CN103370863A - 移动设备适配器和充电器 - Google Patents

Abstract

提供了用于改善的功率适配器的***和方法。在一个可能的实施例中，描述了经改善的功率适配器，该功率适配器由AC输入、耦合至AC输入的整流器、耦合至整流器的功率因数校正电路以及耦合至功率因数校正电路的猝发脉冲开关电路构成。猝发脉冲开关电路经由一组FET驱动器、一组FET和变压器向DC输出提供功率，其中猝发脉冲开关电路使用来自DC输出的反馈输入以猝发模式排它地提供功率。变压器可由耦合至这组FET的第一绕组、分别耦合至第一绕组的第二、第三、第四和第五绕组构成，其中第二绕组和第三绕组被嵌入到印刷电路板内，并且第四和第五绕组各自包括环绕变压器铁芯的导电条带。在附加实施例中，多个监视电路与DC端以及具有高功率密度的功率适配器中的USB输出整合。

Description

移动设备适配器和充电器

背景技术

本申请涉及DC电源以及AC-DC功率适配器。本申请进一步涉及多功能电源、USB电源以及提高的电源效率、功率密度和电路保护。

随着近代电子设备的激增，与那些电子设备通信和对其供电的很多种类的互连和电源已涌现出范围广泛的形状、尺寸和连接形式。对于许多计算设备，功率经由开关电源被提供给设备，该开关电源接收AC输入并将DC功率提供给电子设备。一种可能的连接是至电子设备的简单DC端输入。另外，尽管从电源至电子设备存在多种电源连接形式，然而通用串行总线(USB)接口是常用的连接接口。

USB接口包括能既实现信息连接的功能又实现设备充电连接的功能的优点。一般的USB接口具有引脚定义，包括VBUS端子、D+端子、D-端子和接地端子。如果USB接口连接至DC电源，则VBUS端子和接地端子被用来输出DC功率。D+和D-端子被用来传输数据。相比传统的计算机连接总线，USB接口能传输数据并作为电源连接提供标准化形式的电功率。由于前面提到的特征，一些便携式电子设备被设计成具有用于连接至计算机并从计算机对便携式电子设备充电的USB接口。尽管当前存在功率适配器和电源以支持范围广泛的设备，然而由于由个人用户或家庭使用的需要充电的设备数目而存在不断增加的需要。能同时为不同类型的设备和多个设备提供功率适配和充电功能的经改善移动设备适配器和充电器因此可在目前可用的设备适配器和电源上实现改进。

发明内容

本创新的各实施例描述了一种经改善的功率适配器。各替代性实施例包括经改善的功率适配器和电源，它具有经改善的DC电源模块、经改善的AC-DC功率模块、经改善的多功能功率模块和输出、经改善的USB电源以及经改善的电源效率、功率密度和电路保护。也描述了附加的组合和改进，由此所给出例子的替代组合对本领域内普通技术人员来说从所给出例子的细节可以明显看出。

在一个特定实施例中，描述了经改善的功率适配器，该功率适配器由AC输入、耦合至AC输入的整流器、耦合至整流器的功率因数校正电路以及耦合至功率因数校正电路的猝发脉冲开关电路构成。猝发脉冲开关电路经由一组FET驱动器、一组FET和变压器向DC输出提供功率，其中猝发脉冲开关电路使用来自DC输出的反馈输入以猝发脉冲模式排它地提供功率。变压器可由耦合至这组FET的第一绕组、分别耦合至第一绕组的第二、第三、第四和第五绕组构成，其中第二绕组和第三绕组被嵌入到印刷电路板内，并且第四和第五绕组各自包括环绕变压器铁芯的导电条带。

各实施例也可包括功率适配器外壳，它围住功率适配器以使由功率适配器外壳围住的功率适配器的功率密度大于12瓦/立方英寸，这相比具有等同功能的之前已知的电源提供经改善的功率密度。

各实施例也可包括耦合至功率因数校正电路的总线输出的高压线、比较器以及耦合至晶体管的二极管，其中该晶体管进一步耦合至高电压线。在某些实施例中，二极管和晶体管在功率适配器的启动时工作以形成低电压支持，该低电压支持在功率适配器启动时将工作功率提供给这组FET驱动器，并且当第二绕组由第一绕组驱动时，该第二绕组可形成FET驱动器工作电压，该FET驱动器工作电压在将功率提供给这组FET驱动器时取代低电压支持。附加地，某些实施例可发挥作用，由此比较器将第一比较电压与FET驱动器工作电压进行比较，并当FET驱动器工作电压降至低于由第一比较电压设定的预定阈值时比较器的输出被耦合至晶体管以维持低电压支持。

