用于AC-DC适配器中的低功率模式的负载检测

摘要

本发明的各个实施方案涉及AC-DC适配器，更具体地涉及下述系统、设备和方法，这些系统、设备和方法利用负载检测器来基于DC输出电压的瞬时变化检测AC-DC适配器的负载状况，因此，使得AC-DC适配器能够从低功率模式切换到正常功率模式。在低功率模式，AC-DC适配器在目标电压产生DC输出电压，该DC输出电压随后根据是否施加负载以某一衰减速率降低。负载检测器被电耦合以监控输出电压并且测量两个预定阈值电压之间的衰减时间。衰减时间一低于阈值衰减时间，或者连续衰减时间的变化一达到某个阈值，就提供将AC-DC适配器配置为正常功率模式的使能指令。

说明书

技术领域

本发明涉及AC-DC适配器，更具体地涉及下述系统、设备和方法，这些系统、设备 和方法利用负载检测器来基于DC输出电压的瞬时变化检测AC-DC适配器的负载状况， 因此，使得AC-DC适配器能够从低功率模式切换到正常功率模式。

背景技术

AC-DC适配器是常用于将交流(AC)转换为用于给各种电子设备供电的直流(DC) 的电源供应器。典型的AC-DC适配器基于线性电源供应器或切换模式电源供应器。最初， 大多数AC-DC适配器是包括变压器、整流器和滤波器的线性电源供应器。在进行整流和 滤波以产生满意的DC电压水平之前，变压器直接将输入AC信号下变频为相同频率的低 电压AC信号，所述满意的DC电压水平可以具有可忽略的纹波变化(ripple variation)。 由于50Hz或60Hz的相对低频，变压器相对大。大体积变压器不仅引入损耗，而且基本 上限制适配器集成到墙壁插座中。而且，采用电阻分压器构造来保持来自线性电源供应器 的稳定的DC输出电压。即使当线性电源供应器没有驱动负载时，以热的形式的大量功耗 也会引起低能量效率。

为了解决物理大小和功率效率的问题，最近已利用切换模式电源供应器。在典型的切 换模式电源供应器中，首先将输入AC信号的频率上变频为更高频率，结果，变压器的大 小和功耗都减小。而且，利用脉冲宽度调制，而不是电阻分压器构造来调节切换模式电源 供应器中的输出电压。切换模式电源供应器的总体能量效率是线性电源供应器的总体能量 效率的两倍。

即将来临的能量之星2013(Energy Star 2013)将对电源供应器的能量效率提出更严峻 的挑战。通过使用切换模式电源供应器，而不是线性电源供应器，能量效率已从30-40％ 提高到了65％到80％的范围。然而，为了进一步提高能量效率，当任何电源供应器第一次 连接到墙壁插座时，或者当没有施加DC负载时，强制运行(mandate)休眠模式(sleep mode) 或低功率模式。

当应用切换模式电源供应器来驱动诸如笔记本电脑的DC负载时，利用数据引脚来识 别负载的存在，以使得AC-DC适配器可以基于负载状况在功率模式之间进行切换。图1A 图示说明与DC供电设备(DC负载)160耦合的AC-DC适配器110的示例性框图100。 AC-DC适配器110包括切换模式电源供应器(SMPS)102和电源供应器识别电路104。 连接AC-DC适配器110与DC负载160(比如，笔记本电脑)的线缆112是同轴、插入式 3引脚连接器，其包括正极端子118(即，VOUT线)、负极端子120(即，接地线)和 中心数据引脚122(即，负载存在/ID)。中心数据引脚122用于将电源供应器识别(PSID) 信息传送给DC负载160。PSID电路104中的自动感测电路系统被构造来通过监控从DC 负载160传送到PSID电路104的PSID信号的缺少来检测DC负载160的不存在。产生负 载存在/ID信号，该信号指示负载状况并且控制功率模式控制电路106，功率模式控制电 路106进一步在切换模式电源供应器102中启用合适的功率模式。

