CN114498566A - 具限功率源能力的电源适配器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种具限功率源能力的电源适配器及其控制方法，该电源适配器包含电源路径、电流检测电阻、控制单元以及保护开关。电源路径耦接于变压器与电源适配器的输出侧之间。电流检测电阻耦接电源路径。控制单元耦接电流检测电阻。保护开关耦接电源路径。控制单元判断电流检测电阻的检测电压小于第一阈值且控制单元的电平信号电压大于第二阈值时，控制保护开关不导通。

Description

具限功率源能力的电源适配器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源适配器及其控制方法，特别涉及一种具限功率源能力的电源适配器及其控制方法。
背景技术
在信息科技设备安全标准IEC/EN/UL 60950-1-2中，针对电源供应器、电源适配器等电源类产品有制定限功率源(limited power source,LPS)的相关规范。在此安规标准里，信息科技类设备必须具备防火外壳；然而，若设备的主要回路是由LPS电源供应电力时，表示回路中的电压、电流及能量均能符合UL 60950-1-2Table 2B标准中的规定值以下，如此当危害发生时，设备便不需要具备高防火等级的外壳(fire enclosure)等，来作为降低危害的对策，也就是说可以使用UL94所规定HB燃烧等级的外壳材质。HB等级的外壳材质，除了价格低外，还具备较佳的物理特性，也同时容易符合环保的要求。此外，这样的要求(规范)也适用具有通用序列总线电力传输(USB power delivery,USB PD)功能的电源适配器。
电源适配器要达到LPS标准的要求，可以有两种方式，一种为固有型限功率源(inherently limited power source)，另一为非固有型限功率源(non-inherentlylimited power source)。简而言之，若要符合LPS标准的要求，属于固有型限功率源的电源供应器，其输出不得大于8A/100VA；若属于非固有型限功率源，其限电流保护装置(例如，fuse)的电流规格应不大于5A。如果不在输出端使用限电流保护装置，其输出电压小于30V的系统，输出电流在进行单一故障(single fault)测试时，若输出电压为20V，则输出电流不可超过5A，且总输出功率不可超过100VA。超过前述电流或功率限制的话，就需要启动保护机制，可以是限流、也可以是关机，通常是做栓锁(latch off)或自动恢复(autorecovery)，而且总输出功率也不可以超过100VA。
然而，随着消费性电子产品的发展与电源功率需求的增加，对具有较大输出功率能力(如90～96W)的电源适配器而言，其正常输出电流或输出功率的额定值可能与LPS标准所规定的限制值(8A or 100VA)非常接近，若欲符合LPS标准的输出功率限制规范，且为了降低成本而不于输出侧加装限电流保护装置，则可能遭遇过电流(OCP)或过功率(OPP)保护点过于接近额定输出、难以设计，或量产时因使用元件本身的误差而造成产品的保护点不一，进而使得某些产品的保护可能容易误触发的品质问题。因此，此类具有较大输出功率的电源适配器一般较难符合LPS标准的规范并取得认证。
为此，如何设计出一种具限功率源能力的电源适配器及其控制方法，通过获得与电源适配器的输出功率(输出负载)有关的节点电压作为判断与控制，以简化电路设计，并且可实现具较大输出功率的电源适配器输出功率的精准限制与保护，以符合标准的规范，乃为本公开发明人所研究的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具限功率源能力的电源适配器，解决现有技术的问题。
为实现前述的目的，本发明所提出的具限功率源能力的电源适配器包含电源路径、电流检测电阻、控制单元以及保护开关。电源路径耦接于变压器与电源适配器的输出侧之间。电流检测电阻耦接电源路径。控制单元耦接电流检测电阻。保护开关耦接电源路径。控制单元判断电流检测电阻的检测电压小于第一阈值且控制单元的电平信号电压大于第二阈值时，控制单元控制保护开关不导通。
在一实施例中，控制单元判断检测电压小于第一阈值且电平信号电压大于第二阈值持续超过阈值时间时，控制单元控制保护开关不导通。
在一实施例中，检测电压等于0伏特且电平信号电压大于第二阈值时，控制单元控制保护开关不导通。
在一实施例中，具限功率源能力的电源适配器还包含同步整流电路。同步整流电路耦接变压器与保护开关。电平信号电压为同步整流电路的节点电压。
在一实施例中，同步整流电路包含整流控制单元、开关以及电容。整流控制单元耦接变压器的次级侧的第一端与保护开关。开关耦接第一端、整流控制单元以及保护开关或者耦接次级侧的第二端与整流控制单元。电容耦接第一端与整流控制单元。
在一实施例中，电平信号电压为电容与第一端共接的节点电压。
在一实施例中，电平信号电压为电容与整流控制单元共接的节点电压。
在一实施例中，第二阈值为1.1伏特。
