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CN105359400A - 具有响应于负载需求的电压输出的电源 - Google Patents

具有响应于负载需求的电压输出的电源 Download PDF

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CN105359400A
CN105359400A CN201480023515.1A CN201480023515A CN105359400A CN 105359400 A CN105359400 A CN 105359400A CN 201480023515 A CN201480023515 A CN 201480023515A CN 105359400 A CN105359400 A CN 105359400A
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Abstract

一种用于选择性地提供第一和第二输出电压的电源适配器的方法可以包括将已整流并滤波的变压器输入信号耦合到变压器的初级绕组。所述变压器的次级绕组可以包括与所述第一输出电压相关联的第一抽头和与所述第二输出电压相关联的第二抽头，第一和第二抽头被配置为选择性地耦合到电源适配器的输出以及与电源适配器的输出解耦合。然后可以感测在所述电源适配器的输出处吸取的输出电流。当已感测的输出电流被确定为已经超过预定阈值时，通过将所述第一抽头与所述电源适配器的输出解耦合并将所述第二抽头耦合到所述电源适配器的输出来将所述电源适配器的输出从所述第一抽头切换到所述第二抽头。

Description

具有响应于负载需求的电压输出的电源
背景技术
实施例涉及电源适配器的领域，例如，与诸如数据存储设备和计算设备等电子设备结合使用的电源适配器的领域。
附图说明
图1是根据一个实施例的电源适配器的框图。
图2是根据一个实施例的电源适配器的电路图。
图3是根据一个实施例的向电子设备选择性提供待机电压或操作电压的方法的流程图。
具体实施方式
一个实施例是功率转换器，该功率转换器具有响应于耦合到功率转换器的电子设备的负载需求的输出电压，由此，通过为电子设备或其它吸取功率的设备的操作模式定制输出电压来使能在待机和操作功率电平上的较大的功率效率。
图1是根据一个实施例的电源适配器的框图。如图所示，根据一个实施例，电源适配器100可以包括耦合到变压器112的变压器输入信号102。根据一个实施例，变压器输入信号102可以是由已整流并滤波的交流(AC)源(例如，来自公共墙上插座的110V源)生成的直流(DC)信号。替代地并且根据一个实施例，输入102可以是来自例如轿车电池的DC输入信号，并且变压器112和下面将要讨论的输出电路118可以被配置为将12V输入信号选择性地转换为适当的电平。变压器112可以包括初级绕组以及次级绕组，初级绕组以一定占空比由开关113进行切换并耦合到变压器输入信号102，次级绕组直接或通过诸如图1中的输出电路118等其它元件耦合到电源适配器100的输出104。如图1中117处所示，电流传感器116可以被配置为感测对应于电源适配器100的输出104的电流的变压器初级电流并且生成电流感测信号。根据一个实施例，电子设备106可以包括可以被耦合到如附图标记108所示的主机的数据存储设备。
根据一个实施例，电源适配器100还可以包括控制器110。控制器110可以被配置为a)通过控制流经变压器112的初级绕组的电流来调节电源适配器100的输出处的电压，以及b)基于电流感测信号117而至少从第一电压和第二电压中选择输出电压。
还如图1中所示，电源适配器100还可以包括经由第一控制信号111耦合到控制器并且耦合到变压器112的次级绕组的开关114。根据一个实施例，开关114可以被配置为基于控制器110所选择的输出电压来控制第一和第二电压(或，其它附加的可用电压，如果有的话)中的哪一个出现在电源适配器100的输出104。根据一个实施例，控制器110可以被配置为通过改变第一控制信号111的状态来选择第一和第二电压(或其它附加的可用电压)中的哪一个出现在电源适配器100的输出104。
根据一个实施例，变压器112的次级绕组可以包括至少第一抽头120和第二抽头122，并且如果较大数量的电压将出现在电源适配器100的输出104，则变压器112的次级绕组还可以包括附加的抽头。事实上，控制器110可以被进一步配置为基于到电流传感器116的电流感测信号117来生成第一控制信号111，这可以通过被反馈到控制器110的隔离的第二控制信号109来控制。变压器112的初级绕组可以通过开关113以由控制器110的信号115确定的占空比来切换。根据一个实施例，开关114可以被配置为基于第一控制信号111来将电源适配器100的输出104选择性地耦合到第一抽头120或耦合到第二抽头122。
