CN101299164B - 一种便携式电脑供电系统 - Google Patents

Abstract

一种新型智能高效的便携式电脑供电系统，由便携式电脑(包括笔记本电脑，膝上型电脑，移动PC(个人电脑)，掌上电脑等等)本体和其外部电源适配器共同构成。便携式电脑系统通过外部电源适配器输出线中的一条信号线与之通讯，针对不同的使用情况，用一个输出电压可变而非恒定不变的电源适配器给便携式电脑供电。外部电源适配器能够根据电脑所处的不同状态，用相应的能够使便携式电脑供电系统整体达到最佳效率的输出电压为其供电。旨在优化和提高便携式电脑电源供电系统的转换效率，减小系统能量损耗，达到智能供电，效率最优的目的。该方案能广泛应用于目前的外部电源适配器(包括：交流转直流型，直流转直流型)中，不受电源电路拓扑限制。

Description

一种便携式电脑供电系统

技术领域：

本方案涉及一种新型智能高效的便携式电脑供电系统，它由便携式电脑(包括笔记本电脑，膝上型电脑，移动PC，掌上电脑和任何类型既可用外部电源适配器也可用内部电池供电的电脑)本体和外部电源适配器共同构成。便携式电脑内部配备有电池包包。便携式电脑由外部电源适配器和内部电池包包协同供电。其中：外部电源适配器包括：AC to DC(交流到直流)的电源适配器，也包括DC to DC(直流到直流)的电源适配器(例如：车载充电器，航空充电器等等)。

背景技术：

降低能耗，节约能源是当今世界科技发展的趋势和重要课题。提高电脑的电源转换效率和降低功耗一直是电源设计者的目标。在目前的便携式电脑(包括笔记本电脑，膝上型电脑，移动PC，掌上电脑和任何类型既可用外部电源适配器也可用内部电池供电的电脑)的电源供电系统中，当电脑与外部电源适配器连接，并且开机后，如果电脑内部电池包包电量处于未充满的状态时，电源适配器既给系统电路供电，也同时给电池包充电；如果电池包电量已经充满，则电源适配器停止给电池包充电，仅给系统电路供电；当便携式电脑与外部电源适配器连接，但是未开机，电池包电量未充满的状态下，电源适配器的输出功率绝大部分用于给电池包充电，极小部分用于电脑待机消耗。便携式电脑内部各子系统需要各种不同的低电压，如：5V，3.3V，1.8V，1.5V，1.05V，V_CPUCORE(其值小于1.5v)，V_Videocore(其值小于1.5V)等等，而便携式电脑电池包直接充电电压V_Bat通常在10.8V到14.4V不等。为了设计简单并获得高的效率，目前的便携式电脑主板设计，一般采用多个同步降压型直流/直流变换器，将电源适配器的输出转换为各子系统所需电压和电池包的充电电压。降压型直流/直流变换的基本特性是输入电压必须高于输出电压(如图1所示，图中以笔记本电脑为例)。而其中为了应用降压型直流/直流变换，便携式电脑外部电源适配器的输出电压就必须兼顾所有的子系统电压和电池包的充电电压，即电源适配器的输出电压必须大于所有的子系统电压和电池包的直接充电电压。所以目前在电脑业界，各电脑厂商都用单一的恒定的电压给便携式电脑供电，有的厂商将将外部电源适配器额定输出电压V_Nom设置在19V，有的设置在19.5V，有的设置在20V，有的设置在24.5V等等。这样设置的电压能满足前面所述的电源适配器的输出电压必须大于所有的子系统电压和电池包的充电电压的要求。在日常的使用中，便携式电脑的使用者们常常在便携式电脑的电池包电量充满时还用电源适配器给电脑供电，或者电脑电池包被拆卸时用电源适配器给电脑供电，还有在便携式电脑未开机的情况下给电池包充电。在任何使用情况下，都用一个单一的恒定的电压(如图2所示)给便携式电脑充电，能达到最优化的效率吗？而且通常电源适配器是两条线输出(一条是正输出线，一条是地线，如图3所示)。便携式电脑与电源适配器之间是没有通讯的，便携式电脑主动拉载，电源适配器被动供电。

便携式电脑内各子系统电压和电池包的充电电压相差较大，更确切的说，便携式电脑内部各子系统电压都小于5V，并且多数子系统电压小于2V，而电池包电压一般大于10V。当电池包电量在充满时，无可厚非，要采用降压型直流/直流变换器结构，目前业界设置的电源适配器的电压是合适的，但是如果在电池包电量已经充满或者系统未安装电池包的情况下，此时，电源适配器仅给便携式电脑内部各子系统供电，用一个相对于其他子系统5V，3.3V，1.8V，1.5V，1.05V，V_CPUCORE(其值小于1.5V)，V_Videocore(其值小于1.5V)，用一个比目标电压高得多的电压通过多个同步降压型直流/直流变换器架构来给系统供电，并不能获得最高的转换效率。另外，如果在一个未开机的系统上给一个电量未充满的电池包充电时，需要经过一个降压型直流/直流变换器，将电源适配器的输出电压转换成电池包所能接受的充电电压V_Bat，这个降压型直流/直流变换器也会有额外的功率损耗。

发明内容：

本方案是针对上述问题和现有解决方案的缺陷而提出的。本方案是为了建立便携式电脑与电源适配器之间的通讯机制，达到智能供电的目的。这种智能供电是针对便携式电脑用户在日常使用中的不同情况，用一个输出电压可变而非恒定不变的电源适配器给便携式电脑供电，旨在优化和提高便携式电脑电源供电系统的转换效率，减小系统损耗。与这种方案相关的新型的电源适配器输出有三条线(如图4所示)：除去通常的正极输出线和地线外，还有一条信号线。便携式电脑系统正是通过这条信号线与外部电源适配器通讯，达到智能供电的目的。该方案适用于目前所有的便携式电脑，(包括笔记本电脑，膝上型电脑，移动PC，掌上电脑和任何类型既可用外部电源适配器也可用内部电池供电的电脑)的电源供电系统。该方案既适用于AC to DC(交流到直流)的外部电源适配器，也适用于DC to DC(直流到直流)的外部电源适配器。该方案能广泛应用于目前的外部电源适配器中，不受电源电路拓扑限制。

