CN104810868B - 充电系统及其充电方法 - Google Patents

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Abstract

一种充电系统包括传输线、电源转换器以及电子装置。传输线具有第一端子及第二端子。电源转换器耦接第一端子，并产生充电电压及第一电压信号，且充电电压为第一电压准位。电子装置耦接第二端子，并接收第一电压信号。当第一电压信号大于第一预设电压信号，电子装置输出第二电压信号至电源转换器。当第二电压信号大于第二预设电压信号，电源转换器调整充电电压为第二电压准位。本发明可以安全地管理及运用电源，并提高充电效率，同时也确保传输线可使用于一般的电子产品或一般的电子装置。

Description

充电系统及其充电方法
技术领域
本发明涉及一种充电系统及其充电方法。
背景技术
通用串行总线(USB)在一般现代人的生活中，是最为广泛应用的传输接口之一，其提供了方便、快速的数据传输外，还提供了充电的功能。
然而，目前USB的充电功能，受限于标准充电电压5伏特，因此，最多只提供到10瓦的电力，虽已符合可携式电子装置如手机或相机的充电需求，但通常充电时间较长，且不足以满足功率消耗较大的产品如屏幕显示器或笔记本电脑的需求。
发明内容
本发明提供一种充电系统，包括传输线、电源转换器以及电子装置。传输线具有第一端子及第二端子。电源转换器耦接第一端子，并产生充电电压及第一电压信号，且充电电压为第一电压准位。电子装置耦接第二端子，并接收第一电压信号。当第一电压信号大于第一预设电压信号，电子装置输出第二电压信号至电源转换器。当第二电压信号大于第二预设电压信号，电源转换器调整充电电压为第二电压准位。
本发明的一种充电方法适用于充电系统。充电系统包括传输线、电源转换器及电子装置。传输线分别耦接电源转换器及电子装置。电源转换器具有充电电压，且充电电压为第一电压准位。充电方法包括下列步骤：电子装置接收电源转换器产生的第一电压信号；当第一电压信号大于第一预设电压信号，电子装置输出第二电压信号至电源转换器；以及当第二电压信号大于第二预设电压信号，电源转换器调整充电电压为第二电压准位。
综上所述，本发明的充电系统及其充电方法是通过当第一电压信号大于第一预设电压信号，以及第二电压信号大于第二预设电压信号的双重判断，而改变充电电压的准位，从而安全地管理及运用电源，并提高充电效率，同时也确保传输线可使用于一般的电子产品或一般的电子装置。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的一种充电系统的示意图。
图2A为本发明较佳实施例的第一端子的脚位示意图。
图2B及图2C为本发明较佳实施例的第二端子的脚位示意图。
图3为本发明较佳实施例的一种充电系统的电路示意图。
图4为本发明较佳实施例的另一种充电系统的电路示意图。
图5为本发明较佳实施例的又一种充电系统的电路示意图。
图6为本发明较佳实施例的一种充电方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的一种充电系统及其充电方法，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。
图1为本发明较佳实施例的一种充电系统的示意图。请参照图1所示，充电系统1包括一传输线2、一电源转换器3及一电子装置4。
传输线2具有一第一端子21及一第二端子22，其分别耦接电源转换器3及电子装置4。在本实施例中，第一端子21为通用串行总线3.0端子(USB3.0)，其脚位定义可参考图2A及表1所示。第二端子22为微型通用串行总线2.0端子(Micro-USB2.0)，其脚位定义可参考图2B(Micro-USB2.0A型)、图2C(Micro-USB2.0B型)及表二所示。由于部分的脚位具有特定的信号传递的用途，为避免影响信号的传输，本实施例的传输线2是将第一端子21的第七脚位(脚位编号P17，GND_DRAIN)短路(即连接)至第二端子22的第四脚位(脚位编号P24，ID)。当然，脚位的选择并不限定，以能作电源转换器3及电子装置4之间的沟通为考虑。
表一
脚位编号 信号名称
P21 VBUS
P22 D-
P23 D+
