负载连接检测的制作方法

负载连接检测的制作方法
【专利摘要】提供了一种设备，包括：输出端口，用于连接至负载；第一输入端口，用于接收第一输入信号；以及第二输入端口，其耦合在第一输入端口与输出端口之间，用于接收第二输入信号。该设备还包括：耦合电路，用于将第二输入信号耦合至输出端口；以及频率隔离电路，其具有将第一输入信号传播至输出端口但防止第二输入信号传播至第一输入端口的频率响应。该设备还包括检测电路，用于确定输出端口处的输出信号的电压，该输出信号在输出端口处不存在负载的情况下具有第一幅度范围并且在输出端口处存在负载的情况下具有低于第一幅度范围的第二幅度范围。
【专利说明】
负载连接检测
技术领域
[0001] 本公开内容一般涉及用于检测负载装置与源装置的连接的方法和设备，更具体 地，涉及检测负载装置与电力转换器的连接。
【背景技术】
[0002] 对于电力传输应用和数据传输应用，各种通信协议依赖于配对装置（例如，源装 置和负载装置）之间的通信信令。在这种情况下，可能期望源装置检测是否有负载装置实 际连接至该源装置。例如，如果源装置为支持各种类型的负载装置或支持各种对负载装置 进行供电的方式（例如可变供电电压）的稳压电源，则源装置可能需要识别是否连接有负 载装置，以及可选地识别连接至该源装置的负载装置的类型，以提供安全地对负载装置进 行供电的适当电压水平。一些较新一代的负载装置具有这样的能力：通过交换握手信号或 执行预定义的发现序列来向源装置标识其自身。然而，一些传统负载装置可能不具有执行 这种发现的能力。
[0003] 在这种情形下，需要替选方法来使源装置能够确定其是否连接有负载装置以及可 选地确定所连接的负载装置的类型。

【发明内容】

[0004] 因此，一些实施方式提供了使源装置能够检测负载装置的存在或不存在以及可选 地检测负载装置的特性的方法和设备。一种设备包括：输出端口，用于连接至负载；第一输 入端口，用于接收第一输入信号；以及第二输入端口，其親合在第一输入端口与输出端口之 间，用于接收第二输入信号。该设备还包括将第二输入信号耦合至输出端口的耦合电路。另 外，该设备包括耦合在第一输入端口与第二输入端口之间的频率隔离电路，频率隔离电路 具有将第一输入信号传播至输出端口但防止第二输入信号传播至第一输入端口的频率响 应。此外，该设备包括检测电路，用于确定输出端口处的输出信号的电压，该输出信号在输 出端口处不存在负载的情况下具有第一幅度范围，并且在输出端口处存在负载的情况下具 有低于第一幅度范围的第二幅度范围。
[0005] 在一个或更多个实施方式中，耦合电路包括变压器。在这种实施方式中，第二输入 端口耦合至变压器的初级侧，并且第一输入端口和输出端口耦合至变压器的次级侧。在这 种实施方式中，频率隔离电路包括该变压器的电感元件。
[0006] 在一个或更多个实施方式中，耦合电路包括将第二输入端口耦合至输出端口的电 容器。在这种实施方式中，频率隔离电路为经由该耦合电路耦合至第二输入端口的电感器。
[0007] 在一个或更多个实施方式中，第一幅度范围介于第二幅度范围的三倍与十倍之 间。在一个实施方式中，第一输入信号基本上为直流（DC)信号，并且第二输入信号的频率 不小于IMHz。在一个实施方式中，第二输入信号为具有500kHz与5MHz之间的多个频率的 带限（bandlimited)信号。在一个实施方式中，第一输入信号为电源电路的稳压输出电压。
[0008] 在一个实施方式中，一种方法包括在第一输入端口处接收第一输入信号。该方法 还包括在第二输入端口处注入第二输入信号，第二输入端口親合在第一输入端口与输出端 口之间。通过频率隔离电路来防止第二输入信号传播至第一输入端口。该方法还包括检测 输出端口处的响应于所注入的第二输入信号的输出信号的电压。该方法还包括：响应于该 电压的幅度范围低于阈值幅度范围，确定在输出端口处连接有负载装置；以及响应于该电 压的幅度范围大于指定阈值，确定在输出端口处没有连接负载装置。
[0009] 在一个或更多个实施方式中，该方法还包括：检测输出端口处的响应于所注入的 第二输入信号的输出信号的电流；确定输出端口处的输出信号的电流与电压之间的相位关 系；以及基于该相位关系来确定负载装置的特性。
[0010] 在一个或更多个实施方式中，第二输入信号包括第一频率和第二频率。在这种实 施方式中，该方法另外包括：确定输出信号的针对第一频率的第一幅度范围和输出信号的 针对第二频率的第二幅度范围；将第一幅度范围与第一基准进行比较以获得第一衰减度 量，并且将第二幅度范围与第二基准进行比较以获得第二衰减度量；以及基于第一衰减度 量与第二衰减度量的比较来确定负载装置的特性。
