CN109412221A - 充电系统及其电源适配器 - Google Patents

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Abstract

充电系统包括电源适配器、增强型通用串行总线(USB)连接线以及线性充电器。电源适配器包括双向电压分压器。双向电压分压器经由第一端接收参考电压并且对参考电压进行分压以产生预设电压准位，或经由第二端接收电流请求讯号。增强型USB连接线耦接至电源适配器以传输适配器的输出电压。线性充电器耦接至传输连接线以接收适配器的输出电压。其中电源适配器依据电流请求讯号以识别增强型USB连接线是否为兼容连接线，并且辨识充电器是否为兼容充电器。其中电源适配器依据线性充电器的电流请求讯号在选定之电流限制准位将其输出电压折回。

Description

充电系统及其电源适配器
技术领域
本发明是有关于线性充电系统及其电源适配器。尤其是有关于用于改善充电效率的充电系统与电源适配器。
背景技术
现今大多数手机使用线性充电系统，其包括了5.0V-1.0A电源、通用串行总线(universal serial bus,USB)连接线以及内部线性充电器(internal linear charger，ILC)。电源可以是USB数据端口或交流转直流(AC/DC)适配器。ILC更包括功率金氧半场效晶体管(MOSFET)。藉由控制功率MOSFET的闸极-源极电压，ILC可在充电流程的四个阶段中调节充电电流或充电电压。使用线性充电器的主要优点是电路简单，电路实现成本低。此外，与开关模式充电器不同，线性充电器不需要任何电感器或变压器部件。因此，线性充电器可以在单片集成电路(integrated circuit，IC)中被实现。事实上，2014年前的大部分手机都采用内置线性充电器，充电速度为1.0A。
然而，随着4G网络的到来，手机市场进入了智能型手机时代。随着第一款使用安卓(Android)操作系统的智能手机的推出，以及苹果公司推出的iPhone 4，这两者都在2010年造成了广泛的普及，并开始主宰手机市场。而在2008年至2016年期间，手机的平均电池容量从约900mAH提高到约3200mAH。虽然以前的标准5V-1A适配器可以在大约一个小时内将空的900mAH电池充电到90％的容量，但同一适配器则需要超过三个小时才能将空的3200mAH电池充满电。
请参考图1，图1是常规的充电系统的示意图。充电系统100包括常规适配器110、标准通用串行总线(universal serial bus，USB)连接线120、充电控制器130以及晶体管(MOSFET)Q1。适配器110具有输出端VO+以及VO-用以传输输出电压Vout。标准USB连接线包括电源线121、接地电位线122、第一数据传输线以及第二数据传输线。电源线和接地线的直流电阻分别约为0.25Ω。充电器系统100用以对耦接于晶体管Q1的电池BAT进行充电。也请同时参考图2A与图2B，图2A与图2B是常规的充电器系统的操作波形图。
图2A中，110为5V-1A的适配器并且用于向一颗1AH的电池充电。假设充电流程开始于电池电压Vbat为3.0V，并且充电流程在时间点为0时进入固定电流CC阶段。曲线213示出了在充电过程中，输出电压Vout在适配器110控制下维持于5.0V的固定准位。曲线214示出了电压Vin被充电控制器130所接收。在固定电流CC阶段(从时间点0到40分钟)中，进入电池BAT的充电电流Ich可被调节为0.9A。由于USB连接线120中的电源线121以及接地电位线122的总电源-回授电阻Rcb为0.5(0.25+0.25)Ω，因此在固定电流CC阶段的期间，在连接线电阻Rcb的电压降等于0.45V。所以，曲线214所示出的电压Vin在固定电流CC阶段的期间为4.55V。另一方面，曲线215示出了电压Vbat在固定电流CC阶段的期间自3.0V逐渐上升到4.2V。在固定电流CC阶段，电压Vin以及电压Vbat之间的差异被操作于线性模式中的晶体管Q1所吸收。因此，晶体管Q1的汲极-源极电压Vds就等于Vds＝Vout–Ich*Rcb–Vbat，其中Rcb为USB连接线120电源-回授电阻，Ich是流经USB连接线120的电流。晶体管Q1的功率消耗Pd则是由Ich以及Vds的乘积，也就是Pd＝Ich*Vds＝Ich*(Vout–Ich*Rcb–Vbat)。
曲线216示出了充电电流Ich在固定电流CC阶段中，始终维持于0.9A。曲线217示出了在固定电流CC阶段开始，并且当电压Vbat为3.0V以及电压Vds为1.55V时，晶体管Q1的功率消耗为1.395W。固定电流CC阶段结束，电压Vbat到达4.2V而电压Vds下降到0.35V。固定电流CC阶段结束时，晶体管Q1的功率消耗下降到0.315W。
