DE102022110519A1

DE102022110519A1 - Multiport-USB-Leistungsadapter und Steuermethodik

Info

Publication number: DE102022110519A1
Application number: DE102022110519.9A
Authority: DE
Inventors: Chuan-yu Lin; Jen-Hui Cheng; Hua-ping Cao; Yong-shuang Zhu; Hsiang-Nien Kuo
Original assignee: Cypress Semiconductor Corp
Current assignee: Cypress Semiconductor Corp
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-11-03
Also published as: US11740672B2; US20220350388A1

Abstract

Es werden ein Multiport-USB-PD-Adapter, der einen Flyback-Wandler, einen USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Controller umfasst, und mehrere Buck- und Bypass-Schaltungen umfasst, und Verfahren zum Betreiben desselben bereitgestellt. Im Allgemeinen wird der Adapter in einem Buck-Bypass-Modus betrieben, in welchem mindestens eine Buck-Schaltung umgangen wird und der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine Eingangsspannung (VEIN) an die Buck-Schaltungen erzeugt, die gleich einer geforderten Ausgangsspannung (VAUS_C) ist, welche dann direkt mit dem assoziierten Port gekoppelt wird. Buck-Schaltungen, die mit anderen aktiven Ports gekoppelt sind, können ebenfalls umgangen werden, wenn die geforderten VAUS_Cgleich sind, oder die Buck-Schaltungen werden so betrieben, dass sie eine andere VAUS_Cbereitstellen. Wenn eine Bypass-Schaltung nicht verfügbar ist, wird der Adapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben, indem eine höchste VAUS_C, die an einem beliebigen Port gefordert wird, bestimmt wird und VEIN auf eine Summe aus der höchsten VAUS_Cund einer Offsetspannung eingestellt wird. Buck-Schaltungen, die mit aktiven Ports gekoppelt sind, werden dann so betrieben, dass sie die geforderten Ausgangsspannungen bereitstellen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist beansprucht den Nutzen der Priorität gemäß 35 U.S.C. 119(e) der provisorischen US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 63/182,112 , eingereicht am 30. April 2021, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft allgemein Universal-Serial-Bus(USB)-Leistungsadapter und insbesondere Multiport-USB-Leistungsadapter und eine Steuermethodik zum Betreiben derselben.
STAND DER TECHNIK
Verschiedene elektronische Vorrichtungen, wie etwa Smartphones, Tablets, Computer, sind konfiguriert, um Leistung gemäß verschiedenen USB-Leistungsabgabeprotokollen, die in einer USB-Leistungsabgabe(PD, Power Delivery)-Spezifikation (USB-PD-Spezifikation) definiert sind, über Universal-Serial-Bus(USB)-Verbinder zu empfangen oder zu übertragen. Da diese Vorrichtungen allgegenwärtig geworden sind, umfassen viele Ladegeräte oder Leistungsadapter neuerdings mehrere USB-Ports oder -Buchsen. Aktuelle Multiport-USB-Leistungsadapter oder -Vorrichtungen verwenden eine von zwei Topologien: eine Doppel-Flyback-Wandler-Topologie oder eine kombinierte Topologie aus Flyback-Wandler und Buck-Wandler.
Ein Flyback-Wandler (Sperrwandler) umfasst im Allgemeinen einen Controller und einen Transformator und ist konfiguriert, um eine Eingangsspannung von einer Leistungsquelle, die mit einer Primärseite des Transformators gekoppelt ist, zu empfangen und eine zweite Spannung auf einer Sekundärseite, die mit einem Ausgangsport oder einer Ausgangsbuchse gekoppelt ist, bereitzustellen. Der Controller ist über einen oder mehrere Schalter auf der Primär- und/oder der Sekundärseite mit dem Transformator gekoppelt und ist konfiguriert, um die Schalter so zu steuern, dass eine gewünschte Sekundärspannung bereitgestellt wird. Ein Multiport-USB-Leistungsadapter, der eine Doppel-Flyback-Wandler-Topologie verwendet, umfasst im Allgemeinen mindestens zwei unabhängige Flyback-Wandler, die jeweils parallel zwischen einer Leistungsquelle und separaten USB-Ports oder -Buchsen gekoppelt sind, wobei jeder unabhängig betrieben wird, um den separaten USB-Ports oder -Buchsen die gleiche oder unterschiedliche Sekundärspannungen bereitzustellen.
Ein Multiport-USB-Leistungsadapter, der eine Flyback-Buck-Controller-Topologie verwendet, umfasst einen Flyback-Wandler, der mit zwei oder mehr unabhängigen Buck(Abwärts)-Controllern gekoppelt ist, die jeweils mit einem separaten USB-Port oder einer separaten USB-Buchse gekoppelt sind, wobei jeder Buck-Controller unabhängig betrieben wird, um den separaten USB-Ports oder -Buchsen die gleiche oder unterschiedliche Sekundärspannungen bereitzustellen. Typischerweise wird einer oder werden beide der Buck-Controller so betrieben, dass sie den separaten USB-Ports oder -Buchsen eine Spannung bereitstellen, die niedriger als ein Ausgang von dem Flyback-Wandler ist.
Probleme oder Nachteile bei Multiport-USB-Leistungsadaptern, die eine Doppel-Flyback-Topologie verwenden, umfassen, dass solche Adapter teuer sind und dass die Topologie nicht leicht auf mehr als zwei Ports erweiterbar ist. Probleme oder Nachteile bei Multiport-USB-Leistungsadaptern, die eine Flyback-Buck-Topologie verwenden, umfassen, dass eine solche Topologie eine niedrigere Leistungseffizienz bereitstellt, als sie in aktuellen und voraussichtlich zukünftigen USB-Leistungsabgabespezifikationen spezifiziert ist.
Demgemäß besteht ein Bedarf an Multiport-USB-Leistungsadaptern, die eine kostengünstige, leistungseffiziente Topologie verwenden, die leicht auf mehr als zwei Ports erweiterbar ist.
ÜBERSICHT
Bereitgestellt werden ein Multiport-Universal-Serial-Bus(USB)-Leistungsabgabe(USB-PD)-Leistungsadapter, umfassend einen Flyback-Wandler (Sperrwandler), mehrere Buck(Abwärts)-Schaltungen und Bypass-Schaltungen und einen USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Controller umfasst, wobei der USB-Controller betriebsfähig ist, um den USB-Leistungsadapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus, einem Buck-Bypass-Modus oder beiden zu steuern, und Verfahren zum Betreiben desselben. Im Allgemeinen beginnt das Verfahren damit, dass bestimmt wird, ob eine oder mehrere Bypass-Schaltungen, die jeweils betriebsfähig sind, um eine der Buck-Schaltungen zu umgehen, verfügbar sind. Ist die Bypass-Schaltung nicht verfügbar, wird der Adapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben, indem eine höchste geforderte Ausgangsspannung (V_{AUS_C}), die an einem beliebigen aktiven USB-Port benötigt wird, bestimmt wird und eine Eingangsspannung (V_EIN) zu den Buck-Schaltungen von dem Flyback-Wandler auf eine Spannung eingestellt wird, die gleich einer Summe aus der höchsten geforderten V_{AUS_C} und einer Offsetspannung (Vos) ist. Wenn ein oder mehrere andere aktive USB-Ports andere, niedrigere geforderte Spannungen benötigen, können der Buck-Controller und die eine oder die mehreren externen Buck-Schaltungen, die mit diesen Ports assoziiert sind, aktiviert und durch das USB-PD-Teilsystem so betrieben werden, dass sie andere, niedrigere V_{AUS_C} bereitstellen.
Ist eine Bypass-Schaltung verfügbar, wird der Adapter in einem Buck-Bypass-Modus betrieben, in welchem mindestens eine Buck-Schaltung umgangen wird und der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine VEIN erzeugt, die gleich der geforderten Ausgangsspannung ist und die dann über die Bypass-Schaltung direkt mit dem assoziierten USB-Port gekoppelt wird. Buck-Controller, die mit anderen aktiven USB-Ports gekoppelt sind, können, wenn die V_{AUS_C} die gleichen sind, ebenfalls umgangen werden, oder die Buck-Controller können so betrieben werden, dass sie andere, niedrigere V_{AUS_C} bereitstellen.
Im Allgemeinen umfassen die USB-Ports USB-Typ-C(USB-C)-Ports und geforderte oder Zielausgangsspannungen können eines oder mehrere von 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V umfassen. Die Offsetspannungen (Vos) können einen vorbestimmten Spannungsabfall über eine Buck-Schaltung für einen gegebenen oder einen maximalen spezifizierten Ausgangsstrom umfassen, und dieser wird im Allgemeinen durch ein maximales Tastverhältnis, das von dem Buck-Controller und den Buck-Schaltungen unterstützt wird, bestimmt und kann beispielsweise eine Offsetspannung von ungefähr 1 V umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung sowie die Struktur und der Betrieb verschiedener Ausführungsformen der Erfindung sind untenstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Es sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen, hierin beschriebenen Ausführungsformen begrenzt ist. Solche Ausführungsformen sind hierin nur zum Zwecke der Illustration präsentiert. Zusätzliche Ausführungsformen werden für einen Fachmann basierend auf den hierin enthaltenen Lehren offensichtlich sein.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden nun rein beispielhaft und mit Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen entsprechende Bezugssymbole entsprechende Teile angeben. Ferner illustrieren die begleitenden Zeichnungen, die hierin einbezogen sind und einen Teil der Patentbeschreibung bilden, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen ferner zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern und es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen und zu verwenden.

