一种电源定制连接装置和方法与流程

本发明涉及电源连接技术，例如一般性电源安全搭建和可靠安全连接，特别是一种电源定制连接装置和方法，有利于实现电源电压电流定制及监督链路损失、保证安全连接的电源连接方案，从而避免了因电源与负载不匹配或因连接链路不可靠而可能导致的问题。

背景技术

随着高功率智能手机充电的普及以及预估未来家用自行机器的普及，如何可靠、高效地充电、供电是亟待完善、改善的技术。这方面已经有了快速充电方案的尝试，还有pd(受电设备)电源输送方案等。受电设备通过电缆线从来自外部的电源对其内部电池进行充电或直接供电使用，其充电过程是充电器通过交流直流变换器产生直流稳压输出电源，经过电缆线连接到手机后、由手机内的充电电路再次控制和调节输出到电池充电所需的电流和电压以完成充电过程。有些方案采用了由交流-直流变换器直接产生恒流恒压输出，利用电缆连接到电池设备完成充电的电路构造。与其它充电器利用电池保护电路防止不匹配的充电电压对电池过充不同，有些方案的设备侧发送信号控制交流-直流变换器的输出电压，例如，只在确认交流-直流变换器的配套后才启用更大功率的充电，如果不能确认配套则只在默认为安全的、较小的功率下充电，从而保证了有限功能意义上的互换性和通用性。lps有限功率电源涉及包括充电电压、电流上限等的安全原则。本发明人发现，现有技术中的电源授受系统复杂，例如需要复杂的通信过程才能搭建链路，搭建所使用的通信连接不依赖于电源授受链路而使两个链路存在不呼应的意外机会。同时，本发明人认为，对于仅要求对使用的电缆识别，并不检查电缆或链路实际连接的情况，这意味着一条符合认证要求的电缆如果出现接触异常或者电缆本身部分异常时无法保证可靠连接。另外，lps有限功率电源安全认证要求中只规定了可公认为安全的功率范围，而该范围仍足以导致熔毁等故障。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种电源定制连接装置和方法，有利于实现电源电压电流定制及监督链路损失、保证安全连接的电源连接方案，从而避免了因电源与负载不匹配或因连接链路不可靠而可能导致的问题。

本发明的技术方案如下：

一种电源定制连接方法，其特征在于，包括以下内容，在通过电缆连接线实现连接的电源侧与负载侧之间，所述电源侧和所述负载侧均利用所述电缆连接线进行定制连接的通信，所述定制连接是指所述负载侧以所述电源侧所提供的校准电压和/或校准电流为依据，向所述电源侧发出电压、电流和/或功率需求，所述电源侧按照所述负载侧的需求进行电压和/或电流的输出控制。

所述定制连接的通信采用脉冲序列的频率和占空比来传达电压和电流这两个数据。

所述频率表示电压值，即较长的周期时间代表更高的电压；所述占空比表示电流值，即等间距的脉冲序列代表0电流，偏离等间距越大代表电流越大。

设相邻两个脉冲发出点之间的间隔时间为tv，tv即为周期时间，又设一个脉冲的脉冲宽度为dc，占空比即为(tv-dc)/dc，tv表示电压值，占空比表示电流值。

所述负载侧具有负载侧连接器，脉冲生成电路，以及电压/电流检测电路，所述电压/电流检测电路通过所述脉冲生成电路连接所述负载侧连接器，所述负载侧连接器通过所述电缆连接线连接源侧连接器；所述电源侧具有电压/电流输出控制电路，以及脉冲接收计时电路，所述脉冲接收计时电路和所述电压/电流输出控制电路均连接所述源侧连接器。

所述校准电压和/或校准电流采用以下方式：连线电压从低于欠压阈值起开始升高到阈值电压后开始第一计时段计时，同时电源侧输出电压继续上升至校准电压，负载侧接收校准电压，经过第一计时段后电源侧将输出电流由连接电流提升至校准电流，负载侧接收校准电流，之后负载侧向电源侧依次按实受电压传送电压信息和实受电流传送电流信息，供电源侧用以后续调整或后续校准发送出去的电压和电流，以使负载侧的后续实受电压和后续实受电流达到计划值。

所述定制连接采用授受条件定制，即定制电源输出电压、限流和上限电压，通过负载侧向电源侧的定制来保证连接的匹配与安全；或者，所述定制连接采用安全尝试，即尝试输出更高电压的方案，以便安全地启动不同输出电压限制；或者，所述定制连接采用授受过程监督，用以监督和保证可靠连接，包括报告负载侧所看到的电压和电流，当连接出现问题时可及时发现调整。

