TWI772936B - 具限功率源能力之電源適配器及其控制方法 - Google Patents

具限功率源能力之電源適配器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一種具限功率源能力之電源適配器包含電源路徑、電流偵測電阻、控制單元以及保護開關。電源路徑耦接於變壓器與電源適配器的輸出側之間。電流偵測電阻耦接電源路徑。控制單元耦接電流偵測電阻。保護開關耦接電源路徑。控制單元判斷電流偵測電阻的偵測電壓小於第一閾值且控制單元的準位訊號電壓大於第二閾值時，控制保護開關不導通。

Description

具限功率源能力之電源適配器及其控制方法
本發明係有關一種電源適配器及其控制方法，尤指一種具限功率源能力之電源適配器及其控制方法。
在資訊科技設備安全標準IEC/EN/UL 60950-1-2中，針對電源供應器、電源適配器等電源類產品有制定限功率源(limited power source,LPS)的相關規範。在此安規標準裡，資訊科技類設備必須具備防火外殼；然而，若設備的主要迴路是由LPS電源供應電力時，表示迴路中的電壓、電流及能量均能符合UL 60950-1-2 Table 2B標準中的規定值以下，如此當危害發生時，設備便不需要具備高防火等級的外殼(fire enclosure)等，來做為降低危害的對策，也就是說可以使用UL94所規定HB燃燒等級的外殼材質。HB等級的外殼材質，除了價格低外，還具備較佳的物理特性，也同時容易符合環保的要求。此外，這樣的要求(規範)也適用具有通用序列匯流排電力傳輸(USB power delivery,USB PD)功能的電源適配器。
電源適配器要達到LPS標準的要求，可以有兩種方式，一種為固有型限功率源(inherently limited power source)，另一為非固有型限功率源(non-inherently limited power source)。簡而言之，若要符合LPS標準的要求，屬於固有型限功率源的電源供應器，其輸出不得大於8A/100VA；若屬於非固有型限功率源，其限電流保護裝置(例如，fuse)的電流規格應不大於5A。如果不在輸出端使 用限電流保護裝置，其輸出電壓小於30V的系統，輸出電流在進行單一故障(single fault)測試時，若輸出電壓為20V，則輸出電流不可超過5A，且總輸出功率不可超過100VA。超過前述電流或功率限制的話，就需要啟動保護機制，可以是限流、也可以是關機，通常是做栓鎖(latch off)或自動恢復(auto recovery)，而且總輸出功率也不可以超過100VA。
然而，隨著消費性電子產品的發展與電源功率需求的增加，對具有較大輸出功率能力(如90~96W)的電源適配器而言，其正常輸出電流或輸出功率的額定值可能與LPS標準所規定的限制值(8A or 100VA)非常接近，若欲符合LPS標準的輸出功率限制規範，且為了降低成本而不於輸出側加裝限電流保護裝置，則可能遭遇過電流(OCP)或過功率(OPP)保護點過於接近額定輸出、難以設計，或量產時因使用元件本身的誤差而造成產品的保護點不一，進而使得某些產品的保護可能容易誤觸發的品質問題。因此，此類具有較大輸出功率的電源適配器一般較難符合LPS標準的規範並取得認證。
為此，如何設計出一種具限功率源能力之電源適配器及其控制方法，透過獲得與電源適配器的輸出功率(輸出負載)有關的節點電壓作為判斷與控制，以簡化電路設計，並且可實現具較大輸出功率的電源適配器輸出功率的精準限制與保護，以符合標準的規範，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之目的在於提供一種具限功率源能力之電源適配器，解決現有技術之問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的具限功率源能力之電源適配器包含電源路徑、電流偵測電阻、控制單元以及保護開關。電源路徑耦接於變壓器與電源適配器的輸出側之間。電流偵測電阻耦接電源路徑。控制單元耦接電流偵測電阻。保護開關耦接電源路徑。控制單元判斷電流偵測電阻的偵測電壓小於第一閾值且控制單元的準位訊號電壓大於第二閾值時，控制單元控制保護開關不導通。
在一實施例中，控制單元判斷偵測電壓小於第一閾值且準位訊號電壓大於第二閾值持續超過閾值時間時，控制單元控制保護開關不導通。