本发明包括便携式电脑本体，所述便携式电脑，包括笔记本电脑、膝上型电脑、移动PC、掌上电脑；

所述便携式电脑内部包括信息处理单元、输出电压状态跳变/恢复信号开关电路、电池充电芯片输入电压开关电路、电池包充电直通电路、电池包充电切换时序控制电路和基准电压源；

外部电源适配器，所述电源适配器，包括交流转直流的电源适配器、直流转直流的电源适配器；

所述外部电源适配器内部包括特定电阻插入/移除电路、跳变/恢复信号判断电路和基准电压源；

所述外部电源适配器可根据便携式电脑所处的不同状态，用一个可变而非恒定不变的输出电压为便携式电脑供电；

上述外部电源适配器的输出电压是额定输出电压，所谓额定输出电压是电源适配器的标签标定的输出值，不同的电脑公司根据系统配置可以定义不同的输出值；

当上述便携式电脑系统处于如下：

情况1-a：外部电源适配器为便携式电脑充电，电脑处于开机状态并且电脑内安装的电池包电量已经被充满或者电脑内部没有安装电池包；

情况2-a：外部电源适配器为便携式电脑充电，电脑处于未开机状态并且电脑内安装有一个电量未充满的电池包；

便携式电脑内部的信息处理单元侦测系统状态，通过输出电压状态跳变/恢复信号开关电路发送电压状态跳变信号至外部电源适配器，然后所述跳变/恢复信号判断电路判断该信号，通过特定电阻插入/移除电路插入特定电阻到电源闭环回路的输出电压反馈部分的电阻分压器内，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，将输出电压由额定输出电压调变为最佳供电电压；

对于上述情况1-a，不同的系统配置，最佳供电电压值是不同的，该电压的特征是：专门针对当前便携式电脑主板上各子系统所需的供电电压12V，5V，3.3V，1.8V，1.5V，1.05V和小于1.5V的微电压值而综合设置的，在这个最佳供电电压的供给下，系统的能耗是最小的，整体上能达到最佳效率；

对于上述情况2-a，该最佳供电电压值即为电池包直接充电电压，该电压低于外部电源适配器额定输出电压，无需经过降压型直流/直流变换器转换，这个电压可直接给便携式电脑内部电池包充电。

如上所述的便携式电脑供电系统中，外部电源适配器输出电压的跳变是可逆的，其特征：当便携式电脑供电系统处于如上所述的情况1-a和2-a时，便携式电脑通过输出电压状态跳变/恢复信号开关电路发送电压状态跳变信号至外部电源适配器，然后电源适配器内部跳变/恢复信号判断电路判断该信号，通过特定电阻插入/移除电路插入特定电阻到电源闭环回路的输出电压反馈部分的电阻分压器内，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，将输出电压由额定输出电压调变为最佳供电电压；反之，当便携式电脑供电系统处于除如上所述的情况1-a和2-a以外的其他状态时，所述特定电阻被从电阻分压器内移除，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，输出电压将恢复到额定输出电压；所述特定的电阻值是根据电源适配器的额定输出电压、跳变的目标电压值、闭环输出反馈回路的电阻分压器和反馈基准电压计算而得的。

如上所述的便携式电脑供电系统中，所述信息处理单元由三个非门、两个双输入与门和两个三输入与门构成；所述信息处理单元收集三个信息：系统开关机信息、电池包安装信息和电池包充电状况信息，并对所述三个信息进行与非计算，发出输出电压状态跳变信号或者输出电压恢复信号，并通过信号线传送给外部电源适配器。

如上所述的便携式电脑供电系统中，上述便携式电脑本体和外部电源适配器之间仅用一根信号线完成三个信号的识别，包括：电压状态跳交信号I、II和一个电压恢复信号，其中电压状态跳交信号I的电压为

V为电脑内部基准电压值，电压状态跳变信号II的电压为

输出电压恢复信号为零电平；所述跳变/恢复信号判断电路，由1个比较器A和1个窗口比较器B构成，这个比较器A的触发电平设在

这个窗口比较器B的比较门限设置在

与

之间；当电压状态跳变信号I通过信号线传至电源适配器时，比较器A触发而窗口比较器B不触发；当电压状态跳变信号II通过信号线传至电源适配器时，比较器A不触发而窗口比较器B触发；当输出电压恢复信号通过信号线传至电源适配器时，比较器A和窗口比较器B都不触发；当电源适配器与便携式电脑断开连接时，便携式电脑和外部电源适配器之间的信号线保持零电平，比较器A和窗口比较器B都不触发；电源适配器根据内部比较器A和B的触发情况，控制特定电阻插入/移除电路，如上所述，输出相应的电压值。

如上所述的便携式电脑供电系统中，电池包充电直通电路和电池充电芯片输入电压开关电路，其特征：当系统处于如上所述的情况2-a时，外部电源适配器的输出电压由额定输出电压跳变为电池包直接充电电压，电池充电芯片输入电压开关电路断开，电池包充电直通电路闭合，为电池包直接充电电压直接给电池包充电提供通路；反之，当系统脱离这种状态，外部电源适配器的输出电压恢复为额定输出电压，电池包充电直通电路断开，电池充电芯片输入电压开关电路闭合，电源适配器通过降压变换器给电池包充电。

