具有可变可配置的电流限制的电源的制作方法

本公开总地涉及对电子设备的供电，并且更具体地，涉及一种具有可由负载设备配置的可变可配置电流限制的电源。

背景技术：

电源提供电力以对电池充电以及向电子设备提供电力。负载设备能够对其电池充电的速率取决于由电源供应的电流。较高的电流通常等于较短的充电时间。典型的，当充电时，负载设备可以被配置为从电源提取(draw)最大允许的电流。然而，电源信号的电流水平也影响由负载设备的充电电路和电池在负载设备中产生的热的量。在负载设备中的其它实体也产生热，例如支持设备的操作的有源计算部件(例如处理器，存储器，收发器等)。负载设备的内部温度和由操作该设备的用户感觉到的外部温度(即皮肤温度)被设备中的所有发热实体影响。典型的为负载设备设定性能极限(例如最大处理器速度)，使得内部温度和外部温度不超过阈值。基于最坏情况热状况设定这些极限，例如最大处理负载，最大充电速率等。负载设备能够配备有控制其处理活动以用于热缓解(mitigation)的功能，然而，来自电源的热组分基于由电源供应的电流而通常为固定的。

本公开涉及可以解决或至少减少上述一些问题的各种方法和设备。

附图说明

通过参考附图，本公开可被更好地理解，并且使其许多特征和优点对于本领域技术人员显而易见的。

图1是根据一些实施例的计算系统的框图；

图2a是根据一些实施例的图1的系统中实现连续可变输出电流限制的可塌缩电源(collapsiblepowersupply)的框图；

图2b是根据一些实施例的图1系统中使得能够通过故障状况保持输出保护机制的可塌缩电源的替代实施例的框图；并且

图3是根据一些实施例的用于配置电源的电流参数的方法的流程图；

在不同附图中使用相同的附图标记表示类似或相同的项目。

具体实施方式

图1-3示出了用于对可使用可再充电电池的模块供电的电源的示例电路和技术。电源支持可由连接的负载设备指定的可变可配置电流极限。电源包括通信和控制处理器，其与负载设备交换消息以配置电流极限参数以及与电流极限的变化相关的参数，诸如步长大小(stepsize)、步长间隔(stepinterval)、转换速率(slewrate)等。

图1是计算系统100的简化框图，计算系统100包括电源105和负载设备110。当负载设备110连接到电源105时，电源105和负载设备110可以交换消息以指示什么操作模式是被支持的。在一些实施例中，在电源105和负载设备110之间的互连可以由usbc型规范定义。电源105和负载设备110可以根据usb电池充电规范和通用串行总线电力输送协议v2.0来操作。usbpd规范定义了可以支持的默认电源模式，并且还提供了用于在连接的设备之间交换定制的(即专有的)消息的框架。除了由适当的标准定义的默认模式之外，电源105能够实施可定制的电流极限参数，从而允许负载设备110特制(tailor)由电源105输送的电力的电流分布(profile)。定制的消息框架允许电源105向负载设备110提供更宽的系列的控制参数，例如电流极限参数。允许负载设备110配置电源105，从而允许负载设备110通过沿着可塌缩负载线(collapsibleloadline)调节从电源105接收的电流来执行热缓解活动。当负载设备110提取约定电流时，电源105的输出电压被负载设备110塌缩(collapse)至负载设备110的内部电池的电压。以这种方式，由到来的电压到电池电压的线性或开关模式转换产生的、通常位于负载设备110中的热耗散在上游“输出”到电源105，从而即使在更高的充电电流下也保持负载设备较冷。

图2a是根据一些实施例的图1的系统中实现连续可变输出电流限制的可塌缩电源的框图。电源105包括滤波器200，该滤波器200连接到用于接收输入电力信号(例如ac或dc电压)的端子并且对到来的信号滤波以及提供瞬态保护。桥式整流器210对到来的ac信号整流。功率转换控制器215(例如pwm控制器)控制功率晶体管220(例如fet/bjt)以在变压器225处产生供应电压。变压器225充当能量存储设备，其通过启动功率晶体管220以使用例如回扫电压调节方案在变压器225的感应线圈中存储电流从而进行充电。整流器230联接到变压器230。整流器230可以是无源设备或有源同步整流器设备。整流器230的输出是向连接器235提供的dc电压，连接器235可以是可逆(reversible)连接器(例如usbc型连接器)。