所述定制连接采用授受条件定制，所述授受条件定制是指负载侧根据自身需求向电源侧提出电压和电流的定制要求，这一过程包括两个步骤：1)电源侧和负载侧连接并上电后，连接电流为零，即零电流阈值以下，连线电压升高到阈值电压后开始第一计时段计时并继续上升至校准电压后，在第一计时段的时间段内负载侧将授受电压及最大电流的需求即电流定制回传到电源侧，假设此时无路径压降，即利用无电流时通过脉冲序列将电压读数和最大电流需求回传到电源侧；2)经过第一计时段的时间间隔后进入第二计时段，此时将连接电流提升至一个较小的校准电流，负载侧将读取的校准电流值及电压要求即电压定制回传到电源侧，即将小电流时的电流读数和电压要求回传到电源侧，这时假定无漏电，以此来实现对电源侧电流和电压的定制。

所述定制连接采用安全尝试，所述安全尝试是指安全地启动不同输出电压限制，当输出电压达到某个电压范围的上限时负载侧需要降低电流到满足iv即功率变化窗口规定的范围，这时电源侧降低限流、输出试图提升一个有限的电压增量；如果电压提升后电流依然保持在iv窗口内，则继续启用下一级的电压和电流限制进行尝试，直至1)电压因电流升高无法提升预期点电压增量；或2)电流进一步降低进入保持状态，持续这一过程直至找到最高安全电压。

一种电源定制连接装置，其特征在于，包括电源侧和负载侧，所述负载侧具有负载侧连接器，脉冲生成电路，以及电压/电流检测电路，所述电压/电流检测电路通过所述脉冲生成电路连接所述负载侧连接器，所述负载侧连接器通过所述电缆连接线连接源侧连接器；所述电源侧具有电压/电流输出控制电路，以及脉冲接收计时电路，所述脉冲接收计时电路和所述电压/电流输出控制电路均连接所述源侧连接器。

本发明的技术效果如下：本发明的一种电源定制连接装置和方法，利用电源电缆线传输带有特定信息编码方式(脉冲序列的频率和占空比来表示电压和电流值)的脉冲信号以实现电源侧和负载侧的通讯，可实现对源侧电压及电流的定制、安全电压范围的确定并对连接状态进行监测和安全保护。与现有技术相比的优点是通讯方式简洁可靠，不需要占用额外资源，可实现多种功能，例如定制、安全范围确认、授受过程监督等。

本发明利用电源侧到负载侧之间的连线(电缆线)上脉冲序列的特殊编码表达方式实现简洁通信，并由此实现3个不同层面的可靠连接，包括安全尝试，授受条件定制和授受过程监督等方面。安全尝试：一种尝试输出更高电压的方案，目的是安全地启动不同输出电压限制。一些快速充电方案采用提高充电电压的方式来进行大功率电能传输，但前提是要确认被充电端(负载端)可以接受高压充电，否则将出现问题。授受条件定制：定制电源输出电压、限流和上限电压。通过负载侧向源侧的定制来保证连接的匹配与安全。授受过程监督：用以监督和保证可靠连接，包括报告负载侧所看到的电压和电流，当连接出现问题(如接触不良或意外断开)时可及时发现调整。这3个层面的可靠连接可由多种不同方案实现(如前述的“已有方案”)，本发明提供了一种更加简洁可靠的实现方案。电源与负载可靠连接技术的应用范围很广，几乎涉及到任何可移动设备。在实现方案时不必要的过度开销会导致社会资源的巨大浪费，而本发明却能够系统性地以低代价实现这些。

