TWI536706B - 智慧型電源轉接器及其供電控制方法 - Google Patents

智慧型電源轉接器及其供電控制方法 Download PDF

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Description

智慧型電源轉接器及其供電控制方法
本發明是有關於一種電源轉接器，且特別是有關於一種可根據負載裝置的功率需求經由充電通訊協定的溝通而調整輸出的智慧型電源轉接器及其供電控制方法。
在現行的電子產品應用中，若要使用市電等交流電源作為電子裝置的供電來源，通常會需要使用一個電源轉接器來將交流電源轉換為直流電源以提供給電子裝置使用。
對於電子裝置而言，其實際的功率消耗會跟本身的運作狀態息息相關。舉例來說，若電子裝置的電池模組處於低電量的狀態下，充電控制晶片一般會採用快充的方式(即，定電流充電)來進行充電(充電電流相對較高)，此時電子裝置會具有較高的功率消耗。又，若電子裝置的電池模組處於接近滿充的狀態下，充電控制晶片一般會採用定電壓的方式進行充電(充電電流相對較低)，藉以令電池模組的電池電壓可以逐漸地穩定在滿充電壓上，故此時電子裝置的功率消耗則會相對較低。
但對於電源轉接器而言，其通常是將交流電源轉換為一固定功率的直流電源以提供給電子裝置使用。換言之，無論電子裝置實際消耗的電源是多是少，電源轉接器都會提供相同功率的直流電源給電子裝置。因此無可避免地，在電子裝置僅消耗了電源轉接器所提供的一小部分電源功率的運作情況下，由電源轉接器所提供之大部分的電源功率都會成為無謂的功率損耗。
本發明提供一種智慧型電源轉接器及其供電控制方法，其可根據負載裝置的實際功率需求適應性地提供相應的直流電源。
本發明的智慧型電源轉接器包括電源轉換電路以及控制單元。電源轉換電路用以將交流電源轉換為直流電源以提供給負載裝置。控制單元耦接電源轉換電路，用以依據負載裝置的電池模組的電源狀態經由充電通訊協定的溝通採用相應的供電控制手段來控制電源轉換電路的運作，從而令電源轉換電路反應於電源狀態的改變而以不同的電源轉換行為來產生直流電源。
本發明的智慧型電源轉接器的供電控制方法，包括以下步驟：接收交流電源；將交流電源轉換為直流電源並提供給負載裝置；以及依據負載裝置的電池模組的電源狀態經由充電通訊協定的溝通，採用相應的供電控制手段來控制直流電源的產生，從而反應於電源狀態的變化以不同的電源轉換行為來產生直流電 源。
基於上述，本發明實施例提出一種智慧型電源轉接器及其供電控制方法，其可根據電池模組當前的電源狀態/充電模式適應性地採用對應的供電控制手段來控制直流電源的產生，使得智慧型電源轉接器所提供的直流電源的功率可動態地隨著負載裝置的實際功率需求而變動。基此，本發明實施例的智慧型電源轉接器可有效地避免功率浪費，從而獲得較高的供電效能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧負載裝置
100、200‧‧‧智慧型電源轉接器
110、210‧‧‧電源轉換電路
120、220‧‧‧控制單元
212‧‧‧輸入級電路
214‧‧‧功率因數校正電路
216‧‧‧功率級電路
218‧‧‧開關式電源調節電路
221‧‧‧微控制器
222‧‧‧保護電路
223‧‧‧電源偵測電路
224‧‧‧喚醒電路
225‧‧‧提示模組
AC_in‧‧‧交流電源
BRF‧‧‧橋式整流器
BM‧‧‧電池模組
EMF‧‧‧防電磁干擾濾波器
DC_out‧‧‧直流電源
Iout‧‧‧直流輸出電流
PSC‧‧‧功率開關電路
S310~S350、S410~S458、S510~S540、S610~S648、S710~S760、S810~S860‧‧‧步驟
Sdet1~Sdet3‧‧‧狀態偵測訊號
Sop‧‧‧輸出電源訊號
Swk‧‧‧喚醒訊號
Ssi‧‧‧狀態指示訊號
TF‧‧‧變壓器
TI‧‧‧傳輸介面
Vdc‧‧‧直流電壓
Vrec、Vrec’‧‧‧整流電壓
Vout‧‧‧直流輸出電壓
圖1為本發明一實施例之智慧型電源轉接器的示意圖。
圖2為本發明另一實施例之智慧型電源轉接器的示意圖。
圖3為本發明一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
圖4為依照圖3的一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
圖5為本發明另一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
圖6為依照圖5的一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
圖7為本發明又一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
圖8為依照圖7的一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例之智慧型電源轉接器的示意圖。請參照圖1，本實施例的智慧型電源轉接器100包括電源轉換電路110以及控制單元120。
在本實施例中，電源轉換電路110可從外部接收一交流電源AC_in(例如為市電，但並不限制於此)，再將所接收到的交流電源AC_in轉換為直流電源DC_out以提供給負載裝置10使用。換言之，負載裝置10可經由智慧型電源轉接器而獲取交流電源AC_in(以直流電源DC_out的形式提供)作為其運作及充電的供電來源。於此，所述之負載裝置10可例如為筆記型電腦、平板電腦及智慧型手機等電子裝置(於此圖式係繪示以智慧型手機為例，但不僅限於此)。值得一提的是，於本實施例中，所述電源轉換電路110的電路拓撲型態可以為順向式(Forward)電源轉換電 路、反馳式(Flyback)電源轉換電路、半橋式(Active Clamp and Half Bridge)電源轉換電路、全橋式(Active Clamp and Full Bridge)電源轉換電路或推挽式(Push-Pull)電源轉換電路，但並不限制於此。關於上述各種電源轉換電路的架構與運作方式均屬本發明相關領域具有通常知識者所熟識的技藝，因而在此並不再加以贅述之。