在一實施例中，偵測電壓等於0伏特且準位訊號電壓大於第二閾值時，控制單元控制保護開關不導通。
在一實施例中，具限功率源能力之電源適配器更包含同步整流電路。同步整流電路耦接變壓器與保護開關。準位訊號電壓為同步整流電路的節點電壓。
在一實施例中，同步整流電路包含整流控制單元、開關以及電容。整流控制單元耦接變壓器的次級側的第一端與保護開關。開關耦接第一端、整流控制單元以及保護開關或者耦接次級側的第二端與整流控制單元。電容耦接第一端與整流控制單元。
在一實施例中，準位訊號電壓為電容與第一端共接的節點電壓。
在一實施例中，準位訊號電壓為電容與整流控制單元共接的節點電壓。
在一實施例中，第二閾值為1.1伏特。
在一實施例中，閾值時間為500毫秒。
在一實施例中，電源適配器具有電力傳輸功能。
藉由所提出的具限功率源能力之電源適配器，透過獲得與電源適配器的輸出功率(輸出負載)有關的節點電壓作為判斷與控制，可簡化電路設計，並且可實現具較大輸出功率、接近法規限制的電源適配器輸出功率的精準限制與保護，以符合LPS標準的規範。
本發明之另一目的在於提供一種具限功率源能力之電源適配器的控制方法，解決現有技術之問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的具限功率源能力之電源適配器的控制方法，電源適配器的輸出側與變壓器之間提供電源路徑，電源適配器包含耦接於電源路徑的電流偵測電阻、控制單元以及保護開關，控制方法包含：在有載正常操作下，比較電流偵測電阻的偵測電壓與第一閾值；比較控制單元的準位訊號電壓與第二閾值；以及當偵測電壓小於第一閾值且準位訊號電壓大於第二閾值時，控制保護開關不導通。
在一實施例中，在控制保護開關不導通之前更包含：判斷偵測電壓小於第一閾值且準位訊號電壓大於第二閾值是否持續超過閾值時間；以及若持續超過閾值時間時，控制保護開關不導通。
在一實施例中，偵測電壓等於0伏特且準位訊號電壓大於第二閾值時，控制保護開關不導通。
在一實施例中，第二閾值為1.1伏特。
在一實施例中，閾值時間為500毫秒。
藉由所提出的具限功率源能力之電源適配器的控制方法，透過獲得與電源適配器的輸出功率(輸出負載)有關的節點電壓作為判斷與控制，可簡化電路設計，並且可實現具較大輸出功率、接近法規限制的電源適配器輸出功率的精準限制與保護，以符合LPS標準的規範。
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，相信本發明之目的、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。
PO:電源路徑
RCS:電流偵測電阻
CONPD:控制單元
QR:保護開關
TR:變壓器
SR:同步整流電路
So:輸出側
10:調整電路
CONSR:整流控制單元
QSR:開關
CSR:電容
P1:第一節點
P2:第二節點
VRCS:偵測電壓
VIC1:準位訊號電壓
VTH1:第一閾值
VTH2:第二閾值
TTH:閾值時間
S11~S15:步驟
圖1：係為本發明具限功率源能力之電源適配器的電路方塊圖。
圖2：係為本發明具限功率源能力之電源適配器其中一種實施例的電路圖。
圖3：係為本發明具限功率源能力之電源適配器的控制方法之第一實施例的流程圖。
圖4：係為本發明具限功率源能力之電源適配器的控制方法之第二實施例的流程圖。
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，其係為本發明具限功率源能力之電源適配器的電路方塊圖。所述具限功率源能力之電源適配器包含電源路徑PO、電流偵測電阻RCS、控制單元CONPD以及保護開關QP。電源路徑PO耦接於變壓器TR與電源適配器的輸出側So之間。如圖1所示，所述電源路徑PO係為由變壓器TR的次級側往電源適配器的輸出側So的方向傳遞(送)電源的路徑。在本發明中，電源適配器可具有通用序列匯流排電力傳輸(USB power delivery,USB PD)功能。因此， 若電源適配器具有電力傳輸(PD)功能，則控制單元CONPD為電力傳輸(PD)控制器。其中，系統的通訊、回授控制、保護控制…等功能都可在控制單元CONPD實現。
電流偵測電阻RCS耦接電源路徑PO。控制單元CONPD耦接電流偵測電阻RCS。保護開關QP耦接電源路徑PO，用以提供保護作用的斷路功能。其中，透過控制保護開關QP的導通與不導通，可決定電源適配器是否輸出功率。意即，當保護開關QP導通時，電源適配器可在輸出側So輸出功率；反之，當保護開關QP不導通時，電源適配器不輸出功率。