[0011] 在本说明书中描述的特征和优点并不是全面包括的，特别地，根据附图、说明书和 权利要求，本领域技术人员会想到许多另外的特征和优点。此外，应当注意的是，本说明书 中所使用的语言主要是针对可读性和指导的目的来选择的，而并非被选择来对本发明主题 进行划定或限制。
【附图说明】
[0012] 通过结合附图考虑以下详细描述，可以容易地理解本公开内容的实施方式的教 不。
[0013] 图IA根据一个实施方式示出用于检测输出端口处负载装置的连接的设备的第一 配置。
[0014] 图IB根据一个实施方式示出图IA的第一配置的子部件的等效表示。
[0015] 图IC根据一个实施方式示出图IA的第一配置的替选表示。
[0016] 图2A根据另一实施方式示出用于检测输出端口处负载装置的连接的设备的第二 配置。
[0017] 图2B根据另一实施方式示出图2A的第二配置的替选表示。
[0018] 图3根据一个实施方式示出负载检测设备（图IA或图2A)在电力转换器中的示 例应用。
[0019] 图4根据一个实施方式示出在图IA或图2A的设备的输出端口处测量的电压-时 间波形的模拟，该波形是响应于负载的交替的连接和移除而产生的。
[0020] 图5根据一个实施方式示出第一配置（图1A)在连接至电容性负载时的传递函数 的频率响应曲线图（幅度响应和相位响应），其中该频率响应为所注入的输入信号的频率 的函数。
[0021] 图6根据一个实施方式示出第二配置（图2A)在连接至电容性负载时的传递函数 的频率响应曲线图（幅度响应和相位响应），其中该频率响应为所注入的输入信号的频率 的函数。
[0022] 图7A和图7B根据另一实施方式示出第二配置（图2A)在有负载的情况下和没有 负载的情况下的传递函数的频率响应（幅度响应和相位响应）的替选表示，其中该频率响 应为所注入的输入信号的频率的函数。
【具体实施方式】
[0023] 附图和以下描述仅通过说明的方式涉及本公开内容的优选实施方式。应当注意的 是，根据以下论述，本文中所公开的结构和方法的替选实施方式将被容易地视为可以在不 脱离本公开内容的原理的情况下采用的可行替选方案。
[0024] 现在将详细参考本公开内容的若干实施方式，在附图中示出这些实施方式的示 例。要注意的是，只要可行就可以在附图中使用相似或相同的附图标记，并且这些相似或相 同的附图标记可以指示相似或相同的功能。附图仅出于说明的目的描绘了本公开内容的实 施方式。本领域技术人员根据以下描述将容易地意识到，可以在不脱离本文中所描述的本 公开内容的原理的情况下采用本文中所示出的结构和方法的替选实施方式。
[0025] 电感親合的输入信号源
[0026] 图IA根据一个实施方式示出用于检测输出端口处负载装置的连接的设备的第一 配置100。
[0027] 图IA的设备可以是被配置成向负载装置提供电力信号的电源电路的部件，或可 以被耦合至该电源电路，该电源电路例如为稳压DC电源、开关电源、电源适配器或充电器。 例如，该设备可以是包括充电功能、诸如USB (通用串行总线）连接器的数据传输连接器的 电力输出端口的部件。在此示例中，该设备可以将电力信号驱动或提供至配对USB线缆的 Vbus线，以对连接至USB线缆的远端的负载装置105供电。
[0028] 在这种实施方式中，期望在负载装置不通过发现序列标识其自身的情况下或者在 不与负载装置交换握手信号的情况下检测是否有负载装置连接至该设备。另外，期望在即 使被连接也不影响电源的工作的情况下对负载装置的连接或不存在进行检测。
[0029] 为此，如图IA所示，该设备的第一配置100包括第一输入端口 AA'、第二输入端口 BB'和输出端口 CC'。
[0030] 第一输入端口 AA'被配置成接收第一输入信号VI。在一些实施方式中，第一输入 信号为电源电路的稳压输出电压，并且基本上为DC信号。在这种实施方式中，第一输入信 号被配置成对耦合至该设备的负载装置（如蜂窝电话或移动装置）供电。该设备包括连接 至负载105的输出端口 CC'。负载105可以通过诸如USB线缆的Vbus线的线缆107连接至 该设备的输出端口 CC'。如图IA所示，线缆107可以具有线缆电容（C2)和线缆电阻（R3)。
[0031] 该设备还包括耦合在第一输入端口 AA'与输出端口 CC'之间的第二输入端口 BB'。 第二输入端口 BB'被配置成接收第二输入信号V2。第二输入信号在频率上与第一输入信 号适当地区别开，并且第二输入信号在频率上高于第一输入信号。在一些实施方式中，第二 输入信号为频率在500kHz与5MHz之间的正弦信号。例如，在一个实施方式中，第二输入信 号可以为IMHz的正弦信号。在其他实施方式中，第二输入信号为具有指定频率范围内（例 如，在500kHz与5MHz之间）的多个频率的带限信号（例如，伪随机信号、宽带噪声信号、正 弦扫频信号、PSK或相移键控信号等）。
