TWI583090B - 具有複合式電源之集線器 - Google Patents

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Description

具有複合式電源之集線器
本發明是關於一種集線器，且特別是關於一種具有複合式電源之集線器，兼具資料傳輸與複合式電源快速充電功能。
近年來隨著科技的發展，各種行動裝置(例如：智慧型手機)的尺寸越來越小，讓行動裝置朝向攜帶方便的方向發展。當然，行動裝置平時需要仰賴電池來維繫正常運作，而行動裝置的電池用盡後便需要立即快速充電。
目前，常見的USB2.0連接埠所能提供的額定電流為500mA，USB3.0連接埠所能提供的額定電流則為900mA，而USB type C連接埠所能提供的額定電流更可達到1.5A或3A，而行動電子裝置通常會透過各種溝通方式(例如：DP與DN訊號、USB type C的cc1與cc2訊號、或USB PD的5VBUS之FSK技術等等)來偵測USB連接埠的類型，判斷USB連接埠為一般訊號用USB連接埠(例如：SDP模式)或是只能提供高電流充電之USB連接埠(例如：DCP模式)，或是兩者均有(例如：CDP模式)。行動電子裝置會與USB連接埠所屬於的電子設備(如：桌上型電腦)溝通後，便可判斷USB連接埠的類型(例如：判斷是否為type C)，而在決定充電條件(決定電壓等級與充電電流等級)之後，便可以開始進行快速充電(快速充電之定義為高於500mA以上)。快速充電功能啟動後，一般行動裝置所能接受的充電電流可達1A左右，有些甚至高達接近2.4A，USB type C連接埠更可達到最高3A。然而，當充電電流越高，USB線材、連接頭所造成的電壓降(Voltage drop)會越深，過低的輸出電壓可能會造成電子裝置的動作異常。
現今，行動裝置除了使用市電交流電搭配適配器(或充電器)來充電之外，消費者更常使用個人電腦上的USB來充電。但PC與NB的USB通常只能提供標準充電模式500mA。然而，隨著行動裝置的種類變多，消費者多半會擁有兩種以上 的行動裝置，例如：手機、外接式硬碟、平板電腦、或數位相機等等，而一般的桌上型電腦上的USB連接埠的數量對消費者而言可能不敷使用。此時，使用者就可購買USB集線器(USB hub)來擴充USB的數量。尤其小尺寸筆記型電腦講求便於攜帶性，USB連接埠的數目也會減少，可能只有兩個，甚至未來只會有一個。如果消費者外出時除需要攜帶手機、筆電、與集線器等裝置外，還須再額外攜帶各裝置所搭配的各類適配器，如此顯然周邊設備與配件會變得相當多，非常不方便。目前，市面上有一些快速充電的電子產品(例如：車用充電器，或者AC轉多組USB連接埠之充電器)，雖然這些產品擁有足夠的功率來提供多個行動電子裝置進行快速充電，但卻無法傳輸資料。而傳統的USB集線器雖然可將USB連接埠擴充，以讓多組行動裝置同時進行資料傳輸，但一般設備的USB連接埠所能提供的功率有限，為了避免USB連接埠發生過電流或因為缺乏啟動快充並同時訊號傳輸的功能(如：CDP模式)，行動裝置只能被允許標準充電模式，集線器無法提供快速充電功能。而市面上少數集線器當然還是可以透過額外的適配器(adapter)來提供更多電源，但需要攜帶至少兩個配件、也會增加成本與不便。而且，有些USB集線器甚至還須有手動的切換開關來作為USB電源與外部的電源轉換器之間的切換，使用起來相當不便。
因此，如何解決上述問題，開發一個可以傳遞資料，兼顧攜帶方便、同時能夠快速充電並降低成本的產品，便是本領域具通常知識者值得去思量地。
為了解決上述之問題，本發明的目的在於提供一種集線器，能夠兼具資料傳輸與快速充電功能，且可兼顧攜帶方便、便於隨時隨地進行充電。
基於上述目的與其他目的，本發明提供一種集線器，此集線器透過至少二USB傳輸線分別與位於外部環境的一電子設備及至少一行動裝置電性連接，上述USB傳輸線內部組成包括一訊號傳輸線與一電源傳輸線。集線器包括一第一連接端、至少一第二連接端、一控制器、與一第一直流轉換器。第一連接端適於電性連接至該電子設備，第二連接端適於電性連接至該行動裝置。控制器電性連接於電子設備與行動裝置之間，且控制器適於與行動裝置透過USB傳輸線內的訊號傳輸線互相傳輸訊號。另外，控制器還適於發送一訊號至行動裝置， 使行動裝置啟動快速充電模式。第一直流轉換器之一輸入端透過該USB傳輸線內的電源傳輸線電性連接至電子設備，而輸出端透過USB傳輸線內的電源傳輸線電性連接至行動裝置，第一直流轉換器是用於輸出穩定的電壓至行動裝置。
在上述之集線器，還包括一電源轉換器與一第三連接端，電源轉換器透過該第三連接端與位於外部環境的一交流電源電性連接。電源轉換器包括一交流/直流轉換器與一第二直流轉換器。交流/直流轉換器的輸入端是透過第三連接端電性連接至交流電源，而第二直流轉換器的輸入端是電性連接至交流/直流轉換器，且第二直流轉換器的輸出端是電性連接至行動裝置。另外，此集線器更包括一第四連接端，該第四連接端適於電性連接到位於外部環境的一電子設備或一直流電源。其中，於集線器內，第四連接端是電性連接到交流/直流轉換器的輸出端且電性連接到第二直流轉換器的輸入端。
在上述之集線器中，更包括一電流分配電路，其中第一直流轉換器的輸出端與第二直流轉換器的輸出端是電性連接至電流分配電路，且電流分配電路的輸出端電性連接到行動裝置。或者，第二直流轉換器具有定電流定電壓功能。
在上述之集線器中，還包括一電源控制器與一電流感測器。電源控制器是與第一直流轉換器電性連接，電流感測器是電性連接於第一直流轉換器與電子設備之間。電源控制器透過電流感測器偵測電子設備之一輸出電壓與一輸出電流。當輸出電壓小於一電壓預設值，或輸出電流大於一電流預設值，該電源控制器降低第一直流轉換器的輸出電壓。