具體地，控制單元CONPD判斷電流偵測電阻RCS的偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1且控制單元CONPD的準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2時，控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。其中，第二閾值VTH2例如但不限制為1.1伏特。其中，偵測電壓VRCS為流經電流偵測電阻RCS的電流與電流偵測電阻RCS的乘積，因此，當電流偵測電阻RCS為定值時，偵測電壓VRCS可表示流經電流偵測電阻RCS的電流大小，即偵測電壓VRCS越大，表示流經電流偵測電阻RCS的電流越大；偵測電壓VRCS越小，表示流經電流偵測電阻RCS的電流越小。因此，當偵測電壓VRCS小於預設的第一閾值VTH1時，可能代表目前電源適配器未輸出電流至負載端，或是電流偵測電阻RCS的相關電路發生異常(例如發生短路，或電源適配器正處於短路保護測試或LPS測試中)。
再者，由於準位訊號電壓VIC1的大小與電源適配器的輸出功率(輸出負載)有關，即準位訊號電壓VIC1越大，表示電源適配器的輸出功率越大；準位訊號電壓VIC1越小，表示電源適配器的輸出功率越小。因此，透過同時判斷電流偵測電阻RCS的偵測電壓VRCS(是否小於第一閾值VTH1)以及控制單元CONPD的準位訊號電壓VIC1(是否大於第二閾值VTH2)，並且在兩者判斷條件都成立時，判斷當前電源適配器的電流偵測電阻RCS可能被短路但仍繼續輸出電流至負載，意即， 電源適配器可能處於短路保護測試或LPS測試中，此時控制單元CONPD立即控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。
本發明的另一實施例，判斷偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1可為判斷偵測電壓VRCS等於0伏特。因此，當偵測電壓VRCS等於0伏特且準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2時，控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。
本發明的另一實施例更包含判斷時間條件，即控制單元CONPD判斷偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1且準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2持續超過閾值時間TTH時，控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。其中，閾值時間TTH例如但不限制為500毫秒。因此，導入時間的判斷條件，可避免因暫態或瞬間的電路非正常(非預期)操作，使得前述兩個電壓的判斷條件都成立，而誤觸發保護開關QP不導通的保護機制。
如圖1所示，所述具限功率源能力之電源適配器更包含同步整流電路SR。同步整流電路SR耦接變壓器TR與保護開關QP。準位訊號電壓VIC1為同步整流電路SR的節點電壓。
請參見圖2所示，其係為本發明具限功率源能力之電源適配器其中一種實施例的電路圖。同步整流電路SR包含整流控制單元、開關以及電容。同步整流電路SR用以將交流電壓整流成直流電壓，供系統輸出端使用。整流控制單元CONSR耦接變壓器TR的次級側的非接地端與保護開關QP。開關QSR耦接非接地端、整流控制單元CONSR以及保護開關QP。電容CSR耦接非接地端與整流控制單元CONSR。
在一實施例中，準位訊號電壓VIC1為開關QSR、電容CSR以及非接地端共接的節點電壓，即圖2標示的第一節點P1的節點電壓。因此，透過判斷當偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1且準位訊號電壓VIC1(即第一節點P1的節點電 壓)大於第二閾值VTH2時，控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。具體地，第一節點P1的節點電壓透過具整流、分壓功能的調整電路10，被調整為適合控制單元CONPD操作的電壓準位，因此，調整後的電壓準位提供至控制單元CONPD，例如控制單元CONPD的第一腳位(如圖1所示)。
