CN115149623A - 多端口ac/dc开关电源的体系结构 - Google Patents

多端口ac/dc开关电源的体系结构 Download PDF

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Abstract

一种用于具有功率因数校正(PFC)的多端口AC/DC开关电源(SMPS)的体系结构，包括用于PFC开/关控制和智能功率分配的功率管理控制(PMC)，以及可选的升压跟随器电路。例如，在通用AC/DC多端口USB‑C功率输出(PD)适配器中，PMC根据输出端口的操作状态和活动输出端口的组合负载启用PFC的开启和关闭。微处理器控制单元(MCU)接收每个USB端口的操作状态、电压感应输入和电流感应输入，计算每个USB端口的输出功率，并根据每个USB端口的组合负载执行功率分配协议以打开或关闭PFC。根据负载，可用功率可以智能地分配到一个或多个端口。在示例实施例中，为低负载和低AC线路输入关闭PFC将效率提高3％到5％。

Description

多端口AC/DC开关电源的体系结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年3月16日提交的标为“多端口AC/DC开关电源的体系结构(ARCHITECTURE FOR MULTI-PORT AC/DC SWITCHING MODE POWER SUPPLY)”的美国临时专利申请第63/161,558号的优先权，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及开关电源(switching mode power supply，SMPS)，更具体地说，涉及带有USB端口的AC/DC适配器，用于为电子设备供电。
背景技术
对包含AC/DC转换器的开关电源有需求，例如通用AC输入AC/DC适配器，其结构紧凑、重量轻、效率高，且功能强大，足以为一个或多个智能手机、平板电脑、笔记本电脑和其它个人电子设备快速充电。
通用AC输入AC/DC电源适配器设计用于在广泛的AC输入电压范围内操作，通常在90伏AC和264伏AC之间，因此其适用于全球。带USB端口的低电源AC/DC适配器现在广泛用于为多种小型便携式电子设备充电。带有USB Type-A(USB-A)端口的适配器通常限于≤30W。带有USB Type-C(USB-C)端口的适配器可用于>30W。输出功率取决于负载。例如，智能手机可能需要30W，而笔记本电脑等更大的设备可能需要提供至少65W的USB-C端口，以便快速充电。
各种行业标准适用于USB功率输出(Power Delivery，PD)适配器，例如IEC61000-302、IEC 62368-1和EN55032等。例如，对于最大额定功率超过75W的电源适配器，各种功率输出标准要求功率因数校正(power factor correction，PFC)。标准还对总谐波失真(total harmonic distortion，THD)、电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)、安全要求等进行了限制。
虽然低电源适配器(例如30W手机充电器和65W笔记本电脑充电器)不需要PFC，但如果希望提供大于75W的输出，例如100W多端口充电器，能够为手机和笔记本电脑充电，则必须满足适用标准，包括对PFC的要求。PFC可提高功率因数，并降低总谐波失真(THD)，以获得更高的功率输出。然而，在PFC级上存在晶体管、二极管和PFC电感器损耗，当PFC用于低功率应用时，这些损耗会显著降低效率，例如：≤30W。
因此，需要对多端口AC/DC SMPS进行改进，例如通用多端口USB AC/DC PD适配器，以提高在一系列交流线路输入电压和功率输出下的运行效率。
发明内容
本发明旨在为多端口AC/DC SMPS(例如USB-C多端口PD适配器)提供一种体系结构，所述体系结构提供了至少一种更高的效率、节能和多端口之间的功率分配。
本文公开了一种具有功率因数校正(PFC)的多端口AC/DC开关电源(SMPS)的体系结构，包括用于PFC开/关控制和智能功率分配的功率管理控制(PMC)，以及可选的升压跟随器电路。例如，在通用AC/DC多端口USB-C PD适配器中，PMC根据输出端口的操作状态和活动输出端口的组合负载启用和关闭PFC。微处理器控制单元(MCU)接收每个USB端口的操作状态、电压感应输入和电流感应输入，计算每个USB端口的输出功率，并根据每个USB端口的组合负载执行功率分配协议以打开或关闭PFC。根据负载，可用电源可以智能地分配到一个或多个端口。
一个方面提供了一种多端口AC/DC开关电源(SMPS)，包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)，以及接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus的DC/DC转换器，每个输出端口包括提供输出电压Vout的DC/DC转换器，包括：
功率控制，包括微控制器单元(MCU)和PFC开/关控制电路，PFC开/关控制电路包括打开和关闭PFC的装置；
每个输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
MCU具有用于从每个输出端口的电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个输出端口的DC/DC转换器的控制器的接口；
MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，根据每个输出端口的电流和电压感应信号计算，以及
根据输出状态，向PFC开/关控制电路输出触发信号，以打开或关闭PFC。
第二方面提供了一种用于多端口AC/DC开关电源(SMPS)的功率管理电路，其中SMPS包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)和DC/DC转换器，DC/DC转换器接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus，每个包括提供输出电压Vout的DC/DC转换器，功率管理/分功率分配路包括：
微控制器单元(MCU)和PFC接通/断开控制电路，包括接通和断开PFC的装置；
每个输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
MCU具有用于从每个输出端口的电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个输出端口的DC/DC转换器的控制器的接口；
MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，根据每个输出端口的电流和电压感应信号计算，以及
根据输出状态，向PFC开/关控制电路输出触发信号，以打开或关闭PFC。
第三方面提供了一种操作多端口AC/DC SMPS的方法，其包括功率因数校正(PFC)并提供多个输出端口，包括：
在功率管理控制电路的微处理器单元(MCU)中，监测每个输出端口的操作状态以及提供给每个输出端口的电流和电压；
