專利名稱：對在限流電源總線上的設備的的零件提供輔助功率的設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及輔助電源電路，用于向經(jīng)由額定電壓下的限流總線供電的設備供電。
背景技術(shù)：
已知主數(shù)據(jù)處理機，不管它們是計算機還是通信平臺，通常包括受電壓調(diào)整的電源總線，該電源總線是限流的，例如具有USB端口的通用串行總線(USB)，設備的外部部件可與該USB端口相連。一些這樣的設備部件，尤其是外部硬盤，仍然會產(chǎn)生問題，這是由于當設備起動時其產(chǎn)生的特別高的電流汲取。
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USB電源總線上可用的最大允許功率(5伏(V) ,500毫安(mA)) —般不足以滿足這種設備。然后僅通過傳遞遠大于USB電源總線上允許的最大電流的電流獲得所要求的功率。為了緩解USB端口上那些不足的額定功率電平，常見方式是經(jīng)由獨立的外部電源電路向外部設備供電。不過，由于以外部電源電路為代表的額外成本(不管是制造成本還是運行成本而言)，這種方案在成本上是最不利的。另外，外部電源電路顯著地增加了設備的總尺寸并使包含該設備的裝置的布線變得復雜。為了緩解USB端口的不足額定功率，已提出經(jīng)由兩個USB端口并使用特定的Y電纜對外部設備供電。不過，這種方案只有在主機具有足以使設備的所有外部部件與之連接的數(shù)個USB端口時才能實現(xiàn)。為了緩解USB端口的不足額定功率，還提出將主機的電源總線尺寸設計成過大的。在這類情形下，仍然需要將所有主機的尺寸設計成過大的，由此在主機制造過程中導致額外的成本。此外，這種方案無法被安置在已有的主機上。發(fā)明目的本發(fā)明的一個目的是即便當限流電源總線無法傳遞足夠的電流時也允許設備尤其是外部硬盤操作。發(fā)明簡述從已構(gòu)成本發(fā)明的一部分的觀測結(jié)果來看，在許多情形下，對電流的高需求只是在起動設備時的很短持續(xù)時間，本發(fā)明提出一種供電電路，該供電電路不僅包括在設備額定電壓下的限流電源總線，還包括輔助電源電路，該輔助電源電路包括儲能部件，該儲能部件在高于額定電壓的電壓下儲能并與額定電壓下的電壓調(diào)節(jié)器相關(guān)聯(lián)；以及觸發(fā)部件，該觸發(fā)部件將所存儲的能量釋放至電源總線上并聯(lián)的設備。因此，通過在高于額定電壓的電壓下使用儲能部件，可突然地傳遞起動設備所需的功率。在本發(fā)明的較為有利版本中，觸發(fā)器部件對電源總線的實際電壓敏感。因此，在硬盤開始時利用電源總線的實際電壓下降，來使附加電流的需要與輔助電源觸發(fā)自動同步。在本發(fā)明的另一較為有利的方面，儲能部件由連接于電源總線的電壓倍增電路供電。因此可對電力儲能部件充電而無需求助任何外部電源。附圖
簡述通過閱讀參考附圖給出的本發(fā)明的各實施例的以下描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點顯現(xiàn)出來，在附圖中·圖I是本發(fā)明的電源電路的第一實施例的圖；·圖2是與圖I相似并另外配有用于觸發(fā)輔助電源的定時器部件的電源電路的圖； 圖3是圖I的配有用于觸發(fā)輔助電源的定時器部件的電源電路的變型實施例的圖；·圖4是配有變化的定時器部件的與圖3類似的電源電路的圖；·圖5是配有用于提供抗電流過載保護的電路的與圖4相似的電路圖；圖6是圖I電路的另一可變實施例的圖； 圖7是圖2電路的變型實施例的圖；以及圖8是本發(fā)明的電源電路的圖，其中儲能部件由連接于電源總線的電壓倍增電路供電。