在一實施例中，準位訊號電壓VIC1為電容CSR與整流控制單元CONSR共接的節點電壓，即圖2標示的第二節點P2的節點電壓。因此，透過判斷當偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1且準位訊號電壓VIC1(即第二節點P2的節點電壓)大於第二閾值VTH2時，控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。具體地，第二節點P2的節點電壓透過具整流、分壓功能的調整電路10，被調整為適合控制單元CONPD操作的電壓準位，因此，調整後的電壓準位提供至控制單元CONPD，例如控制單元CONPD的第一腳位(如圖1所示)。
然而，本發明不限制供能偵測第一節點P1的節點電壓與第二節點P2的節點電壓作為準位訊號電壓VIC1進行判斷。在同步整流電路SR中的節點所偵測到的節點電壓，皆可作為準位訊號電壓VIC1進行判斷。
值得一提的是，同步整流電路SR的同步整流開關QSR可配置的位置並不限於圖2中所示次級側的高側(high-side，電流輸出側)，其亦可配置於次級側的低側(low-side，電流迴流側)，因此，無論同步整流開關QSR配置於高側或低側，均適用於本發明之判斷與控制方法。
請參見圖3所示，係為本發明具限功率源能力之電源適配器的控制方法之第一實施例的流程圖。電源適配器的輸出側So與變壓器TR之間提供電源路徑PO，其中，電源適配器包含耦接於電源路徑PO的電流偵測電阻RCS、控制單元CONPD以及保護開關QP。所述控制方法包含步驟如下：首先，在有載正常操作下(S11)，比較電流偵測電阻RCS的偵測電壓VRCS與第一閾值VTH1(S12)。然後，比較控制單元CONPD的準位訊號電壓VIC1與第二閾值VTH2(S13)。然後，判斷是否 偵測電壓小於第一閾值VTH1且準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2(S14)。當偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1且準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2時，控制保護開關QP不導通(S15)。
本發明的另一實施例，判斷偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1可為判斷偵測電壓VRCS等於0伏特。因此，在步驟(S15)中，當偵測電壓VRCS等於0伏特且準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2時，控制保護開關QP不導通，使得電源適配器不輸出功率。
請參見圖4所示，係為本發明具限功率源能力之電源適配器的控制方法之第二實施例的流程圖。圖4與圖3最大的差異在於步驟(S14)之後更包含判斷時間條件，即判斷偵測電壓VRCS小於第一閾值VTH1且準位訊號電壓VIC1大於第二閾值VTH2是否持續超過閾值時間TTH(S14')。若前述兩個電壓的判斷條件都成立(即步驟(S14')的判斷結果為"是")，則控制保護開關QP不導通(S15)，使得電源適配器不輸出功率。反之，若前述兩個電壓的判斷條件有一者不成立(即步驟(S14')的判斷結果為"否")，則返回步驟(S12)，重新執行比較偵測電壓VRCS與第一閾值VTH1(S12)，以及執行比較準位訊號電壓VIC1與第二閾值VTH2(S13)。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：透過獲得與電源適配器的輸出功率(輸出負載)有關的同步整流電路的節點電壓作為判斷與控制，可簡化電路設計，並且可在即使電源適配器的輸出功率較大，十分接近LPS標準限制的條件下，實現具較大輸出功率的電源適配器輸出功率的精準限制與保護，以符合LPS標準的規範。