1A ist ein Blockdiagramm, das einen Multiport-Universal-Serial-Bus(USB)-Leistungsabgabe(USB-PD)-Leistungsadapter gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung illustriert;
1B ist ein schematisches Blockdiagramm des USB-Leistungsadapters aus 1A, das eine Ausführungsform des Flyback-Wandlers illustriert;
1C ist ein schematisches Blockdiagramm des USB-Leistungsadapters aus den 1A und 1B, das eine Ausführungsform illustriert, die eine Ausführungsform einer Buck-Schaltung und einer Bypass-Schaltung illustriert;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen Abschnitt eines USB-Leistungsadapters illustriert, der für einen variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus konfiguriert ist;
3 ist eine graphische Darstellung einer Eingangsspannung in und einer Ausgangsspannung aus einer Buck-Schaltung des USB-Leistungsadapters aus 2, der in einem variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus betrieben wird;
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines USB-Leistungsadapters in einem variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus illustriert;
5A-D sind Graphen, die die Effizienz eines USB-Leistungsadapters, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben wird, verglichen mit einem herkömmlichen USB-Leistungsadapter, der unter Verwendung einer festen Buck-Eingangsspannung betrieben wird, illustrieren;
6 ist ein schematisches Blockdiagramm, das einen Abschnitt eines USB-Leistungsadapters illustriert, der für einen Buck-Bypass-Betriebsmodus konfiguriert ist;
7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines USB-Leistungsadapters in einem Buck-Bypass-Betriebsmodus illustriert;
8A-D sind Graphen, die die Effizienz eines USB-Leistungsadapters, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, verglichen mit einem variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus illustrieren;
9 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines USB-Leistungsadapters in entweder einem variablen Buck-Eingangsmodus oder einem Buck-Bypass-Betriebsmodus illustriert;
10A-D sind Graphen, die die Effizienz eines USB-Leistungsadapters, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, verglichen mit einem variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus und einem herkömmlichen USB-Leistungsadapter, der unter Verwendung einer festen Buck-Eingangsspannung betrieben wird, illustrieren;
11 ist ein On-Chip-IC(Integrated Circuit)-USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Wandler umfasst, die für eine Verwendung in dem USB-Leistungsadapter aus 1A geeignet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Offenbart werden ein Multiport-Universal-Serial-Bus(USB)-Leistungsabgabe(USB-PD)-Leistungsadapter, umfassend einen Flyback-Wandler, mehrere Buck-Schaltungen und Bypass-Schaltungen und einen USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Controller umfasst, wobei der USB-Controller betriebsfähig ist, um den USB-Leistungsadapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus, einem Buck-Bypass-Modus oder beiden zu steuern, und Verfahren zum Betreiben desselben.
In der folgenden Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Es wird für einen Fachmann jedoch offenkundig sein, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden kann. In anderen Fällen werden hinlänglich bekannte Strukturen und Techniken nicht im Detail bzw. in einem Blockdiagrammformat gezeigt, um ein unnötiges Verschleiern eines Verständnisses dieser Beschreibung zu verhindern.
Eine Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung eingeschlossen ist. Das Auftreten des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in der Patentbeschreibung bezieht sich nicht notwendigerweise jedes Mal auf die gleiche Ausführungsform. Der Begriff koppeln, wie er hierin verwendet wird, kann sowohl das direkte elektrische Verbinden von zwei oder mehr Komponenten oder Elementen als auch das indirekte Verbinden über eine oder mehrere dazwischenliegende Komponenten umfassen.
1A ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Multiport-USB-Leistungsadapters 100, der einen Flyback-Wandler 102, mehrere Buck-Schaltungen 104a, 104b, mehrere Bypass-Schaltungen 106a, 106b, die jeweils betriebsfähig sind, um eine der Buck-Schaltungen zu umgehen, und einen USB-Controller 108, der einen Buck-Controller 110 und ein USB-PD-Teilsystem 111 umfasst, umfasst. Der Buck-Controller 110 kann, wie gezeigt, integral in dem USB-Controller 108 gebildet sein, als Teil eines DC/DC-Controllers oder -Teilsystems, oder kann außerhalb des USB-Controllers liegen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Multiport-USB-Leistungsadapter 100 nur zwei USB-Ports 112a, 112b, es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen, die eine größere Anzahl von USB-Ports umfassen, durch die Verfahren und die Architektur der vorliegenden Erfindung unterstützt werden. Allgemein ist jeder der USB-Ports 112a, 112b über eine der Buck-Schaltungen 104a, 104b mit einem Ausgang des Flyback-Wandlers 102 und über eine oder mehrere CC-Leitungen und DP/DM-Leitungen mit dem USB-Controller 108 gekoppelt.
Der Flyback-Wandler 102 ist betriebsfähig, um eine erste AC(Wechselstrom)- oder DC(Gleichstrom)-Spannung zu empfangen und diese in eine zweite DC-Spannung umzuwandeln. Jede der Buck-Schaltungen 104a, 104b, die zwischen dem Flyback-Wandler 102 und einem der USB-Ports 112a, 112b gekoppelt sind, kann durch den Buck-Controller 110 so betrieben werden, dass sie eine Eingangsspannung (V_EIN) von dem Flyback-Wandler empfängt und eine Zielspannung (V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2}) an einen der USB-Ports ausgibt. Insbesondere ist der Buck-Controller 110 betriebsfähig, um jede der externen Buck-Schaltungen 104a, 104b unabhängig so zu steuern, dass diese die geforderte oder Ziel-V_{AUS_C1} bzw. -V_{AUS_C2} an jedem USB-Port 112a, 112b bereitstellen. Es versteht sich, dass die Ausgangsspannungen V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} nicht gleich sein müssen und dass nicht beide der USB-Ports 112a, 112b gleichzeitig aktiv sein müssen, das heißt eine mit dem Port verbundene Vorrichtung aufweisen müssen. Der USB-Controller 108 ist mit dem Flyback-Wandler 102, den Buck-Schaltungen 104a, 104b, den Bypass-Schaltungen 106a, 106b und den USB-Ports 112a, 112b gekoppelt. Das USB-PD-Teilsystem 111 in dem USB-Controller 108 ist betriebsfähig, um den Flyback-Wandler 102 zu steuern oder zu betreiben und, gemeinsam mit dem Buck-Controller 110, den USB-Leistungsadapter 100 in einem variablen Buck-Eingangsmodus oder einem Buck-Bypass-Modus zu betreiben.
In dem variablen Buck-Eingangsmodus steuert das USB-PD-Teilsystem 111 den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine Eingangsspannung (V_EIN) zu den externen Buck-Schaltungen 104a, 104b erzeugt, die bestimmt wird durch eine Offsetspannung (Vos) und die höhere von einer höchsten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2}) oder einer Spannung, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_C1, Wattzahl_C2) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (Imax), der von dem USB-Leistungsadapter 100 unterstützt wird, bestimmt wird. Ist nur einer der USB-Ports 112a aktiv oder mit einer ersten Vorrichtung verbunden, betreibt das USB-PD-Teilsystem 111 den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus Vos und der geforderten V_{AUS_C1} ist. Ist der zweite USB-Port 112b ebenfalls mit einer zweiten Vorrichtung verbunden, betreibt das USB-PD-Teilsystem 111 den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus Vos und einer größeren von V_{AUS_C1} oder V_AUS__C2 ist, und diese mit der ersten und zweiten externen Buck-Schaltung 104a, 104b koppelt, und die erste und zweite Buck-Schaltung 104a, 104b werden aktiviert und so betrieben, dass sie V_{AUS_C1} an den ersten USB-Port 112a ausgeben und V_{AUS_C2} an den zweiten USB-Port 112b ausgeben.
Im Buck-Bypass-Modus mit einem einzigen aktiven USB-Port 112a steuert das USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108 den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN gleich V_{AUS_C1} erzeugt, die über die erste Bypass-Schaltung mit dem ersten USB-Port gekoppelt wird. Ist der zweite USB-Port 112b ebenfalls mit einer zweiten Vorrichtung verbunden, steuert das USB-PD-Teilsystem 111 den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN erzeugt, die gleich einer größeren von V_AUS__C1, V_{AUS_C2} oder einer Spannung, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_C1, Wattzahl_C2) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (Imax), der von dem Multiport-USB-Adapter 100 unterstützt wird, bestimmt wird, ist, und diese mit der ersten und zweiten Buck-Schaltung koppelt. Die Buck-Schaltung 104a oder 104b, die mit dem USB-Port 112a oder 112b assoziiert ist, der die niedrigere Ausgangsspannung (V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2}) fordert, wird dann so betrieben, dass sie die geforderte, niedrigere Ausgangsspannung erzeugt.
Im Allgemeinen können die geforderten Ausgangsspannungen (V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2}) 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V umfassen. Die Offsetspannung (Vos) kompensiert, wo zutreffend, einen erwarteten Spannungsabfall über die Buck-Schaltungen 104a oder 104b und hängt allgemein von einem maximalen Tastverhältnis des Buck-Wandlers, das heißt des Buck-Controllers 110 und der Buck-Schaltungen 104a oder 104b, ab und ist hier beispielsweise als gleich 1 V gezeigt. Somit kann VEIN im variablen Buck-Eingangsmodus 6V, 10 V, 13V, 16 V oder 21 V umfassen.
