CN110383210A - 配电系统 - Google Patents

Abstract

一种配电系统，包括多个配电模块，连接到至少一个电源并配置为从该电源接收电力。一配电总线并联连接所述多个配电模块的所述配电模块。所述多个配电模块在所述配电总线上执行分布式系统策略管理协议，以控制从所述至少一个电源到连接到所述配电模块的USB充电端口的负载的可用电力的供应。

Description

配电系统

本申请主张2016年12月30日提交的美国临时申请案第62/440,508号的优先权,其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及一种具有分布式系统策略管理的USB配电系统。

背景技术

在具有USB Type-C插座的配电系统中，根据电力传输规范(PD Spec)供应和控制电力。电力传输规范实现为软件堆栈(PD Stack)。电力传输规范由USB开发者论坛股份有限公司(USB-IF)发布，并可作为USB规范下载包的一部分，例如USB规范下载包修订版3.0至3.2等，其包括USB电力传输规范、工程变更通知、以及相应的采用者协议。在用作电力供应商的USB设备中，来源端口被实现为定义的软件和硬件设计，包括实体层、协议层、策略层和设备策略管理器层。

可选地，系统策略管理(SPM)层可以实现为电力传输协议栈的最上层，通常作为提供电力的设备上的操作系统的一部分，例如桌上型PC、安装有信息娱乐系统的汽车仪表板或AC供电的桌上型显示器。SPM集成在包含主电源转换器(通常为交流线路供电电源)的设备中。SPM的主要功能是确保提供给下游端口的总电力在主电源转换器的容量范围内。

为了以合理和安全的方式调节可用电力的供应，已知系统一次只允许一个SPM和一个主电源转换器在USB总线上激活。在这些已知系统中，不允许将两个或多个供电的USBType-C端口连接在一起，并让它们共享系统策略管理的任务。

发明内容

根据本发明，配电系统包括多个配电模块，连接到至少一个电源并配置为从电源接收电力。配电总线并联连接多个配电模块的配电模块。多个配电模块在配电总线上执行分布式系统策略管理协议，以控制从至少一个电源到连接到配电模块的USB充电端口的负载的可用电力的供应。

多个配电模块中的每个配电模块还可以包括存储电力系统数据库的存储器，该电力系统数据库识别多个配电模块中的每个配电模块以及由每个配电模块所需的总电力。电力系统数据库可以额外存储从至少一个电源获得的总电力。每次设备连接到至少一个USB充电端口或从至少一个USB充电端口断开，和/或每次多个配电模块通电时，都可以更新电力系统数据库。

根据本发明的配电模块可以包括电力输入，被配置为从电源接收电力；至少一个USB充电端口；微控制器，被配置为控制从电力输入到至少一个USB充电端口的电力分配，以及总线接口，可连接到配电总线。总线接口可以允许微控制器在配电总线上发送和接收信号，并且微控制器可以被配置为基于在配电总线上接收的信息来控制从电力输入到至少一个USB充电端口的电力分配。

根据本发明，一种配电方法，用于在配电总线上从至少一个电源通过多个配电模块进行通信，该方法包括：在每个配电模块的存储器中维护电力系统数据库，所述电力系统数据库识别所述多个配电模块中的每个配电模块以及由所述多个配电模块中的每个配电模块所需的总电力。该方法还包括基于所述电力系统数据库，通过每个配电模块的微处理器，控制从至少一个电源到连接到所述配电模块的USB充电端口的设备的电力供应。

如附图所示，根据本发明的实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的配电系统的示意图；

图2是图1的配电系统的一个配电模块的示意图；

图3是用于利用图1的系统配电的实施例的流程图；

图4是图1的配电系统在安装时的示意图；

图5是配电系统包括集中式系统策略管理控制器的示意图；以及

图6是配电系统包括集中式系统策略管理控制器的另一实施例的示意图。

具体实施方式

在进一步详细描述各种实施例之前，应理解本发明不限于所描述的特定实施例。本领域普通技术人员将理解，可以根据所要求的应用进行调整和修改这里描述的系统，并且这里描述的系统可以用于其他合适的应用中，而这样的其他添加和修改不会脱离其范围。

在附图中，相同的附图标记表示本申请的系统的相同特征。因此，尽管某些描述可能仅涉及某些附图和附图标记，但是应该理解，这些描述可以同样适用于其他附图中的相同附图标记。