概要的介绍本方案：

(1)当电池包电量已经充满或者系统未安装电池包的情况下，此时，电源适配器仅给便携式电脑内部各子系统供电，此时电源适配器在系统信号的作用下，输出电压跳变降低为电压V_low_1(注：V_low_1＝Vbest＜V_Nom，其中：电压V_Best是专门针对5V，3.3V，1.8V，1.5V，1.05V，V_CPUCORE(其值小于1.5V)，V_Videocore(其值小于1.5V)，液晶显示器(LCD Panel)的供电而设置的最佳供电电压。这个电压值是根据具体的便携式电脑主板平台和规格而设定的。)，在这个V_low_1电压的供电下，各低压子系统能达到最高的效率。相比通常的较高的电压V_Nom，用最佳供电电压V_low_1对系统供电，能减小损耗，到达了节约能源的作用。而且当便携式电脑系统脱离这中特殊情况(电池包电量已经充满或者系统未安装电池包)后，电源适配器输出电压由V_low_1跳变恢复为通常的额定电压V_Nom。

(2)如果在一个未开机的系统上给一个电量未充满的电池包充电时，电源适配器在系统信号的作用下，输出电压跳变降低为电压V_low_2(注：V_low_2＝V_Bat＜V_Nom。)，这个V_low_2将不经过通常的降压型直流/直流变换器，而直接给便携式电脑内部电池包充电。这样，在这种使用情况下，这个降压型直流/直流变换器将不会产生额外的功率损耗，从而到达了节约能源的目的。而且当便携式电脑系统脱离这中特殊情况(在一个未开机的系统上给一个电量未充满的电池包充电)后，电源适配器输出电压由V_low_2跳变恢复为通常的额定电压V_Nom。

这种新型智能高效的电源适配器输出电压将不是一个恒定的值V_Nom，而是一个根据便携式电脑系统所处状况相应跳变的多可能输出的值：V_Nom，V_low_1，V_low_2(如图5，图6和图7所示)。

如图5，6，7所示：描述在日常使用中的便携式电脑的电源适配器的典型应用情况，在这些典型应用情况下，这种新型智能高效的电源适配器的电压输出情况：(1)0-T1：已通电的外部电源适配器未与便携式电脑相连(2)T1时刻，外部电源适配器与一个已开机但是电池包电量已经充满的便携式电脑相连(3)T2时刻，电源适配器与便携式电脑断开连接(4)T3时刻，外部电源适配器与一个未开机并且装有一个电量未充满的便携式电脑相连(5)T4时刻，在充电过程中，电脑被开机。(6)T4-T5，电池包电量逐渐增加。(7)T5时刻，电池包电量被充满，等等。

以下详细描述本方案的情况：

与这种方案相关的新型智能高效的电源适配器在未与便携式电脑连接时，与通常的电源适配器输出没有区别，是通常的额定电压输出。与这种方案相关的智能高效的供电系统(如图8所示，图中以笔记本电脑为例)中便携式电脑在(1)电脑开机并且电池包电量未被充满，或者(2)电脑关机并且电池包电量已经被充满与通常的便携式电脑没有区别。系统将用外部电源适配器的额定电压V_Nom作为总线电压，然后分压。

便携式电脑系统中的信息处理单元对三个信息：系统开关机信息，电池包安装信息和电池包充电状况信息进行综合判断，然后通过信号线传送信号给外部电源适配器，这个信号将影响电源适配器的输出

当：

情形1：电源适配器在与便携式电脑连接并且电脑开机的情况下，如果便携式电脑系统安装有一个电量没有被充满的电池包，没有信号从便携式电脑发出，信号线保持低电平，电源适配器将保持通常的额定电压输出；如果便携式电脑电池包电量被充满或者其内部没有安装电池包时，便携式电脑将信号线置为高电平VH_1，即：输出电压状态跳变信号I。外部电源适配器在这个输出电压状态跳变信号I的作用下后，自动调整内部电压调整电路和内部占空比，使其输出电压立即由通常的额定输出电压V_Nom跳变降低为V_low_1(V_low_1＝V_Best＜V_Nom)，这样电源适配器就用V_low_1给便携式电脑内部各子系统供电。便携式电脑内部电源总线电压由V_Nom变为V_low_1，然后通过各同步降压变换器给各子系统供电。

然后：

情形1-1：如果电源适配器与便携式电脑再次断开连接，电源适配器信号线悬空，外部电源适配器自动调整内部电压调整电路和内部占空比，其输出电压立即由V_low_1跳变(升高)回通常的额定输出电压V_Nom。

情形1-2：如果一个电量没有被充满的电池包被带电安装上(即：在电脑系统与电源适配器相连并且开机的情况下，安装电池包)时，便携式电脑系统将信号线由高电平VH_1置为低电平，即：输出电压恢复信号I(零电平)，此时在这个电压恢复信号I的作用下后，电源适配器自动调整内部电压调整电路和内部占空比，其输出电压立即由V_low_1跳变(升高)回通常的额定输出电压V_Nom。

情形1-3：如果电脑在运行过程中被关机，便携式电脑系统将信号线由高电平VH_1置为低电平，即：输出电压恢复信号I。同样，在这个电压恢复信号I的作用下后，电源适配器自动调整内部电压调整电路和内部占空比，其输出电压立即由V_low_1跳变回通常的额定输出电压V_Nom。