Nunmehr wird eine Ausführungsform des Multiport-USB-Leistungsadapters 100 mit Bezug auf 1B genauer beschrieben. 1B ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform des USB-Leistungsadapters aus 1A illustriert. In der gezeigten Ausführungsform ist der Multiport-USB-Leistungsadapter 100 ein Doppel-Port-USB-Leistungsadapter, der einen ersten und zweiten USB-Typ-C-Port 112a, 112b und einen AC-DC-Flyback-Wandler 102 umfasst.
Bezugnehmend auf 1B umfasst der AC-DC-Flyback-Wandler 102 allgemein einen Transformator 114, der eine Primärwicklung, die mit einem Eingang elektrisch verbunden oder gekoppelt ist, und eine Sekundärwicklung, die mit einem Ausgang gekoppelt ist, aufweist.
Auf der Primärseite richten eine Gleichrichterschaltung, wie etwa ein Brückengleichrichter 116, und ein oder mehrere Eingangsfilter 118, 120, die mit einem ersten Anschluss des Transformators 114 gekoppelt sind, eine AC-Eingangsspannung gleich und liefern Eingangsleistung an die Primärwicklung des Transformators. Der Flyback-Wandler 102 umfasst ferner einen Leistungsschalter (PS, Power Switch, 122), wie etwa einen Primär-Feldeffekttransistor (PR_FET), der Folgendes aufweist: einen Drain-Knoten, der mit einem zweiten Anschluss des Transformators 114 gekoppelt ist, einen Gate-Knoten, der mit einem Primärseiten-Controller 124 gekoppelt ist, und einen Source-Knoten, der mit dem Primärseiten-Controller und, über ein Stromerfassungselement, wie etwa ein Widerstandselement (RCS), mit Masse gekoppelt ist, um einen Primärseitenstrom (I_primär) zu erfassen, der durch die Primärwicklung fließt, wenn der PS 122 geschlossen oder leitend ist. Allgemein ist der Primärseiten-Controller 124 ferner, wie in der gezeigten Ausführungsform, über ein Widerstandselement (Rein) mit dem ersten Anschluss des Transformators 114 gekoppelt, um eine Spannung oder ein Signal gleich der oder proportional zu der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung zu empfangen.
Auf der Sekundärseite umfasst der Flyback-Wandler 102 einen Synchrongleichrichter (SR), wie etwa einen SR-Feldeffekttransistor (SR_FET 126), einen SR-Controller 128, der mit einem Drain-Knoten und einem Gate des SR_FET gekoppelt ist, und einen Ausgangskondensator 130.
Der Flyback-Wandler 102 umfasst ferner eine Isolationsschaltung oder -barriere 132, um die Sekundärseite von der auf der Primärseite vorhandenen AC-Eingangsspannung elektrisch zu isolieren. Da der Transformator 114 ein Abwärtstransformator ist, wird er allgemein als Teil der Isolationsbarriere 132 betrachtet. Die Isolationsbarriere 132 umfasst ferner einen Optokoppler, um auf einem Flyback- oder Feedback-Pfad von dem USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108 und dem Primärseiten-Controller 124 eine elektrische Isolation bereitzustellen. Im Allgemeinen umfasst der Optokoppler ein lichtemittierendes Element, wie etwa eine Leuchtdiode (LED) 134, und ein lichtempfindliches Element, wie etwa einen Phototransistor 136. Die LED 134 weist eine Anode, die über einen ersten Spannungsteiler, der ein erstes Widerstandselement (R1) und ein zweites Widerstandselement (R2) umfasst, mit dem Drain des SR_FET 126 gekoppelt ist, und eine Kathode, die über einen Nebenschlussregler 138 mit Masse gekoppelt ist, auf. Die Kathode der LED 134 und der Nebenschlussregler 138 sind ferner über einen zweiten Spannungsteiler, der Widerstandselemente R3 und R4 umfasst, und über einen Anreicherungsmodus-N-Kanal-MOSFET 142 mit einem Feedback(FP)-Pin 140 des USB-Controllers 108 gekoppelt, um ein plusweitenmoduliertes (PWM)-Feedback-Signal zu empfangen, das eine Sekundärseitensteuerung des Flyback-Wandlers 102 ermöglicht. Der Phototransistor 136 kann einen NPN-Bipolartransistor umfassen und ist über einen FB_Eingangspin 144 mit dem Primärseiten-Controller 124 gekoppelt. Alternativ können der Nebenschlussregler 138, der MOSFET 142 und die Widerstände R3 und R4 in dem USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108 integriert sein, und bei einigen hochintegrierten Flyback-Controller-Ausführungen kann der USB-Controller 108 den Flyback-Wandler 102 über eine digitale Schnittstelle, wie etwa I2C(Inter-Integrated Circuit), oder eine SPI(Serial Peripheral Interface)-Schnittstelle steuern.
Im Betrieb erfasst der SR-Controller 128 eine Spannung an dem SR_DRAIN und schaltet den SR_FET als Reaktion auf erfasste Spannungsspitzen und negative und Nulldurchgänge an und aus. Der Primärseiten-Controller 124 empfängt über einen Feedback- oder Flyback-Pfad ein Signal von dem SR_FET 126 oder SR-Controller 128. Während des Zeitraums, in dem der PS 124 an oder geschlossen ist und der SR_FET 126 aus oder offen ist, wird der Flyback-Wandler 102 in einem sogenannten Flyback-Modus betrieben, und in dem Transformator 114 baut sich ein magnetisches Feld auf, während ein Strom auf der Primärseite linear ansteigt. Wenn der PS 124 aus oder geöffnet ist und der SR_FET 126 an oder geschlossen ist, überträgt der Flyback-Wandler 102 die Leistung zu der Sekundärseite, wobei das magnetische Feld beginnt, zusammenzubrechen, und der Sekundärseitenstrom stetig, aber schrittweise abnimmt, während Leistung an den Caus 130, der mit dem Ausgang verbunden ist, abgegeben wird, bis ein Punkt erreicht ist, an dem kein Strom mehr in der Sekundärseite fließt.
1C ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer externen Buck-Schaltung 104a/104b und einer Bypass-Schaltung 106a/106b illustriert, die für eine Verwendung mit dem USB-Leistungsadapter aus den 1A und 1B geeignet sind. Unter erneuter Bezugnahme auf 1C umfasst jede externe Buck-Schaltung 104a/104b im Allgemeinen einen ersten oder Eingangskondensator (C1) und einen ersten oder Eingangswiderstand (R1), ein erstes Schaltelement 152, ein zweites Schaltelement 154, eine Induktionsspule 156, einen Kondensator 158 und einen zweiten oder Ausgangskondensator (C2) und einen zweiten oder Ausgangswiderstand (R2). Die Buck-Schaltung 104a/104b ist dazu fähig, eine Ausgangsspannung von 0 V bis knapp unter VEIN bereitzustellen. Dies wird erreicht, indem der Buck-Controller 110 so betrieben wird, dass er die Buck-Schaltung 104a/104b zwischen einem Modus, der Energie in der Induktionsspule 156 speichert, während der Kondensator 158 den Ausgang versorgt, und einem, der diese gespeicherte Energie freisetzt, um den Kondensator wiederaufzuladen, hin- und herschaltet. Wenn das Schaltelement 152 an ist und das Schaltelement 154 aus ist, wird Energie in der Induktionsspule gespeichert. Wenn das Schaltelement 152 aus ist und das Schaltelement 154 an ist, wird zum Ausgeben einer Spannung Energie an den Kondensator 158 geschickt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1C umfasst jede Bypass-Schaltung 106a/106b im Allgemeinen einen Anreicherungsmodus-N-Kanal-MOSFET 168, der über den Eingang und Ausgang der externen Buck-Schaltung 104a/104b parallel verbunden ist. Ein Gate-Anschluss, der von dem USB-PD 111 des USB-Controllers 108 gesteuert wird, um die Buck-Schaltung 104a/104b einzuschalten und zu umgehen, wenn der USB-Leistungsadapter 100 in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Ausgangsspannung (V_{AUS_C}) gleich der Eingangsspannung (V_EIN) an die externen Buck-Schaltungen ist.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Abschnitts eines USB-Leistungsadapters 100, der eine Sekundärseite des Flyback-Wandlers 102, Buck-Schaltungen 104a, 104b, Bypass-Schaltungen 106a, 106b und einen USB-Controller 108, der ein USB-PD-Teilsystem 111 und einen Buck-Controller 110 umfasst, umfasst, und illustriert den USB-Leistungsadapter, der für einen variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus konfiguriert ist. Bezugnehmend auf 2 stellt der dicke schwarze Pfeil 172 den Leistungspfad durch die erste Buck-Schaltung 104a dar, wenn ein einziger USB-Port 112a aktiv ist. Wie oben angemerkt, steuert das USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108, wenn ein einziger USB-Port 112a aktiv ist, den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN bereitstellt, die gleich einer Summe aus einer geforderten V_{AUS_C1} und einer Offsetspannung (Vos) ist, und aktiviert und betreibt den Buck-Controller 110 und die externe Buck-Schaltung 104a, 104b so, dass diese die geforderte V_{AUS_C1} bereitstellen.
Sollte der zweite USB-Port 112b ebenfalls aktiv sein, würde das USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108 den Flyback-Wandler 102 so betreiben, dass dieser eine VEIN bereitstellt, die gleich einer Summe aus Vos und der höheren von der geforderten V_AUS __C1, einer geforderten V_{AUS_C2} oder einer Spannung, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_{_C1}, Wattzahl_{_C2}) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (I_max), der von dem USB-Leistungsadapter 100 unterstützt wird, bestimmt wird, ist. Dann würde das USB-PD-Teilsystem 111 den Buck-Controller 110 und die Buck-Schaltungen 104a, 104b so aktivieren und betreiben, dass diese die geforderte V_{AUS_C1} bzw. V_{AUS_C2} bereitstellen.