在根据本创新的又一些实施例中，改善的功率适配器可具有耦合至DC输出的USB开关，该USB开关将USB电压和USB电流驱动至第一USB输出和第二USB输出。某些实施例可包括经改善的***监视，其具有：第一监视电路，它监视USB电流并当USB电流超出电流阈值时激活功率因数校正电路的故障输入；第二监视电路，它监视USB电压并当USB电压超出电压阈值时激活功率因数校正电路的故障输入；和/或第三监视电路，它当DC输出的DC输出电压超出DC电压阈值时激活功率因数校正电路的故障输入。

附图说明

图1示出根据此创新的一个实施例的功率适配器的立体图。

图2示出根据此创新的一个实施例的功率适配器的俯视图。

图3示出根据此创新的一个实施例的功率适配器的底视图。

图4示出根据此创新的一个实施例的功率适配器的侧视图。

图5示出根据此创新的一个实施例的功率适配器的侧视图。

图6示出根据此创新的一个实施例的包括AC输入的功率适配器的端视图。

图7示出根据此创新的一个实施例的包括功率输出连接的功率适配器的端视图。

图8示出高功率密度猝发脉冲功率适配器的一个可能实施例的方框图。

图9A是示出用于功率适配器的功率因数校正电路的一种可能实现的电路图。

图9B是示出用于功率适配器的功率因数校正电路的一种可能实现的电路图。

图10A是示出用于功率适配器的开关电路的一种可能实现的电路图。

图10B是示出用于功率适配器的开关电路的一种可能实现的电路图。

图11A是示出用于功率适配器的同步整流电路和DC输出的一种可能实现的电路图。

图11B是示出用于功率适配器的同步整流电路和DC输出的一种可能实现的电路图。

图12是示出用于功率适配器的分立第二总线启动电路的一种可能实现的电路图。

图13A是示出用于功率适配器的保护电路的一种可能实现的电路图。

图13B是示出用于功率适配器的保护电路的一种可能实现的电路图。

图13C是示出用于功率适配器的保护电路的一种可能实现的电路图。

图13D是示出用于功率适配器的保护电路的一种可能实现的电路图。

图14示出与此创新的各个方面一致的变压器的一种可能实现的示意图。

图15示出作为用于功率适配器的变压器的一部分的PCB中的扁平绕组的一种可能实现。

图16示出作为用于功率适配器的变压器的一部分的箔和线绕组的一种可能实现。

图17示出作为用于功率适配器的变压器的一部分的箔和线绕组的一种可能实现。

图18示出作为用于功率适配器的变压器的一部分的箔绕组的一种可能实现。

具体实施方式

本发明的实施例针对具有高功率密度的AC-DC适配器和充电器。这些电源可用来通过DC端输入或通用串行总线(USB)端口对便携式设备充电。高功率密度使功率适配器变得紧凑，并同时提供对多个设备的充电能力。附加的实施例实现设备保护措施，其避免了在之前已知的电源中常见的损坏状况。

图1-7描述了高功率密度适配器的一个可能实施例。图1详细示出了一立体图，并示出AC输入22。图2-3示出侧视图而图4-5示出俯视图和底视图。本创新的各方面允许功率适配器具有高于12瓦/立方英寸的功率密度，并额外地允许薄的轮廓。图6示出包括AC输入22的端视图。图7示出功率适配器的图6所示端部的相反端，并包括盖开关24、DC输出29、USB端口26和迷你USB端口28。图1-7是为解说目的给出的，并且不对不同实施例下可能的形状或端口配置构成限制。替代实施例可包括具有两个USB端口或USB、迷你USB或微型USB端口的任意组合的DC端输出。又一些替代性实施例可包括具有额外支持保护电路的三个或更多个USB端口。

图8示出根据此创新的功率适配器200的简化***图的一个实施例。功率适配器100包括AC输入22、整流器23、功率因数校正电路30、分立的第二总线启动电路20、芯片集稳压器40、关断保护电路50、猝发脉冲开关电路60、适配器管家电路70、同步整流电路80、主保护电路90、次级保护电路100、USB开关110、USB保护电路120、DC输出130、第一USB输出140以及第二USB输出150。

AC输入22和桥式整流器23一起工作以接收AC输入并将该AC输入传递至功率因数校正电路30。在一个可能的实施例中，AC输入22接受AC输入，该AC输入在90V和264V AC之间。整流器23可以是传递单极性电压的任何整流器，例如标准桥式整流器。从整流器23输出的电压然后被输入至功率因数校正电路30。来自整流器23或AC输入22的输出功率可另外用来为芯片集稳压器40或其它需要初始启动功率的组件提供初始启动功率。