在电压Vbat到达4.2V之后，充电流程进入了电压Vbat被调节为4.2V固定准位的固定电压CV阶段。充电电流开始逐渐下降。然而，由于连接线电压下降(＝Ich*0.5Ω)幅度的降低，电压Vds在固定电压CV阶段反而是上升的。在固定电压CV阶段结束时，充电电流Ich下降到C/10或0.1A。此时充电控制器130结束充电流程。在固定电压CV阶段期间，晶体管Q1的功率消耗自0.315W下降到0.08W。
在图2B中，适配器110为5V-3A的规格并且用以对一3AH电池BAT充电。充电流程开始于Vbat＝3.0V。曲线223示出了输出电压Vout在适配器110控制下始终维持于5.0V的固定准位。曲线224示出了电压Vin的轨迹。电压Vin是为：Vin＝Vout–Ich*0.5Ω。USB连接线120的连接线电压损失等于3A*0.5Ω＝1.5V。于是在固定电流CC阶段的第一个20分钟，电压Vin被限制在3.5V。而如曲线225所示，当电压Vbat增加到3.35V以上，输出电压Vout以及电压Vin之间的电压差异下降到低于1.5V，因此不足以支撑3A的充电电流。其结果如曲线226所示，电流Ich随着电压Vbat的电压逐渐增加到4.2V而开始下降。
而在约60分钟时，电压Vbat到达4.2V，充电电流Ich下降到Ich＝(Vout–Vin)/0.5Ω＝0.65V/0.5Ω＝1.3A。曲线227示出了在固定电流CC阶段开始时晶体管Q1的功率消耗为最大值1.5W。而在第一个20分钟时晶体管Q1的功率消耗下降到0.45W并且在固定电流CC阶段结束时更下降到0.195W。但是在固定电流CC阶段的第一个20分钟时，USB连接线120所造成的热损失(功率消耗)为0.5Ω*(3A)^2＝4.5W。4.5W的损耗可能导致USB连接线120上的明显的温度上升，造成用户的顾虑。
再者，虽然适配器110与充电控制器130两者都能够以在充电电流为3A的准位下勉强操作，但是高电阻(0.5Ω)的USB连接线120使得在固定电流CC阶段的充电电流只有约2.2A，低于1C(即3A)的充电速率要求。
发明内容
本发明提供电源适配器以及线性充电系统，电源适配器被设计用以将充电器内部的功率晶体管的热损失降到最低。
本发明所提供的电源适配器包括电源转换器以及回馈控制电路。电源转换器接收输入电压，依据操作误差电压对输入电压执行电压转换以产生输出电压。回馈控制电路包括参考电流处理电路、电压回授电路以及电流回授电路。参考电流处理电路接收电流请求讯号并且比较具有多个设定电压的电流请求讯号以产生参考电流讯号。电压回授电路依据分压输出电压以及第一参考电压产生第一误差电压。电流回授电路依据来自于电源转换器的输出电流讯号以及参考电流讯号产生第二误差电压。其中操作误差电压经由比较第一误差电压与第二误差电压，而以较低的电压准位为准。
本发明提供一种充电系统，包括前述的电源适配器、增强型USB连接线以及充电器。电源适配器包括双向电压分压器。双向电压分压器经由第一输入端接收第二参考电压并且将第二参考电压分压以产生预设电压准位，以及经由第二输入端接收电流请求讯号以产生电流请求准位讯号。增强型USB连接线耦接至电源适配器用以传输适配器的输出电压。充电器耦接至传输连接线以接收输出电压。其中，电源适配器侦测电流请求讯号的存在以辨识USB连接线是否为兼容(即增强型)连接线，并且辨识充电器是否为兼容充电器。
在本发明的一实施例中，上述的传输连接线是兼容高电流的USB连接线，USB连接线的电源线以及接地电位线各具有较低的直流电阻值，约为0.05Ω。此外，兼容高电流的USB连接线包括耦接于第一数据传输线与第二数据传输线之间的桥接电阻。
在本发明的一实施例中，上述的充电器包括多任务器电路、比较电路、多重请求电压、多重临界电压、以及控制逻辑电路。多任务器电路耦接至第一数据传输线，并且依据控制讯号选择多重请求电压的其中之一以产生电流请求讯号。比较电路耦接至第二数据传输线以接收第二数据传输在线的预设电压准位，并且将第二数据传输线的预设电压准位与多重临界电压比较以产生检测讯号。控制逻辑电路耦接至比较电路以及多任务器电路，依据检测讯号产生选择讯号。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为常规的充电系统的示意图。
图2A与图2B为常规的充电系统的操作波形图。
图3是依据本发明一实施例的充电系统的示意图。
图4A与图4B分别是依据本发明一实施例的电源适配器的操作特征图。
图5是依据本发明一实施例的电源适配器的示意图。
图6是依据本发明一实施例的充电器的示意图。
图7A与图7B分别是依据本发明一实施例的充电系统的波形图。
图8是依据本发明一实施例的充电系统的操作流程图。
图9是依据本发明图8实施例中的步骤S803的电源识别作业的操作流程图。
图10是依据本发明图8实施例中，兼容电源操作于步骤S804中的操作流程图。
【符号说明】