控制單元120耦接電源轉換電路110，其可依據負載裝置10中的電池模組BM的電源狀態經由充電通訊協定的溝通而採用相應的供電控制手段(例如低電流供電控制、定電流供電控制以及定電壓供電控制等手段)來控制電源轉換電路110的運作，從而令電源轉換電路110反應於電池模組BM的電源狀態改變而以不同的電源轉換行為來產生直流電源DC_out。其中，所述電池模組BM可例如為鋰電池模組，但本發明並不限制於此。
更具體地說，本實施例的智慧型電源轉接器100可配合電池模組BM的充電行為順序而提供具有對應之電源特性的直流電源DC_out給負載裝置10，使得智慧型電源轉接器100所提供的電源功率可根據負載裝置10實際上所消耗的電源功率而改變。舉例來說，若控制單元120經由充電通訊協定的溝通，或是被動地從充電控制晶片接收電源狀態，或是控制單元主動地偵測電池模組而判斷電池模組BM正以定電流的方式進行充電，則控制單元120會對應的控制電源轉換電路110以令電源轉換電路110相對地以定電流的電源轉換行為來產生直流電源DC_out；若控制單 元120判斷電池模組BM從定電流充電切換為定電壓充電時，則控制單元120會對應地令電源轉換電路110切換為以定電壓的電源轉換行為來產生直流電源DC_out。此外，電源轉換電路110所產生的直流電源DC_out的電源規格(如輸出電壓大小、輸出電流大小)亦可為控制單元120根據電池模組BM的電源狀態而藉由調整供電控制手段的電源參數來調整。
基此，本實施例的智慧型電源轉接器100所提供的直流電源DC_out功率基本上會與電池模組BM充電所需以及負載裝置10運作所需的功率總和(也就是負載裝置10實際的消耗功率)呈正相關的變化。因此傳統上負載裝置10在某些運作情況下僅消耗了電源轉接器所提供的一小部分電源功率，而造成電源轉接器所提供之大部分的電源功率都被浪費掉的問題可被有效地改善。換言之，本實施例的智慧型電源轉接器100可相較於傳統的電源轉接器而言可具有較高的供電效能。
此外，由於本實施例的智慧型電源轉接器100可根據電池模組BM的電源狀態而提供對應的直流電源DC_out，因此即便是在電池模組BM中的充電控制晶片(未繪示)發生故障的情況下，智慧型電源轉接器100也可適應性地自行在電池模組BM充電完成後，隨即降低所提供之直流電源DC_out，藉以降低負載裝置10損毀的風險。
為了更清楚地說明本發明實施例的智慧型電源轉接器。底下分別就硬體架構的部分(如圖2實施例)及供電控制方法的 部分(如圖3至圖8實施例)作進一步說明。
底下先就硬體架構的部分進行說明。圖2為本發明另一實施例之智慧型電源轉接器的示意圖。請參照圖2，智慧型電源轉接器200包括電源轉換電路210以及控制單元220。電源轉換電路210包括輸入級電路212、功率因數校正電路214、功率級電路216以及開關式電源調節電路218。電源轉換電路210中的各級電路212~218依序地逐級相互串接，其中智慧型電源轉接器200以輸入級電路212的輸入端作為其輸入端(適於連接至交流電源AC_in)，並且以開關式電源調節電路218的輸出端則作為其輸出端(適於經由傳輸介面TI連接至負載裝置(未繪示))。控制單元220包括微控制器221、保護電路222、負載電源偵測電路223、喚醒電路224以及提示模組225。其中，微控制器221作為控制單元221的運算核心，分別耦接至保護電路222、負載電源偵測電路223、喚醒電路224以及提示模組225。
在電源轉換電路210中，輸入級電路212可例如為由防電磁干擾濾波器EMF以及橋式整流器BRF(可例如為全橋整流器或半橋整流器，本發明不以此為限)所組成。防電磁干擾濾波器EMF會接收交流電源AC_in，並且抑制交流電源AC_in的電磁雜訊；而橋式整流器BRF則可用以接收抑制雜訊後的交流電源AC_in，並對所述交流電源AC_in進行整流(依橋式整流器之架構不同，可例如為全波整流或半波整流，本發明不以此為限)，藉以產生整流電壓Vrec。換言之，輸入級電路212的作用在於：接收 交流電源AC_in並且對交流電源AC_in進行整流及濾波，藉以產生整流電壓。
功率因數校正電路214的輸入端耦接橋式整流器BRF的輸出端，用以對關聯於交流電源AC_in的整流電壓Vrec進行功率因數校正(power factor correction)，並將經功率因數校正後的整流電壓Vrec’提供給功率級電路216。
功率級電路216例如為由功率開關電路PSC以及變壓器TF所組成。功率開關電路PSC可藉由間歇性/切換的方式將所接收到的整流電壓Vrec’傳遞至變壓器TF的一次側，使得變壓器TF的二次側感應於其一次側上的電壓而產生一直流電壓Vdc。
開關式電源調節電路218會以變壓器TF所輸出的直流電壓Vdc作為輸入電壓，並且受控於微控制器221而對直流電壓Vdc進行電壓調節(可例如為升壓轉換、降壓轉換、升降壓轉換或同步整流等)，藉以產生直流電源DC_out(包括直流輸出電壓Vout以及直流輸出電流Iout)。於此，所述之開關式電源調節電路218在實際的電路拓撲設計中可例如為恆流開關電路，恆壓開關電路、脈寬調變開關電路或同步整流電路等電路架構，本發明不以此為限。
