下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本案的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本案所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本案所涵蓋的範圍。
於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。
請參考圖1。圖1為根據本案一實施例所繪示的電源適配器100的示意圖。如圖1所示，電源適配器100用以提供輸出電壓Vo和輸出電流Io，以對電子裝置200進行充電。在本案的各個實施例中，電子裝置200可為個人電腦、筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機等電子產品，但不以上述為限。
如圖1所示，電源適配器100包含電源轉換電路130、連接端子150以及控制器170。電源轉換電路130耦接至輸入端110以及輸出端190，自輸入端110接收輸入電壓Vi，並根據控制訊號CS將輸入電壓Vi轉換為輸出電壓Vo輸出至輸出端190。連接端子150耦接於輸出端190，用以提供連接至電子裝置200的介面。舉例來說，連接端子150可為通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)介面，使得輸出電壓Vo和輸出電流Io得以經由通用序列匯流排向電子裝置200充電。
控制器170耦接至電源轉換電路130以及連接端子150。當電子裝置200連接至連接端子150以進行充電時，控制器170可透過連接端子150和電子裝置200溝通，以接收電子裝置200發出的識別指令cmd，並且根據識別指令cmd輸出控制訊號CS，以控制電源轉換電路130操作在匹配於電子裝置200的充電模式，以輸出適當的輸出電壓Vo和輸出電流Io。因此，電源適配器100便能根據不同的識別指令cmd判斷電子裝置200的類型和其支援的充電模式，並相應地調整輸出電壓Vo和輸出電流Io。
如圖1所示，在一實施例中，電源轉換電路130可包含整流單元120、變壓器140以及轉換單元160。在本例中，整流單元120耦接至輸入端110，用以對輸入電壓Vi進行整流。
由於變壓器140的初級繞組和次級繞阻具有n：1之匝數比，因此當變壓器140的一次側142接收經整流後的輸入電壓Vi後，變壓器140的二次側144可輸出經過降壓之後的第一電壓V1。轉換單元160耦接至變壓器140以及控制器170，用以接收第一電壓V1，並根據控制器170輸出之控制訊號CS調整輸出電壓Vo以及輸出電流Io至輸出端190。
在一實施例中，電源適配器100可包含偵測單元180，耦接於輸出端190以及控制器170，用以偵測輸出電壓Vo與輸出電流Io，並分別輸出相應的輸出電壓偵測訊號SVo以及輸出電流偵測訊號SIo至控制器170。控制器170可接收輸出電壓偵測訊號SVo以及輸出電流偵測訊號SIo，並據以輸出控制訊號CS。
本案以下段落將提出數個實施例，可用以實現上述的電源適配器100所述之功能與操作。為具體說明，下列將以連接端子150為通用序列匯流排介面進行實現之實施例進行說明，但本案並不以此為限。
在本實施例中，電源轉換電路130包含開關單元Q1。開關單元Q1的第一端耦接於變壓器140的一次側142，第二端耦接於接地端，控制端耦接於開關控制單元320，並根據開關控制單元320輸出的切換訊號SS1選擇性地導通(turn on)或截止(turn off)。當開關單元Q1導通時，電流流經變壓器140的一次側142，使得能量儲存在變壓器140中。當開關單元Q1截止時，儲存在變壓器140的能量經由二次側144輸出至電容C1和後端的轉換單元160上。透過開關單元Q1和變壓器140的操作，二次側144可輸出經過降壓之後的第一電壓V1。
