具有通用串行总线集线器的功率适配器

摘要

一种用于主机设备的功率适配器及其操作方法。在一个实施例中，功率适配器包括功率转换器(910)和通用串行总线集线器(920)。功率适配器还包括：耦合到功率转换器(910)和通用串行总线集线器(920)的集成的功率/通用串行总线连接器(950)，配置成向主机设备提供功率并且提供与主机设备的通用串行总线通信。

说明书

技术领域

本发明要求2010年3月26日提交、标题为“Power Adapter  Having a Universal Serial Bus Hub”的美国临时申请No.61/318,031的 优先权，通过引用将该申请结合于此。

本发明总体上涉及功率电子设备，并且更具体地涉及一种包括 功率转换器和通用串行总线集线器(hub)的功率适配器及其操作方 法。

背景技术

切换模式功率转换器(也称为“功率转换器”或者“调节器”) 是将输入电压波形转换成指定输出电压波形的功率供应或者功率处 理电路。Ac-dc功率转换器将交流电(“ac”)输入电压转换成dc输 出电压。Dc-dc功率转换器将直流电(“dc”)输入电压转换成直流输 出电压。设计成将交流电市电电压或者直流电压源转换成dc输出电 压以对诸如打印机、个人计算机或者其它便携电子设备(比如无线 通信设备)的电子负载供电的具有低额定功率的功率转换器一般称 为“功率适配器”，也称为“适配器”。一般而言，可以从ac或者 dc电源向适配器供电。

随着便携计算和无线通信需要已经持续地快速扩张，在瘦型并 且对于应用环境而言稳健的轻量级封装中提供高水平的功能能力已 经变得重要。然而随着将比如个人计算机等的便携设备推向更瘦和 更轻设计，已经变得越来越难以支持如今在全特征个人计算机中发 现的完整范围的诸如功率适配器、通用串行总线(“USB”)集线器、 磁盘驱动器和无线收发器等的附件组件。对于特定任务，一般并不 需要这些附件中的每一个，结果是，大量外围设备通常与个人计算 机或其它设备的基本功能特征一起不可拆装地运输。然而，为了实 现诸如便携式个人计算机或无线通信设备等的便携计算设备的瘦型 和轻型设计，将适配器构造为用线缆耦合到个人计算机的单独设备 已经变成普遍做法。

尽管持续减小集成数字设备的尺寸和处理能力以满足越来越 多的市场需求，但是尚未出现令人满意的策略以实现进一步减小便 携式个人计算机或者无线通信设备的尺寸和重量并且可以有利地适 应大批量制造技术。因而在本领域中需要的是一种用于功率适配器 的设计方式和有关方法，能够实现进一步减小诸如便携式个人计算 机、无线通信设备等的主机设备的尺寸。

发明内容

包括功率适配器及其操作方法的本发明的有利实施例通常解 决或者规避这些和其它问题，以及通常实现技术优点。在一个实施 例中，功率适配器包括功率转换器和通用串行总线集线器(hub)。 功率适配器还包括：集成的功率/通用串行总线连接器，其耦合到功 率转换器和通用串行总线，配置成向主机设备提供功率，并且提供 与主机设备的通用串行总线通信。

前文已经相当宽泛地概括了本发明的特征和技术优点以便可 以更好地理解下文中的本发明的具体描述。下文将描述本发明的附 加特征和优点，这些特征和优点形成本发明权利要求的主题。本领 域技术人员应当理解，可以容易利用公开的概念和具体实施例作为 用于修改或者设计其它结构或者过程的基础，这些结构或者过程用 于实现本发明的相同目的。本领域技术人员也应当认识到这样的等 效构造未脱离如在所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面理解本发明，现在参照结合附图进行的下文描述， 在附图中：

图1A和1B分别图示了用于根据本发明的原理构造的功率适 配器的集成的功率/USB连接器的实施例的端视图和侧视图；

图2至图4图示了用于根据本发明的原理构造的功率适配器的 集成的功率/USB连接器的实施例的透视图；

图5图示了根据本发明的原理构造的功率适配器的线缆的实 施例的横截面图；

图6和图7根据本发明的原理构造的功率适配器的部分的实施 例的透视图；

图8图示了根据本发明的原理构造的功率适配器的实施例的 示意图；以及

图9图示了根据本发明的原理构造的、包括集成的功率/USB 连接器和线缆的功率适配器的一个实施例的框图。

除非另外指出，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应 部分，并且为了简洁而可以在第一实例之后不再赘述。绘制附图以 图示示例实施例的相关方面。

