TWI655528B - 充電系統及其電源適配器 - Google Patents

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Abstract

充電系統包括電源適配器、增強型通用序列匯流排（USB）連接線以及線性充電器。電源適配器包括雙向電壓分壓器。雙向電壓分壓器經由第一端接收參考電壓並且對參考電壓進行分壓以產生預設電壓準位，或經由第二端接收電流請求訊號。增強型USB連接線耦接至電源適配器以傳輸適配器的輸出電壓。線性充電器耦接至傳輸連接線以接收適配器的輸出電壓。其中電源適配器依據電流請求訊號以識別增強型USB連接線是否為相容連接線，並且辨識充電器是否為相容充電器。其中電源適配器依據線性充電器的電流請求訊號在選定之電流限制準位將其輸出電壓折回。

Description

充電系統及其電源適配器
本發明是有關於線性充電系統及其電源適配器。尤其是有關於用於改善充電效率的充電系統與電源適配器。
現今大多數手機使用線性充電系統，其包括了5.0V-1.0A電源、通用序列匯流排(universal serial bus,USB)連接線以及內部線性充電器(internal linear charger，ILC)。電源可以是USB數據連接埠或交流轉直流(AC/DC)適配器。ILC更包括功率金氧半場效電晶體(MOSFET)。藉由控制功率MOSFET的閘極-源極電壓，ILC可在充電流程的四個階段中調節充電電流或充電電壓。使用線性充電器的主要優點是電路簡單，電路實現成本低。此外，與開關模式充電器不同，線性充電器不需要任何電感器或變壓器部件。因此，線性充電器可以在單片積體電路(integrated circuit，IC)中被實現。事實上，2014年前的大部分手機都採用內置線性充電器，充電速度為1.0A。
然而，隨著4G網絡的到來，手機市場進入了智慧型手機 時代。隨著第一款使用安卓(Android)操作系統的智能手機的推出，以及蘋果公司推出的iPhone 4，這兩者都在2010年造成了廣泛的普及，並開始主宰手機市場。而在2008年至2016年期間，手機的平均電池容量從約900mAH提高到約3200mAH。雖然以前的標準5V-1A適配器可以在大約一個小時內將空的900mAH電池充電到90%的容量，但同一適配器則需要超過三個小時才能將空的3200mAH電池充滿電。
請參考圖1，圖1是繪示常規的充電系統的示意圖。充電系統100包括常規適配器110、標準通用序列匯流排(universal serial bus，USB)連接線120、充電控制器130以及電晶體(MOSFET)Q1。適配器110具有輸出端VO+以及VO-用以傳輸輸出電壓Vout。標準USB連接線包括電源線121、接地電位線122、第一數據傳輸線以及第二數據傳輸線。電源線和接地線的直流電阻分別約為0.25Ω。充電器系統100用以對耦接於電晶體Q1的電池BAT進行充電。也請同時參考圖2A與圖2B，圖2A與圖2B是繪示常規的充電器系統的操作波形圖。
圖2A中，常規適配器110為5V-1A的適配器並且用於向一顆1AH的電池充電。假設充電流程開始於電池電壓Vbat為3.0V，並且充電流程在時間點為0時進入固定電流CC階段。曲線213示出了在充電過程中，輸出電壓Vout在適配器110控制下維持於5.0V的固定準位。曲線214示出了電壓Vin被充電控制器130所接收。在固定電流CC階段(從時間點0到40分鐘)中，進入 電池BAT的充電電流Ich可被調節為0.9A。由於USB連接線120中的電源線121以及接地電位線122的總電源-迴授電阻Rcb為0.5(0.25+0.25)Ω，因此在固定電流CC階段的期間，在連接線電阻Rcb的電壓降等於0.45V。所以，曲線214所示出的電壓Vin在固定電流CC階段的期間為4.55V。另一方面，曲線215示出了電壓Vbat在固定電流CC階段的期間自3.0V逐漸上升到4.2V。在固定電流CC階段，電壓Vin以及電壓Vbat之間的差異被操作於線性模式中的電晶體Q1所吸收。因此，電晶體Q1的汲極-源極電壓Vds就等於Vds=Vout-Ich*Rcb-Vbat，其中Rcb為USB連接線120電源-迴授電阻，Ich是流經USB連接線120的電流。電晶體Q1的功率消耗Pd則是由Ich以及Vds的乘積，也就是Pd=Ich*Vds=Ich*(Vout-Ich*Rcb-Vbat)。
曲線216示出了充電電流Ich在固定電流CC階段中，始終維持於0.9A。曲線217示出了在固定電流CC階段開始，並且當電壓Vbat為3.0V以及電壓Vds為1.55V時，電晶體Q1的功率消耗為1.395W。固定電流CC階段結束，電壓Vbat到達4.2V而電壓Vds下降到0.35V。固定電流CC階段結束時，電晶體Q1的功率消耗下降到0.315W。
在電壓Vbat到達4.2V之後，充電流程進入了電壓Vbat被調節為4.2V固定準位的固定電壓CV階段。充電電流開始逐漸下降。然而，由於連接線電壓下降(=Ich*0.5Ω)幅度的降低，電壓Vds在固定電壓CV階段反而是上升的。在固定電壓CV階段 結束時，充電電流Ich下降到C/10或0.1A。此時充電控制器130結束充電流程。在固定電壓CV階段期間，電晶體Q1的功率消耗自0.315W下降到0.08W。