在情形：1-1，1-2，1-3中，便携式电脑内部电源总线电压由V_low_1恢复为V_Nom，然后通过各同步降压变换器给各子系统供电。

情形2：电源适配器在与便携式电脑连接并且电脑未开机的情况下，如果便携式电脑系统未安装有电池包或者电池包电量被充满，没有信号从便携式电脑发出，信号线保持低电平，电源适配器将保持通常的额定电压输出；如果未开机的便携式电脑内部安装有一个电量未充满的电池包时，便携式电脑将信号线置为高电平VH_2，即：输出电压状态跳变信号II。外部电源适配器在这个输出电压状态跳变信号II的作用下后，自动调整内部电压调整电路和内部占空比，使其输出电压立即由通常的额定输出电压V_Nom跳变降低为V_low_2(V_low_2＝V_Bat＜V_Nom)，这样电源适配器就用V_low_2给未开机的便携式电脑内电池包充电。便携式电脑内部电源总线电压由V_Nom变为V_low_2，通常的电池包充电降压变换器被关掉，另一个充电直通电路被打开，便携式电脑用V_low_2直接给电池包充电。

然后：

情形2-1：如果电源适配器与便携式电脑再次断开连接，电源适配器信号线悬空，外部电源适配器输出电压立即由V_low_2跳变(升高)回通常的额定输出电压V_Nom。

情形2-2：如果电池包电量逐渐被充满后，便携式电脑系统将信号线由高电平VH_2置为低电平，即：输出电压恢复信号II(零电平)，此时在这个电压恢复信号II的作用下后，电源适配器自动调整内部电压调整电路和内部占空比，其输出电压立即由V_low_2跳变回通常的额定输出电压V_Nom。

情形2-3：如果在电池被充电的过程中，电脑被开机，便携式电脑系统将信号线由高电平VH_2置为低电平，即：输出电压恢复信号II。同样，在这个电压恢复信号II的作用下后，电源适配器自动调整内部电压调整电路和内部占空比，其输出电压立即由V_low_2跳变(升高)回通常的额定输出电压V_Nom。

在情形：2-1，2-2，2-3中，便携式电脑内部电源总线电压由V_low_1恢复为V_Nom，然后通过各同步降压变换器给各子系统供电和对电池包充电。

这种新型的电源适配器输出的跳变是可逆的，也是可重复的。

在任何情形下，如果信号线路出现断路，电源适配器自动调整内部电压调整电路和内部占空比，其输出电压将从V_low_1或V_low_2自动恢复至通常的额定输出电压值V_Nom。便携式电脑内部电源总线电压由V_low_1恢复为V_Nom，然后通过各同步降压变换器给各子系统供电。

本方案的核心是：

(1)这种新型智能高效的便携式电脑供电系统中，外部电源适配器的输出电压在通常情况下是额定输出电压，当便携式电脑系统处于一定特殊的情况：电池包电量被充满或者其内部没有安装电池包或者未开机的便携式电脑内部安装有一个电量未充满的电池包时，输出跳变降低为与额定输出电压不同的另一个恒定的电压，用这一电压给系统供电；当便携式电脑系统离开这些特殊的情况时，外部电源适配器跳变恢复为原来额定的输出电压。

(2)这种新型智能高效的便携式电脑供电系统中，便携式电脑与外部电源适配器之间通过唯一的一条信号线进行通讯。当便携式电脑系统处于一定特殊的情况：电池包电量被充满或者其内部没有安装电池包或者未开机的便携式电脑内部安装有一个电量未充满的电池包时，便携式电脑通过这条信号线发送输出电压状态跳变信号，电源适配器的输出电压跳变降低为某个特定的值；当系统离开这些特殊的情况时，便携式电脑通过这条信号线发送输出电压恢复信号，外部电源适配器跳变恢复为原来额定的输出电压。

(3)这种新型智能高效的便携式电脑供电系统中，为了实现外部电源适配器输出电压跳变的功能，在系统状态信号的作用下，这种新型的电源适配器通过自动将一个特定的电阻插入到电源闭环回路的输出电压反馈部分的电阻分压器内，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，达到将电压由通常的额定输出电压变为另一个预设值；反之，在系统状态信号的作用下，也可以通过自动将这个特定的电阻从电源闭环回路的输出电压反馈部分的电阻分压器内移除，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，达到将电压一个预设值恢复到通常的额定输出电压的方法。这个特定的电阻值是根据电源适配器的额定输出电压，跳变的目标值，闭环输出反馈回路的电阻分压器和反馈基准电压计算而得的。

(4)这种新型智能高效的便携式电脑供电系统中，外部电源适配器输出线中除了正输出线和地线以外，只需要一条信号线完成电源适配器和便携式电脑电源之间所有对象信号(输出电压状态跳变信号，输出电压恢复信号)传送的功能。

(5)这种新型智能高效的便携式电脑供电系统中，便携式电脑内部信息处理单元(IPU)对三个信息：系统开关机信息，电池包安装信息和电池包充电状况信息进行综合判断，发出输出电压状态跳变信号或者输出电压恢复信号，这个信号通过信号线传送给电源适配器。

(6)这种新型智能高效的便携式电脑供电系统中，外部电源适配器与便携式电脑相连，便携式电脑在以下状态中变化时：当未开机的便携式电脑内部安装有一个电量未充满的电池包时，外部电源适配器输出电压由额定的V_Nom跳变为V_low_2；当安装有一个电量未充满的电池包的便携式电脑被开机时，外部电源适配器输出电压由V_low_2跳变恢复为额定的V_Nom中：下列事件的发生必须有一定的顺序：

事件1：电源适配器输出电压的跳变/恢复。

事件2：电池充电芯片开关电路的开/关。

事件3：电池包充电直通电路的开/关。

当外部电源适配器输出电压由额定的V_Nom跳变为V_low_2时，发生顺序为：事件2(关断)→事件1(跳变)→事件3(闭合)；当外部电源适配器输出电压由V_low_2跳变恢复为额定的V_Nom时，发生顺序为：事件3(关断)→事件1(恢复)→事件2(闭合)。这种时序控制的优点在于：确保新型智能高效便携式电脑供电系统在电源适配器输出电压跳变/恢复过程中的可靠性和安全性。

