专利名称：智能休眠和唤醒的电源适配器供电系统的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种具有智能休眠和唤醒的电源适配器供电系统，它由电源适配器和待充电系统共同 构成并匹配使用。
背景技术：
降低能耗，节约能源是当今世界科技发展的趋势和重耍课题。世界各国目前都在制定和实施相应的降
低电源适配器功耗的法规和标准(例如美国的Energy Star (能源之星)，CEC(加州能源委员会)，中国的 CECP(中国节能计划)等)，而其中降低电源适配器的空载损耗是重要的组成部分。
在实际电源适配器(例如笔记本电脑电源适配器，手机充电器，车载充电器，机载充电器，MP3充电 器，数码相机充电器等等)的应用中，为了使用方便，在很多情况下，用户在不使用电源适配器时，电源 适配器仍然通电，即电源输入线保持与交流插座相连(或者车载充电器与汽车点烟座相连)。在这种情况 下，虽然电源适配器在与待充电设备断开连接(即处于空载情况下)时，输出电压仍然保持正常，消耗一 定能量。而此时的输出电压对用户本身并没有意义，所以这种情况下，电源适配器的功耗是没有必要的。
现有的解决方案是在空载情况-K，电源研发人员致力于减小电源适配器内部的各种电路和零件的功 耗，例如各种功率元件，磁性元件的损耗等等，还有让电源适配器处于较为特殊的l:作模式(例如Burst Mode(脉冲模式))等等。但是现有方案的对空载能耗的减小是有限的，在空载情况下输山电压仍然持续存 在，还是消耗了一些无谓的能量。
发明耍点
本发明专利是针对上述问题和现有解决方案的缺陷而提出的，目的是降低电源适配器空载时的功耗， 利用本方案可以大大降低空载能耗，从而达到节约能源的目的。
这种新型的电源适配器输出有三条线(如
图1):除去通常的正极输出线和地线外，还有一条信号线。 电源适配器和待充电系统通过信号线持续监视相互连接状况，当电源适配器与系统断开连接，电源适配器 通过信号线侦测到外设的断开情况，在一定的延迟休眠时间(例如3分钟)内没有再次与系统相连，电 源适配器将自动进入休眠状态，内部绝大部分电路关闭，输出电压变为零，这样电源适配器的空载功耗变 得极低，可以在50mW以下。当电源适配器再次与系统连接时，系统通过信号线传送一个唤醒信号，屯源 适配器输山恢复正常。
本发明的核心是
(1) 电源适配器在空载时定时关断，从而达到节省能源的功能。
(2) 待供电系统的唤醒功能。它将使电源适配器从休眠中恢复正常工作。
(3) 只需耍一条信号线完成电源适配器和待充电系统之间所有对象侦测和唤醒信号传送的功能。
该方案既适用于AC to DC(交流到直流)的电源适配器，也适用于DC to DC(直流到直流)的电源适配 器。该发明能广泛应用于目前的电源适配器中，不受电路拓扑限制。 采用本方案之后的优势是
目前消费电子产品(例如笔记本电脑，MP3，手机，数码相机等等)电源适配器，设计得比较好的空载 损耗在大约在300mW左右，应用本方案以后，空载损耗能降低为50mW以下。全球有上亿只电源适配 器，如果未来业界使用这个专利，整体上将大大节约能耗。
技术方案描述
如图2,电路一部分位于电源适配器内，另一部分位于待充电设备内，两部分电路由唯一的一根信号 线通讯，并同时作用，完成对象侦测，定时关断，唤醒等功能。在电源适配器端的电路，由Bias Voltage Source (偏置电压源)，ISO-1 Trigger Circuit (光耦触发电路)，ISO-2 Reset Circuit (光耦重置电路)，Reference Voltage Source (参考电压源)，Target Device Detector (外设侦测器)，Timer (定时器)，电源适配器匹配电 阻R—A构成。而在待充电设备端的电路由待充电外设匹配屯阻R—D， External Power Adapter&DC Line in