在圖2B中，適配器110為5V-3A的規格並且用以對一3AH電池BAT充電。充電流程開始於Vbat=3.0V。曲線223示出了輸出電壓Vout在適配器110控制下始終維持於5.0V的固定準位。曲線224示出了電壓Vin的軌跡。電壓Vin是為：Vin=Vout-Ich*0.5Ω。USB連接線120的連接線電壓損失等於3A*0.5Ω=1.5V。於是在固定電流CC階段的第一個20分鐘，電壓Vin被限制在3.5V。而如曲線225所示，當電壓Vbat增加到3.35V以上，輸出電壓Vout以及電壓Vin之間的電壓差異下降到低於1.5V，因此不足以支撐3A的充電電流。其結果如曲線226所示，電流Ich隨著電壓Vbat的電壓逐漸增加到4.2V而開始下降。
而在約60分鐘時，電壓Vbat到達4.2V，充電電流Ich下降到Ich=(Vout-Vin)/0.5Ω=0.65V/0.5Ω=1.3A。曲線227示出了在固定電流CC階段開始時電晶體Q1的功率消耗為最大值1.5W。而在第一個20分鐘時電晶體Q1的功率消耗下降到0.45W並且在固定電流CC階段結束時更下降到0.195W。但是在固定電流CC階段的第一個20分鐘時，USB連接線120所造成的熱損失(功率消耗)為0.5Ω*(3A)2=4.5W。4.5W的損耗可能導致USB連接線120上的明顯的溫度上升，造成使用者的顧慮。
再者，雖然適配器110與充電控制器130兩者都能夠以 在充電電流為3A的準位下勉強操作，但是高電阻(0.5Ω)的USB連接線120使得在固定電流CC階段的充電電流只有約2.2A，低於1C(即3A)的充電速率要求。
本發明提供電源適配器以及線性充電系統，電源適配器被設計用以將充電器內部的功率電晶體的熱損失降到最低。
本發明所提供的電源適配器包括電源轉換器以及回饋控制電路。電源轉換器接收輸入電壓，依據操作誤差電壓對輸入電壓執行電壓轉換以產生輸出電壓。回饋控制電路包括參考電流處理電路、電壓迴授電路以及電流迴授電路。參考電流處理電路接收電流請求訊號並且比較具有多個設定電壓的電流請求訊號以產生參考電流訊號。電壓迴授電路依據分壓輸出電壓以及第一參考電壓產生第一誤差電壓。電流迴授電路依據來自於電源轉換器的輸出電流訊號以及參考電流訊號產生第二誤差電壓。其中操作誤差電壓經由比較第一誤差電壓與第二誤差電壓，而以較低的電壓準位為準。
本發明提供一種充電系統，包括前述的電源適配器、增強型USB連接線以及充電器。電源適配器包括雙向電壓分壓器。雙向電壓分壓器經由第一輸入端接收第二參考電壓並且將第二參考電壓分壓以產生預設電壓準位，以及經由第二輸入端接收電流請求訊號以產生電流請求準位訊號。增強型USB連接線耦接至電 源適配器用以傳輸適配器的輸出電壓。充電器耦接至傳輸連接線以接收輸出電壓。其中，電源適配器偵測電流請求訊號的存在以辨識USB連接線是否為相容(即增強型)連接線，並且辨識充電器是否為相容充電器。
在本發明的一實施例中，上述的傳輸連接線是相容高電流的USB連接線，USB連接線的電源線以及接地電位線各具有較低的直流電阻值，約為0.05Ω。此外，相容高電流的USB連接線包括耦接於第一數據傳輸線與第二數據傳輸線之間的橋接電阻。
在本發明的一實施例中，上述的充電器包括多工器電路、比較電路、多重請求電壓、多重臨界電壓、以及控制邏輯電路。多工器電路耦接至第一數據傳輸線，並且依據控制訊號選擇多重請求電壓的其中之一以產生電流請求訊號。比較電路耦接至第二數據傳輸線以接收第二數據傳輸線上的預設電壓準位，並且將第二數據傳輸線上的預設電壓準位與多重臨界電壓比較以產生檢測訊號。控制邏輯電路耦接至比較電路以及多工器電路，依據檢測訊號產生選擇訊號。
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。
100‧‧‧充電系統
110‧‧‧適配器
120‧‧‧連接線
121‧‧‧電源線
122‧‧‧接地電位線
130‧‧‧充電控制器
Q1‧‧‧電晶體
Vout‧‧‧輸出電壓
VO+、VO-‧‧‧輸出端
BAT‧‧‧電池
Vbat‧‧‧電池電壓
Vin、Vds、Vcb‧‧‧電壓
Ich‧‧‧充電電流
Rcb‧‧‧電阻
Pd‧‧‧功率消耗
GND‧‧‧參考接地端
VBUS‧‧‧電壓端
213-217‧‧‧曲線
223-227‧‧‧曲線
CC‧‧‧固定電流階段
CV‧‧‧固定電壓階段
300‧‧‧充電系統
310、500‧‧‧電源適配器
311、510‧‧‧電源轉換器
312、530‧‧‧回饋控制電路
316、317、521、522、528、529、534、535‧‧‧電阻
318‧‧‧參考電流處理電路
319‧‧‧雙向電壓分壓器
320‧‧‧連接線
321‧‧‧電源線
322、323‧‧‧數據線
324‧‧‧接地電位線
330、600‧‧‧充電器
331、620‧‧‧控制邏輯電路
332、630‧‧‧多工器電路
334、335、336‧‧‧比較器
D1、D2、DA1、DA2、DB1、DB2、DS1‧‧‧數據接腳
VCC‧‧‧系統電壓
VFB‧‧‧回饋電壓
IFB‧‧‧輸出電流訊號
ISEN‧‧‧電流感測訊號
VER1、VER2‧‧‧誤差電壓
VLC、531‧‧‧電壓迴授電路
CLC、532‧‧‧電流迴授電路
VBG‧‧‧參考電壓
IREF‧‧‧參考電流訊號
VR‧‧‧參考電壓
IRQ、IRQA‧‧‧電流請求訊號
CP1、CP2、CP3‧‧‧比較器
VS1、VS2、VS3‧‧‧設定電壓
RA‧‧‧橋接電阻
LGC‧‧‧處理邏輯電路
VIN‧‧‧電壓
CS‧‧‧控制訊號
DS‧‧‧信號
VRQ1、VRQ2‧‧‧上拉電壓
VTH1、VTH2、VTH3‧‧‧臨界電壓