具体实施方式

下文具体讨论当前示例实施例的实现和运用。然而应当理解， 本发明提供可以在各种各样的具体环境中实现的许多可应用的发明 构思。讨论的具体实施例仅举例说明用于实现和运用本发明的特定 方式并且不限制本发明的范围。

将在特定环境中关于示例实施例描述本发明，即功率适配器配 置成提供作为与诸如便携式个人计算机或者无线通信设备等主机设 备分开的支持USB的能力。尽管将在功率适配器的环境中描述本发 明的原理，但是可以从包括功率放大器和电机控制器的具有支持 USB能力的功率适配器中受益的任何应用同样在本发明的宽的范围 内。

根据本发明，集成的功率/USB线缆和连接器向主机设备提供 来自功率适配器的功率转换器和USB集线器的dc功率以及与该功 率转换器和USB集线器的USB通信。包括集成的功率/USB线缆和 连接器的支持USB的功率适配器允许从主机设备(比如便携式个人 计算机或者无线通信设备)卸载外围设备(比如USB集线器、磁盘 驱动器、相机和无线收发器)，由此减小它的的尺寸、重量和主机 设备的基础成本。用户通常携带与主机设备分离的功率适配器旅行， 由此在旅行之时提供对这些能力的取用。

这里介绍的支持USB的功率适配器以如下功率转换器和能力 二者为特征，该功率转换器用于给便携式个人计算机或者其它设备 供电并且对它的电池充电，该能力用于支持附接到、集成到功率适 配器或者与功率适配器分开放置的USB设备。这允许外围设备从主 机设备到功率转换器重新定位，从而产生更小、更轻和更低成本的 个人计算机，而又仍然支持广泛计算和通信特征集。由于多数用户 携带功率适配器旅行，所以用户将仍然需要取用所有特征。支持USB 的功率适配器也可以支持如下部件，这些部件太大而无法相配到标 准便携式个人计算机中或者没有足够大的附接速率以证明包括这些 部件作为按订单配置/按订单生成(“CTO/BTO”)选项是合理的。

支持USB能力的部件(也称为USB设备)可以相应地从个人 计算机移向支持USB的功率转换器，从而减小个人计算机的基础成 本，减小物理尺寸并且给予用户关于系统功能的灵活性。USB集线 器安全集成到支持USB的功率适配器壳或者使USB集线器为可拆卸 的，从而允许用户通过关于支持USB的功率适配器交换USB设备来 动态重新配置主机设备(比如个人计算机)的功能。

使用集成的功率/USB线缆和连接器来启用在支持USB的功率 适配器中的USB功能，比如支持USB集线器、增加的存储器等。也 可以扩展USB功能以提供与支持USB的功率适配器的功率功能的高 度集成接口，比如故障报告以及控制用于主机设备(比如个人计算 机)的支持USB的功率适配器的操作模式，包括空闲或者睡眠模式。 集成的功率/USB线缆形成有集成的功率/USB连接器，该连接器可 以被布置成与各种现有主机设备功率连接器兼容。可拆装的适配器 顶端可以用来将支持USB的功率适配器连接到主机设备的标准功率 连接器。

目前与个人计算机一起使用的功率适配器经常使用三个引线 或者接线，即高电压引线(比如+19伏特(“V”)直流引线)、接地 /返回引线和电源识别(“PSID”)引线，以将适配器电路与主机设 备充电和功率管理子系统同步。认识到可能并非所有当前可用主机 设备使用PSID引线。这里介绍的支持USB的功率适配器添加附加 引线以支持USB通信，即用于USB信号的差分对(differential pair) 和用于USB功率的两个引线。因而，线缆中的用于USB功率的两个 引线可以用来在支持USB的功率适配器未插入到ac市电出口时从主 机设备的电池供应的功率向支持USB的功率适配器中的USB功能供 电。此外，组合的功率/USB连接器集成到与标准主机设备适配器兼 容的单个插头和连接器组合，由此减少桌面凌乱。可拆装功率顶端 可以用来适配电源插头以相配到标准主机设备功率连接器中。

在一个实施例中，用“Y-线缆”实施与主机设备的集成的功率 /USB连接器，在该线缆中，集成的功率/USB连接器在主机设备端 被划分成分开的数据/USB和功率连接。dc功率连接可以使用标准主 机设备连通性，而支持USB的功率适配器中的USB集线器可以插入 到标准主机设备USB连接之一中。