[0032] 该设备还包括将第二输入信号V2耦合至输出端口 CC'的耦合电路110。在一个 实施方式中，如图IA所示，耦合电路110包括具有初级侧绕组L2和次级侧绕组Ll的变压 器。第二输入端口 BB'耦合至起耦合电路110的作用的变压器的初级侧L2 ;第一输入端口 AA'和输出端口 CC'耦合至起耦合电路110的作用的变压器的次级侧L1。如参照图IB进 一步说明的，基于变压器的匝数比或阻抗变换，初级侧电压（对应于第二输入信号V2)和电 阻R2被反射至或耦合至变压器的次级侧Ll。在本实施方式中，第二输入信号V2因而通过 变压器耦合电路110耦合至输出端口 CC'。
[0033] 频率隔离电路被耦合在第一输入端口 AA'与第二输入端口 BB'之间，该频率隔离 电路具有将第一输入信号Vl传播至输出端口 CC'但防止第二输入信号V2传播至第一输入 端口 AA'的频率响应。在一些实施方式中，如图IA所示，由变压器的电感元件（例如次级 侧绕组LI)形成频率隔离电路。在这种实施方式中，次级侧绕组Ll具有约ΙΟμΗ至20μΗ 的电感。电感元件LI在第一输入信号的频率处（例如在DC处）的电抗低得足以将第一输 入信号Vl传播至输出端口 CC'。但电感元件在第二输入信号V2的频率处（例如在约IMHz 处）的电抗高得足以防止第二输入信号V2传播至第一输入端口 AA'。因而，第二输入信号 V2可以被耦合至输出端口 CC'而不影响耦合至第一输入端口 AA'的装置（例如稳压电源） 的工作。
[0034] 该设备还包括检测电路130,用于检测或确定输出端口 CC'处的输出信号 (Output)的电压（Vout)，以及基于输出信号的特性来确定是否有负载连接至输出端口 CC' 或连接至线缆107的远端。典型的负载装置（例如手机、膝上型计算机、移动计算装置）具 有已知范围内的输入阻抗（输入电阻值和输入电容值）。例如，典型的负载具有从0.1 yF 至IOOyF的范围内的输入电容。当耦合至输出端口时，负载电容连同所反射的源电阻形成 低通滤波器极点（如下面参照图IC和图5进一步说明的）。如果第二输入信号V2的频率 被选择为足够地高于该极点的频率，则第二输入信号V2在连接有负载时被滤波器响应适 当地衰减。当负载不存在时，第二输入信号不衰减。因而，由于负载的存在或不存在而产生 结果输出信号的电压的不同幅度范围。
[0035] 换言之，该输出信号在输出端口 CC'处不存在负载的情况下具有第一幅度范围 (A1，如图4所示），并且在输出端口 CC'处存在负载的情况下具有低于第一幅度范围的第二 幅度范围（A2,如图4所示）。检测电路130可以测量输出电压的幅度范围，并且确定是否 有负载连接至输出端口。电路130可以检测交流（AC)分量大小以确定是否存在负载。在 一个实施方式中，检测电路130包括峰检测器、阈值检测器、比较器、仪表放大器、万用表、 电压表和/或测量输出电压或输出电压的幅度范围以及可选地将所测量的输出电压或输 出电压的幅度范围与阈值或基准值进行比较的任何其他合适的部件。
[0036] 另外，检测电路130也可以确定输出端口处的与第二输入信号V2相对应的输出信 号（Output)的电流（lout)，以及与第二输入信号V2相对应的输出信号的电压（Vout)与电 流（Iout)之间的相位关系。在一个实施方式中，检测电路130包括电流计（安培计）、万用 表、跨阻放大器、频谱分析仪、示波器和/或能够测量电流、电压以及所测量的电流与电压 之间的相位关系的任何其他合适的部件。输出信号的电压与电流之间的相位关系依赖于负 载105的部件值。检测电路130可以基于所测量的相位关系来确定或计算负载的特性（部 件值、阻抗等）。例如，对于纯电阻性负载，输出信号的电压和电流将同相或基本上同相；对 于纯电容性负载，输出信号的电压和电流将异相，其中电流比电压超前基本上90°的相位； 对于具有电阻性分量和电容性分量二者的负载，根据电阻性分量和电容性分量的相对值， 输出信号的电流比输出信号的电压超前0°与90°之间的值。
[0037] 在这种实施方式中，如果确定连接有负载装置，则检测电路130使用输出信号的 电流与电压之间的相位关系与输出信号的电压的衰减度量的组合，以确定负载装置的特 性。例如，对于电阻性短路，检测电路130将检测到电流和电压同相，并且基于输出信号被 衰减的值来确定负载的电阻（例如，完全短路、部分短路、软短路）。作为另一示例，对于电 容性短路，电流和电压将异相，并且衰减的程度可以用于确定负载的电容。