在一範例實施例中，電源轉換電路210還可包括一回授級電路(未繪示)。回授級電路可耦接於功率級電路210與開關式電源調節電路218的輸出端之間，藉以對直流輸出電壓Vout及直流輸出電流Iout進行取樣並回授給功率級電路210，使得功率級 電路210可據以動態地調整所輸出的直流電壓Vdc的大小。
另一方面，在控制單元220中，微控制器221會依據負載裝置的電池模組的電源狀態經由充電通訊協定的溝通，或是被動地從充電控制晶片接收電源狀態，或是主動地偵測電池模組而採用相應的供電控制手段來控制開關式電源調節電路218的開關切換，藉以調整開關式電源調節電路218所產生的直流輸出電壓Vout的凖位高低及/或直流輸出電流Iout的電流大小。
保護電路222耦接微控制器221，其可用以檢測智慧型電源轉接器200的運作狀態，並據以於智慧型電源轉接器200的運作狀態發生異常時發出狀態偵測訊號(如Sdet1、Sdet2、Sdet3)，藉以令微控制器221反應於狀態偵測訊號而令開關式電源調節電路218停止/箝制直流電源DC_out的產生。其中，所述保護電路222可例如包括過電流保護(over current protection)電路OCP、過電壓保護(over voltage protection)電路OVP及/或過溫度保護(over temperature protection)電路OTP。換言之，當保護電路222判斷智慧型電源轉接器200的運作狀態發生異常時，其可能的情況可例如為直流輸出電壓Vout、直流輸出電流Iout及/或裝置溫度超過預設的上限值，但本發明不以此為限。
電源偵測電路223係用以偵測提供給負載裝置的直流電源DC_out，並據以發出輸出電源訊號Sop給微控制器221。在不同的供電控制手段下，微控制器221可根據輸出電源訊號Sop而選用直流輸出電壓Vout或直流輸出電流Iout作為控制開關式電源 調節電路218的依據。舉例來說，在定電流控制手段下，微控制器221會以直流輸出電流Iout的大小作為回授控制開關式電源調節電路218的依據，使得直流輸出電流Iout可被維持在固定的電流值下；相反地，在定電壓控制手段下，微控制器221會以直流輸出電壓Vout的大小作為回授控制開關式電源調節電路218的依據，使得直流輸出電壓Vout可被維持在固定的電壓值下。
喚醒電路224係用以偵測智慧型電源轉接器200是否連接至負載裝置，並且於判斷智慧型電源轉接器200連接至負載裝置時，發出喚醒訊號Swk給微控制器221。在微控制器221被喚醒訊號Swk喚醒後，微控制器221才會控制開關式電源調節電路218開始產生直流電源DC_out。
提示模組225係用以依據微控制器221所發出的狀態指示訊號Ssi而產生一供電狀態提示。其中，提示模組225所發出的供電狀態提示會對應於智慧型電源轉接器200當前的供電/充電狀態、供電控制手段及/或電池模組當前的電量等資訊，因此使用者可藉由查看提示模組225所發出的供電狀態提示而得知智慧型電源轉接器200與電池模組當前的運作狀態。
舉例來說，提示模組225可例如為發光二極體模組，而其所發出的供電狀態提示可例如為指示當前供電/充電狀態的燈號；又或者，提示模組225可例如為顯示面板，而其所發出的供電狀態提示可例如為指示當前供電/充電狀態的文字訊息。本發明不以此為限。
此外，在本實施例中，所述傳輸介面TI是以USB介面為例(底下簡稱USB介面TI)，其中USB介面TI包括VDD端、GND端、D+端以及D-端。開關式電源調節電路218的電源輸出端與接地端會分別連接至USB介面TI的VDD端與GND端。
另外，在USB介面TI中，用以傳輸資料的D+端與D-端會連接至微控制器221。基此，微控制器221可透過D+端和D-端與電池模組中的充電控制晶片相互溝通/傳遞資訊，從而令微控制器221可根據電池模組的特性及充電狀態對開關式電源調節電路218所輸出的直流電源DC_out進行適應性地調整。
底下再就供電控制方法的部分進行說明。在本發明實施例中，根據控制單元取得電池模組之電源狀態的方式差異，可分為三種不同的範例實施態樣，分別為：(1)控制單元120與充電控制晶片以相互溝通的方式(充電通訊協定)取得電源狀態；(2)控制單元120被動地從充電控制晶片接收電源狀態；以及(3)控制單元120主動地偵測電池模組的電源狀態。其中，圖3與圖4實施例的步驟流程對應至範例實施態樣(1)；圖5與圖6實施例的步驟流程對應至範例實施態樣(2)；以及圖7與圖8實施例的步驟流程對應至範例實施態樣(3)。
請先參照圖3，圖3為本發明一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。所述供電控制方法可適用於圖1或圖2所繪示的智慧型電源轉接器100、200。底下搭配圖1實施例之智慧型電源轉接器100來說明本實施例的步驟流程。但本發 明不僅限於此。
在本實施例中，首先，電源轉換電路110接收交流電源AC_in(步驟S310)，並且將交流電源AC_in轉換為直流電源DC_out並提供給負載裝置10(步驟S320)。於電源轉換電路110進行交流-直流轉換的期間，控制單元120會透過傳輸介面TI從電池模組BM的充電控制晶片取得電池規格資訊(例如電池種類、電池壽命特性、電池最大電壓、電池最大電流等)(步驟S330)。接著，控制單元120會依據所取得的電池規格資訊選擇多個不同的供電控制手段(步驟S340)。
在選擇數個特定的供電控制手段後，控制單元120會依序設定各個供電控制手段的預設電源參數與充電行為規範(步驟S350)，接著再依據所設定的預設電源參數與充電行為規範來依序執行對應的供電控制手段，藉以令電源轉換電路110以相應的電源轉換行為產生直流電源DC_out(步驟S360)。