现在转向图1A和1B，分别图示了用于根据本发明的原理构造 的功率适配器的集成的功率/USB连接器的一个实施例的端视图和侧 视图。集成的功率/USB连接器在上行中包括五个连接器(统一标示 为110)，以提供音频和USB通信连通性。此外，在上行中还包括 两个未使用的连接器(统一标示为120)，其可以在以后时间使用以 提供附加功能。在下行中，一个连接器(标示为130)用来为主机设 备(比如个人计算机)提供dc功率(例如，在5安培(“A”)为+19 伏特(“V”)或者在5A为+12V)。另一连接器(标示为140)用来 为直流功率提供直流接地(即返回电流路径)。图1还图示了在下 行中的三个附加的未使用的连接器(统一标示为150)，其可以在以 后时间用于附加功能。集成的功率/USB连接器的示例性尺寸是 X＝4.2毫米(“mm”)和Y＝8.6mm。

现在转向图2至图4，图示了用于根据本发明的原理构造的功 率适配器的集成的功率/USB连接器的实施例的透视图。从图2开始， 集成的功率/USB连接器形成有与USB连接器220集成的dc功率连 接器210(例如具有桶状末端)。根据用于主机设备(例如个人计算 机)的连接器的设计和位置，可以对集成的功率/USB连接器进行放 置使得dc功率连接器210对接个人计算机的对应连接器。可拆装适 配器顶端230可以用来延伸dc功率连接器210的可及距离，从而它 可以耦合到更宽范围的个人计算机设计，否则可能被USB连接器220 的存在所阻碍。关于图3，图2的集成的功率/USB连接器分别插入 到可以位于主机设备(比如个人计算机或者其它设备)内部的印刷 布线板300的配对连接器310、312中。

现在转向图4，图示了用于根据本发明的原理构造的功率适配 器的集成的功率/USB连接器的另一实施例的透视图。键控集成的功 率/USB连接器包括用于连接到配对键控连接器420的桶状末端410， 配对键控连接器420形成有键槽430(例如8.5mm周长)。通过提 供连接器将USB功能构建于键中，以允许键控集成的功率/USB连 接器支持当前功率桶状连接器。位于桶状末端410的一侧上的键440 在键440的一侧上形成有两个USB连接器(触头)450，而在键440 的相反侧上形成有两个USB连接器(隐藏不可见)。附加连接器460 可以形成于键440的横向暴露侧上以提供附加功能。通过仅在桶状 末端410的部分上形成键440，集成的功率/USB连接器可以插入到 标准配对键控连接器420中。因此，可以在可选基础上向终端用户 提供键控集成的功率/USB连接器的升级的功能能力。

现在转向图5，图示了根据本发明的原理构造的功率适配器的 线缆的一个实施例的横截面图。线缆位于功率转换器和USB集线器 与支持USB的功率转换器的集成的功率/USB连接器之间。线缆包 括绕着其周边的绝缘套510。线缆形成有dc功率引线515和返回接 地引线520，这些引线将各自通常形成有20美国接线标准(“AWG”) 接线。线缆还包括形成有28AWG接线的第一屏蔽USB差分对引线 525、530和形成有28AWG接线的第二屏蔽USB差分对引线535、 540。线缆还包括防静电漏引线545以从线缆排出静电荷。线缆也可 以形成有非传导填充物550以提供用于绝缘套510的机械支撑。也 包括接地引线555以在功率适配器的本地电路接地与主机设备(比 如个人计算机或者其它设备)的本地电路接地之间提供一般接地连 接。

现在转向图6和图7，图示了根据本发明的原理构造的功率适 配器(例如支持USB的功率适配器)的部分的实施例的透视图。图 6的支持USB的功率适配器包括USB集线器610(例如四端口有动 力的/无动力的USB集线器)和ac-dc功率转换器650(例如FlexPower  S90)。USB集线器610包括用于连接到USB设备的USB连接器615、 620。ac-dc功率转换器650包括ac功率连接器655，该连接器被配 置成接收线缆以从电源(比如ac市电)向ac-dc功率转换器650提 供功率。支持USB的功率适配器还包括功率/USB端口630、640， 这些端口被配置成分别向线缆(例如参见关于图5描述的线缆)和 用于主机设备的集成的功率/USB连接器(例如参见关于图2至4描 述的集成的功率/USB连接器)提供安全承载的dc功率/USB连通性。 因此，支持USB的功率适配器被配置成为主机设备(比如个人计算 机)以及可以从个人计算机可拆装地拆卸的远程USB集线器610提 供dc功率，由此消除对在个人计算机中安装USB及其关联连接器的 需要。