[0038] 可替选地或另外地，如果第二输入信号为具有指定频率范围内（例如，在500kHz 与5MHz之间）的多个频率的带限信号（例如，伪随机信号、宽带噪声信号、正弦扫频信号、 PSK或相移键控信号等），则检测电路还可以针对构成第二输入信号的多个频率中的每个 频率确定幅度范围。由于电容性负载会使不同的频率以不同程度衰减，所以在这种实施方 式中，检测电路130可以跨不同的频率比较相对衰减（例如，幅度范围相对于断开负载的情 况下的已知基准幅度范围的变化）以确定负载电容的值。
[0039] 频率隔离电路还对耦合至第一输入端口 AA'的源（例如稳压电源）进行隔离以防 止其影响第二输入信号V2的信号路径。因而，由于隔离部件基本上将第一输入端口 AA'与 第二输入信号V2的信号路径去耦，所以输出信号（Output)的幅度或幅度范围基本上不会 随耦合至第一输入端口 AA'的源装置的特性而变化。换言之，出于分析第二输入信号V2的 信号路径的目的，源装置在第一输入端口 AA'处的存在可以被忽略。
[0040] 图IB根据一个实施方式示出图IA的第一配置100的子部件120的等效表示。
[0041] 如图IB所示，第一配置100的耦合电路（变压器）110具有初级侧（L2)和次级 侧（LI)之间的k:l的匝数比，其中初级绕组（L2)的电感为L并且次级绕组（LI)的电感为 kX L。次级绕组（LI)的电感被选择为具有适当地较大的值（例如10 μ H至20 μ H)，使得次 级绕组在第二输入信号V2的频率处的电抗大得足以使向第一输入端口 ΑΑ'传播的第二输 入信号V2衰减掉。因此，如图IB所示，在针对第二输入信号V2的等效电路表示中，可以忽 略电感器Ll以及连接在电感器Ll与第一输入端口 ΑΑ'之间的部件。
[0042] 此外，基于变压器的初级与次级匝数比为k: 1，第二输入信号V2在被反射到次级 侧Ll时为：
[0043] V2' = V2/k (1)
[0044] 类似地，初级侧电阻R2在被反射到次级侧时为：
[0045] R2' = R2/k2 (2)
[0046] 图IC根据一个实施方式示出图IA的第一配置100的针对具有子部件120的等效 电路（图IB所示）的第二输入信号路径的等效表示。
[0047] 如以上参照图IA和图IB说明的，隔离部件Ll通过对第二输入信号呈现高阻抗来 对第一输入信号源Vl进行隔离以防止其影响第二输入信号V2的信号路径。因而，当考虑 第二输入信号的信号路径的等效电路表示时，去除第一输入源VI。另外，如参照图IB说明 的，V2'为反射到变压器110的次级侧的第二输入信号。R2'为反射到变压器110的次级侧 的初级侧电阻R2。
[0048] 在下面的等式（3)中数学描述了关于第二输入（V2'）、针对输出信号（Vout)计算 的传递函数G(s):
[0049]
(3)
[0050] 等式（3)可以被简化为下面的等式⑷：
[0051]
(4)
[0052] 传递函数G(S)由两个极点和一个零点表征。第一极点是由于部件R2'和C3而形 成的，第二极点是由于部件R2'和C2而形成的，并且零点是由于部件R3和C3而形成的。
[0053] 关于第二输入（V2'）、针对第二输出信号（Vout)计算的传递函数G2 (s)可以在数 学上被简化或近似，如下面的等式（5)中所描述的，通过由于部件R2'和C3形成的单极点 来表征该彳
[0054] (S)
[0055] 进一步参照图5来说明和解释传递函数G(S)和G2 (s)的频率响应（幅度响应和 相位响应）。
[0056] 电容親合的输入信号源
[0057] 图2A根据一个实施方式示出用于检测输出端口处负载装置的连接的设备的第二 配置200。
[0058] 如图2A所示，该设备的第二配置200包括第一输入端口 AA'、第二输入端口 输出端口 CC'。
[0059] 配置200可以与配置100共享各种属性。例如，配置200包括接收第一输入信号 (Vl)的第一输入端口 AA'、连接至负载（例如负载205)的输出端口 CC'、耦合在第一输入端 口 AA'与输出端口 CC'之间以接收第二输入信号（V2)的第二输入端口 BB'。负载205可 以通过线缆207 (例如USB线缆的Vbus线）连接至输出端口 CC'。线缆207可以具有电容 (C2)和电阻（R3)。
[0060] 图2A的配置200还包括耦合电路，用于将第二输入信号（V2)耦合至输出端口 CC'。但图IA的配置100与图2A的配置200之间的区别在于：图2A的将第二输入信号（V2) 耦合至输出端口 CC'的耦合电路为电容器（例如，图2A中所示的电容器C5)。
