TWI676091B

TWI676091B - 電源適配器

Info

Publication number: TWI676091B
Application number: TW107135489A
Authority: TW
Inventors: 王三輔; San Fu Wang
Original assignee: 浦登有限公司; Pu-Dan Limited Corp.
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2019-11-01
Also published as: CN110858752A; TW202009626A

Abstract

一種電源適配器，包括一轉換裝置、一連接裝置、一第一控制裝置以及一交握控制裝置。轉換裝置，耦接一第一直流電壓，且至少包括一開關裝置，當該開關裝置進行導通和關閉之交替操作時，則輸出一第二直流電壓。連接裝置耦接該轉換裝置。透過該連接裝置，一負載裝置可接收該第二直流電壓，並且與該電源適配器通訊。第一控制裝置耦接該開關裝置，且回應一致能訊號而輸出一控制訊號使該開關裝置進行該交替操作。交握控制裝置耦接該連接裝置，當與該負載裝置完成交握時，輸出該致能訊號。

Description

電源適配器

本發明是有關於一種電源適配器，且特別是有關於具有C型通用串列匯流排(Type-C USB)接口(interface)的電源適配器。

目前電子產品多以直流電源作為輸入源，因此都會透過電源適配器(Power adapter)，將交流電源轉換為直流電源後，供應給電子產品工作所需之電力。而在許多行動裝置及低功率的電子產品上，會採用通用串列匯流排 ( USB ) 作為電源適配器的接口。然而，隨著市場上的電子產品需求改變，目前許多電源適配器的接口開始採用C型通用串列匯流排 ( Type-C USB )接口。而採用C型通用串列匯流排接口的電源適配器會依據與電子產品的配置通道交握 ( Configuration Channel Handshaking )的情形，來決定是否開啟電源並供應直流電源給電子產品。

目前具有C型通用串列匯流排的電源適配器的設計，多數包含隔離型電路，並都會在隔離型電路的二次側設置一顆開關，利用該開關來開啟或關閉連接至C型通用串列匯流排接口的電源傳輸線的一路徑。配置通道交握完成時，會讓開關開啟前述路徑並透過C型通用串列匯流排接口的電源傳輸線傳輸直流電源給電子產品。如果配置通道交握未完成時，會讓開關關閉前述路徑並停止傳輸直流電源給電子產品。目前的設計存在有許多缺點：首先，在電源配適器沒負載裝置的情況下，隔離型電路的一次側仍然持續工作，並將電力耦合至隔離型電路的二次側，形成待機功率損耗。此外，設置於二次側的開關造成電源適配器的電路複雜化並使得生產成本提高。再者，在開關開啟前述路徑時，直流電源仍須流經開關至負載裝置，直流電源流經開關時，亦會造成功率損失。

有鑑於此，本揭示文件提出一種電源適配器，其具有連接裝置(如：C型通用串列匯流排接口)及隔離型電路，且在隔離型電路之二次側沒有開關之設計。藉此，解決上述之問題。

一種電源適配器，包含轉換裝置、連接裝置、第一控制裝置以及交握控制裝置。轉換裝置耦接第一直流電壓，且至少包括一個開關裝置，當開關裝置進行導通和關閉之交替操作時，則轉換裝置輸出第二直流電壓。連接裝置耦接轉換裝置。負載裝置可透過連接裝置接收第二直流電壓並與電源適配器進行通訊。第一控制裝置耦接開關裝置，且回應一致能訊號而輸出一控制訊號，使該開關裝置進行該交替操作。交握控制裝置耦接連接裝置，當交握控制裝置與負載裝置完成交握時，輸出致能訊號給第一控制裝置。

以下說明是本發明的實施例。其目的是要舉例說明本發明的一般性的原則，不應視為本發明之限制，本發明之範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

在傳統上，電源適配器之設計至少具有兩顆開關，其中一顆作為切換模式轉換器之切換開關，另一顆作為傳輸開關會設置於C型通用串列匯流排連接器的電壓傳輸接腳(VBUS)與該轉換器的輸出之間。由於為了滿足C型通用串列匯流排的規格設計，在初始階段C型通用串列匯流排連接器的電壓傳輸接腳上不能有電源輸出，所以目前傳統的設計，會將至少一個開關(如上述傳輸開關)耦接C型通用串列匯流排連接器的電壓傳輸接腳，利用開關來開啟或關斷電壓的傳輸。