在上述之集線器中，更包括一橋接控制器，該橋接控制器電性連接於該控制器，該橋接控制器適於進行信號格式轉換。
在上述之集線器中，還包括一第一電流感測器、一第三直流轉換器、至少一第四直流轉換器、一儲能元件、及一儲能元件控制電路。第一電流感測器與電子設備電性連接，適於感測電子設備之輸出電壓與輸出電流，而第三直流轉換器則與第一電流感測器電性連接。第四直流轉換器則與第三直流轉換器電性連接，適於將第三直流轉換器的輸出電壓轉換為行動裝置所需的充電電壓。儲能元件，電性連接於第三直流轉換器與第四直流轉換器之間。另外，儲能元件控制電路則與電子設備、第一電流感測器、第三直流轉換器、及儲能元件電性連接，該儲能元件控制電路具有一第一電流預設值與一第一電壓預設值。其中，當電子設備的輸出電流小於第一電流預設值且電子設備的輸出電壓大於第一電 壓預設值時，儲能元件控制電路設定第三直流轉換器的輸出電壓大於儲能元件的輸出電壓，從而使電子設備對行動裝置與儲能元件充電。反之，當電子設備的輸出電流大於第一電流預設值或電子設備的輸出電壓小於第一電壓預設值時，儲能元件控制電路設定第三直流轉換器的輸出電壓降至儲能元件的輸出電壓，也就是轉由電子設備與儲能元件同時對行動裝置充電。
此外，上述集線器還包括一第二電流感測器與一第一開關元件。其中，第二電流感測器與第一開關元件相互電性連接，第二電流感測器分別電性連接至儲能元件控制電路及該第三直流轉換器與該第四直流轉換器之間，第一開關元件分別電性連接至儲能元件控制電路與儲能元件。第二電流感測器適於感測儲能元件的充電電流與放電電流，當儲能元件的充電電流或放電電流大於一第二電流預設值，或該儲能元件的充電電壓或放電電壓超出一第二電壓預設值時，則第一開關元件呈現斷路。
在上述之集線器中，第一連接端為USB 3.1 PD(Power Delivery)type C連接埠，且電子設備是具備可被充電或供電兩種模式。其中，集線器更包括一第五直流轉換器、一第二開關元件、與一控制電路。第五直流轉換器電性連接至該交流/直流轉換器，第二開關元件則電性連接於電子設備與第五直流轉換器間，且第二開關元件也電性連接於電子設備與第一直流轉換器間。控制電路電性連接至第五直流轉換器與第二開關元件。其中，控制電路控制該第二開關元件，以啟動或關閉電子設備與第五直流轉換器間的電性連接，及啟動或關閉電子設備與第一直流轉換器間的電性連接。其中，當第三連接端未電性連接至交流電源，第一連接端是電性連接至電子設備，且第四連接端也未電性連接至電子裝置或直流電源時，該控制電路控制第二開關元件以關閉電子設備與第五直流轉換器間的電性連接，及啟動電子設備與第一直流轉換器間的電性連接。
另外，當第三連接端電性連接至交流電源，且第一連接端是電性連接至電子設備時，控制電路控制該第二開關元件以啟動電子設備與第五直流轉換器間的電性連接，及關閉電子設備與第一直流轉換器間的電性連接。
此外，當第三連接端未電性連接至交流電源，第一連接端是電性連接至電子設備，且第四連接端是電性連接至直流電源時，控制電路控制第二開關元件以啟動電子設備與第五直流轉換器間的電性連接，及關閉電子設備與第一直流轉換器間的電性連接。
在上述之集線器中，更包括一第三開關元件與一第六直流轉換器。第三開關元件電性連接於交流/直流轉換器與第五直流轉換器間，而第六直流轉換器電性連接於交流/直流轉換器與第四連接端間。其中，第六直流轉換器為升壓轉換器且還電性連接至第二開關元件。另外，第二直流轉換器為降壓轉換器且還電性連接至第二開關元件。而且，交流/直流轉換器還電性連接到第二開關元件。其中，當第一連接端是電性連接至電子設備，且第三連接端電性連接至交流電源或第四連接端是電性連接至直流電源時，將會同時有各種電壓源連接於第二開關元件。當控制電路與電子設備及控制器溝通後，便會決定所需要的電壓源，接著控制該第二開關元件以啟動電子設備與其所對應電壓源的直流轉換器間的電性連接，及關閉電子設備與第一直流轉換器間的電性連接。
100、200、300、400、500、600、700‧‧‧集線器
10‧‧‧電子設備
11‧‧‧第一連接端
12‧‧‧第三連接端
13‧‧‧第二連接端
14‧‧‧第四連接端
15‧‧‧USB傳輸線
20‧‧‧交流電源
30、30’、30”‧‧‧行動裝置
31、32‧‧‧電子裝置
31’‧‧‧直流電源
110‧‧‧電源轉換器
111‧‧‧第一直流轉換器
112‧‧‧電流感測器
113‧‧‧電源控制器
114‧‧‧交流/直流轉換器
115‧‧‧第二直流轉換器
116‧‧‧節點
117、118‧‧‧電阻器
120‧‧‧控制器
130‧‧‧電流分配電路
150‧‧‧橋接控制器
151‧‧‧訊號傳輸線
152‧‧‧電源傳輸線
510‧‧‧行動電源模組
512‧‧‧第一電流感測器
513‧‧‧儲能元件控制電路
514‧‧‧第三直流轉換器
515‧‧‧第二電流感測器
516‧‧‧第四直流轉換器
517‧‧‧第一開關元件
518‧‧‧儲能元件
612‧‧‧第五直流轉換器
614‧‧‧第二開關元件
616‧‧‧控制電路
712‧‧‧第六直流轉換器
714‧‧‧第三開關元件
2‧‧‧車充用雪茄頭
4‧‧‧攜帶式硬碟
6‧‧‧SD卡
8‧‧‧電視
圖1所繪示為本發明之第一實施例之集線器的外觀示意圖。
圖2A所繪示為第一實施例之集線器的架構示意圖，圖2B所繪示為另一實施例的集線器。
圖3A與圖3B所繪示為本發明之第二實施例之集線器的外觀示意圖。
圖4所繪示為第二實施例之集線器的架構示意圖。
圖4A所繪示為電流分配電路的架構示意圖。
圖5所繪示為第三實施例之集線器的架構示意圖。
圖6所繪示為第四實施例之集線器的架構示意圖。
圖7所繪示為第五實施例之集線器的架構示意圖。