[0061] 此外，图2A的配置200还包括耦合在第一输入端口 AA'与第二输入端口 BB'之间 的频率隔离电路，该频率隔离电路具有将第一输入信号（Vl)传播至输出端口 CC'但防止第 二输入信号（V2)传播至第一输入端口 AA'的频率响应。在图2A的配置200中，电感器Ll 形成频率隔离电路。电感器LI在第二输入信号V2的频率处的感抗高得足以阻止第二输入 信号V2传播至第一输入端口 AA'，或使第二输入信号V2衰减得不能传播至第一输入端口 AA'。但电感器Ll在第一输入信号Vl的频率处的感抗低得足以将第一输入信号传播或传 递至输出端口 CC'。
[0062] 设置检测电路230以检测或确定输出端口 CC'处的输出信号的电压（Vout)，如参 照图4说明的，该输出信号在输出端口处不存在负载的情况下具有第一幅度范围，并且在 输出端口处存在负载的情况下具有低于第一幅度范围的第二幅度范围。
[0063] 图2B根据一个实施方式示出图2A的第二配置的针对第二输入信号的替选表示。
[0064] 下面数学地描述关于第二输入（V2)、针对输出信号Vout、针对图2A的等效电路计 算的传递函数G3 (s):
[0065] (6)
[0066] 等式（6)可以被简化为如下等式（7):
[0067]
(7)
[0068] 传递函数G3 (s)由两个极点和一个零点表征。第一极点是由于部件R2和C3而形 成的，第二极点是由于部件R2和C2而形成的，并且零点是由于部件R3和C3而形成的。
[0069] 进一步参照图6来说明和解释传递函数G3 (s)的频率响应（幅度响应和相位响 应）。
[0070] 以上分析假设电感器Ll适当地较高，并且因此基本上完全地隔离第二输入（V2) 以防止其传播至第一输入端口 AA'，以及隔离或防止耦合至第一输入端口 AA'的源装置（或 源装置的任何特性，如输出阻抗）影响第二输出信号V2。然而，实际上可能不是这种情况。 在这种情形下，在下面的等式8中数学地示出Ll对传递函数G4 (s)的影响，其中G4 (s)是 在考虑到Ll的情况下关于第二输入（V2)、针对输出信号Vout、针对图2A的电路计算的：
[0071] (8)
[0072] 传递函数G4 (s)表示谐振电路。图7A和图7B示出配置200在连接有（图7A)负 载电容C3和未连接（图7B)负载电容C3的情况下的传递函数G4 (s)的频率响应（幅度和 相位）。
[0073] 图3根据一个实施方式示出（图IA或图2A的）负载检测设备在电力转换器300 中的示例应用。
[0074] 电力转换器300在图3中被示出为AC到DC反激开关型电源，但根据本文中所描 述的负载检测设备和其他教示还可以设计其他的电力转换器拓扑。电力转换器300包括三 个主要部分，即输入级302、功率级304和第二级310。
[0075] 输入级302向功率级304提供输入电压。在一个实施方式中，输入级302包括连 接至AC电压源（未示出）的桥式整流器（未示出），并且输出经整流但未稳压的DC输入电 压。输入电压被施加至控制器306的电源电压引脚Vcc和电力变压器Tl的初级绕组。
[0076] 功率级304包括电力变压器Tl、控制器306和开关308。电力变压器Tl包括初级绕 组305、次级绕组307以及辅助绕组309。控制器306通过经由从控制器306的Output (输 出）引脚输出的控制信号对电力开关308的导通（ON)状态和关断（OFF)状态进行的控制 来保持输出调节。控制器306可以采用若干公知调制技术，如脉宽调制（PffM)或脉频调制 (PFM)和/或其组合中的任何一种，来控制电力开关308的ON状态和OFF状态以及占空比。 在一个实施方式中，控制器306为专用集成电路（ASIC)。
[0077] 由控制器306 (例如，在Output引脚处）生成的控制信号驱动电力开关308 (或者 在本文中被称为开关308)的控制端子。如图3所示，开关308在此示例中为η型金属氧化 物半导体场效应晶体管（或者在本文中被称为M0SFET)，因此控制端子为开关308的栅极 (G)端子。开关308的漏极（D)与初级绕组305串联连接，并且开关308的源极（S)连接 至控制器306的I sense(SENSE :感测）引脚并且经由感测电阻器311接地。在其他实施方式 中，开关308可以是另一类型的晶体管如双极型晶体管（BJT)或能够以受控方式打开或关 闭电路的任何其他装置。控制器306的接地引脚（Gnd)接地。
[0078] Isense引脚以感测电阻器311两端的模拟电压的形式对流过初级绕组305和开关 308的初级侧电流进行感测。在一些实施方式中，在控制器306的Isense引脚处感测反激式 开关电源的初级侧电流允许逐周期的峰电流控制以及准确的恒定电流控制，以用于输出通 过负载的电流。