附图说明

图1是实施本发明一种电源定制连接装置的结构示意图。

图2是控制脉冲示意图。

图3是电流及电压定制过程示意图。

图4是启动不同电压输出范围的建议规定。

附图标记列示如下：1-电源侧；2-电压/电流输出控制电路；3-脉冲接收计时电路；4-源侧连接器；5-电缆连接线；6-负载侧连接器；7-脉冲生成电路；8-脉冲信号或脉冲序列；9-负载侧；10-电压/电流检测电路；11-相邻第一个脉冲；12-相邻第二个脉冲；13-输出电压或连线电压；14-输出电流或连接电流；dc-脉冲宽度；tv-相邻两个脉冲发出点之间的间隔时间；vt-阈值电压或电压阈值；vu-欠压阈值；tvc-第一计时段；tcc-第二计时段；vc-校准电压；tvr-第三计时段(如图3所示，电源侧输出电流降至零电流阈值以后，经过第三计时段tvr后，电源侧输出电压开始由标准电压上升至实际电压va。)；tvcs-第四计时段(如图3所示，电源侧输出电流降至零电流阈值以后，经过第四计时段tvcs后，电源侧输出电流开始上升至实际电流ia。)；va-实际电压或实受电压；vs-定制电压；vm-电压限制；ic-校准电流；ia-实际电流或实受电流；id-默认安全电流；iz-零电流阈值；is-定制电流；im-电流限制。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图4)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种电源定制连接装置的结构示意图。图2是控制脉冲示意图。图3是电流及电压定制过程示意图。图4是启动不同电压输出范围的建议规定。如图1至图4所示，一种电源定制连接方法，其特征在于，包括以下内容，在通过电缆连接线5实现连接的电源侧1与负载侧9之间，所述电源侧1和所述负载侧9均利用所述电缆连接线5进行定制连接的通信，所述定制连接是指所述负载侧9以所述电源侧1所提供的校准电压vc和/或校准电流ic为依据，向所述电源侧1发出电压、电流和/或功率需求，所述电源侧1按照所述负载侧9的需求进行电压和/或电流的输出控制。所述定制连接的通信采用脉冲序列8的频率和占空比来传达电压和电流这两个数据。所述频率表示电压值，即较长的周期时间代表更高的电压；所述占空比表示电流值，即等间距的脉冲序列代表0电流，偏离等间距越大代表电流越大。设相邻两个脉冲发出点之间的间隔时间为tv，tv即为周期时间，又设一个脉冲的脉冲宽度为dc，占空比即为(tv-dc)/dc，tv表示电压值，占空比表示电流值。

所述负载侧9具有负载侧连接器6，脉冲生成电路7，以及电压/电流检测电路10，所述电压/电流检测电路10通过所述脉冲生成电路7连接所述负载侧连接器6，所述负载侧连接器6通过所述电缆连接线5连接源侧连接器4；所述电源侧1具有电压/电流输出控制电路2，以及脉冲接收计时电路3，所述脉冲接收计时电路3和所述电压/电流输出控制电路2均连接所述源侧连接器4。所述校准电压vc和/或校准电流ic采用以下方式：连线电压从低于欠压阈值vu起开始升高到阈值电压vt后开始第一计时段tvc计时，同时电源侧1输出电压13继续上升至校准电压vc，负载侧9接收校准电压vc，经过第一计时段tvc后电源侧1将输出电流14由连接电流提升至校准电流ic，负载侧9接收校准电流ic，之后负载侧9向电源侧依次按实受电压va传送电压信息和实受电流ia传送电流信息，供电源侧用以后续调整或后续校准发送出去的电压和电流，以使负载侧的后续实受电压和后续实受电流达到计划值(此处意为电源侧将输出给负载侧的校准电压及校准电流和负载侧实际接收到的电压、电流进行对比，从而计算出误差值并据此调整电压电流的基准，以便在后续输出电压电流时针对这一误差做出相应的调整，使负载侧的实受电压电流达到计划值。)。

所述定制连接采用授受条件定制，即定制电源输出电压、限流和上限电压，通过负载侧向电源侧的定制来保证连接的匹配与安全；或者，所述定制连接采用安全尝试，即尝试输出更高电压的方案，以便安全地启动不同输出电压限制；或者，所述定制连接采用授受过程监督，用以监督和保证可靠连接，包括报告负载侧所看到的电压和电流，当连接出现问题时可及时发现调整。

所述定制连接采用授受条件定制，所述授受条件定制是指负载侧根据自身需求向电源侧提出电压和电流的定制要求，这一过程包括两个步骤：1)电源侧和负载侧连接并上电后，连接电流为零，即零电流阈值以下，连线电压升高到阈值电压后开始第一计时段tvc计时并继续上升至校准电压后，在第一计时段tvc的时间段内负载侧将授受电压及最大电流的需求即电流定制回传到电源侧，假设此时无路径压降，即利用无电流时通过脉冲序列将电压读数和最大电流需求回传到电源侧；2)经过第一计时段tvc的时间间隔后进入第二计时段tcc，此时将连接电流提升至一个较小的校准电流，负载侧将读取的校准电流值及电压要求即电压定制回传到电源侧，即将小电流时的电流读数和电压要求回传到电源侧，这时假定无漏电，以此来实现对电源侧电流和电压的定制。所述定制连接采用安全尝试，所述安全尝试是指安全地启动不同输出电压限制，当输出电压达到某个电压范围的上限时负载侧需要降低电流到满足iv即功率变化窗口规定的范围，这时电源侧降低限流、输出试图提升一个有限的电压增量；如果电压提升后电流依然保持在iv窗口内，则继续启用下一级的电压和电流限制进行尝试，直至1)电压因电流升高无法提升预期点电压增量；或2)电流进一步降低进入保持状态，持续这一过程直至找到最高安全电压。