功率因数校正电路30接收经整流的AC电压输入，并提供DC电压输出作为由猝发脉冲开关电路60输入的电压和功率。猝发脉冲开关电路60使用至FET、驱动器和作为同步整流电路80的一部分的变压器的猝发脉冲信号来驱动DC输出130。猝发脉冲开关电路60进一步依赖于来自DC输出130的反馈信号以控制猝发脉冲信号的输出，该猝发脉冲信号使适配器开始经由前面提到的驱动器、FET和变压器向DC输出130供电。DC输出130包括进一步适配至USB开关110的功率的连接。USB开关110则允许在第一USB输出140和第二USB输出150处的功率输出。

功率适配器200额外地包括与前面描述的***联合工作的保护电路。主保护电路90感测来自猝发脉冲开关电路60的故障信号，次级保护电路100感测来自DC输出130的电流和电压，而USB保护电路120感测来自USB开关110的电压和电流。主保护电路90、次级保护电路100以及USB保护电路120的所有这三个元件通过关断保护电路50提供信号以通过功率因数校正电路30实现功率关断。

功率因数校正电路

功率因数校正电路30从整流器23接受经整流的电压输入，并形成DC输出电压。在若干实施例中，功率因数校正电路包括功率处理电子开关，功率处理电子开关有效地使储能电感器和电容器将输入源与输出连接以及从输入源与输出断开。通过改变占空比、频率或相移，功率因数校正电路的输出得到控制。有源功率因数校正器(PFC)是一种功率电子***，其控制由负载汲取的功率量以获得尽可能接近1的功率因数。在多数场合下，有源PFC控制负载的输入电流以使电流波形与干线电压波形(正弦波)成比例。使功率因数尽可能接近1的目的是使被功率因数校正的负载电路看上去是纯阻性的(视在功率等于实际功率)。在这种情形下，电压和电流是同相的并且无功功耗为零。这允许电功率最高效的传递。一些类型的有源PFC是降压、升压和降压-升压有源PFC。在开关模式功率适配器的情形下，升压转换器被***在桥式整流器和主输入电容器之间。升压转换器设法在其输出上维持恒定的DC总线电压并同时汲取始终与线路电压同相且处于同一频率的电流。功率适配器中的另一开关模式转换器从DC总线产生所要求的输出电压。这一手段需要附加的半导体开关和控制电子器件，但允许更便宜和更小的无源组件。由于它们非常宽的输入电压范围，许多具有有源PFC的电源能自动地调节以工作在由多数地方的公用电力事业所提供的AC功率下。这包括从大约100V(日本)至230V(欧洲)的输入。

现在提供详细细节以描述功率适配器2000的实施例，其中功率适配器2000的各个组件在图9至图15具体地示出。

图9A和图9B揭示了功率因数校正电路的一个可能的实施例，该功率因数校正电路在诸实施例中可用作例如作为图8中的功率适配器2000的一部分的功率因数校正电路。功率因数校正电路900包括降压功率因数校正电路232。基本降压拓朴的操作使用电感器和用于控制该电感器的两个开关(通常是晶体管和二极管)。它在将电感器连接至源电压以在电感器中储能和将电感器中的能量泄放到负载中这两者之间交替。除了附加的控制电路外，降压功率因数校正电路232还可包括对该降压拓朴的诸多变例。

在传统的适配器为电压总线产生范围在360-420V的DC输出电压的情形下，功率因数校正电路30输出较低的DC电压。在一个可能的实施例中，功率因数校正电路30的DC输出可被设定至50V和150V之间的任何DC电压。在一个实施例中，功率因数校正电路的DC输出接近84V。80V范围内的设定允许使用低于100V的额定值的电容器以节省空间，同时避免在较低电压下出现的损耗。例如，在50V的设定下，***中的铜损耗变得过大，并需要迹线和电流以形成功能电路。低于100V范围内的设定也允许更密集的设计，因为可减少漏电和间隙。

下面将结合图9-13的其它电路来描述功率因数校正电路的额外功能。

猝发脉冲开关电路

图10A和10B描述了猝发脉冲开关电路1000的一个可能的实施例，该猝发脉冲开关电路1000可被包括作为图8的功率适配器2000的实施例的一部分。猝发脉冲开关电路1000包括猝发脉冲开关芯片262。猝发脉冲开关芯片262包括DC电压输入264、芯片集电压输入266、高位栅极输出269a、低位栅极输出269b以及反馈输入268。在正常操作期间，猝发脉冲开关电路1000将允许供电的猝发脉冲信号提供给功率适配器2000的DC输出430。DC输出430被适配成通过反馈电路满足对DC输出上设置的负载的供电需求。由于猝发脉冲开关电路恒定地工作在反馈模式并适应输出负载需求，因此获得比不恒定地适应负载需求的传统开关功率适配器更高的效率。下面结合图9-13描述猝发脉冲开关电路1000的额外细节。

