CN110391740A - 电力供应设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种电力供应设备(10)包括DC‑DC功率转换器(14)，其接收输入电压(30)并产生第一输出电压(24)或小于第一输出电压(24)的第二输出电压(24)，第一和第二输出电压(24)均小于输入电压(30)；以及设备控制器(16)，其与DC‑DC功率转换器(14)通信。设备控制器(16)具有一个或多个处理器和存储器。存储器包括指令，使设备控制器(16)在输入电压(30)等于或大于阈值电压(32)时命令DC‑DC功率转换器(14)输出第一输出电压(24)，并使设备控制器(16)在输入电压(30)小于阈值电压(32)时命令DC‑DC功率转换器(14)输出第二输出电压(24)。还提出了一种操作电力供应设备(10)的方法(100)。

Description

电力供应设备及其操作方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求享有于2018年4月17日提交的美国专利申请No.15/954,851的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及电力供应设备和操作电力供应设备的方法。
附图说明
现在将参考附图通过示例说明本发明，其中：
图1是根据一个实施例的电力供应设备的示意图；
图2是根据一个实施例的操作电力供应设备的方法的流程图；以及
图3是根据一个实施例的电力供应设备的输入电压和输出电压的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出。在以下具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对各种描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件、电路和网络以免不必要地使实施例的各方面难以理解。
通用串行总线(USB)已经从能够提供有限电力的数据接口发展为利用数据接口的主要电力提供者。如今，许多设备从笔记本电脑、汽车、飞机甚至墙壁插座中包含的USB端口充电或获取电力。USB已成为许多消费者设备(如蜂窝电话、数字媒体播放器和/或其他手持设备)的普遍存在的电源插座。用户利用USB不仅在数据方面满足他们的要求，而且还简单地为他们的设备供电或充电，通常无需加载驱动器，以便执行“传统”USB功能。
USB电力输送(PD)规范通过提供更灵活的电力输送(例如，用于电池充电)以及在单根电缆上的数据来实现USB的最大功能。其目标是与现有的USB生态系统一起操作并以此为基础。USB电力输送规范3.0由USB Implementer's Forum，Inc发布，并且通过引用的方式结合于此。
符合汽车应用中的USB电力输送规范的USB PD设备的现有实施方案已使用“降压/升压”DC-DC功率转换器来产生5伏至20伏的电压，这二者高于和低于12至14伏的典型车辆输入电压。能够提供大于或小于输入电压的DC输出电压的降压/升压DC-DC转换器比仅能提供小于输入电压的DC输出电压的仅降压DC-DC转换器更昂贵，物理尺寸更大且能效更低。发明人在此提出了一种使用仅降压DC-DC转换器设计的高效率、低成本、入门级USB PD设备。
为了满足严格的燃料经济性和排放标准，汽车原始设备制造商(OEM)已经在他们的车辆中包括启停技术，其自动关闭和重新启动内燃机以减少发动机空转花费的时间量，从而减少了车辆的燃料消耗和排放。
OEM已经对USB PD设备施加了要求，并且由车辆电池供电的其他汽车电气模块要求其满足“启动/停止”瞬态测试，其中车辆电池电压暂时下降低至6伏以模拟热启动期间的车辆起动。在此瞬态期间，USB PD设备预计将继续运行而不会中断消费者体验。在瞬态期间利用仅6伏输入电压，仅降压DC-DC转换器不可能保持在充电时给消费者设备高于输入电压的输出电压，例如9伏。
所提出的创新解决方案是提供从车辆到USB PD设备的信号以指示车辆的电力状态。在正常车辆行驶模式期间，预期车辆电压通常在12-14V范围内，并且仅降压DC-DC转换器可以产生在快速充电模式下由消费者充电设备使用的9伏输出。当车辆进入停止/启动模式，即车辆已经停止移动并自动关闭发动机时，模式的改变通过信号从车辆传送到USB PD设备中的控制器，然后USB PD设备与消费者设备重新协商充电接触，以提供5伏输出电压用于正常充电操作。当汽车随后经历曲柄循环瞬态时，降压转换器能够在不中断充电期的情况下维持5伏输出。在发动机启动并返回运行模式后，USB PD设备再次通过另一个信号得到通知并返回9伏输出。该创新为那些对全功能和高成本USB PD设备不感兴趣的消费者提供了低成本的“入门级”PD解决方案。