圖8所繪示為行動電源模組的架構示意圖。
圖9所繪示為第五實施例之集線器的架構示意圖。
圖10所繪示為第五實施例之集線器的另一種運作狀態。
圖11所繪示為第五實施例之集線器的再一種運作狀態。
圖12所繪示為第六實施例之集線器的架構示意圖。
圖13所繪示為第六實施例之集線器的再一種運作狀態。
圖14繪示為當第一直流轉換器與第二直流轉換器為多個時的運作示意圖。
圖15繪示為本發明之集線器的使用示意圖。
請參照圖1與圖2A，圖1所繪示為本發明之第一實施例之集線器的外觀示意圖，圖2A所繪示為第一實施例之集線器的架構示意圖。集線器100包括一第一連接端11及至少一第二連接端13(在本實施例為多個)。在本實施例中，第一連接端11與第二連接端13皆為USB連接埠。集線器100是經由第一連接端11及一USB傳輸線15電性連接到一電子設備10的USB連接埠，電子設備10例如為AIO(All in one)PC、桌上型電腦、或筆記型電腦。第二連接端13則能夠讓集線器100電性連接到至少一行動裝置30，行動裝置30例如為手機、平板電腦、讀卡機或儲存裝置等等。電子設備10可透過USB傳輸線15與集線器100電性連接到多個行動裝置30進行資料交換或充電的作業。另外，集線器100內部包括一控制器120，控制器120是電性連接於電子設備10與行動裝置30之間。在本實施例中，USB傳輸線15中的訊號傳輸線151是連接到控制器120，因此控制器120適於與行動裝置30互相傳輸訊號，以建立電子設備10與行動裝置30之間的資料傳輸管道。
控制器120能夠發送一訊號至行動裝置30，行動裝置30接到該訊號後便會啟動快速充電模式。詳細來說，現行的USB連接埠有三種傳輸定義：標準下行埠(SDP)、專用充電埠(DCP)與充電下行埠(CDP)。SDP主要是用於資料傳輸，其充電電流僅有500毫安培，故充電速度較慢。DCP是充電專用的定義，最大能夠以1500毫安培或更多的電流充電，但無法提供資料傳輸。CDP則是能夠進行資料傳輸，也能夠以最大1500毫安培的電流充電。控制器120所發送的訊號，便是讓行動裝置30能夠開啟支援CDP的充電模式，能夠快速充電同時可進 行資料傳輸。另外，控制器120也可依狀況而讓行動裝置30只啟動DCP模式。例如，若集線器100未連接至電子裝置的USB接口，而是連接至不具資料傳輸功能的電壓源(例如：行動電源或室內電源)時，控制器120則能夠使行動裝置30啟動DCP模式。此外，於USB type C之架構中，供電之設備端更可與另一端的裝置端協議後決定進行充電或供電模式，在電壓為5V的情況下，該電流可以為1.5A或3A，或甚至Power Delivery模式(輸出電壓為12V或20V)。
另外，集線器100還包括一第一直流轉換器111，該第一直流轉換器111之一輸入端是透過USB傳輸線15中的電源傳輸線152電性連接至電子設備10，第一直流轉換器111之一輸出端則是透過USB傳輸線15中的電源傳輸線152電性連接至行動裝置30。第一直流轉換器111可以是一種對輸入電源具有限電流或限電壓功能的直流/直流轉換器(DC/DC converter)，其可調整輸出電壓的大小而用於穩定對行動裝置30的充電電壓，不論電子設備10的供電狀況如何，行動裝置30所接收到的充電電壓均經由直流轉換器111調整後穩定地提供，也就是說第一直流轉換器111具有穩壓的功能。
請繼續參照圖2A，當集線器100連接較多的行動裝置30而需要較大的充電電流時，電子設備10的輸出電流會變大，且輸出電壓會因為接頭、線損及其他因素而降低。當電子設備10的輸出電流超過一定值時，會使電子設備10過載。因此，在本實施例中，藉由結合第一直流轉換器111、電流感測器112、及電源控制器113的情況下，可限制電子設備10的輸出功率。也因此，電子設備10不至於因為行動裝置30需要過大的充電電流而發生過載，且經過第一直流轉換器111輸出的電壓也可穩定的輸出，並符合行動裝置30的充電需求。在本實施例中，電源控制器113是透過電流感測器112偵測到電子設備10的輸出電壓或輸出電流。電源控制器113中儲存有一電壓預設值與一第二電流預設值，當電源控制器113偵測到電子設備10的輸出電壓小於該電壓預設值，或電子設備10的輸出電流大 於該第二電流預設值，電源控制器113會控制第一直流轉換器111立即降低輸出電壓，藉由限制電子設備10不低於電壓預設值且不超過該第二電流預設值，進而限制集線器100的功率輸出，避免電子設備10因行動裝置30的充電電流過大而導致損壞。在本實施例中，設置電流感測器112與電源控制器113來控制第一直流轉換器111的輸出電壓與輸出電流，但並不限於此。在某些實施例中，是可不設置電流感測器112與電源控制器113，由第一直流轉換器111直接對行動裝置30提供穩定的電壓。
此外，也可在集線器中設置行動電源模組，而使集線器變成為一台具有行動電源功能之集線器。請參照圖2B與圖8，圖2B所繪示為另一實施例的集線器100’，圖8所示為行動電源模組510。此行動電源模組510包括一第一電流感測器512、一第三直流轉換器514、一第四直流轉換器516、一儲能元件控制電路513、與一儲能元件518，第三直流轉換器514則是與第一電流感測器512電性連接。第一電流感測器512是與電子設備10電性連接，並可感測電子設備10的輸出電壓與輸出電流。其中，行動電源模組510的輸入端是電性連接到第一連接端11，而行動電源模組510的輸出端則是電性連接到第二連接端13。儲能元件518例如為電池，是電性連接至第三直流轉換器514與第四直流轉換器516之間。第四直流轉換器516是電性連接於第三直流轉換器514，第四直流轉換器516可將第三直流轉換器514的輸出電壓與儲能元件518的電壓轉換成行動裝置30所需的充電電壓。儲能元件控制電路513是分別電性連接於第一電流感測器512、第三直流轉換器514、電子設備10、與儲能元件518。儲能元件控制電路513可藉由第一電流感測器512偵測電子設備10的輸出電流與輸出電壓，因此儲能元件控制電路513中儲存有一第一電流預設值與一第一電壓預設值。儲能元件控制電路513是將電子設備10的輸出電流或輸出電壓與第一電流預設值或第一電壓預設值比較，做為控制第三直流轉換器514電壓輸出的依據。