具體實施例方式圖I示出第一實施例，其中本發(fā)明的電源電路被納入到主機中，該主機具有電源總線1，該電源總線I具有用于擬被供電的設備2的額定電壓Vb :在該例中，外部硬盤與主機的USB端口 3連接。電源總線I基于電壓/電壓轉(zhuǎn)換器7并且它是限流的。本發(fā)明的電源電路的第一實施例被納入到主機中，該主機還具有電壓調(diào)節(jié)的電源線4，該電源線4傳遞比電源總線的電壓高的輔助電壓Va。典型地，限流電源總線是具有5V電壓的USB總線，而輔助電壓為12V。電源電路包括儲能部件5，該儲能部件5經(jīng)由負載電阻器8連接于電源線4。儲能部件5關(guān)聯(lián)于在額定電壓Vb下傳遞電壓的電壓調(diào)節(jié)器7，并且關(guān)聯(lián)于觸發(fā)部件6，構(gòu)成設備I的輔助電源。在圖I所示的實施例中，儲能部件5是一電容器，其一端接地而另一端連接于形成觸發(fā)器部件6的負溝道金屬氧化物半導體(nMOS)晶體管的漏極。晶體管6的源極連接于USB總線1，其柵極關(guān)聯(lián)于電阻器9、10，所述電阻器9、10橫跨輔助電源線4作為電橋連接，由此當電源總線I上的實際電壓小于或等于需要觸發(fā)輔助電源的幫助電壓Vh時，MOS晶體管6的柵極/源極電位差等于或大于晶體管6傳導時其閾值電壓。當主機接通時，晶體管6是不傳導的，并且電容器5充電直到它達到與輔助電壓Va相等的目標電壓為止。當USB端口 3連接于一旦起動即消耗大于USB電源總線可傳遞的電流的設備(例如外部硬盤)時，則導致的電流汲取使電源電壓Vb下降。當該電源電壓達到幫助電壓Vh的值時，晶體管6變得傳導并且電容器5向電路放電，由此除了由轉(zhuǎn)換器7傳遞的電流外還傳遞輔助電源電流，由此允許USB電源總線上的電壓上升。輔助電流僅由儲能部件傳遞很短的時間，且假設超過這段時間設備能夠以對于該設備僅由USB電源總線供電就足夠的低電流運行。典型地，輔助電流在設備連接的一瞬間表現(xiàn)出大約4安培(A)的峰值,緊接著就是長達約150微秒(μ s)的2安培的穩(wěn)定狀態(tài)，之后的額定工作電流僅為400毫安。應當發(fā)現(xiàn)在該實施例中，需要在連接外部設備前接通主機。如果在已連接外部設備的同時接通主機，則晶體管6在電容器5有時間充電前變得傳導。
圖2示出與圖I相似但另外配有用于定時觸發(fā)輔助電源的定時器部件的電源電路。在圖2中，與圖I的電源電路中的那些組件相似的組件用相同的數(shù)字標記表示。在圖2所示的實施例中，定時器部件包括負-正-負(npn)晶體管11，其發(fā)射極接地，其集電極在電阻器9、10之間的中間點連接于MOS晶體管6的柵極，其基極經(jīng)由電阻器連接于比較器12的輸出，該比較器12具有保持在目標電壓Vc下的反相輸入以及連接于電容器5以測量其瞬時電壓的非反相輸入。因此，只要電容器5的瞬時電壓低于目標電壓，晶體管11是傳導的并且MOS晶體管6的柵極保持在零以使MOS晶體管不傳導。電容器5逐漸地充電。當電容器5的瞬時電壓到達目標電壓時，晶體管11截止而輔助電源電路如參照圖I描述的那樣工作。圖3示出圖2電路的變型實施例。如前所述，與前述實施例相同的組件被給予相同的數(shù)字標記。在該實施例中，晶體管11和比較器12僅通過一端接地而另一端在電阻器
9、10之間的中間點連接于晶體管6的柵極的電容器13來替代。 不過應當發(fā)現(xiàn)，一旦起動則電路的空載電容器代表一額外負載。圖4示出與圖3相似的電源電路，但其進一步包括比較器電路，該比較器電路包括如圖2實施例中的晶體管11和比較器12，以及另一 npn晶體管14，其發(fā)射極接地，其集電極連接于晶體管6的柵極，而其基極起初接收使其傳導的電壓并隨后接收使其不傳導的電壓。圖5示出與圖4相似的電路，包括提供抗電流過載保護的電路。為此，電源電路包括PMOS晶體管15，其漏極/源極結(jié)串聯(lián)地連接在包含USB端口 3的引出線路中，其柵極連接于npn晶體管16的集電極，晶體管16的發(fā)射極接地而其基極經(jīng)由電阻器連接于比較器12的輸出。