3 ist eine graphische Darstellung einer Eingangsspannung (V_EIN 302) in und einer Ausgangsspannung (V_{AUS_C} 304) aus einem USB-Adapter, der einen Buck-Controller umfasst, der in einem variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus betrieben wird. Bezugnehmend auf 3 wird gezeigt, dass VEIN 302, während V_{AUS_C} 304 im Laufe der Zeit von 5 auf 20 V ansteigt, den Ausgangsspannungen folgt, lediglich getrennt durch die Offsetspannung Vos.
Es wird nunmehr unter Bezugnahme auf 4 ein Verfahren zum Betreiben eines Multiport-USB-Leistungsadapters beschrieben, der einen Flyback-Wandler, mehrere Buck-Schaltungen und einen USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Controller in einem variablen Buck-Eingangsmodus umfasst, umfasst. Bezugnehmend auf 4 beginnt das Verfahren damit, dass eine Spannung (V_EIN) in den oder die Buck-Controller auf eine Spannung eingestellt wird, die um eine vorbestimmte Offsetspannung (Vos) höher ist als eine niedrigste unterstützte Ausgangsspannung (V_{AUS_C}), die von einem oder mehreren der mehreren USB-Ports benötigt werden könnte, hier gezeigt als VEIN = 6 V (Schritt 402). Die VEIN wird durch das Betreiben oder Steuern des Flyback-Wandlers unter Verwendung des USB-PD-Controllers eingestellt. Allgemein umfassen unterstützte Ausgangsspannungen, die von einem oder mehreren der mehreren USB-Ports benötigt werden könnten, 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V. Die Offsetspannung (Vos) kompensiert einen Spannungsabfall über die Buck-Schaltungen und hängt allgemein von einem maximalen Tastverhältnis des Buck-Wandlers, das heißt des Buck-Controllers und der Buck-Schaltungen, ab und ist hier beispielsweise als gleich 1 V gezeigt. Somit kann VEIN 6 V, 10V, 13V, 16 V oder 21 V umfassen.
Als nächstes wird eine Bestimmung getroffen, ob mindestens ein erster Port der mehreren USB-Ports aktiv ist - das heißt, ob eine Vorrichtung mit dem ersten Port verbunden ist (Schritt 404). Dies kann dadurch erfolgen, dass ein USB-PD-Controller ein Signal, wie etwa eines, das die benötigte Ausgangsspannung (V_{AUS_C}) angibt, von dem USB-Port über einen Kommunikationskanal (CC) oder D+/D--Leitungen zu dem Port empfängt. Wird keine Vorrichtung detektiert, wird der USB-Port deaktiviert (Schritt 406). Ist eine Vorrichtung verbunden, d. h. ist der erste Port aktiv, werden der oder die Buck-Controller, die mit dem ersten Port assoziiert sind, aktiviert und so betrieben, dass sie eine geforderte V_{AUS_C} an den USB-Port liefern, hier als V_{AUS_C} = 5 V gezeigt (Schritt 408).
Es wird eine Bestimmung getroffen, ob ein anderer der mehreren USB-Ports aktiv ist und mit einer Vorrichtung verbunden ist (Schritt 410). Ist kein zweiter oder zusätzlicher USB-Port aktiv, entscheidet sich der USB-PD-Controller für eine V_EIN, die so ausgewählt ist, dass die Effizienz des Multiport-USB-Adapters basierend auf der geforderten V_{AUS_C} maximiert wird (Schritt 412). Der Flyback-Wandler wird so betrieben, dass er eine VEIN in den Buck-Controller, der mit dem einzigen aktiven Port assoziiert ist, auf eine Spannung einstellt, die gleich einer Summe aus der vorbestimmten Offsetspannung (Vos) und der geforderten oder Ziel-V_{AUS_C} ist (Schritt 414). Als ein Beispiel kann hier bei einer Vos von 1 V die Ziel-V_EIN 6 V, 10 V, 13 V, 16 V oder 21 V umfassen. Abschließend wird der Buck-Controller so betrieben, dass er V_{AUS_C} auf die geforderte oder Zielspannung steuert (Schritt 416).
Wird in Schritt 410 ein zweiter aktiver Port, der mit einer Vorrichtung verbunden ist, detektiert, entscheidet sich der USB-PD-Controller für eine VEIN basierend auf Vos, einer maximalen oder größeren von V_{AUS_C1} , die an dem ersten aktiven Port gefordert wird, oder einer V_{AUS_C2} , die an dem zweiten aktiven Port gefordert wird, oder einer Spannung, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_{_C1}, Wattzahl_{_C2}) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (I_max), der von dem Multiport-USB-Adapter unterstützt wird, bestimmt wird. Somit wird VEIN basierend auf I_{AUS_C1} und I_{AUS_C2} sowie V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} bestimmt (Schritt 418).
Der Flyback-Wandler wird so betrieben, dass er eine VEIN auf die durch den USB-PD-Controller bestimmte Spannung einstellt (Schritt 420), und die Buck-Controller werden individuell so betrieben, dass sie V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} unabhängig auf die geforderten oder Zielspannungen steuern (Schritt 422). Es versteht sich, dass V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} gleich sein können, aber nicht sein müssen. Im Allgemeinen umfasst das Verfahren ferner eine Feedback-Schleife oder einen Feedback-Mechanismus, wobei die Ströme (I_{AUS_C1}, I_{AUS_C2}), die an beiden Ports über die Buck-Controller aufgenommen werden, kontinuierlich überwacht werden und der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er VEIN als Reaktion darauf anpasst.
5A-D sind Graphen, die die Effizienz eines USB-Leistungsadapters, der in einem variablen Buck-Eingangsbetriebsmodus betrieben wird, verglichen mit einem herkömmlich betriebenen Buck-Controller, der eine feste Eingangsspannung von 22 V aufweist, illustrieren. In diesen Graphen ist die Effizienz des USB-Leistungsadapters, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben wird, durch durchgezogene Linien 502 dargestellt, während die Effizienz des herkömmlich betriebenen USB-Leistungsadapters durch gestrichelte Linien 504 dargestellt ist. Es sei ferner angemerkt, dass die Effizienz in Prozent angegeben ist und in Abhängigkeit von einem Lastprozentsatz auf den Adapter ansteigt. Unter Bezugnahme auf 5A ist zu sehen, dass ein USB-Leistungsadapter, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus mit einer geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C}) von 5 V betrieben wird, bei allen Lastprozentsätzen eine größere Effizienz aufweist, und insbesondere bei niedrigeren Lasten gegenüber dem herkömmlich betriebenen Buck-Controller, der eine feste Eingangsspannung von 22 V aufweist, eine Effizienzsteigerung von ungefähr 30 % zeigt. 5B illustriert ähnliche Effizienzverbesserungen für einen USB-Leistungsadapter, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus bei einer V_{AUS_C} von 9 V betrieben wird, und die 5C und 5D illustrieren die Effizienzverbesserung bei einer V_{AUS_C} von 15 V bzw. 20 V.
6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Abschnitts eines USB-Leistungsadapters 100, der eine Sekundärseite des Flyback-Wandlers 102, Buck-Schaltungen 104a, 104b, Bypass-Schaltungen 106a, 106b und einen USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem 111 und einen Buck-Controller 110 umfasst, umfasst, und illustriert den USB-Leistungsadapter, der für einen Buck-Bypass-Betriebsmodus konfiguriert ist. Bezugnehmend auf 6 stellt der dicke schwarze Pfeil 174 den Leistungspfad durch die erste Bypass-Schaltung 106a dar, wenn ein einziger USB-Port 112a aktiv ist. Wie oben angemerkt, steuert das USB-PD-Teilsystem 111, wenn ein einziger USB-Port 112a aktiv ist, den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN bereitstellt, die gleich einer geforderten V_{AUS_C1} ist, und aktiviert die erste Bypass-Schaltung 106a so, dass diese die geforderte V_{AUS_C1} bereitstellt.
Ist der zweite USB-Port 112b ebenfalls aktiv, betreibt das USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108 den Flyback-Wandler 102 so, dass dieser eine VEIN bereitstellt, die gleich der höheren von der geforderten _{AUS_C1}, einer geforderten V_{AUS_C2} oder einer Spannung, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_{_C1}, Wattzahl_{_C2}) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (I_max), der von dem USB-Leistungsadapter 100 unterstützt wird, bestimmt wird, ist. Das USB-PD-Teilsystem 111 würde dann die Bypass-Schaltung 106a oder 106b, die mit einem der USB-Ports 112a oder 112b, der die höhere V_{AUS_C} fordert, assoziiert ist, so aktivieren, dass diese eine V_{AUS_C} gleich VEIN bereitstellt, und den Buck-Controller 110 und die Buck-Schaltung 104a oder 104b, die mit dem anderen USB-Port assoziiert ist, so aktivieren und steuern, dass diese die geforderte, niedrigere V_{AUS_C} bereitstellen. Somit kann der USB-Leistungsadapter 100, wenn beide Ports mit niedrigen Wattzahlen aktiv sind, weiterhin im Buck-Bypass-Modus betrieben werden. Wenn die an beiden Ports aufgenommene Leistung jedoch bewirkt, dass der Strom den I_max, der von dem USB-Leistungsadapter 100 unterstützt wird, überschreitet, muss der USB-Controller den Betrieb von dem Buck-Bypass-Modus in den variablen Buck-Eingangsmodus umschalten.