100：充电系统；110：适配器；120：连接线；121：电源线；122：接地电位线；130：充电控制器；Q1：晶体管；Vout：输出电压；VO+、VO-：输出端；BAT：电池；Vbat：电池电压；Vin、Vds、Vcb：电压；Ich：充电电流；Rcb：电阻；Pd：功率消耗；GND：参考接地端；VBUS：电压端；213-217：曲线；223-227：曲线；CC：固定电流阶段；CV：固定电压阶段；300：充电系统；310、500：电源适配器；311、510：电源转换器；312、530：回馈控制电路；316、317、521、522、528、529、534、535：电阻；318：参考电流处理电路；319：双向电压分压器；320：连接线；321：电源线；322、323：数据线；324：接地电位线；330、600：充电器；331、620：控制逻辑电路；332、630：多任务器电路；334、335、336：比较器；D1、D2、DA1、DA2、DB1、DB2、DS1：数据接脚；VCC：系统电压；VFB：回馈电压；IFB：输出电流讯号；ISEN：电流感测讯号；VER1、VER2：误差电压；VLC、531：电压回授电路；CLC、532：电流回授电路；VBG：参考电压；IREF：参考电流讯号；VR：参考电压；IRQ、IRQA：电流请求讯号；CP1、CP2、CP3：比较器；VS 1、VS2、VS3：设定电压；RA：桥接电阻；LGC：处理逻辑电路；VIN：电压；CS：控制讯号；VRQ1、VRQ2：上拉电压；VTH1、VTH2、VTH3：临界电压；512：光耦合器；523：输出电压；524、527：补偿网络；525、526：二极管；533：电压倍增器；536：处理电路；537、538、539：比较器；540：参考电流处理电路；541：接脚；SDP：下行端口；Vop：操作电压准位；Rds-on：电阻；VCS：感应电压；Iout：输出电流；R528：电阻值；601：运算放大器；604：与闸；605：控制晶体管；614：终止比较器；616：过温比较器；622：电源识别电路；624-626：比较器；VG1、VG2、VG3、VG4、VG5：参考电压；ISEN：电流感测讯号；Q1、Q1S：晶体管；713-717：曲线；723-727：曲线；TP：终止点；S801-S815：步骤；S901-S906：步骤；S1001-S1006：步骤。
具体实施方式
请参考图3，图3是依据本发明一实施例的充电系统的示意图。充电器系统300包括电源适配器310、传输联接线320以及线性充电器330。电源适配器310包括电源转换器311以及回馈控制电路312。电源转换器311可以是返驰式转换器。电源转换器311接收输入电压，并且依据第一误差电压VER1执行输入电压的电压转换操作以产生输出电压，其中第一误差电压VER1是依据回馈电压VFB而被产生。回馈控制电路312包括参考电流处理电路318、电压回授电路VLC、电流回授电路CLC以及双向电压分压器319。在本实施例中，处理电路318接收电流请求讯号IRQA并且比较电流请求讯号IRQA与多个设定电压VS1-VS3以产生参考电流讯号IREF。详细来说明，处理电路318包括多个比较器CP1-CP3以及处理逻辑电路LGC。比较器CP1-CP3分别接收设定电压VS1-VS3，并且共同接收电流请求讯号IRQA。藉由设定电压VS1-VS3与电流请求讯号IRQA的分别比较，比较器CP1-CP3可产生多个比较结果。处理逻辑电路LGC接收来自于比较器CP1-CP3的比较结果并且依据比较结果产生参考电流讯号IREF。在本实施例中，电流请求讯号IRQA可透过数据接脚DA2被接收。
双向电压分压器319具有第一端与第二端，双向电压分压器319的第一端接收第二参考电压VR，而双向电压分压器319的第二端耦接至数据接脚DA2以接收电流请求讯号IRQA。双向电压分压器319包括电阻316、317。在待机模式中，双向电压分压器319只接收第二参考电压VR并且利用电阻316、317于数据接脚DA2上产生预设电压准位。此预设电压准位用以标识电源适配器310的输出电流量，例如中段功率(3.0A)或者是高功率(5.0A)。而在通讯模式中，双向电压分压器319经由数据接脚DA2接收来自于兼容充电器330的电流请求讯号IRQA。
电压回授电路VLC以及电流回授电路CLC分别产生第一误差讯号VER1以及第二误差讯号VER2。因此，电流回授电路CLC依据电流参考讯号IREF以及来自于电源转换器311的输出电流讯号IFB以产生第二误差讯号VER2。电压回授电路VLC依据回馈电压VFB(输出电压的分压电压)以及第一参考电压VBG以产生第一误差讯号VER1。
在待机模式中，预设电压准位(如0.5V是用于高功率适配器；0.3V是用于中段功率适配器)是由第二参考电压VR(如1.0V是用于高功率适配器；0.6V是用于中段功率适配器)以及双向电压分压器319所设定。然而，在通讯模式中，电流请求讯号IRQA的电压可藉由传输连接线320以及充电器330而被调整。而且，传输连接线320具有电源线321、接地电位线324、第一数据线322以及第二数据线323。如果传输连接线320是兼容于电源适配器310的增强型连接线，则其具有耦接于第一数据线322与第二数据线323之间的桥接电阻RA。也就是说，电流请求讯号IRQ可由数据接脚D1经由桥接电阻RA而被传送到传输连接线320的数据接脚D2，其中数据接脚D2耦接至电源适配器310的数据接脚DA2。在通讯模式中，电流请求讯号IRQA可依据电流请求讯号源IRQ而被调整。