轉換單元160可由各種轉換器(converter)實現。舉例來說，如圖1所示，轉換單元160可為由電容C1、C2，開關單元Q2、Q3，以及電感L1所組成的降壓型電源轉換器(buck converter)，但本案並不以此為限，轉換單元160可根據實際應用而採用不同類型的電源轉換器。
降壓型電源轉換器可在開關單元Q2導通而開關單元Q3截止時，提供電流流經電感L1對電容C2充電，並在開關單元Q2截止而開關單元Q3導通時將儲存於電容C2中的能量經由開關單元Q3與電感L1供應至後端電路。因此，透過調整開關單元Q2導通的時間，可控制輸入電壓與輸出電壓之間的比例關係，以調整轉換單元160輸出的輸出電壓Vo。
控制器170可根據識別指令cmd輸出相應的控制訊號CS(如：脈衝寬度調變訊號)至驅動單元340，使驅動單元340據以輸出開關訊號切換開關單元Q2、Q3的導通(turn on)或截止(turn off)，如此一來，便能根據控制訊號CS調整轉換單元160輸出的輸出電壓Vo和輸出電流Io，使轉換單元160操作在適當的充電模式。
如圖1所示，作為連接端子150的通用序列匯流排介面具有供電腳位Vbus、訊號腳位D+、訊號腳位D-、接地腳位Gnd、訊號腳位Comm1以及Comm2。控制器170可經由通用序列匯流排介面以多種不同形式接收識別指令cmd。
在一實施例中，識別指令cmd可為輸出電流Iout的電流波形特徵。控制器170可經由偵測單元180輸出的輸出電壓偵測訊號SVo以及輸出電流偵測訊號SIo接收輸出電流Iout的電流波形特徵，並據此決定匹配於電子裝置200的充電模式。
當電子裝置200接收到預設的輸出電壓Vo(如：5伏特)後，可透過控制其接收的功率大小改變輸出電流Io的值。舉例來說，電子裝置可以每2毫秒為週期控制輸出電流Iout於1安培和0.5安培之間切換，或是每1毫秒為週期控制輸出電流Iout於1安培和0.5安培之間切換等等。換言之，電子裝置200可改變輸出電流Iout的電流波形特徵，以發出識別指令cmd給電源適配器100。當控制器170所接收之輸出電流偵測訊號SIo符合特定的電流波形特徵(如：輸出電流Iout以每2毫秒為週期於1安培和0.5安培之間切換)時，控制器170可根據不同的電流波形特徵決定匹配於電子裝置200的充電模式。
在另一實施例中，控制器170可經由通用型輸入輸出(General Purpose I/O)的操作訊號SQ4控制開關單元Q4的導通或截止，並偵測連接端子150上訊號腳位D+和訊號腳位D-的電壓變化，經由通用序列匯流排介面上的訊號線輸出的電壓指令VD+、VD-作為識別指令cmd。
舉例來說，當電源適配器100透過連線端子150連到電子裝置200上時，SQ4MOS控制開關單元Q4使得訊號腳位D+與訊號腳位D-短路，電子裝置200偵測到電源適配器100為專用充電埠模式。此時輸出電壓Vo為一預設值(如：5伏特)。若電子裝置200支援不同電壓準位的充電模式，則電子裝置200可開始在訊號腳位D+上載入電壓指令VD+。當電壓指令VD+維持一段時間後，電源適配器100將斷開訊號腳位D+和訊號腳位D-的短路，訊號腳位D-上的電壓指令VD-也將會隨之下降。接著，電子裝置200透過設置不同的電壓指令VD+作為識別指令cmd，使得電源適配器100依據識別指令cmd輸出相應的輸出電壓Vo。
舉例來說，在一實施例中，當電源適配器100接收到訊號腳位D+上的電壓指令VD+為3.3V，訊號腳位D-上的電壓指令VD-為0.6V時，則電源適配器100相應輸出9V的輸出電壓Vo。當電源適配器100接收到訊號腳位D+上的電壓指令VD+為0.6V，訊號腳位D-上的電壓指令VD-為0.6V時，則電源適配器100相應輸出12V的輸出電壓Vo。
