CN1291820A - 功率控制方法和电路以及电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于控制电源的输出的功率控制电路,其中具有根据输入的温度信息可变地设置最大额定输出的设置部分。

Description

功率控制方法和电路以及电源装置

本发明一般涉及功率控制方法和电路以及电源装置，尤其涉及可以设置额定输出的功率控制方法和电路以及电源装置。

电子设备例如便携式或膝上型个人计算机被如此设计，使得它们可以使用电源装置例如交流适配器作为其电源。这种电源装置被设计使得满足对电源的规定，从而可以供应由电子设备所需的最大功率。

一般地说，电源装置例如交流适配器提供被称为额定输出的预定的输出电压和预定的输出电流。即使电源装置被在额定输出下连续地使用时，电源装置也能确保其使用寿命、温升等处于预定的允许范围之内。

在电源装置例如交流适配器中，由于需要确保在额定输出下连续工作，所以存在对电源装置的尺寸、成本等的限制。当在额定输出下连续操作电源装置时，由电源装置内的电源电路产生的热量而引起的电源装置的温升尤其成为问题。

在另一方面，当研究电子设备例如便携或膝上型个人计算机的操作时，实际上不会发生在额定输出下连续工作。例如，在便携或膝上型个人计算机内的电路是由各种电路元件构成的，但并不是所有这些电路元件都连续地工作。便携或膝上型个人计算机的操作取决于其运行的应用程序，并且在膝上型个人计算机内工作的电路根据运行的应用程序随时都在改变。

当便携或膝上型个人计算机使用其通信功能例如和互联网相连以及进行计算机之间的通信时，和用于连接便携或膝上型个人计算机和电话线路的调制解调器相关的电路工作，而当不使用通信功能时，和调制解调器相关的电路则不工作。类似地，当便携或膝上型个人计算机通过执行一个程序读应用程序或者写数据时，与用于进行关于硬盘驱动器的读写操作相关的电路工作，而当该程序正在进行大量的计算，或者正在等待便携或膝上型个人计算机的操作者的输入时，与用于进行关于硬盘驱动器的读写操作相关的电路不工作。

因而，便携或膝上型个人计算机的功率消耗根据运行的程序随时都在改变，和最大的功率消耗相比，便携或膝上型个人计算机的平均功率消耗是相当低的。平均功率消耗大约为最大功率消耗的一半。

为了减少交流适配器的尺寸、重量和成本，例如，可以想到根据便携或膝上型个人计算机的功率消耗的实际状态限制交流适配器可以连续工作的额定功率，以此作为符合交流适配器的规定的额定输出，使得在极其有限的短的时间内，可以从交流适配器获得大于额定输出的功率。不过，当交流适配器被这样构成，使得可以获得大于额定输出的功率时，则使用大于额定输出的功率的时间不受使用该交流适配器的便携或膝上型个人计算机的设计的限制。换句话说，由便携或膝上型个人计算机使用的功率在很大程度上取决于操作应用程序和便携或膝上型个人计算机所使用的方式。结果，确保大于额定输出的功率被使用的时间被限制于极短的时间实际上是不可能的。此外，在便携或膝上型个人计算机使用不同于原来设计用于便携或膝上型个人计算机的交流适配器的那种交流适配器的情况下，不可能把使用大于额定输出功率的时间限制于极短的时间。

即使交流适配器在额定输出下被长时间地使用也不会发生问题。不过，当交流适配器被长时间地用于大于额定输出的功率下时，则由于交流适配器内部的电源电路产生的热量而使交流适配器发热异常。当交流适配器异常发热时，交流适配器可以击穿，或者发生不正常的操作，因而引起使用交流适配器的便携或膝上型个人计算机操作错误或故障。在最坏的情况下，交流适配器由于过热可以引起火灾。因此，虽然可以利用上述可以想到的方法减少交流适配器的尺寸、重量和成本，但是，不可能保证交流适配器的稳定和安全地操作。此外，可以想到的方法的不实际之处在于，使用这种交流适配器的便携或膝上型个人计算机的保护是不够的。

按照常规的功率控制方法，通过考虑上述的问题，获得了使用这种电源装置的电气设备的最大功率消耗，并且电源装置的额定输出被这样设置，使得即使电子设备在最大功率消耗下连续工作长的时间，在电源装置内的电源电路也不会异常发热或者被击穿。这种电源装置使用一种开关调节器。