而另一方面，若传输连接线320不是兼容于电源适配器310的增强型连接线，就不具有桥接电阻RA，电流请求讯号源IRQ则无法传输至数据接脚D2。因此，电流请求讯号IRQA仅仅是由双向电压分压器319的参考电压VR与电阻316、317所定出的预设电压准位。
进一步地，如果充电器330是可用于电源适配器310的兼容充电器，充电器330则包括控制逻辑电路331、多任务器电路332以及多个比较器334-336。控制逻辑电路331用以持续监控电池电压、电压Vin以及数据接脚DB2上的电压。多任务器电路332经由数据接脚DB1耦接至第一数据线322。多任务器电路332接收由控制逻辑电路331所产生的控制讯号CS，并且决定数据接脚DB1连接到用于中段功率电池的第一上拉电压VRQ1，或者是连接到用于高功率电池的第二上拉电压VRQ2，或者是被浮接(即开路)，或者是连接到数据接脚DS1。因此，电流请求讯号IRQ的电压值可等于上拉电压VRQ1、VRQ2、浮接、或者是旁路到数据接脚DS1。
控制逻辑电路331藉由检查电压VIN的准位确定位于4.5V与5.5V之间以判定合格的电源的存在。当进行电源的合格检测时，控制逻辑电路331指示充电器330进入待机模式，并且指示多任务器332与电流请求讯号IRQ浮接。在待机模式的期间，控制逻辑电路331使用三个比较器以检查数据接脚DB2上，耦接于第二数据线323的预设电压准位。如果电源(电源适配器310)是兼容的适配器，数据接脚DB2上的电压则为预设电压准位(如0.5V对应于相容的高功率适配器；0.3V对应于相容的中段功率适配器)。三个临界电压VTH1-VTH3可被设定以确认兼容适配器的存在。举例来说明，VTH1＝0.2V，VTH2＝0.4V以及VTH3＝0.6V。因此，如果数据接脚DB2上的电压介于临界电压VTH1与VTH2之间，控制逻辑电路331则认定电源为兼容的中段功率适配器。如果数据接脚DB2上的电压介于临界电压VTH2与VTH3之间，控制逻辑电路331则认定电源为兼容的高功率适配器。在此二范围之外，如果数据接脚DB2上的电压高于临界电压VTH3或低于临界电压VTH1，则电源被认定为非兼容的电源，这意味着电源是常规的5V-1A适配器或者是标准的下行端口(down-stream port，SDP)。在待机模式结束前，控制逻辑电路331传送控制讯号CS到多任务器电路332。对此，如果电源是兼容于中段功率的适配器，控制讯号CS指示多任务器332将数据接脚DB1连接到第一上拉电压VRQ1。接着，如果传输连接线是具有桥接电阻RA的兼容连接线，第一上拉电压VRQ1经由第一数据线322被传输到数据接脚D1，并且在数据接脚D1处跨越至数据接脚D2。因此，电流请求讯号IRQA可被第一上拉电压VRQ1调整。举例来说明，如果电阻316、317的电阻值各为300kΩ，桥接电阻RA＝150kΩ，参考电压VR＝0.6V以及第一上拉电压VRQ1＝1.2V，则电流请求讯号IRQA为0.75V。兼容的中段功率适配器310的处理电路318则可判定电流请求讯号IRQA的准位落于设定电压VS1(＝0.65V)与设定电压VS2(＝1.0V)之间，并且设定参考电流IREF以到达中段功率充电速率(IREF＝1.2V)。
如果电源为兼容的高功率适配器，当充电系统300选择高功率充电速率时，控制讯号CS则指示多任务器332将数据接脚DB1连接到第二上拉电压VRQ2(IREF＝2.0V)。在这种情况下，电流请求讯号IRQA的电压值可被第二上拉电压VRQ2调整至1.25V。然后兼容高功率适配器310的处理电路318可判定电流请求讯号IRQA的电压值是介于设定电压VS2(＝1.0V)与VS3(＝1.5V)之间，并且设定参考电流IREF以到达高功率充电速率(IREF＝2.0V)。而如果充电器系统选择于中段功率充电速率，控制讯号CS则指示多任务器332将数据接脚DB1连接到第一上拉电压VRQ1(1.2V)。在这种情况下，电流请求讯号IRQA的电压值可被第一上拉电压VRQ1调整至0.85V。参考电流IREF仍然被设定为中段功率充电速率(IREF＝1.2V).
不过，如果传输连接线并不是兼容的连接线，则其不具有桥接电阻RA。因此，第一上拉电压VRQ1或第二上拉电压VRQ2不会被耦接到数据接脚DA2，因此电流请求讯号IRQA的电压值会维持在预设电压准位(如0.3V是对应于中段功率适配器，或0.5V是对应于高功率适配器)，兼容适配器的处理电路318会将参考电流IREF设定在标准的充电速率(IREF＝0.4V).
