CN101355256B - 一种电源适配器供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有智能休眠和唤醒的电源适配器供电系统及其实现电路。这种电源适配器输出有三条线：除去通常的正极输出线和地线外，还有一条信号线。电源适配器和待充电系统通过信号线持续监视相互连接状况：当电源适配器与系统断开连接，电源适配器通过信号线侦测到外设的断开情况，并且在一定的延迟休眠时间内没有再次与系统相连，电源适配器将自动进入休眠状态，内部绝大部分电路关闭，输出电压变为零，这样电源适配器的空载功耗变得极低，从而达到节省能源的目的；当电源适配器再次与系统连接时，系统通过信号线传送一个唤醒信号，电源适配器输出恢复正常。本发明能广泛应用于目前的电源适配器中，不受电路拓扑限制。

Description

一种电源适配器供电系统

技术领域：

本发明专利涉及一种具有智能休眠和唤醒的电源适配器供电系统，它由电源适配器和待充电外设共同构成并匹配使用。

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。世界各国目前都在制定和实施相应的降低电源适配器功耗的法规和标准，例如：美国的Energy Star(能源之星)，CEC(加州能源委员会)，中国的CECP(中国节能计划)等，而其中降低电源适配器的空载损耗是重要的组成部分。

在实际电源适配器(例如笔记本电脑电源适配器，手机充电器，车载充电器，机载充电器，MP3充电器，数码相机充电器等)的应用中，为了使用方便，在很多情况下，用户在不使用电源适配器时，电源适配器仍然通电，即电源输入线保持与交流插座相连(或者车载充电器与汽车点烟座相连)。在这种情况下，虽然电源适配器在与待充电设备断开连接时，即处于空载情况下，输出电压仍然保持正常，消耗一定能量，而此时的输出电压对用户本身并没有实际意义，所以这种情况下，电源适配器的功耗是没有必要的。

现有的解决方案是：在空载情况下，电源研发人员致力于减小电源适配器内部的各种电路和零件的功耗，例如：各种功率元件，磁性元件的损耗等等，还有让电源适配器处于较为特殊的工作模式(例如：BurstMode(脉冲模式))等，但是现有方案的对空载能耗的减小是有限的，在空载情况下，内部电路持续工作，输出电压仍然持续存在，因此无谓消耗了一定的能量。

发明内容：

本发明专利是针对上述问题和现有解决方案的缺陷而提出的。本方案是为了建立电源适配器和待充电设备的侦测相互连接的机制，并利用这种侦测相互连接的机制，电源适配器在通电情况下，但与外部设备断开连接时，能够关闭内部电路，输出电压变为零电压而非额定输出电压工作，从而达到最大化降低能耗，节约能源的目的。与本方案相关的新型的电源适配器输出有三条线(如图1所示)：除去通常的正极输出线和地线外，还有一条信号线。电源适配器正是通过这条信号线与外部待充电设备通讯，达到侦测连接、关闭或启动电源适配器内部电路的目的。该方案既适用于交流到直流(AC to DC)的外部电源适配器，也适用于直流到直流(DC to DC)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。

本发明包括电源适配器本体，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；

所述电源适配器内部包括偏置电压源、光耦触发电路、光耦重置电路、外设侦测器、定时器、参考电压源和电源适配器匹配电阻；

外部待充电设备，所述外部待充电设备，包括笔记本电脑、掌上电脑、手机、MP3、数码相机等任何用电源适配器充电的且内部有可充电电池的设备；

所述外部待充电设备内部包括待充电外设匹配电阻、参考电压源、偏置电压源、输入电源侦测器和唤醒信号发生器；

所述外部电源适配器与外部待充电设备连接时，电源适配器是以额定输出电压供电；所谓额定输出电压是电源适配器的标签标定的输出值；

所述电源适配器与外部待充电设备断开连接时，电源适配器通过信号线侦测到外设的断开情况，电源适配器将关闭内部电路，输出电压变为零，即进入休眠状态；这时，电源适配器的空载功耗最大化降低；当电源适配器再次与设备连接时，设备通过信号线传送一个唤醒信号，电源适配器输出恢复至额定输出电压；

所述电源适配器供电系统中，电源适配器内部电路的关闭和启动、输出电压是额定电压还是零电压是根据电源适配器与外部充电设备的连接情况而自动控制的；

采用本方案之后的优势：

目前消费电子产品(例如：笔记本电脑，MP3，手机，数码相机等)电源适配器，设计得比较好的空载损耗在大约在300mW左右，应用本方案以后，空载损耗能降到最低(有望降到50mW以下)。全球有上亿只电源适配器，如果未来业界使用这个专利，整体上将大大节约能耗。