不过，通过考虑电子设备的最大功率消耗来设计电源装置时，存在的一个问题是难于减少电源装置的尺寸、重量和成本。此外，还有另外一个问题是不可能保证电源装置的操作的稳定和安全、此外，还有另外一个问题是，不可能足够地保护使用这种电源装置的电子设备。

因而，本发明的一般目的是提供一种新的实用的功率控制方法和电路以及电源装置，其中可以消除上述问题。

本发明的另一个并且更为特定的目的在于提供一种功率控制方法和电路以及电源装置，其可以减少电源装置的尺寸、重量和成本，并确保电源装置的操作稳定而安全，并且能够足够地保护使用这种电源装置的电子设备。

本发明的另一个目的在于提供一种功率控制方法，用于控制电源的输出，其中包括根据温度可变地设置最大额定输出的设置步骤。按照本发明的功率控制方法，在一个允许的时间内，允许存在超过额定输出的一个过载状态，并且如果过载状态持续一个超过允许时间的时间，则减少最大允许额定输出，使得电源电路的异常温升可以通过使用相当简单的结构而被可靠地阻止。

电源的输入可以是交流输入或者是直流输入，并且功率控制方法还可以包括用于把交流或者直流输入转换为和所述输入不同的直流输出的转换步骤。在这种情况下，可以实现小型的、成本低的交流适配器或直流适配器，并且可以保证稳定而安全的工作。

本发明的另一个目的在于提供一种用于控制功率输出的功率控制电路，所述功率控制电路包括一个设置部分，用于根据输入的温度信息可变地设置最大额定输出。按照本发明的功率控制电路，在一个可允许的时间内，允许一个超过额定输出的过载状态，并且如果过载状态持续一个超过允许时间的时间，则最大的可允许的额定输出被减少，从而使得利用相当简单的结构可靠地阻止电源电路的异常温升。

本发明的另一个目的在于提供一种电源装置，所述电源装置把来自电源的交流或直流输入转换为和所述输入不同的直流输出，其包括一个功率控制电路，用于根据输入的温度信息可变地设置最大额定输出。按照本发明的电源装置，在一个可允许的时间内，允许一个超过额定输出的过载状态，并且如果过载状态持续一个超过允许时间的时间，则最大的可允许的额定输出被减少，从而使得利用相当简单的结构可靠地阻止电源电路的异常温升。

本发明的其它的目的和特征通过结合附图阅读下面的说明将会更加清楚地看出。

图1表示按照本发明的电源装置的第一实施例；

图2表示第一实施例的功率控制电路的结构的一个实施例；

图3表示当用于确定交流适配器的输出电流的参考电压是固定的情况下的交流适配器的输出特性；

图4表示具有一个过载状态范围的交流适配器的输出特性；

图5根据温度而改变的热电阻的电阻；

图6表示根据温度变化确定交流适配器的输出电流的参考电压的变化；

图7表示当控制交流适配器的输出电压时被输入给PWM控制电路的电压；

图8表示当控制交流适配器的输出电流时被输入给PWM控制电路的电压；

图9表示第一实施例中交流适配器的输出特性；

图10表示在按照本发明的电源装置的第二实施例中的功率控制电路的结构的实施例；以及

图11表示按照本发明的电源装置的第三实施例。

下面参照附图说明按照本发明的功率控制方法、功率控制电路和电源装置的实施例。

图1表示按照本发明的电源装置的第一实施例。电源装置的第一实施例使用按照本发明的功率控制方法的第一实施例和按照本发明的功率控制电路的第一实施例。在这第一实施例中，本发明应用于利用开关调节器把交流输入转换成直流输出的交流适配器。

在图1中，交流适配器包括用于对商用交流输入进行整流的整流电路1，电压转换器电路2，用于把通过整流电路1而获得的交流输入转换成具有不同电压的直流输出，整流电路3，用于整流通过电压转换电路2而获得的直流输出，输出控制电路4，用于控制通过整流电路3获得的直流输出，耦合器5，用于把通过整流电路3获得的直流输出的状态反馈给电压转换电路2，以及温度检测器电路6，用于检测交流适配器内的温度。