如上述的設計，現有的電源適配器存在著諸多缺失。首先，利用傳輸開關之開啟以傳輸電壓，傳輸開關本身的電壓降會造成功率損耗，而且開關的數量將使得電源適配器的生產成本明顯增加。此外，不論開關為開啟或關斷的狀態，交握控制裝置仍然持續輸出控制訊號給開關，造成交握控制裝置需要不斷地消耗電路之功率，導致電源適配器的工作效率降低。再者，開關數量越多，將會使得電源適配器之電路設計更趨複雜，除了造成生產成本提高，更使得生產難度增加。本揭示文件提出一種新的電源適配器，明顯降低電源適配器所需開關之數量、簡化電源適配器的設計、降低其功效以及降低電源適配器之成本。

第1圖所示為根據本揭示文件之一實施例的電源適配器100之系統架構示意圖。其中該電源適配器100包含整流裝置120、第一控制裝置130、交握控制裝置140、轉換裝置150以及連接裝置160。其中，轉換裝置150包含至少一個開關裝置152且耦接整流裝置120產生的第一直流電壓V1。整流裝置120耦接第一控制裝置130及交握控制裝置140。連接裝置160耦接交握控制裝置140。交握控制裝置140耦接第一控制裝置130。第一控制裝置130耦接轉換裝置150中的開關裝置152，且轉換裝置150耦接連接裝置160。

如第1圖所示，其中整流裝置120可為半橋式整流器、全橋式整流器或其他具有將交流電源轉換為直流電源之整流器等，但本揭示文件並不限於此。於第1圖中，整流裝置120用以接收交流電源110，並將該交流電源110轉換為第一直流電壓V1。整流裝置120透過輸出第一直流電壓V1對第一控制裝置130及交握控制裝置140進行通電，並使得第一控制裝置130及交握控制裝置140被啟動。

此外，因為轉換裝置150耦接整流裝置120，且轉換裝置150中的開關裝置152直接耦接於整流裝置120產生的第一直流電壓V1。透過轉換裝置150中的開關裝置152進行導通和關閉之交替操作並配合例如一整流元件156，可將第一直流電壓V1轉換成第二直流電壓V2。如第1圖所示，開關裝置152亦耦接於連接裝置160，故負載裝置170可透過連接裝置160接收來自轉換裝置150的第二直流電壓V2。

在本揭示文件中，第一控制裝置130及交握控制裝置140可為處理器(Processor)、微處理器(Microprocessor)、中央處理單元(CPU)或其他計算機裝置等，但本揭示文件並不限於此。

如第1圖所示，當交握控制裝置140被啟動後，交握控制裝置140透過連接裝置160與負載裝置170進行配置通道交握(Configuration Channel Handshaking)。根據配置通道交握訊號S1，交握控制裝置140可進行識別配置通道交握之程序是否完成。當配置通道交握程序完成時，交握控制裝置140輸出致能訊號S2給第一控制裝置130。

在本揭示文件中，由於電源適配器100的連接裝置160為C型通用串列匯流排 ( Type-C USB )連接器，因此負載裝置170必須也具有符合C型通用串列匯流排之規格的相應連接裝置，否則無法與交握控制裝置140完成配置通道交握之程序。此外，若是連接裝置160沒有連接負載裝置170，配置通道交握之程序亦不可能完成。

當第一控制裝置130依據接收來自交握控制裝置140的致能訊號S2，第一控制裝置130輸出控制訊號S3給轉換裝置150。轉換裝置150耦接第一直流電壓V1，並將第一直流電壓V1傳送至開關裝置152。在轉換裝置150中的開關裝置152接收控制訊號S3。開關裝置152依據來自第一控制裝置130的控制訊號S3，開關裝置152進行導通和關閉之交替操作。此時，開關裝置152的交替操作可對第一直流電壓V1進行切換以並配合整流元件156 之運作而產生第二直流電壓V2。其中該開關裝置152可為高電位導通之功率半導體，例如：N型金屬氧化物場效應電晶體 (N-MOSFET )等，但本揭示文件並不限於此。

開關裝置152的交替操作而產生的第二直流電壓V2，因為轉換裝置150與連接裝置160的連接，使得第二直流電壓V2可被傳送至負載裝置170，並供應負載裝置170工作時所需之電力。

第2圖所示為根據本揭示文件之一實施例的電源適配器之方法200的步驟圖。以下同時參照第1圖以說明方法200的流程。在方法200中，首先，步驟210為啟動第一控制裝置130及交握控制裝置140。值得注意的示，方法200需要第一控制裝置130及交握控制裝置140兩者皆被通電啟動，以便於進行後面的方法步驟。當交握控制裝置140被啟動後，便進入步驟220。