根据提供给每个输出端口的电流和电压计算每个输出端口的输出功率；和
基于每个输出端口的操作状态，以及提供给每个输出端口的组合输出功率，执行功率管理协议，包括：
当组合输出功率大于第一阈值时，将触发信号输出到PFC开/关电路以接通PFC或将PFC保持在接通状态；
当组合输出功率小于第二阈值时，向PFC开/关电路输出触发信号，以关闭PFC或将PFC保持在关闭状态。
例如，当只有一个输出端口操作时，允许向所述一个输出端口提供最大输出功率；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在两个或多个操作端口之间分配最大输出功率。
功率分配可能包括对两个或多个端口的不相等功率分配。
第四方面提供了一种用于多端口AC/DC SMPS的功率管理电路，其包括功率因数校正(PFC)并提供多个输出端口，包括：
微处理器控制单元(MCU)，其具有用于监测每个输出端口的操作状态的接口，以及用于从每个端口接收电压感应和电流感应信号的输入，
PFC接通/断开电路，包括用于接通和断开PFC的装置；和
所述(MCU)被配置为实现如本文所述的方法。
第一实施例提供了一种多端口AC/DC开关电源(SMPS)，包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)，以及接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus的DC/DC转换器，每个输出端口包括提供输出电压Vout的DC/DC降压转换器，包括：
功率控制，包括微控制器单元(MCU)和PFC开/关控制电路，用于向PFC(PFC控制器)的控制器提供电源电压Vcc_PFC，以打开和关闭PFC；
每个输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
MCU具有用于从每个输出端口的电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个输出端口的DC/DC降压转换器的控制器的接口；
MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，根据每个输出端口的电流和电压感应信号计算，以及
根据输出状态，向PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号，以控制PFC控制器的电源电压Vcc_PFC，从而打开或关闭PFC。
例如，向PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号包括：
当组合输出功率大于第一阈值时，输出PFC开/关信号，所述PFC开/关信号接通PFC或将PFC保持在接通状态；和
当组合输出功率小于第二阈值时，输出PFC开/关信号，所述信号关闭PFC或将PFC保持在关闭状态。
第一阈值和第二阈值因滞后值(开关差)而不同，以避免频繁或不必要地接通和断开PFC，例如在功率波动较小时。
功率管理协议可以包括一个或多个端口的智能功率分配，例如，它可以包括：
当只有一个输出端口操作时，能够向所述一个输出端口提供最大输出功率；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在两个或多个操作输出端口之间分配最大输出功率。
协议包括识别活动端口，并根据一个或多个端口是否处于活动状态，协商每个端口的最大可用功率。多个端口的功率分配可能相等，也可能不相等。例如，如果只有一个端口是可操作的(活动的)，最大可用功率可被引导到一个可操作端口，例如，一个设备快速充电的100W；如果有两个或多个端口操作，电源可能会被不平等地引导到两个或多个操作端口，例如，65瓦到一个端口为笔记本电脑充电，30瓦到另一个端口为智能手机充电。
DC/DC转换器可能具有单端反激拓扑，包括准谐振反激拓扑、有源箝位反激拓扑或其它类型的单端反激拓扑。
可选地，SMPS包括升压跟随器电路(BFC)。BFC可由电源电压Vcc_PFC控制，以便当PFC接通时，BFC接通，当PFC断开时，BFC断开。
在多端口AC/DC SMPS的示例实施例中，功率管理协议包括：
启动模式；
正常操作模式；和
待机模式。
例如，可用电源可根据负载智能分配到一个或多个端口，PFC根据负载打开或关闭。在示例性实施例中，为低负载和低交流线路输入关闭PFC将效率提高3％到5％。
第二实施例提供了一种用于多端口AC/DC开关电源(SMPS)的功率管理电路，其中SMPS包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)和DC/DC转换器，DC/DC转换器接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus，每个包括提供输出电压Vout的DC/DC降压转换器，功率管理/分功率分配路包括：
微控制器单元(MCU)和PFC开/关控制电路，用于向PFC的控制器(PFC控制器)提供电源电压Vcc_PFC，以打开和关闭PFC；
每个输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
MCU具有用于从每个输出端口的电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个输出端口的DC/DC降压转换器的控制器的接口；
MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，根据每个输出端口的电流和电压感应信号计算，以及
根据输出状态，向PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号，以控制PFC控制器的电源电压Vcc_PFC，从而打开或关闭PFC。
第三实施例提供了一种操作多端口AC/DC SMPS的方法，所述方法包括功率因数校正(PFC)，并向多个输出端口提供大于75W的最大输出功率，包括：
在功率管理控制电路的微处理器单元(MCU)中，监测每个输出端口的操作状态以及提供给每个输出端口的电流和电压；
根据提供给每个输出端口的电流和电压计算每个输出端口的输出功率；和
基于每个输出端口的操作状态，以及提供给每个输出端口的组合输出功率，执行功率管理协议，包括：
当组合输出功率大于第一阈值时，将PFC开/关触发信号输出到PFC开/关电路以接通PFC或将PFC保持在接通状态；
当组合输出功率小于第二阈值时，向PFC开/关电路输出PFC开/关触发信号，以关闭PFC或将PFC保持在关闭状态；
例如，所述方法可包括：
当只有一个输出端口操作时，使最大输出功率能够提供给所述一个输出端口；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在两个或多个操作端口之间分配最大输出功率。
功率分配可能包括向两个或多个端口进行相等或不相等的功率分配。
在多端口AC/DC SMPS包括升压跟随器电路(BFC)的情况下，所述方法可包括在PFC开启时开启BFC，并在PFC关闭时关闭BFC。
第四实施例提供了一种用于多端口AC/DC SMPS的功率管理电路，其包括功率因数校正(PFC)，并向多个输出端口提供大于75W的最大输出功率，包括：
微处理器控制单元(MCU)，其具有用于监测每个输出端口的操作状态的接口，以及用于从每个端口接收电压感应和电流感应信号的输入，