整流电路1包括整流二极管D1-D4，以及滤波电容器C1，用于滤波被整流的交流输入，其连接如图1所示。电压转换电路2包括电压转换变压器T1，用于切断／接通流过变压器T1的电流的晶体管Tr1，以及用于控制晶体管Tr1的通断状态的驱动电路21，它们的连接如图1所示。

整流电路3包括整流二极管D5，和滤波电容C2，用于滤波从电压转换电路2获得的并被整流二极管D5整流的直流输出，其连接如图1所示。输出控制电路4包括用于检测通过整流电路3获得的直流输出的检测电阻R0，以及功率控制电路41，用于控制交流适配器的输出电流和输出电压，其连接如图1所示。所述功率控制电路41形成一个设置部分，用于根据温度信息可变地设置交流适配器的最大额定输出。

耦合器5由公知的电路构成，其用于把电压转换电路2的变压器T1的二次侧上的输出控制状态传递给变压器T1的一次侧。所述耦合器5接收功率控制电路41的输出。为了使变压器T1的一次侧和二次侧绝缘，耦合器5例如使用光耦合器。如后所述，温度检测器6通过检测交流适配器内部的温度而获得温度信息，并把该信息提供给输出控制电路4内的功率控制电路41。温度检测器6只需要被简单地提供在交流适配器内，并且温度检测器6的位置不限于交流适配器内部的特定位置。不过，最好把温度检测器6设置在交流适配器内在电路工作时发热的位置，即设置在功率控制电路41附近。

图2表示被用于这个第一实施例中的输出控制电路4内的功率控制电路41的结构。功率控制电路41包括电压放大器AMP1，误差放大器ERA1和ERA2，三角波发生器42，脉宽调制(PWM)控制电路43，和端子44到48，其连接如图2所示。在本实施例中，功率控制电路41由一个半导体集成电路器件即一个半导体芯片构成。这种半导体芯片也可以包括整流电路1和3与／或电压转换电路2的电路元件。

端子46和47分别和检测电阻R0的两端以及电压放大器AMP1的反相输入端、同相输入端相连。电压放大器AMP1测量由通过检测电阻R0的电流引起的电压降，并输出和流过检测电阻R0的电流成正比的电压。误差放大器ERA1比较输入到同相输入端的电压放大器AMP1的输出电压和输入到反相输入端的参考电压e3’，并向PWM控制电路43输入一个输出误差电压。输入到端子44的参考电压e3’确定交流适配器的输出电流。所述参考电压e3’通过对来自电压源e3的参考电压e3由电阻R1和热敏电阻Th1进行分压来获得。在另一方面，误差放大器ERA2比较由端子47输入到反相输入端的电压和由端子45输入到同相输入端的参考电压e2，并向PWM控制电路43输入一个输出误差电压。输入到端子45的参考电压e2由参考电压源e2获得，该电压确定交流适配器的输出电压。

PWM控制电路43具有两个同相输入端，它们分别接收误差放大器ERA1、ERA2的输出误差电压，以及一个反相输入端，其接收来自三角波发生器42的三角波电压。PWM控制电路43是一种电压比较器，并根据输入电压控制输出脉冲宽度的导通时间。PWM控制电路43的输出脉冲电压从端子48输出，并被输入到图1所示的耦合器5。

在本实施例中，交流适配器的额定输出是16V／3。0A，其中16V的输出电压由参考电压e2确定，而3．0A的输出电流基本上由参考电压e3’确定。为了方便，如果假定参考电压e3’是是固定的，则如果电子设备的负载或者和交流适配器相连的负载处于需要超过3．0A的输出电流的过载状态时，额定输出电流被限制为3．0A，并且交流适配器的输出电压将减小。因为交流适配器的输出电压降低，所以阻止了过载状态下交流适配器的异常发热。

不过，如果参考电压e3’被固定，因为交流适配器的额定输出是16V／3．0A，所以由使用这种交流适配器的电子设备消耗的最大电流不会超过3．0A。在超过3．0A的过载状态下，交流适配器的输出电压将降低。因而，如果负载所需的输出电流是3．0A或者更小，则交流适配器的输出特性如图3所示。在另一方面，如果负载所需的输出电流超过3．0A，则发生图4所示的由阴影所示的过载状态的区域。如果交流适配器能够在该区域内连续工作超过一个预定时间，则交流适配器将异常发热。在图3和图4中，纵轴表示交流适配器的输出电压，横轴表示交流适配器的输出电流。

