CN111669065A - 用于减小待用功率的方法和相关控制器及开关模式电源 - Google Patents

用于减小待用功率的方法和相关控制器及开关模式电源 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于减小待用功率的方法和相关控制器及开关模式电源。在具有用于调节电源输出的控制电路和用于将所述输出连接到负载装置的所述电源中，一种用于减小待用功率的方法包含确定负载装置是否连接到所述电源。如果无负载装置连接，则所述负载开关关断，且所述电源进入待用模式，所述待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期。在所述功率节省模式中，所述控制电路停止调节所述电源的所述输出且关断一或多个功能块以允许所述输出下降，直至所述输出达到预设低输出限值。在所述调节模式中，所述控制电路接通所述功能块并调节所述电源以允许所述输出增加，直至所述输出达到预设高输出限值。

Description

用于减小待用功率的方法和相关控制器及开关模式电源
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年3月9日提交的标题为“用于减小待用功率的电路和方法(CIRCUIT AND METHOD FOR REDUCING STANDBY POWER)”的共同转让的第62/816,062号美国临时专利申请的优先权，所述临时专利申请出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及开关模式电源。更确切地说，本发明提供用于减小开关模式电源的功率消耗的方法和设备。
背景技术
稳压电源在现代电子器件中是必不可少的。举例来说，个人计算机中的电源常常需要从各种插座接收电力输入。台式和膝上型计算机常常在母板上具有稳压电源来向CPU、存储器和外围电路供电。移动装置需要提供经调节充电功率的充电器。开关模式控制器以可变工作循环或可变频率快速接通和切断功率晶体管，且提供是所要输出电压或输出电流的平均输出。
通用串行总线(USB)是建立用于计算机、外围装置和其它计算机之间的连接、通信和电力供应的线缆和连接器及协议的规范的行业标准。USB开发者论坛(USB IF)在2014年发布了用于通用3C产品的USB功率递送(PD)功能和C型连接器。USB PD和C型是针对在一个连接器中连接所有装置。功率递送(PD)控制器是用于处置USB C型连接器的次级侧控制器。USB-C连接器和线缆可连接到主机和装置两者，从而替代包含USB-B和USB-A、HDMI、DisplayPort和3.5mm音频线缆及连接器等各种电连接器。USB PD控制器包含用于处置复杂功能的许多电路块。举例来说，为了改变电压和通信以满足PD功能，系统需要例如PD解码器等额外组件。因此，系统消耗较多功率。
因此，支持USB PD功能的用于SMPS的在功率方面更加有效的次级侧控制器十分合乎需要。
发明内容
发明人已认识到，USB PD控制器需要支持复杂功能且比先前控制器消耗更多功率。USB-C连接器经由负载开关连接到转换器的输出。当USB-C控制器检测到无负载装置连接到转换器时，控制器关断负载开关以断开提供到USB-C连接器和负载装置的电力。在传统USB PD产品中，即使当无负载装置连接时，电源也维持恒定的输出电压Vout，且USB PD集成电路(PDIC)保持在作用中并消耗功率。
本发明教示一种USB PD控制器，其连续地监视USB接口的状态以确定是否连接负载装置。如果无负载装置连接，除了关断负载开关以使电源输出从USB连接器断开。USB PD控制器还迫使反馈电压(VFB)达到预设低值以致使初级侧控制器停止调节输出电压。在此条件下，电源输出电压Vout通过系统的电容来保持，这向有源电路块提供操作功率。为了进一步减小待用状态中的功率消耗，除用以继续监视负载装置的状态的电路和用以监视转换器的输出电压的电路外，USB PD控制器关断到USB PD控制器中的所有功能块的电力供应。随着系统的电容放电，电源输出电压Vout开始下降。一旦电源输出电压Vout下降到预设低电压限值VL，则USB PD控制器升高VFB信号以开始调节，这致使转换器输出电压Vout升高。当Vout达到预设高电压限值VH且无USB装置连接时，USB PD控制器致使初级侧控制器停止调节。重复此循环，直至USB PD控制器感测到USB装置已连接，USB PD控制器唤醒初级侧控制器以重新开始正常调节功能，恢复到其所有功能块的电力，且接通负载开关以将电源输出连接到USB连接器。
举例来说，本发明教示一种用于减小电源中的待用功率的方法，其具有用于调节电源的输出的控制电路和用于将电源的输出连接到负载装置的负载开关。所述方法包含确定负载装置是否连接到电源。响应于确定无负载装置连接到电源，负载开关关断以从负载装置断开，且电源进入待用模式。待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期。在功率节省模式中，控制电路停止调节电源的输出且关断一或多个功能块以允许所述输出下降，直至所述输出达到预设低输出限值。在调节模式中，控制电路接通功能块并调节电源以允许输出增加，直至输出达到预设高输出限值，此时电源进入功率节省模式。响应于确定负载装置连接到电源，电源进入正常模式，其中控制电路调节电源的输出，控制电路中的功能块通电，且负载开关接通以将负载装置连接到电源。