采用本方案之后的优势是：

(1)利用本方案使得在便携式电脑供电系统中，外部电源适配器能够根据便携式电脑的不同状态，用相应的能够使便携式电脑供电系统达到最佳效率的输出电压为其供电，达到了智能供电的目的。这样便携式电脑供电系统在各种不同的状态下，功耗都是相对应的最低，这样达到了：整体节省电能的目的。如果未来业界使用这个专利，整体上将大大节约能源。

(2)如(1)所述，当便携式电脑内部各子系统电源损耗和电池包充电损耗在各种使用情况下被降低后，散热系统风扇在很多情况下就会用更小的转速来散热，这样就减小了风扇的能耗，进一步提高了系统的效率。

(3)更重要的是：随着便携式系统整体系统能耗的减小，在日常使用中便携式电脑的内部系统温度就降低了，零件的寿命就得以增强，进一步提高了系统的寿命和可靠性。

附图说明

图1：通常的笔记本电脑内部电源架构

图2：通常的电源适配器输出电压为一恒定不变的电压

图3：通常的电源适配器输出连接和输出线结构

图4：新型智能高效供电系统中电源适配器输出连接和输出线结构

图5：新型智能高效供电系统中电源适配器输出电压图I(V_Best＞V_Bat，即：V_low 1＞V_low_2)

图6：新型智能高效供电系统中电源适配器输出电压图II(VBest＜V_Bat，即：V_low_1＜V_low_2)

图7：新型智能高效供电系统中电源适配器输出电压图III(V_Best＝V_Bat，即：V_low_1＝V_low_2)

图8：新型智能高效供电系统中的笔记本电脑供电系统

图9：目前典型的笔记本电脑供电系统，其中AC to DC(交流转直流)电源适配器是以PFC(功率因数矫正)+Flyback(反激)拓扑为例

图10：新型智能高效供电系统在笔记本电脑应用中的实现(外部电源适配器为AC to DC(交流转直流))

图11：信息处理单元(IPU)内部电路图

图12：目前典型的笔记本电脑供电系统，外部电源适配器是DC to DC(直流转直流)型

图13：新型智能高效供电系统在笔记本电脑应用中的实现(外部电源适配器为DC to DC(直流转直流))

具体实施方案：

以下以笔记本电脑为例来说明方案的具体实现。笔记本电脑的电源适配器端以目前流行的PFC(功率因数矫正)+Flyback(反激)拓扑的开关电源为例来说明这个方案的实现(如图10所示)。同时，同样的电路应用于DC to DC(直流转直流)变换器(例如：车载充电器，航空充电器等等)。

(注：本方案以PFC+Flyback(反激)为例说明方案具体实现，但是它并不仅限于Flyback(反激)，而是适用于所有电路拓扑。)

如图9所示，目前的笔记本电脑电源适配器PFC(功率因数矫正)+Flyback(反激拓扑)，初级由PWM(脉宽调制)芯片控制，开关初级的场效应管，电源适配器的输出是由电阻分压器分压，由Shunt Regulator431(基准调压器)加上光耦与初级形成一个闭环回路，及时调整电源初级PWM控制芯片的输出脉冲宽度，通过闭环运作从而达到稳定输出电压的作用。反激拓扑输出电压公式：

$\frac{N_p}{N_s}=\frac{V_{\mathrm{in}}*\mathrm{\δ}}{(V_o+V_F)*(1-\mathrm{\δ})}---\left(1\right)$

其中：N_p为反激式变压器初级线圈绕组，N_s为反激式变压器次级线圈绕组，V_in为反激式变压器初级输入电压，V_o为反激式拓扑开关电源输出电压，V_F为反激式变压器次级整流管压降，δ为脉宽调制(PWM)控制器输出占空比。由式(1)可得：

$V_o=\frac{N_s}{N_p}*V_{\mathrm{in}}*\frac{\mathrm{\δ}}{1-\mathrm{\δ}}-V_F---\left(2\right)$

通过调整δ，就可以调整输出电压。

如图10所示，在现有的电路(如图9)基础上，实现智能高效方案的电路，一部分位于电源适配器内，另一部分位于便携式电脑电设备内，两部分电路由唯一的一根信号线通讯，其中：

在电源适配器端的电路，由以下电路模块构成：

(1)特定电阻(R_low_1)插入/移除电路

(2)特定电阻(R_low_2)插入/移除电路

(3)跳变/恢复信号判断电路

(4)基准电压源-1

在便携式电脑端的电路由由以下电路模块构成：

(1)Information Process Unit(信息处理单元)

(2)输出电压状态跳变/恢复信号开关电路

(3)电池充电芯片Vcc(输入电压)开关电路

(4)电池包充电直通电路

(5)电池包充电切换时序控制电路

(6)基准电压源-2

以下详细介绍各个电路模块的组成和作用：

在电源适配器端的电路

(1)特定电阻(R_low_1)插入/移除电路：如图10所示，由特定电阻R_low_1，电阻R7，MOSFETQ4(P型)，三极管Q3(NPN型)，稳压管D10，电容C6构成。其中：R_low_1阻值远大于Q4的导通电阻。目的是根据不同的系统状态信号，将特定电阻R_low_1插入到电源闭环回路的输出电压反馈分压器中或者从中移除。

当输出电压状态跳变信号I通过信号由便携式电脑传到外部电源适配器，比较器U7A输出高电平，稳压管D10被击穿，Q3导通，Q4门极被拉为低电平，Q4导通，特定电阻R_low_1被插入，与R1并联。

当特定电阻R_low_1未被插入时，电源适配器输出电压：

当特定电阻R_low_1被插入后，电源适配器输出电压：

其中：

V_low_1＜V_Nom

由电源初级PWM控制芯片的脉冲输出驱动Q5，占空比变小，如公式(2)所示，输出电压变小，被跳变到V_low_1。便携式电脑内部电源总线电压由V_Nom变为V_low_1。便携式电脑用V_low_1通过各同步降压变换器给各子系统供电。