每次将前述AC-DC适配器插入到墙壁插座中时，该AC-DC适配器都以低功率模式启 动。PSID电路用于检测DC负载和控制SMPS从低功率模式切换到正常功率模式。除了 两个DC电源端子之外，这种方法还要求连接AC-DC适配器110与DC负载160的数据 线缆。当数据引脚122不慎受损时，AC-DC适配器可以永不发起正常功率模式，以适当 地驱动DC负载。串联电阻器可以放置在AC-DC适配器110与DC负载160之间的VOUT 路径中，以监控负载状况。必须使用低阻抗电阻器来使功耗最小，结果，必须应用敏感性 高的读出电路来检测串行电阻器上的压降的任何变化。需要有效地检测负载状况并且适当 地启动正常功率模式的可替换解决方案。

发明内容

本发明涉及AC-DC适配器，更具体地涉及下述系统、设备和方法，这些系统、设备 和方法利用负载检测器来基于输出电压的瞬时变化检测AC-DC适配器的负载状况，因此， 使得AC-DC适配器能够从低功率模式切换到正常功率模式。具体地讲，负载检测器直接 与适配器输出耦合，并且检测以前传送给PSID电路并由PSID电路通过专用数据信道检 测的DC负载。

在低功率模式，AC-DC适配器在目标电压产生DC输出电压，该DC输出电压随后根 据是否施加DC负载来以某一衰减速率(decay rate)降低。DC负载将衰减过程增加几个 数量级。负载检测器被电耦合，以监控输出电压并且测量两个预定阈值电压之间的衰减时 间。衰减时间一低于阈值衰减时间，或者连续衰减时间的变化一达到某个阈值，就提供将 AC-DC适配器配置为正常功率模式的使能指令。

AC-DC适配器包括切换模式电源供应器(SMPS)核心和功率控制回路。功率控制回 路包括负载检测器、低功率模式控制电路和光耦合器。负载检测器用于感测DC负载，低 功率模式控制电路产生对应的信号，来控制光耦合器以使得SMPS核心能够启动正常功率 模式。功率控制回路还可以包括PSID电路。

本发明的某些特征和优点已在本发明内容部分中进行了概括描述；然而，另外的特征、 优点和实施方案在本文中被呈现，或者本领域的普通技术人员鉴于附图、说明书及其权利 要求书将会明白。因此，应该理解，本发明的范围不应该受本发明内容部分中所公开的特 定实施方案限制。

附图说明

将参照本发明的实施方案，本发明的实施方案的示例会在附图中图示说明。这些图的 意图是举例说明，而非限制性的。虽然在这些实施方案的上下文下对本发明进行了概况描 述，但是应该理解，并非意图将本发明的范围限于这些特定实施方案。

图1A图示说明与DC供电设备耦合的AC-DC适配器的示例性框图；

图1B图示说明根据本发明的各个实施方案的与DC供电设备耦合的AC-DC适配器的 另一个示例性框图；

图2图示说明根据本发明的各个实施方案的基于负载检测器的AC-DC适配器的示例 性框图；

图3图示说明根据本发明的各个实施方案的在低功率模式检测与AC-DC适配器的输 出耦合的DC负载的方法的示例性流程图；

图4图示说明根据本发明的各个实施方案的负载检测器的示例性框图；以及

图5图示说明根据本发明的各个实施方案的负载检测器中的信号的示例性时序图。

具体实施方式

本发明的实施方案提供下述系统、设备和方法，这些系统、设备和方法利用负载检测 器来基于输出DC电压的瞬时变化检测AC-DC适配器的负载状况，因此，使得AC-DC适 配器能够从低功率模式切换到正常功率模式。在以下描述中，为了说明的目的，对特定细 节进行了阐述，以便提供本发明的理解。然而，本领域人员将明白的是，可以在没有这些 细节的情况下实施本发明。本领域技术人员将认识到以下所述的本发明的实施方案可以以 各种方式并且使用各种结构来执行。本领域技术人员还将认识到另外的修改、应用和实施 方案在其范围内，如同本发明可以提供效用的另外的领域一样。因此，以下所述的实施方 案举例说明本发明的特定实施方案，意在避免模糊本发明。

