CN101681189A - 电源适配器和负载的双向控制 - Google Patents

Abstract

一种系统包括计算机和外部电源适配器，所述外部电源适配器被配置为连接所述计算机，为所述计算机提供电源。所述计算机包括计算机控制电路，其生成提供给所述外部电源适配器并且使得外部电源适配器输出电压改变的计算机控制信号。所述外部电源适配器包括适配器控制电路，其生成提供给所述计算机并且使得所述计算机改变功率提取的适配器控制信号。所述计算机和适配器控制电路在共用导体上产生控制信号，该共用导体连接所述计算机和所述外部电源适配器。

Description

电源适配器和负载的双向控制

相关申请的交叉引用

本申请要求序列号为60/915117，于2007年5月1日提交，题目为“电源适配器和负载的双向控制”的临时申请的优先权，并且通过参考引入其内容。

背景技术

一些计算机，如笔记本电脑，具有外部电源适配器，来将交流(AC)电压转换为计算机消耗的直流(DC)电压。提供给计算机的DC电压可被用于在计算机中操作逻辑电路以及为电池充电。与操作计算机的逻辑电路相反，电池充电可能需要不同的电压。另外，计算机可能能够提取大于电源适配器额定提供的电流。

附图说明

为了详细描述本发明的示范性实施例，现在对附图作出参考，其中：

图1示出了一个系统图，示例说明了根据本发明实施例的耦合至负载的电源适配器；

图2示出了图1中所描绘的电源适配器和负载的结构框图；以及

图3示出了图1中所描绘的电源适配器和负载的详细示意图。

符号和命名

贯穿以下说明和权利要求，使用某些术语来指特定的系统组件。正如所属领域技术人员所知，计算机公司们可以用不同的名称来指示一组件。本文档不试图在名字不同而功能相同的组件之间进行区分。在下面的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式被使用，并且由此应当被解释为“包括，但不限于…”。还有，术语“耦合”或“耦接”旨在表示间接、直接、光学或无线电连接。因而，如果第一装置耦合到第二装置，它们的连接可以通过直接电连接，通过经由其它装置和连接的间接电连接，通过光学电连接，或通过无线电连接。术语“系统”指两个或更多个组件的组合。一个系统可以包含，例如，一服务器和一通信耦合的客户端的组合，或者一单独的服务器、一单独的客户端，或者一计算机中的子系统。术语“电池”指一单个电池单元或封装为电池组的多个单元。

具体实施方式

图1示出了一实施例，其包括经由电缆15耦合至负载20的AC电源适配器10。至少在图1所示的实施例中，AC电源适配器10在负载的外部，并将AC电压(例如，120VAC)转换为操作负载20的一个或更多个合适的DC电压(14VDC，19VDC，等)。负载20可以包含任何类型的电系统。在一些实施例中，负载20包含计算机(例如，笔记本电脑)。在下面提供的图2和3的实施例中，负载20被称为笔记本电脑，但是负载可包括笔记本电脑以外的系统。在一些实施例中，负载20是电池操作的，并包含可充电电池，该可充电电池由AC电源适配器10(以下简称“电源适配器”)提供的电源，经由电缆15充电。

根据至少某些实施例，电源适配器10和负载20包括使得每一个这样的装置能够控制另一个装置的电路。当从电源适配器10的功率提取接近和/或超过电源适配器的额定功率、或者其它阈值时，电源适配器10使得负载20改变(例如，减少)它的功率提取。即，如果负载20开始提取比电源适配器10能够安全提供的功率更大的功率，电源适配器提供控制信号至负载，以减少它的功耗。负载20通过减少它的功耗来响应由电源适配器10发起的信号。这种减少可以依据多种功率减少技术的任何一种。示例包含调暗负载的显示器，使负载的处理器减速，降低可旋转存储介质(例如，硬盘驱动器)的转速，停止电池充电等等。如果负载的功率提取未处于或者超过电源适配器的阈值，电源适配器10也允许负载20增加它的功率提取。

负载20也能够控制电源适配器10。在至少一些实施例中，负载20包括主机逻辑(例如，处理器、存储器，等)和可充电电池。与用于提供电能至负载主机逻辑的电压相比，用于给负载电池充电的电压可以是不同的电压幅度。虽然一些负载可包括电池充电电路以产生合适的电池充电电压，但是多种实施例的负载20不必需包括电池充电电路。在这种实施例中，电源适配器10提供为负载的可充电电池充电所需的电压。而且，电源适配器10选择性给负载20提供至少2个不同的电压。一个电压幅度适用于操作负载20中的主机逻辑，另一个电压幅度适用于充电负载电池。负载20引起在电源适配器10和负载20之间生成控制信号，该控制信号接着使得由电源适配器10提供给负载20的输出电压改变，例如，在负载20需要更高的电压的情况下增加，或者在负载20能够以更低电压操作的情况下减小。