在步驟220中，交握控制裝置140被啟動後，便開始偵測是否有負載裝置170與連接裝置160進行連接。如果識別結果為沒有負載裝置170與連接裝置160進行連接，則交握控制裝置140持續進行偵測是否有負載裝置170與連接裝置160進行連接。在步驟220中，交握控制裝置140如果偵測到有負載裝置170與連接裝置160進行連接，則進入步驟240。

在步驟240中，交握控制裝置140開始透過連接裝置160與負載裝置170進行配置通道交握之程序。處理配置通道交握之程序的過程中，同時進行步驟250。

在步驟250中，當交握控制裝置140識別處理配置通道交握之程序完成時，將輸出致能訊號S2給第一控制裝置130並進入步驟260。反之，當交握控制裝置140識別處理配置通道交握之程序沒有完成時，則重複進行步驟240。

在步驟260中，交握控制裝置140輸出致能訊號S2時，表示配置通道交握之程序已經完成，第一控制裝置130一接收到致能訊號S2便輸出控制訊號S3給轉換裝置150中的開關裝置152，讓開關裝置152進行導通和關閉之交替操作，此時轉換裝置150可產生第二直流電壓V2。

在步驟270中，因為開關裝置152進行導通和關閉之交替操作，轉換裝置150輸出第二直流電壓V2輸至連接裝置160，負載裝置170即可透過連接裝置160接收第二直流電壓V2，以維持工作所需之電力。

第3圖所示為根據本揭示文件另一實施例的電源適配器之系統架構示意圖。在此，為說明簡潔起見，與第1圖所示相同的元件、裝置、訊號，係以相同的數字、符號表示。在第3圖中，其中轉換裝置150更包含變壓裝置154，變壓裝置154耦接於來自整流裝置120的第一直流電壓V1、開關裝置152及連接裝置160。其中變壓裝置154可為具電性隔離功能之變壓器(如：隔離型變壓器)，但本案並不限於此。

如第3圖所示，當整流裝置120輸出第一直流電壓V1，並啟動第一控制裝置130及交握控制裝置140後，交握控制裝置140透過連接裝置160與負載裝置170進行配置通道交握。根據配置通道交握訊號S1，交握控制裝置140可進行識別配置通道交握之程序是否完成。當配置通道交握程序完成時，交握控制裝置140輸出致能訊號S2給第一控制裝置130。然後，第一控制裝置130回應此致能訊號S2而輸出控制訊號S3給開關裝置152，使得開關裝置152進行導通和關閉之交替操作。

當開關裝置152進行導通和關閉之交替操作且變壓裝置154接收到第一直流電壓V1時，因為開關裝置152進行交替操作，使得變壓裝置154可配合整流元件(未圖示)而產生第二直流電壓V2，並透過連接裝置160將第二直流電壓V2傳送給負載裝置170。

第4圖所示為根據第3圖所繪示的電源適配器100之詳細電路圖。其中轉換裝置150更包含變壓裝置154及儲能元件156。其中該變壓裝置154為一隔離型變壓器，其包含第一繞阻154a及第二繞阻154b。變壓裝置154的第一繞組154a耦接第一直流電壓V1及開關裝置152，第二繞組154b耦接整流元件156，及整流元件156耦接電容162與該連接裝置160。變壓裝置154的第一繞阻154a接收來自整流裝置的第一直流電壓V1後，當開關裝置152正在進行導通和關閉之交替操作時，則變壓裝置154的第二繞阻154b的電壓可透過整流元件156與電容162而產生第二直流電壓V2，並傳送至連接裝置160。負載裝置可透過連接裝置160接收第二直流電壓V2。

在此，如果負載裝置170透過該連接裝置160與交握控制裝置140進行配置通道交握未完成時，交握控制裝置140不會輸出致能訊號S2，因此第一控制裝置130不會輸出該控制訊號S3給開關裝置152。由於開關裝置152為高電壓導通之功率半導體(如：N-MOSFET)，且因為開關裝置152的閘極沒有接收到控制訊號S3，造成閘極電壓小於開關裝置152的門檻電壓值(Vth)，使得開關裝置152持續維持截止狀態，則轉換裝置150停止輸出該第二直流電壓V2。

在一些實施例中，整流元件156耦接變壓裝置154的第二繞阻154b以及連接裝置160。在此示例中，整流元件156被設置為整流二極體(Diode for rectification)，但本揭示文件並不限於此。該整流二極體除了可對變壓裝置154的第二繞阻154b輸出的電壓進行整流之外，亦可防止來自於負載裝置170的逆向電流，透過變壓裝置154流入電源適配器100中的其他元件或組件，干擾其他元件或組件的正常工作或燒毀。