512‧‧‧光耦合器
523‧‧‧輸出電壓
524、527‧‧‧補償網路
525、526‧‧‧二極體
533‧‧‧電壓倍增器
536‧‧‧處理電路
537、538、539‧‧‧比較器
540‧‧‧參考電流處理電路
541‧‧‧接腳
SDP‧‧‧下行連接埠
Vop‧‧‧操作電壓準位
Rds-on‧‧‧電組
VCS‧‧‧感應電壓
Iout‧‧‧輸出電流
R528‧‧‧電阻值
601‧‧‧運算放大器
604‧‧‧及閘
605‧‧‧控制電晶體
614‧‧‧終止比較器
616‧‧‧過溫比較器
622‧‧‧電源識別電路
624-626‧‧‧比較器
VG1、VG2、VG3、VG4、VG5‧‧‧參考電壓
ISEN‧‧‧電流感測訊號
Q、Q1S‧‧‧電晶體
713-717‧‧‧曲線
723-727‧‧‧曲線
TP‧‧‧終止點
S801~S815‧‧‧步驟
S901~S906‧‧‧步驟
S1001~S1006‧‧‧步驟
圖1繪示常規的充電系統的示意圖。
圖2A與圖2B繪示常規的充電系統的操作波形圖。
圖3繪示依據本發明一實施例的充電系統的示意圖。
圖4A與圖4B分別繪示依據本發明一實施例的電源適配器的操作特徵圖。
圖5繪示依據本發明一實施例的電源適配器的示意圖。
圖6繪示依據本發明一實施例的充電器的示意圖。
圖7A與圖7B分別繪示依據本發明一實施例的充電系統的波形圖。
圖8繪示依據本發明一實施例的充電系統的操作流程圖。
圖9繪示依據本發明圖8實施例中的步驟S803的電源識別作業的操作流程圖。
圖10繪示依據本發明圖8實施例中，相容電源操作於步驟S804中的操作流程圖。
請參考圖3，圖3是繪示依據本發明一實施例的充電系統的示意圖。充電器系統300包括電源適配器310、傳輸聯接線320以及線性充電器330。電源適配器310包括電源轉換器311以及回饋控制電路312。電源轉換器311可以是返馳式轉換器。電源轉換器311接收輸入電壓，並且依據第一誤差電壓VER1執行輸入電壓的電壓轉換操作以產生輸出電壓，其中第一誤差電壓VER1是依據回饋電壓VFB而被產生。回饋控制電路312包括參考電流處 理電路318、電壓迴授電路VLC、電流迴授電路CLC以及雙向電壓分壓器319。在本實施例中，處理電路318接收電流請求訊號IRQA並且比較電流請求訊號IRQA與多個設定電壓VS1-VS3以產生參考電流訊號IREF。詳細來說明，處理電路318包括多個比較器CP1-CP3以及處理邏輯電路LGC。比較器CP1-CP3分別接收設定電壓VS1-VS3，並且共同接收電流請求訊號IRQA。藉由設定電壓VS1-VS3與電流請求訊號IRQA的分別比較，比較器CP1-CP3可產生多個比較結果。處理邏輯電路LGC接收來自於比較器CP1-CP3的比較結果並且依據比較結果產生參考電流訊號IREF。在本實施例中，電流請求訊號IRQA可透過數據接腳DA2被接收。
雙向電壓分壓器319具有第一端與第二端，雙向電壓分壓器319的第一端接收第二參考電壓VR，而雙向電壓分壓器319的第二端耦接至數據接腳DA2以接收電流請求訊號IRQA。雙向電壓分壓器319包括電阻316、317。在待機模式中，雙向電壓分壓器319只接收第二參考電壓VR並且利用電阻316、317以數據接腳DA2上產生預設電壓準位。此預設電壓準位用以標識電源適配器310的輸出電流量，例如中段功率(3.0A)或者是高功率(5.0A)。而在通訊模式中，雙向電壓分壓器319經由數據接腳DA2接收來自於相容充電器330的電流請求訊號IRQA。
電壓迴授電路VLC以及電流迴授電路CLC分別產生第一誤差訊號VER1以及第二誤差訊號VER2。因此，電流迴授電路CLC依據電流參考訊號IREF以及來自於電源轉換器311的輸出電 流訊號IFB以產生第二誤差訊號VER2。電壓迴授電路VLC依據回饋電壓VFB(輸出電壓的分壓電壓)以及第一參考電壓VBG以產生第一誤差訊號VER1。
在待機模式中，預設電壓準位(如0.5V是用於高功率適配器；0.3V是用於中段功率適配器)是由第二參考電壓VR(如1.0V是用於高功率適配器；0.6V是用於中段功率適配器)以及雙向電壓分壓器319所設定。然而，在通訊模式中，電流請求訊號IRQA的電壓可藉由傳輸連接線320以及充電器330而被調整。而且，傳輸連接線320具有電源線321、接地電位線324、第一數據線322以及第二數據線323。如果傳輸連接線320是相容於電源適配器310的增強型連接線，則其具有耦接於第一數據線322與第二數據線323之間的橋接電阻RA。也就是說，電流請求訊號IRQ可由數據接腳D1經由橋接電阻RA而被傳送到傳輸連接線320的數據接腳D2，其中數據接腳D2耦接至電源適配器310的數據接腳DA2。在通訊模式中，電流請求訊號IRQA可依據電流請求訊號源IRQ而被調整。
而另一方面，若傳輸連接線320不是相容於電源適配器310的增強型連接線，就不具有橋接電阻RA，電流請求訊號源IRQ則無法傳輸至數據接腳D2。因此，電流請求訊號IRQA僅僅是由雙向電壓分壓器319的參考電壓VR與電阻316、317所定出的預設電壓準位。
進一步地，如果充電器330是可用於電源適配器310的 相容充電器，充電器330則包括控制邏輯電路331、多工器電路332以及多個比較器334-336。控制邏輯電路331用以持續監控電池電壓、電壓Vin以及數據接腳DB2上的電壓。多工器電路332經由數據接腳DB1耦接至第一數據線322。多工器電路332接收由控制邏輯電路331所產生的控制訊號CS，並且決定數據接腳DB1連接到用於中段功率電池的第一上拉電壓VRQ1，或者是連接到用於高功率電池的第二上拉電壓VRQ2，或者是被浮接(即開路)，或者是連接到數據接腳DS1。因此，電流請求訊號IRQ的電壓值可等於上拉電壓VRQ1、VRQ2、浮接、或者是旁路到數據接腳DS1。