PFC接通/断开电路，用于控制到PFC的电源电压以接通和断开PFC；
其中所述(MCU)被配置为实现如本文所公开的方法。
第五实施例提供了一种多端口USB功率输出(PD)适配器，所述适配器包括多端口AC/DC SMPS，所述SMPS包括功率管理，所述功率管理包括本文公开的PFC开/关控制和智能功率分配。
第六实施例提供了一种用于多端口AC/DC SMPS的升压跟随器电路，包括：
第一分压器，包括电阻器R1和R2，用于感应PFC输出电压Vdc；
第二分压器，包括电阻器R3和R4、二极管D1和电容器C1，用于感应来自Vrect的AC输入峰值电压；
晶体管Q3、电阻器R6和齐纳二极管ZD1，其被配置为提供偏置电流ibias，其中偏置电流ibias与通过晶体管Q3、电阻器R6和齐纳二极管ZD1的交流峰值电压成反比，其提供偏置电压；和
其中向PFC控制器提供反馈信号FB，PFC输出电压Vdc随输入交流电压变化，等于：
Figure BDA0003547183590000081
升压跟随器电路可由与PFC相同的电源电压Vcc_PFC控制，以便当PFC接通时，BFC接通，当PFC断开时，BFC断开。
关于替代术语，开关电源(SMPS)可替代地称为开关电源或开关电源。
因此，示例性实施例的多端口AC/DC SMPS，例如PD适配器，包括功率管理控制，包括PFC开/关控制和智能功率分配，以提供增强的效率、改进的可靠性和多个端口之间的功率分配中的至少一个。
附图说明
图1(现有技术)显示了单端口AC/DC开关电源(无PFC)的简化功能框图；
图2(现有技术)显示了传统多端口AC/DC开关电源(带PFC)的电路示意图；
图3显示了根据本发明实施例的多端口AC/DC SMPS的功率级的简化功能框图，用于实现包括PFC开/关控制(PFCC)和智能功率分配(SPD)的功率管理控制(PMC)；
图4显示了根据第一示例实施例的包括功率管理控制(PMC)的多端口AC/DC PD适配器的功率级电路示意图；
图5示意性地显示了一些示例，包括在双端口100W AC/DC PD适配器中实现智能功率分配；
图6显示了一个电路示意图，用于解释图4所示的第一示例实施例的升压跟随器电路(BFC)的操作；
图7显示了AC输入电压为90V、115V、230V和264V时的ibias波形和VinAC波形图；
图8显示了Vdc和ibias与RMS VinAC的对比图；
图9显示了一个实施例的功率管理控制流程图，所述实施例包括PFC开/关控制和用于启动模式的智能功率分配；
图10显示了一个实施例的功率管理控制流程图，所述实施例包括PFC开/关控制和正常操作模式下的智能功率分配；
图11显示了一个包括PFC开/关控制和待机模式智能功率分配的实施例的功率管理控制流程图；
图12显示了一个示例100W 2x USB-C端口PD适配器的一些测试测量图，以比较三个测试用例的效率：1.具有PMC和BFC；2.具有PMC，无BFC；以及3.无PMC和BFC；在每次测试中，在不同的VAC输入电压下运行；且
图13显示了一些图，用于比较不同AC输入电压下示例100W 2x USB-C端口PD适配器的平均效率。
通过以下结合附图对一些示例性实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征、方面和优点将变得更加明显，这些描述仅作为示例。
具体实施方式
图1显示了最大输出功率<75W的典型单端口低功率AC/DC SMPS 10(无PFC)的简化功能框图。SMPS 10包括二极管桥式整流器12，其对输入AC电压VAC进行整流，以提供整流电压Vrect，对储能电路14的大容量电容器16进行充电，以向隔离DC/DC转换器18提供Vdc，隔离DC/DC转换器18提供输出电压Vout。例如，使用这种SMPS体系结构的功率转换器可用于提供小于75W的低功率USB PD适配器，例如用于智能手机和其它小型电子设备等小型电子设备的30W USB充电器，以及用于笔记本电脑的65W USB充电器。
使用GAN晶体管代替硅功率晶体管有几个优点。与硅MOSFET相比，GAN晶体管具有更低的导通电阻、更高的击穿电压、无反向恢复特性。GAN器件具有更低的开关损耗，因此可以在更高的开关频率下操作。例如，在使用GAN器件的消费类电子产品的低功率通用AC/DC适配器中，更高的开关频率允许使用更小的电容器和电感器，这可以显著降低功率转换器的尺寸、重量和成本。
图2中显示了包括AC/DC功率转换器20的示例传统SMPS的典型体系结构，所述AC/DC功率转换器用于包括两个USB-C端口的多端口AC/DC功率传输适配器，具有功率因数校正。第一级22是功率因数校正(PFC)电路，包括具有有源功率因数校正的二极管桥式整流器，所述有源功率因数校正包括升压电感器L1、二极管D和晶体管开关Q1。功率因数校正电路具有用于接收AC输入电压VinAC的输入，并输出高于峰值线输入电压的DC电压Vdc，用于对大容量电容Cin24充电。例如，对于通用AC/DC功率输出适配器，其中VinAC可能在90VAC到260VAC的范围内，Vdc通常可设置为约390V。由于Vdc(或Vboost)高于峰值线输入电压，这种拓扑结构可以称为升压(升压)转换器。第二级26是由晶体管开关Q2控制的单端反激变换器，例如准谐振(QR)反激变换器，其将Vdc转换为总线电压Vbus，例如22V。总线电压Vbus通过各自的第一和第二降压转换器28提供给两个USB-C输出端口30，例如为每个端口提供输出电压Vout，例如20V。在这种功率转换器结构中，由于Vdc固定在390V，PFC电感器和Q1的损耗更大，导致效率更低，尤其是在低AC输入电压下。PFC在所有负载条件下运行(开启)，由于L1、Q1和D的PFC级上的额外损耗，轻负载时的效率较低。每个USB-C端口的最大输出功率是固定的，不能根据每个用户设备的供电要求进行分配。
为了克服这些限制并提高效率，公开了以下解决方案，包括用于PFC开/关控制(PFCC)的功率管理控制(PMC)和智能功率分配(SPD)，其中可选地包括升压跟随器电路(BFC)。
图3示出了根据示例性实施例的用于实现功率管理控制(PMC)的多端口USB SMPS100的体系结构的简化功能框图，所述体系结构包括PFC开/关控制(PFCC)和智能功率分配(SPD)。SMPS 100包括多个输出端口，这些输出端口包括USB端口1到N。输入AC电压VinAC被提供给PFC电路112，以提供Vdc给输入电容器Cin 114充电。第二级是隔离DC/DC转换器118，其可具有例如QR反激拓扑或其它反激拓扑，以提供总线电压Vbus，例如22V。VBU通过DC/DC降压转换器120-1至120-N提供给每个USB端口1至N。每个USB端口包括电流感应和电压感应电路122-1至122-N。多端口USB SMPS 100还包括用于PFC开/关控制(PFCC)和智能功率分配(SPD)的功率管理控制(PMC)电路130，以及升压跟随器电路(BFC)160。在一些实施例中，可以省略BFC。
