多模开关功率转换器的热降额的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求获得2017年2月10日提交的第62/457,771号美国临时申请的权益。

本公开一般涉及开关功率转换器，更具体地说，涉及提供用于多模开关功率转换器的热降额。

背景技术：

开关功率转换器控制器通常会监测其温度，从而在温度超过热限值时可以降低开关功率转换器的输出电压和/或输出电流。由于然后开关功率转换器在低于其额定最大容量的情况下运行，因此输出电压或输出电流(或两者)的降低被称为热降额。通常，开关功率转换器的热降额(或热标度)的现有解决方案仅涵盖单模功率转换器，例如，在固定输出电压和恒定电压模式(cv模式)下运行的功率转换器。在这种情况下，当检测到功率转换器的状态超过安全值的超温条件时，通过降低输出电压来降低功率限值(功率转换器的最大输出功率)。这种热降额是静态的，并且因此独立于正在充电的负载设备的运行条件。

但是纯cv模式的热降额无法满足现代功率多模适配器或“旅行适配器”(ta)的需求，该“旅行适配器”通过数据线(例如usb线或苹果闪电线)直接为便携设备充电。一般而言，通过此类数据线对便携设备充电时，应遵循默认的输出电压水平(例如，5v)。但是，在多模功率适配器中，还有其他充电模式，其中数据线所承载的输出电压增加到默认水平以上(例如，一种模式将使用9v，另一种模式12v，等等)。此外，请注意，便携设备电池(例如锂电池)的直接充电发生在恒定电压(cv)和恒定电流(cc)运行的几个阶段。例如，当放电的锂电池开始充电时，开关功率转换器(例如反激转换器)无法保持对此类负载的恒定电压，因为所需的电流量将超过初始恒定电流限值。因此，以在某个最大电流限值(例如，4a)下运行的恒定电流模式(ccm)开始对放电电池充电。但是随着电池逐渐充电，驱动电池的数据线上的输出电压将缓慢上升。最后，电池电压达到最大水平，于是开关功率转换器切换到ccm运行模式，在该模式下输出电流限值降低。随着电池进一步充电，输出电压将再次最终超过其限值，于是输出电流再次降低。最终，直接电池充电以恒定电压运行模式(cvm)结束，而输出电流继续下降。

但是传统的热降额过程与ccm和cvm运行不兼容。例如，图1a示出了功率适配器(ta)通过usb线将输出电压v和输出电流i驱动到负载。负载以恒定电阻(cr)运行模式运行。如果该功率适配器在cvm下运行，同时热降额并驱动该恒定电阻负载，产生的输出电压和输出电流波形如图1b所示。在达到其热最大值之前，功率适配器将输出电压保持在12v，输出电流(cc_限值_1)为2a。如果电流超过cc限值，功率适配器进入cc关机模式，在该模式下，输出电压和输出电流均降至零。作为对功率适配器温度超过热限值的响应，功率适配器将其恒定电流限值热降额为1.5a(cc_限值_2)。然后，负载的6ω电阻使输出电压下降到9v，同时输出电流保持恒定在1.5a。尽管不超过恒定电流限值，而功率适配器不会关机，输出电压从12v下降到9v可能导致负载触发故障条件。负载也可以在恒定电流运行模式下运行，如图1b所示的2a限值。在这种情况下，尽管功率适配器改变为1.5a恒定电流限值，负载仍将继续提取2a。然后，由负载提取的2a将导致功率适配器关机，从而使输出电压和输出电流将降至零。

因此，本领域需要具有改进的热降额运行模式的开关功率转换器，以避免开关功率转换器负载或热关机中的故障条件。

技术实现要素：

公开了一种开关功率转换器(功率适配器)，其通过数据线(例如usb线)为移动设备供电。为了避免传统的因热降额而导致的故障条件或关机的问题，开关功率转换器被配置为警告移动设备已经超过开关功率转换器的热限值。然后，移动设备可以命令开关功率转换器使用新的恒定电流限值。或者，开关功率转换器可以警告移动设备新的恒定电流限值。无论如何设置新的恒定电流限值，移动设备都会调整开关功率转换器的负载，从而不会超过新的恒定电流限值。因此，输出电压保持在期望的水平，以使得移动设备不会触发欠压故障条件。同样，开关功率转换器将不会超过其新的输出电流限值，从而避免了热关机。开关功率转换器与移动设备之间的协商也可以设置新的恒定电压限值，以便由于热警报而建立新的恒定电压/恒定电流转变点。

附图说明

图1a是驱动恒定电阻负载的传统功率适配器的示意图。

图1b示出了图1a的功率适配器在热降额前后的电流和输出电压波形。

图2是根据实施例的包括次级侧控制器的示例性功率转换器的示意图。

图3a是根据本公开实施例的间接充电系统的框图。

图3b示出了图3a的功率适配器在热降额前后的电流和输出电压波形。

图4a是根据本公开实施例的直接充电系统的框图。

图4b示出了图4a的功率适配器在热降额前后的电流和输出电压波形。

本公开的实施例及其优点最好通过参考以下详细描述来理解。应当理解的是，相同的附图标记用于识别一个或多个图中所示的相同元件，其中所示内容是为了说明本公开的实施例，而不是为了限制本公开的实施例。