儲能元件控制電路513會偵測電子設備10的輸出電流與輸出電壓，當電子設備10的輸出電流小於第一電流預設值，且電子設備10的輸出電壓大於第一電壓預設值時，第三直流轉換器514的輸出電壓會略大於儲能元件518的輸出電壓。儲能元件控制電路513便會控制第三直流轉換器514以第一電流預設值為輸出電流同時對儲能元件518與行動裝置30進行充電，此時第三直流轉換器514同等於以定電流模式(Constant Current Mode)進行供電。另外，第四直流轉換器516則將第三直流轉換器514的輸出電壓轉換成行動裝置30所需的充電電壓，以穩定的對行動裝置30進行充電。當儲能元件518已接近充飽電狀態，且行動裝置30與儲能元件518所需的總充電電流小於第一電流預設值時，儲能元件控制電路513會將第三直流轉換器514的輸出電壓控制在一預設值，此預設值是僅略高於儲能元件518的輸出電壓，例如4.3V，此時第三直流轉換器514以定電壓模式(Constant Voltage Mode)對儲能元件518與行動裝置30充電。
當行動裝置30的數量增加，且需要同時充電，行動裝置30所需的充電電流便會上升。當行動裝置30所需的充電電流上升，而使電子設備10的輸出電流大於第一電流預設值，或者讓電子設備10的輸出電壓小於第一電壓預設值時，第三直流轉換器514會立刻轉換成定電流模式(Constant Current Mode)並以第一電流預設值為輸出電流供電，此時第三直流轉換器514的輸出電壓會下降。當第三直流轉換器514的輸出電壓降至與儲能元件518的輸出電壓相同時，儲能元件518便會開始供電。然後轉由電子設備10與儲能元件518透過第四直流轉換器516同時對行動裝置30充電，以滿足眾多行動裝置30較高的充電電流需求。
此外，本實施例之行動電源模組510還包括一第二電流感測器515與一第一開關元件517。第二電流感測器515與第一開關元件517是用於保護儲能元件518，避免儲能元件518因充放電流異常而導致儲能元件518壽命縮短。第二電流感測器515與第一開關元件517是互相電性連接，第二電流感測器515分別電性連 接至儲能元件控制電路513及第三直流轉換器514與第四直流轉換器516之間。第一開關元件517分別電性連接至儲能元件控制電路513與儲能元件518。儲能元件控制電路513可偵測儲能元件518的電壓並透過第二電流感測器515偵測儲能元件518的充電電流與放電電流，以控制第一開關元件517來保護儲能元件518。因此，控制電路還包括一第二電流預設值與一第二電壓預設值。當儲能元件518的充電電流或放電電流大於第二電流預設值，或儲能元件518的電壓超出該第二電壓預設值時(即儲能元件518過度充電或過度放電時)，儲能元件控制電路513會使第一開關元件517呈現斷路狀態，以保護儲能元件518。
請參照圖3A、圖3B與圖4，圖3A與圖3B所繪示為本發明之第二實施例之集線器的外觀示意圖，圖4所繪示為第二實施例之集線器的架構示意圖。除了第一連接端11及第二連接端13外，此集線器200還包括一第三連接端12與一第四連接端14。而且，於集線器200的內部還包括一電源轉換器110，此電源轉換器110透過第三連接端12與位於外部環境的一交流電源20電性連接，此交流電源20則例如為家用的110V插座。此電源轉換器110包括一交流/直流轉換器114與一第二直流轉換器115，交流/直流轉換器114的輸入端是透過第三連接端12電性連接至交流電源20，而第二直流轉換器115的輸入端是電性連接至交流/直流轉換器114的輸出端，而第二直流轉換器115的輸出端則是電性連接至一電流分配電路130，而電流分配電路130的輸出端則是電性連接至行動裝置30。
此外，集線器200的第四連接端14是連接到與行動裝置30不同電壓等級之至少一電子裝置31，此電子裝置31例如為平板電腦、筆記型電腦、AIO PC。當集線器200所連接的行動裝置30與電子裝置31愈來愈多時，所需的充電功率會變高。此時，交流電源20便能提供額外的電源供給，使集線器100能夠對多個行動裝置30與電子裝置31進行充電。另外，藉由將集線器200中的訊號傳輸線151延 伸至電子裝置31，也可讓電子設備10、行動裝置30、與電子裝置31間進行資料傳輸。
另外，第二直流轉換器115的輸出可以具有定電壓定電流(CC-CV)限制的功能。第二直流轉換器115之一輸入端是電性連接至交流/直流轉換器114，第二直流轉換器115之一輸出端則是電性連接至第一直流轉換器111之輸出端，且第二直流轉換器115之輸出端與第一直流轉換器111之輸出端皆電性連結到行動裝置30。第二直流轉換器115具有一第三電流預設值，當行動裝置30所需的輸入電流低於該第三電流預設值時，第二直流轉換器115的輸出電壓會恆定在一設定值，當行動裝置30所需的輸入電流高於該第三電流預設值時，第二直流轉換器115的輸出電壓會開始下降。
當行動裝置30所需要的充電電流小於該第三電流預設值，第二直流轉換器115的輸出電壓會恆定在該設定值，此時以定電壓模式(Constant Voltage Mode)進行供電，此設定值的電壓會高於第一直流轉換器111的輸出電壓，因此第一直流轉換器111的輸出端是處於逆偏壓的狀態，故電子設備10此時不會對行動裝置30進行供電，而由交流電源20對行動裝置30進行充電。