在各种实施例中，连接电源适配器10到负载20的电缆15包括至少3个导体。在图1的实施例中，电缆包括导体16、17和18。导体16用于给负载20提供电源适配器的输出电压(Vout)，导体17是回线(地)。根据各种实施例，电源适配器10和负载20使得控制信号在电源适配器和负载之间被提供，从而如前所述使得一个这样的装置能够控制另一个。在共用导体18上，在电源适配器10和负载20之间提供这样的控制信号。从而，电源适配器10和负载20，至少在部分上，通过在共用导体上在电源适配器10和负载20之间提供的控制信号而相互控制。

控制原理在图2中被说明。通过在调节反馈节点19调控电压，Vout 16被设置为期望的电压。当电源适配器10没有命令减少负载电流时，减少负载命令电流信号80是0。当笔记本20没请求增加适配器电压时，增加供给电压请求电流信号85是0。在这种状态中，在调节反馈节点19的电压比笔记本电脑中的齐纳二极管72的齐纳电压低，所以齐纳72不导通，并且跨电阻器71的电压为0。同样，二极管48不导通，所以通过电阻器45的唯一电流是由用于调节Vout 16的反馈所引出的电流。通过增加电流信号85，笔记本20可以请求增加适配器电压。该电流流过电阻器45和二极管48，导致Vout 16的增加。或者，通过增加电流信号80，适配器10可以命令减少由笔记本20提取的负载电流。电流80随后流过齐纳二极管72和电阻器71，引起跨电阻器71的电压，这命令笔记本20减少或者抑制其功率提取。如果当电流信号85流动时发生负载减少命令电流80，简单地从信号85减去信号80，从而减少了增加供给电压请求信号85的效果。它们之间的差被用于控制电源适配器电压16。这是一种无缝转换，不需要切换或额外的控制信号。不需要逻辑来单独控制或修改信号80和85来在保持另一个信号不活动的同时断言一个信号——两个信号能够在相同的导体18上同时并存。通过设计，减少负载命令电流80的最大幅度大于增加供给电压请求信号85的最大幅度，所以适配器能够压制任何增加电压的请求并仍然减少负载，因为避免过载具有比增加电源适配器电压更高的优先权。

图3示出了在电源适配器10和负载20(例如，笔记本电脑)中的说明性的电路。在虚分割线30左边的电路表示至少一些在电源适配器10中提供的电路，而在虚分割线30右边的电路表示至少一些在笔记本电脑20中提供的电路。

电源适配器10的电路包括耦合至适配器控制电路50的适配器电压调整电路40。适配器电压调整电路包括运算放大器41、电容器42、电阻器43和45-47，还有齐纳二极管44。适配器控制电路50包括运算放大器51、电阻器53-54和56-59，电容器52，齐纳二极管55，还有晶体管56。提供二极管48来将适配器电压调整电路40耦合到适配器控制电路50。

图3所示的笔记本电脑电路包括耦合到计算机功率提取调整电路70的计算机控制电路60。计算机控制电路60包括运算放大器61、电阻器64、晶体管63和分压器62。计算机功率提取调整电路70包括运算放大器70、电阻器71和73，还有齐纳二极管72。

图3列出的组件值示例说明一个实施例。组件的值可以与所显示的不同。

如前面所描述，当从电源适配器10的功率提取接近和/或超过电源适配器的额定功率、或其他阈值时，电源适配器10使得笔记本电脑20改变(例如，减少)其功率提取。执行这个功能的电路包括在电源适配器10和笔记本电脑20中的电路，即适配器控制电路50与计算机功率提取调整电路70协同工作。