換言之，在本實施例中，控制單元120可藉由與充電控制晶片建立特定的通訊協定的方式，針對電池模組BM的規格及電源狀態定義出供電控制手段的行為順序、電源參數及行為規範。其中，所述供電控制手段的行為順序、電源參數及行為規範基本上會與電池模組BM的充電行為相互對應。因此，就智慧型電源轉接器100整體的供電行為而言，控制單元120等同於會隨著電池模組BM的電源狀態/充電模式的改變而對應的調整供電控制手段。亦即，電源轉換電路110所提供的直流電源DC_out會隨 著電池模組BM的充電需求而改變。
搭配圖2實施例之智慧型電源轉接器200的硬體架構來看，所述控制單元120改變所採用之供電控制手段的運作以及調整直流電源DC_out的電源規格的運作，可利用微控制器221調整開關式電源調節電路218的開關頻率/責任週期的方式來實現，其中開關式電源調節電路218可反應於開關頻率/責任週期的變化而產生具有低電流/定電流/定電壓特性的直流電源DC_out。
另值得一提的是，控制單元120除了可根據電池模組BM的電源狀態而採用不同的供電控制手段之外，其還可依據設計者所設定各個供電控制手段的預設電源參數以及充電行為規範來執行對應的供電控制手段。其中，所述預設電源參數可例如預設電壓參數、預設電流參數及/或預設充電時間參數，而所述充電行為規範可例如為上限電壓條件、上限電流條件及/或上限溫度條件。
舉例來說，設計者可設定定電流控制手段的預設電壓參數為5V且預設電流參數為1A。於此條件下，控制單元120在以定電流控制手段控制電源轉換電路110時，電源轉換電路110所輸出的直流輸出電流會維持在1A且直流輸出電壓最高不超過5V(即，輸出功率為5W)。又例如，設計者可設定定電壓控制手段的預設電壓參數為5V、預設電流參數為600mA以及預設充電時間參數為1小時。於此條件下，控制單元120在以定電壓控制手段控制電源轉換電路110時，電源轉換電路110所輸出的直流輸出電壓會維持在5V且直流輸出電流最高不超過600mA(即，輸 出功率為3W)。另外，一旦控制單元120判斷採用定電壓控制手段的時間超過1小時，則控制單元120會將定電壓控制手段切換為其他的供電控制手段，或者停止電源轉換電路110的運作。
另一方面，控制單元120可在判斷出智慧型電源轉接器100超過所設定的充電行為規範時，即停止/限制電源轉換電路110的運作或者改以低電流控制手段來控制電源轉換電路110，藉以避免智慧型電源轉接器100損毀。舉例來說，上限電壓條件、上限電流條件及上限溫度條件可分別例如為10V、3A及70℃。只要控制單元120判斷智慧型電源轉接器100符合上述條件任一者，即將目前的供電控制手段改為低電流控制手段。
底下以圖4的步驟流程來進一步說明上述圖3實施例的具體實施範例。其中，圖4為依照圖3的一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1與圖4，在本實施例中，步驟S410與S420分別和前述步驟S310與S320相同。在步驟S420之後，控制單元120會向充電控制晶片發出充電請求(步驟S432)，而充電控制晶片會在接收到控制單元120所發出的充電請求後，回傳電池規格資訊。
在控制單元120接收到充電控制晶片所回傳的電池規格資訊後(步驟S434)，控制單元120會進一步選擇對於電池模組BM的充電過程要採用預充控制手段、定電流控制手段、定電壓控制手段以及補充控制手段(但不僅限於此)來進行供電控制(步 驟S440)。其中，預充控制手段以及補充控制手段皆類似於前述之低電流控制手段，係用以控制電源轉換電路110提供低於預設電流值的直流電源DC_out的控制手段。另外，本實施例的供電控制手段的行為順序可例如被定義為預充控制手段→定電流控制手段→定電壓控制手段→補充控制手段(但不僅限於此)。
接著，控制單元120會依序設定預充控制手段的預設電壓參數/預設電流參數/預設充電時間參數(步驟S451)、定電流控制手段的預設電壓參數/預設電流參數/預設充電時間參數(步驟S452)、定電流控制手段的上限電壓條件/上限電流條件/上限溫度條件(步驟S453)、定電壓控制手段的預設電壓參數/預設電流參數/預設充電時間參數(步驟S454)、定電壓控制手段的上限電壓條件/上限電流條件/上限溫度條件(步驟S455)以及補充控制手段的預設電壓參數/預設電流參數/預設充電時間參數(步驟S456)。
在設定完上述預設電源參數與充電行為規範後，控制單元120即開始依據所設定的預設電源參數與充電行為規範來依序執行對應的供電控制手段，藉以令電源轉換電路110以相應的電源轉換行為產生直流電源DC_out(步驟S460)。
在本實施例中，控制單元120會在智慧型電源轉接器100超過所設定的充電行為規範時，將供電控制手段切換至補充控制手段，藉以降低直流輸出電流的大小，但本發明不僅限於此。
請接著參照圖5，圖5為本發明另一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。於此同樣搭配圖1實施例 之智慧型電源轉接器100來說明本實施例的步驟流程。
本實施例的步驟S510大致與前述步驟S310、S410相同，而步驟S520大致與前述步驟S320、S420相同，故於此不再贅述。在本實施例中，於電源轉換電路110進行交流-直流轉換的期間，控制單元120會透過傳輸介面TI從電池模組BM的充電控制晶片接收電源模式指令，其中控制單元120所接收的電源模式指令會指示電池模組BM當前的電源狀態(步驟S530)。接著，控制單元120會採用對應所接收的電源模式指令的供電控制手段來控制直流電源DC_out的產生(步驟S540)。
