的参考信号相比，该参考信号与适配器的最大功率值相关，适配器控制器300进而根据瞬时功耗超过适配器最大功耗的差值生成一个控制信号电流输出。该控制信号电流输出连接到适配器控制线并代表适配器控制器300给适配器100的反馈信号，适配器控制线连接在电子设备200的CTR端和适配器100的相应的CTR端之间。根据控制信号的大小可以调整适配器100中的功率变换器的输出，从而实现对适配器100的输出的闭环控制。控制环路工作会使得适配器输出电压降低，降低的幅度取决于来自适配器控制器300的控制信号的大小。

对适配器100的输出电压进行闭环控制可以使得适配器输出电压保持在与电池电压相近的一个较小范围内。在很多类型的电子设备中，有源系统202都是根据适配器输出电压的变化来调节自身消耗的电流，从而使得有源系统202的功耗保持恒定。适配器100输出的电流和有源系统202分得的电流之差，再减去适配器控制器300消耗的较小的电流，即是可用于电池充电的电流。当有源系统202消耗的功率足以使得瞬时功耗超过适配器最大功率时，闭环控制会工作并降低适配器输出电压，直到适配器输出电压完全等于电池电压，闭环控制还会减小流入电池204的电流并最终停止给电池充电。反之，如果有源系统202处于静态或者功耗较低，就会有较大的功率可用于给电池充电，该功率最大值为适配器100的最大输出功率。

图2为本发明的一个实施例中适配器部分。适配器100包括一个反激式功率变换器106、运算放大器U1 108、整流器CR1 102和两个电阻R_A 104和R_B 110。需要由适配器100转换成直流的输入电压和电流连接到反激式功率变换器106的V_IN+和V_IN-端。在本发明的一个实施例中，连接到V_IN+和V_IN-端的输入电压为交流电压。在本发明的另一实施例中，输入电压为直流电压。反激式功率变换器的设计在本领域中广为人知，在此不再赘述。本领域技术人员应该理解，也可使用其它的功率变换器配置来代替反激式功率变换器将输入电压和电流转换成直流输出。反激式功率变换器106的直流输出连接到整流器CR1 102的阳极。整流器CR1 102的阴极则连接到输出端V_OUT。电阻R_A连接在V_OUT端和CTR端之间，电阻R_B连接在CRT端和GND端之间。GND是适配器的接地参考端。电阻RA和RB决定适配器100的标称输出电压VAD。在图2所示的实施例中，CTR端将适配器的参考电压VREF连接到电子设备中的适配器控制器，并将来自适配器控制器的适配器控制电流信号连接到适配器。本发明的另一可选实施例增加了一个第四端用于适配器和电子设备之间的连接，电压VREF和适配器控制电流信号连接到不同的端子。

运算放大器U1 108的输出连接到反激式功率变换器106的占空比控制输入端。如果占空比控制输入端的电压增大，适配器的输出电压V_AD就会增大。反之，如果占空比控制输入端的电压减小，适配器的输出电压VAD就会减小。运算放大器U1 108的反相输入端连接到适配器100的CTR端。同时，运算放大器U1 108的反相输入端还连接到由电阻R_A 104和R_B 110组成的电压分压器。运算放大器U1 108的非反相输入端连接到导线112上的参考电压V_REF。在设计适配器100时会选定一个V_REF的值，使得V_REF与适配器100的最大输出功率P_ADMAX相关。本领域技术人员将理解，如果不选定V_REF 112的值，也可使用固定的V_REF值并使用两个或者多个串联电阻来代替电阻R_A104，串联的多个电阻阻值之和等于R_A 104的阻值。通过选定串联电阻中各个电阻的阻值，可以使得各个电阻上的压降加上V_REF之和等于所需的与适配器100的最大输出功率P_ADMAX相关的参考电压值，适配器100的CTR端连接到相应的电阻上即可。

如图1所示，适配器100的VOUT端、CTR端和GND端分别连接到电子设备中的VIN端、CTR端和GND端。有一个适配器控制电流从适配器控制器300流入适配器100的CTR端。在适配器100内部，该控制电流流经电阻R_B 110到达地极，从而在运算放大器U1 108的反相输入端生成一个电压，当适配器控制电流增大时，该电压增大。运算放大器U1 108的输出大小与V_REF 112和电阻R_B 110两端电压的差值有关，当电阻RB 110两端的电压增大时，运算放大器U1 108的输出减小。当适配器控制电流的大小为0(没有电流)时，适配器输出电压V_AD的大小维持在其标称值并处于适配器100调整的范围之内。当适配器控制电流增大时，运放U1 108的输出会减小，使得V_AD也相应地减小。

图3所示为电子设备200的一个实施例，该电子设备200包含一个适配器控制器300，包含有源系统202用于实现电子设备200提供的功能，还包含可充电电池204。在本发明其它的实施例中，电池204可以由其它可充电的能量储存设备来代替，例如可充的电容性存储设备。适配器100的输出电流I_AD流入电子设备200的输入端V_IN，流经一个或者多个检测电阻(图中由R_SENSE 208代表)，进而流入有源系统202和电池204，并流至适配器控制器300。适配器输出电压V_AD通过V_IN端连接到R_SENSE 208。在适配器控制器300内部，由电流检测放大器CSA304测量检测电阻R_SENSE 208两端的差分电压并输出一个与电子设备200所分得的电流相关的信号。上述与电流相关的信号即为功率检测功能模块306的一个输入。该模块的另一个输入来自一条连接到V_IN端的导线，该输入与电子设备200的直流输入电压相关。功率检测功能模块306的输出是一个与电子设备200的瞬时功耗相关的信号。此类根据与电压和电流相关的输入信号生成与功率相关的输出信号的电路设计方法为本领域技术人员所熟知。