功率管理控制(PMC)130包括微处理器控制单元(MCU)132，其具有从每个USB端口1至N的电流和电压感应电路122-1至122-N接收电流感应和电压感应信号的输入。MCU 132通过各通信链路包括集成电路间接口1至N，例如使用I2C协议。MCU配置为监测每个输出的操作状态，即从DC/DC降压控制器确定USB端口1到USB端口N中的每个是否正在使用，如果正在使用，则基于电流和电压感应信号，每个活动端口的输出电压和电流是多少。MCU根据从每个端口接收的电流和电压感应信号计算每个端口的输出功率，并计算所有端口的组合功率输出。MCU配置为执行电源监测和控制协议，所述协议可根据操作中的端口以及每个端口的供电情况，向每个USB端口智能分功率分配源。MCU还根据每个USB端口的组合输出功率生成PFC开/关信号，以控制PFC的操作。例如，如果只有一个端口在使用，且所述端口的输出功率高于阈值功率，例如接近最大功率输出，例如为笔记本电脑充电的100W，则PFC开启。当多个USB端口在使用中，且组合输出功率大于指定的第一阈值(例如>50W)时，PFC开启。另一方面，如果一个或多个USB端口正在使用，并且其组合输出功率小于指定的第二阈值，例如<30W，则MCU操作以关闭PFC。如图3中示意性所示，功率管理电路130的MCU 132根据每个USB端口的操作状态输出PFC开/关触发信号134，以控制PFC开/关电路140。PFC接通/断开电路140控制到PFC 112的PFC控制器的电源电压Vcc_PFC。例如；PFC接通/断开电路接收电源电压VCC，例如来自隔离DC/DC转换器118。通过感应每个端口的操作状态和功率输出，即每个端口是否连接了最终用户设备，以及输出了多少功率，PMC130可以根据每个被通电设备的要求，管理通电和断电顺序，并智能地将可用功率分配到每个USB输出端口。PFC接通/断开电路140通过向PFC提供Vcc_PFC以基于多个USB端口的组合输出功率启动PFC(例如Vcc_PFC＝12V)或关闭PFC(Vcc_PFC＝0V)，用于PFC控制。
BFC 160操作时，PFC输出电压Vdc持续跟随输入交流电压VinAC。BFC160还接收电源电压Vcc_PFC，以便当PFC操作时，BFC接通并操作。使用BFC可提高效率，尤其是在低压AC输入下，例如在90Vac至115Vac范围内。下面将参考图6所示的示例性实施例的BFC更详细地描述BFC 160的操作。
图4显示了第一示例性实施例的多端口AC/DC PD适配器的功率级200的体系结构的电路示意图。功率级200包括功率因数校正电路212和包括QR反激转换器218的隔离DC/DC转换器。仅作为示例，本实施例包括双USB-C型输出端口1和2。总线电压Vbus通过各自的第一和第二大容量转换器220-1和220-2供应到第一和第二USB-C输出端口1和2，以向每个端口提供输出电压Vout。
功率级200还包括功率管理控制(PMC)230和升压跟随器电路(BFC)260。PMC 230包括微控制器单元(MCU)232和PFC接通/断开开关电路240。每个USB-C输出端口1和2包括电流感应电路和电压感应电路225-1和225-2，其与MCU接口，为每个端口向微控制器232提供电流感应信号和电压感应信号。微控制器232还具有集成电路间接口234-1和234-2，分别与第一和第二降压控制器222-1和222-2连接，例如使用I2C(I2C)协议。这些接口允许微控制器感应每个USB-C输出端口的输出状态，包括一个或两个输出端口是否处于活动状态，电流和电压感应输入用于确定每个输出端口的输出功率。基于每个端口的感应输出状态(操作状态为激活或非激活，以及相应的功率输出)，微控制器执行功率传递协议，所述协议提供PFC接通/断开触发信号236，例如，5V用于PFC接通，0V用于PFC断开。PFC接通/断开触发信号236被提供给PFC接通/断开开关电路的光隔离器238。PFC接通/断开电路包括晶体管开关Q4。Q4的栅极接收PFC接通/断开信号236以接通或断开Q4。Q4的漏极连接至从QR反激转换器接收的电源电压输入VCC_QR，Q4的源极连接至电源电压输出，以向PFC控制器提供Vcc_PFC。因此，PFC的电源电压Vcc_PFC由提供给Q4栅极的PFC开/关触发信号接通和断开。PMC 230使PFC能够响应于USB-C端口1和2中的每个的实时感应输出状态而接通和断开。
例如，MCU计算USB-C输出的总功率，并生成PFC开/关信号。功率分配仅由MCU根据输出功率进行控制，然后硬件电路控制Vcc_PFC，以打开/关闭PFC，如下所示：
·如果PFC On/Off＝5V，OP1和Q4导通，VCC_QR将向Vcc_PFC供电，PFC与BFC一起操作。
·如果PFC On/Off＝0V，OP1断开，晶体管Q4将Vcc_PFC与VCC_QR断开，PFC不操作；PFC关闭时，BFC也关闭。
PMC为一个或两个USB-C端口1和2提供可用电源的智能功率分配。由MCU执行的功率管理协议可以包括：1.启动模式；2.正常操作模式；以及3.待机模式，取决于检测到的操作状态和每个USB-C端口的输出功率。
对于示例双端口100W AC/DC PD适配器，一些示例输出状态场景如图5所示。在示例A.待机模式下，没有连接任何设备，USB C1和USB C2端口都处于空闲状态。在示例B中，使用单个USB端口，例如，可以选择USB C1或USB C2为一个用户设备供电，所述设备可以是任何类型的设备，最大输出功率为100W。如果只使用一个端口，PMC可以将最大可用功率100W引导至运行中的端口，例如，为笔记本电脑快速充电。PFC的开启或关闭取决于负载是否高于或低于规定的第一阈值，例如50W。在示例C中，两个USB端口都在使用，为不同的用户设备组合供电，例如：一台笔记本电脑(最大65W)和一台智能手机(最大30W)，或两台笔记本电脑(每个45W)，或两台智能手机或平板电脑(每个30W)。MCU执行的功率管理协议使电源能够均匀或不相等地分配到两个USB端口。当两个端口的总负载大于第一个阈值(例如50W)时，PFC开启。如果组合负载低于规定的第二阈值(例如30W)，PFC将关闭。
参考图4，MCU 232使用I2C(SCLx、SDAx)与降压型DC/DC控制器222-1和222-2通信。当插入一个或两个设备时(如图5示意图所示)，MCU将检测连接的设备和每个输出端口的功率(电压、电流)，确定并协商所需的功率管理协议，并通过I2C向每个降压DC/DC控制器222-1和222-2发送命令。降压型DC/DC转换器220-1和220-2随后将根据来自MCU的命令进行操作。
图4所示实施例的功率级还包括升压跟随器电路。对于通用AC/DC PD适配器，没有升压跟随器电路，Vdc通常设置为390V。升压跟随器电路提供输出DC电压Vdc，以持续跟随输入交流电压，例如基于感应Vrect。升压跟随器电路提高了效率，尤其是在低压AC输入时，例如在90Vac到115Vac范围内，因为当Vdc跟随Vac时，Vac和Vdc之间的差异较小。在图4所示实施例的功率级的变体中，可以省略升压跟随器电路。
参考图6描述BFC的操作。电阻器R1和R2形成电阻分压器，用于感应PFC的PFC输出电压，Vdc。电阻器R3和R4、电容器CS1和二极管D1用于感应AC输入峰值电压，即来自Vrect。偏置电流ibias与通过晶体管Q3、电阻器R6和齐纳二极管ZD1的交流峰值电压成反比，后者提供偏置电压。反馈信号FB与Vdc和AC输入电压一起形成。PFC输出电压Vdc等于：
Figure BDA0003547183590000141
在所述示例实施例中，Vref为2.5V，R2＝36kΩ,R1＝56MΩ.