Alternativ würde das USB-PD-Teilsystem 111 des USB-Controllers 108, wenn die geforderte V_{AUS_C1} und die geforderte V_{AUS_C2} gleich sind, den Flyback-Wandler 102 so steuern, dass dieser eine VEIN gleich den geforderten V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} bereitstellt, und dann beide Bypass-Schaltungen 106a und 106b aktivieren.
Es wird nunmehr unter Bezugnahme auf 7 ein Verfahren zum Betreiben eines Multiport-USB-Adapters, der einen USB-PD-Controller, einen Flyback-Wandler, einen oder mehrere Buck-Controller und eine oder mehrere Bypass-Schaltungen umfasst, in einem Buck-Bypass-Modus beschrieben. Bezugnehmend auf 7 beginnt das Verfahren damit, dass der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine Spannung (V_EIN) in den oder die Buck-Controller auf eine niedrigste unterstützte Ausgangsspannung (V_{AUS_C}) von einem der mehreren USB-Ports einstellt, hier gezeigt als VEIN = 5 V (Schritt 702). Allgemein können, wie bei dem oben beschriebenen variablen Buck-Eingangsmodus, unterstützte Ausgangsspannungen 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V umfassen.
Als nächstes wird eine Bestimmung getroffen, ob mindestens ein erster Port der mehreren USB-Ports aktiv ist - das heißt, ob eine Vorrichtung mit dem ersten Port verbunden ist (Schritt 704). Wird keine Vorrichtung detektiert, wird der erste Port deaktiviert (Schritt 706). Ist eine Vorrichtung verbunden, d. h. ist der erste Port aktiv, wird eine Bestimmung getroffen, ob ein zweiter Port der mehreren USB-Ports aktiv ist und mit einer Vorrichtung verbunden ist (Schritt 708). Ist der zweite Port nicht aktiv, aktiviert das USB-PD-Teilsystem die assoziierte erste Bypass-Schaltung (Schritt 710) und steuert VEIN so, dass diese gleich der Zielspannung (V_{AUS_C}) für den ersten Port ist (Schritt 712).
Wird in Schritt 708 eine zweite Vorrichtung, die mit einem zweiten Port verbunden ist, detektiert, werden für jeden Port die folgenden Schritte durchgeführt. Zuerst wird für jeden Port eine Bestimmung getroffen, ob die geforderte oder Zielausgangsspannung (V_{AUS_C}) für diesen Port größer als die für den anderen Port oder gleich dieser ist (714), das heißt, ob für den ersten Port V_{AUS_C1} ≥ V_{AUS_C2} und ob für den zweiten Port V_{AUS_C2} ≥ V_AUS__C1. Wenn die Ziel-V_{AUS_C} für den Port, für den die Bestimmung getroffen wird, nicht größer als die des anderen Ports oder gleich dieser ist, d. h. wenn sie kleiner als die des anderen Ports ist, aktiviert das USB-PD-Teilsystem die mit dem Port assoziierte Buck-Schaltung und betreibt sie so, dass diese die Ziel-V_{AUS_C} für den Port bereitstellt (Schritt 716). Es versteht sich, dass ferner die mit dem Port assoziierte Bypass-Schaltung deaktiviert wird. Wenn die Ziel-V_{AUS_C} für den (beispielsweise) ersten Port größer als die des anderen oder zweiten Ports oder gleich dieser ist, wird eine Bestimmung getroffen, ob der erste Port eine Ziel-V_{AUS_C} von entweder 15 V oder 20 V aufweist (Schritt 718). Ist die Ziel-V_{AUS_C} für den Port gleich entweder 15 V oder 20 V, steuert das USB-PD-Teilsystem den Flyback-Wandler so, dass dieser eine VEIN gleich der Zielspannung V_{AUS_C}, d. h. entweder 15 V oder 20 V, erzeugt, und aktiviert die mit dem Port assoziierte Bypass-Schaltung (Schritt 720). Ist die geforderte oder Ziel-V_{AUS_C} nicht gleich entweder 15 V oder 20 V, steuert das USB-PD-Teilsystem den Flyback-Wandler so, dass dieser eine VEIN gleich der Zielspannung V_{AUS_C} und nicht gleich 15 V oder 20 V erzeugt, und aktiviert die mit dem Port assoziierte Bypass-Schaltung (Schritt 722). Im Allgemeinen ist die V_{AUS_C} unter diesen Umständen kleiner als 15 V und kann beispielsweise eines oder mehrere von 5 V, 9 V oder 12 V umfassen. Vorzugsweise umfasst das Verfahren, wie in der gezeigten Ausführungsform, ferner eine Feedback-Schleife oder einen Feedback-Mechanismus (Schritt 724), wobei die Ausgangsspannungen (V_{AUS_C1}, V_{AUS_C2}) und der an beiden aufgenommene Strom (I_{aus_C1}, I_{aus_C2}) relativ zu einem maximalen Strom (Imax), der von dem USB-Leistungsadapter unterstützt wird, kontinuierlich überwacht werden und der USB-Leistungsadapter so gesteuert wird, dass er den Betrieb je nach der an beiden Ports aufgenommenen Gesamtwattzahl zwischen einem Buck-Bypass-Modus und einem variablen Buck-Eingangsmodus umschaltet. Wenn der an beiden Ports aufgenommene Strom (I_{aus_}c₁, I_{out_C2}) relativ zu Imax klein ist, kann der USB-Leistungsadapter weiterhin in einem Buck-Bypass-Modus betrieben werden. Wenn der an beiden Ports aufgenommene Strom höher wird, wird es erforderlich, VEIN auf eine höhere Spannung (begrenzt durch Imax) anzuheben, die Bypass-Schaltung zu deaktivieren und den USB-Leistungsadapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus zu betreiben. Es sei darauf hingewiesen, dass dies nur zutrifft, wenn die größte Zielausgangsspannung (V_{AUS_C}) kleiner als 15 V ist. Beträgt die Zielausgangsspannung (V_{AUS_C}) entweder 15 V (optional) oder 20 V, kann der USB-Leistungsadapter für den oder die Ports, die entweder 15 V (optional) oder 20 V fordern, weiterhin in einem Buck-Bypass-Modus betrieben werden.
8A-D sind Graphen, die weitere Zugewinne an Effizienz eines USB-Leistungsadapters, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, verglichen mit einem betriebenen Buck-Controller, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben wird, illustrieren. In diesen Graphen ist die Effizienz des USB-Leistungsadapters, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, durch durchgezogene Linien 802 dargestellt, während die Effizienz des USB-Leistungsadapters, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben wird, durch gestrichelte Linien 804 dargestellt ist. Unter Bezugnahme auf die 8A-8D ist zu sehen, dass ein USB-Leistungsadapter, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, einen Effizienzzugewinn von 0,5 % bis 1,5 % über alle V_{AUS_c}-Spannungen von 5 V bis 20 V und unter allen Lastbedingungen bietet.
9 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Multiport-USB-Adapters in entweder einem variablen Buck-Eingangs- oder einem Buck-Bypass-Betriebsmodus illustriert. Bezugnehmend auf 9 beginnt das Verfahren damit, dass bestimmt wird, ob eine oder mehrere Bypass-Schaltungen, die dazu fähig sind, einen Buck-Controller zu umgehen, verfügbar sind (Schritt 902).
Ist keine Bypass-Schaltung verfügbar, wird der Multiport-USB-Adapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus ähnlich wie dem, der zuvor mit Bezug auf 4 beschrieben wurde, betrieben. Insbesondere fährt das Verfahren damit fort, dass die VEIN in den oder die Buck-Controller auf die niedrigste unterstützte V_{AUS_C}, versetzt um ein Offset von Vos, eingestellt wird, hier als VEIN = 6 V gezeigt (Schritt 904). Als nächstes wird eine Bestimmung getroffen, ob eine Vorrichtung mit dem ersten Port verbunden ist (Schritt 906). Wird keine Vorrichtung detektiert, wird der erste Port deaktiviert (Schritt 908). Ist eine Vorrichtung verbunden, d. h. ist der erste Port aktiv, werden der oder die Buck-Controller, die mit dem ersten Port assoziiert sind, aktiviert und so betrieben, dass sie eine geforderte V_{AUS_C} liefern, hier als V_{AUS_C} = 5 V gezeigt (Schritt 910). Es wird eine Bestimmung getroffen, ob ein zweiter mit einer Vorrichtung verbunden ist (Schritt 912). Falls nicht, entscheidet sich der USB-PD-Controller für eine V_EIN, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_{_C1}, Wattzahl_{_C2}) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (I_max), der von dem Multiport-USB-Adapter unterstützt wird, bestimmt wird. Somit wird VEIN basierend auf I_{AUS _C1} und I_{AUS_C2} sowie V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} bestimmt (Schritt 914). Der Flyback-Wandler wird so betrieben, dass er VEIN in den Buck-Controller so steuert, dass diese gleich einer Summe aus Vos und der Ziel- oder geforderten V_{AUS_C} ist (Schritt 916). Abschließend wird der Buck-Controller so betrieben, dass er V_{AUS_C} auf die Ziel- oder geforderte V_{AUS_C} steuert (Schritt 918). Wird in Schritt 912 ein zweiter aktiver Port detektiert, entscheidet sich der USB-PD-Controller für eine Ziel-V_EIN basierend auf Vos, einer größeren von V_{AUS_C1} , einer V_{AUS_C2} oder einer Spannung, die anhand einer an beiden Ports in Watt (Wattzahl_{_C1}, Wattzahl_{_C2}) aufgenommenen Leistung relativ zu einem maximalen Strom (I_max), der von dem Multiport-USB-Adapter unterstützt wird, bestimmt wird (Schritt 920). Der Flyback-Wandler wird so betrieben, dass er VEIN auf die durch den USB-PD-Controller bestimmte Ziel-V_EIN einstellt (Schritt 922), und die Buck-Controller werden individuell so betrieben, dass sie V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} unabhängig auf die geforderten oder Zielspannungen steuern (Schritt 924).