附图说明：

图1：电源适配器结构

图2：交流转直流应用模块图

图3：交流转直流应用电路图

图4：直流转直流应用电路图

图5：时序图

图6：时序图

图7：时序图

具体实施方案：

以目前流行的反激(Flyback)拓扑为例来说明这个方案的实现。同样的电路也可应用于直流转直流(DCto DC)变换器，例如：车载充电器，航空充电器等等。本方案以反激为例说明方案具体实现，但是它并不仅限于反激拓扑，而是适用于所有电路拓扑。

如图2所示，电路一部分位于电源适配器内，另一部分位于待充电设备内，两部分电路由唯一的一根信号线通讯，并同时作用，完成对象侦测，定时关断，唤醒等功能。在电源适配器端的电路，由Bias VoltageSource(偏置电压源)，ISO-1 Trigger Circuit(光耦触发电路)，ISO-2 Reset Circuit(光耦重置电路)，ReferenceVoltage Source(参考电压源)，Target Device Detector(外设侦测器)，Timer(定时器)，电源适配器匹配电阻R_A构成。而在待充电设备端的电路由待充电外设匹配电阻R_D，External Power Adapter&DC Line inDetector(外部电源适配器和直流输入电源侦测器)，Wake-up signal generator(唤醒信号发生器)，两个参考电压源(Reference Voltage Source)构成。注意待充电设备这部分电路是由设备内部电池供电。

当电源适配器与待充电设备相连时，在侦测电路作用下，定时关断和唤醒功能不工作。当电源适配器与待充电设备断开连接后，如果电源适配器仍然通电，即输入(交流或直流)仍然存在，定时器开始工作，一定的延迟休眠时间(例如：3分钟)后，定时器设定时间到，触发关断电路，电源适配器内部大部分电路关闭，输出电压从正常的Vout(输出电压)变为0.当待充电设备(本身带有电池)，再次与之相连的时候，Wake-up signal generator(唤醒信号发生器)发送一个唤醒信号使电源适配器恢复输出。另外，重置电源适配器输入才能唤醒已经休眠的电源适配器。当电源适配器关断后，仅有电源输入端滤波器，桥式二极管，偏置电压源和电容C4漏电流等零件耗电(如图3所示)，这样可以将空载功耗降到极低的状态(小于50mW)，从而达到在空载是减小能耗的目的。

待充电的外设包括：笔记本电脑电源，手机，MP3，数码相机，便携式收音机等等利用电源适配器充电的设备。

延迟休眠时间的设置是为了避免不必要的休眠和唤醒，在下文用T_blank代替，注意T_blank可以任意适当设置，3分钟只是一个例子。

如图3所示：以下是每个模块电路的详细描述：

Block-1(模块一，虚线左边的电路)位于电源适配器内：

1.Bias Voltage Source(偏置电压源)：主要由电阻分压器(R3，R4，R5，R6)，稳压管(ZD1)，滤波电容(C1)等构成。其主要目的是：由输入电压建立一个偏置电压源。

2.ISO-1TriggerCircuit(光耦触发电路)：主要由光耦(ISO-1)，限流电阻(R6，R7)，NPN三极管(Q1)，滤波电容(C2)等构成。其主要目的是：在T_blank(大约3分钟)时间到时，在将主电源芯片控制引脚拉为低电平，以达到关断电源的作用。(注：目前大部分PWM IC都有一个控制引脚，如果将此PIN拉为低电平，该PWM IC将关断并且锁住，整个电源也就关断了。)

3.ISO-2Reset Circuit(光耦重置电路)：主要由光耦(ISO-2)，限流电阻(R24)，开关(SW1，SW3)，稳压管(ZD3)，等构成，其主要目的是：当外设发送唤醒信号后，重置Vcc.(注：目前大部分PWM IC的VCC引脚，当PWM IC在锁住后，如果重置Vcc，PWM控制器会重启。)

其中：

开关SW1：当ISO2光耦导通，V_bias引入时，关断；当ISO2光耦不导通时，导通。

开关SW3：当电源适配器输出电压Vout为高电平时，关断；当Vout为零时，导通。

当稳压管ZD3被唤醒信号击穿后，ISO2被触发，SW1被重置。

4.Target Device Detector(外设侦测器)

主要由：U1A电压比较器：分压电阻(R11，R12)，二极管D3等构成。

其主要目的是：侦测待充电外设的连接状态，并根据不同的连接情况设定定时器。

电源适配器输出电压给比较器U1A供电，参考电压源输入U1A的正相输入端。当电源适配器不与外部待充电设备相连的时候，输出电压Vout通过R12，R11，D3和R_A分压形成电压输入U1A的反相输入端，该电压大于参考电压源Vref，U1A输出为低电平，开关SW2导通，Vout启动定时器。如果电源适配器与待充电设备相连，外设内匹配电阻R_D通过信号线参与U1A分压，引起比较器U1A反相输入端电压变化。适配器输出电压通过R12，R11，D3，R_A和R_D分压形成电压输入U1A的反相输入端。该电压小于参考电压源Vref，U1A输出为高电平，SW2关断，Q2导通，定时器重置。