一种电源定制连接装置，其特征在于，包括电源侧1和负载侧9，所述负载侧9具有负载侧连接器6，脉冲生成电路7，以及电压/电流检测电路10，所述电压/电流检测电路10通过所述脉冲生成电路7连接所述负载侧连接器6，所述负载侧连接器6通过所述电缆连接线5连接源侧连接器4；所述电源侧4具有电压/电流输出控制电路2，以及脉冲接收计时电路3，所述脉冲接收计时电路3和所述电压/电流输出控制电路2均连接所述源侧连接器4。

图2描述了本发明所提出的一种用脉冲序列的频率和占空比来传达电压和电流这两个数据的方案。如图2所示，其中tv是任何隔1个脉冲的间隔时间(即频率)，用来表示电压值。较长的周期时间代表更高的电压，但超过预期的间隔将导致电源电压复位到安全的默认值；采用与间隔成正比的表达使得可能的脉冲干扰只引起电压下降。电流则用相邻的间隔时间比例关系来表达，即(tv-dc)/dc(即占空比)。等间距的脉冲序列代表0电流，偏离等间距越大代表电流越大。本发明在实现上需要在源侧增加脉冲接受计时电路用以调控电压/电流的输出，在负载侧增加电压/电流检测电路用以生成相应的脉冲信号。脉冲接受计时电路、电压/电流输出调控电路、电压/电流检测电路和脉冲信号生成电路单元无论是采用数字电路方案还是模拟电路方案，都较易实现。

图3解释了电压、电流校准，电压电流报告和电压电流定制的方案。首先说明电压、电流校准的方式。连线电压从低于欠压阈值vu起(相当于初次建立连接或有电源主动启动一次冷复位时)开始升高到阈值电压vt(对usb电缆而言是5v)后开始tvc计时，同时源侧输出电压继续上升至校准电压vc，负载侧接收校准电压。经过时间间隔tvc后源侧将输出电流由连接电流提升至校准电流ic，负载侧接收校准电流。之后负载侧向电源侧依次按实受电压传送电压信息和实受电流传送电流信息，供电源侧用以后续调整或后续校准发送出去的电压和电流，以使负载侧的后续实受电压和后续实受电流达到计划值。

授受条件定制是指负载侧根据自身需求向源侧提出电压和电流的定制要求。这一过程包括两个步骤：1)源侧和负载侧连接并上电后，连接电流为零(零电流阈值以下)，连线电压升高到阈值电压后开始tvc计时并继续上升至校准电压vc后，在tvc时间段内负载侧将授受电压及最大电流的需求(电流定制)回传到源侧(假设此时无路径压降)，即利用无电流时通过脉冲序列将电压读数和最大电流需求回传到源；2)经过时间间隔tvc后进入tcc时段，此时将连接电流提升至一个较小的校准电流ic，负载侧将读取的标准电流ic值及电压要求(电压定制)回传到源侧，即将小电流时的电流读数和电压要求回传到源，这时假定无漏电。以此来实现对源侧电流和电压的定制。上述这两个步骤均仅在初次上电或者重复上电过程时出现。

图4描述了启动不同电压输出范围的建议规定。安全尝试是一种安全地启动不同输出电压限制的方式，其目的在于配合电池包设计限制电池保护后需要承受的最高电压。pd/usbif、ul2054、gb31241、gb18287和ul60950对电池保护电路耐压和按电池电压范围的安全要求提出了<5.5v、20v～30v和30v～60v共3个电压范围段。如要保证电源安全地配用不同电压段的电池，需要在启用高电压输出时核实电池的电压限制。参考图4，当输出电压达到某个电压范围的上限时负载侧需要降低电流到满足iv变化窗口规定的范围，这时电源侧降低限流、输出试图提升一个有限的电压增量；如果电压提升后电流依然保持在iv窗口内，则可继续启用下一级的电压和电流限制进行尝试，直至1)电压因电流升高无法提升预期点电压增量；或2)电流进一步降低进入保持状态。持续这一过程直至找到最高安全电压。实际的输出电压应小于定制输出电压及最高安全电压。这里所列举的三个电压范围仅是举例，本发明可涵盖多种不同的电压范围。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。