在一实施例中，阈值时间为500毫秒。
在一实施例中，电源适配器具有电力传输功能。
通过所提出的具限功率源能力的电源适配器，通过获得与电源适配器的输出功率(输出负载)有关的节点电压作为判断与控制，可简化电路设计，并且可实现具较大输出功率、接近法规限制的电源适配器输出功率的精准限制与保护，以符合LPS标准的规范。
本发明的另一目的在于提供一种具限功率源能力的电源适配器的控制方法，解决现有技术的问题。
为实现前述的目的，本发明所提出的具限功率源能力的电源适配器的控制方法，电源适配器的输出侧与变压器之间提供电源路径，电源适配器包含耦接于电源路径的电流检测电阻、控制单元以及保护开关，控制方法包含：在有载正常操作下，比较电流检测电阻的检测电压与第一阈值；比较控制单元的电平信号电压与第二阈值；以及当检测电压小于第一阈值且电平信号电压大于第二阈值时，控制保护开关不导通。
在一实施例中，在控制保护开关不导通的前还包含：判断检测电压小于第一阈值且电平信号电压大于第二阈值是否持续超过阈值时间；以及若持续超过阈值时间时，控制保护开关不导通。
在一实施例中，检测电压等于0伏特且电平信号电压大于第二阈值时，控制保护开关不导通。
在一实施例中，第二阈值为1.1伏特。
在一实施例中，阈值时间为500毫秒。
通过所提出的具限功率源能力的电源适配器的控制方法，通过获得与电源适配器的输出功率(输出负载)有关的节点电压作为判断与控制，可简化电路设计，并且可实现具较大输出功率、接近法规限制的电源适配器输出功率的精准限制与保护，以符合LPS标准的规范。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1：是本发明具限功率源能力的电源适配器的电路方框图。
图2：是本发明具限功率源能力的电源适配器其中一种实施例的电路图。
图3：是本发明具限功率源能力的电源适配器的控制方法的第一实施例的流程图。
图4：是本发明具限功率源能力的电源适配器的控制方法的第二实施例的流程图。
其中，附图标记说明如下：
PO：电源路径
RCS：电流检测电阻
CONPD：控制单元
QP：保护开关
TR：变压器
SR：同步整流电路
So：输出侧
10：调整电路
CONSR：整流控制单元
QSR：开关
CSR：电容
P1：第一节点
P2：第二节点
VRCS：检测电压
VIC1：电平信号电压
VTH1：第一阈值
VTH2：第二阈值
TTH：阈值时间
S11～S15：步骤
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图1所示，其是本发明具限功率源能力的电源适配器的电路方框图。所述具限功率源能力的电源适配器包含电源路径PO、电流检测电阻RCS、控制单元CONPD以及保护开关QP。电源路径PO耦接于变压器TR与电源适配器的输出侧So之间。如图1所示，所述电源路径PO是由变压器TR的次级侧往电源适配器的输出侧So的方向传递(送)电源的路径。在本发明中，电源适配器可具有通用序列总线电力传输(USB power delivery,USB PD)功能。因此，若电源适配器具有电力传输(PD)功能，则控制单元CONPD为电力传输(PD)控制器。其中，系统的通信、反馈控制、保护控制…等功能都可在控制单元CONPD实现。
电流检测电阻RCS耦接电源路径PO。控制单元CONPD耦接电流检测电阻RCS。保护开关QP耦接电源路径PO，用以提供保护作用的断路功能。其中，通过控制保护开关QP的导通与不导通，可决定电源适配器是否输出功率。意即，当保护开关QP导通时，电源适配器可在输出侧So输出功率；反之，当保护开关QP不导通时，电源适配器不输出功率。
具体地，控制单元CONPD判断电流检测电阻RCS的检测电压VRCS小于第一阈值VTH1且控制单元CONPD的电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2时，控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。其中，第二阈值VTH2例如但不限制为1.1伏特。其中，检测电压VRCS为流经电流检测电阻RCS的电流与电流检测电阻RCS的乘积，因此，当电流检测电阻RCS为定值时，检测电压VRCS可表示流经电流检测电阻RCS的电流大小，即检测电压VRCS越大，表示流经电流检测电阻RCS的电流越大；检测电压VRCS越小，表示流经电流检测电阻RCS的电流越小。因此，当检测电压VRCS小于预设的第一阈值VTH1时，可能代表目前电源适配器未输出电流至负载端，或是电流检测电阻RCS的相关电路发生异常(例如发生短路，或电源适配器正处于短路保护测试或LPS测试中)。
再者，由于电平信号电压VIC1的大小与电源适配器的输出功率(输出负载)有关，即电平信号电压VIC1越大，表示电源适配器的输出功率越大；电平信号电压VIC1越小，表示电源适配器的输出功率越小。因此，通过同时判断电流检测电阻RCS的检测电压VRCS(是否小于第一阈值VTH1)以及控制单元CONPD的电平信号电压VIC1(是否大于第二阈值VTH2)，并且在两者判断条件都成立时，判断当前电源适配器的电流检测电阻RCS可能被短路但仍继续输出电流至负载，意即，电源适配器可能处于短路保护测试或LPS测试中，此时控制单元CONPD立即控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。