当输出电压恢复信号I通过信号由便携式电脑传到外部电源适配器时，比较器U7A输出低电平，三极管Q3关断，MOSFET Q4被关断，特定电阻R_low_1被移除，电源适配器恢复额定输出电压。

(2)特定电阻(R_low_2)插入/移除电路：这个电路工作原理与R_low_1电阻插入/移除电路类似。如图10所示，由特定电阻R_low_2，电阻R10，MOSFETQ6(P型)，三极管Q7(NPN型)，稳压管D11，电容C7构成。其中：R_low_2阻值远大于Q6的导通电阻。目的是根据不同的系统状态信号，将特定电阻R_low_2插入到电源闭环回路的输出电压反馈分压器中或者从中移除。

当输出电压状态跳变信号II通过信号由便携式电脑传到外部电源适配器，窗口比较器B(U7B和U7C)输出高电平，稳压管D11被击穿，Q7导通，Q6门极被拉为低电平，Q6导通，特定电阻R_low_2被插入，与R1并联。

当特定电阻R_low_2未被插入时，电源适配器输出电压：

当特定电阻R_low_2被插入后，电源适配器输出电压：

其中：

V_low_2＜V_Nom

由电源初级PWM控制芯片的脉冲输出驱动Q5，占空比变小，如公式(2)所示，输出电压变小，被跳变到V_low_2。便携式电脑用V_low_2通过电池包充电直通电路给电池包充电。

当输出电压恢复信号II通过信号由便携式电脑传到外部电源适配器时，窗口比较器B输出低电平，三极管Q7关断，MOSFETQ6被关断，特定电阻R_low_2被移除，电源适配器恢复额定输出电压。

(3)跳变/恢复信号判断电路：如图10所示，由比较器U7(U7A，U7B，U7C)：LM339，电阻R37，R38，电阻分压器：R16，R17，电阻分压器R33，R34，R35，R36，滤波电容C3构成。其中：R16＝R17(图10中取10K欧姆为例)，R33＝R34＝R35＝R36(图10中取10K欧姆为例)。电阻分压器：R16，R17将Vref-1分为

该电压输入比较器U7A反相输入端和U7B同相输入端。电阻分压器：R33，R34，R35，R36，将Vref-1分为

该电压输入比较器U7C反相输入端。基准电压源-1为比较器U7A，U7B，U7C供电。比较器U7A构成普通比较器A；比较器U7B和U7C构成窗口比较器B，这个窗口比较器的特点：当输入电压在

与

之间时，输出为高电平，否则为低电平。

介于便携式电脑和电源适配器之间的信号线，下面三种情况：

(A)当OUT-1为高点平时，这条信号线电平为

即：

由比较器U7A：正相输入端电压为

大于其反相输入端电压

所以比较器U7A输出为高电平V_ref-1；而窗口比较器U7B&U7C，输入电压

不在

与

之间，窗口比较器输出为低电平。稳压管D10击穿，三极管Q3导通，MOSFETQ4导通，特定电阻R_low_1与R1并联，电源适配器内部闭环回路自动调节，输出电压由额定V_Nom跳变为V_low_1。

(B)当OUT-2为高点平时，这条信号线电平为

即：

由比较器U7A：正相输入端电压为大于其反相输入端电压

所以比较器U7A输出为低电平；而窗口比较器U7B&U7C，输入电压

在

与

之间，窗口比较器输出为高电平V_ref-1。稳压管D11击穿，三极管Q7导通，MOSFETQ6导通，特定电阻R_low_2与R1并联，电源适配器内部闭环回路自动调节，输出电压由额定V_Nom跳变为V_low_2。

(C)当OUT-1和OUT-2均为低电平时，这条信号线电平为零，由比较器U7A：正相输入端电压为零，小于其反相输入端电压

所以比较器U7A输出为低电平；窗口比较器U7B&U7C，输入电压零不在

与

之间，窗口比较器输出为低电平。三极管Q3，Q7关断，没有特定电阻插入，电源适配器保持额定电压V_Nom输出。

(4)基准电压源-1：如图10所示，由U2(431稳压器)，电阻R13，电阻分压器R14，R15构成。作用：在电源适配器次级通过正常输出电压建立一个参考电压源Vref-1＝V。这个基准电压源将给比较器U7供电，并为各电阻分压器供电。

在便携式电脑端的电路由由以下电路模块构成：

(1)Information Process Unit(信息处理单元)：如图10和图11所示，由门极电路U10(非门)，U11(3输入与门)，U12(2输入与门)，U13(3输入与门)，U14(非门)，U15(非门)，U16(2输入或门)构成。这个处理单元是3个信息输入，2个信号输出的单元。信息处理单元对三个信息：系统开关机信息，电池包安装信息和电池包充电状况信息进行综合判断，输出OUT-1和OUT-2。

表1：信号A，B，C的值和对应的状态

表2：信息处理单元(IPU)输入/输出关系图

IPU	A＝1，B＝1，C＝1	A＝0，C＝1	A＝1，B＝0，C＝0	其余情况
					OUT-1	1	1	0	0
OUT-2	0	0	1	0

即：信息处理单元(IPU)当电源适配器在与便携式电脑连接并且电脑开机的情况下，如果便携式电脑电池包电量被充满或者其内部没有安装电池包时，OUT-1输出为高电平，这个输出将影响外部电源适配器的输出，其输出电源将从V_Nom跳变为V_low_1，并以该电压给便携式电脑供电。如果未开机的便携式电脑内部安装有一个电量未充满的电池包时，OUT-2输出为高电平，这个输出将影响外部电源适配器的输出，其输出电源将从V_Nom跳变为V_low_2，并以该电压给便携式电脑供电。在其他任何情况下，信息处理单元(IPU)输出OUT-1和OUT-2为低电平，外部电源适配器将以通常的额定输出电压给便携式电脑供电。