具体实施方式

下文所述的详细描述旨在描述主题技术的各种配置，而不是旨在仅表示主题技术可以采用的配置。附图并入本文，并且构成详细的说明书的一部分。详细的说明书包括具体的细节，为了提供对主题技术的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，主题技术不限于本文所述的具体细节，并且可以使用一个或多个实施例来实施。在一个或多个实例中，结构和组件以框图形式显示，以避免混淆主题技术的概念。本公开的一个或多个实施例由一个或多个图示出和/或结合一个或多个图描述，并且在权利要求中陈述。

公开了一种开关功率转换器，其利用用于为移动设备供电的数据线中的数据通道来警告移动设备开关功率转换器中的热过载。在热警报之前，开关功率转换器根据第一恒定电流限值通过数据线为开关功率转换器供电。在警告移动设备后，开关功率转换器和移动设备均按照小于第一恒定电流限值的第二恒定电流限值运行。第二电流限值可以由移动设备或开关功率转换器设置。但是，无论如何设置新的电流限值，开关功率转换器随后都可以安全地为移动设备供电，而不会在移动设备中引起欠压警报或因违反新的电流限值而强制开关功率转换器关机。

下面的示例性实施例将指导使用usb线，但应了解其他数据线(例如闪电线)也适用。示例性开关或多模功率转换器100如图2所示，其可以用于向便携设备提供充电，如本文所讨论的。桥式整流器105将来自ac主线(acmain)110的ac输入电压整流，并将产生的整流输入电压输出到输入电容c1中。当初级侧控制器u1驱动功率开关(例如nmos功率开关晶体管m1)时，该整流输入电压还驱动磁化电流进入变压器120的初级绕组115。初级侧控制器u1调节功率开关m1的循环，以调节变压器120的次级绕组125处产生的输出电压vout。由于初级侧控制器u1与具有一对d+和d-数据插脚或端子135的usb线隔离，因此次级侧控制器u2通过数据插脚135与正在充电的设备(未示出)连接。在功率转换器100中，次级侧控制器u2控制同步整流器(sr)开关晶体管(例如nmos晶体管)的循环。次级侧控制器u2响应于初级侧控制器u1关断功率开关m1而接通sr开关晶体管。产生的同步整流是常规的，并且比在次级侧使用二极管以进行的类似的同步整流提高了效率。

变压器120的辅助绕组130通过由串联电阻对r1和r2形成的分压器接地耦合，以产生由初级侧控制器u1接收的感测电压v感测。例如，初级侧控制器u1可以在变压器复位时间采样v感测以感测输出电压。为了响应于该感测而调节输出电压，初级侧控制器u1可以调整频率或脉冲宽度，以进行功率开关的循环。例如，初级侧控制器u1可以通过由电阻r3和耦合到功率开关晶体管m1的源极的线降补偿电阻(rcdc)形成的分压器来监测磁化电流大小(cs)。当电流大小cs达到给定功率开关循环的期望水平时，初级侧控制器u1可以继续关断功率开关晶体管m1。

次级侧控制器u2配置为监测usb接口135中d+终端上的电压，以确定是否将负载(例如移动设备)连接到usb线的另一端(未图示)。响应于该检测，次级侧控制器u2可以枚举所连接的设备，例如，以确定该设备是否支持快速充电操作模式，在该模式下，输出电压可以从标称水平(例如5v)增加到更高水平(例如12v或19v)。然后，次级侧控制器u2可以通过将耦合到负载电容cl的阳极的光耦合器140接地，将枚举数据以信号发送给初级侧控制器u1。负载电容cl耦合在输出电压节点和usb线的接地(rtn)之间，以平滑输出电压。初级控制器u1检测光耦合器140上的电压变化，将其作为检测电压(det)来解码枚举数据。

为了控制srfet的循环，次级侧控制器u2监测其漏极电压(drain)。当功率开关m1导通时，srfet的漏极电压将接地或接近零，但当功率开关m1循环关闭时，该电压将高摆。如在同步整流技术领域中所知的，次级侧控制器u2通过经由out端子驱动srfet导通来响应该电压变化。由于srfet的导通电阻相对较低，因此与使用次级侧二极管相比，获得的同步整流节省功率。然而，应了解的是，反激转换器的替代实施例可以通过输出二极管整流次级绕组电流而不是包括或使用srfet。

无论反激转换器如何整流其次级绕组电流，其可以直接或间接地给移动设备充电。在直接充电的实施例中，移动设备不通过其自身的开关功率转换器处理来自usb线的输出电压。因此，在直接充电的实施例中，来自usb线的输出电压(和输出电流)直接为移动设备的电池充电。相反，移动设备可以在自己的开关功率转换器(例如，通过降压转换器)中处理来自usb线的输出电压，以产生输出电压和电流，该输出电压和电流将为其电池充电。因此，在这种间接充电的实施例中，来自usb线的输出电压(和输出电流)仅间接为移动设备的电池充电。将首先讨论间接充电的实施例。

