CN119807102A - 多端口功率输送系统及其功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端口功率输送系统及其功率分配方法，该系统包含一第一连接端口，一第二连接端口，一控制器，该控制器经配置以监测各连接端口的平均功率，当第一连接端口的平均功率小于一第一临界值且第二连接端口的平均功率大于一第二临界值时，调降第一连接端口的功率预算，并调升第二连接端口的功率预算。

Description

多端口功率输送系统及其功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种多端口功率输送系统及其功率分配方法，特别是涉及一种多端口USB功率输送系统的动态功率分配方法。

背景技术

近年来，通用串行总线(Universal Serial Bus，以下简称USB)连接端口(connection port)已广泛应用于手机、数字数码相机等各种便携式电子产品中。USB C型(USB Type-C)是于2014年推出的新一代USB接口，是USB A型(USB Type-A)和USB B型(USBType-B)的后继者。USB Type-C具备高速数据传输，也具备USB供电功能。相较于USB 2.0的最大供电功率2.5W、USB 3.0的4.5W、USB BC(Battery Charging)1.2的7.5W，USB-PD(PowerDelivery)3.0充电标准规格可提供5V、9V、15V、20V的输出电压，最高可达20V/5A，即100W的输送功率，可满足笔记本电脑等充电需求。USB-PD 3.1则更进一步提供到240W的功率，以涵盖更高功率装置的充电需求。

当用电装置(power sink device)接上供电装置的连接端口后，依照USB-PD规格，供电装置与用电装置之间将进行协商来决定出电压及电流等供电参数。供电装置会将供电能力信息(source capabilities message)，经由USB Type-C连接端口的组态通道(configuration channel)发送给用电装置，其中供电能力信息中包含一组或多组的电压/电流的选项。用电装置基于所收到的供电能力信息及用电装置本身能力，例如本身可运行的电压与最大电流的能力，挑选供电能力信息中的电压/电流选项，然后发送请求信息(request message)--包含用电装置请求的电压和最大可承受电流等资讯，经由连接端口回传给供电装置。供电装置基于所收到各用电装置的请求信息，决定出给各用电装置的功率预算--包含输出电压、最高电流值等，供电装置依此功率预算来控制输出电压、电流，输出功率经由各连接端口至各用电装置。

然而，在上述的供电协商中，供电装置如何妥善决定功率预算在USB-PD中并无规范，并且在决定功率预算后，随着用电装置充电状态或其他状态等变化，原本的功率预算不见得仍是适切的，需要有方法能动态地依据用电需求变化妥善调整功率预算，让闲置的功率预算份额挪给需要更多功率的其他用电装置，以使其充电速度更快。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多端口功率输送系统及其功率分配方法，以达到妥善决定初始功率预算给各用电装置，且能依据各用电装置的用电需求变化做后续的动态功率预算调整。

在第一方面，本发明提供一种USB多端口功率输送系统，该系统包括：第一/第二功率转换器，耦接至系统电源，以分别提供功率至第一/第二连接端口，以及一控制器，耦接至第一/第二功率转换器与第一/第二连接端口。连接端口用以连接外部用电装置。其中，该控制器均分供电能力，据以协商该第一/第二连接端口的功率需求，将功率需求经过分类与查表后，据以设定第一/第二连接端口的功率预算；之后监测当第一连接端口的平均功率低于某一临界值，第二连接端口的平均功率高于某一临界值时，分别调低/调高供电能力选项，据以协商第一/第二连接端口的功率需求，以分别调降/调升其功率预算。

在第二方面，本发明还提供功率分配方法，应用于USB多端口功率输送系统，该功率输送系统包括第一/第二功率转换器，耦接至系统电源，以分别提供功率至第一/第二连接端口，以及一控制器，耦接至第一/第二功率转换器与第一/第二连接端口，该方法包括：通过该控制器均分供电能力选项，据以协商该第一/第二连接端口的功率需求，将功率需求经过分类与查表后，据以设定第一/第二连接端口的功率预算；通过该控制器监测当第一连接端口的平均功率低于某一临界值，且第二连接端口的平均功率高于某一临界值时，分别调低/调高供电能力选项，据以协商第一/第二连接端口的功率需求，以分别调降/调升其功率预算。