根据一个实施例，控制器110可以被进一步配置为当电流传感器116所感测的输出电流超过预定阈值时，改变第一控制信号111的状态。例如，当电流传感器116所感测的电流超过预定阈值时，控制器110可以被配置为将第一控制信号111的状态从与输出104处提供的第一电压相关联的第一状态改变为与输出104处提供的第二电压相关联的第二状态。根据一个实施例，第一控制信号111的状态的这种改变可以使得开关114将输出104从第一抽头120解耦合并且将输出104耦合到第二抽头122。例如，第一抽头120可以是变压器112的次级绕组的中心抽头并且第二抽头122可以是变压器112的次级绕组的外侧抽头。
如上面所提到的，变压器112的次级绕组可以间接耦合到输出104。例如，输出电路118可以耦合在开关114与电源适配器100的输出104之间。根据一个实施例，输出电路可以包括分压器电路，该分压电路的电阻的比值可以确定在输出104处看到的输出电压。根据一个实施例，输出电路118还可以耦合到第一控制信号111。通过第一控制信号111的控制，输出电路118可以被配置为取决于控制器选择在输出104提供第一电压还是第二电压而选择性地改变分压器的电阻的比值并且因此改变输出104处看到的电压。为选择性改变分压器的电阻的比值，输出电路可以包括由第一控制信号111控制的第二开关228。例如，基于第一控制信号111的状态，输出电路118可以被配置为将附加的电阻选择性地接入输出电路118的分压器电路或与输出电路118的分压器电路断开。根据一个实施例，开关114可以包括栅极端子耦合到控制器110所生成的第一控制信号111的一个或多个场效应晶体管(FET)。
根据一个实施例，控制器110可以被配置为当输出电流传感器116所感测的平均输出电流超过预定阈值达到预定时长时，改变第一控制信号111的状态(并且因此将电源适配器100的输出104从与变压器112的第一(例如，中心)抽头120相关联的第一电压转变为与变压器112的第二(例如，外侧)抽头122相关联的第二电压)。例如，定时器可以用于向上计数到预定数或从预定数向下计数，以确定预定时长何时过去。
也就是说，如果电子设备106在预定时长内吸取了如输出电流传感器116所确定的增大的平均电流量，则可以假设电子设备已经改变操作模式并且可以假设电源适配器应该将其自身从在输出104处提供第一电压重新配置为在输出104处提供第二电压。例如，与耦合到变压器112的第一(例如，中心)抽头120的开关114相关联的第一电压可以与电子设备106的待机状态相关联并且与耦合到变压器112的第二(例如，外侧)抽头122的开关114相关联的第二电压可以与电子设备106的激活或操作状态相关联。
在电子设备是或者包括诸如硬盘驱动器等数据存储设备的示例性情况下，待机状态可以是数据存储设备当前未服务于数据存取命令并且在一段时间内未服务于数据存取命令的状态。在该示例中，在这样的待机状态下，硬盘驱动器可以降低其盘片的转速并且可以仅需要5VDC，对应于前述的第一电压。在离开待机状态之后，例如主机108发出请求磁盘驱动器提高其盘片的转速并执行搜索操作的一个或多个数据存取命令所需要的，磁盘驱动器在预定时长上可以吸取较高的平均电流，向控制器110发出需要改变第一控制信号111的状态的信号。根据一个实施例，这使得通过将输出104从第一(例如，中心)抽头120解耦合并且将输出104耦合到变压器112的第二(例如，外侧)抽头122而将输出104从待机电压切换到更高的操作电压。第一控制信号111的状态的这种改变还使得输出电路118内的第二开关改变其中的分压器的分压比，以由此提供较高的第二电压，例如，12VDC操作电压。需要注意的是，第一和第二电压的5和12伏特幅度仅是示例性的并且电源适配器100可以适合于被配置为提供多于两个电压和/或不同于本文讨论的5V和12V的电压电平。
