CN102906664B - 对在限流电源总线上的设备的零件提供辅助功率的设备 - Google Patents

Abstract

经由处于设备的额定电压(Vb)下的限流电源总线(1)向设备(2)供电的电源电路包括辅助电源电路，该辅助电源电路包括储能部件(5)和触发部件(6)，该触发部件(6)用于触发从储能部件(5)经由降压转换器(7)对设备(2)的辅助供电，该降压转换器(7)将辅助电压降至额定电压。

Description

对在限流电源总线上的设备的零件提供辅助功率的设备

技术领域

本发明涉及辅助电源电路，用于向经由额定电压下的限流总线供电的设备供电。

发明背景

已知主数据处理机，不管它们是计算机还是通信平台，通常包括受电压调整的电源总线，该电源总线是限流的，例如具有USB端口的通用串行总线(USB)，设备的外部部件可与该USB端口相连。一些这样的设备部件，尤其是外部硬盘，仍然会产生问题，这是由于当设备起动时其产生的特别高的电流汲取。

USB电源总线上可用的最大允许功率(5伏(V)、500毫安(mA))一般不足以满足这种设备。然后仅通过传递远大于USB电源总线上允许的最大电流的电流获得所要求的功率。

为了缓解USB端口上那些不足的额定功率电平，常见方式是经由独立的外部电源电路向外部设备供电。不过，由于以外部电源电路为代表的额外成本(不管是制造成本还是运行成本而言)，这种方案在成本上是最不利的。另外，外部电源电路显著地增加了设备的总尺寸并使包含该设备的装置的布线变得复杂。为了缓解USB端口的不足额定功率，已提出经由两个USB端口并使用特定的Y电缆对外部设备供电。不过，这种方案只有在主机具有足以使设备的所有外部部件与之连接的数个USB端口时才能实现。

为了缓解USB端口的不足额定功率，还提出将主机的电源总线尺寸设计成过大的。在这类情形下，仍然需要将所有主机的尺寸设计成过大的，由此在主机制造过程中导致额外的成本。此外，这种方案无法被安置在已有的主机上。

发明目的

本发明的一个目的是即便当限流电源总线无法传递足够的电流时也允许设备尤其是外部硬盘操作。

发明简述

从已构成本发明的一部分的观测结果来看，在许多情形下，对电流的高需求只是在起动设备时的很短持续时间，本发明提出一种供电电路，该供电电路不仅包括在设备额定电压下的限流电源总线，还包括辅助电源电路，该辅助电源电路包括：储能部件，该储能部件在高于额定电压的电压下储能并与额定电压下的电压调节器相关联；以及触发部件，该触发部件将所存储的能量释放至电源总线上并联的设备。

因此，通过在高于额定电压的电压下使用储能部件，可突然地传递起动设备所需的功率。

在本发明的较为有利版本中，触发器部件对电源总线的实际电压敏感。因此，在硬盘开始时利用电源总线的实际电压下降，来使附加电流的需要与辅助电源触发自动同步。

在本发明的另一较为有利的方面，储能部件由连接于电源总线的电压倍增电路供电。因此可对电力储能部件充电而无需求助任何外部电源。

附图简述

通过阅读参考附图给出的本发明的各实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点显现出来，在附图中：

·图1是本发明的电源电路的第一实施例的图；

·图2是与图1相似并另外配有用于触发辅助电源的定时器部件的电源电路的图；

·图3是图1的配有用于触发辅助电源的定时器部件的电源电路的变型实施例的图；

·图4是配有变化的定时器部件的与图3类似的电源电路的图；

·图5是配有用于提供抗电流过载保护的电路的与图4相似的电路图；

图6是图1电路的另一可变实施例的图；

图7是图2电路的变型实施例的图；以及

图8是本发明的电源电路的图，其中储能部件由连接于电源总线的电压倍增电路供电。

具体实施方式

图1示出第一实施例，其中本发明的电源电路被纳入到主机中，该主机具有电源总线1，该电源总线1具有用于拟被供电的设备2的额定电压Vb：在该例中，外部硬盘与主机的USB端口3连接。电源总线1基于电压/电压转换器7并且它是限流的。

本发明的电源电路的第一实施例被纳入到主机中，该主机还具有电压调节的电源线4，该电源线4传递比电源总线的电压高的辅助电压Va。典型地，限流电源总线是具有5V电压的USB总线，而辅助电压为12V。

电源电路包括储能部件5，该储能部件5经由负载电阻器8连接于电源线4。储能部件5关联于在额定电压Vb下传递电压的电压调节器7，并且关联于触发部件6，构成设备1的辅助电源。

