TW201937328A - 負載偵測電路與具有雙輸出電源之電源供應器 - Google Patents

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Abstract

一種負載偵測電路應用於電源轉換器。電源轉換器提供開關切換頻率以控制開關輸出電壓。負載偵測電路包含電壓調整單元、積分單元以及功率開關。電壓調整單元接收電源轉換器的開關輸出電壓，且調整開關輸出電壓為調整電壓。積分單元耦接電壓調整單元接收調整電壓，且積分調整電壓以提供控制電壓。功率開關耦接積分單元接收控制電壓。當開關切換頻率增大，使控制電壓增大至足以導通功率開關時，負載偵測電路偵知電源轉換器由無載狀態轉換為有載狀態。

Description

負載偵測電路與具有雙輸出電源之電源供應器
本發明係有關一種偵測電路與具有偵測電路的電源供應器，尤指一種負載偵測電路與具有負載偵測電路的具有雙輸出電源之電源供應器。
在可攜式行動裝置越來越普及的情況下，手機、平板或者筆記型電腦同時攜帶外出的機會越來越多。對於可攜式行動裝置的充電器來說，若能夠整合使用同一個適配器(adapter)對多個行動裝置提供充電的需求，將會是一個方便的選擇。因此，這樣的需求也使得市面上推出了具有多組輸出功能的適配器產品，以滿足能夠對不同行動裝置充電的需求。舉例來說，所述適配器產品具有主輸出用以對筆記型電腦充電，亦同時具有輔助輸出或稱次輸出用以對手機充電。
以具有雙輸出的適配器為例，主輸出的輸出功率與輔助輸出的輸出功率兩者的輸出功率總和必須等於適配器的總輸出輸出。再者，通常輔助輸出使用的有無會直接地影響到適配器對於主輸出的分配多寡，因此對於輔助輸出是否提供負載供電的偵知，則將影響適配器總輸出功率的分配，以及主輸出與輔助輸出兩者之間的功率分配協同(cooperation)。
現有的負載偵知，係透過在負載端設置檢知電阻(sense resistor)，並根據流經檢知電阻的電流值來判斷是否為有載或無載的操作。惟使用負載偵知的方式，由於流經檢知電阻的電流值(即負載電流值)通常需要到達一定的大小，例如大於100mA，才有辦法達到有效地偵知為有載或無載，或者由無載進入有載的操作。換言之，若應用於無載與有載狀態下的負載電流值小於上述的電流值，即小於100mA的操作時，則無法達到精準地無載或有載變化的偵知，亦即，當發生無載、有載的操作變化時，太小的負載電流值則無法透過檢知電阻的方式偵知出負載已發生變化，因此，將導致適配器對於主輸出與輔助輸出兩者之間的功率分配協同的衝突或失效。
本發明之一目的在於提供一種負載偵測電路，解決因檢知電阻無法偵知出過小負載電流所造成適配器對於輸出功率分配協同的衝突或失效的問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的負載偵測電路應用於電源轉換器，其中電源轉換器提供開關切換頻率以控制開關輸出電壓。負載偵測電路包含電壓調整單元、積分單元以及功率開關。電壓調整單元接收電源轉換器的開關輸出電壓，且調整開關輸出電壓為調整電壓。積分單元耦接電壓調整單元，接收調整電壓，且積分調整電壓以提供控制電壓。功率開關耦接積分單元，接收控制電壓。當開關切換頻率增大，使控制電壓增大至足以導通功率開關時，負載偵測電路偵知電源轉換器由無載狀態轉換為有載狀態。
於一實施例中，電壓調整單元為稽納二極體，積分單元為電阻電容積分電路。
於一實施例中，電壓調整單元根據稽納二極體的崩潰電壓調整開關輸出電壓為調整電壓。
於一實施例中，積分單元包含第一電阻、第二電阻以及第一電容。第一電阻耦接電壓調整單元，且接收調整電壓。第二電阻耦接第一電阻。第一電容並聯耦接第二電阻，以提供控制電壓。
於一實施例中，當崩潰電壓增大時，第一電阻的電阻值減小或第二電阻的電阻值增大。
於一實施例中，第二電阻、第一電容以及功率開關共接於接地點。
於一實施例中，調整電壓為單極性的脈衝方波電壓。
於一實施例中，電源轉換器為同步降壓轉換器。
藉由所提出的負載偵測電路，可精準地達成無載進入有載的偵知之功效。