5.Timer(定时器)

主要由：555定时器，NPN三极管Q2，SW2开关等构成。

其主要目的是：设置T_blank(大约三分钟)时间，如果在T_blank时间内，外设接入，U1A输出为高电平，SW2断开，Q2被触发，将定时器重置。

其中：SW2：当U1A输出为高电平时，关断；当U1A输出为零时，导通。

6.Reference Voltage Source(参考电压源)

主要由：TL431，限流电阻R13，分压电阻R14，R15等构成。

其主要目的是：建立一个参考电压源。该参考电压源是从适配器的输出电压转换而来。如果这是个AC-DC型开关电源，该偏置电压源位于次级。

7.电源适配器匹配电阻R_A

当适配器与待充电外设相连时，该电阻参与U3比较器反向输入端的分压，从而影响U3的输出状态。待充电外设通过U3的输出状态来判断是否连接电源适配器。

Block-2(模块二，虚线右边的电路)位于待充电的外设内：

1.待充电外设匹配电阻R_D

当适配器与待充电外设相连时，该电阻参与U1A比较器反向输入端的分压，从而影响U1A的输出状态。电源适配器通过U1A的输出状态来判断是否连接待充电外设。

2.Reference Voltage Source(参考电压源)

主要由：TL431，限流电阻R21，分压电阻R22，R23等构成。

其主要目的是：建立一个参考电压源Vref_1。该参考电压源是从适配器的输出电压转换而来，位于待充电系统内部。该信号输入U3比较器的正相输入端。

3.Bias Voltage Source(偏置电压源)

主要由：TL431，限流电阻R25，分压电阻R26，R27等构成。

其主要目的是：建立一个偏置电压源V_bias_2。该参考电压源是从适配器的输出电压转换而来，位于待充电系统内部。该偏置电压源给U3比较器供电。

注意：Vout＞V_battery＞V_bias_2＞Vref_1，其中：V_battery是由待充电设备内部电池供给的

4.External Power Adapter&DC Line in Detector(外部电源适配器和直流输入电源侦测器)

主要由：电压比较器U3，分压电阻(R17，R18)，开关SW4，二极管D4，NPN三极管Q14，稳压二极管ZD4等构成。其主要目的是：侦测电源适配器的连接状态。电源适配器匹配电阻R_A通过信号线参与分压，引起比较器U3反相输入端电压变化。外设通过U3的输出状态来判断是否连接待电源适配器。

电源适配器输出电压输入待充电设备，如图3所示，DC-Line电压就等于Vout.开关SW4：当DC Line为高电平时，关断；当DC Line为零时，导通。

当电源适配器不与外部待充电设备相连的时候，SW4导通，V_bias_2通过R17，R18，D4和R_D分压输入U3的反相输入端。该电压高于Vref_1，U3输出电压为低电平，该低电平不能触发唤醒信号发生器。

当电源适配器与与外部待充电设备相连的时候，

(1)情形1：电源适配器工作，DC-Line将直接关闭唤醒信号发生器。

(2)情形2：电源适配器不工作，SW4导通，V_bias_2通过R17，R18，D4，R_D，R_A分压输入U3的反相输入端。该电压低于Vref_1，U3输出电压为高电平，该高电平触发唤醒信号发生器。

5.唤醒信号发生器(Wake-up signal generator).

主要由：555定时器，二极管D5等构成。

主要目的：发送唤醒信号。

如图三，U3输出电压为高电平，该高电平触发唤醒信号发生器。唤醒信号经二极管D5，信号线，传入电源适配器内部，击穿ZD3，触发ISO2.同时由于唤醒信号高于V_bias_2，D4关断，ZD4击穿，Q14导通。

因此比较器U3的输出不变直到电源适配器被唤醒，输出电压正常，SW4将会被切断。

开关SW1，SW2，SW3，SW4是P型MOSFET加一些驱动电路。如图3所示，当V_trigger为高电平时，开关关断，当V_trigger为低电平时，开关导通。

以下是一些典型应用情况：

(1)情形1：电源适配器定时休眠，利用待充电外设重启(如图5所示)