換言之，在本實施例中，控制單元120會被動地接收電池模組BM的充電控制晶片所發出的電源模式指令，藉以得知電池模組BM當前的電源狀態/充電模式。因此，控制單元120即可反應於電池模組BM的充電模式改變而隨之調整供電控制手段，藉以令電源轉換電路110所提供的直流電源DC_out可隨著電池模組BM的充電需求/充電模式而改變。
底下以圖6的步驟流程來進一步說明上述圖5實施例的具體實施範例。圖6為依照圖5的一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1與圖6，在本實施例中，步驟S610與S620分別和前述步驟S510與S520相同。在步驟S620之後，控制單元120會依據其所接收的電源模式指令不同，而選擇執行指令路徑1~4其中之一的動作。
詳細而言，當控制單元120所接收到的電源模式指令為充電控制晶片所發出的預充電模式指令時(步驟S632，指令路徑1)，表示電池模組BM目前運作在預充電模式下。因此，控制單元120此時會對應的採用低電流控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路110提供低於第一預設電流值(例如100mA)的直流電源DC_out來對電池模組BM充電(步驟S642)。
當控制單元120所接收到的電源模式指令為充電控制晶片所發出的定電流充電模式指令時(步驟S634，指令路徑2)，表示電池模組BM目前運作在定電流充電模式/快充模式下。控制單元120此時會對應的採用定電流控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路110以定電流的方式提供直流電源DC_out來對電池模組BM充電(步驟S644)。
當控制單元120所接收到的電源模式指令為充電控制晶片所發出的定電壓充電模式指令時(步驟S636，指令路徑3)，表示電池模組BM目前運作在定電壓充電模式下。控制單元120此時會對應的採用定電壓控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路110以定電壓的方式提供直流電源DC_out來對電池模組BM充電(步驟S646)。
當控制單元120所接收到的電源模式指令為充電控制晶片所發出的補充充電模式指令時(步驟S638，指令路徑4)，表示電池模組BM目前運作在補充充電模式下。控制單元120此時會 對應的採用低電流控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路110提供低於第二預設電流值(例如100mA)的直流電源DC_out對電池模組BM充電(步驟S648)。
除此之外，在另一範例實施例中，控制單元120還可計數未接收到電源模式指令的時間長短，並且在判斷超過一預設時間沒收到電源模式指令時(此時可能表示電池模組BM發生故障/異常)，停止/限制電源轉換電路110的運作或者改以低電流控制手段來控制電源轉換電路110。但本發明不以此為限。
請接著參照圖7，圖7為本發明一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。於此同樣搭配圖1實施例之智慧型電源轉接器100來說明本實施例的步驟流程。
本實施例的步驟S710大致與前述步驟S310、S410、S510、S610相同，而步驟S720大致與前述步驟S320、S420、S520、S620相同，故於此不再贅述。在電源轉換電路110進行交流-直流轉換的期間，控制單元120會偵測提供給負載裝置10的直流電源DC_out(包括直流輸出電壓及直流輸出電流)，從而取得/計算出電池模組BM的電源狀態(步驟S730)。其中，於本實施例所述之電源狀態例如為電池模組BM的粗略電池電壓、充電電流及/或電量比例(即，當前電量/滿充電量)。
接著，控制單元120會比對所取得的電源狀態與多個預設的電源條件(步驟S740)，其中不同的電源條件會對應至不同的供電控制手段。基此，控制單元120即可根據比對的結果，採用 符合當前電源狀態的電源條件所對應的供電控制手段來控制直流電源DC_out的產生(步驟S750)。
詳細而言，控制單元120可採用的供電控制手段可例如為低電流控制手段、定電流控制手段以及定電壓控制手段。而所述電源條件則係可依據設計者的設計考量而設置。舉例來說，設計者可設定在控制單元120偵測到充電電流小於一第一預設電流門檻值，採用低電流控制手段來控制電源轉換電路110，使得電源轉換電路110提供低電流的直流電源DC_out對電池模組BM充電；反之，設計者可設定在控制單元120偵測到充電電流大於等於第二預設電流門檻值時，改為採用定電流控制手段來控制電源轉換電路110，使得電源轉換電路110以定電流的方式提供直流電源DC_out對電池模組BM充電。
換言之，在本實施例中，控制單元120會主動地偵測電源轉換電路110所輸出的直流電源DC_out，藉以得知電池模組BM的電源狀態。因此，控制單元120即可反應於電池模組BM的充電模式改變而隨之調整供電控制手段，藉以令電源轉換電路110所提供的直流電源DC_out可隨著電池模組BM的充電需求而改變。
底下以圖8的步驟流程來進一步說明上述圖7實施例的具體實施範例。其中，圖8為依照圖7的一實施例之智慧型電源轉接器的供電控制方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1與圖8，在本實施例中，電源轉換電路 110同樣會先接收交流電源AC_in(步驟S810)，並且將交流電源AC_in轉換為直流電源DC_out並提供給負載裝置10(步驟S820)。接著，在電源轉換電路110進行交流-直流轉換的期間，控制單元120會偵測提供給負載裝置10的直流電源DC_out，從而取得電池模組BM的電源狀態(步驟S830)。