本發明之另一目的在於提供一種具有雙輸出電源之電源供應器，解決因檢知電阻無法偵知出過小負載電流所造成適配器對於輸出功率分配協同的衝突或失效的問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的具有雙輸出電源之電源供應器包含主電源轉換器、輔助電源轉換器以及負載偵測電路。輔助電源轉換器耦接主電源轉換器，且提供開關輸出端。負載偵測電路耦接開關輸出端。當輔助電源轉換器由無載狀態轉換為有載狀態時，負載偵測電路輸出系統通知信號，使輔助電源轉換器提供預定的輔助輸出電源。
於一實施例中，負載偵測電路更包含控制單元。控制單元耦接功率開關。當控制電壓增大至導通電壓時，功率開關導通，且功率開關提供輸出準位電壓以致能控制單元輸出系統通知信號。
藉由所提出的具有雙輸出電源之電源供應器，可精準地達成無載進入有載的偵知之功效。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖1所示，其係為本發明具有雙輸出電源之電源供應器的方塊圖。具有雙輸出電源之電源供應器100(以下簡稱電源供應器100)包含主電源轉換器Pm與輔助電源轉換器Pa，其中輔助電源轉換器Pa耦接主電源轉換器Pm。主電源轉換器Pm的輸出與輔助電源轉換器Pa的輸出係提供電源供應器的雙輸出。
主電源轉換器Pm係可產生主輸出電流Iom與提供主輸出功率Pom；輔助電源轉換器Pa係可產生輔助輸出電流Ioa與提供輔助輸出功率Poa。舉例來說，電源供應器100，例如雙輸出電源適配器(adapter)，其總輸出功率可為45W，即主輸出功率Pom與輔助輸出功率Poa的總和可為45W。通常，所述雙輸出電源適配器會設計輔助輸出功率Poa可提供的最大輸出功率，例如10W，亦即當有負載(例如電子裝置，如手機、平板電腦…)連接至輔助電源轉換器Pa時，主電源轉換器Pm可輸出的主輸出功率Pom為35W。
如圖1所示，當有負載連接至輔助電源轉換器Pa，即輔助電源轉換器Pa由無載狀態轉換為有載狀態時，輔助電源轉換器Pa係產生系統通知信號Ssys，以通知外部控制系統，使得外部控制系統進一步調整主電源轉換器Pm可輸出的主輸出功率Pom為35W，並且保留輔助輸出功率Poa具備可提供10W的供電能力。
請參見圖2所示，其係為本發明輔助電源轉換器之負載偵測電路的電路圖。負載偵測電路10係應用於電源轉換器20。為方便說明，以前述輔助電源轉換器Pa為電源轉換器20為例。在本實施例中，電源轉換器20係為降壓轉換器(buck converter)或同步降壓轉換器(synchronous buck converter)，然不以此為限制。此外，為簡化電路以方便說明，輸入電壓Vin，為經交流至直流轉換所得的直流電壓，並且輸入電壓Vin係為供應電源轉換器20轉換所需的輸入電源。
電源轉換器20包含高側開關QHS 與串聯高側開關QHS 的低側開關QLS 。透過具有開關切換頻率的高側控制信號SHS 與低側控制信號SLS ，分別對應控制高側開關QHS 與低側開關QLS 的導通與截止，以提供在開關輸出端SW，即高側開關QHS 與低側開關QLS 的共接端產生開關輸出電壓Vsw。其中開關輸出電壓Vsw的最大值為輸入電壓Vin所決定；開關輸出電壓Vsw的最小值為電源轉換器20的接地電位所決定；以及開關輸出電壓Vsw的穩態值則由電源轉換器20的輸出電壓Vout所決定。
電源轉換器20更包含由輸出電感Lo與輸出電容Co所組成的輸出濾波器。輸出濾波器係對開關輸出電壓Vsw濾波，以濾除開關輸出電壓Vsw中的高頻諧波成分，使得在電源轉換器20的輸出側提供直流的輸出電壓Vout以及輸出電流，即輔助輸出電流Ioa，以提供輔助輸出功率Poa，進而對負載供電。
如圖2所示，負載偵測電路10包含電壓調整單元11、積分單元12以及功率開關13。電壓調整單元11接收電源轉換器20的開關輸出電壓Vsw，且調整開關輸出電壓Vsw為調整電壓Vpint。在本實施例中，電壓調整單元11為稽納二極體(Zener diode)，然不以此為限制。
積分單元12耦接電壓調整單元11，接收調整電壓Vpint，且積分調整電壓Vpint以提供控制電壓Vc，即調整電壓Vpint經積分單元12積分後產生控制電壓Vc。在本實施例中，積分單元12為電阻電容積分電路，然不以此為限制。如圖2所示，以積分單元12為電阻電容積分電路為例，積分單元12包含第一電阻R1、第二電阻R2以及第一電容C1。第一電阻R1耦接電壓調整單元11，且接收調整電壓Vpint。第二電阻R2耦接第一電阻R1。第一電容C1並聯耦接第二電阻R2，以提供控制電壓Vc。