图4和图6所示实施例的BFC设计用于使用分压器R3和R4、二极管D1和非常小的电容器C1(例如0.1μF)快速感应Vrect的峰值电压，从而提供AC输入电压的快速感应。BFC还接收电源电压Vcc_PFC，以便BFC根据PFC的电源电压Vcc_PFC打开和关闭。由于PFC和BFC由相同的电源电压Vcc_PFC控制，这意味着，如果PFC打开，BFC打开，当PFC关闭时，BFC关闭。此外，在本实施例中，齐纳二极管用于将Vcc_PFC调节至BFC的偏置电压，例如8.3V，以便BFC可用于向PFC控制器提供适当的反馈电压FB。这意味着本实施例的BFC电路被设计为在适用于控制不同PFC控制器范围的范围内提供反馈电压FB，而不使用PFC控制器的内部参考电压作为偏置电压。因此，选择示例性实施例的BFC的R3、R4、C1和R6的值，以便如果AC输入电压VinAC是90V到264V范围内的通用输入，则BFC可以适用于不同的PFC控制器。示例实施例的BFC如图所示。因此，通过使用外部偏置电压Vbias(例如，齐纳二极管的8.3V)，4和6提供了更大的灵活性，可通用于任何合适的PFC控制器接口，并提供快速、瞬时的交流电压输入感应，用于实时控制。
相比之下，传统的BFC(参考M.O’Loughlin，“简单电路使旧的PFC控制器在升压跟随器PFC应用中操作”)使用RC滤波器来感应AC输入电压，这提供了一个缓慢的响应，并获得平均的VinAC。此外，所述BFC电路使用来自PFC控制器的内部参考电压，特定于特定PFC控制器，这意味着必须调整电路的其它参数，以符合特定PFC控制器的要求。
图7和8示出了图4所示示例实施例的AC/DC PC适配器的一些示例数据，以说明BFC160的操作。图7显示了AC输入电压为90V、115V、230V和264V时ibias波形和VinAC波形的曲线图。如图所示，相对于230Vac和264Vac时的高压线输入，BFC在90Vac和110Vac时为低压线输入提供额外的偏置电流ibias。图8显示了Vdc和ibias与RMS VinAC的对应图。
PMC用于PFC开/关控制和智能功率分配的实用程序将参考示例100WPD适配器进行描述，所述适配器具有双USB-C端口，如图5所示，包括图4所示的功率级。PMC操作的协议将参考图9、10和11所示的流程图进行描述。在本实施例中，有三种操作模式：1.启动模式(图9)；2.正常操作模式(图10)；3.待机模式(图11)。MCU被配置为根据接收到的输入执行每种模式的控制协议，包括来自每个USB端口的电流感应信号和电压感应信号，以及通过MCU和每个大容量转换器控制器之间的I2C接口接收的关于操作状态的信息。
参考图9所示的流程图900，在启动模式下，在交流电源启动902时，QR反激变换器最初关闭(Vcc_QR＝0)，当Vdc超过100V时，在904时，QR反激变换器通过打开其电源启动，例如Vcc_QR＝12V。当QR反激完成启动并正常运行时，总线电压Vbus为22V。最初，PFC_开/关设置为0V，以便PFC在步骤906关闭。然后，启动模式进入步骤910，USB-C端口和功率分配(PD)协议识别。所述协议标识包括活动USB-C端口的标识，并根据一个或多个端口是否处于活动状态，协商每个端口的最大可用功率。
在步骤912，确定USB-C1是否激活，然后在步骤914，确定USB-C2是否激活。如果两个端口均未处于活动状态，则在步骤917，协议恢复到待机模式。如果USB-C1处于活动状态，而USB-C2处于非活动状态，则在920处识别USB-C1的单端口PD协议，最大输出功率定义为100W。相应地，在步骤913确定USB-C2是否激活，然后在步骤915确定USB-C2是否激活。如果USB-C2处于活动状态，而USB-C1处于非活动状态，则在921处，识别USB-C2的单端口PD协议，最大输出功率定义为100W。
如果在步骤918和919确定USB-C1和USB-C2都处于活动状态，则在922确定双端口设备PD协议，并为每个端口定义最大功率定义。
待机模式如图11中的流程图1100所示。待机模式包括定期监测每个端口的运行状态，例如使用监测周期时间/周期(例如40MS)实时更新正常运行状态或在待机模式下继续。
如图9所示，在步骤920或921，如果只有一个端口处于活动状态，协议继续为一个活动端口指定最大可用功率，例如100W。在步骤918或919的查询中，如果两个端口处于活动状态，则在步骤922，识别功率分配协议，以根据每个端口的负载向每个端口分配功率。基于来自每个USB-C端口的电流感应和电压感应的输入，在步骤930，计算每个端口的输出功率PO1和PO2，并计算总输出功率PO。尽管针对双端口PD适配器解释了本示例实施例的PD适配器的功率管理协议，但所述协议可以扩展到具有N个端口的多端口PD适配器，以确定N个端口中的每个端口的操作状态，并计算每个端口的输出功率，例如PO1、PO2…PON。在步骤930中，如果存在两个或更多活动端口，则计算所有操作端口的组合输出功率。
协议随后进入PFC操作定义940，所述定义确定PFC是开启还是关闭。在步骤942，存在确定组合输出功率Po是否大于第一阈值(例如>50W)的查询。如果Po大于第一阈值，则在944，通过将PFC开/关触发信号设置为例如5V，启动PFC开启协议，以便PFC开/关电路操作以向PFC提供电源电压Vcc_PFC，例如12V，以在步骤946启动PFC。在步骤948，BFC还接收电源电压Vcc_PFC，以便当PFC接通时，BFC也接通以实现升压跟随器模式948。然后，协议进入正常操作模式950。在步骤942，如果组合输出功率Po小于第一阈值，例如。≤50W，PFC保持关闭，或PFC关闭，例如，通过将PFC开/关触发信号设置为0V，PFC开/关电路在步骤947操作以向PFC提供电源电压Vcc_PFC＝0V，从而PFC和BFC关闭，PD适配器在非PFC模式949下操作。然后，协议进入正常操作模式950。
图10中的流程图1000示意性地说明了在步骤1002开始的正常操作模式下的一个循环(周期)。MCU周期性地监测每个USB端口的操作状态，以便在每个周期期间(例如，每个周期有40毫秒)，在步骤1004监测每个端口的实时操作状态。如果一个或两个USB端口处于活动状态，则执行USB-C端口和PD协议识别步骤1008，例如，如图9中步骤910的更详细说明。如果端口处于非活动状态，则在步骤1006，协议将所述端口恢复为待机模式。在步骤1010，用于每个端口的电流和电压的感应输入信号用于计算输出功率Po1和Po2，以确定组合输出功率Po。1020的下一个重要步骤是验证PFC开/关先决条件，所述先决条件确定PFC开/关触发信号是开(例如5V)还是关(0V)。在验证步骤1020之后，协议接着进入PFC开/关模式1030。例如，如果在步骤1020，PFC关闭(PFC_开/关＝0V)，并且在步骤1032，如果两个端口的总组合输出功率大于指定的阈值，例如>50W，则PFC在1034打开，BFC也在1036打开。PD适配器与PFC和BFC一起操作。在步骤1032，如果总输出功率小于第一阈值，例如<50W，则PFC保持关闭，并且协议在下一个操作模式循环中恢复到1002。
在1020，如果PFC开启(PFC_开启/关闭＝5V)，在步骤1033，如果两个端口的总组合输出功率低于规定的第二阈值，例如<30W，PFC在1035关闭，PD适配器在非PFC模式下运行(PFC和BFC关闭1037)。在步骤1033，如果总输出功率大于第二阈值，例如。≥30W PFC保持开启，协议恢复至1002，以进入下一个操作模式循环。
用于打开和关闭PFC的指定第一和第二阈值不同于一个滞后值，所述滞后值可被称为开关微分值。也就是说，这两个阈值相差一个滞后值，例如10W或20W，这足以避免PFC频繁开启和不必要地关闭的情况，例如，在总输出功率在不同周期之间的小波动期间。在每个循环的步骤1020中，通过验证PFC预处理的步骤来管理这种情况，以在操作PFC开/关模式1020之前验证PFC是否处于接通状态或断开状态。当当前运行状态适合维持现有的接通状态或断开状态时，这可避免不必要或不必要地接通和断开PFC。在正常操作模式下，例如使用40毫秒的循环时间，在每个循环期间，检测每个端口USB Cx的状态(例如，如果有N个端口，则检测每个端口USB-C1、USB-C2…至USB Cn的状态)，并确定PFC开/关前提条件为开或关；然后实施功率管理协议步骤以相应地管理PFC开/关模式1030。