同步整流和DC输出

图11A和图11B描述了同步整流电路1100和DC输出430的一种可能的实现，这两者都可以是图8的功率适配器2000的实现的一部分。同步整流电路1100包括：FET驱动器382和384、FET386和388以及变压器绕组T1a、T1d、T1e、T1g和T1f。在工作时，FET驱动器382从图10的高位栅极输出269a接收信号，而FET驱动器384从图10的低位栅极输出269b接收功率。FET驱动器382、384驱动FET386、388，FET386、388进而驱动变压器绕组T1a。变压器绕组T1a驱动变压器绕组T1e、T1f。变压器绕组T1e驱动FET Q101而变压器绕组T1f驱动FET Q102。FET Q101、Q102驱动T1d、T1g的DC输出430的电流，T1d、T1g是互补的扁平绕组。在一可能的实施例中，T1d包括由两个顺时针绕组构成的电路板中的扁平绕组，而T1g包括由两个逆时针绕组构成的电路板中的扁平绕组。T1d和T1g是用于驱动FET Q101、Q102的栅极驱动电路的一部分。主绕组T1e、T1f是铜箔绕组。

除了使用与低于功率因数校正电路30的典型DC输出关联的100V额定电容器以外，在一可能的实施例中，可通过使用表面安装组件以及扁平变压器绕组、三重绝缘主绕组和箔变压器绕组的混合形成杂化设计而节省空间并取得更大的功率密度。

例如，在一个可能的实施例中，被设计成工作在预定电流或功率阈值以下的变压器绕组可被实现为电路板中的嵌入式扁平绕组。被设计成工作在预定阈值之上的变压器绕组可使用箔绕组来实现。在电路板中使用扁平绕组可实现较高的功率密度和较低的产品厚度。同样，对于高功率输出变压器，铜箔绕组可实现更为紧凑的输出变压器，并因此实现具有较低高度、较薄封装和较高的总功率密度的电路板。在一个可能的实施例中，对附连至100W输出变压器中的电路板的所有匝和脚使用铜箔。

图14-17描述了变压器T1，该变压器T1包括绕组T1a、T1b、T1c、T1d、T1e、T1f和T1g。变压器T1可用来实现如图9、图10和图11中所示的绕组。T1a是主绕组，其驱动功率至隔离栅3两侧上的绕组T1b-f。

图15示出功率适配器2000的一个实施例，其中绕组T1b-d和T1g是嵌入在圆形PCB段1500内的绕组。在图16所示的一个实施例中，T1a是***绕组，其包括箔绕组T1a1和线绕组T1a2两者。图16额外地示出次级箔绕组T1e和T1f的端部，其具有线圈形成夹具1610。

图16示出被设置在圆形PCB段1500之上的线圈形成夹具1610，其中箔绕组T1a1、T1e和T1f终接在PCB1700上。主线绕组T1a2也图示为终接在PCB1700上。在藉由线圈形成夹具1610将绕组布置在圆形PCB段1500之后，铁芯被设置成附连至PCB1700。铁芯例如为Feroxcube^TM(立方铁氧体)EQ铁芯。在替代性实施例中，铁芯可包括贯通圆形PCB段1500中的开口连接的顶部组件和底部组件。铁芯可被胶合至或以其它方式附连至圆形PCB段1500，或通过某些其它附件或夹具固定至PCB1700，这使铁芯定位在绕组T1a-f中。

图18示出变压器1中的绕组T1a和T1e的交织配置。该交织配置允许在诸如图8的同步整流器之类的同步变压器中的小空间内的有效高功率输出。根据图14-18的结构，变压器T1的一个实施例如下：绕组T1e从绕组端811至绕组端812的次级绕组首先被缠绕在夹具周围。在主箔绕组之前布置次级箔绕组可允许在设定结构中所需的后继步骤(例如对铁芯的研磨)得以避免。在紧凑的变压器中，一种可能的铁芯可以是如前面提到的Ferroxcube^TM(立方铁氧体)EQ25LP铁芯，其具有大约0.1mm的沟隙长度和大约800nH的AL。次级绕组被逆时针地缠绕。在次级绕组完成后，主绕组T1a沿逆时针方向被缠绕在2层上。在一个替代实施例中，在缠绕每件箔之后，可使用诸如50um姆拉磁带的带来将每个箔绕组保持在位，由此次级箔绕组T1e、T1f可通过带缠绕并保持在位，而主箔绕组T1a1可随后通过姆拉磁带缠绕并保持在位。然后将绕组附连至诸如图17的PCB1700的PCB中的引脚，以使变压器绕组与包含在所附连的PCB中的电路集成。