来自电源适配器10的电流(Iout)流过导体16，到笔记本电脑20，并且经由接地导体17返回。电阻器54包括感测电阻器，就是说，具有低阻抗值(例如，0.01欧姆)的电阻器。电阻足够低，因此不干扰电路的操作。跨该电阻器的电压与电源适配器10的输出电流成比例。齐纳二极管55包括，例如，50毫伏(mV)的电压参考。提供跨感测电阻器54产生的电压，部分经由齐纳二极管55到运算放大器51的非反转(+)和反转(-)端。齐纳二极管电压应用于非反转端。如果跨感测电阻器54的电压低于50mV，运算放大器51的输出升高。当电流Iout足够高，以致于产生超过50mV的跨感测电阻器54的电压，施加到运算放大器51的反转端的电压将比经由齐纳二极管55施加到非反转端的50mV电压大。当反转端电压变得比非反转端的电压大时，运算放大器51的输出变低。

选择齐纳二极管55的值(例如，50mV)和感测电阻器的值(0.01欧姆)，使得当电源适配器的输出电流Iout开始接近或超过与电源适配器有关的额定时，运算放大器的输出电压减少。因此，在运算放大器51输出处的低电压表明电源适配器10正被驱动，或者即将被驱动，超过它的最大电流额定。

在图3的实施例中，晶体管56包括PNP晶体管。PNP晶体管，在施加低的基极到发射极电压时开启(即，从它的集电极到发射极传导电流)，在施加高的基极到发射极电压(即，比阈值电压低或高)时关闭。当电源适配器的输出电流Iout比适配器的额定小时，经过感测电阻器54的电流相对于齐纳二极管55的电压足够低，从而运算放大器51的输出电压是高的。运算放大器的高输出电压造成PNP晶体管56关闭。

但是，如果经过感测电阻器54的电流(相对于齐纳二极管55的电压)是高的，运算放大器51的输出电压减少，其驱动PNP晶体管56开启。当晶体管56开启时，电流80流过电阻器57、晶体管56，穿过导体18，并且经过计算机功率提取调整电路70中的齐纳二极管72和电阻器71。电流80的大小与电源适配器的输出电流Iout和额定阈值之间的差成比例。

在一些实施例中，形成了锯齿波(通过未在图3中示出的电路)并提供给比较器74的非反转输入端。在图3所示的例子中，锯齿波的最小电压为1.2V，最大电压为2.5V。跨电阻器71的电压提供给比较器的反转端。如果非反转端的电压超过反转端的电压，比较器74的输出电压为高，反之为低。当电流流过晶体管56和导体18时，电流80的大小使得跨电阻器71所产生的电压高于1.2V。跨电阻器71的电压与电流80的大小成比例，从而随着电流80的增加而增加，而且间接地，随着适配器的输出电流Iout的增加而增加。来自比较器74的输出电压包括脉冲序列(即，系列数字脉冲)，脉冲序列的占空比被跨电阻器71的电压(从而，电流80和电源适配器的输出电流Iout)的大小控制。

比较器74的脉冲序列输出包括由电源适配器的输出电流Iout间接控制的脉宽调制(PWM)信号。来自比较器74的PWM信号被计算机功率提取调整电路70用于使得笔记本电脑20调整其功率提取(例如，降低处理器的时钟速度，调暗显示器，等等)。脉宽越小，功率提取越低。这导致了功率提取的受控减少。这是一个调整过程。

在计算机功率提取调整电路70中的齐纳二极管72包括电流阻止装置，其阻止计算机功率提取调整电路产生PWM信号，除非电流80在其上流过的导体18上的电压比与齐纳二极管72相关的阈值电压(例如，6.8V)高。

随着笔记本电脑20减少其功率提取，由电源适配器提供的输出电流Iout将减少到跨感测电阻器54的电压比齐纳二极管55的阈值电压低的点。在该点上，PNP晶体管56开始关闭，减少经过计算机功率提取调整电路70的电阻器71的电流80。当PNP晶体管56完全关闭时，比较器74的输出电压成为一恒量高电压，该恒量高电压通知笔记本电脑，其不再需要主动减少它的功率提取。

适配器控制电路50中的电容器52和电阻器53的组合充当一积分器，其减缓电流80的变化，从而减缓笔记本电脑改变其功耗的尝试，并且因而稳定控制功率提取的控制回路。

如上所述，笔记本电脑20使得在电源适配器10和负载20之间产生控制信号，该控制信号接着使得由电源适配器10提供给笔记本电脑20的输出电压改变，例如，如果笔记本电脑20需要更高电压则增加，或者如果笔记本电脑20在更低电压下可操作则减少。执行这个功能的电路包括在电源适配器10和笔记本电脑20中的电路，即计算机控制电路60与适配器电压调整电路40协同工作。