其後，控制單元120會根據所取得的電源狀態先判斷電池模組BM的充電電流是否小於第一預設電流門檻值(步驟S842)。以鋰電池為例，所設定之第一預設電流門檻值可例如為10~100mA之間，但本發明不以此為限。
在步驟S842中，若控制單元120判定電池模組BM的充電電流小於第一預設電流門檻值時，則表示電池模組BM目前可能運作在預充電模式下。因此，控制單元120此時會對應的採用低電流控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路110提供低於預設電流門檻值(例如低於100mA)的直流電源DC_out來對電池模組BM充電(步驟S852)。反之，若控制單元120判定電池模組BM的充電電流大於等於第一預設電流門檻值時，則控制單元120會進一步判斷電池模組BM的充電電流是否大於等於一第二預設電流門檻值(步驟S844)。同樣以鋰電池為例，所設定之預設電流門檻值可例如為1A，但本發明不以此為限。
在步驟S844中，若控制單元120判定電池模組BM的充電電流大於等於預設電流門檻值，則表示電池模組BM目前可能 運作在定電流充電模式(或稱快充模式)下。因此，控制單元120此時會對應的採用定電流控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路110以定電流(例如為1A的定電流)的方式提供直流電源DC_out來對電池模組BM充電(步驟S854)。反之，若控制單元120判定電池模組BM的充電電流小於第二預設電流門檻值時，則控制單元120會再進一步判斷電池模組BM的電池電壓是否大於等於第一預設電壓門檻值(步驟S846)。同樣以鋰電池為例，所設定之第一預設電壓門檻值可例如為4.2V，但本發明不以此為限。
在步驟S846中，若控制單元120判定電池模組BM的電池電壓大於等於第一預設電壓門檻值，則表示電池模組BM目前可能運作在定電壓充電模式下。因此，控制單元120此時會對應的採用定電壓控制手段來控制電源轉換電路110的運作，藉以令電源轉換電路以定電壓(例如為5V的定電壓)的方式提供直流電源DC_out來對電池模組BM充電(步驟S856)。
若控制單元120判定電池模組BM的電池電壓小於第一預設電壓門檻值，則控制單元120會接續判斷充電時間是否超過一預設充電時間(步驟S848)。其中，若控制單元120判定電池模組BM的充電時間超過預設充電時間，則會判定智慧型電源轉接器100或電池模組BM發生運作異常，從而停止/限制電源轉換電路110的運作(步驟S858)；以及若控制單元120判定電池模組BM的充電時間未超過預設充電時間，則會再回到步驟S842以重 新執行步驟S842、S844、S846及S848等各個判斷電源狀態是否符合預設電源條件的步驟。
除此之外，在另一範例實施例中，於步驟S846之後還可增加一個判斷電池模組BM的電流量比例是否大於等於第一預設比例(例如小於50mA)的判斷步驟。於此範例下，若控制單元120判定電池電壓大於等於第一預設電壓門檻值並且電流量比例小於第一預設比例時，控制單元120會採用定電壓控制手段來控制電源轉換電路110(步驟S856)。若控制單元120判定電池電壓大於等於第一預設電壓門檻值並且電流量比例大於等於第一預設比例時，則控制單元120可另外採用類似於步驟S852的低電流控制手段來控制電源轉換電路110，以令電源轉換電路110提供低於預設電流值(可與步驟S852的預設電流值不同)的直流電源DC_out來對電池模組BM充電。另外，若控制單元120判定電池電壓小於第一預設電壓門檻值，則控制單元120會執行判斷充電時間是否超過預設充電時間的步驟S848。
另外值得一提的是，本實施例的充電控制方法/充電通訊協定亦可搭配前述圖5實施例或圖7實施例的充電控制方法使用。更具體地說，在依據本實施例的充電控制方法/充電通訊協定定義出供電控制手段的行為順序、預設電源參數以及充電行為規範後，各個供電控制手段該何時進行切換可依據如圖5實施例之藉由控制單元120被動接收電源模式指令的方式來決定，或者是如圖7實施例之藉由控制單元120主動偵測電源狀態的方式來決 定，本發明不以此為限。
此外，在本實施例的一範例實施方式下，控制單元120還可依據電池模組BM的電池壽命特性而對應的調整各個供電控制手段的預設電源參數以及充電行為規範，藉以令電源轉換電路110可隨著電池模組BM的老化而動態地調整直流電源DC_out的電源規格。
舉例來說，控制單元120可從電池規格資訊取得電池模組BM的電池壽命特性(例如充電循環次數與滿充電壓的對應關係)以及充電循環次數。其中，控制單元120可判斷電池模組BM目前的充電循環次數是否達到一預定次數。若判定充電循環次數達到預定次數，則表示電池模組BM理論上應該已經發生了一定程度的老化現象。因此，控制單元120會對應的調整/降低各個供電控制手段的預設電源參數/充電行為規範，藉以避免因電池老化後而造成過充(over charge)的現象頻繁地發生。其中，所述預定次數可由控制單元120依據電池壽命特性而設定。
綜上所述，本發明實施例提出一種智慧型電源轉接器及其供電控制方法，其可根據電池模組當前的電源狀態/充電模式適應性地採用對應的供電控制手段來控制直流電源的產生，使得智慧型電源轉接器所提供的直流電源的功率可動態地隨著負載裝置的實際功率需求而變動。基此，本發明實施例的智慧型電源轉接器可有效地避免功率浪費，從而獲得較高的供電效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧負載裝置
100‧‧‧智慧型電源轉接器
110‧‧‧電源轉換電路
120‧‧‧控制單元
AC_in‧‧‧交流電源
BM‧‧‧電池模組
DC_out‧‧‧直流電源
TI‧‧‧傳輸介面

Claims (32)