图1示出了电力供应设备，例如通用串行总线(USB)电力输送(PD)设备，以下称为设计用于机动车辆12的PD设备10。PD设备10可用于支持车辆12(未示出)中具有USB使能的设备的电池充电。PD设备10包括仅降压DC-DC功率转换器，下文中称为DC转换器14，其从车辆电气系统接收输入电压。输出电压可以是至少两个不同电压中的一个，例如支持快速USB充电速率的9伏输出，或支持正常USB充电速率的5伏输出。DC转换器14是仅降压DC-DC功率转换器，不能提供大于输入电压的输出电压。
PD设备10还包括与DC转换器14通信的设备控制器16。设备控制器16具有一个或多个处理器和存储器。处理器可以是微处理器、专用集成电路(ASIC)，或者由分立逻辑和定时电路(未示出)构建。对处理器编程的软件指令可以存储在非易失性(NV)存储器设备(未示出)中。NV存储器设备可以包含在微处理器或ASIC内，或者它可以是单独的设备。可以使用的NV存储器类型的非限制性示例包括电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、屏蔽只读存储器(ROM)和闪存。存储器存储指令，该指令使设备控制器16在输入电压等于或大于阈值电压时命令DC转换器14输出较高输出电压，例如9伏，并且使设备控制器16在输入电压小于或将小于阈值电压时命令DC转换器14输出较低输出电压，例如5伏。阈值电压大于或等于较高输出电压。
PD设备10还包括接口电路18，诸如控制器局域网(CAN)收发器、本地互连网络(LIN)收发器、USB收发器、和/或输入电压检测电路，例如模拟/数字转换器电路，以允许PD设备10与车辆12内的其他设备建立电通信。
在包括输入电压检测电路的实施例中，该电路与车辆电源(例如车辆电池(未示出))和设备控制器16通信，并且被配置为确定从车辆电池到PD设备10的输入电压并将该信息传送到设备控制器16。存储器包括附加指令，其使设备控制器16例如在输入电压检测电路确定输入电压大于阈值电压(例如9.5或10伏)时，命令DC转换器14输出较高输出电压，例如9伏，并且使设备控制器16在输入电压检测电路确定输入电压小于阈值电压时，命令DC转换器14输出较低输出电压，例如5伏。
在另一实施例中，PD设备10经由CAN收发器、LIN收发器与启停控制器20通信。存储器还包括指令，其使设备控制器16根据设备控制器16从启停控制器20接收运行信号来命令DC转换器14输出较高输出电压。运行信号的接收使设备控制器16根据设备控制器16从启停控制器20接收停止信号来命令DC转换器14输出较低输出电压。运行信号指示IC引擎22正在运行，因此输入电压将保持等于或大于阈值电压。停止信号指示IC引擎22没有运行并且输入电压可以下降到小于阈值电压，例如，在起动瞬态期间。
在又一个实施例中，PD设备10设置在与USB集线器通信的USB端口内。存储器包括指令，其使设备控制器16根据设备控制器16从USB集线器接收指示输入电压将保持等于或大于阈值电压的第一USB信号来命令DC转换器14输出较高输出电压，并且使设备控制器16根据设备控制器16从USB集线器接收指示输入电压可能下降到小于阈值电压的第二信号来命令DC转换器14输出较低输出电压。
图2示出了操作包括DC转换器14和设备控制器16的PD设备10的方法100。方法100包括以下步骤：
步骤102，接收输入电压，包括PD设备10从电源(例如车辆电气系统)接收输入电压；
步骤104，接收信号，包括PD设备10接收指示输入电压等于、大于还是小于阈值电压的信号；
步骤106，根据设备控制器确定输入电压等于阈值电压而经由DC转换器产生第一输出电压，包括PD设备10根据设备控制器16确定输入电压等于阈值电压而经由DC转换器14产生较高输出电压，例如9伏；
步骤108，根据设备控制器确定输入电压大于阈值电压而经由DC-DC功率转换器产生第一输出电压，包括PD设备10根据设备控制器16确定输入电压大于阈值电压而经由DC转换器14产生较高输出电压；以及
步骤110，根据设备控制器确定输入电压小于阈值电压而经由DC-DC功率转换器产生第二输出电压，包括PD设备10根据设备控制器16确定输入电压小于阈值电压而经由DC转换器14产生小于第一输出电压的第二输出电压。
第一和第二输出电压均小于输入电压。阈值电压大于或等于第一输出电压。
根据特定实施例，如图3所示，如果PD设备10已经与消费者设备(未示出)协商27瓦的PD合约，即输出电压24为9V并且电流容量为3A，并且启动-停止事件26在车辆12中发生，则PD设备10将功率协商从27瓦改变为15瓦，即输出电压24为5V且电流容量为3A。根据USBPD规范，消费者设备将选择新的15瓦能力。在停止-启动事件结束之后，PD设备10将重新协商27瓦能力并且消费者设备将选择所需的最高功率。