當集線器100所連接的行動裝置30數量增加而同時充電時，全部行動裝置30所需的充電電流也會提高。而當行動裝置30所需的充電電流上升至大於該第三電流預設值時，在CCCV功能的控制下，此時第二直流轉換器115將以定電流模式(Constant Current Mode)進行供電，第二直流轉換器115所輸出的電流在被限制的情況下，第二直流轉換器115的輸出電壓會立刻降低。當第二直流轉換器115的輸出電壓降低到與直流轉換器111的輸出電壓相等時，電子設備10便會開始對行動裝置30進行供電。此時，是由電子設備10與第二電壓源20同時對行動裝置30充電，以滿足多個行動裝置30較高的充電電流需求。
或者，第二直流轉換器115不一定要具有定電壓定電流的功能，在加裝電流分配電路130後也可能達到與上述類似的功效。請同時參照圖4A，第一直流轉換器111的輸出端與第二直流轉換器115的輸出端是電性連接至電流分配電路130。由圖4A可清楚得知，電流分配電路130例如是由二個電組器117,118所構成，其中第二直流轉換器115之輸出端連接到電阻器117，而第一直流轉換器111的輸出端則是連接到電阻器118。當行動裝置30所需的電流增加，電阻器117的電壓降也會隨之增加，使節點116的電壓下降。當行動裝置30所需的電流流經電阻器117，使節點116的電壓下降至低於直流轉換器111的輸出電壓時，直流轉換器111便開始供電，達到電子設備10與第二電壓源20同時對行動裝置30供電的功效。
再來，請參照圖5，圖5所繪示為第三實施例之集線器的架構示意圖。相較於第二實施例之集線器200，此集線器300並不包括交流/直流轉換器114。而且，第四連接端14是連接到外部的一直流電源31’，此直流電源31’例如是連接到汽車電瓶的充電座，其輸出電壓約為12V或24V。這樣一來，直流電源31’便可透過第二直流轉換器115而供給電源給行動裝置30。
請參照圖6，圖6所繪示為第四實施例之集線器的架構示意圖。相較於圖4之集線器200，此集線器400更包括一橋接控制器150。橋接控制器150電性連接於控制器120，該橋接控制器150適於進行信號格式轉換。舉例來說，橋接控制器150可將控制器120所輸出的訊號轉換成其他格式的訊號，再將這些訊號傳輸到讀卡器、VGA連接埠、或HDMI連接埠、或甚至記憶體等其他電子裝置32，其中記憶體則可置於集線器內部。因此，集線器400還可外加擴充底座(Docking Station)。也就是說，藉由集線器400，在充電的同時又可進行資料上的轉換與傳輸。當然，也可單純進行充電使用。另外，藉由將集線器400中的訊號傳輸線151 延伸至電子裝置31，也可讓電子設備10、行動裝置30、與電子裝置31,32間進行資料傳輸。
請參照圖7與圖8，圖7所繪示為第五實施例之集線器的架構示意圖，圖8所繪示為行動電源模組的架構示意圖。在第五實施例中，於第二直流轉換器115與電流分配電路130間還設有行動電源模組510，其中行動電源模組510的輸入端是電性連接到第二直流轉換器115，而行動電源模組510的輸出端則是電性連接到電流分配電路130。另外，行動電源模組510也可以設置在第一直流轉換器111與電流分配電路130間。
請參照圖9，圖9所繪示為第五實施例之集線器的架構示意圖。相較於圖4之集線器200，此集線器600更包括一第五直流轉換器612、一第二開關元件614、與一控制電路616。此外，第一連接端11例如為USB 3.1 PD(Power Delivery)type C連接埠，且電子設備10是一個可透過與控制器120的溝通程序，而具備可被充電或供電兩種模式的電子設備(如：平板電腦、筆記型電腦、AIO PC、TV、Monitor等)。其中，第五直流轉換器612電性連接至交流/直流轉換器114，第二開關元件614電性連接於電子設備10與第五直流轉換器612間，且第二開關元件614也電性連接於電子設備10與第一直流轉換器111間。此外，控制電路616的輸出端電性連接至第五直流轉換器612與第二開關元件614，而控制電路616的輸入端是藉由訊號傳輸線151而電性連接至電子設備10。控制電路616是用以控制第二開關元件614，以啟動或關閉電子設備10與第五直流轉換器612間的電性連接。此外，電子設備10、控制電路616能與控制器120之間會進行溝通並決定電子設備10所需要的電壓模式，接著藉由控制電路616控制第二開關元件614，也能啟動或關閉電子設備10與第一直流轉換器111間的電性連接。在本實施例中，控制電路616的輸入端是直接連接到訊號傳輸線151，但也可以先連接到控制器120再電性連接至訊號傳輸線151。更詳細來說，當控制電路616具有可判斷電子設備10所需 要的電壓等級的機制時，則可直接將控制電路616連接到訊號傳輸線151；反之，當控制電路616不具有可判斷電子設備10所需要的電壓等級的機制時，則控制電路616連接到控制器120，而讓控制器120來判斷電子設備10所需要的電壓模式的機制。
請繼續參照圖9，當第三連接端12未電性連接至交流電源20，且第四連接端15也未電性連接至如圖5所示的直流電源31’時(在圖9未連接以虛線表示)，但第一連接端11是電性連接至該電子設備10。此時，控制電路616控制第二開關元件614以關閉電子設備10與第五直流轉換器612間的電性連接，及啟動電子設備10與第一直流轉換器111間的電性連接。在此情況下，是由電子設備10供應電力給行動裝置30。