P24 ID
P25 6ND
表二
电源转换器3具有一第一连接部31，其为通用串行总线3.0接口，用以耦接传输线2的第一端子21。电子装置4具有一第二连接部41，其为微型通用串行总线2.0接口，用以耦接传输线2的第二端子22。电源转换器3产生一充电电压V及一第一电压信号S1。当电源转换器3通过传输线2而与电子装置4耦接时，电源转换器3将输出充电电压V与第一电压信号S1，并通过传输线2传送至电子装置4。
在本实施例中，充电电压V是经由传输线2的第一端子21的第一脚位P11传送至第二端子22的第一脚位P21，以对电子装置4进行充电，此时的充电电压V为一第一电压准位V1。其次，第一电压信号S1是经由传输线2的第一端子21的第七脚位P17传送至第二端子22的第四脚位P24，而提供至电子装置4。当电子装置4接收到第一电压信号S1后，将判断第一电压信号S1与一第一预设电压信号PS1之间的大小关系。当第一电压信号S1大于第一预设电压信号PS1时，电子装置4将输出一第二电压信号S2至电源转换器3。在本实施例中，第二电压信号S2是经由传输线2的第二端子22的第四脚位P24传送至第一端子21的第七脚位P17，以输出至电源转换器3。
当电源转换器3接收来自电子装置4的第二电压信号S2后，将判断第二电压信号S2与一第二预设电压信号PS2之间的大小关系。当第二电压信号S2大于第二预设电压信号PS2时，电源转换器3将调整充电电压V的电压准位，使其自第一电压准位V1改变为一第二电压准位V2。在本实施例中，第二电压准位V2大于第一电压准位V1。此外，当第二电压信号S2未大于第二预设电压信号PS2时，电源转换器3将维持充电电压V的电压准位为第一电压准位V1。
因此，通过上述的架构，电源转换器3将可判断电子装置4是否具有快速充电的功能，从而调整充电电压V的电压准位，或针对不同充电电压V需求的电子装置4，调整充电电压V的电压准位。另外，需补充说明的是，在本实施例中，是以可调整充电电压V为两种不同的电压准位为例进行说明，在其它实施例中，将可依据产品的需求和电路的布局，而使得电源转换单元可提供多种不同电压准位的充电电压V。
接着，请参照图3所示，其中，图3为上述实施例的充电系统1的电路示意图。电源转换器3包括一电源转换单元32、一分压单元33、一判断单元34以及一控制单元35。
电源转换单元32耦接第一端子21，并产生充电电压V。在本实施例中，电源转换单元32耦接一固定电源321，例如是市电，并据以产生适用于电子装置4充电的充电电压V，其中充电电压V的电压准位预设为第一电压准位V1。另外，电源转换单元32可为返驰式(flyback)电路或降压式(buck)电路，但本发明不以此为限制。
分压单元33耦接电源转换单元32，并根据充电电压V产生第一电压信号S1。在本实施例中，分压单元33具有第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3。第一电阻R1的一端耦接电源转换单元32，第二电阻R2的两端分别耦接第一电阻R1的另一端及第三电阻R3的一端，而第三电阻R3的另一端接地。简言之，第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3为串联连接。在本实施例中，第一电阻R1的电阻值为220K欧姆(ohm)，第二电阻R2的电阻值为270K欧姆，第三电阻R3的电阻值为68K欧姆。
判断单元34耦接分压单元33。在本实施例中，判断单元34具有一开关一组件341、一第四电阻R4、一第五电阻R5及一第六电阻R6。第四电阻R4与第五电阻R5串联连接，开关组件341与第六电阻R6并联连接，并耦接第五电阻R5的一端。在实施上，开关组件341可选用N型场效应晶体管(NMOS)，且其栅极耦接于分压单元33的第二电阻R2及第三电阻R3的接点N2。此外，控制单元35耦接电源转换单元32及判断单元34。详而言之，第四电阻R4及第五电阻R5的接点N3耦接至控制单元35。
请继续参照图3，电子装置4包括一比较单元42、一切换单元43、一稳定单元44以及一电源供应单元45。比较单元42耦接第二端子22，并接收电源转换器3所输出的第一电压信号S1。在本实施例中，比较单元42包括一比较器421及一预设电压产生组件422。预设电压产生组件422耦接比较器421，并输出第一预设电压信号PS1。在本实施例中，比较器421的反向输入端接收第一电压信号S1，非反向输入端接收第一预设电压信号PS1。