Detector (外部电源适配器和直流输入电源侦测器)，Wake-叩signal generator (唤醒信号发生器)，两个参 考电压源(Reference Voltage Source)构成。注意待充电设备这部分电路是由设备内部电池供电。
当电源适配器与待充电设备相连时，在侦测电路作用下，定时关断和唤醒功能不工作。当电源适配器 与待充电设备断开连接后，如果电源适配器仍然通电，即输入(交流或直流)仍然存在，定时器开始工作， 一定的延迟休眠时间(例如3分钟)后，定时器设定时间到，触发关断电路，电源适配器内部大部分电路 关闭，输出电压从正常的Vout(输出电压)变为0.当待充电设备(本身带有电池)，再次与之相连的时候， Wake-叩signal generator (唤醒信号发生器)发送一个唤醒信号使电源适配器恢复输出。另外，重置电源适 配器输入才能唤醒已经休眠的电源适配器。当电源适配器关断后，仅有电源输入端滤波器，桥式二极管， 偏置电压源和电容C4漏电流等零件耗电(如图3),这样可以将空载功耗降到极低的状态(小于50mW)，从 而达到在空载是减小能耗的目的。
待充电的外设包括笔记本电脑电源，手机，MP3，数码相机，便携式收音机等等利用电源适配器充电的设备。
延迟休眠时间的设置是为了避免不必要的休眠和唤醒，在下文用T一blank代替，注意T_blank可以任意适 当设置，3分钟只是一个例子。
图1:具有三条线输出的电源适配器结构
下面结合附图和实施例对该发明专利进一步说明。
以目前流行的Flyback(反激)拓扑为例来说明这个方案的实现。以下是设计框图，其中虚线内是为了实现这 个方案的电路.同时，同样的电路应用于Buck(降压)变换器(例如车载充电器)。
注本方案以Flyback(反激)，Buck(降压)拓扑为例说明，但是它并不仅限于Flyback(反激)，Buck(降压)拓
扑，而是适用于所有电路拓扑。
图2:电路模块图(AC/DC应用)
图3:详细的电路图(AC/DC应用)
图4:详细的电路图(DC/DC应用)
如图3:以下是每个模块电路的详细描述
Block-1 (模块一 ，虚线左边的电路)位于电源适配器内
1. Bias Voltage Source(偏置电压源)主要由电阻分压器(R3,R4,R5，R6)，稳压管(ZD1),滤波电容(C1)等构 成。其主要目的是由输入电压建立一个偏置电压源。
2. ISO-1 Trigger Circuit (光耦触发电路)主要由光耦(ISO-l),限流电阻(R6， R7)， NPN三极管(Q1)，滤波 电容(C2)等构成。其主要目的是在T一blank (大约3分钟)时间到时，在将主电源芯片控制引脚拉为低 电平，以达到关断电源的作用。(注目前大部分PWMIC都有一个控制引脚，如果将此PIN拉为低电平， 该PWM1C将关断并且锁住，整个电源也就关断了。)
3. 1SO-2 Reset Circuit(光耦重置电路)主要由光耦(lSO-2),限流电阻(R24),开关(SWl, SW3)，稳压管(ZD3), 等构成，其主要目的是当外设发送唤醒信号后，重置Vcc.(注目前大部分PWM IC的VCC引脚，当 PWMIC在锁住后，如果重置Vcc， PWM控制器会重启。)
其中
开关SW1:当IS02光耦导通，VJ)ias引入时，关断；当IS02光耦不导通时，导通。 开关SW3:当电源适配器输出电压Vout为高电平时，关断当Vout为零时，导通。
当稳压管ZD3被唤醒信号击穿后，IS02被触发，SW1被重置。
4. Target Device Detector(外设侦测器)
主要由U1A电压比较器分压电阻(R11，R12) ，二极管D3等构成。 其主要目的是侦测待充电外设的连接状态，并根据不同的连接情况设定定时器。