图2是根据一个实施例的电源适配器200的一种实施方式的电路图。如图中所示，线路电压输入202可以经由例如标准插头来耦合到全波整流器电路D1，全波整流器电路D1的输出可以由电容器进行DC低通滤波。已整流并滤波的输入信号204然后可以耦合到控制器206的Line端子。根据一种实施方式，控制器206可以与ON半导体公司生产的型号为MC33364的临界导电绿线SMPS控制器类似，但是具有一个附加的信号引脚(生成第一控制信号224的Hi/Low引脚)。可以使用其它控制器。已整流并滤波的输入信号204还可以耦合到变压器210的初级绕组208。电阻器R3、R4、电容器C5以及二极管D3被配置作为钳位电路以保护晶体管Q1免受变压器210的初级绕组208的尖峰信号的影响。电阻器R1和电容器C4从变压器210的辅助绕组209向控制器206提供Vcc电源电压，该电压由二极管D2整流。变压器210的初级绕组208可以按照由控制器206的Gate输出处的栅极信号215所确定的脉冲宽度来由FETQ1进行切换。电流传感器R5限制Q1的最大漏极电流，Q1的栅极处的电压可以由反馈到控制器206的隔离的第二控制信号222来设置，并且因此变压器占空比可以由反馈到控制器206的隔离的第二控制信号222来设置。控制器206的零电流检测(ZDC)端子可以通过电阻R2耦合到变压器210的辅助绕组209，以检测来自该辅助绕组的零电流，从而降低切换损耗。
根据一个实施例，电流传感器R5可以耦合在变压器初级208与地之间。电流传感器R5可以被配置为感测对应于电源适配器200的输出220处吸取的电流的输出变压器初级电流。如图所示，电流传感器的一种实施方式可以包括将变压器初级路径耦合到地的电流感测电阻器R5。光隔离器218的集电极设置反馈到控制器206的用于输出电压控制的第二控制信号222。电流传感器R5结合控制器206和栅极信号215来限制输出电流。光隔离器218提供从输出电路226到控制器206的被隔离的反馈。
控制器206可以被配置为响应于电流感测信号223而生成第一控制信号224。根据一个实施例，控制器206可以被配置为在由电流传感器感测的输出电流超过预定阈值时，例如可以发生在电源适配器(例如图1中的电子设备106)的负载改变时，改变第一控制信号224的状态。根据一个实施例，电源适配器可以包括耦合到控制器206以及变压器210的次级绕组212的第一开关216。根据一个实施例，第一开关216可以被配置为基于由控制器206选择的输出电压(即，基于由控制器206生成的第一控制信号224的状态)来控制(至少)第一和第二电压中的哪一个出现在电源适配器200的输出220处。
如图2中所示，变压器210的次级绕组212可以包括第一抽头213和第二抽头214。第一开关216可以由第一控制信号224控制，以将电源适配器200的输出220耦合到变压器210的第一抽头213或者变压器210的第二抽头214。根据一个实施例，控制器206可以被配置为基于电流感测信号223来生成第一控制信号224。根据一种实施方式，当负载(例如，电子设备106)不吸取大于预定阈值的电流量时，基于电流感测信号223，第一控制信号224可以使得第一开关216将输出220耦合到第一(例如，中心)抽头213(即，切换回或保持耦合到第一抽头213)。例如，这样的构造可以适用于电子设备处于待机模式时。相反地，当负载(例如，电子设备106)实际上吸取了大于预定阈值的电流量时，基于电流感测信号223，第一控制信号224可以使得第一开关216将输出220耦合到第二(例如，外侧)抽头214(即，切换回或保持耦合到第二抽头214)。例如，这样的构造可以适用于电子设备处于或已经切换到操作模式时。需要理解的是，取决于适配器当前的操作模式，适配器100、200还可以适用于选择性地驱动在第一电压下操作的第一电子设备或在第二电压下操作的第二电子设备，而不是在第一电压和第二电压二者下操作的单一电子设备。
为了产生前述的第一和第二电压，输出电路226可以耦合在第一开关216与输出220之间。根据一个实施例，输出电路226可以包括被配置为设置出现在220处的电压的分压器。如图所示，输出电路226可以包括电阻R8和R9，电阻R9可以包括R91或者R91和并联的电阻器R92。为使得分压器能够在输出220选择性地提供第一和第二电压，输出电路226可以被配置为将电阻R91选择性地接入由R8和R91形成的分压器以及从由R8和R91形成的分压器中断开。根据一个实施例，当第一控制信号224处于指示电子设备吸取小于预定阈值的第一电流量的第一状态时，第二开关228被控制在位置(b)，其中电阻器R92与R91并联，这是图2中图示的构造。在该构造中，输出电路226的分压器包括电阻R8和R9，R9包括与R92并联的R91。相反地，当第一控制信号224处于指示电子设备吸取大于预定阈值的第二电流量的第二状态时，第二开关228被控制在位置(a)，其中电阻器R92被从电路中移除。在该构造中，与当电阻R92被切换回输出电路226时的220处的电压相比较，输出电路226的分压器包括电阻R8和R9，R9仅包括R91，这在220处产生较高的电压。