在另一方面，按照这个第一实施例，参考电压e3’根据交流适配器内的温度改变。热敏电阻Th1的电阻根据交流适配器内的温度而改变。更具体地说，热敏电阻Th1的电阻当温度低时变大，当温度高时变小。结果，通过由电阻R1和热敏电阻Th1分压的参考电压在温度高时变低，在温度低时变高。

图5是表示根据温度而改变的热敏电阻Th1的电阻的曲线。更具体地说，图5表示热敏电阻Th1的电阻ThR和输出电压ThO随温度而变化的曲线。

此外，图6是决定交流适配器的输出电流的参考电压e3’的随温度的变化曲线。在图6中，纵轴表示电压，横轴表示温度。

因此，按照这个第一实施例，如果在检测电阻R0上的电压降当和参考电压e3’比较时较大，误差放大器ERA1输出一个低电压，如果所述电压降当和参考电压e3’比较时较小，则输出一个高电压。此外，如果在和端子47相连的检测电阻R0的端子上的电压当和参考电压e2比较时较大，则误差放大器ERA2输出一个低电压，如果在和端子47相连的检测电阻R0的端子上的电压当和参考电压e2比较时较小，则误差放大器ERA2输出一个高电压。

因此，当控制交流适配器的输出电压时，误差放大器ERA1和ERA2的输出电压ERA1和ERA2以及三角波发生器42的输出的三角波电压将如图7(a)所示，并且PWM控制电路43的输出电压PWM成为如图7(b)所示的脉冲电压。此外，当控制交流适配器的输出电流时，误差放大器ERA1和ERA2的输出电压ERA1和ERA2以及三角波发生器42的输出的三角波电压将如图8(a)所示，并且PWM控制电路43的输出电压PWM成为如图8(b)所示的脉冲电压。在图7和图8中，纵轴代表电压的幅值，横轴代表时间。

因而，当交流适配器内的温度低时，可以使用的超过交流适配器的额定输出电流的最大额定输出电流增加。在另一方面，当交流适配器内的温度高时，参考电压e3’随温度的升高而减少，并且交流适配器的输出电流根据参考电压e3’而被限制。因而，当在交流适配器内的温度高时，交流适配器的最大额定输出电流减少。

结果，交流适配器的输出特性如图9所示。在图9中，纵轴代表交流适配器的输出电压，横轴代表交流适配器的输出电流。如上所述，在本实施例中的交流适配器的额定输出被这样设置，使得额定输出电压是16V，额定输出电流是3．0A。图9表示即使在交流适配器内的温度是60℃时，在交流适配器的所述额定输出时也能保证其连续工作。

因此，当交流适配器内的温度是25℃时，即使原始额定输出是16V／3．0A，本实施例也可以允许最大额定输出电流超过额定输出而达到5．0A。当交流适配器在5．0A的最大额定电流下连续使用一个预定的时间时，交流适配器内的温度上升到45℃，对于过载可以允许的最大额定电流被减少到4．0A，使得交流适配器的操作朝向减少其内部的温度的方向进行。如果交流适配器的过载状态在这种状态下被消除，则交流适配器内部的温度停止上升。在另一方面，如果过载状态没有消除，而在其内部的温度上升到45℃的时刻继续过载，则交流适配器内的温度继续上升，并且当交流适配器内的温度上升到60℃时，最大额定电流被限制到3．0A。这种状态相应于交流适配器的额定输出状态，因此，交流适配器内部的温度不会高于60℃。

按照本实施例，根据交流适配器内部的温度，可以可变地设置最大额定电流。因而，即使超过额定电流的过载状态在允许的时间内继续，也能维持交流适配器的最大额定电流。在另一方面，如果过载状态继续超过允许的时间，则最大额定电流被自动地减少，使得交流适配器内的温度不会异常地升高。

在本实施例以及后面要说明的每个实施例中，热敏电阻Th1用作温度检测器6。不过，温度检测器6当然不限于热敏电阻Th1，可以使用能够检测温度的任何合适的元件或器件作为温度检测器6。例如，利用塞贝克效应的热电偶可以用作温度检测器6。

下面说明按照本发明的电源装置的第二实施例。电源装置的第二实施例使用按照本发明的功率控制方法的第二实施例和按照本发明的功率控制电路的第二实施例。在这个第二实施例中，本发明也适用于利用开关调节器把交流输入转换为直流输出的交流适配器。