为了说明功率级200的实用性，包括图4所示的第一示例实施例的PMC230(包括PFC控制和智能功率分配)和BFC 260(实现为双端口USB 100W PD适配器)，图12和13提供了示例性实施例的PD适配器的一些测试测量结果，以比较有无PMC(包括PFC开/关和SPD)以及可选地与BFC的操作。
图12显示了在不同VAC输入电压下，比较三种测试用例(带和不带SPD和BFC)的效率的一些曲线图。图13显示了在不同VAC输入电压下比较平均效率的一些曲线图。如图12所示的数据所示，对于在90VAC线路输入或115Vac线路输入和20V输出下运行，带有PMC(包括PFC开/关控制和SPD)的功率级在0.5A和2A(轻负载，例如10W到40W输出功率)之间的输出电流范围内提供显著的提高效率(4％-5％)。带有PMC和BFC的功率级可在0.5A到5A(10W到100W输出功率)的整个输出电流范围内提高效率。如图12所示的数据所示，对于在230Vac线路输入和264Vac线路输入下的操作，带有SPD的功率级在较低功率(例如0.5A至2A输出电流)下提供了3％的提高效率，而BFC对提高效率的贡献较小。这些结果也在图13所示的曲线图中进行了说明，图13显示了平均效率，即在10％、25％、50％和75％负载下，对于不同的Vac线路输入，有PMC和BFC，有PMC和无BFC，没有PMC和BFC时的平均效率。在较高的交流线路输入电压下，平均效率可提高1.5％，在较低的交流线路输入电压下，平均效率可提高3.5％。因此，包括PMC(包括PFC开/关控制和SPD)和BFC(包括PFC开/关控制和SPD)的示例性实施例的功率级提供智能功率分配，以适应一个或两个端口上的负载，以提供更高的轻负载效率，例如提高3％到5％，以及更高的满载效率，例如提高0.7％到1％。总的来说，平均效率提高了，效率提高了1.5％到3.5％，因此相应地节约了能源。
因此，示例性实施例的多端口SMPS，例如多端口USB-C PD适配器，其PMC包括PFCC和SPD，以及可选的BFC，可以提供增强的性能、改进的可靠性和控制多个端口之间的功率分配中的至少一个。通过参考多端口USB-C PD适配器(例如，为个人电子设备充电的100W最大输出)来举例说明示例性实施例。替代实施例的PD适配器可以包括其它类型的标准端口，这些端口通常用于为诸如电话、平板电脑和笔记本电脑之类的移动电子设备供电或充电。例如，这些端口可能是USB-C型端口、其它类型的USB端口、
Figure BDA0003547183590000191
端口，以及其它类型的端口，这些端口与当前PD标准或其它未来标准兼容/兼容，用于低功率应用，例如在最大输出100W或150W的范围内。在一些应用中，PD适配器可包括不同类型端口的组合，例如一个或多个USB-C端口，用于支持更高功率充电，例如高达100W或更高，用于笔记本电脑的快速充电，以及一个或多个USB-A端口，用于支持低功率充电，例如18W至30W，例如，对于不支持USB-C的旧设备，以及其它与USB-A配合使用且不需要超过30W的智能手机和外围设备。在支持这种类型应用的实施例的PD适配器中，可以实现由MCU执行的功率管理协议，以在只有两个低功率端口处于活动状态时关闭PFC，每个端口的最大功率输出为18W。如果一个或多个USB-C端口处于活动状态，用于为一个或多个需要总输出功率为的设备充电≥75W，为符合适用的PD标准，PFC开启。在包含不同类型的多个端口的任何应用中，如果只有低功率充电端口处于活动状态，且组合功率小于指定的低功率(秒)阈值，则PFC和BFC将关闭。如果所有类型端口的组合输出功率超过指定的高功率(第一)阈值，则PFC打开，如果包括PFC，则BFC也打开。
由于使用PMC(包括PFCC和SPC，以及可选的BFC)实现PD适配器已被证明能够提高低交流线路输入和低负载的效率，这种多端口SMPS设备体系结构提供了一种经济高效的解决方案，这可能特别有利于在较低的交流线路输入下实现较低功率应用的提高效率。例如，为一个或多个移动电子设备充电，如手机、平板电脑和笔记本电脑，最大输出功率可能超过75W，例如～100W峰值输出功率，PD标准要求PFC，用于北美和其它使用～120V AC的国家，在低负载时关闭PFC可以显著提高效率。
此外，虽然外部USB PD适配器是通过示例的方式描述的，但可以设想，其它示例性实施例的AC/DC SMPS可以是集成到AC墙壁插座中的单元或模块，包括用于有线充电移动设备和其它电子设备的多个USB充电端口。在其它示例实施例中，实现包括PFCC和SPC的PMC特征的AC/DC SMPS，以及可选的BFC，可以作为内置单元或模块来实现，所述内置单元或模块集成到家具中，例如桌子、床头柜/床头柜、咖啡桌中，或者集成到其它类型的电气装置中，例如台灯底座，例如，提供对分布在整个家庭或办公室环境中的多端口低压充电插座(如USB-C端口)的方便访问等。
尽管本发明的实施例已被详细描述和说明，但应清楚地理解，本发明的实施例仅作为说明和示例，而不作为限制，本发明的范围仅受所附权利要求书限制。

Claims (44)

1.一种多端口AC/DC开关电源(SMPS)，包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)，以及接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus的DC/DC转换器，每个输出端口包括提供输出电压Vout的DC/DC降压转换器，包括：
功率控制，包括微控制器单元(MCU)和PFC开/关控制电路，用于向所述PFC(PFC控制器)的控制器提供电源电压Vcc_PFC，以打开和关闭所述PFC；
每个所述输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
所述MCU具有用于从每个输出端口的所述电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个所述输出端口的所述DC/DC降压转换器的控制器的接口；
所述MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括根据每个输出端口的所述电流和电压感应信号计算的每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，和
根据所述输出状态，向所述PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号，以控制所述PFC控制器的所述电源电压Vcc_PFC，从而打开或关闭所述PFC。
2.根据权利要求1所述的多端口AC/DC SMPS，其中向所述PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号包括：
当组合输出功率大于第一阈值时，输出PFC开/关信号，所述PFC开/关信号接通所述PFC或将所述PFC保持在接通状态；和
当所述组合输出功率小于第二阈值时，输出PFC开/关信号，所述PFC开/关信号关闭所述PFC或将所述PFC保持在关闭状态。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的多端口AC/DC SMPS，其中所述功率管理协议包括：
当只有一个输出端口操作时，能够向所述一个输出端口提供最大输出功率；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在所述两个或多个操作输出端口之间分配所述最大输出功率。
4.根据权利要求3所述的多端口AC/DC SMPS，其中两个或多个输出端口之间的功率分配不相等。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多端口AC/DC SMPS，其中所述DC/DC转换器具有单端反激拓扑，所述单端反激拓扑包括准谐振反激拓扑、有源箝位反激拓扑或另一种单端反激拓扑。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多端口AC/DCSMPS，包括升压跟随器电路(BFC)。