比較器12的反相輸入和晶體管16的集電極連接于電阻器橋17-19，該電阻器橋17-19設定目標電壓Vc。在起初充電期間，晶體管15截止，直到電容器5已達到目標電壓Vc為止。沒有電流能流至可能連接于USB端口 3的任何外部設備。當已到達目標電壓時，MOS晶體管15變得傳導并使電流流至與USB端口 3連接的設備2。只要電容器5的電壓不下降到由電阻器17、18和19限定的臨界電壓Vcc以下，電流就能朝向設備流動。在過載的情況下，例如在短路的情況下，電容器5放電至臨界電壓，在該臨界電壓下pMOS晶體管15變得不導通，以使系統(tǒng)與由短路造成的過載隔絕。當如此隔絕時，只要短路存在，電容器5充電并且循環(huán)反復。在前述實施例中，電源電路的工作參數(shù)之一是MOS晶體管的閾值電壓。該閾值電壓可因變于用來制造晶體管的工藝而變化。這種閾值電壓的變化在某些情形下可能是麻煩的。圖6示出本發(fā)明的電源電路的一個變型實施例，其中第一實施例的MOS晶體管由發(fā)射極連接于肖特基二極管22的npn晶體管21取代，晶體管10也由首先接地并其次連接于晶體管21的基極的齊納_■極管23取代。npn晶體管21的基極處的電壓等于由齊納_■極管施加的電壓Vz。因此在晶體管21的基極上具有基準電壓。該基準電壓因變于其想要獲得的幫助電壓、肖特基二極管的電壓Vd以及晶體管21的基極/發(fā)射極結(jié)的電壓Vbe而設定。當電源總線的電壓大于幫助電壓時，則Vbe+Vd<0. 65晶體管21是不傳導的。沒有電流能從電容器流向外部設備。相反，當USB總線的電壓低于幫助電壓時，晶體管21的基極/發(fā)射極結(jié)電壓大于O. 65V,而晶體管21是傳導的。電流則可從電容器5流向設備2。相比前述實施例，仍然能發(fā)現(xiàn)該實施例表現(xiàn)出功率在肖特基二極管中喪失的缺陷。圖7示出能消除MOS晶體管的電壓閾值變化的后果的變型實施例。從參照圖I描述的電路開始，電阻器10由npn晶體管24取代，該npn晶體管24的集電極連接于MOS晶體管6的柵極，其發(fā)射極接地，其基極經(jīng)由電阻器連接于比較器25的輸出，比較器的非反相輸入連接于MOS晶體管6的源極而其反相輸入接收代表幫助電壓Vh的電壓。電壓比較器25用來控制存儲在電容器5中的輔助電力的可用性。如果電源總線的電壓落到幫助電壓以下，則比較器25的輸出改變并用來控制晶體管6柵極處的電壓以使晶體管6導通。當外部設備不再需要額外能量時，總線的瞬時電壓回到其額定值，即大于幫助電壓的值，由此比較器改變狀態(tài)并使MOS晶體管6再次處于非·傳導。比較器25由此用來避免與MOS晶體管6的閾值電壓有關(guān)的不確定性問題。不過，這種方案更為昂貴并且只有在情勢必要時才選用。當主機不具有電壓高于設備額定電壓的電源時，本發(fā)明提供連接于電源總線的電壓倍增電路。電源電路優(yōu)選地包括不僅起初對電容器5充電還保持該充電以補償漏電流的
>j-U ρ α裝直。參照圖3所示根據(jù)本發(fā)明的電源電路，圖8示出電壓倍增電路的一個實施例。從圖3的電路開始看，轉(zhuǎn)換器7由具有電感器26的電壓倍增級取代，該電感器26一端連接于USB電源總線而另一端首先連接于二極管27的輸入并其次連接于pMOS晶體管28的漏極，pMOS晶體管28的源極接地且其柵極連接于微控制器29。二極管27的輸出首先連接于電容器5的高電壓端，其次連接于微控制器29的輸入。微控制器29也連接于nMOS晶體管30的柵極，該nMOS晶體管30的源極/漏極結(jié)與USB電源總線中的USB端口 3串聯(lián)。只要電容器5未被充電，MOS晶體管30用來隔離外部設備。應當發(fā)現(xiàn)，電壓倍增級的成本可能特別低，只要電容器5的充電時間迅速不是必要因素。因此，緩和的電壓倍增斜率能有優(yōu)勢地設計電感器26、二極管27和晶體管28的尺寸，由此以低成本提供電壓倍增電路。