Ist eine Bypass-Schaltung verfügbar, wird der Multiport-USB-Adapter in einem Buck-Bypass-Modus ähnlich wie dem, der zuvor mit Bezug auf 8 beschrieben wurde, betrieben. Insbesondere fährt das Verfahren damit fort, dass der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er VEIN auf eine niedrigste unterstützte V_{AUS_C} einstellt, hier gezeigt als VEIN = 5 V (Schritt 926). Als nächstes wird eine Bestimmung getroffen, ob der erste Port aktiv ist - das heißt, ob eine Vorrichtung mit dem ersten Port verbunden ist (Schritt 928). Wird keine Vorrichtung detektiert, wird der Port deaktiviert (Schritt 930). Ist eine Vorrichtung verbunden, d. h. ist der erste Port aktiv, wird eine Bestimmung getroffen, ob ein zweiter Port der mehreren USB-Ports aktiv ist und ob beide Ports mit einer Vorrichtung verbunden sind (Schritt 932). Ist der zweite Port nicht mit einer Vorrichtung verbunden, aktiviert das USB-PD-Teilsystem die assoziierte erste Bypass-Schaltung (Schritt 934) und steuert VEIN so, dass diese gleich der Zielspannung (V_{AUS_C}) für den ersten Port ist (Schritt 936).
Wird in Schritt 932 detektiert, dass eine zweite Vorrichtung mit dem zweiten Port verbunden ist, werden für jeden Port die folgenden Schritte durchgeführt. Zuerst wird für jeden Port eine Bestimmung getroffen, ob die geforderte oder Zielausgangsspannung (V_{AUS_C}) für diesen Port größer als die für den anderen Port oder gleich dieser ist (938), das heißt, ob für einen ersten Port V_{AUS_C1} ≥ V_{AUS_C2} und ob für einen zweiten Port V_{AUS_C2} ≥ V_{AUS_C1}. Wenn die Ziel-V_{AUS_C} für den Port, für den die Bestimmung getroffen wird, nicht größer als die des anderen Ports oder gleich dieser ist, d. h. wenn sie kleiner als die des anderen Ports ist, aktiviert das USB-PD-Teilsystem die mit dem Port assoziierte Buck-Schaltung und betreibt sie so, dass diese die Ziel-V_{AUS_C} für den Port bereitstellt (Schritt 940). Es versteht sich, dass ferner die mit dem Port assoziierte Bypass-Schaltung deaktiviert wird. Wenn die Ziel-V_{AUS_C} für den (beispielsweise) ersten Port größer als die des anderen oder zweiten Ports oder gleich dieser ist, wird eine Bestimmung getroffen, ob der erste Port eine Ziel-V_{AUS_C} von entweder 15 V oder 20 V aufweist (Schritt 942). Ist die Ziel-V_{AUS_C} für den Port gleich entweder 15 V oder 20 V, steuert das USB-PD-Teilsystem den Flyback-Wandler so, dass dieser eine VEIN gleich der Zielspannung V_{AUS_C}, d. h. entweder 15 V oder 20 V, erzeugt, und aktiviert die mit dem Port assoziierte Bypass-Schaltung (Schritt 944). Ist die geforderte oder Ziel-V_{AUS_C} nicht gleich entweder 15 V oder 20 V, steuert das USB-PD-Teilsystem den Flyback-Wandler so, dass dieser eine VEIN gleich der Zielspannung V_{AUS_C} und nicht gleich 15 V oder 20 V erzeugt, und aktiviert die mit dem Port assoziierte Bypass-Schaltung (Schritt 946). Im Allgemeinen ist die V_{AUS_C} unter diesen Umständen kleiner als 15 V und kann beispielsweise eines oder mehrere von 5 V, 9 V oder 12 V umfassen. Vorzugsweise umfasst das Verfahren, wie in der gezeigten Ausführungsform, ferner eine Feedback-Schleife oder einen Feedback-Mechanismus (Schritt 948), wobei die Ausgangsspannungen (V_{AUS_C1}, V_{AUS_C2}) und der an beiden aufgenommene Strom (I_{aus_}c₁, I_{aus_C2}) relativ zu einem maximalen Strom (Imax), der von dem USB-Leistungsadapter unterstützt wird, kontinuierlich überwacht werden und der USB-Leistungsadapter so gesteuert wird, dass er den Betrieb je nach der an beiden Ports aufgenommenen Gesamtwattzahl zwischen einem Buck-Bypass-Modus und einem variablen Buck-Eingangsmodus umschaltet. Wenn der an beiden Ports aufgenommene Strom (I_{aus_}c₁, L_{out_C2}) relativ zu Imax klein ist, kann der USB-Leistungsadapter weiterhin in einem Buck-Bypass-Modus betrieben werden. Wenn der an beiden Ports aufgenommene Strom höher wird, wird es erforderlich, VEIN auf eine höhere Spannung (begrenzt durch Imax) anzuheben, die Bypass-Schaltung zu deaktivieren und den USB-Leistungsadapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus zu betreiben. Es sei darauf hingewiesen, dass dies nur dann der Fall ist, wenn die größte Zielausgangsspannung (V_{AUS_C}) kleiner als 15 V ist. Beträgt die Zielausgangsspannung (V_{AUS_C}) entweder 15 V (optional) oder 20 V, kann der USB-Leistungsadapter für den oder die Ports, die entweder 15 V (optional) oder 20 V fordern, weiterhin in einem Buck-Bypass-Modus betrieben werden.
10A-D sind Graphen, die Zugewinne an Effizienz eines USB-Leistungsadapters illustrieren, der einen Buck-Controller, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, umfasst, verglichen mit einem Buck-Controller, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben wird, und einem Buck-Controller, der mit einer festen Buck-Eingangsspannung von 22 V betrieben wird. In diesen Graphen ist die Effizienz des USB-Leistungsadapters, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, durch durchgezogene Linien 1002 dargestellt, während die Effizienz des USB-Leistungsadapters, der in einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben wird, durch erste gestrichelte Linien 1004 dargestellt ist, und diejenigen, die unter Verwendung einer festen Buck-Eingangsspannung herkömmlich betrieben werden, durch gestrichelte Linien 1006 dargestellt sind. Unter Bezugnahme auf die 10A-D ist zu sehen, dass ein USB-Leistungsadapter, der in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, die beste Effizienz unter allen drei Betriebsmodi bietet, während der variable Buck-Eingangsmodus eine fast genauso gute Effizienz und eine bessere Effizienz verglichen mit dem herkömmlichen Modus mit fester Buck-Eingangsspannung bietet.
11 ist ein On-Chip-IC(Integrated Circuit)-USB-Controller, der ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Wandler umfasst, die für eine Verwendung in dem USB-Leistungsadapter aus 1A geeignet sind. Bezugnehmend auf 11 umfasst der USB-Controller 1100 im Allgemeinen ein Teilsystem mit einer oder mehreren zentralen Verarbeitungseinheiten (CPU) 1102, eine Peripherieanbindung 1104, Systemressourcen 1106, ein Eingangs/Ausgangs(E/A)-Teilsystem 1108, einen DC/DC-Controller 1109, der einen Buck-Wandler 1110 umfasst, und ein USB-Leistungsabgabe(USB-PD)-Teilsystem 1111, das einen High-Side-Gate-Treiber (HSDR 1112) zum Steuern von Schaltern der Buck- und Bypass-Schaltungen und eine Kommunikationskanal-PHY(CC BB PHY 1114)-Logik zum Unterstützen von Kommunikationen über einen Typ-C-Kommunikationskanal (CC), umfassend geforderte VAUS-C-Pegel, umfasst.
Das CPU-Teilsystem 1102 umfasst eine oder mehrere CPUs 1116, einen Flash-Speicher 1118, einen SRAM (Static Random Access Memory) 1120 und einen ROM (Read Only Memory) 1122, die alle über eine Systemanbindung 1124 gekoppelt sind. Die eine oder die mehreren CPUs 1102 können einen beliebigen geeigneten Prozessor umfassen, der für einen Betrieb in einem IC(Integrated Circuit)-USB-Controller 1100 oder einer SoC(System-On-a-Chip)-Vorrichtung geeignet ist. Der Flash-Speicher 1118 ist ein schneller, nichtflüchtiger Speicher (z. B. NAND-Flash, NOR-Flash usw.) mit kürzeren Zugriffs- oder Lesezeiten, der konfiguriert oder betriebsfähig ist, um Daten und Programme zu speichern. Der SRAM 1120 ist ein anderer flüchtiger Speicher, der für das Speichern von Daten und Firmware-Anweisungen, auf die die eine oder die mehreren CPUs 1116 zugreifen, konfiguriert ist. Der ROM 1122 kann einen eingebetteten nichtflüchtigen Speicher (eNVM) umfassen, der zum Speichern von Hochfahrroutinen, Konfigurationsparametern und anderen Firmware-Parametern und -Einstellungen konfiguriert ist. Die Systemanbindung 1124 kann einen Einzelebenen-Advanced-High-Performance-Bus (AHB) oder Systembus umfassen, der sowohl als eine Schnittstelle, die die verschiedenen Komponenten des CPU-Teilsystems 1102 miteinander koppelt, als auch als eine Daten- und Steuerungsschnittstelle zwischen den verschiedenen Komponenten des CPU-Teilsystems und der Peripherieanbindung 1104 konfiguriert ist.
