CN216414153U - 具有假性负载的转换电路及电力传输控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有假性负载的转换电路包括变压器、初级侧电路、次级侧电路、输出路径、电力传输控制器及初级侧控制单元。初级侧电路用以接收输入电能，且输出路径的传输接口可供负载进行交握程序。电力传输控制器可透过交握程序而得知负载所需求的输出电压值而相应地提供回授信号，且初级侧控制单元根据该回授信号控制初级侧电路，以控制转换电路转换输入电能为输出电压值。当输出电压值低于预定电压下限值时，且提供至负载的输出电流值也低于预定电流下限值时，电力传输控制器对输出路径抽取假性负载电流。

Description

具有假性负载的转换电路及电力传输控制器

技术领域

本实用新型系有关一种转换电路及电力传输控制器，尤指一种具有假性负载的转换电路及电力传输控制器。

背景技术

在现有技术的电力转换电路中，通常必须要使用控制器来控制电力转换电路，用以将输入电力转换为输出电力。而为了维持控制器可顺利启动，则通常需要使用额外的辅助绕组来耦合电力转换电路中的功率电感或变压器，以额外感应一组工作电压对控制器供电。然而，在USB PD(USB Power Delivery)的电力转换电路应用中，由于电力转换电路的输出电压值是根据负载与电力转换电路交握沟通后而决定，因此输出电压值可能有高有低。由于电力转换电路会因应负载的需求而调整输出电压值，因此工作电压的大小会受到输出电压值的大小而改变。

如图1所示为现有技术的转换电路对初级侧控制单元供电的工作电压波形图。在输出电压值较低的时候，通常工作电压Vcc也随之较低，因此工作电压可能容易接近而落入欠压锁定(Under-voltage-Lockout；UVLO)的电压准位。当工作电压Vcc低于欠压锁定时，初级侧控制单元因工作电压Vcc不足而被迫关闭，造成整个转换电路失效的状况。然而，当工作电压Vcc较低，且转换电路的输出又为空载时，初级侧控制单元所提供的脉宽调变信号PWM较为松散(如时间t1所示)，造成工作电压Vcc在此状况下容易因充电不及而碰触到欠压锁定(UVLO(off))，进而造成整个转换电路失效的状况。

所以，如何设计出一种具有假性负载的转换电路及电力传输控制器，以避免供应初级侧控制单元的工作电压过低而引发欠压锁定的状况，乃为本案实用新型所欲行研究的一大课题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型系提供一种具有假性负载的转换电路，以克服现有技术的问题。因此，本实用新型转换电路包括变压器、初级侧电路、次级侧电路、输出路径、电力传输控制器及初级侧控制单元，且变压器具有初级侧与次级侧。初级侧电路耦接初级侧，且用以接收输入电能。次级侧电路耦接次级侧，且输出路径耦接于次级侧电路与负载之间。输出路径具有传输接口，且传输接口可供负载进行交握程序。电力传输控制器耦接输出路径，且电力传输控制器可透过与负载的交握程序而得知负载所需求的输出电压值，以相应地提供关联于输出电压值的回授信号。初级侧控制单元耦接初级侧电路，且用以根据回授信号控制初级侧电路，以控制转换电路转换输入电能。其中，当输出电压值低于预定电压下限值时，电力传输控制器检测提供至负载的输出电流值，且当输出电流值低于预定电流下限值时，电力传输控制器使输出路径耦接至假性负载，使假性负载对输出路径抽取假性负载电流。

为了解决上述问题，本实用新型系提供一种具有假性负载的电力传输控制器，以克服现有技术的问题。因此，本实用新型电力传输控制器耦接转换电路的次级侧电路与负载之间的输出路径，且用以与负载进行交握程序而得知负载所需求的输出电压值。电力传输控制器包括电压检测单元、电流检测与控制单元及假性负载。电压检测单元检测输出电压值，且用以设预定电压下限值。电流检测与控制单元检测提供至负载的输出电流值，且用以设定预定电流下限值。假性负载耦接电压检测单元与电流检测与控制单元。电压检测单元用以根据所检测到的输出电压值低于预定电压下限值而启动电流检测与控制单元，且电流检测与控制单元用以根据所检测到的输出电流值低于预定电流下限值而启动假性负载，以对输出路径额外抽取假性负载电流。