控制邏輯電路331接收信號DS並藉由檢查電壓VIN的準位確定位於4.5V與5.5V之間以判定合格的電源的存在。當進行電源的合格檢測時，控制邏輯電路331指示充電器330進入待機模式，並且指示多工器332與電流請求訊號IRQ浮接。在待機模式的期間，控制邏輯電路331使用三個比較器以檢查數據接腳DB2上，耦接於第二數據線323的預設電壓準位。如果電源(電源適配器310)是相容的適配器，數據接腳DB2上的電壓則為預設電壓準位(如0.5V對應於相容的高功率適配器；0.3V對應於相容的中段功率適配器)。三個臨界電壓VTH1-VTH3可被設定以確認相容適配器的存在。舉例來說明，VTH1=0.2V，VTH2=0.4V以及VTH3=0.6V。因此，如果數據接腳DB2上的電壓介於臨界電壓VTH1與VTH2之間，控制邏輯電路331則認定電源為相容 的中段功率適配器。如果數據接腳DB2上的電壓介於臨界電壓VTH2與VTH3之間，控制邏輯電路331則認定電源為相容的高功率適配器。在此二範圍之外，如果數據接腳DB2上的電壓高於臨界電壓VTH3或低於臨界電壓VTH1，則電源被認定為非相容的電源，這意味著電源是常規的5V-1A適配器或者是標準的下行連接埠(down-stream port，SDP)。在待機模式結束前，控制邏輯電路331傳送控制訊號CS到多工器電路332。對此，如果電源是相容於中段功率的適配器，控制訊號CS指示多工器332將數據接腳DB1連接到第一上拉電壓VRQ1。接著，如果傳輸連接線是具有橋接電阻RA的相容連接線，第一上拉電壓VRQ1經由第一數據線322被傳輸到數據接腳D1，並且在數據接腳D1處跨越至數據接腳D2。因此，電流請求訊號IRQA可被第一上拉電壓VRQ1調整。舉例來說明，如果電阻316、317的電阻值各為300kΩ，橋接電阻RA=150kΩ，參考電壓VR=0.6V以及第一上拉電壓VRQ1=1.2V，則電流請求訊號IRQA為0.75V。相容的中段功率適配器310的處理電路318則可判定電流請求訊號IRQA的準位落於設定電壓VS1(=0.65V)與設定電壓VS2(=1.0V)之間，並且設定參考電流IREF以到達中段功率充電速率(IREF=1.2V)。
如果電源為相容的高功率適配器，當充電系統300選擇高功率充電速率時，控制訊號CS則指示多工器332將數據接腳DB1連接到第二上拉電壓VRQ2(IREF=2.0V)。在這種情況下，電流請求訊號IRQA的電壓值可被第二上拉電壓VRQ2調整至 1.25V。然後相容高功率適配器310的處理電路318可判定電流請求訊號IRQA的電壓值是介於設定電壓VS2(=1.0V)與VS3(=1.5V)之間，並且設定參考電流IREF以到達高功率充電速率(IREF=2.0V)。而如果充電器系統選擇於中段功率充電速率，控制訊號CS則指示多工器332將數據接腳DB1連接到第一上拉電壓VRQ1(1.2V)。在這種情況下，電流請求訊號IRQA的電壓值可被第一上拉電壓VRQ1調整至0.85V。參考電流IREF仍然被設定為中段功率充電速率(IREF=1.2V)。
不過，如果傳輸連接線並不是相容的連接線，則其不具有橋接電阻RA。因此，第一上拉電壓VRQ1或第二上拉電壓VRQ2不會被耦接到數據接腳DA2，因此電流請求訊號IRQA的電壓值會維持在預設電壓準位(如0.3V是對應於中段功率適配器，或0.5V是對應於高功率適配器)，相容適配器的處理電路318會將參考電流IREF設定在標準的充電速率(IREF=0.4V)。
請參考圖4A與圖4B，圖4A與圖4B分別繪示依據本發明一實施例的電源適配器的操作特性。在圖4A中，電源適配器可具有兩個可供選擇的電流限制準位，1.0A(標準充電速率)以及3.0A(中段功率充電速率)。電源適配器檢測到0.75V準位的電流請求訊號IRQA(更具體地，是在0.65V和1.0V之間)，電源適配器的輸出電壓Vout可以在負載電流0.0A至3.0A的範圍內調節在4.7V與4.65V之間。但是如果負載電流的需求試圖超過3.0A，則輸出電壓Vout自4.65V下降(即折回)到操作電壓準位Vop。 此時操作電壓準位Vop=Vbat+3.0A*(Rcb+Rds-on)，其中Vbat為電池電壓，Rcb為傳輸連接線電源迴授直流電阻值。而Rds-on是當充電器在完全開啟的情況下，電晶體Q1的導通電阻值。
但是，如果電源適配器檢測到電流請求訊號IRQA小於0.65V，則在負載電流需求試圖超過1.0A時，輸出電壓會被迫折回。
同樣地，在圖4B中，電源適配器的輸出電壓折回點發生在有三個可選擇的電流限制準位：1.0A、3.0A以及5.0A(高功率的充電速率)。當電源適配器檢測到1.25V準位的電流請求訊號IRQA(更具體地，是在1.0V和1.5V之間)，電源適配器的輸出電壓Vout可以在負載電流0.0A至5.0A的範圍內調節在5.0V與4.95V之間。但是如果負載電流需求試圖超過5.0A，則輸出電壓Vout將自4.95V往下折回到操作電壓準位Vop，此時操作電壓準位Vop=Vbat+5.0A*(Rcb+Rds-on)。