图3a说明了反激转换器作为具有温度传感器(tempsense)的ta，用于监测其温度在超温条件下是否升高过高。反激转换器的次级侧控制器u2(如上文讨论的图2所示)随后将产生的温度警报传送给间接充电智能手机或移动设备。移动设备中的控制器(ifcontrol)通过用命令tai设置命令反激转换器按照减小的恒定电流限值运行来响应温度警报。或者，反激转换器可以反而选择新的电流限值，并将新的电流限值警告给移动设备控制器。根据新的电流限值，移动设备控制器控制其开关功率转换器(开关充电器)来相应地调整其运行，以继续为电池充电。移动电话中的控制器还调整其向usb线提供的移动电话负载(系统负载)，以便从反激转换器中提取的移动电话电流不超过新的电流限值。例如，移动电话可以调整其处理器(未示出)的运行，或者可以降低开关充电器电流，以便不超过新的电流限值。

在该直接充电的实施例中，不调整恒定电压限值。热警报之前和之后在usb线上产生的输出电流和输出电压如图3b所示。在热警报之前，恒定电流限值为2a，而恒定电压限值为12v。如果恒定电流限值(cc_限值_1)超过2a，则如cc-关机曲线所示，功率适配器将停机，其中输出电流和输出电压均降至零。响应于热警报，功率转换器可以直接向便携设备发送功率转换器温度信息，并且便携设备可以判断功率转换器温度是否在正常范围内，以及是否需要任何调整。功率转换器和便携设备协同运行，并且确认将调整功率转换器的运行参数，以保持ta的安全运行温度。便携设备可以向功率转换器发送新的电流设置命令(i设置)，并且功率转换器将根据新的i设置改变其cv/cc模式转变点。同时，便携设备本身相应地减少其对功率转换器的负载。热警报之后，新的电流限值(cc_限值_2)被设置为1.5a。但由于移动设备调整其运行以使得现在提取超过1.5a的电流限值，输出电压保持在12v，因此移动设备中不会触发输出电压故障。此外，功率适配器不会进入cc-关机模式，因为不违反1.5a电流限值。

直接充电系统的框图如图4a所示。功率适配器包括温度传感器和usb接口，如根据图3a所讨论的，以便控制器u2(图2)可以向移动设备中的控制器报告温度警报。该警报报告可以只包含二进制标志，用于以信号发出警报。或者，温度本身可以被传送到移动设备控制器，以便移动设备代替地发出警报。usb线上承载的输出电压v和输出电流i直接为移动设备中的电池充电。响应于超温条件，移动设备控制器(ifcontrol)命令功率适配器根据新的电流限值(tai设置)和新的电压限值(v设置)运行。或者，功率适配器可以选择这些新的电流和输出电压限值。无论电流和电压限值是如何设置的，移动设备都会调整其系统负载，以便不违反新的输出电流限值。

在超温条件之前和在超温条件之后，产生的输出电压和输出电流限值如图4b所示。在警报之前，恒定电压限值为5v，而恒定电流限值(cc_限值_1)为5a。在警报之后，恒定电压限值和恒定电流限值均减小。产生的过电流条件由曲线cc_关机2表示。由于移动设备调整其负载，因此不会发生这种关机。此外，移动设备处不会触发欠压警报。然后，功率适配器根据新的恒定电压/恒定电流转变点运行。如果负载使功率适配器无法驱动输出电压达到新的恒定电压限值，则其在新的恒定电流限值处以恒定电流模式运行。但是，如果输出电压上升到新的输出电压限值，则功率适配器开始减小输出电流，以便功率适配器在新的输出电压限值处以恒定电压运行模式运行。直接或间接充电模式下的温度传感器可以是负温度系数(ntc)传感器。ntc传感器可以位于例如功率转换器外壳或usb端口附近。产生的ntc电压可以使用vdmpd协议转换成数字信号并发送至便携设备。

在适用的情况下，本发明公开的各种实施例可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。此外，在适用的情况下，本文所述的各种硬件组件和/或软件组件可以组合成包含软件、硬件和/或两者的复合组件，而不背离本公开的精神。在适用的情况下，本文所述的各种硬件组件和/或软件组件可以分为包含软件、硬件或两者的子组件，而不背离本公开的范围。此外，在适用的情况下，预计软件组件可以作为硬件组件实现，反之亦然。

根据本公开，软件(例如程序代码和/或数据)可以存储在一个或多个计算机可读介质上。还预计，本文所确定的软件可以使用一个或多个通用或特定用途的计算机和/或计算机系统(联网和/或其他方式)来实现。在适用的情况下，可以改变本文所述各种步骤的顺序，将其组合成复合步骤，和/或分为子步骤，以提供本文所述的特征。

上述公开无意将本公开限制在公开的准确形式或特定使用领域。因此，考虑到本公开的各种替代实施例和/或修改，无论是本文明确描述的还是隐含的，根据本公开都是可能的。如此描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员将认识到，在不偏离本公开范围的情况下，可以在形式和细节上进行更改。因此，本公开仅受权利要求的限制。