雪崩二极管U2可以被配置为驱动隔离器218的初级侧，以通过反馈到控制器206的隔离的第二控制信号222来向控制器206提供输出电压反馈。U2的导通阈值可以通过设置电阻R8和R9的值而被任意设置。照此，雪崩二极管U2可以被配置作为可编程的电压参考。因此，导通阈值将随着R92被接入电路以及从电路中断开而改变。根据一个实施例，当220处的平均电流等于或超过预定阈值达到预定时长(以避免由于变压器210的次级绕组处的瞬变而触发该电路)时，U2将隔离器218的PN结的阴极传导并下拉至比它的阳极低至少等于其阈值电压的量，使隔离器218导通。雪崩二极管U2可以是例如德州仪器公司提供的TL431可调节精密并联稳压器。其它二极管可以用于该目的。
根据一个实施例，电源适配器可以被配置为默认为输出220处的第一、较低电压，如果感测的平均输出电流超过待机电流阈值达到预定的时长，则切换到第二、较高电压，并且当感测的平均输出电流下降到低于预定电压达到预定时长时，切换回第一、较低的待机电压。
根据一个实施例，因此，当电子设备106在待机(例如，较低功率)模式下操作时，输出220可以耦合到变压器210的第一抽头213，并且当电子设备106在操作(例如，较高功率)模式下操作时，输出220可以耦合到变压器210的第二抽头214。有利的是，提高了待机模式下的效率。此外，电源适配器200被配置为使其展现之前仅在使用多个电源时可获得的功能。
根据一个实施例，可以通过将单一的变压器绕组配置为提供必要的电流来消除图1中的开关114和图2中的开关216，其中，较少关注负载分布上的变压器效率。图1中的控制器110和图2中的控制器206可以接下来被配置为通过Q1来调整频率和/或脉冲宽度，以获得例如待机和全功率条件所期望的电压。
根据另一实施例，可以使用两个隔离的反馈信号，(包括例如两个光隔离器、两个可编程电压参考电路)，以得到控制器206的两个反馈路径。接下来控制器206可以被配置为在变压器210的初级侧上的两个反馈(第二控制)信号之间切换。
图3是根据一个实施例的向电子设备选择性地提供待机电压或操作电压的方法的流程图。如图中所示，框B31要求将(例如，已整流并滤波的)变压器输入信号耦合到变压器的初级绕组，变压器的次级绕组包括与待机电压相关联的第一抽头和与操作电压相关联的第二抽头。框B32要求感测由诸如耦合到电源适配器的电子设备等负载吸取的电流。如B33处所示，接着可以确定感测的平均电流是否超过预定阈值。根据一个实施例，在预定的时长之后可以做出这样的确定以确保感测的电流实际上与耦合到电源适配器的电子设备中的操作模式的改变相关联。最后，如B34处所示，电源适配器可以在确定感测的输出电流已经超过预定阈值时，通过将电子设备与第一抽头解耦合并将第二抽头耦合到电子设备来从向电子设备提供待机电压切换到向电子设备提供操作电压。
尽管已经描述了本公开内容的某些实施例，但是这些实施例仅以示例的方式呈现，并且不意在限制本公开内容的范围。事实上，本文描述的新颖方法、设备和系统可以体现为各种其它形式。此外，可以在不脱离本公开内容的精神的情况下对本文所描述的方法和系统的形式做出各种省略、替代以及改变。所附权利要求及其等同物意在覆盖落入本公开内容的范围和精神内的这样的形式或修改。例如，本领域技术人员将认识到，在各种实施例中，实际的物理和逻辑结构可以不同于图中所示出的那些。取决于实施例，可以去掉上面示例中描述的某些步骤，可以增加其它步骤。另外，上面公开的具体实施例的特征和属性可以以不同的方式组合以形成附加的实施例，所有这些均落入本公开内容的范围。尽管本公开内容提供了某些优选实施例和应用、对本领域普通技术人员而言显而易见的其它实施例，所述其它实施例包括并非提供本文所阐述的全部特征和优点的实施例，并且也在本公开内容的范围内。因此，本公开内容的范围意在仅参考所附权利要求来限定。

Claims (22)

1.一种电源适配器，包括：
整流器和滤波器，其被配置为耦合到输入交流(AC)源并且被配置为生成直流(DC)变压器输入信号；
变压器，所述变压器包括耦合到所述变压器输入信号的初级绕组和耦合到所述电源适配器的输出的次级绕组；
电流传感器，其被配置为感测在所述电源适配器的所述输出处吸取的输出电流并且被配置为生成电流感测信号；以及
控制器，其被配置为a)通过控制流经所述变压器的所述初级绕组的电流来调节所述电源适配器的所述输出处的电压，以及b)基于所述电流感测信号来从至少第一电压和第二电压中选择输出电压。
2.如权利要求1所述的电源适配器，还包括耦合到所述控制器和所述变压器的所述次级绕组的第一开关，所述第一开关被配置为基于由所述控制器选择的所述输出电压来控制所述至少第一电压和第二电压中的哪一个出现在所述电源适配器的所述输出处。