本发明还教示一种通用串行总线功率递送(USB PD)控制器，其包含：第一端子，用于耦合到开关模式电源(SMPS)的次级绕组来接收操作功率；第二端子，将控制信号提供到耦合在次级绕组和USB连接器之间的负载开关；以及第三端子，用于将反馈信号提供到SMPS的初级侧控制器。USB PD控制器还包含解码器，用于监视来自USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB装置是否连接。此外，USB PD控制器还具有控制逻辑，其被配置成监视来自USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB负载装置是否连接。在确定无USB负载装置连接到USB连接器后，控制器关断负载开关以使次级绕组从USB连接器断开并进入待用模式。待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期。在功率节省模式中，控制逻辑停止调节电源的输出且关断一或多个功能块以允许输出下降，直至输出达到预设低输出限值。在调节模式中，控制逻辑接通功能块并调节电源以允许输出增加，直至输出达到预设高输出限值。在确定USB负载装置连接到USB连接器后，电源进入正常模式，其中控制逻辑调节电源的输出，功能块通电，且负载开关接通以将负载装置连接到电源。
本发明还教示一种具有通用串行总线功率递送(USB PD)控制器的开关模式电源(SMPS)。所述SMPS包含：变压器，其具有用于耦合到外部输入电压的初级绕组和用于提供SMPS的输出电压的次级绕组；负载开关，其将次级绕组耦合到USB连接器；以及功率开关，其用于耦合到SMPS的初级绕组。SMPS还具有耦合到功率开关以控制功率开关的初级侧控制器，所述初级侧控制器包含用于经由光电耦合器接收表示SMPS的输出电压的反馈信号的反馈端子。初级侧控制器被配置成至少基于反馈信号产生用于接通和关断功率开关的控制信号来将SMPS的输出电压调节在目标电压处。初级侧控制器可在正常操作期间在脉宽调制(PWM)模式中操作，且初级侧控制器在低负载或无负载条件期间在突发模式中操作。SMPS还具有耦合到次级绕组用于为USB功率递送操作提供支持的USB PD控制器，其中所述USB PD控制器被配置成监视来自USB连接器的CC1和CC2信号。在有源模式中，在确定无USB负载装置连接到USB连接器后，USB PD控制器致使SMPS进入待用模式。
在上述SMPS中，在待用模式中，在确定USB负载装置连接到USB连接器后，USB PD控制器致使SMPS进入有源模式。为了致使SMPS进入待用模式，USB PD控制器被配置成关断负载开关以使SMPS的输出电压从USB连接器断开，关断USB PD控制器中的一或多个功能块，且监视SMPS的输出电压。在确定输出电压高于高待用电压限值(其可以是预设高电压限值)后，USB PD控制器将经由光电耦合器到初级侧控制器的反馈信号设定在第一值，以致使初级侧控制器停止调节输出电压，且允许输出电压下降。在确定输出电压低于低待用电压限值(其可以是预设低电压限值)后，USB PD控制器将经由光电耦合器到初级侧控制器的反馈信号设定在第二值，以致使初级侧控制器开始调节输出电压，且允许输出电压升高。为了致使SMPS进入有源模式，USB PD控制器被配置成接通USB PD控制器中的所述一或多个功能块，将经由光电耦合器到初级侧控制器的反馈信号设定在所述第二值，以致使初级侧控制器开始在有源模式中调节输出电压，且接通负载开关以将SMPS的输出电压连接到USB连接器。
定义
本公开中使用的术语在本发明的上下文内大体具有其在技术领域中的一般含义。下文论述特定术语以向从业人员提供关于本发明的描述的额外指导。应了解，相同的事物可以按一种以上的方式陈述。因此，可使用替代的措辞和同义词。
如本文中所使用，功率开关指代被设计成处置高功率电平的半导体开关，例如晶体管。
功率MOSFET是被设计成处置显著功率电平的特定类型的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。用于开关操作的功率MOSFET的实例称为双扩散MOS或简称为DMOS。
功率转换器是用于转换电能，例如在AC和DC之间转换或改变这些转换的电压、电流或频率或一些组合的电或机电装置。功率转换器常常包含电压调节。
稳压器或电压调节器是用于自动维持恒定电压电平的装置。
开关式稳压器或开关模式电源(SMPS)是使用接通和切断以维持输出的平均值的有源装置的功率转换器。相比而言，线性稳压器制造为类似于可变电阻器而工作，其连续地调整分压器网络以维持恒定输出电压，且连续地耗散功率。
电压参考是无关于装置上的负载、电源变化、温度改变和时间的过去而理想地产生固定(恒定)电压的电子装置。
参考电压是用作比较操作的目标的电压值。
当术语“相同”用于描述两个量时，这意味着两个量的值在测量限度内确定为相同的。
附图说明
图1是示出体现本发明的某些方面的具有向USB装置提供电力的电源的系统的简化框图；
图2是示出体现本发明的某些方面的用于使用USB功率递送(USB PD)控制器减小待用功率的方法的简化流程图；
图3是示出在常规系统中在待用条件下的Vout和Vbus的电压相对于时间轴的曲线；
图4是示出体现本发明的某些方面的在待用条件下Vout和Vbus的波形相对于时间轴的曲线；
图5是示出体现本发明的某些方面的具有向USB PD装置提供电力的电源的系统的简化示意图；
图6是体现本发明的某些方面的开关模式电源的初级侧控制器的简化框图；
图7是体现本发明的某些方面的开关模式电源的次级侧控制器的简化框图；以及