本说明书中对于“一个实施方案”或“实施方案”的指代是指结合实施方案描述的特 定特征、结构、特性或功能被包括在本发明的至少一个实施方案中。措词“在一个实施方 案中”、“在实施方案中”等在本说明书中各个地方的出现不必全都针对同一个实施方案。

此外，图中的组件之间或者方法步骤之间的连接不限于直接实现的连接。相反，图中 所示的组件或方法步骤之间的连接可以通过将中间组件或方法步骤添加到这些连接来进 行修改或换句话讲来进行改变，而不脱离本发明的教导。

图1B图示说明本发明的与DC供电设备160(即，DC负载)耦合的AC-DC适配器 170的示例性框图150。AC-DC适配器170包括切换模式电源供应器152和功率控制回路 180。功率控制回路180包括负载检测器156和功率模式控制电路158。负载检测器156 与切换模式电源供应器的输出耦合，并且根据负载状况产生信号Detect Flag(检测标志)。 随后功率模式控制158使用信号Detect Flag来产生在切换模式电源供应器152中实现脉冲 宽度调制的控制信号Power Control(功率控制)。

电源供应器识别(PSID)电路154可以被包括在功率控制回路180中，然而，它可能 需要专用的数据信道/引脚。除了一对电压端子118和120之外，还必须使用3引脚连接 器112来提供数据引脚122。因此，当PSID电路154或数据引脚122不慎破损时，负载 检测器156仍可以通过直接测量输出电压VOUT来有效地检测DC负载160；因此，可以 适当地将AC-DC适配器170配置为正常功率模式，所述正常功率模式提供足以驱动DC 负载160的调节DC电压。

图2图示说明基于负载检测器216的AC-DC适配器的详细框图200。AC-DC适配器 200由切换模式电源供应器(SMPS)核心202和功率控制回路220构成。SMPS核心202 被耦合，以从墙壁插座接收标准AC电源，所述标准AC电源在50Hz或60Hz的频率上通 常为110V或220V AC信号。使用2引脚连接器或3引脚连接器212来产生驱动DC负载 的输出电压VOUT。

SMPS核心202还包括输入调理电路208、变压器204、调节和功率输送电路206以 及光耦合器210。输入调理电路208被耦合，以接收输入AC信号。在输入调理电路208 中，对AC信号进行整流和滤波，以产生用于控制内部振荡器产生第一AC信号的中间DC 信号。第一AC信号具有比最大可听频率(即，20kHz)高的、在50KHz与1MHz之间的 典型频率。第一AC信号然后用于驱动变压器204的一次绕组，并且在变压器204的二次 绕组处被转换为具有满意幅值的第二AC信号。调节和功率输送电路206随后对第二AC 信号进行整流和滤波，以产生DC输出电压VOUT。

光耦合器210连接切换反馈回路，以严格调节输出电压VOUT。输出电压VOUT在 调节和功率输送电路206中与参考电压进行比较，并且产生控制光耦合器210的调节控制 信号。光耦合器210通过光波传送调节控制信号，并且它有效地使输出电压VOUT与由 输入调理电路208产生的噪声隔离。当接收到高调节控制信号时，光耦合器210的发光二 极管(LED)导通，并且在光耦合器210中的光电传感器中产生电流。输入调理电路208 中的切换控制电路与光电传感器中的电流耦合。脉冲宽度调制集成电路(PWMIC)被包 括在切换控制电路中，以根据调节控制信号调节通过变压器204的一次绕组的电流。在脉 冲宽度调制中，通常使用最大占空比来给输出电压VOUT充电，而在VOUT的衰减阶段 期间使用最小占空比。在某个实施方案中，输出电压VOUT大于参考电压。LED灯开启， 并且产生发送到PWMIC的电脉冲。PWMIC控制变压器储存更多能量，并且产生更小的 VOUT。该切换反馈回路通过用热量消耗过多功率来有效地避免调节VOUT，并且极大地 提高了能量效率。