在图1所示的实施例中，储能部件5是一电容器，其一端接地而另一端连接于形成触发器部件6的负沟道金属氧化物半导体(nMOS)晶体管的漏极。晶体管6的源极连接于USB总线1，其栅极关联于电阻器9、10，所述电阻器9、10横跨辅助电源线4作为电桥连接，由此当电源总线1上的实际电压小于或等于需要触发辅助电源的帮助电压Vh时，MOS晶体管6的栅极/源极电位差等于或大于晶体管6传导时其阈值电压。

当主机接通时，晶体管6是不传导的，并且电容器5充电直到它达到与辅助电压Va相等的目标电压为止。

当USB端口3连接于一旦起动即消耗大于USB电源总线可传递的电流的设备(例如外部硬盘)时，则导致的电流汲取使电源电压Vb下降。当该电源电压达到帮助电压Vh的值时，晶体管6变得传导并且电容器5向电路放电，由此除了由转换器7传递的电流外还传递辅助电源电流，由此允许USB电源总线上的电压上升。辅助电流仅由储能部件传递很短的时间，且假设超过这段时间设备能够以对于该设备仅由USB电源总线供电就足够的低电流运行。典型地，辅助电流在设备连接的一瞬间表现出大约4安培(A)的峰值，紧接着就是长达约150微秒(μs)的2安培的稳定状态，之后的额定工作电流仅为400毫安。

应当发现在该实施例中，需要在连接外部设备前接通主机。如果在已连接外部设备的同时接通主机，则晶体管6在电容器5有时间充电前变得传导。

图2示出与图1相似但另外配有用于定时触发辅助电源的定时器部件的电源电路。在图2中，与图1的电源电路中的那些组件相似的组件用相同的数字标记表示。

在图2所示的实施例中，定时器部件包括负-正-负(npn)晶体管11，其发射极接地，其集电极在电阻器9、10之间的中间点连接于MOS晶体管6的栅极，其基极经由电阻器连接于比较器12的输出，该比较器12具有保持在目标电压Vc下的反相输入以及连接于电容器5以测量其瞬时电压的非反相输入。因此，只要电容器5的瞬时电压低于目标电压，晶体管11是传导的并且MOS晶体管6的栅极保持在零以使MOS晶体管不传导。电容器5逐渐地充电。当电容器5的瞬时电压到达目标电压时，晶体管11截止而辅助电源电路如参照图1描述的那样工作。

图3示出图2电路的变型实施例。如前所述，与前述实施例相同的组件被给予相同的数字标记。在该实施例中，晶体管11和比较器12仅通过一端接地而另一端在电阻器9、10之间的中间点连接于晶体管6的栅极的电容器13来替代。

不过应当发现，一旦起动则电路的空载电容器代表一额外负载。图4示出与图3相似的电源电路，但其进一步包括比较器电路，该比较器电路包括如图2实施例中的晶体管11和比较器12，以及另一npn晶体管14，其发射极接地，其集电极连接于晶体管6的栅极，而其基极起初接收使其传导的电压并随后接收使其不传导的电压。

图5示出与图4相似的电路，包括提供抗电流过载保护的电路。为此，电源电路包括pMOS晶体管15，其漏极/源极结串联地连接在包含USB端口3的引出线路中，其栅极连接于npn晶体管16的集电极，晶体管16的发射极接地而其基极经由电阻器连接于比较器12的输出。比较器12的反相输入和晶体管16的集电极连接于电阻器桥17-19，该电阻器桥17-19设定目标电压Vc。

在起初充电期间，晶体管15截止，直到电容器5已达到目标电压Vc为止。没有电流能流至可能连接于USB端口3的任何外部设备。当已到达目标电压时，MOS晶体管15变得传导并使电流流至与USB端口3连接的设备2。只要电容器5的电压不下降到由电阻器17、18和19限定的临界电压Vcc以下，电流就能朝向设备流动。在过载的情况下，例如在短路的情况下，电容器5放电至临界电压，在该临界电压下pMOS晶体管15变得不导通，以使系统与由短路造成的过载隔绝。当如此隔绝时，只要短路存在，电容器5充电并且循环反复。

在前述实施例中，电源电路的工作参数之一是MOS晶体管的阈值电压。该阈值电压可因变于用来制造晶体管的工艺而变化。这种阈值电压的变化在某些情形下可能是麻烦的。

图6示出本发明的电源电路的一个变型实施例，其中第一实施例的MOS晶体管由发射极连接于肖特基二极管22的npn晶体管21取代，晶体管10也由首先接地并其次连接于晶体管21的基极的齐纳二极管23取代。npn晶体管21的基极处的电压等于由齐纳二极管施加的电压Vz。因此在晶体管21的基极上具有基准电压。该基准电压因变于其想要获得的帮助电压、肖特基二极管的电压Vd以及晶体管21的基极/发射极结的电压Vbe而设定。当电源总线的电压大于帮助电压时，则：