图8是示出体现本发明的某些方面的用于减小电源中的待用功率的方法的简化流程图。
具体实施方式
图1是示出体现本发明的某些方面的具有向USB PD装置提供电力的电源的系统的简化框图。如图1中所示，系统100包含电源110，其可以是开关模式电源(SMPS)，将电力提供到USB负载装置120。负载装置120可以是具有兼容的USB连接器的任何电子装置，例如个人计算机、膝上型计算机、移动装置或充电器。
如下文结合图5所描述，在例如开关模式电源(SMPS)110等返驰转换器中，初级侧控制器(例如，PWM控制器)响应于表示转换器输出电压的反馈电压(VFB)经由功率开关调节变压器中的电流以提供恒定输出电压(或电流)。反馈电压在变压器的输出侧上取样且经由例如光电耦合器等接口装置耦合回到初级侧控制器。
在图1中，USB PD控制器集成电路(PDIC)130耦合到变压器的次级侧以执行关于USB PD的各种控制功能。PDIC 130耦合到负载开关140，负载开关140将电源110连接到USB负载装置120。电源110的输出电压为Vout，且提供到USB负载装置120的电压为Vbus。USB PD控制器130连续地监视USB接口的状态以管理系统中的功率消耗，如下文参考图2中的流程图以及图3和4中的图式所描述。
图2是示出体现本发明的某些方面的用于使用USB功率递送(USB PD)控制器减小待用功率的方法200的简化流程图。如流程图中所展示，在210处，USB PD控制器监视来自例如USB连接器等USB接口的CC引脚的状态信号。在220处，USB PD控制器确定电源是否应处于待用模式中。如果是，则方法进行到230。否则，方法转到正常操作模式270。作为一实例，如果无USB装置连接到电源，则电源可置于待用模式中。另一方面，如果USB装置已连接，则电源处于正常操作模式。
在230处，当USB PD控制器决定电源应处于待用模式中时，其关断负载开关140。在240处，USB PD控制器继续检查待用条件。如果应维持待用条件，则在250处，USBPD控制器将信号发送到初级侧控制器以停止调节，且停止向输出提供电力。USB PD控制器仅维持监视输出状态所需的电路块，且关断USB PD控制器中未使用的电路块来减小功率消耗。此时，系统中的电力由系统中的电容器上剩余的电荷提供。在260处，USB PD控制器继续检查待用条件。
图3是示出在常规系统中在待用条件下的Vout和Vbus的电压相对于时间轴的曲线。可见，在待用模式中，负载开关关断，且提供到USB连接器的电压为0V。然而，电源的输出仍维持在Vout处。此外，USB PD控制器仍具有完全功能性且继续消耗功率。
图4是示出体现本发明的某些方面的在待用条件下Vout和Vbus的波形相对于时间轴的曲线。如图4中所展示，如果无负载装置连接，则负载开关140关断，且Vbus 410等于0V。此外，USB PD控制器致使初级侧控制器停止调节输出电压。USB PD控制器也设定于待用模式中，其中除继续监视负载装置的状态所需的电路和用以监视转换器的输出电压的电路外，到USB PD控制器中的所有功能块的电力供应被关断。举例来说，这可通过将反馈电压(VFB)设定到预设低值来实现，如结合图5到8详细描述。在此条件下，输出电压Vout 420开始下降，如图4所示。在此时间期间，有源电路块可从存储在系统中的电容中的电荷接收操作功率。一旦电源输出电压Vout下降到预设低电压限值VL，则USB PD控制器致使初级侧控制器开始例如通过升高VFB信号来进行调节，这致使转换器输出电压Vout升高。当Vout升高而达到预设高电压限值VH且无USB装置连接时，USB PD控制器再次致使初级侧控制器停止调节。低待用电压限值VL可以是用于USB PD控制器的预设最小工作电压，其足以保持剩余电路块操作。作为一实例，目标转换器输出电压Vout可为5V，预设高电压限值VH可为5V，且预设低电压限值VL可为3V。
如图4中所展示，Vout 420展现锯齿形状，具有下降电压的第一时间周期T1和恢复到VH的第二时间周期T2。在第一时间周期T1期间，系统的操作功率由存储在系统中的电容中的电荷提供。USB PD控制器在第二时间周期T1期间关断未使用的电路块以减小功率消耗，在无提供电力的电源调节功能的情况下维持剩余有源电路块。在时间周期T1期间，系统处于功率节省模式。在时间周期T2期间，系统处于调节模式。因此，在待用模式期间可被描述为具有功率节省模式和调节模式的交替时间周期。图4中的锯齿形循环重复，直至USB PD控制器感测到USB装置已连接。因此，较长时间周期T1可能使得功率消耗减少。举例来说，取决于电路实施方案和应用，T1可以在1-5秒或更长的范围内，且T2可以在40-400微秒或更短的范围内。图4还展示在常规系统中在待用期间的Vout 430。与常规系统相比，图1-4中描述的方法可产生大大降低的待用功率。举例来说，不同开关电源的待用功率的规格可在例如15mW到75mW的范围内变化。使用本文中所描述的技术，由图4中的Vout 420和Vout 430示出的系统之间的待用功率节省可为10％-30％或更高。
当电源处于待用模式时，图4中的锯齿形循环重复，直至USB PD控制器感测到USB装置已连接。此时，USB PD控制器唤醒初级侧控制器以重新开始正常调节功能。此外，USBPD控制器退出待用模式且恢复到所有其功能块的电力。下文结合图5-8描述另外的细节。