在该实施例中，PD设备10持续监视输入电压30。如果输入电压30下降到电压阈值32，则PD设备10将与消费者设备协商仅15瓦的合约。如果输入电压30上升到高于电压阈值32，则PD设备10将与消费者设备协商27瓦的合约。
在可替换的实施例中，PD设备10从车辆12接收启动-停止信号(例如CAN/LIN/离散信号)，在接收到停止-启动信号时，与消费者设备协商15瓦的合约，并且在不再接收到启动-停止信号或者接收到表示启动-停止事件完成的信号时协商更高的功率合约，例如27瓦。
因此，提供了电力供应设备(例如USB PD设备10)以及操作这种设备的方法100。该设备提供了USB PD设备10能够在具有启动-停止系统的机动车辆12中以比现有USB PD设备设计更低的成本来可靠操作的益处。
尽管已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，但是并不意图如此限制本发明，而是仅限于所附权利要求中阐述的范围。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以将特定情况或材料配置到本发明的教导。本文描述的各种部件的尺寸、材料类型、取向以及各种部件的数量和位置旨在限定某些实施例的参数，并且决非意图是限制性的，而仅仅是典型的实施例。
在阅读以上说明后，在权利要求的精神和范围内的许多其他实施例和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应该参考所附权利要求以及这些权利要求享有权利的等同物的全部范围来确定。
如本文所使用的，“一个或多个”包括由一个元件执行的功能，由多于一个元件执行的功能(例如，以分布式方式)，由一个元件执行的几个功能，由几个元件执行的几个功能，或上述的任何组合。
还应理解，尽管在某些情况下，术语第一、第二等在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一触点可以被称为第二触点，并且类似地，第二触点可以被称为第一触点，而不脱离各种描述的实施例的范围。第一触点和第二触点都是触点，但它们不是同一触点。
本文中各种描述的实施例中使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，并非旨在是限制性的。如在各种描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。还应理解，本文所用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关所列项目的任何和所有可能的组合。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。
如本文所用，术语“如果”任选地被解释为表示“当……时”或“在……时”或“响应于确定”或“响应于检测”，这取决于上下文。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所述条件或事件]”可选地被解释为表示“在确定时”或“响应于确定”或“在检测到[所述条件或事件]时”或“响应于检测到[所述条件或事件]”，这取决于上下文。
另外，虽然本文可以使用顺序或取向的术语，但是这些元件不应受这些术语的限制。除非另有说明，否则所有顺序或取向术语用于区分一个元件与另一个元件的目的，并且除非另有说明，否则不表示任何特定顺序、操作顺序、方向或取向。

Claims (14)

1.一种电力供应设备(10)，包括：
DC-DC功率转换器(14)，所述DC-DC功率转换器(14)接收输入电压(30)并产生第一输出电压(24)或小于所述第一输出电压(24)的第二输出电压(24)，所述第一输出电压(24)和所述第二输出电压(24)均小于所述输入电压(30)；以及
设备控制器(16)，所述设备控制器(16)与所述DC-DC功率转换器(14)通信，所述设备控制器(16)具有一个或多个处理器和存储器，其中，所述存储器包括指令，其使所述设备控制器(16)在所述输入电压(30)等于或大于阈值电压(32)时命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第一输出电压(24)，并使所述设备控制器(16)在所述输入电压(30)小于所述阈值电压(32)时命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第二输出电压(24)。
