TWI550998B

TWI550998B - 嵌入式電源供應器之省電裝置

Info

Publication number: TWI550998B
Application number: TW104138053A
Authority: TW
Inventors: 陳文生; 李坤鴻; 陳志泰; 江翰儒; 林柏志; 徐宗伯; 林威廷
Original assignee: 光寶電子（廣州）有限公司; 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201720004A

Description

嵌入式電源供應器之省電裝置

本發明係有關於一種嵌入式電源供應器之省電裝置，尤指一種用於USB充電器使用之牆壁嵌入式電源充電器之省電裝置。

有關牆壁嵌入式的USB充電器之技術，目前在許多公共場所如機場等，已可看到一些牆壁嵌入式的USB充電裝置，一般而言該USB充電裝置通常可提供5V/1A或5V/2A的充電選項，如圖1之示意圖所示，Vin為輸入電源，經過充電電源電路5，連接於插座6，再由插座6而產生輸出電源Vout，其中所述之插座6係為牆壁嵌入式的插座。就目前的USB充電裝置，在未有使用者的情況下會進入空載待機狀態，然而即便在空載的待機狀態下，由於整個充電器依然在工作，因而一般仍有約0.1W(以交流電輸入電壓230V為例子)以上的耗電，如果充電器被大量的使用則會造成無謂的能源消耗。

如美國專利US 8,758,031B2之「ELECTRICAL WIRING DEVICE WITH HIGH CURRENT USB CHARGING CAPABILITY」，即揭露有一壁插式的USB充電裝置，其說明書圖式所述之電路圖及其元件結構，即如前述之空載待機狀態下，整個充電器仍然在運作，所以同樣有能源消耗之問題。

另一方面，有關於偵測充電器的充電省電控制之技術，例如台灣專利TW201319603A1之「充電埠偵測控制方法以及充電埠偵測控制裝置」之技術，其電路圖中揭露有一充電埠偵測電路，是用以偵測電子裝置之一電池的輸出電壓做為充電狀態之判斷，此種技術於空載時仍然必須消耗電源。同樣的，有一台灣專利TWI390818B1之「改善充電器待機時機之效率的裝置及方法以及超低待機功率充電器」，另有一台灣專利TW200631275之「充電裝置」等技術，所揭示之技術內容於偵測充電狀態時，仍然是以電訊號偵測之方式作為偵測充電狀態之依據。

故，上述之充電偵測技術於充電器空載時仍然會消耗電源，有待加以改善。因此，本發明提出一個可偵測插頭插入的省電裝置來解決此耗電問題，可將耗電減小至0-15mW，而此一功能可以有效地提升產品的節能效率，減少能源損耗。

本發明提出一種可偵測插頭插入的省電裝置，可用來節省一般嵌入式電源供電裝置的空載待機的功率消耗，包含常見的嵌入式USB充電器及最近新增訂的USB type C或USB PD-Power Delivery(電力傳輸)的充電器皆可適用。

本發明中包含一充電電路、一插座及一插頭插入感知裝置、一開啟/關閉控制電路以及一電源輸出致能電路，所述之插頭插入感知裝置用以偵測一插頭之插入，再利用該插頭插入感知裝置的連動來觸動該開啟/關閉控制電路，該開啟/關閉控制電路的輸出訊號或控制結構，乃係用以啟動該電源輸出致能電路，讓充電電路進入致能狀態以針對一待充裝置執行充電之操作。

操作時，當充電電路閒置時，由於插頭插入感知裝置未感知有插頭插入，則開啟/關閉控制電路係在一關斷之狀態，因而送出關斷訊號至電源輸出致能電路而將整個充電器關斷，以達到節電的目的。另外，當待充電裝置的充電插頭插入充電用之插座時，插頭插入感知裝置感知到有插頭插入，並利用此插頭插入感知裝置的連動來觸動開啟/關閉控制電路，該開啟/關閉控制電路的輸出訊號或控制結構係用以啟動電源輸出致能電路，該電源輸出致能電路再進一步讓充電電路進入致能狀態，以進行充電。