在又一實施例中，電源適配器100可更包含通訊介面360，耦接於連接端子150與控制器170之間。控制器170經由通訊介面360接收識別指令cmd。具體來說，通訊介面360可為通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)介面、內部整合電路(Inter-Integrated Circuit，I2C)介面，或其他的通訊介面。識別指令cmd可經由訊號腳位Comm1以及Comm2傳遞至通訊介面360，再經由通訊介面360轉換為控制器170可讀取的訊號格式(即：訊號Siga、Sigb)。
請一併參照圖2。圖2為根據本案之一實施例所繪示之控制方法300的流程圖。為方便說明，電源適配器100的操作將搭配控制方法300一併進行介紹。此外，為具體說明，下列將以連接端子150為通用序列匯流排介面進行實現之實施例進行說明，但本案並不以此為限。
控制方法300包含步驟S310~步驟S360。於步驟S310中，當未接收到電子裝置200發出的識別指令cmd時，電源適配器100可設置在根據預設輸出模式對電子裝置200充電。舉例來說，在預設輸出模式中，控制訊號CS可控制電源轉換電路130所輸出的輸出電壓Vo為5伏特(V)，最大輸出電流Io為2安培(A)。
接著，於步驟S320中，控制器170接收電子裝置200發出的識別指令cmd。當電子裝置200未發出識別指令cmd給控制器170，或是控制器170無法辨識電子裝置200發出的識別指令cmd，便回到步驟S310中，控制器170控制電源適配器100根據預設輸出模式對電子裝置200充電。
當控制器170接收電子裝置200發出的識別指令cmd後，便進入步驟S330，控制器170根據識別指令cmd決定匹配於電子裝置200的充電模式。具體來說，依據電子裝置200設計的不同，電子裝置200可能匹配於電壓源(Voltage source)輸出模式(即：升壓充電模式)與電流源(current source)輸出模式。控制器170可根據識別指令cmd決定電源轉換電路130操作在電壓源輸出模式與電流源輸出模式中之一者。
當識別指令cmd指示電子裝置200適用於電流源輸出模式時，首先以定電流(Constant Current，CC)進行快速充電。在此步驟中，控制器170輸出控制訊號CS，使得電源轉換電路130維持一固定的輸出電流Io對電子裝置200充電。控制器170可根據識別指令cmd判斷電子裝置200的電池類型，決定輸出電流Io。
舉例來說，輸出電流Io可維持在2安培。在充電過程中，由於輸出電流Io可維持在2安培，隨著電子裝置200中的電池電壓上升，輸出電壓Vo也會逐漸提高，直到和電子裝置200中的電池相應的充電電壓上限值。舉例來說，對於不同的電池，常見的充電電壓上限值可能為4.2伏特或是4.35伏特。在步驟S340中，控制器170根據識別指令cmd判斷電子裝置200的電池類型，決定充電電壓上限值。當電源轉換電路130的輸出電壓Vo達到相應的充電電壓上限值(如：4.25伏特)後，控制訊號CS便控制電源轉換電路130轉換為定電壓(Constant Voltage，CV)充電。此時，電源轉換電路130維持輸出電壓Vo於充電電壓上限值(如：4.25伏特)，輸出電流Io則隨著充電進入飽和而逐漸降低，直到電子裝置200的電池充電完成。
另一方面，當識別指令cmd指示電子裝置200適用於電壓源輸出模式時，進入升壓充電模式。在此模式中，控制器170輸出控制訊號CS，以提高輸出電壓Vo對電子裝置200快速充電。在步驟S350中，控制器170可由識別指令cmd得知電子裝置200所能接收的輸出功率，並據以輸出相應的控制訊號CS控制電源轉換電路130的輸出電壓Vo。舉例來說，當控制器170根據識別指令cmd判斷電子裝置200為行動電話，其匹配的充電模式是輸出電壓Vo為9伏特，最大輸出電流Io為2安培時，控制器170便輸出相應的控制訊號CS以控制電源轉換電路130的輸出電壓Vo和輸出電流Io。相似地，電子裝置200為平板電腦所匹配的充電模式可能是輸出電壓Vo為15伏特，最大輸出電流Io為2安培，電子裝置200為筆記型電腦匹配的充電模式可能是輸出電壓Vo為19伏特，最大輸出電流Io為2安培等等。