电源适配器输出电压给比较器U1A供电，参考电压源输入U1A的正相输入端。当电源适配器不与外部待 充电设备相连的时候，输出电压Vout通过R12，Rll，D3和R—A分压形成电压输入U1A的反相输入端，该 电压大于参考电压源Vref, U1A输出为低电平，开关SW2导通，Vout启动定时器。如果电源适配器与待 充电设备相连，外设内匹配电阻R—D通过信号线参与U1A分压，引起比较器U1A反相输入端电压变化。 适配器输出电压通过R12, Rll， D3， R—A和R—D分压形成电压输入U1A的反相输入端。该电压小于参考 电压源Vref， U1A输出为髙电平，SW2关断，Q2导通，定时器重置。
5. Timer(定时器)
主要由555定时器，NPN三极管Q2， SW2开关等构成。
其主要目的是设置T一blank (大约三分钟)时间，如果在T一blank时间内，外设接入，U1A输出为高电 平，SW2断开，Q2被触发，将定时器重置。
其中SW2:当U1A输出为高电平时，关断；当U1A输出为零时，导通。
6. Reference Voltage Source(参考电压源)
主要由TL431，限流电阻R13，分压电阻R14，R15等构成。
其主要目的是建立一个参考电压源。该参考电压源是从适配器的输出电压转换而来。如果这是个AC-DC 型开关电源，该偏置电压源位于次级。
7. 电源适配器匹配电阻R—A
当适配器与待充电外设相ji时，该电阻参与U3比较器反向输入端的分压，从而影响U3的输出状态。待 充电外设通过U3的输出状态来判断是否连接电源适配器。
Block-2 (模块二，虚线右边的电路)位于待充电的外设内
1. 待充电外设匹配电阻R—D
^适配器与待充电外设相连时，该电阻参与U1A比较器反向输入端的分压，从而影响U1A的输出状态。 电源适配器通过U1A的输出状态来判断是否连接待充电外设。
2. Reference Voltage Source(参考电压源)
主要由TL431,限流电阻R21,分压电阻R22，R23等构成。
其主要目的是建立一个参考电压源VrefJ。该参考电压源是从适配器的输出电压转换而来，位于待充电系 统内部。该信号输入U3比较器的正相输入端。
3. Bias Voltage Source(偏置电压源)
主要由TL431,限流电阻R25，分压电阻R26，R27等构成。
其主要目的是建立一个偏置电压源V_bias_2。该参考电压源是从适配器的输出电压转换而来，位于待充电 系统内部。该偏置电压源给U3比较器供电。
注意Vout>V_battery>V—bias—2>VrefJ, 其中V一battery是由待充电设备内部电池供给的
4. External Power Adapter&DC Line in Detector(外部电源适配器和直流输入电源侦测器)
主要由电压比较器U3，分压电阻(R17，R18),开关SW4, 二极管D4， NPN三极管Q14，稳压二极管ZD4等
构成。其主要目的是侦测电源适配器的连接状态。电源适配器匹配电阻R—A通过信号线参与分压，引起 比较器U3反相输入端电压变化。外设通过U3的输出状态来判断是否连接^电源适配器。
电源适配器输出电压输入待充电设备，图3中，DC-Line电压就等于Vout.开关SW4:当DCLine为高电 平时，关断；当DC Line为零时，导通。
当电源适配器不与外部待充电设备相连的时候，SW4导通，VJ)ias一2通过R17,R18，D4和R一D分压输入 U3的反相输入端。该电压高于Vref—1， U3输出电压为低电平，该低电平不能触发唤醒信号发生器。
当电源适配器与与外部待充电设备相连的时候，
(1) 情形l:电源适配器工作，DC-Line将直接关闭唤醒信号发生器。
(2) 情形2:电源适配器不工作，SW4导通，V—bias—2通过R17，R18，D4，R—D，R—A分压输入U3的反相输 入端。该电压低于Vref一l, U3输出电压为高电平，i高电平触发唤醒信号^生器。