根据本发明提供的多端口USB功率输送系统及其功率分配方法，基于对用电装置的需求电压做分类查表，可达到功率预算的妥善分配；并通过监测各连接端口的平均功率消耗情形，让闲置的功率预算份额可挪给需要更多功率的用电装置，可达到充分运用供电装置能力，让用电装置充电速度更快的效果。

附图说明

图1显示根据本发明的一实施例的多端口功率输送系统的方框图。

图2显示根据本发明的一实施例中多端口功率分配方法的分配阶段。

图3显示根据本发明图2的实施例中第一分配阶段的步骤。

图4显示根据本发明图2的实施例中第二分配阶段的步骤。

附图标记说明：

100…多端口功率输送系统

101…控制器

102…系统电源

103a…第一功率转换器

103b…第二功率转换器

104a…第一电流感测器

104b…第二电流感测器

105a…第一连接端口

105b…第二连接端口

200a…第一外部用电装置

200b…第二外部用电装置

S10…第一分配阶段

S101～S103…步骤

S20…第二分配阶段

S201～S203…步骤

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述本发明的示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例。相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给所属技术领域中技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。附图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

为方便本发明的说明描述，一些描述的意涵说明如下，所谓“连接端口的电流值”是指供电装置经由一连接端口，提供给外部用电装置的电流大小，即，该外部用电装置从供电装置所汲取的电流大小。所谓“连接端口的平均功率”是指供电装置经由该连接端口提供给外部用电装置的平均功率，即，该外部用电装置从供电装置所汲取的平均功率消耗。所谓“连接端口的功率预算”是指供电装置所设定对应连接至该连接端口的外部用电装置的功率预算。

请参考图1为根据本发明的一实施例的多端口功率输送系统100的方框图。多端口功率输送系统100包含耦合在第一连接端口105a和系统电源102之间的第一功率转换器103a、耦合在第二连接端口105b和系统电源102之间的第二功率转换器103b、以及控制器101耦合至第一功率转换器103a、第二功率转换器103b、第一连接端口105a以及第二连接端口105b。第一连接端口105a、第二连接端口105b分别用于连接至第一外部用电装置200a和第二外部用电装置200b。系统电源102一般为交流电源，技术上亦可为直流电源。第一功率转换器103a与第二功率转换器103b则基于系统电源102转换成直流电，在控制器101在控制下分别供应功率给第一连接端口105a以及第二连接端口105b。

请参考图2根据本发明的一实施例，多端口功率输送系统100的操作包括两个阶段：第一分配阶段S10和第二分配阶段S20。第一分配阶段S10依照外部用电装置需求，经过分类与查表后做功率预算分配。第二分配阶段S20，通过监测每个连接端口的功率消耗情况，当发现有闲置的功率预算份额可挪给需要更多功率的用电装置时，重新调整降或是调升功率预算，以充分运用多端口功率输送系统的供电能力，让用电装置充电速度更快。上述两阶段的实施细节分别说明如后。

请参考图3根据本发明的一实施例，多端口功率输送系统100的第一分配阶段S10包含如下步骤：

步骤S101：控制器101均分总体功率预算，并通过第一连接端口105a以及第二连接端口105b发送供电能力信息给第一外部用电装置200a与第二外部用电装置200b。供电能力信息包含可用的电压/电流信息，以向第一外部用电装置200a与第二外部用电装置200b通知多端口功率输送系统100的供电能力。