切换单元43耦接比较单元42，电源供应单元45耦接切换单元43与比较单元42，并输出第二电压信号S2，而稳定单元44耦接比较单元42及切换单元43。在本实施例中，切换单元43为一P型场效应晶体管(PMOS)，其栅极耦接比较器421的输出端，源极耦接电源供应单元45，且其漏极与比较器421的反相输入端及稳定单元44耦接，其中稳定单元44包括一稳压电阻R，其电阻值可为2.7M欧姆。另外，电源供应单元45可为升压(boost)电路，并提供比较器421的工作电压。
此外，电子装置4还包括一电池单元46和一侦测单元47。电池单元46耦接电源转换器3，并接收充电电压V。在本实施例中，电池单元46包括一电源管理模块461及一电池462。电源管理模块461耦接电源转换器3及电源供应单元45，并接收充电电压V，而电池462耦接电源管理模块461。于此，电源管理模块461接收充电电压V并为电池462进行充电，以及提供系统电压Vs，以维持电子装置4的系统和组件正常运作时所需的电力。另外，电源供应单元45依据电源管理模块461所提供的电压输出第二电压信号S2。侦测单元47耦接电源供应单元45，并可接收充电电压V以侦测电子装置4与电源供应器3之间的连接状态。当侦测单元47未接收到充电电压V，即电源供应器3并未与电子装置4耦接时，则电子装置4不需要输出第二电压信号S2至电源供应器3，此时，侦测单元47将关闭电源供应单元45，以避免电源供应单元45持续运作而造成不必要的电力消耗。另外，当侦测单元47接收到充电电压V，即电源供应器3与电子装置4耦接时，侦测单元47将启动电源供应单元45，使电源供应单元45可提供第二电压信号S2和比较单元42于正常运作下所需的工作电压。
接着，请参照图1至图3所示，以进一步说明本发明的充电系统的充电流程。首先，电源转换器3耦接固定电源321并产生充电电压V，此时的充电电压V的电压准位为第一电压准位V1，其可为USB标准充电电压5伏特。此时，第一电压准位V1经由分压单元33的分压后，于第一电阻R1及第二电阻R2的接点N1产生第一电压信号S1，其电压值(电压准位)为3伏特，并于第二电阻R2及第三电阻R3的接点N2输出一控制信号Sc至判断单元34的开关组件341，此时控制信号Sc的电压值(电压准位)为0.6伏特。
当控制信号Sc的电压值大于开关组件341的临界电压(threshold voltage)的电压值时，开关组件341将被导通，从而使得与开关组件341并联连接的第六电阻R6呈现开路状态，而改变自接点N3传送至控制单元35的电压值。接着，控制单元35将据以控制电源转换单元32，而使电源转换单元32所输出的充电电压V的电压准位，自第一电压准位V1调整为第二电压准位V2，其中第二电压准位V2为15伏特。
在本实施例中，开关组件341的临界电压值为2.5伏特。因此，当电源转换器3的输出充电电压V为第一电压准位V1(5伏特)时，由于控制信号Sc的电压值(0.6伏特)小于开关组件341的临界电压值(2.5伏特)，因此电源转换器3的输出充电电压V并不会改变至第二电压准位V2(15伏特)。
当电源转换器3通过传输线2与电子装置4耦接时，接点N1将耦接第一端子21的第七脚位P17，并将第一电压信号S1通过传输线2传送至第二端子22的第四脚位P24，从而输出第一电压信号S1至电子装置4。
接着，比较单元42将接收第一电压信号S1，并判断第一电压信号S1与第一预设电压信号PS1之间的大小关系。在本实施例中，由比较单元42的比较器421接收第一电压信号S1，而预设电压产生组件422所输出的第一预设电压信号PS1的电压值例如是2.5伏特。当第一电压信号S1的电压值(电压准位)大于第一预设电压信号PS1的电压值(电压准位)时，比较器421的输出端将输出一低电位，例如是0伏特，从而导通切换单元43。此时，第二电压信号S2将经由切换单元43传送至第二端子22，并输出至电源转换器3。在本实施例中，第二电压信号S2的电压值为15伏特。另外，当第一电压信号S1的电压值未大于第一预设电压信号PS1的电压值时，比较单元42的输出端将输出一高电位，例如是15伏特，因而切换单元43将处于截止状态。换句话说，电子装置4将不会输出第二电压信号S2。