请参考图4A与图4B，图4A与图4B分别是依据本发明一实施例的电源适配器的操作特性。在图4A中，电源适配器可具有两个可供选择的电流限制准位，1.0A(标准充电速率)以及3.0A(中段功率充电速率)。电源适配器检测到0.75V准位的电流请求讯号IRQA(更具体地，是在0.65V和1.0V之间)，电源适配器的输出电压Vout可以在负载电流0.0A至3.0A的范围内调节在4.7V与4.65V之间。但是如果负载电流的需求试图超过3.0A，则输出电压Vout自4.65V下降(即折回)到操作电压准位Vop。此时操作电压准位Vop＝Vbat+3.0A*(Rcb+Rds-on)，其中Vbat为电池电压，Rcb为传输连接线电源回路之直流电阻值。而Rds-on是当充电器在完全开启的情况下，晶体管Q1的导通电阻值。
但是，如果电源适配器检测到电流请求讯号IRQA小于0.65V，则在负载电流需求试图超过1.0A时,输出电压会被迫折回。
同样地，在图4B中，电源适配器的输出电压折回点发生在有三个可选择的电流限制准位：1.0A、3.0A以及5.0A(高功率的充电速率)。当电源适配器检测到1.25V准位的电流请求讯号IRQA(更具体地，是在1.0V和1.5V之间)，电源适配器的输出电压Vout可以在负载电流0.0A至5.0A的范围内调节在5.0V与4.95V之间。但是如果负载电流需求试图超过5.0A，则输出电压Vout将自4.95V往下折回到操作电压准位Vop，此时操作电压准位Vop＝Vbat+5.0A*(Rcb+Rds-on)。
而如果电源适配器检测到0.85V准位的电流请求讯号IRQA，则电源适配器的输出电压会在3.0A的电流限制准位下被折回。但是，如果电源适配器检测到电流请求讯号IRQA是低于0.65V，则电源适配器的输出电压在1.0A的电流限制准位下被迫折回。
请参考图5，图5是依据本发明一实施例的电源适配器的示意图。电源适配器500包括电源转换器510以及回馈控制电路530。电源转换器510是返驰式(flyback)转换器并且可由本领域技术人员所熟知的常规返驰式转换器来实现。回馈控制电路530包括电压-回授电路531(由运算放大器所形成)、电流-回授电路532(由另一个运算放大器所形成)、电流感测电阻528(20mΩ)、电压补偿网络524、电流补偿网络527、以及电压倍增器533。电压倍增器533将跨越于电流感测电阻528上的电流感测讯号ISEN的电压值乘以N倍(如N＝20)。回馈控制电路530也包括处理电路536以及DA2接脚541。处理电路536包括三个比较器537、538、539以及参考电流处理电路540。DA2接脚541用以接收电流请求讯号IRQA，其中电流请求讯号IRQA具有藉由0.6V参考电压VR以及电阻534、535所形成的电压分压电路所设定的0.3V预设值以用于标示中段功率适配器。比较器539识别出0.3V准位的电流请求讯号IRQA以通知处理逻辑电路540，以产生0.4V的参考电流讯号IREF。在这种情况下，若数据接脚DB1是开路的或者传输连接线所提供的桥接电阻529不存在(如在连接于不兼容的USB连接线的情况下)，电源适配器将输出常规的5V，1A。
如果兼容充电器将1.2V的电流请求讯号源IRQ耦接到数据接脚D1，并且传输连接线耦接至电源适配器500是兼容的(低于0.1Ω的电源回路电阻值并且具有桥接电阻RA)，则数据接脚DA2上的电流请求讯号IRQA的电压值会被平移到0.75V。比较器538、539会识别出0.75V准位的电流请求讯号IRQA，并且通知处理逻辑电路540产生1.2V的参考电流讯号IREF。因此，电源适配器500将在3.0A的电流限制下运作。注，3.0A*20mΩ*20＝1.2V。
在此值得一提的是，分压器电阻对(电阻521、522)所形成的电压分压电路用以感测输出电压523并且将输出电压523耦接至电压回授电路531的反向输入接脚。电压回授电路531的另一只输入接脚接收第一参考电压VBG(如2.0V)。补偿网络524提供电压回授电路适当的回馈补偿以实现稳定性和快速响应速度。类似地，电流感测电路包括电流感测电阻528以感测输出电流Iout。感应电压VCS＝Iout*R528＝Iout*20mΩ，其中R528是电流感测电阻528的电阻值。电流感测电路更包括电压倍增器533。感应电压VCS藉由电压倍增器533予以放大20倍。补偿网络527提供电流回授电路适当的回馈补偿。同样地，类似的二次侧的回馈控制电路530可被小幅调整以实现高功率(如5.0A)的相容适配器。
此外，比较器537是用以辨别高功率(如5.0A)的电流限制请求。如果电源适配器500外接至5.0A的高功率相容充电器，则高功率兼容充电器可将2.0V电流请求讯号源IRQ耦接至数据接脚D1。因此，数据接脚DA2上的电流请求讯号IRQA的电压值会被平移到1.25V准位。比较器537、538辨别此1.25V的电压准位，并且通知参考电流处理电路540产生2.0V的参考电流讯号IREF讯号。所以，兼容于高功率的适配器会在5.0A的电流限制下运作。对于任何非兼容充电器或者是非兼容的传输连接线(没有需要的桥接电阻)，此高功率的适配器则在1.0A的电流限制准位下运作。而对应于兼容的3A充电器，其电流请求讯号源IRQ是为1.2V时，此高功率的适配器则提供不高于3.0A的输出电流。
此外电压回授电路531与电流回授电路532分别产生第一与第二误差电压VER1、VER2。第一与第二误差电压VER1、VER2分别进一步耦接至二极管525、526的阴极。二极管525、526的阳极共同耦接至光耦合器512，用以将第一与第二误差电压其中较低者耦合至电源转换器510的一次侧。
在本实施例中，电阻534、535及跨接电阻529形成双向电压分压器，其功能与图3中的双向电压分压器319及桥接电阻RA的功能相同。