根据本发明的某些方面，呈现一种可在待用条件下减小功率消耗的方法。在图1-4中，USB PD和C型装置示出为实例。然而，应了解，所述方法可应用于任何负载装置和电源。此外，PDIC电路仅为安置于电源和负载装置之间的功率管理装置的实例。此外，负载开关是可以是独立装置的功率开关，或者负载开关可集成在例如PD等功率管理装置中。换句话说，PDIC和负载开关可以是两个单独的IC芯片或内置于单个芯片中。在其它实例中，功率管理装置(例如，图1中的PDIC)和功率开关(例如，图1中的负载开关)可集成到电源中。
在上文描述的方法中，功率管理装置(例如PDIC)可包含用于实施功率管理功能的各种功能块。在正常操作模式中，功率管理装置具有完全操作能力，其中许多或所有功能块通电。在功率节省模式中，仅监视来自负载装置的状态信号所需的功能块和控制负载切换器所需的电路通电。所有其它块可断电。
在其它实例中，可能需要激活功率管理装置中的其它功能。在功率节省模式中，功率管理装置中的功能块可根据特定应用选择性地断电。
图5是示出体现本发明的某些方面的具有向USB PD装置提供电力的电源的系统的简化示意图。如图5所示，SMPS 500是具有通用串行总线功率递送(USB PD)控制器550的开关模式电源。SMPS 500包含变压器510，其具有串联耦合到功率晶体管515的初级绕组511、次级绕组512，和辅助绕组513。初级绕组511用于经由整流电路耦合到交流电源AC，所述整流电路作为一实例包含由四个二极管D1-D4形成的二极管桥和电容器C1。整流电路将经整流的DC电压Vin提供到SMPS。次级绕组512被配置成将SMPS的输出电压Vout提供到负载装置。
功率开关515(也称为功率晶体管)耦合到初级绕组511用于控制初级绕组中的电流流动。初级侧控制器520经由反馈输入端子FB接收反馈信号533，且经由CS输入端子接收电流感测信号534。初级侧控制器520被配置成接通和关断功率开关515来调节SMPS。当功率开关515接通时，初级电流Ip在初级绕组511中积聚，如此存储能量。存储在初级绕组511中的能量在功率开关515的关断时间间隔期间传递到次级绕组512。例如二极管D6和平滑电容器C3等连接到次级绕组512的整流器元件被配置成将次级电压Vs转换为DC电压Vout以供应到负载装置。
在图5的实例中，负载装置为USB装置。SMPS 500具有将次级绕组512耦合到USB连接器570的负载开关525，USB连接器570可连接到USB装置590。USB连接器570包含若干引脚，一些引脚在下文列出：
Vo-用于从SMPS 500接收电压供应Vsub；
GND-用于为负载装置提供电接地；
D-和D+-串行数据接口引脚；以及
CC1和CC2-用于检测信号定向和信道配置的配置信道。
初级侧控制器520被配置成至少基于反馈信号产生用于接通和关断功率开关的控制信号来将SMPS的输出电压调节在目标电压处。举例来说，初级侧控制器可在正常操作期间在脉宽调制(PWM)模式中操作。初级侧控制器可在低负载或无负载条件期间在突发模式中操作。在突发模式中，接通脉冲的一或多个突发以相对长的间隔发出以将电源的输出电压维持在目标电压处。
如图5所示，USB PD控制器550耦合到次级绕组512用于为USB功率递送操作提供支持。USB PD控制器550监视来自USB连接器570的CC1和CC2信号以确定USB负载装置是否连接到SMPS，以及其它连接信息。在确定无USB负载装置连接到USB连接器后，USB PD控制器550致使SMPS 500进入待用模式。在确定USB负载装置连接到USB连接器后，USB PD控制器550致使SMPS进入有源模式。
作为一实例，为了致使SMPS 500进入待用模式，USB PD控制器550关断负载开关525以使SMPS的输出电压Vout从USB连接器570断开并关断USB PD控制器550中的一或多个功能块。如上文结合图1-4所描述，USB PD控制器550致使初级侧控制器停止调节，且监视SMPS 500的输出电压Vout，并将输出电压Vout维持在刚好足以维持必需的功能来支持待用模式以便减小功率消耗的范围内，如图4中所示出。举例来说，在确定输出电压Vout高于高待用电压限值VH后，USB PD控制器550将到初级侧控制器520的反馈端子的反馈信号533设定到第一值以致使初级侧控制器520停止调节输出电压Vout，且允许输出电压Vout下降。在图5的实例中，USB PD控制器550经由光电耦合器531发送反馈信号533。在确定输出电压Vout低于低待用电压限值VL后，USB PD控制器550将经由光电耦合器531到初级侧控制器520的反馈信号533设定到第二值，以致使初级侧控制器520开始调节输出电压Vout，且允许输出电压升高。此循环重复直至USB负载装置已连接，且USB PD控制器550将SMPS 500设定到有源模式。
为了致使SMPS 500进入有源模式，USB PD控制器550将经由光电耦合器531到初级侧控制器550的反馈信号设定到第三值，以致使初级侧控制器开始在有源模式中调节输出电压。举例来说，在有源模式中，初级侧控制器550可在脉宽调制(PWM)模式中操作。SB PD控制器550还接通USB PD控制器550中的所述一或多个功能块以允许其具有完全功能性。此外，USB PD控制器550还接通负载开关525以将SMPS的输出电压Vout连接到USB连接器570。