电子装置4所输出的第二电压信号S2，其通过第二端子22的第四脚位P24传送至第一端子21的第七脚位P17，而输出至接点N1，此时接点N1的电压准位将从第一电压信号S1(3伏特)被强迫改变至第二电压信号S2(15伏特)。经由分压单元33的第二电阻R2及第三电阻R3的分压，接点N2的控制信号Sc将从原本的0.6伏特改变至3伏特。此时由于控制信号Sc的电压值(3伏特)大于开关组件341的临界电压值(2.5伏特)，电源转换单元32所输出的充电电压V的电压准位，将从第一电压准位V1调整为第二电压准位V2。
更进一步地说，由于控制信号Sc的电压值，是由第二电压信号S2分压产生，当接点N1的电压准位大于12.5伏特，控制信号Sc的电压准位才会大于开关组件341的临界电压值(2.5伏特)。换句话说，12.5伏特即为此实施例的第二预设电压信号PS2，第二电压信号S2需要大于第二预设电压信号PS2，才能使电源转换器3调整充电电压V的电压准位为第二电压准位V2。
因此，通过上述架构，电源转换器3将可依据电子装置4的需求调整充电电压V的电压准位，使其自第一电压准位V1调整为第二电压准位V2，从而安全地管理及运用电源。
此外，当电源转换器3与电子装置4自连接状态转换为分离状态时，此时接点N1的电压准位已经不再是第二电压信号S2(15伏特)，而是第二电压准位V2的分压。经由第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3的分压可得知，接点N1的电压准位为9.1伏特，小于第二预设电压信号PS2(12.5伏特)，使得充电电压V的电压准位立即调整为第一电压准位V1，以确保电源转换器3、电子装置4与用户的安全性。
承上述，当电源转换器3与电子装置4自连接状态转换为分离状态时，电子装置4的侦测单元47将关闭电源供应单元45，此时第二端子22的第四脚位P24将没有第二电压信号S2，确保了下一次使用上的安全性。
请参照图4所示，其为本发明较佳实施例的另一种充电系统1’的电路示意图。在本实施例中，充电系统1’的比较单元42包括一开关组件423及一阻抗组件424。比较单元42的开关组件423是以N型场效应晶体管(NMOS)为例，其栅极接收第一电压信号S1，漏极耦接阻抗组件424及切换单元43，而源极接地。阻抗组件424的电阻值可为200K欧姆。比较单元42的开关组件423的临界电压(threshold voltage)的电压值可例如为2伏特，即第一预设电压信号PS1为2伏特。当电源转换器3通过传输线2与电子装置4耦接时，比较单元42的开关组件423的栅极接收第一电压信号S1(3伏特)。由于第一电压信号S1的电压值(3伏特)大于第一预设电压信号PS1的电压值(2伏特)，因此比较单元42的开关组件423将被导通，使得切换单元43的栅极接地而处于低准位，进而导通切换单元43。此时，第二电压信号S2将经由切换单元43传送至第二端子22，并输出至电源转换器3。此外，当第一电压信号S1的电压值未大于第一预设电压信号PS1的电压值时，即比较单元的开关组件423的栅极电压小于临界电压时，开关组件423将不会被导通，此时切换单元43的栅极电位即为第二电压信号S2的电压准位，因而切换单元43将处于截止状态。换句话说，电子装置4将不会输出第二电压信号S2。
另外，在本实施例中，稳定单元44还包括一电容C及一电阻r。电容C与稳压电阻R并联连接。电阻r一端耦接切换单元43，另一端耦接电容C、稳压电阻R及比较单元42的比较组件421的栅极。其中，电阻r的电阻值可为1K欧姆，而电容C的电容值为50n法拉。于此，本实施例的稳定单元44可避免当电源转换器3与电子装置4耦接时，因切换单元43的寄生电容而产生的误动作。
请参照图5所示，其为本发明较佳实施例的又一种充电系统1”的电路示意图。在本实施例中，充电系统1”的判断单元34包括一比较器342，其非反向输入端耦接接点N2以接收第二电压信号S2，反向输入端接收参考电压Vr，而输出端耦接判断单元34的开关组件341的栅极。其中，参考电压Vr的电压值为2.5伏特。于此，当电源转换器3耦接电子装置4，控制信号Sc的电压值(3伏特)大于参考电压Vr的电压值(2.5伏特)时，判断单元34的比较器342输出高准位，开关组件341将被导通，从而使得与开关组件341并联连接的第六电阻R6呈现开路状态，而改变自接点N3传送至控制单元35的电压值。接着，控制单元35将据以控制电源转换单元32，而使电源转换单元32所输出的充电电压V的电压准位，自第一电压准位V1调整为第二电压准位V2，其中第二电压准位V2为15伏特。