以多端口功率输送系统100最大输出功率为66W(瓦)作为例，即，66W是多端口功率输送系统100最多可输送的总功率预算。由于初始状态时并不知第一外部用电装置200a与第二外部用电装置200b的功率需求，故多端口功率输送系统100的控制器101一开始将66W平均分配为两个初始功率预算，即，给第一连接端口105a的功率预算为33W，给第二连接端口105b的功率预算亦为33W。基于此功率预算，控制器101经由各连接端口向各外部用电装置发送供电能力信息。供电能力信息中含有一个或多个接近于功率预算的电压/电流组合，例如20V(伏特)/1.5A(安培)、15V/2A等，以显示多端口功率输送系统100的供电能力。

步骤S102：控制器101，通过连接端口接收来自外部用电装置的请求信息。根据请求信息，外部用电装置告知多端口功率输送系统100所请求使用的电压、以及外部用电装置能承受的最大电流量。

步骤S103：控制器101根据各外部用电装置的请求信息，设定对应各连接端口的功率预算，即，对应对各外部用电装置的功率预算。根据本发明的一实施例，控制器101依据外部用电装置所要求的电压，将外部用电装置做分类。作为实例之一，要求5V、9V、15V、20V的用电装置，分别被分类为Type 1、Type 2、Type 3、Type 4，如表1所示。在现有使用的移动装置中如手机要求的电压通常为5V或9V，平板通常为9V或15V，笔记本电脑通常为15V或20V。

类别	请求电压	功率范围
			Type 1	5V	7.5～15W
Type 2	9V	15W～27W
			Type 3	15V	27W～45W
Type 4	20V	45W～60W

表1

依照实施结果，外部用电装置所要求的电压越大，所需的功率通常也越大，表1的“功率需求范围”栏位显示实际上大致所需功率范围，从7.5W到60W之间。

由于所需功率与所需电压呈现正相关的关系，因此，根据本发明的一实施例，控制器101基于各外部用电装置的类别，查找表来确定每个外部用电装置的功率预算。

表2

确定了对各连接端口的功率预算和外部用电装置所要求的电压后，控制器101据以分别控制第一功率转换器103a与第二功率转换器103b的输出电压和电流。以外部用电装置的请求电压分别为5V和15V为例，外部用电装置分别被分类为Type 1和Type 3，依照表2，第一连接端口105a与第二连接端口105b的功率预算分别设定为15W和51W，然后控制器101将控制第一功率转换器103a与第二功率转换器103b的输出电压分别为5V和15V，并且输出功率将被控制在功率预算内。

请参考图4根据本发明的一实施例，多端口功率输送系统100的第二分配阶段S20阶段包含如下步骤：

步骤S201：监测各连接端口的电流值。在本发明中，第一功率转换器103a包含一第一电流感测器104a，用于测量输送到第一连接端口105a的电流值；第二功率转换器103b包含一第二电流感测器104b，用于测量输送到第二连接端口105b的电流值。

步骤S202：当一连接端口的功率消耗处于低档，而另一连接端口功率消耗处于高档时，控制器101将触发功率预算的重新分配。即，当控制器101检测到一连接端口的功率消耗相较于对应该连接端口的功率预算低于一预定值，而另一连接端口的功率消耗已接近其功率预算时，控制器101将触发重新协商各连接端口的功率预算。

更具体地说，在本步骤中，控制器101定期性地监测各连接端口平均功率值的高、低状态。此处，所谓定期性执行，可以是周期性，或是依控制器101依排定的时间来执行。根据本发明的一实施例，控制器101监测连接端口的平均功率与其功率预算之间的差值，举例言，当第一连接端口105a的平均功率小于一第一临界值，且第二连接端口105b的平均功率大于一第二临界值时，表示连接于第一连接端口105a的第一外部用电装置200a的功率消耗处于低档，即该外部用电装置目前所需功率是低的，而连接于第二连接端口105b的第二外部用电装置200b的功率消耗处于高档，甚至有可能还需要更多功率。因此，控制器101主动触发功率预算的重新分配调整，让闲置的功率预算份额可以挪给需要的用电装置。