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， 皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該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。
PO:電源路徑
RCS:電流偵測電阻
CONPD:控制單元
QP:保護開關
TR:變壓器
SR:同步整流電路
So:輸出側
VRCS:偵測電壓
VIC1:準位訊號電壓

Claims (15)

  1. 一種具限功率源能力之電源適配器，包含：一電源路徑，耦接於一變壓器與所述電源適配器的一輸出側之間；一電流偵測電阻，耦接該電源路徑；一控制單元，耦接該電流偵測電阻；及一保護開關，耦接該電源路徑；其中，該控制單元判斷該電流偵測電阻的一偵測電壓小於一第一閾值且該控制單元的一準位訊號電壓大於一第二閾值時，該控制單元控制該保護開關不導通；其中，該準位訊號電壓的大小與該電源適配器的輸出功率為正相關的關係。
  2. 如請求項1所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該控制單元判斷該偵測電壓小於該第一閾值且該準位訊號電壓大於該第二閾值持續超過一閾值時間時，該控制單元控制該保護開關不導通。
  3. 如請求項1所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該偵測電壓等於0伏特且該準位訊號電壓大於該第二閾值時，該控制單元控制該保護開關不導通。
  4. 如請求項1所述之具限功率源能力之電源適配器，更包含：一同步整流電路，耦接該變壓器與該保護開關；其中，該準位訊號電壓為該同步整流電路的一節點電壓。
  5. 如請求項4所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該同步整流電路包含：一整流控制單元，耦接該變壓器的一次級側的一第一端與該保護開關； 一開關，耦接該第一端、該整流控制單元以及該保護開關或者耦接該次級側的一第二端與該整流控制單元；及一電容，耦接該第一端與該整流控制單元。
  6. 如請求項5所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該準位訊號電壓為該電容與該第一端共接的該節點電壓。
  7. 如請求項5所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該準位訊號電壓為該電容與該整流控制單元共接的該節點電壓。
  8. 如請求項1所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該第二閾值為1.1伏特。
  9. 如請求項2所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該閾值時間為500毫秒。
  10. 如請求項1所述之具限功率源能力之電源適配器，其中，該電源適配器具有通用序列匯流排電力傳輸(USB power delivery,USB PD)功能。
  11. 一種具限功率源能力之電源適配器的控制方法，該電源適配器的一輸出側與一變壓器之間提供一電源路徑，其中，該電源適配器包含耦接於該電源路徑的一電流偵測電阻、一控制單元以及一保護開關，該控制方法包含：在有載正常操作下，比較該電流偵測電阻的一偵測電壓與一第一閾值；比較該控制單元的一準位訊號電壓與一第二閾值；及當該偵測電壓小於該第一閾值且該準位訊號電壓大於該第二閾值時，控制該保護開關不導通；其中，該準位訊號電壓的大小與該電源適配器的輸出功率為正相關的關係。
  12. 如請求項11所述之具限功率源能力之電源適配器的控制方法，其中，在控制該保護開關不導通之前更包含：判斷該偵測電壓小於該第一閾值且該準位訊號電壓大於該第二閾值是否持續超過一閾值時間；及若持續超過該閾值時間時，控制該保護開關不導通。
  13. 如請求項11所述之具限功率源能力之電源適配器的控制方法，其中，該偵測電壓等於0伏特且該準位訊號電壓大於該第二閾值時，控制該保護開關不導通。
  14. 如請求項11所述之具限功率源能力之電源適配器的控制方法，其中，該第二閾值為1.1伏特。
  15. 如請求項12所述之具限功率源能力之電源適配器的控制方法，其中，該閾值時間為500毫秒。
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