本发明的另一实施例，判断检测电压VRCS小于第一阈值VTH1可为判断检测电压VRCS等于0伏特。因此，当检测电压VRCS等于0伏特且电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2时，控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。
本发明的另一实施例还包含判断时间条件，即控制单元CONPD判断检测电压VRCS小于第一阈值VTH1且电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2持续超过阈值时间TTH时，控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。其中，阈值时间TTH例如但不限制为500毫秒。因此，导入时间的判断条件，可避免因暂态或瞬间的电路非正常(非预期)操作，使得前述两个电压的判断条件都成立，而误触发保护开关QP不导通的保护机制。
如图1所示，所述具限功率源能力的电源适配器还包含同步整流电路SR。同步整流电路SR耦接变压器TR与保护开关QP。电平信号电压VIC1为同步整流电路SR的节点电压。
请参见图2所示，其是本发明具限功率源能力的电源适配器其中一种实施例的电路图。同步整流电路SR包含整流控制单元、开关以及电容。同步整流电路SR用以将交流电压整流成直流电压，供系统输出端使用。整流控制单元CONSR耦接变压器TR的次级侧的非接地端与保护开关QP。开关QSR耦接非接地端、整流控制单元CONSR以及保护开关QP。电容CSR耦接非接地端与整流控制单元CONSR。
在一实施例中，电平信号电压VIC1为开关QSR、电容CSR以及非接地端共接的节点电压，即图2标示的第一节点P1的节点电压。因此，通过判断当检测电压VRCS小于第一阈值VTH1且电平信号电压VIC1(即第一节点P1的节点电压)大于第二阈值VTH2时，控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。具体地，第一节点P1的节点电压通过具整流、分压功能的调整电路10，被调整为适合控制单元CONPD操作的电压电平，因此，调整后的电压电平提供至控制单元CONPD，例如控制单元CONPD的第一引脚(如图1所示)。
在一实施例中，电平信号电压VIC1为电容CSR与整流控制单元CONSR共接的节点电压，即图2标示的第二节点P2的节点电压。因此，通过判断当检测电压VRCS小于第一阈值VTH1且电平信号电压VIC1(即第二节点P2的节点电压)大于第二阈值VTH2时，控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。具体地，第二节点P2的节点电压通过具整流、分压功能的调整电路10，被调整为适合控制单元CONPD操作的电压电平，因此，调整后的电压电平提供至控制单元CONPD，例如控制单元CONPD的第一引脚(如图1所示)。
然而，本发明不限制供能检测第一节点P1的节点电压与第二节点P2的节点电压作为电平信号电压VIC1进行判断。在同步整流电路SR中的节点所检测到的节点电压，皆可作为电平信号电压VIC1进行判断。
值得一提的是，同步整流电路SR的同步整流开关QSR可配置的位置并不限于图2中所示次级侧的高侧(high-side，电流输出侧)，其亦可配置于次级侧的低侧(low-side，电流回流侧)，因此，无论同步整流开关QSR配置于高侧或低侧，均适用于本发明的判断与控制方法。
请参见图3所示，是本发明具限功率源能力的电源适配器的控制方法的第一实施例的流程图。电源适配器的输出侧So与变压器TR之间提供电源路径PO，其中，电源适配器包含耦接于电源路径PO的电流检测电阻RCS、控制单元CONPD以及保护开关QP。所述控制方法包含步骤如下：首先，在有载正常操作下(S11)，比较电流检测电阻RCS的检测电压VRCS与第一阈值VTH1(S12)。然后，比较控制单元CONPD的电平信号电压VIC1与第二阈值VTH2(S13)。然后，判断是否检测电压小于第一阈值VTH1且电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2(S14)。当检测电压VRCS小于第一阈值VTH1且电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2时，控制保护开关QP不导通(S15)。
本发明的另一实施例，判断检测电压VRCS小于第一阈值VTH1可为判断检测电压VRCS等于0伏特。因此，在步骤(S15)中，当检测电压VRCS等于0伏特且电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2时，控制保护开关QP不导通，使得电源适配器不输出功率。