如上所述，本發明能藉由插頭插入感知裝置以偵測是否有插頭插入插座之中，進而能夠有效地降低充電電路於空載時之電能消耗，有效地改善充電器之節能效率。

1、2、3、4‧‧‧接點

5‧‧‧充電電源電路

6‧‧‧插座

10‧‧‧充電電路

12‧‧‧切換開關驅動電路

20‧‧‧插座

22‧‧‧基板

24‧‧‧USB端子

30‧‧‧插頭插入感知裝置

30a‧‧‧輕觸開關

30b‧‧‧連動開關

32‧‧‧接觸件

34‧‧‧常閉接點

36‧‧‧中間接點

38‧‧‧常開接點

40、40a、40b‧‧‧開啟/關閉控制電路

42‧‧‧致能界面電路

44‧‧‧電容耦合電源供應電路

45、45a、45b‧‧‧開啟/關閉致能控制電路

46‧‧‧光耦合開關

50‧‧‧電源輸出致能電路

52‧‧‧致能單元

54‧‧‧充電電路主控制器

60‧‧‧插頭

A、B‧‧‧節點

D₁‧‧‧第一二極體

D₂‧‧‧第二二極體

R₁‧‧‧第一電阻

R₂‧‧‧第二電阻

V_L‧‧‧火線

V_N‧‧‧中性線

Vo‧‧‧電壓接點

Vcc‧‧‧電源訊號

V_AUX‧‧‧輔助電源

V_HV‧‧‧高電壓

V_HVS‧‧‧高壓啟動電壓

Vin‧‧‧輸入電源

Vout‧‧‧輸出電源

圖1為習用牆壁嵌入式電源充電器；圖2為本發明第一實施例之電路方塊示意圖；圖3A為本發明插座與插頭插入感知裝置結合之示意圖；圖3B為本發明插頭插入插座與插頭插入感知裝置相結合之示意圖；圖4為本發明第二實施例之電路示意圖；圖5為本發明第三實施例之電路示意圖；圖6為本發明第四實施例之電路方塊示意圖；圖7為本發明第五實施例之電路示意圖；圖8為本發明第六實施例之電路示意圖；

本發明為一種嵌入式電源供應器之省電裝置，主要係偵測插頭插入之方式，判斷是否有USB(包含USB type C及USB PD-Power Delivery(電力傳輸))之插頭插入，所述之偵測方式可以包括但不限定為機械式、電子式或其他形式之方式，藉以達到當充電器空載時能截斷充電器之電源供應，降低能源消耗，解決目前牆壁嵌入式的USB充電裝置之空載待機功耗問題。

本發明所述之省電裝置係包括有一充電電路10、一插座20、一插頭插入感知裝置30、一開啟/關閉控制電路40、一電源輸出致能電路50。其中一輸入電源Vin係耦接至充電電路10中，該充電電路10為一供應電源作充電之用。充電電路10係與插座20相耦接，插座20是提供一輸出電源Vout，供使用者插置一電子裝置而供充電之用，於本發明實際實施時，插座20之實施係可以包括但不限定為一USB type C的插座，或者是USB PD型式的插座。

主要地，插座20係耦接於插頭插入感知裝置30，而所述之插頭插入感知裝置30於本發明實施例中，係先以一機械式之裝置作為一偵測裝置，但本發明之實施例並不限定為機械式，亦可為電子式或其他形式之偵測裝置，其進一步之說明，容後圖3再述。所述之插頭插入感知裝置30的輸出係以連動的方式或是傳輸一訊號而耦接於開啟/關閉控制電路40，能夠使該開啟/關閉控制電路40產生控制充電電路10的一開啟(ON)訊號或是一關閉(OFF)訊號。而所述之開啟亦即為導通(ON)或閉合；所述之關閉即為斷路或關閉(OFF)之動作。

接者開啟/關閉控制電路40之輸出則耦接至電源輸出致能電路50，開啟/關閉控制電路40可採用一輸出訊號或是以控制機構之方式而啟動電源輸出致能電路50。所述之電源輸出致能電路50係依據該開啟或關閉之控制訊號，進一步執行致能充電電路10以進行充電之操作，或者是將整個充電電路10的電源供應關閉，以達到節省電能之目的。