分立的第二总线启动电路

图12包括分立的第二总线启动电路1200，它是分立的第二总线启动电路20的一个可能的实施例。分立的第二总线启动电路1200包括高电压线1210、低电压支持线1212、第一比较电压1214、第二比较电压1216、比较器1220、晶体管1240、二极管1242-1244、电阻器1248-1258、1268以及电容器1272-1278。高电压线1210从图9的功率因数校正电路900接收DC电压，其中图12的高电压线1210或直接或间接地连接至图9的总线输出252。分立的第二总线启动电路1200工作以在启动和异常工作状态下适配和维持至功率适配器2000中的FET驱动器的功率，如下面结合图9-12所描述的那样。

DC输出功率适配器操作

现在结合图12的分立的第二总线启动电路1200、图9A和图9B的功率因数校正电路900、图11A和图11B的同步整流电路1100以及图10A和图10B的猝发脉冲开关电路1000来描述功率适配器2000的一种可能实现的启动和功能。

当功率适配器2000通过AC输入至AC电源的连接被启用时，或在一些实施例中通过开关的选择被启动时，输入AC功率被整流并被提供给图9中经整流的输入240。

当功率适配器例如图1的AC输入22的AC输入被提供给AC输入时，经整流的输入240将初始地适配少量的功率。来自经整流的输入240的初始功率足以激活具有次级总线电压电平的稳压器242。稳压器242随后将芯片电压提供给在功率连接236处的降压功率因数校正电路232。此外，当AC电压被输入至与功率因数校正电路900关联的功率适配器时，输入234从诸如图8的整流器23之类的整流器接收经整流的AC电压。当用功率连接236处的输入功率将降压功率因数校正电路232上电并在输入234接收AC输入电压时，其发挥作用以在总线输出252处输出DC电压。功率因数校正电路900因此允许功率适配器具有来自AC输入的有效和相对高电压的DC总线。在一个示例性实施例中，在总线输出252处的DC电压为84V。

总线输出252随后将DC电压提供给图12的高电压输入1210。当高电压输入1210接收功率二极管1242、1244时，钳位在电压设定以将晶体管1240输入处的电压电平设定在次级总线电压电平。在低电压支持线1212下的电压电平因此被设定至次级总线电压电平。在一个可能的实施例中，次级总线电压电平可以是10V，并且遍布功率适配器2000中的所有次级功率电平可以是一致的，例如图9中在启动时被提供给稳压器242的次级功率电平。提供次级功率电平提供了通过来自输出变压器的功率反馈实现设备启动和正常工作的设计灵活性。在其它实施例中，次级功率电平的适配器可被独立地设置在不同的电压电平下。

当低电压支持线1212达到次级总线电压电平时，电压被传至图11的FET驱动器382、384以将FET驱动器导通，并且该电压也被传送至图10的低电压输入1010。图10的低电压输入1010则以次级总线电压电平将充足的功率提供给稳压器1042。稳压器1042则将来自芯片集电压连接1012的芯片电压在芯片集电压输入236提供给猝发脉冲开关芯片262。从芯片集电压连接1012至芯片集电压输入236的物理连接在图10中未予以示出。稳压器1042进一步向适配器反馈电路1020提供功率以从DC输出430提供反馈信号，该适配器反馈电路1020功率联系于反馈连接1022。反馈通过来自DC输出430的连接作用，其通过一电路运作以在反馈输入268处提供信号。

在一个实施例中，DC输出430连接至图13的反馈输出线1310。感测输出电压并通过次级侧上的比较器1320将其与基准值比较，并且比较器1320输出驱动数字光耦合器1312。当输出电压低于稳压电平时，比较器1320输出为高并且不驱动光耦合器；当输出电压超出该稳压电平时，比较器1320输出变为低并使光耦合器1312接通。如此，输出比较器1320的作用就像简单的A/D转换器。光耦合器1312横跨变压器的隔离势垒将数字反馈信息馈送至初级侧。在正常模式下，猝发脉冲开关电路1000监视反馈输入268以确定切换周期和传号/空号比(mark/space ratio)，从而维持来自高位栅极输出269a和低位栅极输出269b的输出猝发脉冲信号的适当电平以满足DC输出530处的功率需求。当反馈指示需要功率时，切换周期开始在高位栅极输出269a和低位栅极输出269b处输出猝发脉冲功率。每当切换周期开始，它完全结束，不管在反馈输入268处的输入如何。在每个电流切换周期内，监视反馈输入268以确定是否应当传递后继的切换周期。如果反馈输入268保持高，则另一切换周期被紧邻地传递。如果反馈输入268变低，则在电流周期结束时切换中止或“放弃”。在传递切换周期的同时，反馈输入268在每个切换周期被轮询一次。一旦在周期结束时切换中止，则监视反馈输入268，同时控制器等待下一反馈输入268作出高瞬变以指示切换应当重新开始。