而如果電源適配器檢測到0.85V準位的電流請求訊號IRQA，則電源適配器的輸出電壓會在3.0A的電流限制準位下被折回。但是，如果電源適配器檢測到電流請求訊號IRQA是低於0.65V，則電源適配器的輸出電壓在1.0A的電流限制準位下被迫折回。
請參考圖5，圖5是繪示依據本發明一實施例的電源適配器的示意圖。電源適配器500包括電源轉換器510以及回饋控制電路530。電源轉換器510是返馳式(flyback)轉換器並且可由本 領域技術人員所習知的常規返馳式轉換器來實現。回饋控制電路530包括電壓-迴授電路531(由運算放大器所形成)、電流-迴授電路532(由另一個運算放大器所形成)、電流感測電阻528(20mΩ)、電壓補償網路524、電流補償網路527、以及電壓倍增器533。電壓倍增器533將跨越於電流感測電阻528上的電流感測訊號ISEN的電壓值乘以N倍(如N=20)。回饋控制電路530也包括處理電路536以及DA2接腳541。處理電路536包括三個比較器537、538、539以及參考電流處理電路540。DA2接腳541用以接收電流請求訊號IRQA，其中電流請求訊號IRQA具有藉由0.6V參考電壓VR以及電阻534、535所形成的電壓分壓電路所設定的0.3V預設值以用於標示中段功率適配器。比較器539識別出0.3V準位的電流請求訊號IRQA以通知處理邏輯電路540，以產生0.4V的參考電流訊號IREF。在這種情況下，若數據接腳DB1是開路的或者傳輸連接線所提供的橋接電阻529不存在(如在連接於不相容的USB連接線的情況下)，電源適配器將輸出常規的5V，1A。
如果相容充電器將1.2V的電流請求訊號源IRQ耦接到數據接腳D1，並且傳輸連接線耦接至電源適配器500是相容的(0.1Ω的電源-迴授電阻值並且具有橋接電阻RA)，則數據接腳DA2上的電流請求訊號IRQA的電壓值會被平移到0.75V。比較器538、539會識別出0.75V準位的電流請求訊號IRQA，並且通知處理邏輯電路540產生1.2V的參考電流訊號IREF。因此，電源適配器500將在3.0A的電流限制下運作。註，3.0A*20mΩ*20= 1.2V。
在此值得一提的是，分壓器電阻對(電阻521、522)所形成的電壓分壓電路用以感測輸出電壓523並且將輸出電壓523耦接至電壓迴授電路531的反向輸入接腳。電壓迴授電路531的另一隻輸入接腳接收第一參考電壓VBG(如2.0V)。補償網路524提供電壓迴授電路適當的回饋補償以實現穩定性和快速響應速度。類似地，電流感測電路包括電流感測電阻528以感測輸出電流Iout。感應電壓VCS=Iout*R528=Iout*20mΩ，其中R528是電流感測電阻528的電阻值。電流感測電路更包括電壓倍增器533。感應電壓VCS藉由電壓倍增器533予以放大20倍。補償網路527提供電流迴授電路適當的回饋補償。同樣地，類似的二次側的回饋控制電路530可被小幅調整以實現高功率(如5.0A)的相容適配器。
此外，比較器537是用以辨別高功率(如5.0A)的電流限制請求。如果電源適配器500外接至5.0A的高功率相容充電器，則高功率相容充電器可將2.0V電流請求訊號源IRQ耦接至數據接腳D1。因此，數據接腳DA2上的電流請求訊號IRQA的電壓值會被平移到1.25V準位。比較器537、538辨別此1.25V的電壓準位，並且通知參考電流處理電路540產生2.0V的參考電流訊號IREF訊號。所以，相容於高功率的適配器會在5.0A的電流限制下運作。對於任何非相容充電器或者是非相容的傳輸連接線(沒有需要的橋接電阻)，此高功率的適配器則在1.0A的電流限制準 位下運作。而對應於相容的3A充電器，其電流請求訊號源IRQ是為1.2V時，此高功率的適配器則提供不高於3.0A的輸出電流。
此外電壓迴授電路531與電流迴授電路532分別產生第一與第二誤差電壓VER1、VER2。第一與第二誤差電壓VER1、VER2分別進一步耦接至二極體525、526的陰極。二極體525、526的陽極共同耦接至光耦合器512，用以將第一與第二誤差電壓其中較低者耦合至電源轉換器510的一次側。
在本實施例中，電阻534、535及跨接電阻529形成雙向電壓分壓器，其功能與圖3中的雙向電壓分壓器319以及橋接電阻RA的功能相同。
請參考圖6，圖6是繪示依據本發明一實施例的充電器的示意圖。在本實施例中，相似於常規內部線性充電器，充電器600包括預充電運算放大器(OPA)601以及終端比較器614，兩者都耦接至0.3V的參考電壓VG1、分別對應於0.3A的預充電電流，以及0.3A的終止臨界。預充電運算放大器(OPA)601以及終止比較器614兩者皆參考於電流感測訊號ISEN。此外，過溫比較器616配置於充電器600內。過溫比較器616接收溫度感測訊號TSEN，在充電器600充電過程中若功率損失太多而造成溫度過高狀況時(例如TSEN>150℃)，將促使充電器切斷。
在此值得一提的是，對於本實施例的充電器600而言，當相容適配器存在時，會將固定電流CC階段中的固定電流調節(3A或5A)交付到相容適配器(例如電源適配器500)執行。更 確切而言，當充電器600的電源識別電路622偵測到相容適配器的存在時，充電器600可經由多工器電路630以及相容傳輸連接線(增強型USB連接線)將電流請求訊號源IRQ發送到相容適配器以請求適當的電流限制準位。在固定電流CC階段的期間，控制邏輯電路620透過控制電晶體605將主電晶體Q1驅動至完全導通狀態(即飽和狀態)，以迫使相容適配器在所請求的電流限制準位上將其本身的輸出電壓Vout往下折回。