(2)输出电压状态跳变/恢复信号开关电路：如图10所示，由三极管Q8(PNP型)，电阻R21，三极管Q10(NPN型)，稳压管D4，二极管D2；三极管Q9(PNP型)，电阻R22，三极管Q11(NPN型)，稳压管D5，二极管D3；电阻分压器：R18，R19，R20构成构成。其中：R18＝R19＝R20，(注：图中以10K欧电阻为例)。

这个电阻分压器将便携式电脑电源总线电压(即：外部电源适配器输出电压)三等分。

$V_{D-1}=\frac{2*V_{\mathrm{ref}-2}}{3}=\frac{2}{3}V;V_{D-2}=\frac{V_{\mathrm{ref}-2}}{3}=\frac{1}{3}V$

其中：V_ref-2为便携式电脑内部基准电压源-2电压。

当OUT-1为高电平时，稳压管D4被击穿，三极管Q10导通，然后Q8导通，V_D-1(即：

)电压通过Q8，二极管D2，将信号线置为

(即：输出电压状态跳变信号I)。这个信号将影响电源适配器的输出。构成。当OUT-2为高电平时，稳压管D5被击穿，三极管Q11导通，然后Q9导通，V_D-2(即：

)电压通过Q9，二极管D3，将信号线置为

(即：输出电压状态跳变信号II)。这个信号将影响电源适配器的输出。当OUT-1和OUT-2均为低电平时，三极管Q8和Q9关断，信号线为零电平，该信号可作为输出电压恢复信号I/II。

(3)电池充电芯片Vcc(输入电压)开关电路：如图10所示，由三极管Q1(PNP型)，电阻R12，R27，三极管Q2(PNP型)，三极管Q16(NPN型)，稳压管D9构成。目的是：根据信息处理单元(IPU)的输出来控制电池充电芯片Vcc的供电情况。当OUT-2输出为低电平时，Q1导通，便携式电脑电源总线电压通过Q1给电池充电芯片供电；当OUT-2输出为高电平时，稳压管D9被击穿，三极管Q16导通，然后Q2导通，将三极管基极置为高电平，三极管Q1关断，电池充电芯片关断。

(4)电池包充电直通电路：如图10所示，由MOSFETQ14(P型)，电阻R26，三极管Q15(NPN型)，稳压管D6。作用：当电源适配器给一个未开机并且内部安装有一个电量未充满的电池包的便携式电脑供电时，外部电源适配器的输出电压由V_Nom跳变为V_low_2，电池包充电直通电路为V_low_2直接给电池包充电提供通路，这个电路在此时将平时使用的同步降压变化器旁路。

(5)电池包充电切换时序控制电路：如图10所示，由4个门极延时电路：Gate Delay 1，Gate Delay 2，Gate Delay 3，Gate Delay 4和逻辑判断开关SW1构成。其中，Gate Delay 1，Gate Delay 2是Path-1(路径1)，Gate Delay 3，Gate Delay 4是Path-2(路径2)。当OUT-2输出为高电平，开关SW1端2与端1连接，信号走路径1；当OUT-2输出由高电平变为低电平时，开关SW1端2与端3连接，信号走路径2。信号通过Gate Delay 1，Gate Delay 2，Gate Delay 3，Gate Delay 4时将相应地延迟一定时间。

OUT-2时序控制电路作用：电源适配器的输出电压在通常的额定输出电压V_Nom和V_low_2之间跳变时，为了系统的安全性，下列事件的发生必须有一定的顺序：

事件1：电源适配器输出电压的跳变/恢复。

事件2：电池充电芯片Vcc开关电路的开/关。

事件3：电池包充电直通电路Q14的开/关。

当OUT-2输出由低电平变为高电平时，发生顺序为：事件2(关断)→事件1(跳变)→事件3(闭合)；当OUT-2输出由高电平变为低电平时，发生顺序为：事件3(关断)→事件1(恢复)→事件2(闭合)。

即：当OUT-2输出由由低电平变为高电平时，电池充电芯片Vcc开关电路断开，系统电源总线停止用电源适配器额定输出电压V_Nom给电池包充电，然后电源适配器额定输出电压由额定的V_Nom跳变为V_low_2，然后，电池包充电直通电路闭合，系统电源总线用电压V_low_2直接给电池包充电。当OUT-2输出由由高电平变为低电平时，电池包充电直通电路断开，系统电源总线停止用电压V_low_2直接给电池包充电，然后电源适配器额定输出电压由V_low_2恢复为额定的V_Nom，然后，电池充电芯片Vcc开关电路闭合，系统电源总线用电源适配器额定输出电压V_Nom给电池包充电。这种时序控制的优点在于：确保新型智能高效便携式电脑供电系统在电源适配器输出电压跳变/恢复过程中的可靠性和安全性。

(6)基准电压源-2：如图10所示，由R13，U2(431稳压器)，电阻分压器R14，R15构成。作用：在电源适配器次级通过正常输出电压建立一个参考电压源Vref-2。这个参考电压源为电阻分压器R18，R19和R20供电。Vref-2＝Vref-1＝V＜Min.(V_low-1，V_low_2)，即Vref-1与Vref-2相等，但是它们小于V_low-1和V_low_2中的较小值。