切换周期从高栅极输出269a和低栅极输出269b传递交替的方波输出。高栅极输出269a的输出被传递至图11的FET驱动器382。低栅极输出269b的输出被传递至图11的FET驱动器384。这些FET驱动器然后驱动FET386、388，FET386、388进而驱动图11的主绕组T1a。

当T1a由FET386、388驱动时，它进而驱动绕组T1b-g。绕组T1d和T1e则驱动图11的FET Q101。绕组T1f和T1g驱动图11的FET Q102。这些组件则驱动可从DC输出430获得的输出功率。

当通过绕组T1a驱动时，图9的绕组T1b用来取代经整流的输入240作为稳压器242的输入电源。图10上的绕组T1c类似地取代图12的低电压输入1010作为图10中的稳压器1042和图11的FET驱动器382、384两者的电源。由于FET驱动器382、384现在基本从变压器1接收它们的操作功率和电压，因此需要附加的保护电路以在异常工作状态下保护电路的某些部件。

当输出负载改变时，同时在功率适配器2000在改变期间保持工作的状态下，猝发脉冲开关电路1000在某些实施例中可在不正确的反馈设定下工作一段时间，其中猝发脉冲开关电路1000基于初始负载的预期反馈工作，而比较器1320和比较器1320输出根据新输出电压和新负载驱动数字光耦合器1312。在这些情形下，猝发脉冲开关电路可在新输出继续汲取功率的同时停止传递切换周期。当T1a无法由源自高位栅极输出269a和低位栅极输出269b的信号驱动时，被提供以运作FET驱动器382、384的功率可降至工作阈值以下，并且FET驱动器382、384可关断而不会导致功率适配器2000的其余部分接受到错误或关断指示。在FET驱动器382、384关断的这种情形下，至猝发脉冲开关芯片262的反馈输入268将最终地到达一电平，在该电平下切换周期应已由旧负载请求，并且来自高位栅极输出269a和低位栅极输出269b的输出将重新开始。由于FET驱动器382、384已关断并且不再对来自高位栅极输出269a、低位栅极输出269b的输入作出响应，因此FET386、388将开始从高电压线1102汲取过多的功率，该高电压线1102连接至图10的高电压线1210并跨过晶体管1240，该晶体管1240将起动工作功率提供给FET驱动器382、384。由于晶体管1240无法满足这种需求，因此晶体管1240如果没有来自电阻器1250、比较器1220和相关电路的支持而正常地运作则很可能损坏。电阻器1250在高电压线1210可能通过晶体管1240汲取功率的情况下用来防止过多的电流流过晶体管1240。比较器1220通过如图12所示的分压电阻器连接至第一比较电压1214和第二比较电压1216。比较器1220和电阻器1252-1258的配置是作为范例提供的，并且可以是以本文描述的方式发挥作用的任何组的值。第一比较电压1214附连至低电压支持线1212，该低电压支持线1212如前所述将起动工作电压提供给FET驱动器382、384。第二比较电压1216可附连至任何稳定的电压电平，该稳定的电压电平不依赖于来自T1的功率而工作，例如来自稳压器242在功率连接236处的芯片电压，该芯片电压可来自经整流的AC输入。

如果比较器1220感测到第一比较电压1214从适配FET驱动器382、384的胜任工作功率所需的电平下降，则比较器1220输出驱动二极管1242和晶体管1240使其回到所需的电压。如此，比较器1220工作以防止FET驱动器382、384关断，并防止对晶体管1240的潜在损害。

USB输出操作和保护电路

除了前面描述的功能，图13A、13B、13C和13D包括USB输出1360、1362的描绘，该USB输出1360、1362可被并入到根据本发明的各实施例中。在各实施例中，USB输出1360、1362可以是小型的、微型的或任何其它形状因数的USB输出。图13也示出USB开关1380，它包括USB开关功率输入1382。USB开关功率输入1382从DC输出420或从功率适配器接收功率，该功率适配器源自FET Q101和Q102周围的功率适配器2000DC输出420或就在其前面。USB开关优选地对适配器定额以使USB输出1360、1362处的组合输出至少为2.5A。在一个实施例中，USB开关被定额以提供4A。

二极管1330是包括图13的二极管1330和图9的晶体管250的光隔离器的一部分。当二极管1330横跨功率适配器隔离势垒将信号传导和传输至晶体管250时，信号从晶体管250被传送至降压功率因数校正电路232的故障输入238。这使降压功率因数校正电路232将整个功率适配器关断，包括高电压输出和FET，这启用在功率适配器2000的输出处的功率。例如，当DC输出420过高时，二极管1332将开始传导，驱动电流使其通过二极管1330，由此将信号送至晶体管250和降压功率因数校正电路232的故障输入238。故障输入238无需自动重启功率适配器2000就能工作，由此防止用工作在单个和较低功率的USB输出的标准开关电源可能发生的额外损坏，其中在故障状态下的电流流动不大可能造成损坏。由于功率适配器2000工作在高电流输出，故障需要撤去AC输入以重启功率适配器2000并防止可能通过来自过电压和过电流状态的自动故障恢复造成的损坏。