請參照圖10，圖10所繪示為第五實施例之集線器的另一種運作狀態。當第三連接端12電性連接至交流電源20，且第一連接端11是電性連接至電子設備10，但第四連接端14未電性連接至電子裝置31時，本領域具有通常知識者可藉由控制電路616控制第二開關元件614以啟動電子設備10與第五直流轉換器612間的電性連接，及關閉電子設備10與第一直流轉換器111間的電性連接。在此情況下，電子設備10也可透過訊號溝通轉變為用電端，如透過USB PD之協定，要求第五直流轉換器612調整到正確的輸出電壓，讓交流電源20(經過電源轉換器114)可進而對電子設備10充電。因此，交流電源20除了能對行動裝置30進行充電外，還能對電子設備10進行充電。此外，如果第四連接端14所接上之裝置為會消耗電量的電子裝置31時，交流電源20則可以同時對電子裝置31與行動裝置30進行充電
綜合圖9與圖10可知，當交流電源20未插入集線器600進行供電時，由電子設備10作為電源供電端；當交流電源20插入時，電子設備10可轉變為用電端而被充電。
請參照圖11，圖11所繪示為第五實施例之集線器的再一種運作狀態。當第三連接端12未電性連接至交流電源20，第一連接端11是電性連接至電子設備10，且第四連接端14是電性連接至直流電源31’時，控制電路616會要求第五直流轉換器612調整到正確的輸出電壓，並同時控制第二開關元件614以啟動電子設備10與第五直流轉換器612間的電性連接，及關閉電子設備10與第一直流轉換器111間的電性連接。在此情況下，電子設備10由於可透過訊號溝通轉變為用電端，如透過USB PD之協定，從而由直流電源31’對行動裝置30與電子設備10進行充電。
由圖9~圖11可知，集線器600可利用交流電源(例如：一般的室內電源)、電子設備(例如：筆記型電腦)的USB連接埠所輸出的電源、汽車充電座所輸出的電源、或電池等所輸出的電源，轉換成筆記型電腦、手機、平板或AIO PC等裝置所需要的電壓源。另外，圖7中集線器500內的行動電源模組510也可裝設在集線器600的內部。
值得注意的是，上述實施例中的第一直流轉換器111、第二直流轉換器115、第三直流轉換器514、第四直流轉換器516、與第五直流轉換器612皆可依照產品設計之需求採用降壓電路(Buck converter)或升壓電路(Boost converter)或升降壓電路(buck-boost或SEPIC)等。此外，於集線器100中所使用的電流感測器112及電源控制器113也可應用到其他的實施例的集線器中。此外，圖6之集線器400中的橋接控制器150也可裝設在其他實施例的集線器中。
請參照圖12，圖12所繪示為第六實施例之集線器的架構示意圖。相較於圖9之集線器600，此集線器700更包括一第三開關元件714與一第六直流轉換器712。其中，第三開關元件714電性連接於交流/直流轉換器114與第五直流轉換器612間，而第六直流轉換器712電性連接於交流/直流轉換器114與第四連接端14間。在本實施例中，第六直流轉換器712為升壓轉換器且還電性連接至第二開關 元件614，且第六直流轉換器712的輸出電壓為20V。另外，第二直流轉換器115則為降壓轉換器且還電性連接至第二開關元件614。在本實施例中，交流/直流轉換器114、第五直流轉換器612、與第二直流轉換器115的輸出電壓分別為20V、12V、5V。
其中，當集線器700的第三連接端12與交流電源20相接後，第三開關元件714便會導通，交流/直流轉換器114所輸出的電力除了直接輸出到第二開關元件614外，還會輸出到第五直流轉換器612與第二直流轉換器115。因此，第二開關元件614便會同時具有三種不同的輸入電壓，分別為20V、12V、5V。此時，控制電路616在判斷電子設備10所需要的電壓模式後，第二開關元件614便會與三種輸入電壓的其中之一相導通。舉例來說，當電子設備10所需要的電壓模式為12V時，第二開關元件614便會與12V的輸入電壓相導通，而使電子設備10被12V的電壓進行充電。
請參照圖13，圖13所繪示為第六實施例之集線器的再一種運作狀態。當第三連接端12未電性連接至交流電源20且第四連接端14是電性連接至直流電源31’時，第三開關元件714便會截止，使得直流電源31’所輸出的電力會分別輸出到第六直流轉換器712、第五直流轉換器612、與第二直流轉換器115。在本實施例中，直流電源31’所輸出的電壓為12V，而第六直流轉換器712會將其輸出電壓從12V轉換為20V。
在上述實施例中，皆僅繪示出單一個第一直流轉換器111與單一個第二直流轉換器115，然而也可依情況設置多個第一直流轉換器111或多個第二直流轉換器115。請參照圖14所示，多個第一直流轉換器111及多個第二直流轉換器115則可針對不同行動裝置30的充電需求，提供不同的充電電壓，以滿足不同種類行動裝置30的充電需求。舉例而言，多個行動裝置30、30’、30”例如為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦，而這些行動裝置所需的充電電壓不盡相同。因此， 當上述的裝置同時插入集線器時，複合式電源轉換器110便可透過多個直流轉換器111提供多種不同的充電電壓，便可針對不同電壓需求的多個行動裝置30、30’、30”進行充電。