请参考图6，图6是依据本发明一实施例的充电器的示意图。在本实施例中，相似于常规内部线性充电器，充电器600包括预充电运算放大器(OPA)601以及终端比较器614，两者都耦接至0.3V的参考电压VG1、分别对应于0.3A的预充电电流，以及0.3A的终止临界。预充电运算放大器(OPA)601以及终止比较器614两者皆参考于电流感测讯号ISEN。此外，过温比较器616配置于充电器600内。过温比较器616接收温度感测讯号TSEN，在充电器600充电过程中若功率损失太多而造成温度过高状况时(例如TSEN>150℃)，将促使充电器切断。
在此值得一提的是，对于本实施例的充电器600而言，当兼容适配器存在时，会将固定电流CC阶段中的固定电流调节(3A或5A)交付到兼容适配器(例如电源适配器500)执行。更确切而言，当充电器600的电源识别电路622侦测到兼容适配器的存在时，充电器600可经由多任务器电路630以及兼容传输连接线(增强型USB连接线)将电流请求讯号源IRQ发送到兼容适配器以请求适当的电流限制准位。在固定电流CC阶段的期间，控制逻辑电路620透过控制晶体管605将主晶体管Q1驱动至完全导通状态(即饱和状态)，以迫使兼容适配器在所请求的电流限制准位上将其本身的输出电压Vout往下折回。
应注意的是，与闸604是用以在如果过温保护(over temperature protection，OTP)被关闭或是充电器600处于待机模式的状况下，避免控制晶体管605将晶体管Q1导通。也应注意的是，在图6中，晶体管Q1S是耦接至晶体管Q1的电流镜组件。在图6的实施例中，电流镜的比例是为1000:1。
另一方面，当比较器606、607检测合格的电源的存在(Vin在4.5V与5.5V之间)之后，控制逻辑电路620随即进入待机模式，并且多任务器630的数据接脚DB1上的电压变成浮接。然后控制逻辑电路使用三个比较器624-626来检查数据接脚DB2上的电压。如果数据接脚DB2上的电压下降到0.2V与0.4V之间，则电源被判定为兼容于中段功率的适配器。如果数据接脚DB2上的电压下降到0.4V与0.6V之间，则电源被判定为兼容于高功率的适配器。此外，如果数据接脚DB2上的电压高于0.6V或者低于0.2V，则电源被判定为标准的下行端口(Standard Down-stream Port，SDP)或者是非兼容适配器。因此在外接定规适配器的固定电流CC阶段，充电器600是藉由预充电运算放大器(OPA)602以及参考电压VG2将充电电流调节在0.9A的准位。请注意比较器624-626分别比较数据接脚DB2上的电压与临界电压VTH1、VTH2以及VTH3；临界电压VTH1、VTH2以及VTH3可分别为0.2V、0.4V以及0.6V。
此外，控制逻辑电路620与多任务器电路630共同作业，经由耦接至传输连接线的数据接脚D1的数据接脚DB1，将电流请求讯号源IRQ传送到兼容适配器。
多任务器电路630由控制逻辑电路620的控制讯号CS所控制。对于相容于中段功率的适配器，多任务器电路630将1.2V的请求电压VRQ1耦接到数据接脚DB1。对于相容于高功率的适配器，多任务器电路630将2.0V的请求电压VRQ2耦接到数据接脚DB1。此外，当没有电源的存在时，或者是当电源是非兼容适配器或SDP时，多任务器电路630将数据接脚DB1耦接到数据接脚DS1，数据接脚DS1即是具有充电器600的电子装置的正规USB数据接脚D+。
请参考图7A与图7B，图7A与图7B分别为依据图6实施例的充电系统的波形图。在图7A中，充电系统的波形是利用4.65V-3.0A的兼容适配器配合3.0A的兼容充电器对3.0AH电池进行充电所绘示。在固定电流CC阶段，主晶体管Q1完全导通，呈现出Rds-on约为0.05Ω的电阻值。因此跨越于主晶体管Q1的电压降Vds为3A*0.05Ω＝0.15V。同样地，在固定电流CC阶段，充电系统的0.1Ω兼容传输连接在线的电压降Vcb为0.3V。因此在固定电流CC阶段，如曲线715所示，电压Vbat由3.0V逐渐上升到4.2V。而电压Vin的电压值(如曲线714所示)则保持高于电压Vbat 0.15V的电压差。如曲线713所示的输出电压Vout的电压值是藉由4.65V-3.0A的兼容适配器所产生。因为充电系统的充电器600试图藉由完全开启主晶体管Q1以尽可能取得充电电流，电源适配器被迫在3.0A的电流限制准位上操作。因此，在固定电流CC阶段，电源适配器的输出电压Vout被迫折回到Vbat+3A*(Rcb+Rds-on)＝Vbat+0.45V。图7A也包括流经传输连接线的充电电流Ich的曲线716。
曲线717示出了晶体管Q1的功率消耗在固定电流CC阶段的期间维持在固定的0.45W准位。而在固定电压CV阶段，充电电流逐渐下降，主晶体管Q1的功率消耗自0.45W逐渐下降到0.18W。然而应注意的是，兼容USB连接在线的功率消耗在固定电流CC阶段是维持于固定的0.9W准位。进一步而言，在固定电流CC阶段(当电压Vbat＝3.0V)开始时充电器的功率效率为86.9％。而在固定电压CV阶段(当电压Vbat＝4.2V)开始时可提高到90.3％。因此在固定电流CC阶段的平均效率为88.6％，相较于常规的1.0A线性充电器72％的平均效率具有大幅度的改进。
在图7B中，充电系统的波形是利用4.95V-5.0A兼容适配器搭配5.0A的兼容充电器对5.0AH电池进行充电所绘示。电压Vbat的电压值如曲线725所示，在固定电流CC阶段由3.0V逐渐增加到4.2V。由于传输连接在线电压降与晶体管Q1的电压降Vds的总合为0.75V，电压Vout在固定电流CC阶段由3.75V逐渐增加到4.95V，如曲线723所示。充电电流Ich在固定电流CC阶段可维持于5A的准位。进入固定电压CV阶段之后，充电电流Ich的电流值开始逐渐下降。曲线727示出了晶体管Q1的功率消耗在固定电流CC阶段维持于固定的1.25W准位。在固定电压CV阶段中，主晶体管Q1的功率消耗由1.25W逐渐下降到位于终止点TP时的0.3W。