[0079] 电力转换器300的第二级310包括次级绕组307和二极管Dl。二极管Dl起输出 整流器的作用。在一些实施方式中，在电力转换器的输出端处设置有电容器C并且电容器 C起输出滤波器的作用。得到的稳定电压（Vl)被传递至负载105。
[0080] 为了检测负载105是否连接至电力转换器300,如图3所示，负载检测设备370被 耦合至电力转换器300的第二级310。负载检测设备370可以被配置为如参照图IA描述 的第一配置100或参照图2A描述的第二配置200。负载检测设备370的第一输入端口 AA' 耦合至电力转换器的第二级310,并且负载105可以连接至负载检测设备370的输出端口 CC'。
[0081] 在一些实施方式中，如图3所示，电力转换器300使用初级侧感测来估计负载105 两端的电压。例如，次级绕组307两端的输出电压被辅助绕组309两端的电压反射，辅助绕 组309两端的电压被输入至控制器306的V sense引脚。该反射电压被用作负载两端的电压的 替代或代理。因而，如参照图IA和图2A描述的在输出端口 CC'处生成的输出电压（Vout) 可以经由至控制器306的Vsense引脚的输入在初级侧被感测为如由辅助绕组309两端的电 压所反射的。在这种实施方式中，图IA的检测电路130或图2A的检测电路230可以被设 置在控制器306内，或者可以以其他方式设置在电力转换器300的初级侧或辅助侧。
[0082] 通常，在这种实施方式中，Vsense引脚处的电压还向控制器306提供指示次级绕组 307上的电压的反馈以用于控制开关308的工作。将输出电压（例如，负载两端的电压）感 测为Vsense引脚处的辅助绕组309两端的反射电压允许准确的输出电压调节，同时保持变压 器Tl的初级侧与次级侧之间的电隔离。
[0083] 图4根据一个实施方式示出在图IA或图2A的设备的输出端口 CC'处测量的模拟 电压-时间波形，该波形是响应于负载的交替的连接和移除而产生的。
[0084] 例如，在时间段Tl和T3期间从设备断开负载，导致输出信号的电压具有第一幅度 范围（Al)。在时间段T2和T4期间，负载被连接至该设备，导致输出信号的电压具有第二幅 度范围（A2)。第二幅度范围（A2)比第一幅度范围（Al)低一个辨别指数，该辨别指数取决 于各种因素，包括负载的特性（例如，部件值）和第二输入信号的频率。对于指定范围的负 载部件值，第二输入信号的频率被选择为确保第二幅度范围与第一幅度范围之间的辨别指 数大于期望的鉴别阈值。对于典型的在〇. 1 μ F至100 μ F的范围内的电容性负载，第二输 入信号V2的频率可以被选择为使得第一幅度范围Al介于第二幅度范围Α2的三倍与十倍 之间。在一些实施方式中，第二输入信号V2的频率被选择为具有在500kHz与5MHz之间的 值。例如，第二输入信号V2为IMHz的正弦信号。
[0085] 此外，由于常用的负载装置具有输入负载电容，该输入负载电容在连接至输出端 口 CC'时将第二输出信号衰减适当高的辨别指数，所以第二输出信号被衰减得不能传播到 负载装置中（例如，不能传播到为充电目的而经由USB线缆连接至设备的蜂窝电话中）。但 第一输入信号（Vl)通常为电源电路的稳压DC输出电压（如参照图3描述的）。因此，在输 出端口 CC'处所生成的对应于第一输入信号的DC稳压信号基本上不被负载的连接或负载 的特性更改。因而，能够在不受第二输出信号影响的情况下通过DC稳压信号对负载供电。
[0086] 图5根据一个实施方式示出第一配置（图1A)在连接至电容性负载时在输出端口 处测量的传递函数的频率响应曲线图（幅度响应和相位响应），其中该频率响应为所注入 的第二输入信号的频率的函数。
[0087] 关于参照图IC描述的配置100的等效电路表示，针对R2'、C2、R3和C3的预定义 部件值的传递函数G(S)(等式4)和G2 (s)(等式5)的增益响应和相位响应如图5所示。 在图5的图解中，对于R2' = 20欧姆、C2 = 5pF、R3 = 0. 3欧姆以及C3 = 0.1 yF的部件 值，幅度响应510-a和相位响应520-a对应于传递函数G(s)，幅度响应510-b和相位响应 520-b对应于传递函数G2 (s)。