图6为本发明较佳实施例的一种充电方法的步骤流程图。以下请参照图6，并参照图1至图5所示，以说明本发明的充电方法。充电方法适用于上述实施例的充电系统1(也可适用于充电系统1’或充电系统1”)，而充电系统1包括一传输线2、一电源转换器3及一电子装置4。在本实施例中，传输线2分别耦接电源转换器3及电子装置4，而电源转换器3具有一充电电压V，且充电电压V为一第一电压准位V1。由于充电系统1的技术内容及充电流程已于上述中详述，因而不再赘述。
如图6所示，充电方法包括步骤S01、步骤S02及步骤S03：
步骤S01为：电子装置4接收电源转换器3产生的一第一电压信号S1。而步骤S02为：当第一电压信号S1大于一第一预设电压信号PS1，电子装置4输出一第二电压信号S2至电源转换器3。另外，步骤S03为：当第二电压信号S2大于一第二预设电压信号PS2，电源转换器3调整充电电压V为一第二电压准位V2。此外，充电方法的详细内容已于上述中详述，不再赘述。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的还动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种充电系统，其特征是，包含：
传输线，具有第一端子及第二端子；
电源转换器，耦接上述第一端子，并产生充电电压及第一电压信号，且上述充电电压为第一电压准位；以及
电子装置，包括：
比较单元，耦接上述第二端子，并接收上述第一电压信号；
切换单元，耦接上述比较单元；
稳定单元，耦接上述比较单元及上述切换单元；以及
电源供应单元，耦接上述切换单元及上述比较单元，并输出第二电压信号，
其中，当上述第一电压信号大于第一预设电压信号，上述第二电压信号经由上述切换单元传送至上述第二端子，并输出至上述电源转换器。
2.如权利要求1所述的充电系统，其特征是，上述电源转换器包括：
电源转换单元，耦接上述第一端子，并产生上述充电电压；
分压单元，耦接上述电源转换单元，并根据上述充电电压产生上述第一电压信号；
判断单元，耦接上述分压单元；以及
控制单元，耦接上述电源转换单元及上述判断单元。
3.如权利要求2所述的充电系统，其特征是，上述判断单元包括：
开关组件，耦接上述分压单元。
4.如权利要求2所述的充电系统，其特征是，上述判断单元包括：
比较器，耦接上述分压单元；以及
开关组件，耦接上述比较器。
5.如权利要求1所述的充电系统，其特征是，上述比较单元包括：
比较器，耦接上述第二端子、上述切换单元及上述稳定单元，并接收上述第一电压信号；以及
预设电压产生组件，耦接上述比较器，并输出上述第一预设电压信号。
6.如权利要求5所述的充电系统，其特征是，上述比较单元包括：
开关组件，耦接上述第二端子、上述切换单元及上述稳定单元，并接收上述第一电压信号；以及
阻抗组件，耦接上述电源供应单元、上述切换单元及上述开关组件。
7.如权利要求1所述的充电系统，其特征是，上述稳定单元包括：
稳压电阻，耦接上述比较单元及上述切换单元。
8.如权利要求7所述的充电系统，其特征是，上述稳定单元还包括：
电容，与上述稳压电阻并联连接；以及
电阻，耦接上述稳压电阻及上述电容。
9.如权利要求1所述的充电系统，其特征是，上述电子装置还包括：
电池单元，耦接上述电源转换器，并接收上述充电电压。
10.如权利要求9所述的充电系统，其特征是，上述电池单元包括：
电源管理模块，耦接上述电源转换器及上述电源供应单元，并接收上述充电电压；以及
电池，耦接上述电源管理模块。
11.如权利要求1所述的充电系统，其特征是，上述电子装置还包括：
侦测单元，耦接上述电源供应单元，
其中当上述电源转换器未耦接上述电子装置，上述侦测单元关闭上述电源供应单元。
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