5.唤醒信号发生器(Wake-up signal generator). 主要由555定时器，二极管D5等构成。 主要目的发送唤醒信号。
如图3， U3输出电压为高电平，该高电平触发唤醒信号发生器。唤醒信号经二极管D5，信号线，传入电 源适配器内部，击穿ZD3，触发IS02.同时由于唤醒信号高于VJ)ias—2，D4关断，ZD4击穿，Q14导通。 因此比较器U3的输出不变直到电源适配器被唤醒，输出电压正常，SW4将会被切断。
开关SW1，SW2,SW3，SW4是P型MOSFET加一些驱动电路。如图3,当V—trigger为高电平时，开关关断， 当V一trigger为低电平时，开关导通。
图4:详细的电路图(DC/DC应用)，原理与交流转直流(AC/DC)应用相同。 以下是一些典型应用情况
(l)情形l:电源适配器定时休眠，利用待充电外设重启(如图5) 图5:电源适配器定时休眠，利用待充电外设重启 时序描述
Tl:电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)。
T2:电源适配器的输出上升到正常值，不与待充电系统相连，电源适配器内部定时器开始计时。
T3: —定时间(T—blank,例如3分钟)后，电源适配器内部电路触发，关闭内部电路，电源适配器输出
电压降为零。
T4:将电源适配器插入待充电系统，系统传送唤醒信号，电源适配器恢复输出。(注意也可以用重置交 流或直流输入来重置电源适配器，恢复输出)。
参见图3， Tl时刻，当电源适配器接上交流电后，电源适配器正常工作，开关SW3关断，不与待充电系 统相连，比较器U1A的输出电压为低电平。SW2导通，Vout设置定时器，计时开始，在T3时刻，T_blank 时间到，定时器输出触发！SOl，Ql导通，PWM芯片的控制脚被拉为低电平，电源适配器关断，输出电压 变为零。此时待充电设备接口， U3的输出是低电平，不会触发Pulse Generator。 T4时刻，电源适配器与 待充电设备相连，起初，电源适配器输出为零，因为匹配电阻R一A参与分压，U3输出翻转成高电平，它将 触发Pulse Generator,唤醒信号通过D5，信号线，稳压管ZD3, IS02,重设PWM控制器，电源适配器恢复输 出。当DC-line输出正常后，Pulse Generator被屏蔽。.
(2) 情形2:电源适配器将要休眠之前与待充电外设相连(如图6) 图6:电源适配器将要休眠之前与待充电外设相连
时序描述-
Tl:电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)。
T2:电源适配器的输出上升到正常值，不与待充电系统相连，电源适配器内部定时器开始计时。
T3: —定时间AT(〈TJ)lank)后，将电源适配器插入待充电系统，适配器内部定时器被重置，输出保持正常。
参见图3， Tl时刻，电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)，T2时刻，电源适配 器的输出上升到正常值，比较器U1A输出为低电平，电源适配器没有和待充电外设相连，SW2处于导通 状态，定时器开始计时。经过aT(注AT<T—blank)时间后，T3时刻，将电源适配器插入待充电系统，由 于待充电设备匹配电阻R_D的参与分压，比较器U1A输出翻转成高电平。SW2关断，Q2导通，将定时 器重置并停止工作。电源适配器的工作状态被保持着，输出电压保持正常。
(3) 情形3:电源适配器在将要休眠之前与待充电外设相连， 一段时间后断开连接，然后再与外设连接， 被唤醒重启。(如图7)
图7:电源适配器在将要休眠之前与待充电外设相连， 一段时间后断开连接，然后再与外设连接，被唤醒重启。
时序描述
Tl:电源适配器通电(将输入电源线(交流或者直流)插入输入插座)。