参考图1，在本发明中，描述的USB配电系统10包括控制可用电力的供应的分布式系统策略管理协议。USB配电系统10包括一个或多个配电模块(PD模块)12，其在电源线16上从单个主电源转换器(电源)14或多个并联的主电源转换器(电源)14获取电力。尽管为了简单起见，已使用单线以示意性地表示电源线16，应当理解的是，电源线16也可以包括用于PD模块的公共接地线。系统10也包括PDM总线18，每个PD模块12连接到该PDM总线18以促进分布式系统策略管理协议，该协议针对连接到如下所述的PD模块12的负载控制可用电力的供应。

参考图2，每个PD模块12包括嵌入式微控制器20、一个或多个USB电源插座22，该USB电源插座22例如可以是USB Type-A插座、USB Type-C插座等，以及电源输入24，该电源输入24在电源线16上连接到图1所示的电源14。微控制器20在通信线26上与附接到USB电源插座22的负载通信，并且针对通过一个或多个电压转换器27、开关28等控制到USB电源插座22的配电，运行由USB-IF定义USB PD协议的实施。

如图1所示，PD模块12包括将PD模块12连接到PDM总线18的PDM总线接口30，作为固件的附加功能。如图1所示，PDM总线18是将所有PD模块12连接在一起的共享的通信总线。例如，如图1所示的PDM总线18可形成为并联连接所有PD模块12的单线。

PDM总线18可以实现为具有常高、低态有效信号的异步点对点串列汇流排。每个PD模块12具有物理驱动器电路，其可以实现为开路集电极(下拉到地面)发射器，以及电压阈值感测比较器，用于接收和监测PDM总线18上的电压。物理驱动器电路可以设计成能够承受意外的错误接线，并且可以连接而不会由于反向DC极性、正电源短路、接地短路或负电源短路而损坏。

每个PD模块12具有唯一的序列号或位址，例如，实现为4-位元组的二进位值。参考图3，在电力开始时以及之后的时间间隔，例如在任何时候设备连接到USB电源插座22的其中之一或从USB电源插座22的其中之一断开时，在步骤32，PD模块12广播消息以发现是否存在其他PD模块12。如果找到其他PD模块12，则防冲突递增搜索协议识别被占用的位址。在步骤34，在PDM总线18上每个被占用的位址被分配到电力系统概述数据库中的索引。电力系统概述数据库中的每个条目通过其唯一的序列号识别每个PD模块12，并且还提供所述PD模块12所需的总电力。如图2所示，电力系统概述数据库被维护在每个PD模块12的存储器36中。共享电力系统概述数据库，使得数据库的副本存在于PDM总线18上的每个PDM模块12中。

分布式数据库还具有来自供电或电源14的系统(电源输入)可用总电力的条目。可用的电源输入可以配置为，例如，通过将计算机插入USB下游端口22之一并运行公用软件以配置电力可用性设定。通常，在系统打包出售时，这将在测试时完成。当出售时，系统10通常由电源14和多个PD模块12组成，一起包装和销售。然而，附加的PD模块12可以单独出售和连接到系统10出售。

了解系统可用的总电力和所有PD模块12的总电力负载，在步骤36，每个PD模块12的微控制器20能够控制在其各自的PD模块12上的供电USB电源插座22处支援的负载，与其他PD模块12的微控制器20协调，使得总系统电力负载不超过可用系统电源的容量。

如步骤38和步骤40所示，任何时候在PD模块12的其中一个(即系统上的任何地方)呈现新负载或移除现有负载时，更新共享数据库，使得每个PD模块12具有可用于计算所呈现的总负载和系统的电源输出的信息，使得它可以继续为其供电USB插座22分配电力，而不会使总系统电力负载超过可用系统电力。

因此，实际上，每个PD模块12用作控制到其USB插座22的电力分配的SPM。然而，PD模块12不是仅仅从单个电源分配总电力，而是在PDM总线18上彼此通信，使得每个PD模块12知道它可用的总可用电力有多少。然后，每个PD模块12能够充当SPM并将电力分配给其USB电源插座22，而不会超过系统的总可用电力。

参考图2，PD模块12还可以包括一个或多个状态指示器41，例如灯光(举例来说，发光二极管(LED))、屏幕等，用于向PD模块12的用户提供反馈。例如，状态指示器41可以指示电压，该电压提供给连接到USB电源插座22的其中之一的设备，并以瓦特或其他任何类似信息表示可用电力。