图5：时序图

时序描述：

T1：电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)。

T2：电源适配器的输出上升到正常值，不与待充电系统相连，电源适配器内部定时器开始计时。

T3：一定时间(T_blank，例如：3分钟)后，电源适配器内部电路触发，关闭内部电路，电源适配器输出电压降为零。

T4：将电源适配器插入待充电系统，系统传送唤醒信号，电源适配器恢复输出。(注意：也可以用重置交流或直流输入来重置电源适配器，恢复输出)。

参见图3所示，T1时刻，当电源适配器接上交流电后，电源适配器正常工作，开关SW3关断，不与待充电系统相连，比较器U1A的输出电压为低电平。SW2导通，Vout设置定时器，计时开始，在T3时刻，T_blank时间到，定时器输出触发ISO1，Q1导通，PWM芯片的控制脚被拉为低电平，电源适配器关断，输出电压变为零。此时待充电设备接口，U3的输出是低电平，不会触发Pulse Generator。T4时刻，电源适配器与待充电设备相连，起初，电源适配器输出为零，因为匹配电阻R_A参与分压，U3输出翻转成高电平，它将触发Pulse Generator，唤醒信号通过D5，信号线，稳压管ZD3，ISO2，重设PWM控制器，电源适配器恢复输出。当DC-line输出正常后，Pulse Generator被屏蔽。

(2)情形2：电源适配器将要休眠之前与待充电外设相连(如图6所示)

图6：时序图

时序描述：

T1：电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)。

T2：电源适配器的输出上升到正常值，不与待充电系统相连，电源适配器内部定时器开始计时。

T3：一定时间ΔT(＜T_blank)后，将电源适配器插入待充电系统，适配器内部定时器被重置，输出保持正常。

参见图3所示，T1时刻，电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)，T2时刻，电源适配器的输出上升到正常值，比较器U1A输出为低电平，电源适配器没有和待充电外设相连，SW2处于导通状态，定时器开始计时。经过ΔT(注：ΔT＜T_blank)时间后，T3时刻，将电源适配器插入待充电系统，由于待充电设备匹配电阻R_D的参与分压，比较器U1A输出翻转成高电平。SW2关断，Q2导通，将定时器重置并停止工作。电源适配器的工作状态被保持着，输出电压保持正常。

(3)情形3：电源适配器在将要休眠之前与待充电外设相连，一段时间后断开连接，然后再与外设连接，被唤醒重启。(如图7)

图7：时序图

时序描述：

T1：电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)。

T2：电源适配器的输出上升到正常值，不与待充电系统相连，电源适配器内部定时器开始计时。

T3：一定时间ΔT(＜T_blank)后，将电源适配器插入待充电系统，适配器内部定时器被重置，输出保持正常。

T4：电源适配器与充电外设断开连接，电源适配器内部定时器开始计时。

T5：T_blank时间到，电源适配器输出关断。

T6：将电源适配器插入待充电系统，系统传送唤醒信号，电源适配器恢复输出。(注意：也可以用重置交流或直流输入来重置电源适配器，恢复输出)。

参见图三，从T1时刻到T3时刻工作原理与情形2相同。T4时刻，电源适配器与充电外设断开连接，电源适配器内部定时器开始计时。T5时刻，T_blank时间到，定时器输出高电平，ISO1导通，V_bias通过R6触发Q1，将PWM控制器拉低关断，从而整个电源输出关断。T6时刻，将电源适配器插入待充电系统，系统传送唤醒信号，电源适配器恢复输出。(注意：也可以用重置交流或直流输入来重置电源适配器，恢复输出)。

Claims (6)

1.一种电源适配器供电系统，由电源适配器内部控制电路和待充电系统内部电路通过信号线共同作用，实现智能休眠/唤醒的功能；其特征为：电源适配器在空载时定时关断，输出电压为零，当与待充电系统相连时电源适配器被唤醒，输出电压恢复至正常值。

2.如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，相应的控制电路一部分位于电源适配器内，另一部分位于待充电设备内，两部分电路由唯一的一根信号线通讯，并同时作用，完成对象侦测、定时关断及唤醒功能；在电源适配器端电路，由偏置电压源、光耦触发电路、光耦重置电路、参考电压源、外设侦测器、定时器和电源适配器匹配电阻构成；而待充电设备端电路由待充电外设匹配电阻、外部电源适配器、直流输入电源侦测器、唤醒信号发生器和两个参考电压源构成，待充电设备端电路是由其内部电池供给的。

3.如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，电源适配器在与待充电系统断开连接且输入端仍然通电的情况下，休眠功能动作并不立即动作，而是在一定的延迟休眠时间后动作：内部关断电路工作，输出电压由正常值变为零。

4.如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，除去通常的正极输出线和地线，只需要附加一条信号线完成电源适配器和待充电设备间所有对象侦测和唤醒信号传送的功能。

5.如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，电源适配器和待充电设备间，利用电阻进行互相匹配侦测来判断对象连接情况的方法。

6.如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，当电源适配器休眠后，如果待充电系统内电池没电或者电池被拔出，重置电源适配器输入，即：将电源线从交流或者直流的插座中拔出，然后再重新插入的办法唤醒电源适配器，恢复正常输出。

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