图6是体现本发明的某些方面的开关模式电源的初级侧控制器的简化框图。如图6所示，控制器600是可用作图5中的SMPS 500的初级侧控制器520的控制器的实例。如图6所示，控制器600具有端子VCC、GND、Vaus、FB、CS、SRC和OUT等。控制器600经由输入端子VCC接收操作功率，且GND端子为控制器提供电接地。在Vaux端子处，控制器600感测与辅助绕组的电流相关的电压，其表示SMPS输出的状态。若干电路块接收来自Vaux端子的信号且执行各种功能。举例来说，电路块612被配置成用于线路补偿，电路块614被配置成用于负载检测，且电路块616被配置成检测谷线开启功能。来自这些控制块的输出耦合到逻辑控制块620，逻辑控制块620执行如下文描述的各种功能。块662为启动稳压器，且块664包含各种保护电路和支持电路。
在图6的实例中，逻辑控制块620可向门驱动器块640发出控制信号以响应于来自次级侧的接通信号而接通功率开关，且当初级电流达到峰值电流参考电平时关断功率开关，所述峰值电流参考电平也称为初级电流参考电平或峰值初级电流电平。如图6所示，来自次级侧的接通信号在FB端子处被接收，FB端子耦合到电流源634和比较器632的输入。比较器632的另一输入耦合到参考信号Vref1。比较器632将PW_ON信号提供到逻辑控制块620，逻辑控制块620耦合到门驱动块以在OUT端子处提供用于接通功率开关的控制信号。
比较器654的另一端子接收电压信号Vcs，其与峰值初级电流的限值相关。在图6的实例中，逻辑控制块620经由数/模转换器(DAC)652提供Vcs信号。当端子CS处的电流感测信号达到峰值电流参考信号Vcs时，比较器654将信号Tonp发送到逻辑控制块620，逻辑控制块620经由门驱动器640在OUT端子处发送控制信号以关断功率开关。
在一些实例中，逻辑控制块620可提供脉宽调制(PWM)信号来控制功率开关以在正常模式操作中调节电源。在低负载或无负载条件中，逻辑控制块620可在突发模式中操作，其中接通脉冲的突发以相对长的间隔发出以将电源的输出电压维持在目标电压处。此外，在待用模式或功率节省模式中，逻辑控制块620可停止调节电源，且允许次级侧控制器监视输出电压。在此情况下，次级侧控制器可发出唤醒信号以致使初级侧控制器重新开始调节功能。举例来说，可通过初级侧控制器在FB端子处接收低于Vref1参考电压的信号来触发待用模式。唤醒信号可以是FB端子处的高于Vref1参考电压的信号。在图5的实例中，FB端子经由光电耦合器531接收反馈信号。如果反馈信号低于例如0.6V，则初级侧控制器停止调节功率开关。
图7是体现本发明的某些方面的开关模式电源的次级侧控制器的简化框图。如图7所示，图7中的次级侧控制器700是可用作图5中的SMPS 500中的USB PD控制器550的控制器的实例，且在下文的描述中参考图5中的组件。控制器700包含：第一端子VCC，用于耦合到SMPS 500的次级绕组512以将输出电压Vout提供到USB连接器570；第二端子PWR_EN，将控制信号提供到耦合在次级绕组和USB连接器之间的负载开关525；以及第三端子OCDRV，用于驱动光电耦合器531以将反馈信号533提供到SMPS的初级侧控制器。次级侧控制器700还包含端子D+、D-、CC1和CC2用于接收来自USB连接器570的相应信号。次级侧控制器700还包含额外端子。举例来说，GND端子提供电接地，ISEN端子用于感测次级绕组中的电流，且VBUS端子连接到提供到USB连接器570的电压VBUS，等等。
次级侧控制器700包含若干功能块。举例来说，控制逻辑710与其它功能块一起工作以实施次级侧控制器700的功能。USB块720接收来自USB连接器570的信号，且负责用于适配器和装置之间的通信的功率递送协议。举例来说，USB块720可包含解码器721，用于监视来自USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB装置是否连接。OSC块提供用于控制器的振荡器。LDO(低压降)电路为控制器和连接器提供经调节电压。ROM块提供只读存储器。SENSE块执行输出电流感测和反馈用于过电流保护和电流控制。块730提供恒定电压(CV)和恒定电流(CC)控制，如下文进一步描述。
次级侧控制器700耦合到次级绕组用于提供SMPS的恒定电压(CV)和恒定电流(CC)控制。次级侧控制器700可接收输出选择信号。举例来说，输出选择信号可在D+和D-端子处接收。基于输出选择信号，次级侧控制器700可选择目标电压参考信号和/或选择目标电流参考信号。次级侧控制器700可监视SMPS的输出电压和输出电流以确定输出电压是否低于目标电压参考信号，以及输出电流是否低于目标电流参考信号。在确定输出电压低于选定电压参考信号且输出电流低于选定电流参考信号后，次级侧控制器700可将接通信号提供到初级侧控制器来接通功率开关。初级侧控制器可响应于来自次级侧的接通信号而接通功率开关。在一些实施例中，初级侧控制器可在初级电流达到峰值初级电流参考电平时关断功率开关。
在图7中，选定电压参考信号CV_vref耦合到比较器CV_comp(722)，且选定电流参考信号CC_vref耦合到另一比较器CC_comp(724)。控制器700还监视SMPS的输出电压和输出电流。VCC端子提供关于SMPS的输出的信息，且ISEN端子被配置成提供关于次级绕组中的电流的信息。基于由比较器722和724提供的信息，控制器700中的CV&CC逻辑电路726确定输出电压是否低于选定电压参考信号，以及输出电流是否低于选定电流参考信号。在确定输出电压低于选定电压参考信号且输出电流低于选定电流参考信号后，控制电路700进一步将接通信号提供到初级侧控制器来接通功率开关。在此实例中，接通信号耦合到端子OCDRV，端子OCDRV耦合到光电耦合器用于将信号提供到初级侧控制器。在其它实施例中，初级侧控制器和次级侧控制器之间的通信可通过不同手段，例如经由穿过变压器的电感耦合来实现。