3.如权利要求2所述的电源适配器，其中，所述变压器的所述次级绕组包括第一抽头和第二抽头，其中，所述控制器还被配置为基于所述电流感测信号来生成第一控制信号，并且其中，所述第一开关基于所述第一控制信号来将所述电源适配器的所述输出选择性地耦合到所述第一抽头或所述第二抽头。
4.如权利要求3所述的电源适配器，其中，所述控制器还被配置为当由所述电流传感器感测的所述输出电流超过预定阈值时，改变所述第一控制信号的状态。
5.如权利要求1所述的电源适配器，还包括被隔离的第二控制信号，所述第二控制信号被从所述电源适配器的所述输出反馈到所述控制器。
6.如权利要求2所述的电源适配器，还包括耦合在所述第一开关与所述电源适配器的所述输出之间的输出电路，其中，所述输出电路包括分压器电路。
7.如权利要求6所述的电源适配器，其中，所述输出电路还包括第二开关，所述第二开关被配置为选择性地改变所述分压器电路的分压比。
8.如权利要求7所述的电源适配器，其中，所述第一开关和所述第二开关的至少其中之一包括场效应晶体管(FET)。
9.如权利要求1所述的电源适配器，其中，所述控制器还被配置为当由所述电流传感器感测的平均输出电流超过所述预定阈值达到预定的时长时，改变所述第一控制信号的状态。
10.一种用于使电源适配器选择性地提供第一输出电压和第二输出电压的方法，包括：
将输入信号耦合到变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组包括与所述第一输出电压相关联的第一抽头以及与所述第二输出电压相关联的第二抽头，所述第一抽头和所述第二抽头中的每个抽头被配置为选择性地耦合到所述电源适配器的输出以及与所述电源适配器的所述输出解耦合；
感测在所述电源适配器的所述输出处吸取的输出电流；
确定所感测的输出电流何时超过预定阈值；以及
当所感测的输出电流被确定为已经超过所述预定阈值时，通过将所述第一抽头与所述电源适配器的所述输出解耦合并将所述第二抽头耦合到所述电源适配器的所述输出来将所述电源适配器的所述输出从所述变压器的所述第一抽头切换到所述第二抽头。
11.如权利要求10所述的方法，还包括：当所感测的输出电流被确定为已经超过所述预定阈值时，改变耦合到所述电源适配器的所述输出的分压器的分压比。
12.如权利要求11所述的方法，其中，改变所述分压器的所述分压比包括：将场效应晶体管(FET)控制为导通以及非导通。
13.如权利要求10所述的方法，还包括：当所感测的平均输出电流被确定为已经超过预定阈值时启动定时器，并且其中，切换包括：当所述定时器达到预定值时将所述电源适配器的所述输出从所述第一抽头切换到所述第二抽头。
14.如权利要求10所述的方法，其中，切换还包括：将场效应晶体管(FET)的端子从所述第一抽头切换到所述第二抽头。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述输入信号包括已整流并滤波的交流(AC)信号。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述输入信号包括直流(DC)信号。
17.一种向电子设备选择性地提供待机电压或操作电压的方法，包括：
将已整流并滤波的变压器输入信号耦合到变压器的初级绕组，所述变压器的次级绕组包括与所述待机电压相关联的第一抽头以及与所述操作电压相关联的第二抽头，所述第一抽头和所述第二抽头中的每个抽头被配置为选择性地耦合到所述电子设备以及与所述电子设备解耦合；
感测由所述电子设备吸取的电流；
确定所感测的电流何时超过预定阈值，所述预定阈值指示所述电子设备从待机状态切换到操作状态；以及
当所感测的输出电流被确定为已经超过所述预定阈值时，通过将所述第一抽头与所述电子设备解耦合并将所述第二抽头耦合到所述电子设备来从提供所述待机电压切换到提供所述操作电压。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：将分压器耦合所述电子设备，以及当所感测的电流被确定为已经超过所述预定阈值时，改变所述分压器的分压比。
19.如权利要求18所述的方法，其中，改变所述分压器的所述分压比包括：将场效应晶体管(FET)控制为导通以及非导通。
20.如权利要求17所述的方法，其中，切换包括：当所感测的平均电流被确定为已经超过预定阈值达到预定的时长时，将所述第一抽头与所述电子设备解耦合并且将所述第二抽头耦合到所述电子设备。
21.如权利要求17所述的方法，其中，切换还包括：将场效应晶体管的端子从耦合到所述第一抽头切换到耦合到所述第二抽头。
22.如权利要求17所述的方法，其中，所述电子设备包括数据存储设备。
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