有關本發明電路運作之一實施例說明，係當該插頭插入感知裝置30偵測沒有插頭插入時，會使開啟/關閉控制電路40為不動作之狀態，或是輸出一關閉(OFF)訊號至電源輸出致能電路50，表示並無USB的插頭60插入插座20中，此時電源輸出致能電路50為關閉狀態，不會致能該充電電路10，使得充電電路10的電源供應路徑是被關閉的，亦即充電電路10不運作而不消耗電源，能有效達成本發明之目的。反之，該插頭插入感知裝置30偵測有插頭插入時，則開啟/關閉控制電路40輸出一開啟(ON)訊號或是產生開啟之動作，啟動該電源輸出致能電路50進一步致能充電電路10以進行充電之動作。

另外，於充電電路10中係更包括設置有一切換開關驅動電路 12，而電源輸出致能電路50之輸出係可以耦接於切換開關驅動電路12中。當插頭插入感知裝置30沒有感應插頭插入時，電源輸出致能電路50亦不會致能切換開關驅動電路12，則充電電路10無法被驅動，無法進行充電，且充電電路10之電源供應被關閉。反之，當插頭插入感知裝置30偵測有插頭插入時，電源輸出致能電路50致能切換開關驅動電路12，使充電電路10進行充電。上述之切換開關驅動電路12係為充電電路10中驅動切換元件操作之主要電路，為充電電路10主要元件之一。

參閱圖3A所示，係包括有一插頭60、所述插座20、一基板22、所述之插頭插入感知裝置30以及一USB端子24。插座20以及USB端子24係裝置於基板22上，插座20之前端為一接口，係用以容置插頭60者，且插座20係藉由基板22中之一電耦接關係而耦接於USB端子24，當插頭60插入插座20後，可將訊號傳輸至USB端子24或是將USB端子24之訊號傳輸至插頭60之中。

所述之插頭插入感知裝置30則裝置於插座20之上，藉以偵測是否有插頭60插入於插座20中。其中插頭插入感知裝置30在本發明實施例中係可包括但不限定為一輕觸開關(TACT Switch)、一近接開關(Proximity Switch)、一光敏電阻(Light dependent resistor)、一光電元件(Photo Electronic)或是一微型開關(Micro Switch)，而圖3A中係以一微型開關作為一機械式偵測之元件。於插頭插入感知裝置30中係包括有一接觸件32、一常閉接點(Normal Close)34、一中間接點(Middle Point)36以及一常開接點(Normal Open)38。

其中接觸件32係設置靠近於該插座20之接口處，另於該插頭插入感知裝置30相對的一側，係設置有所述之常閉接點34、中間接點36以及常開接點38。若無插頭60插入插座20中，則該插頭插入感知裝置30的中間接點36係與該常閉接點34耦接。而當有插頭60插入插座20時，會觸動該接觸件32，使得該中間接點 36轉而與該常開接點38耦接。使用者即可依據自己本身線路之需求耦接電路於常閉接點34或常開接點38之中。圖3B所述，即係為將插頭60插入插座20中之示意圖，使得該接觸件32被觸動。

圖4所示之另一實施例中，係揭露有關於一開啟/關閉控制電路40a與電源輸出致能電路50之進一步電路圖。其中，前述插頭插入感知裝置30的運用實施，係可以用一輕觸開關(TACT Switch)30a的做為代表，亦即以兩接點搭配一按壓開關之圖式符號作為表示，便於清楚描述說明。所述之開啟/關閉控制電路40a係包括有一致能界面電路42、一電容耦合電源供應電路44、一光耦合開關46、一第一電阻R₁、一第二電阻R₂以及一第一二極體D₁。為方便說明，圖4係將輕觸開關30a被包含在開啟/關閉控制電路40a之中。

所述之電容耦合電源供應電路44係接收兩個電壓訊號V_L及V_N，其中V_L(LINE Voltage)係為一市電電源線中之火線，V_N(NEUTRAL Voltage)則係為一市電電源線中之中性線。電容耦合電源供應電路44係將市電之電源輸入以電容耦合後再為電源供應輸出，其輸出端耦接第二電阻R₂；第二電阻R₂之另一端為節點A，節點A則同時耦接輕觸開關30a以及第一二極體D₁之陰極端；輕觸開關30a的另一端則係藉由光耦合開關46而耦接於致能界面電路42；第一二極體D₁之陽極端則耦接第一電阻R₁，第一電阻R₁之另一端則再耦接於一電壓接點Vo，所述之電壓接點Vo可以為一直流的電壓。