[0088] 频率Fl对应于由部件R2'和C3形成的传递函数G(S)和G2 (s)二者的第一极点。 频率F2对应于作为部件R3和C3的结果的传递函数G(S)的零点。频率F3对应于归因于 部件R2'和C2的传递函数G(S)的第二极点。频率F2处的零点限制有负载的情况下的输 出信号幅度范围与没有负载的情况下的输出信号幅度范围之间的鉴别指数。这是因为：由 于由R3和C3形成的零点，所以不能通过使第二输入信号V2的频率增大得超过频率F2来 实现另外的信号衰减。在一些实施方式中，第二输入信号V2的频率被选择为适当地大于频 率Fl以在存在负载（C3)的情况下提供期望的衰减，并且实现期望的辨别指数。第二输入 信号V2的频率可选地小于频率F2,因为将该频率增大得超过F2并不导致辨别指数的提高。 例如，可以选择IMHz (大于Fl)的频率，其会被负载电容C3适当地衰减以提供在有C3的情 况下的幅度范围与没有C3的情况下的幅度范围的期望的差别。
[0089] 图6根据一个实施方式示出第二配置（图2A)在连接至电容性负载时的传递函数 的频率响应曲线图（幅度响应和相位响应），其中该频率响应为所注入的第二输入信号V2 的频率的函数。
[0090] 关于参照图2B描述的配置200的等效电路表示，针对R2、C2、C5、R3和C3的预定 义部件值的传递函数G3 (s)(等式6和等式7)的增益响应和相位响应如图6所示。在图6 的图解中，对于R2 = 2千欧、C2 = 5pF、C5 = 0· I yF、R3 = 0· 3欧姆以及C3 = 0· I yF的 部件值，幅度响应610和相位响应620对应于传递函数G3 (s)。
[0091 ] 频率Fl对应于由部件R2和C3形成的传递函数G3 (s)的第一极点。频率F2对应 于作为部件R3和C3的结果的传递函数G3 (s)的零点。频率F3对应于归因于部件R2和C2 的传递函数G3(s)的第二极点。频率F2处的零点限制在连接有负载的情况下能够实现的 输出信号幅度范围与未连接负载的情况下能够实现的输出信号幅度范围之间的鉴别指数。
[0092] 但是，与图5的频率响应510-a和510-b相比，对于相同的源电阻（R2)，配置200 与配置100相比在较低的频率处出现较低的频率极点（Fl)。这部分地由于第一配置100 的反射源电阻（如等式2中所描述的R2' = R2/k2)低于第二配置200的实际源电阻（R2)。 因此，针对相同的源电阻R2,在第二配置中，与第一配置100相比能够使用较大频率范围或 较低频率的第二输入信号V2来提供合适的辨别指数。
[0093] 图7A和图7B根据另一实施方式示出第二配置（图2A)在有负载和没有负载的情 况下的传递函数的频率响应（幅度响应和相位响应）的替选表示。
[0094] 关于参照图2描述的配置200的电路表示，在电路传递函数的分析中未忽略电感 器Ll的情况下，针对R2、C2、C5、R3、Ll和C3的预定义部件值，在考虑Ll的情况下关于第 二输入（V2)、针对输出信号Vout、针对图2A的电路计算的传递函数G4 (s)(等式8)的增益 响应和相位响应如图7A和图7B所示。在图7的图解中，对于R2 = 2千欧、C2 = 5pF、C5 =0. 1 μ F、R3 = 0. 3欧姆以及LI = IOuH的部件值，幅度响应710-a和相位响应720-a对 应于针对C3 = 0.1 yF的负载电容的传递函数G4(s)。在图7B的图解中，对于R2、C2、C5、 R3和Ll的相同的部件值，幅度响应710-b和相位响应720-b对应于针对C3~OF的可忽略 负载电容的传递函数G4 (s)。
[0095] 如根据幅度响应710-a和幅度响应710-b的比较看出的，图2A的电路起谐振电路 的作用，该谐振电路由谐振频率（ω。)、带宽（△ ω)和增益表征。在图2A的配置中，谐振 电路的谐振频率（ω。）和带宽（△ ω)与电容（C3)相反地变化；谐振电路的增益直接与电 容（C3)有关。因而，对于较高的负载电容值，图7Α的响应710-a的谐振频率（ω。）和带宽 (A ω)比图7Β的响应710-b的谐振频率（ω。）和带宽（Δ ω)低。另一方面，在第二输入 信号V2的IMHz的频率下，图7Α的响应710-a的增益大于图7Β的响应710-b的增益。
[0096] 基于电路在有负载电容和没有负载电容的情况下的频率响应的不同特性，可以选 择所注入的第二输入信号的合适频率以实现在有负载的情况下的测量输出信号与没有负 载的情况下的测量输出信号之间的期望的辨别指数。例如，在图7A和图7B的图解中，电路 的增益在有负载的情况下的约-60dB (图7A)与没有负载的情况下的-30dB (图7B)之间变 化。
[0097] 在阅读本公开内容时，本领域技术人员将理解，对于负载检测设备仍然存在另外 的替选设计。因而，虽然已经示出并描述了本公开内容的【具体实施方式】和应用，但要理解的 是：本公开内容不限于本文中所公开的确切结构和部件，并且在不脱离如在所附权利要求 中限定的本公开内容的精神和范围的情况下，可以在本文中所公开的本公开内容的方法和 设备的布置、操作和细节方面做出对本领域技术人员明显的各种修改、变化和变型。