請參照圖15，圖15所繪示為本發明之集線器的使用示意圖，在此集線器為第四實施例之集線器400，而電子設備10則為筆記型電腦。藉由集線器400，電子設備10僅需要一個USB 3.1 PD(Power Delivery)type C連接埠10a，便可以藉由集線器400與電視8、行動裝置30、SD卡6、與攜帶式硬碟4進行通訊連接，或者也可藉由集線器400供應電力給電視8、行動裝置30、與攜帶式硬碟4。或者，也可藉由集線器400將交流電源20將電力供應給電子設備10及其他裝置。或者，也可透過車充用雪茄頭2將車上的電源轉換成行動裝置與筆電等設備所需要的電壓源。綜上可知，藉由集線器400，電子設備10所具有的連接埠之個數能減少且標準化。這樣一來，集線器400的種類與規格也能標準化。而且，消費者在電子設備10與集線器400的選擇上能有不同的搭配組合，讓消費者在採買上能更有彈性、更便宜與便利。
本發明說明如上，然其並非用以限定本創作所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡本領域具有通常知識者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本創作所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
100、200‧‧‧集線器
10‧‧‧電子設備
12‧‧‧第三連接端
14‧‧‧第四連接端
15‧‧‧USB傳輸線
20‧‧‧交流電源
30‧‧‧行動裝置
31‧‧‧電子裝置
110‧‧‧電源轉換器
111‧‧‧第一直流轉換器
114‧‧‧交流/直流轉換器
115‧‧‧第二直流轉換器
120‧‧‧控制器
130‧‧‧電流分配電路
151‧‧‧訊號傳輸線
152‧‧‧電源傳輸線

Claims (22)

  1. 一種集線器，透過USB傳輸線與位於外部環境的一電子設備及至少一行動裝置電性連接，上述USB傳輸線內部組成包括一訊號傳輸線與一電源傳輸線，該集線器包括：一第一連接端，適於透過上述USB傳輸線電性連接至該電子設備；至少一第二連接端，適於透過上述USB傳輸線電性連接至該行動裝置；一控制器，電性連接於該第一連接端與該第二連接端之間，該控制器適於讓電子設備與該行動裝置之間透過該訊號傳輸線進行相互資料傳輸；及一第一直流轉換器，該第一直流轉換器之一輸入端透過該電源傳輸線電性連接至該電子設備，該第一直流轉換器之一輸出端透過該電源傳輸線電性連接至該行動裝置，該第一直流轉換器是用於輸出穩定的電壓至該行動裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之集線器，還包括一電源轉換器與一第三連接端，該電源轉換器透過該第三連接端與位於外部環境的一交流電源電性連接，該電源轉換器包括：一交流/直流轉換器，其輸入端是透過該第三連接端電性連接至該交流電源；及一第二直流轉換器，其輸入端是電性連接至該交流/直流轉換器，而該第二直流轉換器的輸出端是電性連接至該行動裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之集線器，更包括一第四連接端，該第四連接端適於電性連接到位於外部環境的一電子設備或一直流電源，其中於該集線器內該第四連接端是電性連接到該交流/直流轉換器的輸出端且電性連接到該第二直流轉換器的輸入端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之集線器，更包括： 一第四連接端，適於電性連接到位於外部環境的一電子裝置或一直流電源；及一第二直流轉換器，其輸入端是電性連接至該第四連接端，而該第二直流轉換器的輸出端是電性連接至該行動裝置。
  5. 如申請專利範圍第2項或第4項所述之集線器，更包括一電流分配電路，其中該第一直流轉換器的輸出端與該第二直流轉換器的輸出端是電性連接至該電流分配電路，且該電流分配電路的輸出端電性連接到該行動裝置。
  6. 如申請專利範圍第2項或第4項所述之集線器，其中該第二直流轉換器具有定電流定電壓功能。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之集線器，還包括一電源控制器與一電流感測器，該電源控制器是與該第一直流轉換器電性連接，該電流感測器是電性連接於該第一直流轉換器與該電子設備之間，該電源控制器透過該電流感測器偵測該電子設備之一輸出電壓與一輸出電流；當該輸出電壓小於一電壓預設值，或該輸出電流大於一電流預設值，該電源控制器降低該第一直流轉換器的輸出電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之集線器，更包括一橋接控制器，該橋接控制器電性連接於該控制器，該橋接控制器適於進行不同信號格式間的轉換。
  9. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之集線器，其中該電子設備具有一USB接口，該USB接口電性連接至該第一連接端。
  10. 如申請專利範圍第2項至第4項任一項所述之集線器，更包括：一第一電流感測器，與該第二直流轉換器電性連接，適於感測該第二直流轉換器之輸出電壓與輸出電流；一第三直流轉換器，與該第一電流感測器電性連接； 至少一第四直流轉換器，與該第三直流轉換器電性連接，適於將該第三直流轉換器的輸出電壓轉換為該行動裝置所需的充電電壓；一儲能元件，電性連接於該第三直流轉換器與該第四直流轉換器之間；及一儲能元件控制電路，與該第二直流轉換器、該第一電流感測器、該第三直流轉換器、該儲能元件電性連接，該儲能元件控制電路具有一第一電流預設值與一第一電壓預設值；其中，當該第二直流轉換器的輸出電流小於該第一電流預設值且該第二直流轉換器的輸出電壓大於該第一電壓預設值時，該儲能元件控制電路設定該第三直流轉換器的輸出電壓大於該儲能元件的輸出電壓，從而使該第二直流轉換器對該行動裝置與該儲能元件充電；當該第二直流轉換器的輸出電流大於該第一電流預設值或該第二直流轉換器的輸出電壓小於該第一電壓預設值，該儲能元件控制電路設定該第三直流轉換器的輸出電壓降至該儲能元件的輸出電壓，由該第二直流轉換器與該儲能元件同時對該行動裝置充電。