自然，本發(fā)明不限于以上所述的實施例，并可在權(quán)利要求書定義的本發(fā)明范圍內(nèi)由本領域內(nèi)技術(shù)人員作出修改。特別地，盡管圖4示出結(jié)合圖3的實施例使用比較器12，這種應用也可結(jié)合圖I所示的電源電路來實現(xiàn)。這對如圖8所示的電壓倍增級的使用也是如此。本發(fā)明不僅限于USB外部硬盤；它可擴展并同樣好地應用于主機中的其他類型外部插入部件。另一示例是將電子設備插入小形狀因數(shù)可插接(SFP)盒內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)由設備的額定電壓(Vb)下的限流電源總線⑴向所述設備(2)供電的電源電路，所述電源電路的特征在于，其包括輔助電源電路，所述輔助電源電路包括儲能部件(5)，用于在高于額定電壓(Vb)的電壓(Va)下存儲能量并與電壓調(diào)節(jié)器(7，26)相聯(lián)；以及觸發(fā)部件(6，21)，用于將所述存儲的能量釋放至與所述電源總線并聯(lián)的所述設備，所述儲能部件是電容器，且所述電源電路包括用于使所述輔助電源的觸發(fā)延時的定時器部件(11、12、13、14)。
2.如權(quán)利要求I所述的電路，其特征在于，所述觸發(fā)部件(6，21)對所述電源總線的實際電壓敏感。
3.如權(quán)利要求I所述的電路，其特征在于，所述儲能部件(5)由連接于所述電源總線的電壓倍增電路(26-28)供電。
4.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，所述定時器部件包括比較器(12)，用于將所述儲能部件的瞬時電壓與目標電壓比較。
5.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，所述形成儲能部件的電容器(5)與MOS晶體管(6)相聯(lián)，所述MOS晶體管(6)具有由電阻器橋(9，10)設定的柵極電壓，由此只要所述電源總線的實際電壓小于或等于觸發(fā)所述輔助電源所在的幫助電壓(Vh)，所述MOS晶體管的柵極/源極電位差等于或大于所述MOS晶體管的閾值電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于，所述定時器部件是阻擋晶體管(11)，所述阻擋晶體管(11)用來將所述MOS晶體管(6)的柵極電壓保持在零長達足以對所述儲能部件充電的時間長度。
7.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于，所述阻擋晶體管(11)的基極連接于比較器(2)的輸出，所述比較器(12)用于將所述目標電壓與所述儲能部件的實際電壓相比較。
8.如權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于，所述定時器部件是連接在所述電阻器橋的中間點和所述電路的接地點之間的電容器(13)。
9.如權(quán)利要求I所述的電路，其特征在于，所述電路包括用于限制流過所述輔助電源電路的電流的部件(16，15)。
全文摘要
經(jīng)由處于設備的額定電壓(Vb)下的限流電源總線(1)向設備(2)供電的電源電路包括輔助電源電路，該輔助電源電路包括儲能部件(5)和觸發(fā)部件(6)，該觸發(fā)部件(6)用于觸發(fā)從儲能部件(5)經(jīng)由降壓轉(zhuǎn)換器(7)對設備(2)的輔助供電，該降壓轉(zhuǎn)換器(7)將輔助電壓降至額定電壓。
文檔編號G06F1/26GK102906664SQ201180025937
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者N·丹吉-凱耶, C·普瑞里奧 申請人:薩基姆寬帶聯(lián)合股份公司