  1. 一種智慧型電源轉接器，包括：一電源轉換電路，用以將一交流電源轉換為一直流電源以提供給一負載裝置及其電池模組，其中該電池模組的一充電控制晶片根據該電池模組的一電源狀態採用多種供電控制手段以產生一充電電源；以及一控制單元，耦接該電源轉換電路，用以依據該電源狀態採用與該充電控制晶片相應的供電控制手段來控制該電源轉換電路的運作，從而令該電源轉換電路反應於該電源狀態的改變而以不同的電源轉換行為來產生該直流電源，使得該充電控制晶片依據該直流電源產生該充電電源提供給該電池模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元更透過一傳輸介面從該電池模組的該充電控制晶片取得一電池規格資訊，並且以該電池規格資訊作為調整多個不同的該供電控制手段的依據。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的智慧型電源轉接器，其中該電池規格資訊包括一電池壽命特性與一充電循環次數，該控制單元在判斷該電池模組的該充電循環次數達到一預定次數時，調整各該供電控制手段的一預設電源參數及一充電行為規範至少其中之一，其中該預定次數由該控制單元依據該電池壽命特性而決定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元更設定多個不同的該供電控制手段的一預設電源參數以 及一充電行為規範，並依據所述預設電源參數以及所述充電行為規範控制該電源轉換電路的運作。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的智慧型電源轉接器，其中所述預設電源參數包括一預設電壓參數、一預設電流參數以及一預設充電時間參數至少其中之一。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的智慧型電源轉接器，其中所述充電行為規範包括一上限電壓條件、一上限電流條件以及一上限溫度條件至少其中之一。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元與該電池模組的該充電控制晶片透過一傳輸介面相互溝通，藉以取得一電源模式指令，其中該電源模式指令指示該電池模組的電源狀態。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元接收到該充電控制晶片所發出的一預充電模式(pre-charge mode)指令時，該控制單元以一低電流控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路提供低於一第一預設電流值的直流電源對該電池模組充電。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元接收到該充電控制晶片所發出的一定電流充電模式(constant current charge mode)指令時，該控制單元以一定電流控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路以定電流的方式提供該直流電源對該電池模組充電。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元接收到該充電控制晶片所發出的一定電壓充電模式(constant voltage charge mode)指令時，該控制單元以一定電壓控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路以定電壓的方式提供該直流電源對該電池模組充電。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元接收到該充電控制晶片所發出的一補充充電模式(replenish charge mode)指令時，該控制單元以一低電流控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路提供低於一第二預設電流值的直流電源對該電池模組充電。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元藉偵測提供給該負載裝置的直流電源而取得該電池模組的電源狀態。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的智慧型電源轉接器，其中當該控制單元判斷該電源狀態符合一第一電源條件時，該控制單元以一低電流控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路提供低於一預設電流值的直流電源對該電池模組充電。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的智慧型電源轉接器，其中當該電池模組的一充電電流小於一第一預設電流門檻值時，該控制單元判定該電源狀態符合該第一電源條件。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的智慧型電源轉接器，其中當該電池模組的一電流量比例大於等於一第一預設比例時，該控 制單元判定該電源狀態符合該第一電源條件。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的智慧型電源轉接器，其中當該控制單元判斷該電源狀態符合一第二電源條件時，該控制單元以一定電流控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路以定電流的方式提供該直流電源對該電池模組充電。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的智慧型電源轉接器，其中當該電池模組的一充電電流大於等於一第二預設電流門檻值時，該控制單元判定該電源狀態符合該第二電源條件。