電源輸出致能電路50中係包括有一致能單元52以及一充電電路主控制器54。致能單元52之輸入係耦接於開啟/關閉控制電路40a中之致能界面電路42，致能單元52之輸出係耦接於充電電路主控制器54。致能單元52主要係用以致能充電電路10，而充電電路主控制器54係作為充電電路10中控制充電動作的一主要控制器。充電電路主控制器54之輸出係再耦接於切換開關驅動電路12中。

有關電路運作之程序，則圖4中所示光耦合開關46具有接點1、2、3、4。當輕觸開關30a被觸動而其兩接點閉合(close)時(意謂者有插頭60插入插座20中)，使得光耦合開關46之接點1、2被啟動，再以光耦合方式使得接點3、4啟動，此時致能界面電路42的電迴路被啟動，使致能界面電路42動作。於致能界面電路42動作後啟動致能單元52，並進一步致能充電電路主控制器54，再進一步使切換開關驅動電路12執行驅動充電電路10以進行充電之操作。

反之，於輕觸開關30a未被觸動時(無插頭60插入插座20之中)，輕觸開關30a之兩接點為關閉，使光耦合開關46不動作，使得致能界面電路42之電迴路為關閉而無啟動，並使致能單元52為關閉而不動作，此時充電電路主控制器54未被致能，故切換開關驅動電路12亦被斷路而不動作，充電電路10之電源供應係為關閉。是以，本發明於無載狀態時為不消耗功率，故能有效地減少充電電路10在空載時之能量消耗。

圖5所示為一第三實施例，其與第二實施例之差異在於一開啟/關閉控制電路40b的內部電路不同於圖4之開啟/關閉控制電路40a。該開啟/關閉控制電路40b中係包括一致能界面電路42以及一輕觸開關30a。所述之輕觸開關30a之一端耦接於致能界面電路42，而輕觸開關30a之另一端耦接接地。為方便說明，圖5係將輕觸開關30a標示於開啟/關閉控制電路40b之中。

當於輕觸開關30a未被觸動時(無插頭60插入插座20之中)，致能界面電路42之電迴路為關閉而無啟動，使致能單元52不動作，此時充電電路主控制器54未被致能，故切換開關驅動電路12亦被斷路而不動作，充電電路10之電源供應為關閉，不消耗電能。反之，當輕觸開關30a被觸動而閉合(close)時，致能界面電路42電迴路被啟動而啟動致能，使切換開關驅動電路12動作，並使充電電路10進行充電之動作。

圖6為一第四實施例，其所不同於第一實施例者，在於所述之開啟/關閉控制電路40與電源輸出致能電路50係被一開啟/關閉致能控制電路45以及充電電路主控制器54所取代；更進一步而言，開啟/關閉控制電路40與電源輸出致能電路50中的致能作用部分被所述之開啟/關閉致能控制電路45所取代，而電源輸出致能電路50則可簡化為單純的充電電路主控制器54。其中，所述之充電電路主控制器54實際運用上，可以係為一充電電路之脈寬調變控制器IC所實施者。

故，圖6中插頭插入感知裝置30之輸出係耦接於開啟/關閉致能控制電路45，係將偵測到有插頭60插入插座20時，以連動方式或傳輸一訊號至開啟/關閉致能控制電路45中，使其產生一開啟訊號或一關閉訊號，以進行充電電路之開啟(ON，或稱導通、閉合)或是關閉(OFF，或稱斷路)之動作。該開啟/關閉致能控制電路45之輸出則耦接至充電電路主控制器54，主要係依據該開啟訊號或是關閉訊號的致能控制，進一步執行致能該充電電路10進行充電動作。

當無插頭60插入插座20中，插頭插入感知裝置30無動作，開啟/關閉致能控制電路45之輸出為關閉(OFF)訊號，此時充電電路主控制器54不會被致能，亦不會致能該切換開關驅動電路12，而充電電路10無法被驅動，且充電電路10的電源供應路徑是被關閉的，亦即充電電路10不消耗電源。