本实用新型之主要目的及功效在于，在负载需求的输出电压值较低，且负载为无载时，利用电力传输控制器提供假性负载耦接至输出路径，以使假性负载抽取一小电流而稍加提高脉宽调变信号的频率，进而达成避免供应初级侧控制单元的工作电压过低而引发欠压锁定的功效。

附图说明

图1为现有技术的转换电路对初级侧控制单元供电的工作电压波形图；

图2为本实用新型具有假性负载的转换电路的电路方块图；

图3为本实用新型具有假性负载的转换电路对初级侧控制单元供电的工作电压对照现有技术的工作电压波形图；及

图4为本实用新型电力传输控制器的电路方块图。

其中，附图标记：

100…转换电路

100-1…输入端

100-2…输出端

100-A…输出接口

100-B…传输接口

1…初级侧电路

12…功率开关

2…次级侧电路

22…整流单元

222…单向导通元件

224…次级侧控制单元

24…直流转换单元

3…变压器

32…初级侧

34…次级侧

4…输出路径

Rs…检测电阻

5…电力传输控制器

52…电压检测单元

Vu…预定电压上限比较器

Vl…预定电压下限比较器

54…电流检测与控制单元

56…假性负载

6…初级侧控制单元

7…光耦合器

200…负载

Pin…输入电能

Po…输出电能

Vo…输出电压值

Io…输出电流值

Pdc…直流电能

Vcc…工作电压

Vc…跨压

Id…假性负载电流

Fh…交握程序

Sf…回授信号

PWM…脉宽调变信号

t0～t4…时间

具体实施方式

兹有关本实用新型之技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参阅图2为本实用新型具有假性负载的转换电路的电路方块图，复配合参阅图1。转换电路100由输入端100-1接收输入电能Pin，且用以转换输入电能Pin为输出电能Po，以通过输出端100-2提供输出电能Po对负载200供电。转换电路100包括初级侧电路1、次级侧电路2、变压器3、输出路径4、电力传输控制器5、初级侧控制单元6及光耦合器7，且变压器3具有初级侧32与次级侧34。初级侧电路1的一端耦接输入端100-1而接收输入电能Pin，且另一端耦接初级侧32。次级侧电路2的一端耦接次级侧34，另一端通过输出路径4耦接输出端100-2的输出接口100-A，且控制端通过光耦合器7耦合初级侧控制单元6。电力传输控制器5的一端耦接次级侧电路2，且另一端通过输出路径4耦接输出端100-2的传输接口100-B。初级侧控制单元6的一端耦接初级侧电路1，且另一端通过光耦合器7耦合电力传输控制器5。

值得一提，于本实用新型的一实施例中，输入电能Pin可以由前端电路(例如但不限于，整流器、功率因子校正器等)所提供，或是由外部装置(图未示)直接提供直流的输入电能Pin。此外，于本实用新型的一实施例中，电力传输控制器5为具有电力传输功能(USBPower Delivery function；USB PD function)的控制器，可使转换电路100提供多组不同电压准位的输出电能Po，输出电能Po例如但不限于可在输出电压最低3.3V与最高21V范围内变化。电力传输控制器5通过与具有电力传输功能的负载200交握沟通后，可使转换电路100提供符合负载200需求的输出电能Po。

初级侧电路1包括功率开关12，功率开关12耦接变压器3的初级侧32，且功率开关12的控制端耦接初级侧控制单元6。次级侧电路2包括整流单元22与直流转换单元24，且整流单元22包括单向导通元件222。整流单元22耦接次级侧34与直流转换单元24。直流转换单元24耦接整流单元22与输出路径4，且直流转换单元24的控制端耦接电力传输控制器5。电力传输控制器5通过传输接口100-B与负载200进行交握程序Fh(即交握沟通)而得知负载200所需求的输出电压值Vo，且电力传输控制器5根据负载200的需求，相应地提供关联于输出电压值Vo的回授信号Sf至光耦合器7。初级侧电路1通过光耦合器7接收电气隔离的回授信号Sf，且根据回授信号Sf提供脉宽调变信号PWM控制功率开关12的切换，以控制输入电能Pin通过初级侧电路1与次级侧电路2转换为直流电能Pdc。