功率開關13耦接積分單元12，接收控制電壓Vc。以功率開關13為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)為例，在圖2所示的實施例中，功率開關13具有閘極(gate)、源極(source)以及汲極(drain)。功率開關13的閘極與源極係並聯耦接第二電阻R2與第一電容C1，並且第二電阻R2、第一電容C1以及功率開關13共接於接地點，使得控制電壓Vc係為對功率開關13之驅動電壓。至於功率開關13的驅動操作則容後詳述之。
請參見圖3，其係為本發明負載偵測電路之開關輸出電壓的波形示意圖。圖3上半部表示為低頻率切換的開關輸出電壓Vsw的示意圖，例如100Hz，然不以此為限制；相較於此，圖3下半部則表示為高頻率切換的開關輸出電壓Vsw的示意圖，例如為圖3上半部開關輸出電壓Vsw的切換頻率的四倍，即400Hz，然不以此為限制。再者，所述的低頻與高頻係為兩切換頻率的相對頻率高低，亦即高切換頻率可為低切換頻率的數倍，例如上述所舉例的四倍，或其他更高的倍數。開關輸出電壓Vsw的最大值由電源轉換器20的輸入電壓Vin，例如直流20伏特所決定；開關輸出電壓Vsw的最小值由電源轉換器20的接地電位，即0伏特所決定；而開關輸出電壓Vsw的穩態值則由電源轉換器20的輸出電壓Vout，例如直流5伏特所決定。因此，無論是圖3上半部低頻的開關輸出電壓Vsw或是圖3下半部高頻的開關輸出電壓Vsw的最大值與最小值分別為20伏特與0伏特，並且穩態值為5伏特，差別僅在於頻率不同。
具體地，圖3上半部係為當電源轉換器20為無載時，開關輸出電壓Vsw為低頻率切換的示意圖。亦即，沒有任何負載(例如電子裝置，如手機、平板電腦、筆記型電腦…)連接至電源轉換器20時，開關輸出電壓Vsw則降頻為低頻操作，甚至進入待機模式(standby mode)或節能模式(ECO mode)，以減少切換損失。因此，圖3上半部所示的兩個導通(on)週期之間的時間較長。
圖3下半部係為當電源轉換器20為有載(或非無載)時，開關輸出電壓Vsw為高頻率切換的示意圖。亦即，當有負載連接至電源轉換器20時，假設此時的充電電流或稱負載電流(即輔助輸出電流Ioa)為10mA，由於電路元件的固有特性，使得開關輸出電壓Vsw的頻率為跳躍地驟增，即由100Hz驟增為前述的四倍為400Hz(如圖3下半部)，或其他更高的倍數。因此，圖3下半部所示的兩個導通(on)週期之間的時間較短。
綜上說明可知，在無載進入有載初始階段時，雖然負載電流由零變化為10mA的微量變化，但開關輸出電壓Vsw的頻率則為數(四)倍的驟增，因此本發明則根據此電路特性，透過頻率的驟增能夠精準地判斷出負載由無載狀態進入有載狀態。
請參見圖4所示，其係為本發明負載偵測電路之調整電壓的波形示意圖與控制電壓的波形示意圖。如圖4上半部所示，其表示開關輸出電壓Vsw經由電壓調整單元11，即為稽納二極體對其提供電壓調整後的調整電壓Vpint波形。在本實施例中，假設稽納二極體的崩潰電壓Vz為6伏特，由於稽納二極體的崩潰特性，使得當開關輸出電壓Vsw大於稽納二極體的逆向偏壓時，稽納二極體為崩潰操作，因此使得開關輸出電壓Vsw經由電壓調整單元11調整為調整電壓Vpint，如圖4上半部的波形，即將開關輸出電壓Vsw調整為具有單極性脈衝方波電壓的調整電壓Vpint。換言之，如圖4上半部所示的調整電壓Vpint的最大值與最小值分別為調整為20伏特與6伏特，並且穩態值與最小值相同為6伏特，即形成以6伏特為基準(參考)電壓的單極性脈衝方波電壓。
此外，根據稽納二極體崩潰電壓Vz的不同，可適應地調整第一電阻R1的電阻值或第二電阻R2的電阻值，使得維持開關輸出電壓Vsw可調整為具有單極性脈衝方波電壓的調整電壓Vpint。舉例來說，當使用的稽納二極體的崩潰電壓Vz較大時，可相應地使用較小電阻值的第一電阻R1或使用較大電阻值的第二電阻R2，使得崩潰電壓Vz作為對開關輸出電壓Vsw調整的效果，透過第一電阻R1與第二電阻R2的分壓比例所維持，使得維持開關輸出電壓Vsw可調整為具有單極性脈衝方波電壓的調整電壓Vpint。