圖7為一第五實施例，主要係係揭露有關於一開啟/關閉致能控制電路45a之進一步電路圖。其中，前述插頭插入感知裝置30主要係以一輕觸開關(TACT Switch)30a的符號做為代表。所述之開啟/關閉致能控制電路45a係包括有一第一電阻R₁、一第一二極體D₁以及一第二二極體D₂。為方便說明，將輕觸開關30a亦包含在開啟/關閉致能控制電路45a之中。

所述之第一電阻R₁其一端係接收一火線V_L或是一中性線V_N之電壓訊號，另一端耦接於第一二極體D₁之陽極端。第一二極體D₁的陰極端為一B節點，B節點耦接於輕觸開關30a之一端以及耦接於第二二極體D₂之陰極端。第二二極體D₂之陽極端則耦接一輔助電源V_AUX，該輔助電源V_AUX係可為一變壓器之繞組所產生的感應電壓。所述輕觸開關30a之另一端為該開啟/關閉致能控制電路45a之輸出端，係耦接至充電電路主控制器54中，依據該開啟或關閉之致能控制，進一步執行致能該充電電路10進行充電動作。

當無插頭60插入插座20中，圖7之輕觸開關30a為關閉之狀態，則開啟/關閉致能控制電路45a之輸出為關閉(OFF)之訊號，此時充電電路主控制器54不會被致能，亦不會致能該切換開關驅動電路12，而充電電路10無法被驅動，此時充電電路10的電源供應路徑是被關閉的，亦即充電電路10不消耗電源。反之，當有插頭60插入插座20時，輕觸開關30a為閉合，開啟/關閉致能控制電路45之輸出為開啟(ON)之訊號，進一步啟動充電電路主控制器54，使切換開關驅動電路12動作，開啟充電電路10之電源，使充電電路10進行充電。

圖8為一第六實施例，其與圖7之差別在於該開啟/關閉致能控制電路標號改為45b，於開啟/關閉致能控制電路45b中係包括有一輕觸開關30a以及一連動開關(Linked Switch)30b，輕觸開關30a之一端係耦接於一高電壓V_HV，該高電壓V_HV係可為一交流之高壓或是一直流之高壓；輕觸開關30a之另一端係形成為一高壓啟動電壓V_HVS，同時係為開啟/關閉致能控制電路45b的一輸出端。

所述之連動開關(Linked Switch)30b同樣有兩接點，主要係與輕觸開關30a一起連動，當輕觸開關30a動作時，連動開關30b同時動作，輕觸開關30a為閉合時則連動開關30b亦為閉合，反之亦然。連動開關30b之一端係耦接接地，另一端為一電源訊號Vcc，所述之電源訊號Vcc可以是為一IC的Vcc電源訊號。

當無插頭60插入插座20時，圖8之輕觸開關30a為關閉之狀態，同時由於連動之關係使得連動開關30b亦同時為關閉之狀態；開啟/關閉致能控制電路45a之輸出為關閉(OFF)之訊號，此時充電電路主控制器54不被致能，或者視為被關閉之狀態，亦不會致能該切換開關驅動電路12，充電電路10無法被驅動而不動作，且充電電路10的電源供應路徑是被關閉的，亦即充電電路10不消耗電源。反之，當有插頭60插入插座20時，輕觸開關30a為閉合(ON)，同時連動開關30b亦為閉合之狀態，則開啟/關閉致能控制電路45之輸出為開啟(ON)之訊號，進一步啟動充電電路主控制器54動作，致能該切換開關驅動電路12，並開啟充電電路10之電源，使充電電路10進行充電。

綜上所述，本發明提出一種嵌入式電源供應器之省電裝置，用以節省充電器空載時待機之功率消耗，藉由插頭插入感知裝置，當充電器閒置時，由於未感知插頭，送出關閉訊號而將整個充電器關斷，以達到節電的目的，顯見本發明案具備申請專利之要件。然，本發明說明內容所述，僅為較佳實施例之舉例說明，當不能以之限定本發明所保護之範圍，任何局部變動、修正或增加之技術，仍不脫離本發明所保護之範圍中。