在图3的实施例中，适配器电压调整电路40中的运算放大器41被配置为误差放大器。一电压参考被提供给运算放大器41的非反转端。电阻器45-47串联连接，形成电压分压器网络。跨电阻器47的电压耦合至运算放大器41的反转端。适配器电压调整电路40通常实现调整电源适配器10的输出电压Vout的功能。电流向下流过电阻器45-47的串联组合。选择电阻器45-47的值，使得在适配器的输出电压Vout的标称值(例如，14V)，跨电阻器47的电压基本上等于齐纳二极管44的参考电压，该参考电压在图3的实例中是2.5V。如果电源适配器的输出电压Vout偏离其标称值，跨电阻器47的电压也将改变。放大器41放大跨电阻器47的电压和齐纳二极管的参考电压之间的差值。来自运算放大器41的输出误差信号被提供给电源适配器10中的电源电路(未具体示出)，来调整(例如，增加或减少)电源适配器的输出电压，以便将误差信号减小至零。如果来自运算放大器41的输出电压减少，电源适配器通过减少Vout进行响应。如果来自运算放大器41的输出电压增加，电源适配器通过增加Vout进行响应。

在一些情形中(例如，电池充电)，笔记本电脑20可能需要来自电源适配器10的不同的输出电压Vout。计算机控制电路60中的逻辑，被笔记本电脑20用于，使得电源适配器10中的适配器电压调整电路相应地调整适配器的输出电压。这种逻辑可以，例如，包括笔记本电脑的处理器或模拟电路。在笔记本电脑20中的这种逻辑调节分压器62，在一些实施例中，分压器62可以包括数字分压器。运算放大器61的输出电压与从分压器62提供给运算放大器的非反转端的电压相等或成比例。

随着笔记本电脑20中的逻辑调节分压器62，晶体管63(其包括NPN晶体管)开启，并且控制信号电流85流过适配器电压调整电路40中的电阻器45，流过二极管48，流过晶体管63和电阻器64。电流85，加上已经正在流过电阻器45-47的电流，增加了跨电阻器45的电压降。结果，跨电阻器47的电压减少，并且运算放大器41产生一正输出电压，该正输出电压与电压参考(齐纳二极管44)和跨电阻器47的电压之间的差成比例。适配器电压调整电路40由此促使电源适配器10重新调整(增加)其输出电压，直到跨电阻器47的电压等于齐纳二极管的参考电压。电流85促使适配器电压调整电路40使得适配器10重新调整输出电压Vout。随着控制电流85减少，来自运算放大器41的输出电压也减少。因而，在笔记本电脑20中的逻辑能够控制分压器62，从而使得电源适配器10增加或减少供给笔记本电脑20的输出电压。

电源适配器10中的二极管48包括位于适配器控制电路50和适配器电压调整电路40之间的信号阻止装置，用于阻止适配器控制信号(电流80)被适配器电压控制调整电路40接收。也就是说，二极管48阻止了电流80流过适配器电压调整电路40，否则当适配器控制电路50试图使得笔记本电脑10改变功率提取时，电流80将导致给电源适配器的输出电压Vout带来不想要的变化。

如果适配器正请求负载减少，而笔记本正请求适配器电压Vout增加，源于适配器控制电路50的电流80与由计算机控制电路60引出的电流85共用。这倾向于抵消每个请求的作用。结果，电流80和85通过它们各自的控制电路增加，直到一个达到它的最大水平，并且被另一个过驱动。通过设计，适配器控制电路50能够驱动电流80达到高于来自计算机控制电路60的电流85的最大值的水平。这种方式，避免了电源适配器10过载。在这种方式下，控制电路能够同时操作，并在操作模式之间无缝的转换，不用新的控制逻辑或信号中的切换。

以上说明只是为了示例说明本发明的原理和各种实施例。对于所属领域技术人员来说，一旦完全理解上面的公开内容，各种变形和修改将是显而易见的。下面的权利要求旨在解释为包括所有的这种变形和修改。

Claims (20)

1、一种系统，包括：

计算机；

外部电源适配器，被配置为连接所述计算机并为所述计算机提供电源；

其中所述计算机包括计算机控制电路，其生成提供给所述外部电源适配器并且使得所述外部电源适配器的输出电压改变的计算机控制信号，以及，其中所述外部电源适配器包括适配器控制电路，其生成提供给所述计算机并且使得所述计算机改变功率提取的适配器控制信号；以及