低功率模式或休眠模式被并入SMPS核心202，以进一步改进能量效率。在低功率模 式下，仅使SMPS核心202中的电路组件保持在最小电流电平，以维持适当的功能，同时 时间响应可能慢，并且可能不能在稳定的目标电压调节VOUT。具体地讲，当AC电源第 一次连接到墙壁插座时，SMPS核心202通常以低功率模式启动；当接收到指示DC负载 存在的信号时，SMPS核心202切换到正常功率模式。在正常功率模式下，输出电压VOUT 由前述切换反馈回路严格调节。当施加DC负载时，功率控制回路220将指示负载存在的 反馈信号提供给SMPS核心202，以发起正常功率模式。

功率控制回路220包括负载检测器216、低功率模式控制电路224和光耦合器226。 负载检测器216与SMPS核心202的输出耦合，并且产生指示DC负载160连接的检测标 志信号。低功率模式控制电路224和光耦合器226使用检测标志信号来产生功率控制信号。 功率控制信号控制SMPS核心202来以正常功率模式工作。应用光耦合器226来使输出电 压VOUT与输入调理电路208接收的输入噪声和致命电击隔离。在某个实施方案中，可 以使用可替换的隔离电路来代替切换反馈回路中的光耦合器226和光耦合器210。

在某些实施方案中，功率控制回路220包括电源供应器识别(PSID)电路214。PSID 电路214通过专用数据信道将关于电源供应器的信息提供给DC负载。关于电源供应器的 信息可以作为串行数据信号发送，所述串行数据信号包括诸如电源类型(比如，AC或DC)、 瓦数/电压/电流额定值、制造商、产品编号和原产国的属性。PSID电路214还在发送电源 供应器信息的同时检测DC负载的存在。产生负载存在/ID信号，并且低功率模式控制电 路224和光耦合器226对该负载存在/ID信号进行进一步处理。结果，还启用功率控制信 号来指示DC负载160的存在并且将SMPS控制为正常功率模式。

PSID电路214和负载检测器216这二者可以用于检测DC负载160。然而，PSID电 路214可以使用专用数据引脚，并且一旦该数据引脚受损，就可以永不启动正常功率模式， 并且DC负载160可以不被稳定DC电压驱动。负载检测器直接检测输出电压VOUT的变 化，以确定DC负载160的存在。该基于VOUT的负载检测方法更可靠，并且一旦DC负 载被连接，就将提供从低功率模式到正常功率模式的正确启动。

负载状况可以通过测量输出电压VOUT的衰减速率来检测。在低功率模式下，电流 消耗最小，因此，VOUT不被固定在稳定电压。调节和功率输送电路206可以包括检测输 出电压VOUT是否降到低阈值电压V_THL的比较器。一旦VOUT降到V_THL以下，就发起 充电过程来将VOUT充电回高阈值电压V_THH。该高阈值电压V_THH通常等于目标输出电压。 由于充电能力有限，VOUT开始逐渐降低，并且应该在再充电到V_THH之前达到低阈值电 压。充电过程通常很快，并且引起陡峭的上升沿，而相对慢的放电过程导致小得多的衰减 速率。而且，与无负载状况的衰减速率相比，在AC-DC适配器200被加载DC负载160 时VOUT的衰减速率要快得多。可以预先确定阈值衰减速率DR_TH，来区分分别与DC负 载或无负载相关联的两种情况。如果衰减速率大于阈值衰减速率DR_TH，则DC负载160 被连接；否则，AC-DC适配器200没有负载。

图3图示说明在低功率模式检测与AC-DC适配器200的输出耦合的DC负载160的 方法的示例性流程图300。在步骤302中，当输出电压VOUT达到高阈值电压V_THH时， 第一次产生第一脉冲信号Detect_High。在输出电压VOUT开始降低的同时，在步骤304 中使用信号Detect_High来发起计数过程。当输出电压VOUT达到中间阈值电压V_THM时， 产生第二脉冲信号Detect_Intermediate(步骤306)，并且在步骤308中使用信号 Detect_Intermediate来停止计数过程。计数器阈值N_con从阈值衰减速率DR_TH、高阈值电压 V_THH和中间阈值电压V_THM以及时钟频率f_CLK推导得到。因此，计数器阈值被表征为：