功率检测功能模块306的输出连接到误差放大器ERR 308的第一输入端。ERR 308的另一个输入端连接到CTR端，并通过导线310连接到一个压控电流源(VCCS)302的输出端。压控电流源的设计为大家所熟知，在此不作赘述。误差放大器ERR 308的输出通过导线312连接到VCCS 302的控制输入端。VCCS 302的一个电压输入(voltage supply input)通过导线206连接到电子设备200的输入电源轨。

系统的输入电源轨206从检测电阻R_SENSE 208连接到电池204的第一端子并连接到有源系统202的功率输入端。当使用适配器100时，系统输入电源轨的电压等于适配器输出电压V_AD减去检测电阻R_SENSE208两端的一个较小电压，不使用适配器时，系统输入电源轨的电压即等于电池电压V_BAT。V_AD一般仅比V_BAT高出几百毫伏。

实际工作中，运放U1 108将适配器CTR端的电压保持在V_REF大小。导线310上的电压施加于误差放大器ERR 308的第二输入端，其大小也等于V_REF，因此也与适配器最大功率P_ADMAX相关。如前文已述，误差放大器ERR 308的第一输入端的电压代表电子设备的瞬时功耗。误差放大器ERR 308在导线312上的输出为一个电压信号，其大小与瞬时功耗超过P_ADMAX的量相关。VCCS 302接收导线312上的信号并在导线310上生成一个电流，其大小与瞬时功耗超过P_ADMAX的量相关。当瞬时功耗不大于P_ADMAX时，VCCS 302在导线310上的输出电流为0。从VCCS 302流出的电流流经CTR端进入适配器100，并使得适配器100的输出电压相应的减小。

在上述实施例中导线310执行两个功能，一是从适配器100连接一个电压信号到适配器控制器300内部的误差放大器ERR 308，该电压信号与适配器最大功率P_ADMAX相关，在电子设备对适配器输出电压进行闭环控制时该电压信号用作一个控制阈值；二是从适配器控制器300中的VCCS 302连接一个电流信号到适配器100中的U1 108的反相输入端，该电流信号代表瞬时功耗超过P_ADMAX的量，并用作修改适配器输出的反馈信号。导线310中双向流动的信号使得电子设备200可以对适配器的输出电压进行闭环控制、检测不同适配器最大功率之间的差值、管理功率分配以及控制功耗以防止功耗超过适配器的最大功率。在本发明的一个可选实施例中，来自适配器的与PADMAX相关的电压信号通过另一个端子连接到电子设备进而连接到误差放大器ERR 308，来自VCCS 302的电流信号则通过导线310连接到CTR端。

当瞬时功耗不超过P_ADMAX时，适配器100的输出电流I_AD同时流入有源系统202和电池204。可用于电池充电的电流大小等于I_AD与有源系统202分得的电流之差再减去适配器控制器300分得的一个较小的电流。当瞬时功耗大于P_ADMAX时适配器100的输出电压VAD由ERR 308进行闭环控制并减小，直到瞬时功耗与P_ADMAX达到稳态。V_AD减小使得电池204的充电电流也相应地减小。当有源系统的功耗增大并接近适配器最大功率时，V_AD就会降低并趋近电池电压，电池充电电流降低到0。如果有源系统202的功耗继续增大，V_AD就会降低到略低于电池电压，在本发明的一个实施例中，此时电流就会从电池204流出并流入有源系统202。导线206上的一个二极管或者开关(图中未示出)可防止电流从电池流回适配器。图2所示的适配器100的导线112上的参考电压就可理解为一个极限值，如果超过此极限值，适配器控制器300就会减少分配给电池204的功率并增加分配给有源系统202的功率。如果电池204未接入或者已经放电而有源系统202的功率使得瞬时功耗仍然大于P_ADMAX，反激式功率变换器106内部的保护电路就会工作以防止过载损坏适配器100。适配器过载保护电路的设计在本领域内广为所知，在此不作赘述。

在本发明的某些实施例中，多个误差放大器的输出连接到导线312，即VCCS 302的控制输入端。输出连接在导线312上的每个误差放大器分别将一个测定值与所需参数的一个参考值相比较。当代表所需参数测定值的信号超过代表所需参数的控制极限值时，相应的误差放大器就会在导线312上生成一个电压信号，该信号会使得VCCS302在导线310上生成一个电流信号并导致适配器100的输出电压相应地减小，从而实现了对适配器输出基于所需参数进行闭环控制。多个控制环路可同步工作，含有多个控制环路的系统中任何一个误差放大器都足以使得导线310上生成控制电流从而实现对适配器100的闭环控制。在本发明的一个实施例中，适配器控制器300中增加了一个适配器输出电流I_AD的控制环路，其方法是增加一个误差放大器并提供一个适配器输出电流的测定值和参考极限值给该误差放大器作为输入。在本发明的另一实施例中，适配器控制器300中增加了一个电池电压控制环路。在本发明的另一实施例中，适配器控制器300中增加了一个电池充电电流控制环路。

在本发明的一个实施例中，放大器CSA 304和ERR 308是跨导运放。在本发明的另一实施例中，放大器CSA 304和ERR 308为运算放大器。本领域技术人员将理解，运算放大器或者跨导运放都可执行放大器CSA 304和ERR 308所执行的功能。

本发明公开系用于例证说明而非限制以下权利要求之范围、实质或精神。理解本发明公开后本领域技术人员显然可见本发明可以有多种修改和变换，例如使用等同的功能和/或结构替代物、使用等同的功能连接或者使用等同的功能步骤。此类非本质的区别和变体都视为处于本发明的范围之内。另外，如果本申请对于特定的方法或步骤给出了多个示例，而且给出的示例之间或之外存在明显的推断，那么此类推断也视为处于本发明的范围内。

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