DC to DC(直流转直流)型外部电源适配器主要用于12V的汽车电子供电系统和15V航空供电系统中，例如：车载充电器，航空充电器等等。其内部由DC to DC(直流/直流变换器)构成，通常的变换器内部芯片有FB基准源(2.5V，1.25V等)，输出由电阻分压器R1和R2来监控。整体内部形成一个闭环回路，及时调整DC to DC控制芯片的输出脉冲宽度，通过闭环运作从而达到稳定输出电压的作用。同样原理，在现有电路基础上，实现智能高效方案的电路。如图13所示，一部分位于电源适配器内，另一部分位于便携式电脑电设备内，两部分电路由唯一的一根信号线通讯，并同时作用，完成输出电压跳变信号，电压恢复信号的传送功能。其工作原理与交流转直流(AC/DC)应用相同。

Claims (5)

1.一种便携式电脑供电系统，其特征在于，包括：

便携式电脑本体，所述便携式电脑，包括笔记本电脑、膝上型电脑、移动PC、掌上电脑；

所述便携式电脑内部包括信息处理单元、输出电压状态跳变/恢复信号开关电路、电池充电芯片输入电压开关电路、电池包充电直通电路、电池包充电切换时序控制电路和基准电压源；

外部电源适配器，所述电源适配器，包括交流转直流的电源适配器、直流转直流的电源适配器；

所述外部电源适配器内部包括特定电阻插入/移除电路、跳变/恢复信号判断电路和基准电压源；

所述外部电源适配器可根据便携式电脑所处的不同状态，用一个可变而非恒定不变的输出电压为便携式电脑供电；

上述外部电源适配器的输出电压是额定输出电压，所谓额定输出电压是电源适配器的标签标定的输出值，不同的电脑公司根据系统配置可以定义不同的输出值；

当上述便携式电脑系统处于如下：

情况1：外部电源适配器为便携式电脑充电，电脑处于开机状态并且电脑内安装的电池包电量已经被充满或者电脑内部没有安装电池包；

情况2：外部电源适配器为便携式电脑充电，电脑处于未开机状态并且电脑内安装有一个电量未充满的电池包；

便携式电脑内部的信息处理单元侦测系统状态，通过输出电压状态跳变/恢复信号开关电路发送电压状态跳变信号至外部电源适配器，然后所述跳变/恢复信号判断电路判断该信号，通过所述特定电阻插入/移除电路插入特定电阻到电源闭环回路的输出电压反馈部分的电阻分压器内，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，将输出电压由额定输出电压调变为最佳供电电压；

对于上述情况1，不同的系统配置，最佳供电电压值是不同的，该电压的特征是：专门针对当前便携式电脑主板上各子系统所需的供电电压12V，5V，3.3V，1.8V，1.5V，1.05V和小于1.5V的微电压值而综合设置的，在这个最佳供电电压的供给下，系统的能耗是最小的，整体上能达到最佳效率；

对于上述情况2，该最佳供电电压值即为电池包直接充电电压，该电压低于外部电源适配器额定输出电压，无需经过降压型直流/直流变换器转换，这个电压可直接给便携式电脑内部电池包充电。

2.如权利要求1所述的便携式电脑供电系统中，外部电源适配器输出电压的跳变是可逆的，其特征：当便携式电脑供电系统处于所述的情况1和2时，便携式电脑通过输出电压状态跳变/恢复信号开关电路发送电压状态跳变信号至外部电源适配器，然后所述跳变/恢复信号判断电路判断该信号，通过特定电阻插入/移除电路插入所述特定电阻到电源闭环回路的输出电压反馈部分的电阻分压器内，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，将输出电压由额定输出电压调变为最佳供电电压；反之，当便携式电脑供电系统处于所述情况1和2以外的其他状态时，所述特定电阻被从电阻分压器内移除，电源闭环回路自动调节电源输出占空比，输出电压将恢复到额定输出电压；所述特定的电阻值是根据电源适配器的额定输出电压、跳变的目标电压值、闭环输出反馈回路的电阻分压器和反馈基准电压计算而得的。

3.如权利要求1，2所述的便携式电脑供电系统中，所述信息处理单元由三个非门、两个双输入与门和两个三输入与门构成；所述信息处理单元收集三个信息：系统开关机信息、电池包安装信息和电池包充电状况信息，并对所述三个信息进行与非计算，发出输出电压状态跳变信号或者输出电压恢复信号，并通过信号线传送给外部电源适配器。

4.如权利要求3所述的便携式电脑供电系统中，上述便携式电脑本体和外部电源适配器之间仅用一根信号线完成三个信号的识别，包括：电压状态跳变信号I、II和一个电压恢复信号，其中电压状态跳变信号I的电压为

V为电脑内部基准电压值，电压状态跳变信号II的电压为

输出电压恢复信号为零电平；所述跳变/恢复信号判断电路，由1个比较器A和1个窗口比较器B构成，这个比较器A的触发电平设在这个窗口比较器B的比较门限设置在

与之间；当电压状态跳变信号I通过信号线传至电源适配器时，比较器A触发而窗口比较器B不触发；当电压状态跳变信号II通过信号线传至电源适配器时，比较器A不触发而窗口比较器B触发；当输出电压恢复信号通过信号线传至电源适配器时，比较器A和窗口比较器B都不触发；当电源适配器与便携式电脑断开连接时，便携式电脑和外部电源适配器之间的信号线保持零电平，比较器A和窗口比较器B都不触发；电源适配器根据内部比较器A和B的触发情况，控制特定电阻插入/移除电路输出相应的电压值。

5.如权利要求3所述的便携式电脑供电系统中，电池包充电直通电路和电池充电芯片输入电压开关电路，其特征：当系统处于所述的情况2时，外部电源适配器的输出电压由额定输出电压跳变为电池包直接充电电压，电池充电芯片输入电压开关电路断开，电池包充电直通电路闭合，为电池包直接充电电压直接给电池包充电提供通路；反之，当系统脱离这种状态，外部电源适配器的输出电压恢复为额定输出电压，电池包充电直通电路断开，电池充电芯片输入电压开关电路闭合，电源适配器通过降压变换器给电池包充电。

Images