其中，单向导通元件222可以为二极管或同步整流开关(Synchronous Rectifier,SR)。当单向导通元件222为二极管时，则整流单元22可省略次级侧控制单元224；当单向导通元件222为MOS同步整流开关时，则次级侧控制单元224可根据跨越MOS同步整流开关上的Vds信道电压变化来控制MOS同步整流开关切换导通或是关断，以实现同步整流的功能。

进一步而言，一般符合电力传输标准(USB Power Delivery 3.0)的变压器或充电器转换电路100都会有多个USB Type-C的电能输出端100-2(图2仅绘示一组)，如此多个USBType-C的电能输出端100-2可同时提供不同电压准位的输出电能Po，对多个不同电压需求的行动装置进行快速充电。因此，在整流单元22与输出路径4之间会有直流转换单元24，电力传输控制器5可根据输出电能Po的回授控制直流转换单元24将直流电能Pdc转换为符合行动装置电压需求的输出电能Po。其中，直流转换单元24例如但不限于可以为降压式转换器，但不以此为限。

请参阅图3为本实用新型具有假性负载的转换电路对初级侧控制单元供电的工作电压波形图，复配合参阅图2。进一步而言，初级侧控制单元6的供电来源通常是通过辅助绕组(图未示)耦合变压器3，以感应出对初级侧控制单元6供电的工作电压Vcc。当工作电压Vcc不足时，初级侧控制单元6无法运作而不提供脉宽调变信号PWM。如此，将会导致转换电路100失效。其中，工作电压Vcc充足与否除了关联于储存工作电压Vcc的电容的容量是否够大，也关联于脉宽调变信号PWM的频率与输出电压值Vo的大小。具体而言，由于转换电路100具有电力传输功能，因此输出电压值Vo的大小会影响工作电压Vcc的大小。另外一方面，由于脉宽调变信号PWM为高低准位切换的信号。在脉宽调变信号PWM导通关断切换频率较高时，功率开关传递较多电能，辅助绕组(图未示)所感应的电能较高才能对电容充电而提供足够的工作电压Vcc来维持初级侧控制单元6正常运作。

于现有技术中，当负载200需求的输出电压值Vo较低时(例如但不限于5V)，且负载200汲取电能较多为重载时(例如对应时间点t0)；虽然辅助绕组(图未示)耦合变压器3感应电能较低，但脉宽调变信号PWM导通关断切换频率较高，故仍能提供充足电能来对电容充电，工作电压Vcc仍能维持初级侧控制单元6正常运作(例如仍能维持在4V)。但工作电压Vcc(例如但不限于4V)离欠压锁定(Under-voltage-Lockout；UVLO，例如但不限于3V)的电压差可能仅有1V。

于现有技术中，当负载200需求的输出电压值Vo较低，且负载200为无载时(例如对应时段t1～t2)；辅助绕组(图未示)耦合变压器3所感应到的电能较低，且同频率宽调变信号PWM导通关断的切换频率低，故无法提供充足电能来对电容充电，导致工作电压Vcc极可能会大幅降低而触发欠压锁定，无法维持初级侧控制单元6正常运作。

因此，本实用新型的主要目的及功效在于，在负载200需求的输出电压值Vo较低，且负载200为无载时，利用电力传输控制器5提供假性负载耦接至输出路径4，以使假性负载抽取一小电流(例如对应时段t2～t3)而稍加提高脉宽调变信号PWM的频率而提高工作电压Vcc(例如但不限于3.5V)，避免工作电压Vcc过低而引发欠压锁定的状况。意即，本实用新型的转换电路100并不会发生时段t1～t2，工作电压Vcc过低的状况。具体而言，电力传输控制器5检测输出电压值Vo，且当电力传输控制器5得知输出电压值Vo低于预定电压下限值时，电力传输控制器5检测提供至负载200的输出电流值Io。当输出电流值Io也低于预定电流下限值时，电力传输控制器5使输出路径4耦接至假性负载，使假性负载对输出路径4抽取假性负载电流Id(例如但不限于10mA)。因应电力传输控制器5额外抽取的假性负载电流Id，初级侧控制单元6调高脉宽调变信号PWM的导通关断切换频率，来增加供应给二次侧的电能，同时使得辅助绕组(图未示)所感应的电能也随之提升。因此，可以维持工作电压Vcc高于初级侧控制单元6可运作的预定电压阈值，避免工作电压Vcc过低而引发欠压锁定的状况。值得一提，于本实用新型一实施例中，所述”电能”为电压、电流及功率的统称。例如，输出电能Po包括输出电压值Vo与输出电流值Io。