在此值得一提的是，5A充电系统的传输连接线的功率消耗在固定电流CC阶段的期间维持于2.5W。而在固定电流CC阶段开始时功率效率为80％，在固定电压CV阶段开始时可提高到84.8％。在固定电流CC阶段的平均效率为82.4％，仍然高于常规的1.0A线性充电器72％的平均效率。而更重要地，在此5.0A兼容充电系统中以5A快充时，主晶体管Q1的最高功率消耗仅有1.25W，还低于常规的1.0A线性充电器以1A充电时的1.395W功率消耗。曲线724示出了在此充电系统中使用如图3的传输连接线320，其电压端VBUS的电压变化。
图8是依据本发明一实施例的充电系统的操作流程图。一开始在步骤S801中，移动电话充电系统处于数据模式。在此模式期间，电池负责将储存于其中的电力供应至系统负载。主开关Q1关闭，并且多任务器将数据接脚DB1耦接到接脚DS1。充电器(如内部线性充电器ICL)持续监控合格电源是否出现，如步骤S802所示。如果出现输出电压介于4.5V至5.5V之间的外部电源Vin，则在步骤S803中，充电器进入待机模式，并且执行电源识别程序，其中识别程序将电源识别并标记为SDP(代表是常规的标准下行端口或者是非兼容适配器)、中准位(如3Amp)的兼容电源(CPS)或者是高准位(如5Amp)的兼容电源。当CPS出现时，ICL藉由数据接脚DB1连接到上拉电压VRQ1或VRQ2以设定电流请求讯号源IRQ的电压值。
接下来在步骤S804中，其电源如果是CPS，则CPS检查电流请求讯号IRQA的电压是否已经被上拉到耦接至上拉电压VRQ1或VRQ2的电流请求讯号源IRQ的电压。如果是，则CPS依据调整后的电流请求讯号IRQA的电压值，设定其电流限制的准位。步骤S805中，充电器藉由进入预充电模式以开始充电流程，其中充电电流由充电器调节在C/10的充电速率。在预充电模式的期间，充电器在步骤S806中持续检查电压Vbat的电压值是否已上升到3.0V准位以上。一旦电压Vbat的电压值超过3.0V，充电器依据电源类型以及所请求的充电电流限制，而进入不同的固定电流CC模式。对于SDP，充电器进入步骤S808，充电电流在固定电流CC模式中系由ICL的控制电路调节在0.9A。对于CPS，ICL的控制电路则将主晶体管Q1引进完全导通状态，以允许CPS主导固定电流CC模式，将充电电流调节在请求电流所要求的限制准位(如1A、3A或5A)，如步骤S810所示。在固定电流CC模式，ICL在步骤S809或步骤S811中持续检查电压Vbat的电压值。一旦电压Vbat的电压值超过固定电压CV模式的临界准位(如4.2V)，ICL即退出固定电流CC模式并且进入固定电压CV模式如步骤S812所示。在固定电压CV模式的期间，ICL在步骤S813中持续检查充电电流是否下降到低于C/10准位。一旦充电电流下降到低于C/10准位，ICL在步骤S814中进入终止阶段。在步骤S815中，终止阶段期间，ICL持续检查电压Vbat的电压值是否已下降到低于再充电准位(如4.1V)。一旦在终止模式中，电压Vbat的电压值下降到低于再充电准位，ICL则回到步骤S807，对电池再次充电。
请参考图9，图9是依据本发明图8实施例中的步骤S803的电源识别作业的操作流程图。一开始在步骤S901中，ICL进入待机模式，其中数据接脚DB1上的电压为浮接(即开路状态)。接着ICL在步骤S902、S903中检查数据接脚DB2上的电压。如果数据接脚DB2上的电压值是介于临界电压VTH3(如0.6V)与VTH2(如0.4V)之间，则电源被识别并且被标记为高准位(如5A)的兼容电源。接着ICL将数据接脚DB1耦接到上拉电压VRQ2(如2.0V)如步骤S905所示。而如果数据接脚DB2上的电压值是介于临界电压VTH2(0.4V)与VTH1(0.2V)之间，则电源被识别并且被标记为中准位(如3A)的兼容电源。接着ICL将数据接脚DB1耦接到上拉电压VRQ1(如1.2V)如步骤S906所示。此外，如果数据接脚DB2上的电压值高于临界电压VTH3或者是低于临界电压VTH1，则电源被识别并且被标记为SDP。接着ICL将数据接脚DB1耦接到接脚DS1如步骤S904所示。随后，步骤S904、S905以及S906都继续进入步骤S804。
请参考图10，图10是依据本发明图8实施例中，兼容电源CPS操作于步骤S804中的操作流程图。在步骤S1001中，CPS检查数据接脚DA2上的电流请求讯号IRQA的电压准位。如果在步骤S1002中，电流请求讯号IRQA的电压值被侦测出介于VS2(如1.0V)与VS3(如1.5V)之间，CPS则判定出ICL正在请求高准位或5A的电流限制。接着CPS将参考电流讯号IREF设定为2.0V，对应于步骤S1005中的5.0A电流限制。如果在步骤S1003中，电流请求讯号IRQA电压的电压值被发现介于VS1(如0.65V)与VS2(如1.0V)之间，CPS则判定ICL正在请求中准位或3A的电流限制。接着CPS将参考电流讯号IREF设定为1.2V，对应于步骤S1006中的3.0A电流限制。此外，如果电流请求讯号IRQA的电压值落于设定电压VS1至VS3的范围之外，CPS将此状况视为非兼容ICL的状况(无法发送电流请求讯号源IRQ)或者是视为非兼容USB连接线(没有桥接电阻)，并且将参考电流讯号IREF的电压值设定为0.4V，对应于步骤S1004中的1.0A电流限制。随后步骤S1004、S1005以及S1006都继续进入步骤S805.