功率转换控制器215的反馈由通信和控制(cc)处理器240提供，该cc处理器240具有附接的或集成的存储器242。存储器242可以是易失性存储器(例如dram，sram)或非易失性存储器(例如rom，闪存，硬盘等)或其某些组合。cc处理器240使用电流传感器245接收由电源105提供的电流的测量，并且测量由整流器230输出的电压。转换控制单元250基于来自电源105的被测量电流和电压从cc处理器240接收一个或多个数字或模拟控制信号，并且转换这些信号以生成用于功率转换控制器215的模拟或数字控制信号，类似于pid控制回路的反馈路径。光隔离器255提供cc处理器240(数字的)与模拟功率转换控制器215的电隔离。基于反馈信号，功率转换控制器215控制功率晶体管220的占空比，使得所产生的电流和电压符合为电源105选择的模式以及任何电流控制参数。在这类实施例中，由转换控制单元250接收的来自cc处理器240的一个或多个数字或模拟控制信号通过光隔离器255引起光反馈，该光隔离器255可以是在结果的输出电流极限中连续可变的粒状至点。也就是说，作为cc处理器240内工作的控制算法的函数和转换控制单元250内体现的变换，输出电流限制可以在任何任意值处实施。

在操作期间，cc处理器监视由电源105输送的电压和电流。如果电流低于其极限并且由负载设备110产生的负载增加，则在整流器230上的电压将下降。cc处理器240检测到该下降并且增大对于功率转换控制器215的“驱动”信号。功率转换控制器215增加功率晶体管220的占空比以向变压器225提供额外的电流，从而使电压恢复以及从电源105向负载设备110提供额外的电流。如果cc处理器240识别出被测量的电流处于最大允许(预先建立的)电流极限，并且电压下降，则它不增大对功率转换控制器215的驱动信号。电源105产生与极限相关联的电流的量，但是由于电流被限制，所以电压降低。用于实施图2a中元件的特定电路在本领域中是已知的，并且在本文中不对它们进行详细描述以避免混淆本主题。

cc处理器240允许为电源105配置动态电流极限。如下面参照图3更详细地描述的，cc处理器240经过连接器235建立与负载设备110的通信链路260(参见图1)，负载设备110使用定制消息框架以允许负载设备110配置一个或多个电流极限参数。在一些实施例中，当cc处理器240被重新配置以控制负载设备110看见增加的电流的速率时，cc处理器240逐步改变电流极限。负载设备110本身可以设定这些瞬态参数，因此其能够管理电源信号特性。示例电流控制参数包括电流极限，用于电流极限的变化的步长，指示在步长变化之间应该流逝多少时间的步长间隔参数，以及指示电流响应于步长变化应该多快变化的转换速率参数。如果负载设备110增加电流极限，则电源105可以根据指定的电流控制步长参数逐步地将电流极限增加到其新值。

图2b是根据一些实施例的图1系统中使得能够通过故障状况保持输出保护机制的可塌缩电源105的替代实施例的框图。在该实施例中，由转换控制单元250实施的变换被重新定位至存在于邻近功率转换控制器215或在功率转换控制器215内。在该实施例中，转换控制单元250采用输出电流极限设定有限集合，其能够经由来自cc处理器240的数字或模拟信号表示通过光隔离器255来配置。功率转换控制器215的进一步优化允许经由对初级侧回扫节点的电压和电流波形的实时监视以在次级侧上监视的电压和电流。虽然通常仅能够支持可选输出电压和电流极限有限集合，但是这种在初级侧上的布置实现以下优点：1)尽管会导致在次级侧上的处理设备的复位和重新启动的在次级侧上的短路事件，只要到来的ac电力存在，输出保护算法和电流/电压模式仍然被保留在转换控制单元250中，以及2)由于在次级侧中的离散电流监视和转换控制电路不再被需要，因此减少了总体部件成本和空间；这些功能存在于初级侧上，并且可以随着功率转换控制器215集成到同一ic封装中。

图3是根据一些实施例的用于配置电源105的电流参数的方法的流程图。在方法方框305中，电源105(例如cc处理器240)经过通信链路260与连接的负载设备110交换模式信息。电源105或负载设备110均可以启动查询(query)。

在方法方框310中，电源105确定负载设备110是否支持电流控制。方法方框310中，如果负载设备110不支持电流控制，则在方法方框315中选择默认模式。在一个实施例中，电源105支持默认或标准模式，例如usbc型(5v/3a)模式和/或电力输送标准模式(5v/5a)。不需要定制消息来选择默认模式。由相应标准定义的通信协议可以用于通知并且选择默认或标准模式。为了确定负载设备110是否能够支持电流控制，电源105或负载设备110均可经过通信链路260向另一方发送标准或定制协议消息。如果设备105、110中的任一个没有响应这样的查询，则查询设备105、110可假定被查询的设备105，110不支持电流控制。这样，负载设备110可以在其配置数据中包括指示其对电流控制模式的支持的信息。在方法方框305中，该配置数据可以与模式信息交换。