應注意的是，及閘604是用以在如果過溫保護(over temperature protection，OTP)被關閉或是充電器600處於待機模式的狀況下，避免控制電晶體605將電晶體Q1導通。也應注意的是，在圖6中，電晶體Q1S是耦接至電晶體Q1的電流鏡元件。在圖6的實施例中，電流鏡的比例是為1000：1。
另一方面，當比較器606、607檢測合格的電源的存在(Vin在4.5V與5.5V之間)之後，控制邏輯電路620隨即進入待機模式，並且多工器630的數據接腳DB1上的電壓變成浮接。然後控制邏輯電路使用三個比較器624-626來檢查數據接腳DB2上的電壓。如果數據接腳DB2上的電壓下降到0.2V與0.4V之間，則電源被判定為相容於中段功率的適配器。如果數據接腳DB2上的電壓下降到0.4V與0.6V之間，則電源被判定為相容於高功率的適配器。此外，如果數據接腳DB2上的電壓高於0.6V或者低於0.2V，則電源被判定為標準的下行連接埠(Standard Down-stream Port，SDP)或者是非相容適配器。因此在外接定規適配器的固定 電流CC階段，充電器600係藉由預充電運算放大器(OPA)602以及參考電壓VG2將充電電流調節在0.9A的準位。請注意比較器624-626分別比較數據接腳DB2上的電壓與臨界電壓VTH1、VTH2以及VTH3；臨界電壓VTH1、VTH2以及VTH3可分別為0.2V、0.4V以及0.6V。
此外，控制邏輯電路620與多工器電路630共同作業，經由耦接至傳輸連接線的數據接腳D1的數據接腳DB1，將電流請求訊號源IRQ傳送到相容適配器。
多工器電路630由控制邏輯電路620的控制訊號CS所控制。對於相容於中段功率的適配器，多工器電路630將1.2V的請求電壓VRQ1耦接到數據接腳DB1。對於相容於高功率的適配器，多工器電路630將2.0V的請求電壓VRQ1耦接到數據接腳DB1。此外，當沒有電源的存在時，或者是當電源是非相容適配器或SDP時，多工器電路630將數據接腳DB1耦接到數據接腳DS1，數據接腳DS1即是具有充電器600的電子裝置的正規USB數據接腳D+。
請參考圖7A與圖7B，圖7A與圖7B分別繪示依據圖6實施例的充電系統的波形圖。在圖7A中，充電系統的波形是利用4.65V-3.0A的相容適配器配合3.0A的相容充電器對3.0AH電池進行充電所繪示。在固定電流CC階段，主電晶體Q1完全導通，呈現出Rds-on約為0.05Ω的電阻值。因此跨越於主電晶體Q1的電壓降Vds為3A*0.05Ω=0.15V。同樣地，在固定電流CC階段， 充電系統的0.1Ω相容傳輸連接線上的電壓降Vcb為0.3V。因此在固定電流CC階段，如曲線715所示，電壓Vbat由3.0V逐漸上升到4.2V。而電壓Vin的電壓值(如曲線714所示)則保持高於電壓Vbat 0.15V的電壓差。如曲線713所示的輸出電壓Vout的電壓值是藉由4.65V-3.0A的相容適配器所產生。因為充電系統的充電器600試圖藉由完全開啟主電晶體Q1以盡可能取得充電電流，電源適配器被迫在3.0A的電流限制準位上操作。因此，在固定電流CC階段，電源適配器的輸出電壓Vout被迫折回到Vbat+3A*(Rcb+Rds-on)=Vbat+0.45V。圖7A也包括流經傳輸連接線的充電電流Ich的曲線716。
曲線717示出了電晶體Q1的功率消耗在固定電流CC階段的期間維持在固定的0.45W準位。而在固定電壓CV階段，充電電流逐漸下降，主電晶體Q1的功率消耗自0.45W逐漸下降到0.18W。然而應注意的是，相容USB連接線上的功率消耗在固定電流CC階段是維持於固定的0.9W準位。進一步而言，在固定電流CC階段(當電壓Vbat=3.0V)開始時充電器的功率效率為86.9%。而在固定電壓CV階段(當電壓Vbat=4.2V)開始時可提高到90.3%。因此在固定電流CC階段的平均效率為88.6%，相較於常規的1.0A線性充電器72%的平均效率具有大幅度的改進。
在圖7B中，充電系統的波形是利用4.95V-5.0A相容適配器搭配5.0A的相容充電器對5.0AH電池進行充電所繪示。電壓Vbat的電壓值如曲線725所示，在固定電流CC階段由3.0V逐漸 增加到4.2V。由於傳輸連接線上電壓降與電晶體Q1的電壓降Vds的總合為0.75V，電壓Vout在固定電流CC階段由3.75V逐漸增加到4.95V，如曲線723所示。充電電流Ich在固定電流CC階段可維持於5A的準位。進入固定電壓CV階段之後，充電電流Ich的電流值開始逐漸下降。曲線727示出了電晶體Q1的功率消耗在固定電流CC階段維持於固定的1.25W準位。在固定電壓CV階段中，主電晶體Q1的功率消耗由1.25W逐漸下降到位於終止點TP時的0.3W。
在此值得一提的是，5A充電系統的傳輸連接線的功率消耗在固定電流CC階段的期間維持於2.5W。而在固定電流CC階段開始時功率效率為80%，在固定電壓CV階段開始時可提高到84.8%。在固定電流CC階段的平均效率為82.4%，仍然高於常規的1.0A線性充電器72%的平均效率。而更重要地，在此5.0A相容充電系統中以5A快充時，主電晶體Q1的最高功率消耗僅有1.25W，還低於常規的1.0A線性充電器以1A充電時的1.395W功率消耗。曲線724示出了在此充電系統中使用如圖3的傳輸連接線320，其電壓端VBUS的電壓變化。