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，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当依据后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种电源适配器，具有多个电流限制准位，其特征在于，包括：
电源转换器，接收输入电压，依据操作误差电压对该输入电压执行电压转换以产生输出电压；以及
回馈控制电路，耦接至电源转换器，包括：
参考电流处理电路，具有多数个设定电压，接收电流请求讯号并与该多数个设定电压比较以产生参考电流讯号；
电压回授电路，依据该输出电压之分压以及第一参考电压产生第一误差电压；以及
电流回授电路，依据来自于电源转换器的输出电流讯号以及该参考电流讯号产生第二误差电压，
其中，该操作误差电压经比较为该第一误差电压或该第二误差电压，以两者中较低的电压准位为准。
2.根据权利要求1所述的电源适配器，其特征在于，该参考电流讯号选择该多个电流限制准位的其中之一。
3.根据权利要求2所述的电源适配器，其特征在于，如果该电源适配器的该输出电流上升到达该选定电流限制准位时，该电源适配器的该输出电压会往下折回。
4.根据权利要求3所述的电源适配器，其特征在于，该参考电流处理电路包括：
数据接脚；
多个比较器，分别接收该多个设定电压，并且共同接收该电流请求讯号，分别产生多个比较结果；以及
电流请求处理电路，耦接至该多个比较器，运算该多数个比较结果以产生该参考电流讯号。
5.根据权利要求4所述的电源适配器，其特征在于，该参考电流处理电路耦接至该数据接脚以接收电流请求讯号。
6.根据权利要求1所述的电源适配器，其特征在于，该电流回授电路包括：
电流感测电路，感测该电源适配器的输出电流，并且提供输出电流讯号；
第一运算放大器，具有第一输入端耦接至该电流感测电路以接收该输出电流讯号，第二输入端用以接收该参考电流讯号，以及输出端用以产生该第二误差电压.
7.根据权利要求1所述的电源适配器，其特征在于，该电压回授电路包括：
输出电压分压器，该输出电压分压器的第一端耦接至该电源适配器的正输出端，该输出电压分压器的第二端耦接至参考接地电位，该输出电压分压器的第三端用以产生该输出电压之分压；
第二运算放大器，该第二运算放大器的第一输入端耦接至该输出电压分压器的第三端以接收该输出电压之分压，该第二运算放大器的第二输入端用以接收该第一参考电压，该第二运算放大器的输出端用以产生该第一误差电压。
8.根据权利要求6所述的电源适配器，其特征在于，该电流感测电路更包括：
电流感测电阻，该电流感测电阻的第一端耦接至该电源适配器的负输出端，该电流感测电阻的第二端耦接至参考接地电位；以及
电压倍增器，该电压倍增器的第一输入端耦接至该电流感测电阻的该第一端，该电压倍增器的第二输入端耦接至参考接地电位，该电压倍增器的输出端用以产生该输出电流讯号。
9.一种充电系统，其特征在于，包括：
如权利要求3所述的电源适配器，更包括：
双向电压分压器，经由该双向电压分压器的第一输入端接收第二参考电压并且将该第二参考电压分压以产生一预设电压准位，以及经由该双向电压分压器的第二输入端接收该电流请求讯号以产生电流请求讯号准位；
增强型通用串行总线连接线，耦接至该电源适配器用以传输该适配器的输出电压；以及
充电器，具有输入电压接脚、接地电位接脚、第一数据接脚以及第二数据接脚，其中该输入电压接脚以及该接地电位接脚耦接至该增强型通用串行总线连接线以接收该适配器的输出电压；其中该第一数据接脚耦接至该增强型通用串行总线连接线以传输电流请求讯号，该第二数据接脚用以接收该预设电压准位，
其中该电源适配器依据该电流请求讯号的存在以辨别该增强型通用串行总线连接线是否为兼容连接线，并且辨别该充电器是否为兼容充电器。
10.根据权利要求9所述的充电系统，其特征在于，该电源适配器依据该充电电流请求讯号在选定电流限制准位将该输出电压往下折回。
11.根据权利要求9所述的充电系统，其特征在于，增强型通用串行总线连接线包括：
低阻抗电源线，经配置以传输该适配器的输出电压并且将该充电电流承载至充电器；
低阻抗接地电位线，经配置以承载返回的该充电电流；
第一数据传输线，该第一数据传输线的第一端耦接至该充电器该第一数据接脚和第二端；以及
第二数据传输线，该第二数据传输线的第一端耦接至该充电器该第二数据接脚，该第二数据传输线的第二端耦接至该适配器数据接脚。
12.根据权利要求11所述的充电系统，其特征在于，该增强型通用串行总线连接线更包括：
桥接电阻，耦接于该第一数据传输线的该第二端与该第二数据传输线的该第二端之间。
13.根据权利要求9所述的充电系统，其特征在于，该充电器更包括：
多任务器电路，具有多数个请求电压，耦接至该第一数据接脚，并且依据一选择讯号选择该多数个请求电压的其中之一以产生电流请求讯号；
比较电路，耦接至该第二数据接脚，接收该第二数据接脚上的该预设电压准位，并且比较该预设电压准位与多数个临界电压，以产生检测讯号；以及
控制逻辑电路，耦接至该比较电路以及该多任务器电路，依据该检测讯号产生该选择讯号。
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