图7的支持USB的功率适配器包括USB集线器710(例如四 端口有动力的/无动力的USB集线器)和ac-dc功率转换器750(例 如FlexPower纤薄外形规格功率适配器)。USB集线器710包括用 于连接到USB设备的USB连接器(其中之一标示为720)。ac-dc 功率转换器750包括ac功率连接器760，该连接器被配置成接收线 缆以从电源(比如ac市电)向ac-dc功率转换器750提供功率。支 持USB的功率适配器还包括功率/USB端口730，该端口被配置成分 别向线缆(例如参见关于图5描述的线缆)和用于主机设备的集成 的功率/USB连接器(例如参见关于图2至4描述的集成的功率/USB 连接器)提供安全承载的dc功率/USB连通性。

现在转向图8，图示了根据本发明的原理构造的功率适配器(例 如支持USB的功率适配器)的实施例的示意图。支持USB的功率适 配器包括USB集线器810，该集线器提供经由线缆和集成的功率 /USB连接器到主机设备(比如个人计算机笔记本计算机)的连通性。 支持USB的功率适配器还包括耦合到USB集线器810的USB设备 820(例如支持USB的磁盘驱动器、支持USB的闪存设备、支持USB 的相机)。当然，USB设备820可以从USB集线器810可拆装地拆 卸或者集成到整个功率适配器中，由此提供多用途集成设备。

支持USB的功率适配器还包括功率转换器830，该转换器包括 有源钳位前向功率传动系(train)。当然，功率转换器830可以运 用其它拓扑，比如但不限于回扫功率传动系。功率转换器830耦合 到由输入电压Vac表示的电源(例如输入电源(比如ac市电))。 在替代实施例中，到支持USB的功率适配器的输入电压可以由dc 电压源提供。输入电压Vac由二极管桥整流器Rect整流并且由滤波 电容器Cin滤波，以形成dc输入电压Vin。dc输入电压Vin向隔离 变压器或者变压器T1供应输入功率。变压器T1具有初级匝数Np 的初级绕组和次级匝数Ns的次级绕组，考虑所得占空比和功率传动 部件上的应力将这些匝数选择成提供输出电压Vout。功率转换器830 的功率传动系包括耦合到提供输入电压Vin的输入电源的第一和第 二功率开关S₁、S₂。第一功率开关S₁(例如n沟道金属氧化物半导 体场效应晶体管(“MOSFET”))由诸如脉宽调制(“PWM”)控制 器840的控制器控制，该控制器控制针对占空比D导通的第一功率 开关S₁。第二功率开关S₂(重置开关，比如n沟道MOSFET)耦合 到钳位电容器Cclamp和第一功率开关S₁。第二功率开关S₂控制成 针对基本上互补的占空比1-D导通。

因此第一和第二功率开关S₁、S₂分别响应于PWM控制器840 产生的栅极驱动信号GD₁、GD₂以切换频率f_s交替导通。占空比D 由PWM控制器840调整以调节功率转换器830的输出的特性，比如 输出电压V_out、输出电流或者两者的组合。在变压器T1的次级绕组 上出现的ac电压由前向二极管Ds1和续流(freewheeling)二极管 Ds2整流，并且所得波形的dc分量通过包括输出滤波电感器Lout 和输出滤波电容器Cout的低通输出滤波器耦合到输出以产生输出电 压V_out。

在占空比D的第一部分期间，流过输出滤波电感器L_out的电感 器电流I_Lout随着电流从功率转换器的输入向输出流动而增加。在占 空比的互补部分(一般与第一功率开关S₁的互补占空比“1-D”共存) 期间，第一功率开关S₁向非导通状态转变，并且能够使得耦合到输 出滤波电感器L_out的第二功率开关S₂响应于栅极驱动信号GD₂而导 通。第二功率开关S₂提供路径以维持流过输出滤波电感器L_out的电 感器电流I_Lout的连续。在互补占空比1-D的互补部分期间，流过输 出滤波电感器L_out的电感器电流I_Lout减少。一般而言，在占空比D 的第一部分期间，可以调整第一和第二功率开关S₁、S₂的占空比以 维持功率转换器的输出电压V_out的调节。然而本领域技术人员应当 理解，用于第一和第二功率开关S₁、S₂的导通时段可以由小的时间 间隔分离以避免其间的交叉导通并且有益于减少与功率转换器关联 的功率切换损耗。此外，PWM控制器840还可以包括或者耦合到隔 离设备(比如脉冲变压器或者光隔离器)以提供在功率转换器的初 级与次级侧之间的金属隔离。