该第一临界值为一小于第一连接端口105a的功率预算的数值，可以是第一连接端口105a的功率预算减去一定值后(例如20W)的数值；也可以是第一连接端口105a的功率预算乘以一比例(例如20％)后的数值。类似地，该第二临界值为一小于第二连接端口105b的功率预算的数值，可以是第二连接端口105b的功率预算减去一定值(例如10W)后的数值；也可以是第二连接端口105b的功率预算乘以一比例(例如80％)后的数值。本发明采用差值、比例、或是其他设定第一/第二临界值，使得足以判断连接端口的平均功率消耗是处于低档或高档的方式，互相搭配。例如，第一临界可设为第一连接端口105a的功率预算减去20W，而第二临界值可设为第二连接端口105b的功率预算乘以80％。

以USB Type-C为例，当控制器101检测出高、低档状态，例如第一连接端口105a的功率消耗处于低档，且第二连接端口105b的功率消耗处于高档时，控制器101分别准备新版本的供电能力信息给各连接端口，其中给第一连接端口105a的供电能力信息选项被调降，而给第二连接端口105b的供电能力信息选项则被调升。该些供电能力信息通过各连接端口，分别发送给各外部用电装置，与各外部用电装置协商可运行的电压/电流。

关于平均功率，在本发明的一实施例中，控制器101获取电流感测器104a与电流感测器104b所监测到的电流值，并进行平均运算以计算平均电流值，从而计算出各连接端口的平均功率消耗。本发明采用移动平均法(running average)计算平均电流值，其他各种平均计算方式，如对最近N笔数据做平均，亦皆可使用在本发明中。依照计算所得的平均电流值，与功率预算中的电压值，即得出平均功率值。

步骤S203：调降一连接端口的功率预算，并调升另一连接端口的功率预算。承步骤202的例，控制器101通过第一连接端口105a传送升级过的供电能力信息给第一外部用电装置200a，通过第二连接端口105b传送降级过的供电能力讯给第二外部用电装置200b后，一旦第一外部用电装置200a回应的请求信息显示采用降低的电压或电流，且第二外部用电装置200b回应的请求信息显示采用提升的电压或电流，则控制器101将据以调降对应于第一连接端口105a的功率预算，以控制第一功率转换器103a工作在较低的电压或电流，及调升对应于第二连接端口105b的功率预算，以控制第二功率转换器103b工作在较高的电压或电流。如此达到将闲置的功率预算份额，挪给需要更多功率的用电装置，有利于缩短充电时间。

综上所述，本发明提供的多端口USB功率分配系统及其功率分配方法，基于对用电装置的需求电压做分类查表，可达到功率预算的妥善分配；并通过监测各连接端口的平均功率消耗情形，让已闲置的功率预算份额可以挪给需要更多功率的用电装置，可达到充分运用供电装置能力，让用电装置充电速度更快的效果。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何所属技术领域通常知识者在本发明公开的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种多端口功率输送系统，用于分配一系统电源输送功率给复数外部用电装置，该多端口功率输送系统包括：