圖8是繪示依據本發明一實施例的充電系統的操作流程圖。一開始在步驟S801中，行動電話充電系統處於數據模式。在此模式期間，電池負責將儲存於其中的電力供應至系統負載。主開關Q1關閉，並且多工器將數據接腳DB1耦接到接腳DS1。充電器(如內部線性充電器ICL)持續監控合格電源是否出現，如 步驟S802所示。如果出現輸出電壓介於4.5V至5.5V之間的外部電源Vin，則在步驟S803中，充電器進入待機模式，並且執行電源識別程序，其中識別程序將電源識別並標記為SDP(代表是常規的標準下行連接埠或者是非相容適配器)、中準位(如3Amp)的相容電源(CPS)或者是高準位(如5Amp)的相容電源。當CPS出現時，ICL藉由數據接腳DB1連接到上拉電壓VRQ1或VRQ2以設定電流請求訊號源IRQ的電壓值。
接下來在步驟S804中，其電源如果是CPS，則CPS檢查電流請求訊號IRQA的電壓是否已經被上拉到耦接至上拉電壓VRQ1或VRQ2的電流請求訊號源IRQ的電壓。如果是，則CPS依據調整後的電流請求訊號IRQA的電壓值，設定其電流限制的準位。步驟S805中，充電器藉由進入預充電模式以開始充電流程，其中充電電流由充電器調節在C/10的充電速率。在預充電模式的期間，充電器在步驟S806中持續檢查電壓Vbat的電壓值是否已上升到3.0V準位以上。一旦電壓Vbat的電壓值超過3.0V，充電器依據電源類型以及所請求的充電電流限制，而進入不同的固定電流CC模式。對於SDP，充電器進入步驟S808，充電電流在固定電流CC模式中係由ICL的控制電路調節在0.9A。對於CPS，ICL的控制電路則將主電晶體Q1引進完全導通狀態，以允許CPS主導固定電流CC模式，將充電電流調節在請求電流所要求的限制準位(如1A、3A或5A)，如步驟S810所示。在固定電流CC模式，ICL在步驟S809或步驟S811中持續檢查電壓Vbat的電壓值。 一旦電壓Vbat的電壓值超過固定電壓CV模式的臨界準位(如4.2V)，ICL即退出固定電流CC模式並且進入固定電壓CV模式如步驟S812所示。在固定電壓CV模式的期間，ICL在步驟S813中持續檢查充電電流是否下降到低於C/10準位。一旦充電電流下降到低於C/10準位，ICL在步驟S814中進入終止階段。在步驟S815中，終止階段期間，ICL持續檢查電壓Vbat的電壓值是否已下降到低於再充電準位(如4.1V)。一旦在終止模式中，電壓Vbat的電壓值下降到低於再充電準位，ICL則回到步驟S807，對電池再次充電。
請參考圖9，圖9繪示依據本發明圖8實施例中的步驟S803的電源識別作業的操作流程圖。一開始在步驟S901中，ICL進入待機模式，其中數據接腳DB1上的電壓為浮接(即開路狀態)。接著ICL在步驟S902、S903中檢查數據接腳DB2上的電壓。如果數據接腳DB2上的電壓值是介於臨界電壓VTH3(如0.6V)與VTH2(如0.4V)之間，則電源被識別並且被標記為高準位(如5A)的相容電源。接著ICL將數據接腳DB1耦接到上拉電壓VRQ2(如2.0V)如步驟S905所示。而如果數據接腳DB2上的電壓值是介於臨界電壓VTH2(0.4V)與VTH1(0.2V)之間，則電源被識別並且被標記為中準位(如3A)的相容電源。接著ICL將數據接腳DB1耦接到上拉電壓VRQ1(如1.2V)如步驟S906所示。此外，如果數據接腳DB2上的電壓值高於臨界電壓VTH3或者是低於臨界電壓VTH1，則電源被識別並且被標記為SDP。接著ICL 將數據接腳DB1耦接到接腳DS1如步驟S904所示。隨後，步驟S904、S905以及S906都繼續進入步驟S804。
請參考圖10，圖10繪示依據本發明圖8實施例中，相容電源CPS操作於步驟S804中的操作流程圖。在步驟S1001中，CPS檢查數據接腳DA2上的電流請求訊號IRQA的電壓準位。如果在步驟S1002中，電流請求訊號IRQA的電壓值被偵測出介於VS2(如1.0V)與VS3(如1.5V)之間，CPS則判定出ICL正在請求高準位或5A的電流限制。接著CPS將參考電流訊號IREF設定為2.0V，對應於步驟S1005中的5.0A電流限制。如果在步驟S1003中，電流請求訊號IRQA電壓的電壓值被發現介於VS1(如0.65V)與VS2(如1.0V)之間，CPS則判定ICL正在請求中準位或3A的電流限制。接著CPS將參考電流訊號IREF設定為1.2V，對應於步驟S1006中的3.0A電流限制。此外，如果電流請求訊號IRQA的電壓值落於設定電壓VS1至VS3的範圍之外，CPS將此狀況視為非相容ICL的狀況(無法發送電流請求訊號源IRQ)或者是視為非相容USB連接線(沒有橋接電阻)，並且將參考電流訊號IREF的電壓值設定為0.4V，對應於步驟S1004中的1.0A電流限制。隨後步驟S1004、S1005以及S1006都繼續進入步驟S805。
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依據後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (13)