如第4圖所示，其中連接裝置160為C型通用串列匯流排 (Type-C USB)連接器，所以連接裝置160包括第一交握接腳CC1、第二交握接腳CC2、電壓傳輸接腳VBUS及接地腳。其中第一交握接腳CC1及第二交握接腳CC2分別耦接交握控制裝置140，交握控制裝置140透過第一交握接腳CC1及第二交握接腳CC2與負載裝置170進行配置通道交握。此外，電壓傳輸接腳VBUS耦接整流元件156，並用以接收第二直流電壓V2給負載裝置170。

請參閱第4圖，其中交握控制裝置140可為隔離式控制器，但本案並不限於此。隔離式控制器具有隔離型電路將隔離式控制器分為一次側電路及二次側電路，可分別耦接於電源適配器100的一次側及二次側。因此，交握控制裝置140的一次側電路、第一控制裝置130及整流裝置120共同耦接一次側接地端。交握控制裝置140的二次側電路、變壓裝置154的第二繞阻154b及連接裝置160共同耦接二次側接地端。

綜上所述，本發明之重點在於交握控制裝置140與負載裝置170完成交握程序後，交握控制裝置140輸出致能訊號S2使得第一控制裝置130輸出控制訊號S2。開關裝置可依據控制訊號S2進行導通或截止之行交替作用，電源適配器100才可提供負載裝置170所需之電力。反之，交握控制裝置140與負載裝置170未完成交握程序時，因為開關裝置停止工作，所以電源適配器100中的二次側電路不會產生任何電力。這樣的設計除了大幅提高電源適配器100的工作效率之外，更明顯節省電力的消耗。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具有通常技術知識者，在不違背本發明精神和範圍的情況下，可做些許變動與替代，因此本發明之保護範圍當應視隨後所附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電源適配器

110‧‧‧交流電源

120‧‧‧整流裝置

130‧‧‧第一控制裝置

140‧‧‧交握控制裝置

150‧‧‧轉換裝置

152‧‧‧開關裝置

154‧‧‧變壓裝置

154a‧‧‧第一繞阻

154b‧‧‧第二繞阻

156‧‧‧整流元件

160‧‧‧連接裝置

162‧‧‧電容

170‧‧‧負載裝置

200‧‧‧方法

210~270‧‧‧步驟

S1‧‧‧配置通道交握訊號

S2‧‧‧致能訊號

S3‧‧‧控制訊號

V1‧‧‧第一直流電壓

V2‧‧‧第二直流電壓

CC1‧‧‧第一交握接腳

CC2‧‧‧第二交握接腳

VBUS‧‧‧電壓傳輸接腳

第1圖所示為根據本揭示文件之一實施例的電源適配器之系統架構示意圖。第2圖所示為根據本揭示文件之一實施例的電源適配器之方法步驟圖。第3圖所示為根據本揭示文件之其他部分實施例的電源適配器之系統架構示意圖。第4圖所示為根據本揭示文件之其他部分實施例的電源適配器之詳細電路圖。

Claims

一種電源適配器，包括：一轉換裝置，耦接一第一直流電壓，且至少包括一開關裝置，當該開關裝置進行導通和關閉之交替操作時，則輸出一第二直流電壓；一連接裝置，耦接該轉換裝置，透過該連接裝置，一負載裝置可接收該第二直流電壓、並且與該電源適配器通訊；一第一控制裝置，耦接該開關裝置，且回應一致能訊號而輸出一控制訊號使該開關裝置進行該交替操作；以及一交握控制裝置，耦接該連接裝置，當與該負載裝置完成交握時，輸出該致能訊號。
如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其中該轉換裝置的該開關裝置耦接該第一直流電壓及該連接裝置，當該開關裝置進行導通和關閉之交替操作時，該開關裝置對該第一直流電壓進行切換以產生該第二直流電壓。
如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其中該轉換裝置更包括一變壓裝置及一整流元件，其中該變壓裝置包括一第一繞組及一第二繞組，該第一繞組耦接該第一直流電壓及該開關裝置，該第二繞組耦接該整流元件，該整流元件耦接該連接裝置，當該開關裝置進行導通和關閉之交替操作時，該變壓裝置的該第二繞組與該整流元件產生該第二直流電壓。
如申請專利範圍第1項所述之電源適配器，其中當該負載裝置透過該連接裝置與該交握控制裝置進行交握未完成時，該交握控制裝置不會輸出該致能訊號，使得該第一控制裝置不會輸出該控制訊號給該開關裝置，此時，該開關裝置持續維持截止狀態，使得該轉換裝置停止輸出該第二直流電壓。
如申請專利範圍第3項所述之電源適配器，其中該連接裝置為一C型通用串列匯流排，包括一第一交握接腳、一第二交握接腳及一電壓傳輸接腳。