7.根据权利要求6所述的多端口SMPS，其中所述BFC由所述电源电压Vcc_PFC控制，以便当所述PFC接通时所述BFC接通，当所述PFC断开时所述BFC断开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多端口AC/DC SMPS，其中所述功率管理协议包括：
启动模式；
正常操作模式；和
待机模式。
9.根据权利要求8所述的多端口AC/DC SMPS，其中在每个操作周期中，所述正常操作模式包括：
识别所述多个输出端口中的哪些是可操作的；
当所有输出端口均不操作时，恢复到待机模式；
当只有一个输出端口操作时，定义了对所述一个端口的最大可用功率的单端口功率分配；
当两个或多个输出端口操作时，定义所述两个或多个输出端口之间的多端口功率分配；
验证所述PFC的先决条件，以确定所述PFC是否开启
根据每个端口的所述感应输出电压和电流计算总输出功率；
确定所述总输出功率是高于还是低于第一阈值；且
当所述PFC关闭且总输出功率高于所述第一阈值时，打开所述PFC以PFC模式操作；或
当所述PFC开启且所述总输出功率低于所述第一阈值时，将所述PFC保持在关闭状态以在非PFC模式下操作；或
当所述PFC接通且总输出功率高于所述第一阈值时，将所述PFC保持在接通状态以在PFC模式下操作；或
当所述PFC开启且总输出功率低于第二阈值时，将所述PFC关闭至非PFC模式。
10.根据权利要求8所述的多端口AC/DC SMPS，其中所述启动模式包括：
在所述DC/DC转换器接通时，识别所述多个输出端口中的哪一个是可操作的；
当所有输出端口均不操作时，恢复到待机模式；
当只有一个输出端口操作时，定义了对所述一个端口的最大可用功率的单端口功率分配；
当两个或多个输出端口操作时，定义所述两个或多个输出端口之间的多端口功率分配；
根据每个端口的所述感应输出电压和电流计算总输出功率；
确定所述总输出功率是高于还是低于第一阈值；
当所述总输出功率高于所述第一阈值时，开启PFC；
当所述总输出功率低于所述第一阈值时，关闭PFC；以及
进入正常操作模式。
11.根据权利要求8所述的多端口AC/DC SMPS，其中待机模式包括定期监测所述输出状态，以确定一个或多个输出端口是否工作，以及一个或多个端口是否工作，进而进入启动模式或正常操作模式。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的多端口AC/DC SMPS，其中所述输出端口包括USB-C输出端口。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的多端口AC/DC SMPS，其中所述输出端口包括USB端口、
Figure FDA0003547183580000031
端口、与功率输出标准兼容的其它端口中的任意一个，以及其组合。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的多端口AC/DC SMPS，其为功率输出(PD)适配器。
15.一种用于多端口一种AC/DC开关电源(SMPS)的功率管理电路，其中所述SMPS包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)和DC/DC转换器，所述DC/DC转换器接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus，每个包括提供输出电压Vout的DC/DC降压转换器，所述功率管理/分功率分配路包括：
微控制器单元(MCU)和PFC开/关控制电路，用于向所述PFC的控制器(PFC控制器)提供电源电压Vcc_PFC，以打开和关闭所述PFC；
每个所述输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
所述MCU具有用于从每个输出端口的所述电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个所述输出端口的所述DC/DC降压转换器的控制器的接口；
所述MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括根据每个输出端口的所述电流和电压感应信号计算的每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，和
根据所述输出状态，向所述PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号，以控制所述PFC控制器的所述电源电压Vcc_PFC，从而打开或关闭所述PFC。
16.根据权利要求15所述的功率管理电路，其中向所述PFC开/关控制电路输出PFC开/关触发信号包括：
当组合输出功率大于第一阈值时，输出PFC开/关信号，所述PFC开/关信号接通所述PFC或将所述PFC保持在接通状态；和
当所述组合输出功率小于第二阈值时，输出PFC开/关信号，所述PFC开/关信号关闭所述PFC或将所述PFC保持在关闭状态。
17.根据权利要求15和16中任一项所述的功率管理电路，其中所述功率管理协议包括：
当只有一个输出端口操作时，能够向所述一个输出端口提供最大输出功率；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在所述两个或多个操作输出端口之间分配最大输出功率。
18.根据权利要求17所述的功率管理电路，其中两个或多个输出端口之间的功率分配不相等。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的功率管理电路，其中所述DC/DC转换器具有单端反激拓扑，其包括准谐振反激拓扑、有源箝位反激拓扑或另一种类型的反激拓扑。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的功率管理电路，包括升压跟随器电路(BFC)。
21.根据权利要求20所述的功率管理电路，所述BFC由所述电源电压Vcc_PFC控制，使得当所述PFC打开时所述BFC打开，当所述PFC关闭时所述BFC关闭。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的功率管理电路，其中所述功率管理协议包括：
启动模式；
正常操作模式；和
待机模式。
23.根据权利要求22所述的功率管理电路，其中所述正常操作模式包括，在每个操作周期中，
识别所述多个输出端口中的哪些是可操作的；
当所有输出端口均不操作时，恢复到待机模式；
当只有一个输出端口操作时，定义了对所述一个端口的最大可用功率的单端口功率分配；
当两个或多个输出端口操作时，定义所述两个或多个输出端口之间的多端口功率分配；
验证所述PFC的先决条件，以确定所述PFC是否开启
根据每个端口的所述感应输出电压和电流计算总输出功率；
确定所述总输出功率是高于还是低于第一阈值；且
当所述PFC关闭且总输出功率高于所述第一阈值时，打开所述PFC以PFC模式操作；或
当所述PFC开启且所述总输出功率低于所述第一阈值时，将所述PFC保持在关闭状态以在非PFC模式下操作；或
当所述PFC接通且总输出功率高于所述第一阈值时，将所述PFC保持在接通状态以在PFC模式下操作；或
当所述PFC开启且所述总输出功率低于第二阈值时，将所述PFC关闭至非PFC模式。
24.根据权利要求22所述的功率管理电路，其中所述启动模式包括：
在所述DC/DC转换器接通时，识别所述多个输出端口中的哪一个是可操作的；
当所有输出端口均不操作时，恢复到待机模式；
当只有一个输出端口操作时，定义了对所述一个端口的最大可用功率的单端口功率分配；
当两个或多个输出端口操作时，定义所述两个或多个输出端口之间的多端口功率分配；
根据每个端口的所述感应输出电压和电流计算总输出功率；
确定所述总输出功率是高于还是低于第一阈值；
当所述总输出功率高于所述第一阈值时，开启PFC；
当所述总输出功率低于所述第一阈值时，关闭PFC；以及
进入正常操作模式。