电源装置的第二实施例的基本结构和图1所示的第一实施例的基本结构相同，因而省略对所述结构的说明和解释。在这第二实施例中，使用图10所示的功率控制电路41-1代替图2所示的功率控制电路41，和图2相同的部件用相同的标号表示，并且不再进行说明。

如图10所示，第二实施例的功率控制电路41-1还包括端子49，并且使用3个输入误差放大器ERA1-1代替图2所示的误差放大器ERA1。参考电压e1被输入到端子49，并被输入到误差放大器ERA1-1的第二同相输入端。因而，在误差放大器ERA1-1中，当参考电压e3’低于参考电压e1时，则使用参考电压e3’和电压放大器AMP1的输出电压比较，而当参考电压e3’高于参考电压e1时，则使用参考电压e1和电压放大器AMP1的输出电压比较。产生和流过检测电阻R0的电流成正比的电压的电压放大器AMP1的输出电压被输入到误差放大器ERA1-1的反相输入端。结果，依赖于输入到误差放大器ERA1-1的同相输入端的输出电流成为交流适配器的输出电流。

因此，当交流适配器内的温度低时，超过额定输出电流的可用最大额定输出电流成为大的，但是在某个温度下被限制于由参考电压e1决定的电流。在另一方面，当在交流适配器内的温度高时，参考电压e3’随温度升高而减少，因而交流适配器的输出电压根据参考电压e3’被限制，借以使交流适配器的最大额定输出电流变小。因而，交流适配器的输出特性如图9所示，其和上述的第一实施例的类似。

下面说明按照本发明的电源装置的第三实施例，本发明的电源装置的第三实施例使用按照本发明的功率控制方法的第三实施例，和按照本发明的功率控制电路的第三实施例。在第三实施例中，本发明应用于一种直流适配器，其将直流输入转换为和所述直流输入不同的直流输出。

图11是表示电源装置的第三实施例的电路图。在图11中，和图1相同的部件用相同的标号表示，并且不再进行说明。在第三实施例中，从直流电源50例如汽车电池获得直流输入。所述直流输入被直接地输入到电压变换器电路2。因而，由输出控制电路4获得和直流输入不同的直流输出。换句话说，第三实施例基本上具有和上述的第一实施例相同的结构，只是图1中的整流电路1在第三实施例中被省略了。

此外，本发明不限于这些实施例，不脱离本发明的范围和构思可用作出各种改变和改型。

Claims (11)

1．一种用于控制电源的输出的功率控制方法，其特征在于包括根据温度可变地设置最大额定输出的设置步骤。

2．如权利要求1所述的功率控制方法，其中电源的输入是交流输入或者是直流输入，其特征在于还包括用于把交流或者直流输入转换为和所述输入不同的直流输出的转换步骤。

3．如权利要求1或2所述的功率控制方法，其特征在于所述设置步骤根据温度可变地设置最大额定电流。

4．一种用于控制电源的输出的功率控制电路，其特征在于所述功率控制电路包括一个设置部分，用于根据输入的温度信息可变地设置最大额定输出。

5．如权利要求4所述的功率控制电路，其中电源的输入是交流输入或者是直流输入，其特征在于还包括一个控制电路，用于把交流或者直流输入转换为和所述输入不同的直流输出。

6．如权利要求4或5所述的功率控制电路，其特征在于所述设置部分根据输入的温度信息可变地设置最大额定电流。

7．如权利要求4所述的功率控制电路，其特征在于所述设置部分根据输入的温度信息和参考信息可变地设置最大额定输出，所述参考信息表示输出电流和／或输出电压的额定值。

8．一种用于把来自电源的交流或直流输入转换为和所述输入不同的直流输出的电源装置，其特征在于其包括一个功率控制电路，用于根据输入的温度信息可变地设置最大额定输出。

9．如权利要求8所述的电源装置，其特征在于所述功率控制电路根据输入的温度信息可变地设置最大额定电流。

10．如权利要求8所述的电源装置，其特征在于所述功率控制电路根据输入的温度信息和参考信息可变地设置最大额定输出，所述参考信息表示功率控制电路的输出电流与／或输出电压的额定值。

11．如权利要求8到10中任何一项所述的电源装置，其特征在于还包括一个温度检测器，用于检测温度并对所述功率控制电路输入温度信息。

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