请参见图4所示，是为本发明具限功率源能力的电源适配器的控制方法的第二实施例的流程图。图4与图3最大的差异在于步骤(S14)的后还包含判断时间条件，即判断检测电压VRCS小于第一阈值VTH1且电平信号电压VIC1大于第二阈值VTH2是否持续超过阈值时间TTH(S14')。若前述两个电压的判断条件都成立(即步骤(S14')的判断结果为"是")，则控制保护开关QP不导通(S15)，使得电源适配器不输出功率。反之，若前述两个电压的判断条件有一者不成立(即步骤(S14')的判断结果为"否")，则返回步骤(S12)，重新执行比较检测电压VRCS与第一阈值VTH1(S12)，以及执行比较电平信号电压VIC1与第二阈值VTH2(S13)。
综上所述，本发明具有以下的特征与优点：通过获得与电源适配器的输出功率(输出负载)有关的同步整流电路的节点电压作为判断与控制，可简化电路设计，并且可在即使电源适配器的输出功率较大，十分接近LPS标准限制的条件下，实现具较大输出功率的电源适配器输出功率的精准限制与保护，以符合LPS标准的规范。
以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本公开的权利要求。

Claims (15)

1.一种具限功率源能力的电源适配器，包含：
一电源路径，耦接于一变压器与所述电源适配器的一输出侧之间；
一电流检测电阻，耦接该电源路径；
一控制单元，耦接该电流检测电阻；及
一保护开关，耦接该电源路径；
其中，该控制单元判断该电流检测电阻的一检测电压小于一第一阈值且该控制单元的一电平信号电压大于一第二阈值时，该控制单元控制该保护开关不导通。
2.如权利要求1所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该控制单元判断该检测电压小于该第一阈值且该电平信号电压大于该第二阈值持续超过一阈值时间时，该控制单元控制该保护开关不导通。
3.如权利要求1所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该检测电压等于0伏特且该电平信号电压大于该第二阈值时，该控制单元控制该保护开关不导通。
4.如权利要求1所述的具限功率源能力的电源适配器，还包含：
一同步整流电路，耦接该变压器与该保护开关；
其中，该电平信号电压为该同步整流电路的一节点电压。
5.如权利要求4所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该同步整流电路包含：
一整流控制单元，耦接该变压器的一次级侧的一第一端与该保护开关；
一开关，耦接该第一端、该整流控制单元以及该保护开关或者耦接该次级侧的一第二端与该整流控制单元；及
一电容，耦接该第一端与该整流控制单元。
6.如权利要求5所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该电平信号电压为该电容与该第一端共接的该节点电压。
7.如权利要求5所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该电平信号电压为该电容与该整流控制单元共接的该节点电压。
8.如权利要求1所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该第二阈值为1.1伏特。
9.如权利要求2所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该阈值时间为500毫秒。
10.如权利要求1所述的具限功率源能力的电源适配器，其中，该电源适配器具有通用序列总线电力传输功能。
11.一种具限功率源能力的电源适配器的控制方法，该电源适配器的一输出侧与一变压器之间提供一电源路径，其中，该电源适配器包含耦接于该电源路径的一电流检测电阻、一控制单元以及一保护开关，该控制方法包含：
在有载正常操作下，比较该电流检测电阻的一检测电压与一第一阈值；
比较该控制单元的一电平信号电压与一第二阈值；及
当该检测电压小于该第一阈值且该电平信号电压大于该第二阈值时，控制该保护开关不导通。
12.如权利要求11所述的具限功率源能力的电源适配器的控制方法，其中，在控制该保护开关不导通的前还包含：
判断该检测电压小于该第一阈值且该电平信号电压大于该第二阈值是否持续超过一阈值时间；及
若持续超过该阈值时间时，控制该保护开关不导通。
13.如权利要求11所述的具限功率源能力的电源适配器的控制方法，其中，该检测电压等于0伏特且该电平信号电压大于该第二阈值时，控制该保护开关不导通。
14.如权利要求11所述的具限功率源能力的电源适配器的控制方法，其中，该第二阈值为1.1伏特。
15.如权利要求12所述的具限功率源能力的电源适配器的控制方法，其中，该阈值时间为500毫秒。
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