当在方法方框310中确定电源105和负载设备110支持电流控制时，在方法方框320中，电源105将其电流控制参数通知给负载设备110(例如响应于来自负载设备110的查询或在负载设备110连接到电源105时的配置交换期间)。在一些实施例中，所通知的电流控制参数可以包括电流范围，电压范围，步长范围，步长持续时间范围和转换速率范围。电源105还可以通知在指定范围内的电流控制参数的默认值。

在方法方框325中，电源105从负载设备110接收配置消息，其指定基于在方法方框320中通知的支持范围来选择的电流控制参数。

在方法方框330中，电源105基于所接收的电流控制参数来控制提供给负载设备110的电流。如上所述，cc处理器240基于指定的电流极限参数来限制提供给负载设备110的电流。

在方法方框335中，cc处理器240经过通信链路260从负载设备110接收新的电流控制参数。

在方法方框340中，电源105根据指定的步长、步长持续时间和转换速率参数逐步改变电流极限。

当交换定制消息以通知和配置电流控制参数时，电源105和负载设备110可以交换确认消息以指示已经接收到消息以及交换确定消息以指示已经实施该操作(例如已达新的电流极限)。

除了电流控制参数之外，电源105和负载设备110还可以经过通信链路260交换其它数据，诸如状态信息、被测电流、被测电压、先前消息以及消息是否已经实施、错误消息等。

在一些实施例中，电源105可以经过通信链路260从负载设备110接收软件更新。例如，cc处理器240可以在存储器242的一部分(例如“闪存”部分)中存储固件，固件包括用于实施本文所描述的电流控制或其它功能的软件指令。负载设备110可以使用定制信息框架内的通信链路260来发送固件更新。校验和、安全密钥等可以用于验证和认证固件更新。电源105可暂时与负载设备110断开并安装固件更新。在安装固件更新之后，负载设备110可以重新连接到负载设备110，以根据指定的电流控制参数恢复提供电源信号。

允许负载设备110配置电源105的电流控制设定，其允许负载设备110通过限制电流(对应于热)的量来执行热缓解技术，并且通过设定步长参数来控制电流极限变化的到来的瞬态。

在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实施。在本文描述的方法300可以通过在诸如图2的cc处理器240的计算设备上执行软件来实施，然而，这些方法并不是抽象的，因为它们改进了电源105的操作。在执行之前，软件指令可以从非暂时性计算机可读存储介质传送到存储器，诸如图2的存储器242。

软件可以包括存储在或以其他方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上的一个或多个可执行指令集。软件能够包括指令和某些数据，当由一个或多个处理器执行时，其操纵一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质能够包括例如磁盘或光盘存储设备，诸如闪存的固态存储设备，高速缓存，随机存取存储器(ram)或其他一个或多个非易失性存储器设备等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是由一个或多个处理器解释或可以其他方式执行的源代码，汇编语言代码，目标代码或其他指令格式。

计算机可读存储介质可以包括由计算机系统在使用期间可访问以向计算机系统提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质的组合。这样的存储介质能够包括但不限于光学介质(例如压缩盘(cd)，数字通用盘(dvd)，蓝光盘)，磁介质(例如软盘，磁带或磁硬盘驱动器)，易失性存储器(例如随机存取存储器(ram)或高速缓存)，非易失性存储器(例如只读存储器(rom)或闪存)或基于微机电系统(mems)的存储介质。计算机可读存储介质可以嵌入在计算系统(例如系统ram或rom)中，固定附接到计算系统(例如磁硬盘驱动器)，可移除地附接到计算系统(例如光盘或基于通用串行总线(usb)的闪存)，或者经由有线或无线网络(例如网络可访问存储(nas))联接到计算机系统。

电源包括：连接器；功率转换控制器，该功率转换控制器用于在连接器处产生电源信号；以及通信和控制处理器。通信和控制处理器经过连接器中的通信链路接收包括电流极限的电流控制参数集合，接收电源信号的电流和电压的测量结果，并且基于所接收的电流控制参数以及电流和电压的测量结果生成用于控制功率转换控制器的驱动信号。

一种方法，包括在电源的连接器处产生电源信号。经过电源的外部连接器中的通信链路在电源中接收包括电流极限的电流控制参数集合。产生电源信号的电流和电压的测量结果。基于所接收的电流控制参数以及电流和电压的测量结果来控制电源信号。

注意，并不需要在一般描述中如上所述的所有活动或元件，可能不需要特定的活动或设备的一部分，并且除了所描述的那些之外，还可以执行一个或多个进一步的活动，或者包括一个或多个元件。更进一步，列出的活动的次序不一定是它们被执行的次序。

此外，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离如在所附权利要求书中所阐述的本公开范围的情况下，能够做出各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的意义，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

上面已经关于具体实施例描述了益处、其他优点和对问题的解决方案。然而，可以导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加显著的益处、优点、对问题的解决方案以及任何一个或多个特征不应被解释为任何或所有的权利要求的决定性的、需要的或基本的特征。