Die Peripherieanbindung 1104 kann einen weiteren AHB oder Peripheriebus umfassen, der die primäre Daten- und Steuerungsschnittstelle zwischen dem CPU-Teilsystem 1102 und anderen Teilsystemen und Ressourcen, wie etwa den Systemressourcen 1106, dem E/A-Teilsystem 1108 und dem USB-PD-Teilsystem 1111, bereitstellt.
Die Systemressourcen 1106 können verschiedene elektronische Schaltungen und Teilsysteme umfassen, um verschiedene Zustände und Betriebsmodi des USB-Controllers 1100 zu unterstützen. Beispielsweise können die Systemressourcen 1106 ein Leistungsteilsystem (PWRSYS 1106a) umfassen, das analoge und/oder digitale Schaltungen umfasst, wie etwa Schlafsteuerungsschaltungen, einen Aufweck-Unterbrechungs-Controller (WIC), eine Power-On-Reset (POR), Spannungs- und/oder Stromreferenzgeneratoren oder -schaltungen (REF). Die Systemressourcen 1106 können auch ein Taktteilsystem 1106b umfassen, das analoge und/oder digitale Schaltungen aufweist, wie etwa beispielsweise Taktsteuerungsschaltungen, eine oder mehrere Watchdog-Timer(WDT)-Schaltungen, eine oder mehrere ILO(Internal Low-Speed Oscillator)-Schaltungen und eine oder mehrere IMO(Internal Main Oscillator)-Schaltungen. Die Systemressourcen 1106 können auch analoge und/oder digitale Schaltungs-Reset-Schaltungen 1106c umfassen, die eine Reset-Steuerung bereitstellen und einen externen Reset (XRES) unterstützen. In einigen Ausführungsformen, wie etwa der gezeigten, können die Systemressourcen 1106 ferner ein Testteilsystem 1106d umfassen, das verschiedene Testschaltungen oder -blöcke für eine Testmoduseingabe und analoge und/oder digitale DFT(Design-For-Testability)-Operationen umfasst.
Das E/A-Teilsystem 1108 kann verschiedene unterschiedliche Typen von E/A-Blöcken und Teilsystemen umfassen, umfassend beispielsweise Allzweckeingangs/-ausgangsblockteilsysteme (IOSS GIPOs), TCPWM(Timer/Counter/Pulsweitenmodulations)-Blöcke und serielle Kommunikationsblöcke (SCBs).
Das USB-PD-Teilsystem 1111 stellt eine Schnittstelle zu den USB-Verbindern oder -Ports bereit und ist konfiguriert, um USB-Kommunikationen sowie andere USB-Funktionalitäten, wie etwa Leistungsabgabe und Batterieladen, zu unterstützen. Im Allgemeinen umfasst das USB-PD-Teilsystem 1111 die ESD(Electro-Static Discharge)-Schutzschaltungen, die an einem Typ-C-Port erforderlich sind. Das USB-PD-Teilsystem 1111 umfasst auch einen Typ-C-Sendeempfänger und eine Bitübertragungsschicht-Logik (PHY), die als eine integrierte Basisband-PHY-Schaltung konfiguriert sind, um verschiedene digitale Codierungs-/Decodierungsfunktionen (z. B. Biphase-Mark-Code(BMC)-Codierung/-Decodierung, zyklische Redundanzprüfungen (CRC, Cyclic Redundancy Checks) usw.) und analoge Signalverarbeitungsfunktionen, die an Übertragungen der Bitübertragungsschicht beteiligt sind, durchzuführen. Das USB-PD-Teilsystem 1111 stellt auch die Abschlusswiderstände (RP und RD) und ihre Schalter bereit, wie sie von der USB-PD-Spezifikation benötigt werden, um eine Verbindungsdetektion, eine Steckerorientierungsdetektion und Leistungsabgaberollen über ein Typ-C-Kabel zu implementieren. Der IC-Controller (und/oder sein USB-PD-Teilsystem 1111) kann auch konfiguriert sein, um auf Kommunikationen zu reagieren, die in einer USB-PD-Spezifikation definiert sind, wie etwa beispielsweise SOP(Start-Of-Packet)-, SOP' und SOP''-Nachrichtenübermittlungen.
Neben anderen Schaltkreisen kann das USB-PD-Teilsystem 1111 ferner Folgendes umfassen: einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler (ADCs) zum Umwandeln verschiedener analoger Signale in digitale Signale; einen VCONN-FET; einen Fehlerverstärker (ERROR AMP) zum Steuern der an die VBUS-Leitung angelegten Leistungsversorgungsspannung gemäß einem PD-Vertrag; einen Hochspannungsregler (HV REG) zum Umwandeln der Leistungsversorgungsspannung in die exakte Spannung (z. B. 3-5 V), die der USB-Controller 1100 braucht; einen Stromerfassungsverstärker (CSA, Current Sense Amplifier) und eine Schaltung zum Schutz vor Überspannung (OVP-Schaltung) zum Bereitstellen eines Schutzes vor Überstrom (OCP) und Überspannung (OV) und eines Schutzes vor Unterspannung (UV) an der VBUS-Leitung mit konfigurierbaren Schwellen und Reaktionszeiten; einen Pulsweitenmodulator (PWM); einen oder mehrere Gate-Treiber (GATE-TRB) zum Steuern der Leistungsschalter, die die Bereitstellung von Leistung über die VBUS-Leitung ein- und ausschalten; einen Low-Side-Gate-Treiber (LSDR); einen Detektionsblock für Ladeprotokolle (CHG DET), um unterschiedliche Typen von proprietären Ladestandards zu detektieren und zu unterstützen; und mindestens zwei On-Die-Entladeschaltungen (VBUS DISCH), die eine VBUS-Leitungsspannung auf einen beliebigen eines Bereichs von programmierbaren Spannungspegeln entladen können.
Somit wurde ein Multiport-USB-PD-Adapter, der einen Flyback-Wandler, einen USB-Controller mit einem USB-PD-Teilsystem und einem Buck-Controller und mehrere Buck- und Bypass-Schaltungen umfasst und dazu fähig ist, in einem Buck-Bypass-Modus und/oder einem variablen Buck-Eingangsmodus betrieben zu werden, offenbart. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben mit Hilfe funktionaler und schematischer Blockdiagramme beschrieben worden, die die Implementierung von spezifizierten Funktionen und deren Beziehungen illustrieren. Die Grenzen dieser Funktionsbaublöcke sind hierin zur Vereinfachung der Beschreibung zufällig definiert worden. Andere Grenzen können definiert werden, solange die spezifizierten Funktionen und deren Beziehungen angemessen durchgeführt werden.
Die vorhergehende Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen legt die allgemeine Natur der Erfindung so vollständig offen, dass andere durch das Anwenden ihres Fachwissens solche spezifischen Ausführungsformen für verschiedene Anwendungen ohne übermäßiges Experimentieren problemlos modifizieren und/oder anpassen können, ohne von dem allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Somit sind solche Anpassungen und Modifizierungen, basierend auf den hierin präsentierten Lehren und Anleitungen, als innerhalb der Bedeutung und des Bereichs von Äquivalenten der offenbarten Ausführungsformen eingeschlossen zu verstehen. Es versteht sich, dass die Ausdrucksweise oder Terminologie hierin der Beschreibung dient und nicht als begrenzend betrachtet werden sollte, sodass die Terminologie oder Ausdrucksweise der vorliegenden Patentbeschreibung von Fachleuten im Licht der Lehren und Anleitungen zu interpretieren ist.
Es versteht sich, dass zur Interpretation der Ansprüche die detaillierte Beschreibungssektion verwendet werden soll und nicht etwa die Übersichts- und Zusammenfassungssektionen. Die Übersichts- und Zusammenfassungssektionen können eine oder mehrere, aber nicht alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, wie sie von dem/den Erfinder(n) gesehen werden, darlegen und sollen die vorliegende Erfindung und die angehängten Ansprüche deshalb in keiner Weise begrenzen.