【主权项】
1. 一种设备，包括： 输出端口，用于连接至负载； 第一输入端口，用于接收第一输入信号； 第二输入端口，其耦合在所述第一输入端口与所述输出端口之间，用于接收第二输入 信号； 耦合电路，用于将所述第二输入信号耦合至所述输出端口； 频率隔离电路，其耦合在所述第一输入端口与所述第二输入端口之间，所述频率隔离 电路具有将所述第一输入信号传播至所述输出端口但防止所述第二输入信号传播至所述 第一输入端口的频率响应；以及 检测电路，用于确定所述输出端口处的输出信号的电压，所述输出信号在所述输出端 口处不存在负载的情况下具有第一幅度范围并且在所述输出端口处存在负载的情况下具 有低于所述第一幅度范围的第二幅度范围。2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述耦合电路包括变压器，所述第二输入端口 耦合至所述变压器的初级侧，所述第一输入端口和所述输出端口耦合至所述变压器的次级 侧。3. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述耦合电路包括电容器，所述电容器将所述第 二输入端口親合至所述输出端口。4. 根据权利要求2所述的设备，其中，所述频率隔离电路包括所述变压器的电感元件。5. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述频率隔离电路为经由所述耦合电路耦合至 所述第二输入端口的电感器。6. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一幅度范围介于所述第二幅度范围的三 倍与十倍之间。7. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一输入信号基本上为直流信号，并且所述 第二输入信号的频率不小于1MHz。8. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二输入信号为频率在500kHz与5MHz之间 的正弦信号。9. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二输入信号为具有500kHz与5MHz之间的 多个频率的带限信号。10. 根据权利要求9所述的设备，其中，所述检测电路还针对所述第二输入信号的所述 多个频率中的每个频率确定幅度范围。11. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述检测电路还确定所述输出端口处的所述输 出信号的电流，以及所述输出信号的所述电压与所述电流之间的相位关系。12. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一输入信号为电源电路的稳压输出电 压。13. -种方法，包括： 在第一输入端口处接收第一输入信号； 在第二输入端口处注入第二输入信号，其中所述第二输入端口耦合在所述第一输入端 口与输出端口之间，并且通过频率隔离电路来防止所述第二输入信号传播至所述第一输入 端口； 检测所述输出端口处的响应于所注入的第二输入信号的输出信号的电压； 响应于所述电压的幅度范围低于阈值幅度范围，确定在所述输出端口处连接有负载装 置；以及 响应于所述电压的所述幅度范围大于所指定的阈值，确定所述输出端口处未连接负载 装置。14. 根据权利要求13所述的方法，还包括： 检测所述输出端口处的响应于所注入的第二输入信号的所述输出信号的电流； 确定所述输出端口处的所述输出信号的所述电流与所述电压之间的相位关系；以及 基于所述相位关系确定所述负载装置的特性。15. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二输入信号包括第一频率和第二频率， 所述方法还包括： 确定所述输出信号的针对所述第一频率的第一幅度范围以及所述输出信号的针对所 述第二频率的第二幅度范围； 将所述第一幅度范围与第一基准进行比较以获得第一衰减度量，并且将所述第二幅度 范围与第二基准进行比较以获得第二衰减度量；以及 基于所述第一衰减度量与所述第二衰减度量的比较来确定所述负载装置的特性。
【文档编号】G01R31/00GK105842553SQ201510013425
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】约翰·威廉·凯斯特森, 李勇, 史富强
【申请人】戴乐格半导体公司