2.根据权利要求1所述的电力供应设备(10)，其中，所述阈值电压(32)大于或等于所述第一输出电压(24)。
3.根据权利要求2所述的电力供应设备(10)，其中，所述DC-DC功率转换器(14)不能提供大于所述输入电压(30)的输出电压(24)。
4.根据权利要求3所述的电力供应设备(10)，其中，所述电力供应设备(10)还包括与所述设备控制器(16)通信的输入电压(30)检测电路，并且其中，所述存储器包括附加指令，其使所述设备控制器(16)在所述输入电压(30)检测电路确定所述输入电压(30)小于所述阈值电压(32)时命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第二输出电压(24)。
5.根据权利要求3所述的电力供应设备(10)，其中，所述电力供应设备(10)设置在汽车内，所述汽车具有与所述设备控制器(16)通信的启停控制器(20)，其中，所述存储器还包括指令，其使所述设备控制器(16)根据所述设备控制器(16)从所述启停控制器(20)接收运行信号来命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第一输出电压(24)，并且其中，所述存储器另外包括指令，其使所述设备控制器(16)根据所述设备控制器(16)从所述启停控制器(20)接收停止信号来命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第二输出电压(24)。
6.根据权利要求5所述的电力供应设备(10)，其中，所述启停控制器(20)通过控制器局域网(CAN)通信总线连接到所述设备控制器(16)。
7.根据权利要求5所述的电力供应设备(10)，其中，所述启停控制器(20)通过本地互连网(LIN)通信总线连接到所述设备控制器(16)。
8.根据权利要求5所述的电力供应设备(10)，其中，所述运行信号指示所述输入电压(30)将保持等于或大于所述阈值电压(32)，并且所述停止信号指示所述输入电压(30)能下降到小于所述阈值电压(32)。
9.根据权利要求3所述的电力供应设备(10)，其中，所述电力供应设备(10)设置在与通用串行总线(USB)集线器通信的USB端口内，其中，所述存储器还包括指令，其使所述设备控制器(16)根据所述设备控制器(16)从所述USB集线器接收指示所述输入电压(30)将保持等于或大于所述阈值电压(32)的第一USB信号来命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第一输出电压(24)，并且其中，所述存储器另外包括指令，其使所述设备控制器(16)根据所述设备控制器(16)从所述USB集线器接收指示所述输入电压(30)能下降到小于所述阈值电压(32)的第二信号来命令所述DC-DC功率转换器(14)输出所述第二输出电压(24)。
10.根据权利要求1所述的电力供应设备(10)，其中，所述第一输出电压(24)约为9伏，并且所述第二输出电压(24)约为5伏。
11.一种方法(100)，包括：
在设备控制器(16)和与所述设备控制器(16)通信的DC-DC功率转换器(14)处，所述设备控制器(16)具有一个或多个处理器和存储器：
接收(102)输入电压(30)；
接收(104)指示所述输入电压(30)等于、大于还是小于阈值电压(32)的信号；
根据所述设备控制器(16)确定所述输入电压(30)等于所述阈值电压(32)，经由所述DC-DC功率转换器(14)产生(106)第一输出电压(24)；
根据所述设备控制器(16)确定所述输入电压(30)大于所述阈值电压(32)，经由所述DC-DC功率转换器(14)产生(108)所述第一输出电压(24)；以及
根据所述设备控制器(16)确定所述输入电压(30)小于所述阈值电压(32)，经由所述DC-DC功率转换器(14)产生(110)小于所述第一输出电压(24)的第二输出电压(24)，其中，所述第一输出电压(24)和所述第二输出电压(24)均小于所述输入电压(30)。
12.根据权利要求11所述的方法(100)，其中，所述阈值电压(32)大于或等于所述第一输出电压(24)。
13.根据权利要求12所述的方法(100)，其中，所述DC-DC功率转换器(14)不能提供大于所述输入电压(30)的输出电压(24)。
14.根据权利要求11所述的方法(100)，其中，所述第一输出电压(24)约为9伏，并且所述第二输出电压(24)约为5伏。
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