$N_{\mathrm{con}}=f_{\mathrm{CLK}}\frac{V_{\mathrm{THH}}-V_{\mathrm{THM}}}{{\mathrm{DR}}_{\mathrm{TH}}}---\left(1\right).$

随后在步骤310中将计数结果N与预定阈值N_con进行比较。如果N大于N_con，则VOUT 的衰减速率小，并且AC-DC适配器被保持在低功率模式(步骤318)。如果N小于N_con， 则VOUT的衰减速率大。在步骤314中产生指示DC负载存在的信号Detect_Flag，并且 控制AC-DC适配器开启正常功率模式和产生在目标输出电压被严格调节的稳定输出电压 VOUT(步骤316)。

在某个实施方案中，虽然当施加DC负载时衰减时间极大地缩短，但是当没有施加 DC负载时，它在连续衰减周期之间轻微变化。连续衰减时间的变化还可以指示是否施加 DC负载。N_con不断被更新为与衰减相关的时钟周期数的一小部分。随后的衰减的负载状 况通过直接将相关时钟周期与N_con进行比较来确定。

图4图示说明负载检测器的示例性框图400。负载检测器400包括两个比较器402和 404、高阈值电压产生器406、中间电压产生器408、控制状态机410、数字计数器412、 可编程超时值(time-out value)产生器414和数字比较器416。高电压产生器406和中间 电压产生器408分别用于产生高阈值电压V_THH和中间阈值电压V_THM。比较器402被耦合， 以接收和比较输出电压V_OUT和高阈值电压V_THH，一旦VOUT达到V_THH，就启用第一脉 冲信号Detect_High。类似地，比较器404被耦合，以接收和比较V_OUT和中间阈值电压 V_THM，一旦VOUT达到V_THM，就启用第二脉冲信号Detect_Intermediate。

受信号Detect_High和Detect_Intermediate控制，控制状态机410产生顺序控制信号 Reset_counter、Start_counter、Stop_counter和Compare_counter。信号Detect_High用于顺 序地重置并启动两个连续时钟周期内的后一计数器412，信号Detect_Intermediate用于停 止数字计数器412并启用比较。数字计数器412输出从V_THH到V_THM的衰减时间作为计数 结果N，N表征整数时钟周期数。计数器阈值N_con由可编程超时值电路414提供，它可以 是固定值或者前一计数结果的一小部分。由控制信号Compare_counter启用，数字比较器 416被耦合以接收和比较计数结果N和计数器阈值N_con。结果，产生指示负载状况的第三 脉冲信号Detect_Flag。

图5图示说明负载检测器400中的信号的示例性时序图500。负载检测器400被耦合 以接收输出电压VOUT 502并产生脉冲信号Detect_Flag 520。信号Detect_high 504、 Detect_Intermediate 506、Reset_counter 508、Start_counter 510、Stop_counter 512和 Compare_counter 518都是负载检测器400中的内部信号。信号计数器516是用二进制表征 计数结果N的多个比特信号。时钟信号514可以以外部的方式提供或者可以以内部的方式 产生，并且无论时钟源如何，时钟频率都必须满足某个精度要求。

在本发明的各个实施方案中，AC-DC适配器以低功率模式启动，并且在特定时刻t5 附接DC负载160之后，在时刻t7切换到正常功率模式。在时刻t1、t3、t5和t7，VOUT 达到V_THL。在时刻t1、t3和t5之前，VOUT朝向低阈值电压V_THL降低。一旦它达到V_THL， VOUT就在短时间段内再充电到V_THH。在DC负载160被耦合之后，VOUT在时刻t7之 前可能不会降到V_THL，而它仍在时刻t7快速充电到V_THH。在时刻t2、t4和t6，VOUT降 到中间阈值电压V_THM。