  1. 一種電源適配器，具有多數個電流限制準位，包括：一電源轉換器，接收一輸入電壓，依據一操作誤差電壓對該輸入電壓執行電壓轉換以產生一輸出電壓；以及一回饋控制電路，耦接至電源轉換器，包括：一參考電流處理電路，具有多數個設定電壓，接收一電流請求訊號並與該多數個設定電壓比較以產生一參考電流訊號；一電壓迴授電路，依據該輸出電壓之分壓以及一第一參考電壓產生一第一誤差電壓；以及一電流迴授電路，依據來自於電源轉換器的一輸出電流訊號以及該參考電流訊號產生一第二誤差電壓，其中，該操作誤差電壓經由比較該第一誤差電壓與該第二誤差電壓，取兩者中較低的電壓準位為準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源適配器，其中該參考電流訊號選擇該多數個電流限制準位的其中之一。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電源適配器，其中如果該電源適配器的該輸出電流上升到達該選定電流限制準位時，該電源適配器的該輸出電壓會往下折回。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電源適配器，其中該參考電流處理電路包括：一數據接腳；多數個比較器，分別接收該多數個設定電壓，並且共同接收該電流請求訊號，分別產生多數個比較結果；以及一電流請求處理電路，耦接至該多數個比較器，運算該多數個比較結果以產生該參考電流訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電源適配器，其中該參考電流處理電路耦接至該數據接腳以接收電流請求訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電源適配器，其中該電流迴授電路包括：一電流感測電路，感測該電源適配器的輸出電流，並且提供一輸出電流訊號；一第一運算放大器，具有一第一輸入端耦接至該電流感測電路以接收該輸出電流訊號，一第二輸入端用以接收該參考電流訊號，以及一輸出端用以產生該第二誤差電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電源適配器，其中該電壓迴授電路包括：一輸出電壓分壓器，該輸出電壓分壓器的第一端耦接至該電源適配器的正輸出端，該輸出電壓分壓器的第二端耦接至參考接地電位，該輸出電壓分壓器的第三端用以產生該輸出電壓之分壓；一第二運算放大器，該第二運算放大器的第一輸入端耦接至該輸出電壓分壓器的第三端以接收該輸出電壓之分壓，該第二運算放大器的第二輸入端用以接收該第一參考電壓，該第二運算放大器的輸出端用以產生該第一誤差電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電源適配器，其中該電流感測電路更包括：一電流感測電阻，該電流感測電阻的第一端耦接至該電源適配器的負輸出端，該電流感測電阻的第二端耦接至參考接地電位；以及一電壓倍增器，該電壓倍增器的第一輸入端耦接至該電流感測電阻的該第一端，該電壓倍增器的第二輸入端耦接至參考接地電位，該電壓倍增器的輸出端用以產生該輸出電流訊號。
  9. 一種充電系統，包括：一如申請專利範圍第3項所述的電源適配器，更包括：一雙向電壓分壓器，經由該雙向電壓分壓器的第一輸入端接收一第二參考電壓並且將該第二參考電壓分壓以產生一預設電壓準位，以及經由該雙向電壓分壓器的第二輸入端接收該電流請求訊號以產生一電流請求訊號準位；一增強型通用序列匯流排連接線，耦接至該電源適配器用以傳輸該適配器的輸出電壓；以及一充電器，具有一輸入電壓接腳、一接地電位接腳、一第一數據接腳以及一第二數據接腳，其中該輸入電壓接腳以及該接地電位接腳耦接至該增強型通用序列匯流排連接線以接收該適配器的輸出電壓；其中該第一數據接腳耦接至該增強型通用序列匯流排連接線以傳輸一電流請求訊號，該第二數據接腳用以接收該預設電壓準位，其中該電源適配器依據該電流請求訊號的存在以辨別該增強型通用序列匯流排連接線是否為一相容連接線，並且辨別該充電器是否為一相容充電器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的充電系統，其中該電源適配器依據該充電電流請求訊號在一選定電流限制準位將該輸出電壓往下折回。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的充電系統，其中該增強型通用序列匯流排連接線包括：一低阻抗電源線，經配置以傳輸該適配器的輸出電壓並且將該充電電流承載至充電器；一低阻抗接地電位線，經配置以承載返回的該充電電流；一第一數據傳輸線，該第一數據傳輸線的第一端耦接至該充電器該第一數據接腳和一第二端；以及一第二數據傳輸線，該第二數據傳輸線的第一端耦接至該充電器該第二數據接腳，該第二數據傳輸線的第二端耦接至該適配器數據接腳。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的充電系統，其中該增強型通用序列匯流排連接線更包括：一橋接電阻，耦接於該第一數據傳輸線的該第二端與該第二數據傳輸線的該第二端之間。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的充電系統，其中該充電器更包括：一多工器電路，具有多數個請求電壓，耦接至該第一數據接腳，並且依據一選擇訊號選擇該多數個請求電壓的其中之一以產生電流請求訊號；一比較電路，耦接至該第二數據接腳，接收該第二數據接腳上的該預設電壓準位，並且比較該預設電壓準位與多數個臨界電壓，以產生一檢測訊號；以及一控制邏輯電路，耦接至該比較電路以及該多工器電路，依據該檢測訊號產生該選擇訊號。
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