在另外一方面，本实用新型为了避免在工作电压Vcc不具有碰触欠压锁定风险时，假性负载额外消耗功率而导致无法提高转换电路100效率的状况，因此在负载200需求的输出电压值Vo未过低，或负载200并非为无载时，必须要关闭假性负载(时间t4以后)。具体而言，在电力传输控制器5使输出路径4耦接至假性负载而使假性负载对输出路径4抽取假性负载电流Id时，电力传输控制器5持续地检测输出电压值Vo与输出电流值Io。当输出电压值Vo高于预定电压上限值(例如但不限4.5V)时，电力传输控制器5关闭假性负载，以取消抽取假性负载电流Id。或者，当输出电流值Io高于预定电流下限值时，电力传输控制器5也关闭假性负载，以取消抽取假性负载电流Id。如此，即可避免假性负载不必要的功率损耗。

请参阅图4为本实用新型电力传输控制器的电路方块图，复配合参阅图2～3。电力传输控制器5通过传输接口100-B与负载200进行交握程序Fh(即交握沟通)而得知负载200所需求的输出电压值Vo，且电力传输控制器5提供关联于输出电压值Vo的回授信号Sf至转换电路100的初级侧控制单元6，使初级侧控制单元6根据回授信号Sf控制初级侧电路1将输入电能Pin转换为输出电压值Vo。除此之外，电力传输控制器5包括电压检测单元52、电流检测与控制单元54及假性负载56，且电压检测单元52包括预定电压上限比较器Vu与预定电压下限比较器Vl。电压检测单元52耦接输出路径4，且通过例如但不限于，检测元件(图未示)检测输出电压值Vo的大小。电流检测与控制单元54耦接电压检测单元52与假性负载56，且电流检测与控制单元54耦接输出路径4的检测电阻Rs，以通过检测检测电阻Rs两端的跨压Vc而得知输出电流值Io的大小。假性负载56耦接电压检测单元52、电流检测与控制单元54及输出路径4，且电压检测单元52与电流检测与控制单元54根据输出电压值Vo与输出电流值Io对假性负载56进行开启或关闭的控制，以控制假性负载56是否对输出路径4抽取假性负载电流Id。

具体而言，电压检测单元52的预定电压上限比较器Vu用以比较输出电压值Vo与预定电压上限值，且预定电压下限比较器Vl用以比较输出电压值Vo与预定电压下限值。预定电压下限比较器Vl根据所检测到的输出电压值Vo低于预定电压下下限值而启动电流检测与控制单元54。电流检测与控制单元54设定预定电流下限值，且在受到启动后，比较输出电流值Io与预定电流下限值。当输出电流值Io低于预定电流下限值时，电流检测与控制单元54启动假性负载56，以使假性负载56对输出路径4额外抽取假性负载电流Id。然而，在负载200需求的输出电压值Vo未过低，或负载200并非为无载时，必须要关闭假性负载56，以避免假性负载56额外消耗功率。因此，当电流检测与控制单元54判断输出电流值Io高于预定电流下限值时，电流检测与控制单元54关闭假性负载56，以使假性负载56取消抽取假性负载电流Id。当预定电压上限比较器Vu判断输出电压值Vo高于预定电压上限值时，不论输出电流值Io是否低于预定电流下限值，电压检测单元52优先关闭假性负载56，以使假性负载56取消抽取假性负载电流Id。其中，电压检测单元52与电流检测与控制单元54是否开启或关闭假性负载56，可通过例如但不限于，逻辑电路来控制。以图4为例，可使用AND闸搭配反向器(即AND闸输入端的小圆圈)来实施，但不以此为限。举凡可以达成上述控制方式的电路元件，皆应包含在本实施例的范畴当中。