参考图4，USB配电系统10示意性地示出为安装在会议室桌子42的下侧。如图所示，PD模块12可以有利地围绕桌子42的外围展开，以提供多个设备充电位置，所有多个设备充电位置都藉由桌子42下方的电源线16连接到单个电源14。PD模块12经由PDM总线18彼此连接，以上述方式控制来自电源14的电力分配。虽然电源线16和PDM总线18被示出为单独布线，但实际上，电源线16、地线和PDM总线18可以是三个单独的并联线，它们在桌子42的下侧连接和布线在一起。虽然图4示出了桌子42，USB配电系统10可以根据本发明的原理安装到任何其他结构，其中需要多个USB电源端口彼此非常接近，包括但不限于桌子、杆、工作台面，或大厅中的社区桌子、咖啡厅、等候室、图书馆、机场休息室或登机口区域或任何其他类似位置。

虽然为了简单起见，USB配电系统10已经在图4中示出为单个系统，但是应该容易理解的是，该系统可以与例如美国专利申请公开第2016/0181859号中描述的无线充电系统组合实现，名称为基于表面的无线充电系统的生态系统，其全部内容通过引用结合于此。

另外，虽然如上所述PDM总线18可以形成为单线，但是应该容易理解的是，PDM总线18可以替代地通过其他已知的有线或无线通信链路来实现，例如以太网、蓝牙、Wi-Fi等。

虽然上面已经将系统10描述为使用通用电源14，但是电源14可以可选地包括PDM总线接口30，其类似于包括在每个PD模块12中的PDM总线接口30，该PDM总线接口30将电源14连接到PDM总线18。然后，电源14可以(在PDM总线18上)自动地将所连接的电源14的电力容量传送到连接到电源14的PD模块12。

PDM总线接口30还可以可选地包括在上游通信模块中，使用有线连接(例如，以太网等)或无线连接(例如，LoRa-WAN、SigFox、NB-IOT，蓝牙、Wi-Fi等)，藉由互联网连接，在PDM总线18和更大的世界之间提供接口。通信模块将维护电力系统概述数据库的副本，以便发送报告以警告系统10的所有者或用户例如系统过载或故障，或者使系统在特定时间关闭或启动，或者为交付的电力计费，或控制系统的可用性之类的事件。

PDM总线接口30还可以可选地包括在一模块中，该模块集成到连接到运动检测器、安全摄像机和其他安全或控制设备的建筑物安全或监控系统中，从而允许系统自动开启和/或关闭等。

USB配电系统10有利地提供了当前实现的系统策略管理的更大灵活性，其中在初始系统安装时，PD模块12的数量以及主电源转换器14的数量或容量可能是未知的。如果需要更多电源插座，可以添加额外的PD模块12。如果需要更高的电力容量，可以将主电源转换器更换为较高的额定电力转换器，或者可以添加额外的电力转换器，并使用简单的并联接线连接。本发明的USB配电系统10的分布式系统策略管理有利地自动补偿这些变化，允许USB配电系统10继续分配电力而不超过总可用电力。

这是因为没有单一设备提供系统策略管理；相反地，根据与USB通信总线协议不相关的预定义的PDM总线接口通信协议以及由usb.org定义的配电总线协议，SPM功能以协作的方式在每个PD模块12上运行的多个微控制器20之间平等地共享和分配。

另外，如果PD模块12处的总需求负载超过主电源转换器14的总可用电力，则USB配电系统10的分布式系统策略管理可以有利地被编程为针对不同应用实现不同的电力控制策略。例如，系统10可以首先被配置为较低负载设备充电(例如，在笔记本电脑充电之前为电话充电)。可选地，系统10可以被配置为以所要求全部电力迭代地对一些设备进行充电，同时初始地拒绝其他设备的任何电力，然后在某个时间间隔切换那些正在接收电力的设备，从而最大限度地缩短了将设备集合充电到一定电力水平的总时间(例如80％电力)，因为许多电池在接近满容量时充电更慢。应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，取决于预期应用，系统10可以实现各种其他控制策略和/或演算法，包括针对快速充电的调节可编程电源特性的控制策略和/或演算法。

尽管已经将系统10的系统策略管理描述为在PD模块12之间分配，参考图5和图6，其中相同的符号表示相同的元件，USB配电系统110可以替代地包括单个集中式SPM微控制器144，其将PD模块112链接到主电源转换器114并且控制从主电源转换器114到PD模块12的电力分配。因此，集中式SPM微控制器144可以控制所有PD模块112的电力分配，如上所述，并且以类似于便携带式电脑处理器向其USB端口分配电力的方式，不超过系统110的总可用电力。此外，通过链接到主电源转换器114和PD模块112，集中式微处理器144仍然有利地提供处理模块化可递增电源114和PD模块112的能力，因为它们被添加系统110或者从系统110中移除。