类似地，监视电路1340测量横跨电阻器1342的电压，该电阻器1342将输出电流运送至USB输出1360、1362。当USB输出电流并因此横跨电阻器1342的电压超出预定值时，电流监视电路激活二极管1334，这使比较器1350设定一输出，该输出激活二极管1330。二极管1332开始导通，将电流驱动通过二极管1330，由此将信号送至晶体管250以及降压功率因数校正电路232的故障输入238。

另外，电阻器1344、1346将被提供给USB输出1360、1362的USB输出电压分压。当该电压超出电路设计所确定的量时，二极管1336被激活以使比较器1350设定使二极管1330激活的输出。二极管1332开始导通，将电流驱动通过二极管1330，由此将信号送至晶体管250以及降压功率因数校正电路232的故障输入238。

在一替代实施例中，功率适配器2000可包括与USB开关1380相似的第二USB开关、与监视电路1340相似的第二电路以及第三和第四USB电源。第二USB开关以与第一USB开关相同的方式接收输入功率，并具有过电流监视和电压监视电路，该电路并行于第一USB开关1380的功能复制前面描述的功能。当第二USB开关经历故障时，布置附加的比较器电路从而以与比较器1350相同的方式导通二极管1330，通过额外的逻辑电平以使比较器1350和来自第二USB开关的输入经由二极管1330发送故障信号。

除了前面描述的功率适配器2000的元件的特定功能外，功率因数校正电路30、芯片集稳压器40、分立第二总线起动电路20以及USB开关110的操作通过表面安装技术实现，并且包含箔绕组和嵌入在PCB中的扁平绕组两者的混合式变压器形成具有比之前在功率适配器中可用的更高功率密度的功率适配器。在一个实施例中，图1-7中的电源组件具有大约5英寸(或更小)长×4英寸(或更大)宽的尺寸，它结合前面公开的创新和标准散热技术可实现比12W/立方英寸更大的功率密度。

前述附图详细给出了前述功率适配器的一种可能的实施例。前面包括附图的全部各个电路的描述和相关描述的描述是解说性而非约束性的，并旨在示出例示出本发明实现的示例性实施例。此外，本发明的任何实施例的一个或多个特征可与本发明的任何其他实施例的一个或多个特征组合，而不背离本发明的范围。对“一”、“一个”或“该”的任何叙述旨在表示“一个或多个”，除非特别指出了相反的含义。

在细阅本公开之后，本发明的许多变例对本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，本发明的范围不应参照以上描述来确定，而是应当参照所附权利要求及其全部范围或等效方案来确定。来自任何实施例的一个或更多个特征可与任何其他实施例的一个或更多个特征结合而不会脱离本发明的范围。在对测量结果用近似或“大约”表述时，本文的实施例也考虑到准确的测量。在公开一种形状时，例如矩形表面，本文的实施例考虑到其它适合的形状，例如多边方块或圆形表面。

Claims (20)

1.一种功率适配器，包括：

AC输入；

耦合至所述AC输入的整流器；

耦合至所述整流器的功率因数校正电路；以及

耦合至所述功率因数校正电路的猝发脉冲开关电路，其中所述猝发脉冲开关电路经由一组FET驱动器、一组FET和变压器将功率提供给DC输出；所述猝发脉冲开关电路使用来自所述DC输出的反馈输入排它地以猝发脉冲模式提供功率；

所述变压器包括耦合至所述一组FET的第一绕组以及分别耦合至所述第一绕组的第二、第三、第四和第五绕组；

所述第二绕组和所述第三绕组被嵌入到印刷电路板中；以及

所述第四和第五绕组各自包括缠绕在变压器铁芯周围的导电条带。

2.如权利要求1所述的功率适配器，其特征在于，还包括功率适配器外壳，所述功率适配器外壳围住所述功率适配器以使由所述功率适配器外壳围住的功率适配器的功率密度大于12瓦/立方英寸。

3.如权利要求2所述的功率适配器，其特征在于，还包括耦合至所述功率因数校正电路的总线输出的高电压线。

4.如权利要求3所述的功率适配器，其特征在于，还包括耦合至晶体管的二极管，所述晶体管进一步耦合至高电压线。

5.如权利要求4所述的功率适配器，其特征在于，还包括耦合至所述一组FET驱动器的比较器以及比较电压输入。

6.如权利要求5所述的功率适配器，其特征在于，所述二极管和晶体管在功率适配器起动时工作以形成低电压支持，所述低电压支持在所述功率适配器起动时将工作功率提供给所述一组FET驱动器。