在该低功率模式下，无论负载状况如何，VOUT都在t1-t3、t3-t5和t5-t6的持续时间 期间衰减。在某些实施方案中，当没有DC负载施加到AC-DC适配器时，持续时间t1-t3 和t3-t5可以持续5-15秒。当DC负载160被连接时，与当没有DC负载时的情况相比， t5-t6的持续时间长度缩短，衰减速率提高。较小的DC负载与相对长的衰减时间和较慢的 衰减速率相关联。在某个实施方案中，笔记本电脑用作DC负载160，并且目标DC电压 为19-20V。中间阈值电压V_THM和低阈值电压V_THL分别优选地被设置为17.5V和7-8V。

在时刻t1，输出电压VOUT被充电到高阈值电压V_THH，并且信号Detect_High在一半 时钟周期内被启用。Detect_High还可以被SMPS核心202用作反馈控制，以避免VOUT 增大超过V_THH。当Detect_High被启用时，信号Reset_counter 508和Start_counter 510随 后在两个连续时钟周期内被启用。因此，首先重置数字计数器412，然后重启数字计数器 412，以在VOUT从V_THH开始降低时进行计数。衰减时间被数字计数器412跟踪为时钟 周期数。在时刻t2，输出电压VOUT降到中间阈值电压V_THM，并且信号Detect_Intermediate 在一半时钟周期内被启用。信号Stop_counter 512和Compare_counter 518随后被启用，以 停止计数，并且开始将计数结果与计数器阈值N_con进行比较。计数结果(即，信号计数器 516)停留在数字计数器412的输出，直到VOUT降到低阈值电压V_THL为止，下一个VOUT 充电和放电周期在时刻t3开始。

在时间段t1-t3和t3-t5期间没有施加DC负载，因此，信号Detect_Flag为低。在时刻 t5一施加DC负载160，VOUT的衰减速率就在时段t5-t6之间要快得多。计数结果降到预 定的计数器阈值N_con以下，并且信号Detect_Flag在时钟周期内被启用，以指示DC负载 160的存在。在后一时钟周期开始时(时刻t7)，正常功率模式可以应用于AC-DC适配 器，并且输出电压VOUT维持在等于V_THH的稳定目标电压。因此，AC-DC适配器在负载 检测器216的控制下从低功率模式切换到正常功率模式，同时免除对于PSID电路214和 专用数据信道的需要。

本领域技术人员已知可以在两个随机阈值电压之间测量VOUT的衰减速率或时间， 所述两个随机阈值电压在VOUT的衰减持续时间内选择。高阈值电压V_THH不必等于目标 输出电压，如果不等于，则信号Detect_High应该不被用作控制SMPS核心202的负反馈。 中间阈值电压V_THM可以减小，但是应该大于当DC负载存在时VOUT所降至的最小输出 电压。V_THH和V_THM应该被选择为在目标输出和最小输出电压的范围内合理地相间隔，以 导致衰减时间的可靠测量。

同样，检测DC负载的以上方法还可以应用于可以被控制为低功率模式和正常功率模 式的DC-DC适配器。在正常功率模式下，施加高功耗来维持DC输出电压VOUT，而在 低功率模式下，减小功耗来维持功能。无论适配器构造如何，负载状况都直接影响VOUT 在低功率模式下的充电/放电速率。具体地讲，当施加负载时，输出电压VOUT的衰减速 率提高。确定阈值来区分负载存在和不存在时的衰减速率。一旦VOUT的衰减速率被测 量超过阈值，就启用正常功率模式来维持所需的输出电压VOUT电平。

相关申请的交叉引用：本申请依据35U.S.C§119(e)要求2011年2月16日递交的、 标题为“用于AC-DC适配器中的低功率模式的负载检测(Load Detection for a Low Power  Mode in an AC-DC adapter)”的临时申请序号为No.61/443,589的优先权，该临时申请的 主题通过引入被并入本文。

虽然本发明的特定实施例已在附图中示出并在本文中进行了详细描述，但是本发明可 有各种修改和替换形式。然而，应该理解，本发明不限于所公开的特定形式，而是相反， 本发明覆盖落在本发明的范围内的所有修改、等同形式和替换形式。