Vbe+Vd<0.65

晶体管21是不传导的。没有电流能从电容器流向外部设备。相反，当USB总线的电压低于帮助电压时，晶体管21的基极/发射极结电压大于0.65V，而晶体管21是传导的。电流则可从电容器5流向设备2。

相比前述实施例，仍然能发现该实施例表现出功率在肖特基二极管中丧失的缺陷。

图7示出能消除MOS晶体管的电压阈值变化的后果的变型实施例。从参照图1描述的电路开始，电阻器10由npn晶体管24取代，该npn晶体管24的集电极连接于MOS晶体管6的栅极，其发射极接地，其基极经由电阻器连接于比较器25的输出，比较器的非反相输入连接于MOS晶体管6的源极而其反相输入接收代表帮助电压Vh的电压。

电压比较器25用来控制存储在电容器5中的辅助电力的可用性。

如果电源总线的电压落到帮助电压以下，则比较器25的输出改变并用来控制晶体管6栅极处的电压以使晶体管6导通。当外部设备不再需要额外能量时，总线的瞬时电压回到其额定值，即大于帮助电压的值，由此比较器改变状态并使MOS晶体管6再次处于非传导。比较器25由此用来避免与MOS晶体管6的阈值电压有关的不确定性问题。不过，这种方案更为昂贵并且只有在情势必要时才选用。

当主机不具有电压高于设备额定电压的电源时，本发明提供连接于电源总线的电压倍增电路。电源电路优选地包括不仅起初对电容器5充电还保持该充电以补偿漏电流的装置。

参照图3所示根据本发明的电源电路，图8示出电压倍增电路的一个实施例。

从图3的电路开始看，转换器7由具有电感器26的电压倍增级取代，该电感器26一端连接于USB电源总线而另一端首先连接于二极管27的输入并其次连接于pMOS晶体管28的漏极，pMOS晶体管28的源极接地且其栅极连接于微控制器29。二极管27的输出首先连接于电容器5的高电压端，其次连接于微控制器29的输入。微控制器29也连接于nMOS晶体管30的栅极，该nMOS晶体管30的源极/漏极结与USB电源总线中的USB端口3串联。只要电容器5未被充电，MOS晶体管30用来隔离外部设备。

应当发现，电压倍增级的成本可能特别低，只要电容器5的充电时间迅速不是必要因素。因此，缓和的电压倍增斜率能有优势地设计电感器26、二极管27和晶体管28的尺寸，由此以低成本提供电压倍增电路。

自然，本发明不限于以上所述的实施例，并可在权利要求书定义的本发明范围内由本领域内技术人员作出修改。

特别地，尽管图4示出结合图3的实施例使用比较器12，这种应用也可结合图1所示的电源电路来实现。

这对如图8所示的电压倍增级的使用也是如此。

本发明不仅限于USB外部硬盘；它可扩展并同样好地应用于主机中的其他类型外部插入部件。另一示例是将电子设备插入小形状因数可插接(SFP)盒内。

Claims (9)

1.一种经由设备的额定电压下的电源总线向所述设备供电的电源电路，所述电源总线是限流的，所述电源电路的特征在于，其包括：辅助电源电路，所述辅助电源电路包括储能部件，用于在高于额定电压的电压下存储能量并与电压调节器相联；以及触发部件，用于将所述存储的能量释放至与所述电源总线并联的所述设备，所述储能部件是电容器，且所述电源电路包括用于使所述辅助电源电路的触发延时的定时器部件。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述触发部件对所述电源总线的实际电压敏感。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述储能部件由连接于所述电源总线的电压倍增电路供电。

4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述定时器部件包括比较器，用于将所述储能部件的瞬时电压与目标电压比较。

5.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电容器与MOS晶体管相关联，所述MOS晶体管具有由电阻器桥设定的栅极电压，由此只要所述电源总线的实际电压小于或等于触发所述辅助电源电路的帮助电压，所述MOS晶体管的栅极/源极电位差等于或大于所述MOS晶体管的阈值电压。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述定时器部件是阻挡晶体管，所述阻挡晶体管用来将所述MOS晶体管的栅极电压保持在零长达足以对所述储能部件充电的时间长度。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述阻挡晶体管的基极连接于比较器的输出，所述比较器用于将目标电压与所述储能部件的实际电压相比较。

8.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述定时器部件是连接在所述电阻器桥的中间点和所述电路的接地点之间的电容器。

9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路包括用于限制流过所述辅助电源电路的电流的部件。