7.如权利要求6所述的功率适配器，其特征在于，所述第二绕组形成FET驱动器工作电压，所述FET驱动器工作电压当所述第二绕组由所述第一绕组驱动时取代所述低电压支持以将功率提供给所述一组FET驱动器。

8.如权利要求7所述的功率适配器，其特征在于，所述比较器将来自所述比较电压输入的第一比较电压与所述FET驱动器工作电压进行比较。

9.如权利要求8所述的功率适配器，其特征在于，当所述FET驱动器工作电压降至由所述第一比较电压设定的预定阈值之下时，所述比较器的输出耦合至所述晶体管以维持低电压支持。

10.如权利要求9所述的功率适配器，其特征在于，还包括耦合至所述DC输出的USB开关，所述USB开关将USB电压和USB电流驱动至第一USB输出和第二USB输出。

11.如权利要求10所述的功率适配器，其特征在于，还包括第一监视电路，所述第一监视电路监视所述USB电流并当所述USB电流超出电流阈值时激活所述功率因数校正电路的故障输入。

12.如权利要求11所述的功率适配器，其特征在于，还包括第二监视电路，所述第二监视电路监视所述USB电压并当所述USB电压超出电流阈值时激活所述功率因数校正电路的故障输入。

13.如权利要求12所述的功率适配器，其特征在于，还包括第三监视电路，所述第三监视电路当所述DC输出的DC输出电压超出DC电压阈值时激活所述功率因数校正电路的故障输入。

14.一种高功率密度多输出功率适配器***，包括：

AC输入；

耦合至所述AC输入的整流器；

耦合至所述整流器的功率因数校正电路；

耦合至所述功率因数校正电路的猝发脉冲开关电路，其中所述猝发脉冲开关电路经由一组FET驱动器、一组FET和变压器将功率提供给DC输出，所述猝发脉冲开关电路使用来自所述DC输出的反馈输入排它地以猝发脉冲模式提供功率；

以及

耦合至DC输出的USB开关，所述USB开关将USB电压和USB电流驱动至第一USB输出和第二USB输出；以及

功率适配器外壳，所述功率适配器外壳围住所述功率适配器***以使由所述功率适配器外壳围住的功率适配器的功率密度大于12瓦/立方英寸。

15.如权利要求14所述的高功率密度多输出功率适配器***，其特征在于，所述变压器包括耦合至所述一组FET的第一绕组以及分别耦合至所述第一绕组的第二、第三、第四和第五绕组；

所述第二绕组和所述第三绕组被嵌入到印刷电路板中；以及

所述第四和第五绕组各自包括缠绕在变压器铁芯周围的导电条带。

16.如权利要求15所述的高功率密度多输出功率适配器***，其特征在于，还包括：

第一监视电路，所述第一监视电路监视所述USB电流并当所述USB电流超出电流阈值时激活所述功率因数校正电路的故障输入。

第二监视电路，所述第二监视电路监视所述USB电压并当所述USB电压超出电压阈值时激活所述功率因数校正电路的故障输入；以及

第三监视电路，所述第三监视电路当所述DC输出的DC输出电压超出DC电压阈值时激活所述功率因数校正电路的故障输入。

17.如权利要求14所述的高功率密度多输出功率适配器***，其特征在于，还包括耦合至所述功率因数校正电路的总线输出的高电压线；

耦合至晶体管的二极管，其中所述晶体管进一步耦合至高电压线；以及

比较器；

所述二极管和晶体管在功率适配器起动时工作以形成低电压支持，所述低电压支持在所述功率适配器起动时将工作功率提供给所述一组FET驱动器；

所述第二绕组形成FET驱动器工作电压，所述FET驱动器工作电压当所述第二绕组由所述第一绕组驱动时取代所述低电压支持以将功率提供给所述一组FET驱动器；并且

所述比较器将第一比较电压与FET驱动器工作电压进行比较并当所述FET驱动器工作电压低于由所述第一比较电压设定的预定阈值时比较器的输出被耦合至晶体管以维持低电压支持。

18.如权利要求17所述的高功率密度多输出功率适配器***，其特征在于，还包括耦合至所述比较器输出的光耦合器，其中所述光耦合器跨由所述变压器形成的隔离势垒将数字反馈信息提供给所述适配器的初级侧。

19.如权利要求15所述的高功率密度多输出功率适配器***，其特征在于，所述变压器的铁芯是立方铁氧体EQ铁芯。

20.如权利要求19所述的高功率密度多输出功率适配器***，其特征在于，所述变压器的铁芯被附连至PCB的圆形PCB段，在所述圆形PCB段上安装有猝发脉冲开关电路，并且所述变压器的绕组绕所述圆形PCB段被设置成交错结构。

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