一第一功率转换器，耦接于一第一连接端口与该系统电源之间；

一第二功率转换器，耦接于一第二连接端口与该系统电源之间；以及

一控制器，耦接于该第一功率转换器、该第二功率转换器、该第一连接端口和该第二连接端口之间，该控制器配置以执行：

(a)协商该第一连接端口的一第一功率需求和该第二连接端口的一第二功率需求，设定该第一连接端口的一第一功率预算和该第二连接端口的一第二功率预算；

(b)计算该第一连接端口的一第一平均功率和该第二连接端口的一第二平均功率；以及

(c)监测该第一平均功率与该第一功率预算的差距及该第二平均功率与该第二功率预算的差距，据以调整该第一功率预算和该第二功率预算。

2.如权利要求1所述的多端口功率输送系统，其中该多端口功率输送系统符合USBpower delivery规格。

3.如权利要求1所述的多端口功率输送系统，其中该第一连接端口和该第二连接端口包括USB C型连接端口。

4.如权利要求1所述的多端口功率输送系统，其中该控制器的执行项目(a)中，该控制器进一步配置以执行：

(a1)基于该第一功率需求中的一第一请求电压，将该第一功率需求分类为一第一类型；

(a2)基于该第二功率需求中的一第二请求电压，将该第二功率需求分类为一第二类型；及

(a3)基于该第一类型和该第二类型对照查表，以决定该第一功率预算和该第二功率预算。

5.如权利要求1所述的多端口功率输送系统，其中还包括：

该第一功率转换器包括一第一电流感测器，用于测量该第一连接端口的一第一电流值；

该第二功率转换器包括一第二电流感测器，用于测量该第二连接端口的一第二电流值；以及

关于该控制器的执行项目(b)，该控制器进一步配置以执行：

(b1)基于该第一功率预算的一第一输出电压与该第一电流值，计算该第一平均功率；及

(b2)基于该第二功率预算的一第二输出电压与该第二电流值，计算该第二平均功率。

6.如权利要求1所述的多端口功率输送系统，其中关于该控制器的执行项目(c)，该控制器进一步配置以执行：

监测当执行项目(c)满足该第一平均功率小于一第一临界值且该第二平均功率大于一第二临界值，该控制器用以协商该第一连接端口和该第二连接端口的功率需求，以降低该第一功率预算并增加该第二功率预算。

7.如权利要求6所述的多端口功率输送系统，其中该第一临界值小于该第一功率预算，该第二临界值小于该第二功率预算。

8.一种多端口功率分配方法，用于分配功率送给复数外部用电装置，该多端口功率分配方法包括下列步骤：

(a)通过一控制器协商一第一连接端口的一第一功率需求和一第二连接端口的一第二功率需求，基于该第一功率需求与该第二功率需求，该控制器决定该第一连接端口的一第一功率预算和该第二连接端口的一第二功率预算；

(b)该控制器计算该第一连接端口的一第一平均功率和该第二连接端口的一第二平均功率；以及

(c)该控制器监测该第一平均功率和该第一功率预算的差距与该第二平均功率和该第二功率预算的差距，据以调整该第一功率预算和该第二功率预算。

9.如权利要求8所述的多端口功率分配方法，其中该多端口功率分配系统符合USBpower delivery规格。

10.如权利要求8所述的多端口功率分配方法，其中该第一连接端口和该第二连接端口包括USB C型连接端口。

11.如权利要求8所述的多端口功率分配方法，其中步骤(a)包括下列步骤：

(a1)该控制器基于该第一功率需求中的一第一请求电压，将该第一功率需求分类为一第一类型；

(a2)该控制器基于该第二功率需求中的一第二请求电压，将该第二功率需求分类为一第二类型；以及

(a3)由该控制器基于该第一类型和该第二类型对照查表，以决定该第一功率预算和该第二功率预算。

12.如权利要求8所述的多端口功率分配方法，其中步骤(b)包括下列步骤：

(b1)通过一第一电流感测器测量该第一连接端口的一第一电流值；

(b2)通过一第二电流感测器测量该第二连接端口的一第二电流值；

(b3)该控制器基于该第一电流值计算一第一平均电流值，基于该第二电流值计算一第二平均电流值；

(b4)该控制器基于该第一功率预算的一第一输出电压与该第一平均电流值，计算该第一平均功率；以及

(b5)该控制器基于该第二功率预算的一第二输出电压与该第二平均电流值，计算该第二平均功率。

13.如权利要求8所述的多端口功率分配方法，其中步骤(c)包括下列步骤：

由该控制器监测当该步骤(c)满足该第一平均功率小于一第一临界值且该第二平均功率大于一第二临界值，则进行协商该第一连接端口和该第二连接端口的功率需求，以降低该第一功率预算并增加该第二功率预算。

14.如权利要求13所述的多端口功率分配方法，其中该第一临界值小于该第一功率预算，该第二临界值小于该第二功率预算。