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之集線器，還包括一第二電流感測器與一第一開關元件，該第二電流感測器與該第一開關元件相互電性連接，該第二電流感測器分別電性連接至該儲能元件控制電路及該第三直流轉換器與該第四直流轉換器之間，該第一開關元件分別電性連接至該儲能元件控制電路與該儲能元件，該第二電流感測器適於感測該儲能元件的充電電流與放電電流；其中，當該儲能元件的充電電流或放電電流大於一第二電流預設值，或該儲能元件的充電電壓或放電電壓超出一第二電壓預設值時，則該第一開關元件呈現斷路。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之集線器，該電子設備是可被充電，該集線器更包括：。 一第五直流轉換器，電性連接至該交流/直流轉換器；一第二開關元件，電性連接於該電子設備與該第五直流轉換器間，且該第二開關元件也電性連接於該電子設備與該第一直流轉換器間；及 一控制電路，該控制電路的輸出端電性連接至該第五直流轉換器與該第二開關元件，而該控制電路的輸入端則是電性連接至該電子設備，以互相傳輸訊號；其中，該第五直流轉換器的輸出電壓可透過控制電路來調整，該控制電路控制該第二開關元件，以啟動或關閉該電子設備與該第五直流轉換器間的電性連接，及啟動或關閉該電子設備與該第一直流轉換器間的電性連接。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之集線器，其中當該第三連接端未電性連接至該交流電源，該第一連接端是電性連接至該電子設備，且該第四連接端也未電性連接至該電子裝置或該直流電源時，該控制電路控制該第二開關元件以關閉該電子設備與該第五直流轉換器間的電性連接，及啟動該電子設備與該第一直流轉換器間的電性連接。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之集線器，其中當該第三連接端電性連接至該交流電源，且第一連接端是電性連接至該電子設備時，該控制電路控制該第二開關元件以啟動該電子設備與該第五直流轉換器間的電性連接，及關閉該電子設備與該第一直流轉換器間的電性連接。
  15. 如申請專利範圍第12項或所述之集線器，其中當該第三連接端未電性連接至該交流電源，該第一連接端是電性連接至該電子設備，且該第四連接端是電性連接至該直流電源時，該控制電路控制該第二開關元件以啟動該電子設備與該第五直流轉換器間的電性連接，及關閉該電子設備與該第一直流轉換器間的電性連接。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之集線器，更包括：一第三開關元件，電性連接於該交流/直流轉換器與該第五直流轉換器間；及一第六直流轉換器，電性連接於該交流/直流轉換器與該第四連接端間；其中，該第六直流轉換器為升壓轉換器且還電性連接至該第二開關元件，該第二直流轉換器為降壓轉換器且還電性連接至該第二開關元件。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之集線器，其中該交流/直流轉換器還電性連接到該第二開關元件。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之集線器，其中該控制器適於發送一訊號至該行動裝置，使該行動裝置啟動快速充電模式。
  19. 一種集線器，與位於外部環境的一電子設備及至少一行動裝置電性連接，該集線器包括：一第一連接端，適於電性連接至該電子設備；至少一第二連接端，適於電性連接至該行動裝置；一控制器，電性連接於該第一連接端與該第二連接端之間，該控制器適於讓電子設備與該行動裝置之間進行相互資料傳輸；一第一電流感測器，電性連接至該第一連接端，該第一電流感測器適於感測該電子設備之輸出電壓與輸出電流；一第三直流轉換器，與該第一電流感測器電性連接；至少一第四直流轉換器，與該第三直流轉換器及該第二連接端電性連接，該第四直流轉換器適於將該第三直流轉換器的輸出電壓轉換為該行動裝置所需的充電電壓；一儲能元件，電性連接於該第三直流轉換器與該第四直流轉換器之間；及一儲能元件控制電路，與該電子設備、該第一電流感測器、該第三直流轉換器、該儲能元件電性連接，該儲能元件控制電路具有一第一電流預設值與一第一電壓預設值；其中，當該電子設備的輸出電流小於該第一電流預設值且該電子設備的輸出電壓大於該第一電壓預設值時，該儲能元件控制電路設定該第三直流轉換器的輸出電壓大於該儲能元件的輸出電壓，從而使該電子設備對該行動裝置與該儲能元件充電；當該電子設備的輸出電流大於該第一電流預設值或該電子設備的輸出電壓小於該第一電壓預設值，該儲能元件控制電路設定該第三直 流轉換器的輸出電壓降至該儲能元件的輸出電壓，由該電子設備與該儲能元件同時對該行動裝置充電。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之集線器，其中該控制器適於發送一訊號至該行動裝置，使該行動裝置啟動快速充電模式。
  21. 如申請專利範圍第18項或第20項所述之集線器，其中該行動裝置的快速充電模式為：對該行動裝置的充電電流高於500mA。
  22. 如申請專利範圍第1項或第19項所述之集線器，其中該第一連接端為USB 3.1 type C連接埠，且該電子設備透過USB PD之協定而具備可被充電與供電兩種模式。
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