  18. 如申請專利範圍第12項所述的智慧型電源轉接器，其中當該控制單元判斷該電源狀態符合一第三電源條件時，該控制單元以一定電壓控制手段控制該電源轉換電路，以令該電源轉換電路以定電壓的方式提供該直流電源對該電池模組充電。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的智慧型電源轉接器，其中當該電池模組的一電池電壓大於等於一第一預設電壓門檻值時，該控制單元判定該電源狀態符合該第三電源條件。
  20. 如申請專利範圍第1項所述的智慧型電源轉接器，其中該電源轉換電路包括：一輸入級電路，用以接收該交流電源並且對該交流電源進行整流及濾波，藉以產生一整流電壓；一功率級電路，耦接該輸入級電路，用以將該整流電壓轉換為一直流電壓；以及一開關式電源調節電路，耦接該功率級電路與該控制單元， 受控於該控制單元而調節該直流電壓，藉以產生該直流電源。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的智慧型電源轉接器，其中該開關式電源調節電路為一恆流恆壓開關電路、一脈寬調變開關電路以及一同步整流電路其中之一。
  22. 如申請專利範圍第20項所述的智慧型電源轉接器，其中該直流電源包括一直流輸出電壓以及一直流輸出電流，該控制單元包括：一微控制器(microcontroller，MCU)，用以依據該電源狀態採用相應的供電控制手段來控制該開關式電源調節電路的一開關切換，從而調整該直流輸出電壓以及該直流輸出電流至少其中之一。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元更包括：一保護電路，耦接該微控制器，用以偵測該智慧型電源轉接器的運作狀態，並據以發出一狀態偵測訊號給該微控制器。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的智慧型電源轉接器，其中該一保護電路包括一過電流保護電路、一過電壓保護電路以及一過溫度保護電路至少其中之一。
  25. 如申請專利範圍第22項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元更包括：一電源偵測電路，耦接該微控制器，用以偵測提供給該負載裝置的直流電源，並據以發出一輸出電源訊號給該微控制器。
  26. 如申請專利範圍第22項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元更包括：一喚醒電路，耦接該微控制器，用以偵測該智慧型電源轉接器是否連接至該負載裝置，並且於判斷該智慧型電源轉接器連接至該負載裝置時，發出一喚醒訊號給該微控制器。
  27. 如申請專利範圍第22項所述的智慧型電源轉接器，其中該控制單元更包括：一提示模組，耦接該微控制器，用以依據該微控制器所發出的一狀態指示訊號產生一供電狀態提示。
  28. 一種智慧型電源轉接器的供電控制方法，包括：接收一交流電源；將該交流電源轉換為一直流電源並提供給一負載裝置及其電池模組，其中該電池模組的一充電控制晶片根據該電池模組的一電源狀態採用多種供電控制手段以產生一充電電源；以及依據該負載裝置的該電池模組的該電源狀態，採用與該充電控制晶片相應的供電控制手段來控制該直流電源的產生，從而反應於該電源狀態的變化以不同的電源轉換行為來產生該直流電源，使得該充電控制晶片依據該直流電源產生該充電電源提供給該電池模組。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的智慧型電源轉接器的供電控制方法，其中依據該負載裝置的電池模組的電源狀態，採用相應的供電控制手段來控制該直流電源的產生的步驟包括： 透過一傳輸介面從該電池模組的該充電控制晶片取得一電池規格資訊；依據該電池規格資訊選擇多個不同的該供電控制手段；設定各該供電控制手段的一預設電源參數與一充電行為規範；以及依據所述預設電源參數以及所述充電行為規範產生該直流電源。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的智慧型電源轉接器的供電控制方法，其中該電池規格資訊包括一電池壽命特性與一充電循環次數，依據該負載裝置的電池模組的電源狀態，採用相應的供電控制手段來控制該直流電源的產生的步驟更包括：判斷該充電循環次數是否達到一預定次數；以及若該充電循環次數達到該預定次數，調整所述預設電源參數及所述充電行為規範至少其中之一，其中該預定次數係依據該電池壽命特性而決定。
  31. 如申請專利範圍第28項所述的智慧型電源轉接器的供電控制方法，其中依據該負載裝置的電池模組的電源狀態，採用相應的供電控制手段來控制該直流電源的產生的步驟包括：透過一傳輸介面從該電池模組的該充電控制晶片接收一電源模式指令，其中該電源模式指令指示該電池模組的電源狀態；以及採用對應該電源模式指令的供電控制手段來控制該直流電源 的產生。
  32. 如申請專利範圍第28項所述的智慧型電源轉接器的供電控制方法，其中依據該負載裝置的電池模組的電源狀態，採用相應的供電控制手段來控制該直流電源的產生的步驟包括：偵測提供給該負載裝置的直流電源，從而取得該電池模組的電源狀態；比對該電源狀態與多個電源條件；以及採用符合該電源狀態的電源條件所對應的供電控制手段來控制該直流電源的產生。
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