控制逻辑710提供对于上文描述的功率节省功能的控制。举例来说，控制逻辑710监视来自USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB负载装置是否连接。在确定USB负载装置连接到USB连接器后，控制逻辑710致使SMPS进入待用模式。在确定USB负载装置连接到USB连接器后，控制逻辑710致使SMPS进入有源模式。在待用模式中，控制逻辑710关断负载开关以使SMPS的输出电压从USB连接器断开，且关断USB PD控制器中的一或多个功能块以减小功率消耗。举例来说，在待用模式中，块730可连同保护块、SENSE块、耦合到VBUS端子的开关，以及USB块720的处置PD原型功能的部分等一起被关断。
控制逻辑710还监视SMPS的输出电压且执行以下功能。在确定输出电压高于高待用电压限值后，控制逻辑710经由光电耦合器将第一反馈信号发送到初级侧控制器，以致使初级侧控制器停止调节输出电压，并允许输出电压下降。在确定输出电压低于低待用电压限值后，控制逻辑710经由光电耦合器将第二反馈信号发送到初级侧控制器，以致使初级侧控制器开始调节输出电压，并允许输出电压升高。
为了进入有源模式，控制逻辑710经由光电耦合器531将第三反馈信号发送到初级侧控制器550以致使初级侧控制器开始在有源模式中调节输出电压。控制逻辑710还接通USB PD控制器550中的所述一或多个功能块以允许其具有完全功能性。此外，控制逻辑710还接通负载开关525以将SMPS的输出电压Vout连接到USB连接器570。
图7是可用作通用串行总线功率递送(USB PD)控制器的次级侧控制器的实例，其具有用于耦合到开关模式电源(SMPS)的次级绕组来接收操作功率的第一端子、将控制信号提供到耦合在次级绕组和USB连接器之间的负载开关的第二端子，以及用于将反馈信号提供到SMPS的初级侧控制器的第三端子。USB PD控制器还具有解码器，用于监视来自USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB装置是否连接。USB PD控制器中的控制逻辑被配置成监视来自USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB负载装置是否连接。在确定无USB负载装置连接到USB连接器后，控制逻辑关断负载开关以使次级绕组从USB连接器断开并进入待用模式。待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期。在功率节省模式中，控制逻辑停止调节电源的输出并关断一或多个功能块以允许输出下降，直至输出达到预设低输出限值。在调节模式中，控制逻辑接通功能块并调节电源以允许输出增加，直至输出达到预设高输出限值。在确定USB负载装置连接到USB连接器后，控制逻辑进入正常模式，其中控制逻辑调节电源的输出，功能块通电，且负载开关接通以将负载装置连接到电源。
图8是示出体现本发明的某些方面的用于减小电源中的待用功率的方法的简化流程图。在一实例中，电源具有用于调节电源的输出的控制电路，和用于将电源的输出连接到负载装置的负载开关。所述方法包含确定负载装置是否连接到电源。响应于确定无负载装置连接到电源，所述方法包含关断负载开关以从负载装置断开并且进入待用模式。待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期。在功率节省模式中，控制电路停止调节电源的输出且关断一或多个功能块以允许所述输出下降，直至所述输出达到预设低输出限值。在调节模式中，控制电路接通功能块并调节电源以允许输出增加，直至所述输出达到预设高输出限值。另一方面，响应于确定负载装置连接到电源，所述方法包含进入正常模式，其中控制电路调节电源的输出，控制电路中的功能块通电，且负载开关接通以将负载装置连接到电源。在图8中的流程图中进一步示出实例。
如图8所示，方法800在801处开始，且包含在803处确定负载装置是否连接到电源的输出。对于上文描述的USB PD实例，过程803可包含检查CC引脚以确定是否检测到USB PD协议来确定USB装置是否连接。然而，还可使用其它连接和协议。如果负载装置已连接，则在805处，将电源设定到正常模式，调节电源以提供所要输出，且接通负载开关以连接负载装置。在确定无负载装置连接后，在807处，所述方法将电源设定到待用模式。
待用模式在图8中的虚线框中展示，负载开关关断，且包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期。在图4中示出的实例中，功率节省模式为第一时间周期T1且调节模式为第二时间周期T2。在功率节省模式中，控制电路停止调节电源的输出且关断一或多个功能块以允许输出下降，直至所述输出达到预设低输出限值。在调节模式中，控制电路接通功能块并调节电源以允许输出增加，直至所述输出达到预设高输出限值。
在811处，类似于803，所述方法检查负载装置是否连接。如果是，则在805处电源进入正常模式。如果无装置连接，则在813处，检查电源的输出(电压或电流)以查看是否达到预设低输出限值。如果否，则在815处，电源的调节停止，关断未使用的功能块，且允许输出下降。方法接着沿环路到811。
在813处，如果输出下降到低于预设低输出限值，则方法进行到825，其中将电源设定到调节模式且调节输出，并允许输出升高。