進一步地，利用電壓調整單元11將開關輸出電壓Vsw調整為單極性脈衝的方波電壓，再透過積分單元12對調整電壓Vpint進行(波形)積分。具體地，透過第一電阻R1、第二電阻R2以及第一電容C1所形成的積分電路，對所接收的調整電壓Vpint進行積分，而得到積分後如圖4下半部的控制電壓Vc的波形。值得一提，由於開關輸出電壓Vsw調整為單極性脈衝的調整電壓Vpint，而且調整電壓Vpint的兩個導通(on)週期之間的時間較短(因為頻率為跳躍地驟增為無載時頻率的四倍)，因此積分單元12足以將調整電壓Vpint積分為增量的控制電壓Vc。亦即，透過第一電阻R1、第二電阻R2以及第一電容C1設計的時間常數(即時間常數τ= RC為時間常數，其中R為第一電阻R1與第二電阻R2決定，C為第一電容C1決定)，藉此，控制電壓Vc在放電過程中尚未低於當下週期的充電初始電壓時，即進入下一個週期的充電操作，進而使得調整電壓Vpint可被積分(累積)成為增量的控制電壓Vc。再者，當負載持續連接電源轉換器20使用(充電)，並且在數個週期後到達導通時間點ton時，控制電壓Vc的大小增大至導通電壓Von。此時，控制電壓Vc足以導通功率開關13，並且功率開關13提供輸出準位電壓Vo，以致能控制單元14，例如微控制器(microcontroller, μC)或微處理器(microprocessor, μP)，但不此為限制，使得控制單元14輸出系統通知信號Ssys(配合參見圖2)，以通知外部控制系統，使得外部控制系統進一步調整主電源轉換器Pm可輸出的主輸出功率Pom為35W，並且保留輔助輸出功率Poa具備可提供10W的供電能力。
綜上，當負載連接至輔助電源轉換器Pa為無載轉換成有載的狀態時，由於開關輸出電壓Vsw的頻率為跳躍地驟增，對應地調整電壓Vpint的頻率亦為跳躍地驟增，因此經由積分單元12積分後所提供的控制電壓Vc增加至足以導通功率開關13，而使得功率開關13致能控制單元14以輸出系統通知信號Ssys，以通知外部控制系統，保留輔助電源轉換器Pa的輔助輸出功率Poa具備可提供預留的供電能力(例如10W)，此時主電源轉換器Pm最多則僅能輸出電源供應器100的總輸出功率扣除預留給輔助電源轉換器Pa供電能力所剩的35W，以實現主輸出功率Pom與輔助輸出功率Poa的有效分配。
反之，當沒有負載連接至輔助電源轉換器Pa而為無載的狀態時，由於開關輸出電壓Vsw為低頻率切換的操作，即無驟增的頻率變動發生，因此即使調整電壓Vpint經由積分單元12積分，然而由於調整電壓Vpint的兩個導通(on)週期之間的時間較長(因為頻率為低頻率)，因此積分單元12不足以將調整電壓Vpint積分為增量的控制電壓Vc。此時，控制電壓Vc不足以導通功率開關13而無法致能控制單元14，因此控制單元14不會輸出系統通知信號Ssys，故此外部控制系統則完全地保留電源供應器100的總輸出功率，例如45W供主電源轉換器Pm(如圖1所示)作為主輸出功率Pom使用。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與功效：
1、當負載(例如電子裝置，如手機、平板電腦、筆記型電腦…)連接至輔助電源轉換器Pa使用時，啟動負載偵測電路10，以輸出系統通知信號Ssys通知外部控制系統，控制輔助電源轉換器Pa具備可提供預留供電的輔助輸出功率Poa。
2、當負載未連接至輔助電源轉換器Pa使用時，控制電壓Vc不足以導通功率開關13，而無法致能控制單元14，因此控制單元14不會輸出系統通知信號Ssys，使得外部控制系統控制主電源轉換器Pm具備可完全輸出電源供應器100的總輸出功率的主輸出功率Pom。
3、利用當無載進入有載初始階段時，頻率驟增的特性，能夠快速地(在幾個週期內)、精準地判斷出負載由無載狀態進入有載狀態，而通知外部控制系統，以控制輔助電源轉換器Pa對負載提供預留的供電能力。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
100‧‧‧電源供應器
10‧‧‧負載偵測電路
20‧‧‧電源轉換器
11‧‧‧電壓調整單元
12‧‧‧積分單元