Die Breite und der Umfang der vorliegenden Erfindung sollten durch keines der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt werden, sondern sollten nur gemäß den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/182112 [0001]

Claims

Ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: in einem Universal-Serial-Bus(USB)-Leistungsabgabe(USB-PD)-Adapter, der eine Vielzahl von USB-Ports, einen Flyback-Wandler und mindestens eine erste Buck-Schaltung, über die ein erster USB-Port der Vielzahl von USB-Ports mit einem Ausgang des Flyback-Wandlers gekoppelt ist, umfasst, Detektieren einer ersten Bypass-Schaltung, über die der Ausgang des Flyback-Wandlers direkt mit dem ersten USB-Port gekoppelt werden kann; und wenn keine erste Bypass-Schaltung detektiert wird, Betreiben des USB-Leistungsadapters in einem variablen Buck-Eingangsmodus, wobei, wenn nur der erste USB-Port mit einer ersten Vorrichtung verbunden ist, der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine Eingangsspannung (V_EIN) an die erste Buck-Schaltung erzeugt, die gleich einer Summe aus einer ersten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C1}) an den ersten USB-Port und einer Offsetspannung (Vos) ist, und die erste Buck-Schaltung aktiviert und so betrieben wird, dass sie V_{AUS_C1} an den ersten USB-Port ausgibt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste USB-Port einen USB-C-Port beinhaltet und wobei die Ausgangs-V_{AUS_C1} 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V beinhaltet und wobei die Offsetspannung (Vos) eine Spannung beinhaltet, die durch ein maximales Tastverhältnis, das von der ersten Buck-Schaltung unterstützt wird, bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei, wenn ein zweiter USB-Port, der über eine zweite Buck-Schaltung mit dem Ausgang des Flyback-Wandlers gekoppelt ist, mit einer zweiten Vorrichtung verbunden ist, der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus der Offsetspannung und einer größeren von V_{AUS_C1} oder einer zweiten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C2}) an den zweiten USB-Port ist, und diese mit der ersten und zweiten Buck-Schaltung koppelt, und wobei die erste und zweite Buck-Schaltung aktiviert und so betrieben werden, dass sie V_{AUS_C1} an den ersten USB-Port ausgeben und V_{AUS_C2} an den zweiten USB-Port ausgeben.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der erste und zweite USB-Port USB-C-Ports beinhalten und wobei V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V beinhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei V_{AUS_C2} gleich V_{AUS_C1} ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei, wenn die erste Bypass-Schaltung detektiert wird, der USB-Leistungsadapter so in einem Buck-Bypass-Modus betrieben wird, dass, wenn nur der erste USB-Port mit der ersten Vorrichtung verbunden ist, die erste Bypass-Schaltung aktiviert wird und der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine VEIN gleich V_{AUS_C1} erzeugt, welche dann über die erste Bypass-Schaltung mit dem ersten USB-Port gekoppelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der erste USB-Port einen USB-C-Port beinhaltet und wobei die Ausgangs-V_{AUS_C1} 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei, wenn ein zweiter USB-Port, der über eine zweite Buck-Schaltung mit dem Ausgang des Flyback-Wandlers gekoppelt ist, mit einer zweiten Vorrichtung verbunden ist, der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine VEIN erzeugt, die gleich einer größeren von V_{AUS_C1} oder einer zweiten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C2}) an den zweiten USB-Port ist, und diese mit der ersten und zweiten Buck-Schaltung koppelt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der USB-Leistungsadapter ferner eine zweite Bypass-Schaltung beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 9, das ferner das Aktivieren entweder der ersten Bypass-Schaltung oder der zweiten Bypass-Schaltung beinhaltet, um die größere von V_{AUS_C1} mit dem ersten USB-Port oder V_{AUS_C2} mit dem zweiten USB-Port zu koppeln und um entweder die erste Buck-Schaltung oder die zweite Buck-Schaltung zu aktivieren und so zu betreiben, dass diese eine niedrigere von V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2} an den ersten oder zweiten USB-Port ausgibt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der erste und zweite USB-Port USB-C-Ports beinhalten und wobei V_{AUS_C1} und V_{AUS_C2} 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V beinhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei V_{AUS_C1} gleich V_{AUS_C2} ist und wobei sowohl die erste als auch die zweite Bypass-Schaltung aktiviert werden, um VEIN direkt mit dem ersten und zweiten USB-Port zu koppeln.
Ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: Betreiben eines Universal-Serial-Bus-Leistungsabgabe(USB-PD)-Leistungsadapters, um eine erste Ausgangsspannung (V_{AUS_C1}) zu bestimmen, die von einer ersten Vorrichtung, die mit einem ersten Port von mehreren Ports des USB-Leistungsadapters verbunden ist, gefordert wird; und Betreiben eines Flyback-Wandlers des USB-Leistungsadapters, um eine erste Spannung, die an den Flyback-Wandler geliefert wird, in eine zweite Spannung (V_EIN) umzuwandeln, die an mindestens eine Buck-Schaltung, die zwischen dem Flyback-Wandler und dem ersten Port gekoppelt ist, geliefert wird, wobei, wenn verbleibende Ports der mehreren Ports nicht mit Vorrichtungen gekoppelt sind, der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus einer Offsetspannung (Vos) und V_{AUS_C1} ist, und die erste Buck-Schaltung aktiviert und so betrieben wird, dass sie V_{AUS_C1} an den ersten Port ausgibt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der erste Port einen USB-C-Port beinhaltet und wobei die Ausgangs-V_{AUS_C1} 5 V, 9 V, 12 V, 15 V oder 20 V beinhaltet und wobei Vos einen Spannungsabfall über die erste Buck-Schaltung beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei eine zweite Vorrichtung mit einem zweiten Port, der über eine zweite Buck-Schaltung mit dem Flyback-Wandler gekoppelt ist, verbunden ist und wobei der Flyback-Wandler so betrieben wird, dass er eine VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus Vos und einer größeren von V_{AUS_C1} oder einer zweiten, von der zweiten Vorrichtung geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C2}) ist, und diese mit der ersten und zweiten Buck-Schaltung koppelt, und wobei die erste und zweite Buck-Schaltung aktiviert und so betrieben werden, dass sie V_{AUS_C1} an den ersten Port ausgeben und V_{AUS_C2} an den zweiten Port ausgeben.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei V_{AUS_C2} gleich V_{AUS_C1} ist.
Ein Universal-Serial-Bus-Leistungsabgabe(USB-PD)-Leistungsadapter, der Folgendes beinhaltet: einen Flyback-Wandler, der betriebsfähig ist, um eine erste Spannung zu empfangen und in eine zweite Spannung umzuwandeln, eine Vielzahl von Buck-Schaltungen, die zwischen dem Flyback-Wandler und einer Vielzahl von USB-Ports gekoppelt sind, wobei jede der Vielzahl von Buck-Schaltungen betriebsfähig ist, um eine einzige Eingangsspannung (V_EIN) von dem Flyback-Wandler zu empfangen und eine geforderte Spannung an einen der Vielzahl von USB-Ports abzugeben; und einen USB-Controller, der mit dem Flyback-Wandler und der Vielzahl von Buck-Schaltungen gekoppelt ist, wobei der USB-Controller ein USB-PD-Teilsystem und einen Buck-Controller umfasst, die betriebsfähig sind, um den USB-Leistungsadapter in einem variablen Buck-Eingangsmodus zu betreiben, wobei, wenn nur ein erster USB-Port der Vielzahl von USB-Ports mit einer ersten Vorrichtung verbunden ist, der USB-Controller für Folgendes betriebsfähig ist: Betreiben des Flyback-Wandlers so, dass dieser eine VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus einer Offsetspannung (Vos) und einer ersten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C1}) an einen ersten USB-Port der Vielzahl von USB-Ports ist; und Aktivieren und Betreiben einer ersten Buck-Schaltung der Vielzahl von Buck-Schaltungen so, dass diese V_{AUS_C1} an den ersten USB-Port ausgibt.
USB-Leistungsadapter gemäß Anspruch 17, der ferner einen zweiten USB-Port der Vielzahl von USB-Ports beinhaltet, der über eine zweite Buck-Schaltung mit dem Flyback-Wandler gekoppelt ist, und wobei, wenn der zweite USB-Port mit einer zweiten Vorrichtung verbunden ist, das USB-PD-Teilsystem den Flyback-Wandler so betreibt, dass dieser eine VEIN erzeugt, die gleich einer Summe aus Vos und einer größeren von V_{AUS_C1} oder einer zweiten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C2}), die von der zweiten Vorrichtung, die mit dem zweiten USB-Port gekoppelt ist, gefordert wird, ist, und diese mit der ersten und zweiten Buck-Schaltung koppelt, und die erste und zweite Buck-Schaltung von dem Buck-Controller aktiviert und so betrieben werden, dass sie V_{AUS_C1} an den ersten USB-Port ausgeben und V_{AUS_C2} an den zweiten USB-Port ausgeben.
USB-Leistungsadapter gemäß Anspruch 17, der ferner mindestens eine Bypass-Schaltung beinhaltet, die eine der Vielzahl von Buck-Schaltungen umgeht, und wobei der USB-Controller betriebsfähig ist, um den USB-Leistungsadapter in einem Buck-Bypass-Modus zu betreiben, wobei, wenn nur der erste USB-Port mit der ersten Vorrichtung verbunden ist, das USB-PD-Teilsystem den Flyback-Wandler so betreibt, dass dieser eine VEIN gleich V_{AUS_C1} erzeugt, und eine erste Bypass-Schaltung aktiviert, die die erste Buck-Schaltung umgeht, um VEIN über die erste Bypass-Schaltung direkt mit dem ersten USB-Port zu koppeln.
USB-Leistungsadapter gemäß Anspruch 19, der ferner einen zweiten USB-Port beinhaltet, der über eine zweite Buck-Schaltung mit dem Flyback-Wandler gekoppelt ist, und wobei, wenn der zweite USB-Port mit einer zweiten Vorrichtung verbunden ist: das USB-PD-Teilsystem betriebsfähig ist, um den Flyback-Wandler so zu betreiben, dass dieser eine VEIN erzeugt, die gleich einer größeren von V_{AUS_C1} oder einer zweiten geforderten Ausgangsspannung (V_{AUS_C2}) ist, und diese mit der ersten und zweiten Buck-Schaltung koppelt, und die erste Bypass-Schaltung oder eine zweite Bypass-Schaltung, die die zweite Buck-Schaltung umgeht, zu aktivieren, um die erste Buck-Schaltung oder die zweite Buck-Schaltung, die mit dem ersten oder zweiten USB-Port, der die größere von V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2} fordert, gekoppelt ist, zu umgehen; und der Buck-Controller betriebsfähig ist, um die erste Buck-Schaltung oder die zweite Buck-Schaltung so zu betreiben, dass diese eine kleinere von V_{AUS_C1} oder V_{AUS_C2} ausgibt.