方法从825进行到821，其中，再次检查负载装置的连接。如果负载装置已连接，则方法进行到805以进入正常模式。如果无负载装置连接，则在823处，将电源的输出与预设高输出限值进行比较。
在823处，如果达到预设高输出限值，则方法进行到815以进入功率节省模式，从而将输出保持在预设低输出限值和预设高输出之间的范围内。如果输出尚未达到预设高输出限值，则电源停留在调节模式中。
在图1-7的实例中，在功率节省模式中，次级侧控制器关断负载开关并关断未使用的功能块。方法800还可包含次级侧控制器将第一反馈信号发送到初级侧控制器，且作为响应，初级侧控制器停止调节电源。方法800还可包含次级侧控制器将第二反馈信号发送到初级侧控制器，且作为响应，初级侧控制器停止调节电源，并进一步关断初级侧控制器中的一或多个功能块以进一步减小功率消耗。方法800还可包含次级侧控制器将第三反馈信号发送到初级侧控制器，且作为响应，初级侧控制器接通功能块并开始调节电源。
上文在具有次级侧控制器充当USB PD控制器的SMPS的上下文中参考图1-7描述方法800的实例。所述方法还可包含次级侧控制器将第一反馈信号发送到初级侧控制器，且作为响应，初级侧控制器停止调节电源。或者，所述方法还可包含次级侧控制器将第二反馈信号发送到初级侧控制器，且作为响应，初级侧控制器停止调节电源并关断初级侧控制器中的一或多个功能块以进一步减小功率消耗。此外，所述方法可包含次级侧控制器将第三反馈信号发送到初级侧控制器，且作为响应，初级侧控制器接通一或多个功能块并调节电源。
应理解，本文所描述的实例和实施例仅为了说明性目的，并且根据其的各种修改或改变应由所属领域的技术人员想到并且包含在本申请的精神和范围以及本发明的范围内。举例来说，在上文描述的实例中，输出电压被称作控制参数。然而，电源还包含电流调节功能，且电源的输出还可以指代输出电流，或输出电压和输出电流两者。此外，电源不限于开关模式电源。尽管在以上描述中使用脉宽调制(PWM)控制器，但还可使用脉冲频率调制(PFM)控制器。此外，所述方法还可实施于其它电源或转换器中而无实质性修改。举例来说，图8中示出的方法还可应用于隔离式和非隔离式转换器以及线性稳压器等。

Claims (20)

1.一种用于减小电源中的待用功率的方法，所述电源具有用于调节所述电源的输出的控制电路，和用于将所述电源的所述输出连接到负载装置的负载开关，所述方法包括：
确定负载装置是否连接到所述电源；
响应于确定无负载装置连接到所述电源，
关断所述负载开关以从所述负载装置断开；以及
进入待用模式，其中所述待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期；
在所述功率节省模式中，所述控制电路停止调节所述电源的所述输出且关断一或多个功能块以允许所述输出下降，直至所述输出达到预设低输出限值；且
在所述调节模式中，所述控制电路接通所述功能块并调节所述电源以允许所述输出增加，直至所述输出达到预设高输出限值；以及
响应于确定负载装置连接到所述电源，
进入正常模式，其中所述控制电路调节所述电源的所述输出，所述控制电路中的所述功能块通电，且所述负载开关接通以将所述负载装置连接到所述电源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电源为开关模式电源SMPS，所述开关模式电源具有包含初级绕组和次级绕组的变压器、耦合到所述初级绕组的功率开关、初级侧控制器和次级侧控制器，所述方法包括：
在所述次级侧控制器中，
确定负载装置是否连接到所述SMPS的输出连接器；
在确定无负载装置连接到所述SMPS后，致使所述SMPS进入所述待用模式；以及
在确定负载装置连接到所述SMPS后，致使所述SMPS进入所述正常模式；
其中，在所述待用模式中，所述次级侧控制器：
使所述SMPS的输出电压从所述输出连接器断开；
关断所述次级侧控制器中的一或多个功能块；
将停止调节信号发送到所述初级侧控制器以致使所述初级侧控制器停止调节所述SMPS；
监视所述SMPS的所述输出电压；且
将所述输出电压维持在所述预设低输出限值和所述预设高输出限值之间的范围内。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括所述次级侧控制器将第一反馈信号发送到所述初级侧控制器，且作为响应，所述初级侧控制器停止调节所述电源。
4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括所述次级侧控制器将第二反馈信号发送到所述初级侧控制器，且作为响应，所述初级侧控制器停止调节所述电源并关断所述初级侧控制器中的一或多个功能块以进一步减小功率消耗。
5.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括所述次级侧控制器将第三反馈信号发送到所述初级侧控制器，且作为响应，所述初级侧控制器接通一或多个功能块并调节所述电源。
6.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括所述次级侧控制器经由光电耦合器将反馈信号发送到所述初级侧控制器。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述次级侧控制器为通用串行总线功率递送USBPD控制器。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括监视CC1和CC2信号以确定是否检测到PD协议以及负载装置是否连接到所述SMPS。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电源是非隔离式电源。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述电源是线性电源。