13‧‧‧功率開關
14‧‧‧控制單元
Iom‧‧‧主輸出電流
Pom‧‧‧主輸出功率
Ioa‧‧‧輔助輸出電流
Poa‧‧‧輔助輸出功率
Vsw‧‧‧開關輸出電壓
Vpint‧‧‧調整電壓
Vc‧‧‧控制電壓
Vz‧‧‧崩潰電壓
Von‧‧‧導通電壓
Vo‧‧‧輸出準位電壓
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
C1‧‧‧第一電容
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Pm‧‧‧主電源轉換器
Pa‧‧‧輔助電源轉換器
SW‧‧‧開關輸出端
Ssys‧‧‧系統通知信號
QHS‧‧‧高側開關
QLS‧‧‧低側開關
SHS‧‧‧高側控制信號
SLS‧‧‧低側控制信號
Co‧‧‧輸出電容
Lo‧‧‧輸出電感
ton‧‧‧導通時間點
圖1：為本發明具有雙輸出電源之電源供應器的方塊圖。
圖2：為本發明輔助電源轉換器之負載偵測電路的電路圖。
圖3：為本發明負載偵測電路之開關輸出電壓的波形示意圖。
圖4：為本發明負載偵測電路之調整電壓的波形示意圖與控制電壓的波形示意圖。

Claims (10)

  1. 一種負載偵測電路，應用於一電源轉換器，其中該電源轉換器提供一開關切換頻率以控制一開關輸出電壓，該負載偵測電路包含： 一電壓調整單元，接收該電源轉換器的該開關輸出電壓，且調整該開關輸出電壓為一調整電壓； 一積分單元，耦接該電壓調整單元，接收該調整電壓，且積分該調整電壓以提供一控制電壓；及 一功率開關，耦接該積分單元，接收該控制電壓； 其中當該開關切換頻率增大，使該控制電壓增大至足以導通該功率開關時，該負載偵測電路偵知該電源轉換器由無載狀態轉換為有載狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之負載偵測電路，其中該電壓調整單元為一稽納二極體，該積分單元為一電阻電容積分電路。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之負載偵測電路，其中該電壓調整單元根據該稽納二極體的一崩潰電壓調整該開關輸出電壓為該調整電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之負載偵測電路，其中該積分單元包含： 一第一電阻，耦接該電壓調整單元，且接收該調整電壓； 一第二電阻，耦接該第一電阻；及 一第一電容，並聯耦接該第二電阻，以提供該控制電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之負載偵測電路，其中當該崩潰電壓增大時，該第一電阻的電阻值減小或該第二電阻的電阻值增大。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之負載偵測電路，其中該第二電阻、該第一電容以及該功率開關共接於一接地點。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之負載偵測電路，其中該調整電壓為一單極性的脈衝方波電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之負載偵測電路，其中該電源轉換器為一同步降壓轉換器。
  9. 一種具有雙輸出電源之電源供應器，包含： 一主電源轉換器； 一輔助電源轉換器，耦接該主電源轉換器，且提供一開關輸出端；及 一負載偵測電路，如請求項1至8中任一項所述之負載偵測電路，耦接該開關輸出端； 其中當該輔助電源轉換器由無載狀態轉換為有載狀態時，該負載偵測電路輸出一系統通知信號，使該輔助電源轉換器提供預定的一輔助輸出電源。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具有雙輸出電源之電源供應器，其中該負載偵測電路更包含： 一控制單元，耦接該功率開關； 其中當該控制電壓增大至一導通電壓時，該功率開關導通，且該功率開關提供一輸出準位電壓以致能該控制單元輸出該系統通知信號。
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