25.根据权利要求22所述的功率管理电路，其中待机模式包括定期监测所述输出状态，以确定一个或多个输出端口是否操作，以及一个或多个端口是否操作，然后进入启动模式或正常操作模式。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的功率管理电路，其中所述输出端口包括USB-C输出端口。
27.根据权利要求15至25中任一项所述的功率管理电路，其中所述输出端口包括USB端口、
Figure FDA0003547183580000061
端口、与功率输出标准兼容的其它端口中的任意一个，以及其组合。
28.根据权利要求15至27中任一项所述的功率管理电路，集成为功率输出(PD)适配器的一部分。
29.一种操作多端口AC/DC SMPS的方法，包括功率因数校正(PFC)，并提供最大输出功率≥75W至多个输出端口，包括：
在功率管理控制电路的微处理器单元(MCU)中，监测每个输出端口的操作状态以及提供给每个输出端口的电流和电压；
根据提供给每个输出端口的所述电流和电压计算每个输出端口的输出功率；和
基于每个输出端口的操作状态，以及提供给每个输出端口的组合输出功率，执行功率管理协议，包括：
当所述组合输出功率大于第一阈值时，将PFC开/关触发信号输出到PFC开/关电路以接通PFC或将所述PFC保持在接通状态；
当所述组合输出功率小于第二阈值时，向所述PFC开/关电路输出PFC开/关触发信号，以关闭PFC或将所述PFC保持在关闭状态。
30.根据权利要求29所述的方法，包括：
当只有一个输出端口操作时，使所述最大输出功率能够提供给所述一个输出端口；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在所述两个或多个操作端口之间分配所述最大输出功率。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述功率分配包括对所述两个或多个端口的不相等功率分配。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，其中所述多端口AC/DC SMPS包括升压跟随器电路(BFC)，并且包括在PFC开启时开启所述BFC，在PFC关闭时关闭所述BFC。
33.一种用于多端口AC/DC SMPS的功率管理电路，所述多端口AC/DC SMPS包括功率因数校正(PFC)，并供应最大输出功率为≥75W至多个输出端口，所述功率管理电路包括：
微处理器控制单元(MCU)，具有用于监测每个输出端口的操作状态的接口，以及用于从每个端口接收电压感应和电流感应信号的输入，
PFC接通/断开电路，用于控制到所述PFC的电源电压以接通和断开所述PFC；
所述MCU被配置为实施根据权利要求29至33中任一项所述的方法。
34.一种多端口USB功率输出(PD)适配器，包括根据权利要求1至13中任一项所述的多端口AC/DC SMPS。
35.一种多端口功率输出(PD)适配器，包括根据权利要求15至27中任一项所述的功率管理电路。
36.一种用于根据权利要求1至14中任一项所述的多端口AC/DC SMPS的升压跟随器电路，包括：
第一分压器，包括电阻器R1和R2，用于感应PFC输出电压Vdc；
第二分压器，包括电阻器R3和R4、二极管D1和电容器C1，用于感应来自Vrect的ACC输入峰值电压；
晶体管Q3、电阻器R6和齐纳二极管ZD1，被配置为提供偏置电流ibias，其中所述偏置电流ibias与通过所述晶体管Q3、电阻器R6和齐纳二极管ZD1的AC峰值电压成反比，其提供偏置电压；且
其中向所述PFC控制器提供反馈信号FB，所述PFC输出电压Vdc随输入AC电压变化，等于：
Figure FDA0003547183580000081
37.根据权利要求36所述的升压跟随器电路，由与所述PFC相同的电源电压Vcc_PFC控制，因此当所述PFC接通时，所述BFC接通，当所述PFC断开时，所述BFC断开。
38.根据权利要求36和37中任一项所述的升压跟随器电路，包括如图6所示的实施例。
39.一种多端口AC/DC开关电源(SMPS)，包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)，和接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus的DC/DC转换器，每个输出端口包括提供输出电压Vout的DC/DC转换器，包括：
功率控制，包括微控制器单元(MCU)和PFC开/关控制电路，所述PFC开/关控制电路包括打开和关闭所述PFC的装置；
每个所述输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
所述MCU具有用于从每个输出端口的所述电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个所述输出端口的所述DC/DC转换器的控制器的接口；
所述MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括根据每个输出端口的所述电流和电压感应信号计算的每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率，和
根据所述输出状态，向所述PFC开/关控制电路输出触发信号，以打开或关闭所述PFC。
40.一种用于多端口AC/DC开关电源(SMPS)的功率管理电路，其中所述SMPS包括用于将AC输入电压转换为DC电压Vdc的功率因数校正电路(PFC)和DC/DC转换器，所述DC/DC转换器接收Vdc并向多个输出端口提供总线电压Vbus，每个包括提供输出电压Vout的DC/DC转换器，所述功率管理/分功率分配路包括：
微控制器单元(MCU)和PFC接通/断开控制电路，包括接通和断开所述PFC的装置；
每个所述输出端口包括输出电流感应和电压感应信号的电流感应电路和电压感应电路；
所述MCU具有用于从每个输出端口的所述电流感应电路和电压感应电路接收所述电流感应和电压感应信号的输入，并且具有到每个所述输出端口的所述DC/DC转换器的控制器的接口；
所述MCU被配置为执行功率管理协议，包括：
获得输出状态，包括根据每个输出端口的所述电流和电压感应信号计算的每个输出端口的操作状态和每个输出端口的输出功率和
根据所述输出状态，向所述PFC开/关控制电路输出触发信号，以打开或关闭所述PFC。
41.一种操作多端口AC/DC SMPS的方法，所述多端口AC/DC SMPS包括功率因数校正(PFC)并提供多个输出端口，所述方法包括：
在功率管理控制电路的微处理器单元(MCU)中，监测每个输出端口的操作状态以及提供给每个输出端口的电流和电压；
根据提供给每个输出端口的所述电流和电压计算每个输出端口的输出功率；和
基于每个输出端口的所述操作状态，以及提供给每个输出端口的组合输出功率，执行功率管理协议，包括：
当所述组合输出功率大于第一阈值时，将触发信号输出到PFC开/关电路以接通PFC或将所述PFC保持在接通状态；
当所述组合输出功率小于第二阈值时，向所述PFC开/关电路输出触发信号，以关闭PFC或将所述PFC保持在关闭状态。
42.根据权利要求41所述的方法，包括：
当只有一个输出端口操作时，使所述最大输出功率能够提供给所述一个输出端口；和
当两个或多个输出端口操作时，允许在所述两个或多个操作端口之间分配最大输出功率。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述功率分配包括对所述两个或多个端口的不相等功率分配。
44.一种用于一种多端口AC/DC SMPS的功率管理电路，所述多端口AC/DC SMPS包括功率因数校正(PFC)并提供多个输出端口，所述功率管理电路包括：
微处理器控制单元(MCU)，具有用于监测每个输出端口的操作状态的接口，以及用于从每个端口接收电压感应和电流感应信号的输入，
PFC接通/断开电路，包括用于接通和断开功率管理电路PFC的装置；以及
所述MCU被配置为实施根据权利要求41至43中任一项所述的方法。
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