11.一种通用串行总线功率递送USB PD控制器，其包括：
第一端子，其用于耦合到开关模式电源SMPS的次级绕组来接收操作功率；
第二端子，其将控制信号提供到耦合在所述次级绕组和USB连接器之间的负载开关；
第三端子，其用于将反馈信号提供到所述SMPS的初级侧控制器；
解码器，其用于监视来自所述USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB装置是否连接；以及
控制逻辑，其被配置成：
监视来自所述USB连接器的CC1和CC2信号以确定USB负载装置是否连接；
在确定无USB负载装置连接到所述USB连接器后，关断所述负载开关以使所述次级绕组从所述USB连接器断开，并进入待用模式；
其中所述待用模式包含交替的功率节省模式的第一时间周期和调节模式的第二时间周期；
在所述功率节省模式中，所述控制逻辑停止调节所述电源的所述输出并关断一或多个功能块以允许所述输出下降，直至所述输出达到预设低输出限值；且
在所述调节模式中，所述控制逻辑接通所述功能块并调节所述电源以允许所述输出增加，直至所述输出达到预设高输出限值；
在确定USB负载装置连接到所述USB连接器后，进入正常模式，其中所述控制逻辑调节所述电源的所述输出，所述功能块通电，且所述负载开关接通以将所述负载装置连接到所述电源。
12.根据权利要求11所述的通用串行总线功率递送USB PD控制器，其中所述控制逻辑被配置成将第一反馈信号发送到所述初级侧控制器以致使所述初级侧控制器停止调节所述电源。
13.根据权利要求11所述的通用串行总线功率递送USB PD控制器，其中所述控制逻辑被配置成将第二反馈信号发送到所述初级侧控制器以致使所述初级侧控制器停止调节所述电源并关断所述初级侧控制器中的一或多个功能块以进一步减小功率消耗。
14.根据权利要求11所述的通用串行总线功率递送USB PD控制器，其中所述控制逻辑被配置成将第三反馈信号发送到所述初级侧控制器，以致使所述初级侧控制器接通一或多个功能块并调节所述电源。
15.根据权利要求11所述的通用串行总线功率递送USB PD控制器，其中所述USB PD控制器被配置成经由光电耦合器将反馈信号发送到所述初级侧控制器。
16.一种具有通用串行总线功率递送USB PD控制器的开关模式电源SMPS，其包括：
变压器，其具有用于耦合到外部输入电压的初级绕组和用于提供所述SMPS的输出电压的次级绕组；
负载开关，其将所述次级绕组耦合到USB连接器；
功率开关，其用于耦合到所述SMPS的所述初级绕组；
初级侧控制器，其耦合到所述功率开关以控制所述功率开关，所述初级侧控制器包含用于经由光电耦合器接收表示所述SMPS的所述输出电压的反馈信号的反馈端子，其中：
所述初级侧控制器被配置成至少基于所述反馈信号产生用于接通和关断所述功率开关的控制信号来将所述SMPS的所述输出电压调节在目标电压处；以及
所述初级侧控制器在正常操作期间在脉宽调制PWM模式中操作，且所述初级侧控制器在低负载或无负载条件期间在突发模式中操作；
USB PD控制器，其耦合到所述次级绕组用于为USB功率递送操作提供支持，其中所述USB PD控制器被配置成：
监视来自所述USB连接器的CC1和CC2信号；
在有源模式中，在确定无USB负载装置连接到所述USB连接器后，致使所述SMPS进入待用模式；且
在所述待用模式中，在确定USB负载装置连接到所述USB连接器后，致使所述SMPS进入有源模式；
其中，为了致使所述SMPS进入所述待用模式，所述USB PD控制器被配置成：
关断所述负载开关以使所述SMPS的所述输出电压从所述USB连接器断开；
关断所述USB PD控制器中的一或多个功能块；
监视所述SMPS的所述输出电压；
在确定所述输出电压高于高待用电压限值后，将经由所述光电耦合器到所述初级侧控制器的所述反馈信号设定在第一值，以致使所述初级侧控制器停止调节所述输出电压，且允许所述输出电压下降；且
在确定所述输出电压低于低待用电压限值后，将经由所述光电耦合器到所述初级侧控制器的所述反馈信号设定在第二值，以致使所述初级侧控制器开始调节所述输出电压，并允许所述输出电压升高；
且
其中，为了致使所述SMPS进入所述有源模式，所述USB PD控制器被配置成：
接通所述USB PD控制器中的所述一或多个功能块；
将经由所述光电耦合器到所述初级侧控制器的所述反馈信号设定在所述第二值，以致使所述初级侧控制器开始在所述有源模式中调节所述输出电压；且
接通所述负载开关以将所述SMPS的所述输出电压连接到所述USB连接器。
17.根据权利要求16所述的开关模式电源，其中所述负载开关为MOS晶体管。
18.根据权利要求16所述的开关模式电源，其中所述功率开关为高电压MOS晶体管。
19.根据权利要求16所述的开关模式电源，其中当所述初级侧控制器接收处于第一值的所述反馈信号时，所述初级侧控制器被配置成停止调节所述输出电压。
20.根据权利要求16所述的开关模式电源，其中当所述初级侧控制器接收处于第二值的所述反馈信号时，所述初级侧控制器被配置成开始调节所述输出电压。
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