其中所述计算机和适配器控制电路在共用导体上生成所述控制信号，该共用导体连接所述计算机和所述外部电源适配器。

2、如权利要求1所述的系统，进一步包括计算机功率提取调整电路，其提供在所述计算机中，并耦合至所述共用导体，其中所述计算机功率提取调整电路基于所述适配器控制信号生成计算机功率提取调整信号，所述计算机功率提取调整信号控制所述计算机的功率提取。

3、如权利要求2所述的系统，其中所述计算机功率提取调整电路包括电流阻止装置，其阻止所述计算机功率提取调整电路生成所述功率提取调整信号，除非所述适配器控制信号所具有的电压比与所述电流阻止装置相关的阈值电压大。

4、如权利要求2所述的系统，其中所述适配器控制电路包括电流感测装置，该电流感测装置生成与所述计算机的电流提取成比例的感测信号，如果所述计算机的所述电流提取超过所述外部电源适配器的额定，所述感测信号使得所述适配器控制电路提供电流到所述计算机功率提取调整电路。

5、如权利要求2所述的系统，其中所述适配器控制信号调制周期信号，以形成脉宽调制信号，该脉宽调制信号包括所述计算机功率提取调整信号。

6、如权利要求1所述的系统，进一步包括适配器电压调整电路，其提供在所述外部电源适配器中，并且耦合至所述共用导体，其中所述适配器电压调整电路基于所述计算机控制信号生成适配器电压控制调整信号，所述适配器电压控制调整信号控制外部电源适配器的输出电压水平。

7、如权利要求6所述的系统，进一步包括位于适配器控制电路和适配器电压调整电路之间的信号阻止装置，用于阻止适配器电压控制调整电路从适配器控制电路接收适配器控制信号。

8、如权利要求6所述的系统，其中所述计算机控制电路包括可变输出装置，该可变输出装置使得电流从所述适配器电压调整电路，经过所述共用导体，流到所述计算机控制电路，从而使得所述适配器电压调整电路引起外部电源适配器的输出电压改变。

9、如权利要求1所述的系统，其中所述适配器控制信号具有比所述计算机控制电路更高的优先权，从而使得即使计算机控制电路生成的计算机控制信号在另一方面指示外部电源适配器增加输出电压，所述适配器控制电路也使得计算机减少功率提取。

10、如权利要求1所述的系统，其中所述控制信号在共用导体上同时共存。

11、一种设备，包括：

适配器控制电路，产生适配器控制信号，该适配器控制信号通过导体提供给计算机，所述适配器控制信号使得该计算机改变功率提取；以及

耦合至所述导体的适配器电压调整电路，所述计算机使得计算机控制信号被提供在所述导体上，所述计算机控制信号使得所述设备的输出电压发生变化；

其中所述设备的所述输出电压给负载供电。

12、如权利要求11所述的设备，进一步包括位于适配器控制电路和适配器电压调整电路之间的信号阻止装置，其用于阻止适配器电压控制调整电路从适配器控制电路接收适配器控制信号。

13、如权利要求11所述的设备，其中所述信号阻止装置包括二极管。

14、如权利要求11所述的设备，其中所述适配器控制电路包括电流感测装置，该电流感测装置生成与所述负载的电流提取成比例的感测信号，如果所述负载的电流提取超过所述设备的额定，所述感测信号使得所述适配器控制电路提供电流到所述负载。

15、一种设备，包括：

计算机控制电路，其使得计算机控制信号被外部电源适配器生成并经由导体被接收，所述计算机控制信号使得所述外部电源适配器的输出电压变化；以及

计算机功率提取调整电路，其经由所述导体从所述外部电源适配器接收适配器控制信号，并且响应所述适配器控制信号，调整所述设备的功率提取。

16、如权利要求15所述的设备，其中所述计算机功率提取调整电路基于所述适配器控制信号生成功率提取调整信号，所述计算机功率提取调整信号控制计算机的功率提取。

17、如权利要求16所述的设备，进一步包括电流阻止装置，其阻止所述计算机功率提取调整电路生成所述功率提取调整信号，除非所述适配器控制信号所具有的电压比与所述电流阻止装置相关的阈值电压大。

18、如权利要求15所述的设备，其中所述计算机功率提取调整电路使用所述适配器控制信号调制周期波形，以生成脉宽调制功率提取调整信号，所述计算机功率提取调整信号控制计算机的功率提取。

19、如权利要求15所述的设备，其中所述计算机控制电路包括可变输出装置，其使得产生所述计算机控制信号。

20、如权利要求15所述的设备，其中所述设备包括计算机。

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