现在转向图9，图示了根据本发明的原理构造的、包括集成的 功率/USB连接器950和线缆940的功率适配器的一个实施例的框图。 线缆940通过功率/USB端口930耦合到支持USB的功率适配器。 支持USB的功率适配器包括功率转换器910和USB集线器920。支 持USB的功率适配器还包括USB连接器980、981，该连接器配置 成接受可以耦合到支持USB的设备(比如闪存设备、无线适配器或 者另一USB集线器)的常规USB线缆。支持USB功能的功率适配 器被配置成通过功率线缆990耦合到电源(比如ac市电)。如上文 先前参照图2至4描述的，集成的功率/USB连接器950被配置成耦 合到主机设备(比如个人计算机或者服务器)并且形成有USB连接 器960和功率连接器970。在不存在可以耦合到功率线缆990的电源 时，用于支持USB的功率适配器的功率可以由耦合到主机设备的功 率连接器970供应。

因此，支持USB功能的功率适配器被构造成向主机设备提供 dc输入功率和向主机设备外部的设备提供USB功能。以这一方式， 在构造主机设备时节省大量空间和成本，从而实现在便携环境中使 用更方便的主机设备。

在一个实施例中，支持USB的功率适配器包括功率转换器、 通用串行总线(“USB”)集线器和线缆，该线缆具有从功率转换器和 USB集线器到集成的功率/USB连接器的引线，以用于连接到主机设 备(例如个人计算机或者无线通信设备)。支持USB的功率适配器 包括ac功率连接器，被配置成接收线缆以从电源向功率转换器提供 功率。支持USB的功率适配器也可以包括从功率转换器和USB集线 器到线缆的功率/USB端口。关于线缆，引线中的一些经由集成的功 率/USB连接器的功率连接器提供从功率转换器向主机设备的功率， 并且引线中的一些经由集成的功率/USB连接器的USB连接器提供 在USB集线器与主机设备之间的USB通信。线缆也可以包括绕着其 外围的绝缘套、功率引线和返回接地引线、第一和第二屏蔽USB差 分对引线、防静电漏引线、非传导填充物以及接地引线。关于集成 的功率/USB连接器，该连接器可以包括功率连接器，该功率连接器 具有桶状末端和配置成将功率连接器的可及距离延伸至主机设备的 可拆装适配器顶端。集成的功率/USB连接器也可以包括功率连接器， 该功率连接器具有桶状末端和位于其一侧上的键，至少一个USB连 接器位于键的一侧上。支持USB的功率适配器的功率转换器可以包 括桥整流器、有源钳位前向功率传动系和控制器。

本领域技术人员应当理解仅出于示例目的而提交配置成提供 支持USB的能力的功率转换器及其有关操作方法的前述实施例。尽 管已经在用于便携计算机或者无线通信设备的功率转换器的环境中 描述了配置成提供支持USB的能力的功率适配器，但是这些处理也 可以应用于其它系统(比如但不限于功率放大器或者电机控制器)。

为了更好地理解功率转换器，参见Rudolph P.Severns和 Gordon Bloom的“Modern DC-to-DC Power Switch-mode Power  Converter Circuits”(Van Nostrand Reinhold Company，New York，New  York(1985))和J.G.Kassakian、M.F.Schlecht和G.C.Verghese 的“Principles of Power Electronics”(Addison-Wesley  (1991))。

另外，虽然已经具体描述本发明及其优点，但是应当理解这里 可以做出各种改变、替换和变更而未脱离如所附权利要求限定的本 发明的精神实质和范围。例如上文讨论的许多处理可以在不同方法 中实施，以及可以为其他处理或其组合替换。

另外，本申请的范围并非旨在于限于在说明书中描述的处理、 机器、产品、物质组合物、装置、方法和步骤的具体实施例。如本 领域普通技术人员将从本发明的公开内容中容易理解的那样，可以 根据本发明来利用执行与这里描述的对应实施例基本上相同的功能 或者实现基本上相同的结果的、当前存在或者以后开发的处理、机 器、产品、物质组合物、装置、方法或者步骤。因而所附权利要求 旨在于在它们的范围内包括这样的处理、机器、产品、物质组合物、 装置、方法或者步骤。