虽然本文已经描述了本公开的原理，但是本领域技术人员应当理解，该描述仅通过示例的方式进行，而不是作为对本公开范围的限制。除了本文所示和所述的示例性实施例之外，其他实施例也在本公开的范围内。本领域普通技术人员的修改和替换被认为是在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种配电系统，其特征在于，包括：

至少一个电源；

多个配电模块，连接到所述至少一个电源并配置为从该电源接收电力，所述多个配电模块的每个配电模块包括一微控制器和至少一个USB充电端口；以及

一配电总线，连接到所述多个配电模块中的每个配电模块；

其中所述多个配电模块被配置为在所述配电总线上执行分布式系统策略管理协议，以控制从所述至少一个电源到连接到所述配电模块的所述USB充电端口的负载的可用电力的供应。

2.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，所述配电总线是并联连接所述多个配电模块的所述配电模块的一单线。

3.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，每个配电模块还包括一总线接口，可操作地将所述微控制器连接到所述配电总线，所述总线接口允许所述微控制器在所述配电总线上发送和接收信号。

4.根据权利要求3所述的配电系统，其特征在于，所述总线接口包括一集电极开路发送器，用于在所述配电总线上传输信号。

5.根据权利要求3所述的配电系统，其特征在于，所述总线接口包括一电压感测比较器，被配置为在所述配电总线上接收和监测电压。

6.根据权利要求1所述的配电系统，其特征在于，每个配电模块还包括存储一电力系统数据库的存储器，所述电力系统数据库识别所述多个配电模块中的每个配电模块以及由所述多个配电模块中的每个配电模块所需的总电力。

7.根据权利要求6所述的配电系统，其特征在于，所述微控制器被配置为在每次设备连接到所述至少一个充电端口或从所述至少一个充电端口断开时在所述配电总线上传输信号，以更新所述电力系统数据库。

8.一种配电模块，其特征在于，包括：

一电源输入，被配置为从一电源接收电力；

至少一个USB充电端口；

一微控制器，被配置为控制从所述电源输入到所述至少一个USB充电端口的电力分配；以及

一总线接口，可连接到一配电总线，所述总线接口允许所述微控制器在所述配电总线上发送和接收信号；

其中所述微控制器被配置为基于在所述配电总线上接收的信息来控制从所述电源输入到所述至少一个USB充电端口的电力分配。

9.根据权利要求8所述的配电模块，其特征在于，所述总线接口包括一集电极开路发送器，用于在所述配电总线上传输信号。

10.根据权利要求8所述的配电模块，其特征在于，所述总线接口包括一电压感测比较器，被配置为在所述配电总线上接收和监测电压。

11.根据权利要求8所述的配电模块，其特征在于，还包括存储一电力系统数据库的存储器，所述电力系统数据库识别可用于所述至少一个USB充电端口的电力。

12.根据权利要求11所述的配电模块，其特征在于，所述电力系统数据库识别连接到所述配电总线的多个其他配电模块以及由每个其他配电模块所需的总电力。

13.根据权利要求12所述的配电模块，其特征在于，所述微控制器被配置为在每次设备连接到所述至少一个充电端口或从所述至少一个充电端口断开时在所述配电总线上传输信号，以更新所述电力系统数据库。

14.一种配电方法，其特征在于，用于在配电总线上从至少一个电源通过多个配电模块进行通信，所述多个配电模块的每个配电模块包括至少一个USB充电端口，该方法包括：

在每个配电模块的存储器中维护电力系统数据库，所述电力系统数据库识别所述多个配电模块中的每个配电模块以及由所述多个配电模块中的每个配电模块所需的总电力；以及

基于所述电力系统数据库，通过每个配电模块的微处理器，控制从所述至少一个电源到连接到所述配电模块的所述至少一个USB充电端口的设备的电力供应。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

每次设备连接到所述多个配电模块中的任何配电模块的所述至少一个USB充电端口或从所述多个配电模块中的任何配电模块的所述至少一个USB充电端口断开时，在每个配电模块处更新所述电力系统数据库。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：

每次设备连接到所述多个配电模块中的所述配电模块的所述至少一个USB充电端口或从所述多个配电模块中的所述配电模块的所述至少一个USB充电端口断开时，在所述配电总线上通过所述多个配电模块的一个配电模块传输信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：

所述多个配电模块中的每个配电模块执行递增搜索协议，以识别所述多个配电模块中的其他配电模块以及由所述其他配电模块的每个配电模块所需的总功率。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

每次在所述多个配电模块的一个配电模块通电时，在每个配电模块处更新所述电力系统数据库。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个配电模块的每个配电模块通过唯一的序列号在所述电力系统数据库中识别。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电力系统数据库还可从所述至少一个电源存储总电力。