综上说明，本实用新型提供一种具有假性负载的转换电路及电力传输控制器，以解决当供应初级侧控制单元的工作电压过低而引发至碰触欠压锁定的问题，以提供电路的可靠性与稳定性。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有假性负载的转换电路，其特征在于，包括：

一变压器，具有一初级侧与一次级侧；

一初级侧电路，耦接该初级侧，且用以接收一输入电能；

一次级侧电路，耦接该次级侧；

一输出路径，耦接于该次级侧电路与一负载之间，该输出路径具有一传输接口，该传输接口可供该负载进行一交握程序；

一电力传输控制器，耦接该输出路径，该电力传输控制器可透过与该负载的该交握程序而得知该负载所需求的一输出电压值，以相应地提供关联于该输出电压值的一回授信号；及

一初级侧控制单元，耦接该初级侧电路，且用以根据该回授信号控制该初级侧电路，以控制该转换电路转换该输入电能；

其中，当该输出电压值低于一预定电压下限值时，该电力传输控制器检测提供至该负载的一输出电流值；

其中，当该输出电流值低于一预定电流下限值时，该电力传输控制器使该输出路径耦接至一假性负载，使该假性负载对该输出路径抽取一假性负载电流。

2.如权利要求1所述的具有假性负载的转换电路，其特征在于，该初级侧控制单元根据该回授信号提供一脉宽调变信号控制该初级侧电路，且该脉宽调变信号的频率与该输出电压值的大小关联于该初级侧控制单元是否运作的一工作电压。

3.如权利要求2所述的具有假性负载的转换电路，其特征在于，该初级侧控制单元根据该电力传输控制器额外抽取的该假性负载电流而调高该脉宽调变信号的频率，以维持该工作电压高于该初级侧控制单元可运作的一预定电压阈值。

4.如权利要求1所述的具有假性负载的转换电路，其特征在于，该电力传输控制器根据该输出电流值高于该预定电流下限值而关闭该假性负载，以取消抽取该假性负载电流。

5.如权利要求1所述的具有假性负载的转换电路，其特征在于，该电力传输控制器根据该输出电压值高于一预定电压上限值而关闭该假性负载，以取消抽取该假性负载电流。

6.一种具有假性负载的电力传输控制器，其特征在于，耦接一转换电路的一次级侧电路与一负载之间的一输出路径，且用以与该负载交握而得知该负载所需求的一输出电压值，该电力传输控制器包括：

一电压检测单元，检测该输出电压值，且用以设一预定电压下限值；

一电流检测与控制单元，检测提供至该负载的一输出电流值，且用以设定一预定电流下限值；

一假性负载，耦接该电压检测单元与该电流检测与控制单元；

其中，该电压检测单元用以根据所检测到的该输出电压值低于该预定电压下限值而启动该电流检测与控制单元，且该电流检测与控制单元用以根据所检测到的该输出电流值低于该预定电流下限值而启动该假性负载，以对该输出路径额外抽取一假性负载电流。

7.如权利要求6所述的具有假性负载的电力传输控制器，其特征在于，该电力传输控制器提供关联于该输出电压值的一回授信号，且该转换电路的一初级侧控制单元根据该回授信号控制该转换电路的一初级侧电路将一输入电能转换为该输出电压值。

8.如权利要求6所述的具有假性负载的电力传输控制器，其特征在于，该电流检测与控制单元根据该输出电流值高于该预定电流下限值而关闭该假性负载，以取消抽取该假性负载电流。

9.如权利要求6所述的具有假性负载的电力传输控制器，其特征在于，该电压检测单元更用以设定一预定电压上限值，且该电压检测单元根据该输出电压值高于该预定电压上限值而关闭该假性负载，以取消抽取该假性负载电流。

10.如权利要求6所述的具有假性负载的电力传输控制器，其特征在于，该输出路径包括一检测电阻，该电流检测与控制单元通过该检测电阻两端的一跨压得知该输出电流值。

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