T2:电源适配器的输出上升到正常值，不与待充电系统相连，电源适配器内部定时器开始计时。
T3: —定时间ATe^T—blank)后，将电源适配器插入待充电系统，适配器内部定时器被重置，输出保持正常。
T4:电源适配器与充电外设断开连接，电源适配器内部定时器开始计时。
T5: T—blank时间到，电源适配器输出关断。
T6: ^电源适配器插入待充电系统，系统传送唤醒信号，电源适配器恢复输出。(注意也可以用重置交流 或直流输入来重置电源适配器，恢复输出)。
参见图3，从T1时刻到T3时刻工作原理与情形2相同。T4时刻，电源适配器与充电外设断开连接，电源 适配器内部定时器开始计时。T5时刻，T—blank时间到，定时器输出高电平，ISOl导通，V—bias通过R6 触发Ql,将PWM控制器拉低关断，从]^整个电源输出关断。T6时刻，将电源适配器插入^充电系统， 系统传送唤醒信号，电源适配器恢复输出。(注意也可以用重置交流或直流输入来重置电源适配器，恢复 输出)。
权利要求
1.一种电源适配器供电系统，由电源适配器内部控制电路和待充电系统内部电路通过信号线共同作用，实现智能休眠/唤醒的功能。其特征为电源适配器在空载时定时关断，输出电压为零，当与待充电系统相连时电源适配器被唤醒，输出电压恢复至正常值。
2. 如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，相应的控制电路一部分位于电源适配器内，另一部分位于 待充电设备内，两部分电路由唯一的一根信号线通讯，并同时作用，完成对象侦测，定时关断，唤醒等功能。 在电源适配器端电路，由偏置电压源，光耦触发电路，光耦重置电路，参考电压源，外设侦测器，定时器， 电源适配器匹配电阻构成。而待充电设备端电路由待充电外设匹配电阻，外部电源适配器和直流输入电源 侦测器，唤醒信号发生器，两个参考电压源构成，待充电设备端电路电源是由其内部电池供给的。
3. 如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，电源适配器在与待充电系统断开连接且输入端仍然通电的情况下，休眠功能动作并不立即动作，而是在一定的延迟休眠时间后动作(内部关断电路工作，输出电压 由正常值变为零)。
4. 如权利要求1所述的电源适配器供电系统中，除去通常的正极输出线和地线，只需要附加一条信号线完 成电源适配器和待充电设备间所有对象侦测和唤醒信号传送的功能。
5. 如权利要求l所述的电源适配器供电系统中，电源适配器和待充电设备间，利用电阻进行互相匹配侦测 来判断对象连接情况的方法。
6. 如权利要求l所述的电源适配器供电系统中，当电源适配器休眠后，如果待充电系统内电池没电或者电池被拔出，可以用重置电源适配器输入(即将电源线从交流或者直流的插座中拔出，然后再重新插入)的 办法唤醒电源适配器，恢复正常输出。
全文摘要
本发明公开了一种具有智能休眠和唤醒的电源适配器供电系统及其实现电路。这种电源适配器输出有三条线除去通常的正极输出线和地线外，还有一条信号线。电源适配器和待充电系统通过信号线持续监视相互连接状况当电源适配器与系统断开连接，电源适配器通过信号线侦测到外设的断开情况，并且在一定的延迟休眠时间内没有再次与系统相连，电源适配器将自动进入休眠状态，内部绝大部分电路关闭，输出电压变为零，这样电源适配器的空载功耗变得极低，从而达到节省能源的目的；当电源适配器再次与系统连接时，系统通过信号线传送一个唤醒信号，电源适配器输出恢复正常。本发明能广泛应用于目前的电源适配器中，不受电路拓扑限制。
文档编号G05B19/04GK101355256SQ20081006755
公开日2009年1月28日 申请日期2008年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者幸 李 申请人:幸 李