換言之，不論控制器170根據識別指令cmd決定匹配於電子裝置200的充電模式是步驟S340的電流源輸出模式，或是步驟S350的電壓源輸出模式(即：升壓充電模式)，控制器170皆可根據電子裝置200匹配的充電模式輸出相應的控制訊號CS，控制電源轉換電路130的輸出電壓Vo和輸出電流Io，以對電子裝置200充電。
此外，控制器170亦可透過偵測單元180輸出的輸出電壓偵測訊號SVo以及輸出電流偵測訊號SIo偵測電源轉換電路130輸出的輸出電壓Vo以及輸出電流Io，並根據輸出電壓Vo以及輸出電流Io輸出控制訊號CS，以確保輸出電壓Vo以及輸出電流Io不超過所設定的上限值。
在步驟S360中，控制器170判斷充電是否完成或是電子裝置200是否自連接端子150移除。當電子裝置200移除、充電結束或是其他不可預期的錯誤發生時，便重新回到步驟S310的預設充電模式。否則控制器170便持續重複上述步驟S330~S360，根據識別指令cmd判斷電子裝置200的充電需求，據以調整控制訊號CS以控制電源轉換電路130。
於上述之內容中，包含示例性的步驟。然而此些步驟並不必需依序執行。在本實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。本領域具通常知識者可明白上述控制方法300如何配合圖1所示的電源適配器100進行操作，然而本案並不以此為限。
請參考圖3，圖3為根據本案一實施例所繪示的控制器170的示意圖。為方便說明，請一併參考圖1的電源適配器100。如圖3所示，在本案一實施例中，控制器170可由積體電路晶片實現，積體電路晶片中包含多工器410、類比數位轉換器430、邏輯電路450、PWM訊號產生器470和記憶單元490。記憶單元490可包含唯讀記憶體(ROM)和隨機存取記憶體(RAM)，以供邏輯電路450執行演算法時進行程式的讀寫操作。
在操作時，控制器170可由多工器410接收輸出電壓偵測訊號SVo、輸出電流偵測訊號SIo以及USB介面上訊號腳位D+和訊號腳位D-輸出的電壓指令VD+、VD-，並由邏輯電路450選擇訊號傳輸至類比數位轉換器430轉換為數位訊號以供邏輯電路450分析識別指令cmd，透過演算法執行圖2中所示的控制方法300。舉例來說，在以電壓指令VD+、VD-作為識別指令cmd的實施例中，邏輯電路450可由通用型輸入輸出(General Purpose I/O，GPIO)的操作訊號SQ4控制開關單元Q4的導通。在電子裝置200由訊號腳位Comm1以及Comm2輸出識別指令cmd的實施例中，邏輯電路450可透過通訊介面360接收訊號Siga、Sigb，以判斷識別指令cmd。
如此一來，邏輯電路450便能接收並判斷識別指令cmd，並控制PWM訊號產生器470，使得PWM訊號產生器470輸出相應的脈寬調變訊號作為控制訊號CS輸出，實現控制器170的操作。
請參考圖4。圖4為根據本案一實施例所繪示的電源適配器500的示意圖。在本實施例中，電源轉換電路130包含整流單元120、隔離單元520、開關單元Q1以及變壓器140。在結構上，隔離單元520耦接於控制器170，開關單元Q1耦接於隔離單元520，變壓器140的一次側142耦接於開關單元Q1，變壓器140的二次側144透過二極體D1耦接至輸出端190。
圖4的實施例和先前圖1所示的實施例的差別在於電源適配器500中，電源轉換電路130不是透過變壓器140的二次側144耦接轉換器以調整輸出電壓Vo。在本實施例中，隔離單元520接收控制訊號CS，並輸出相應的切換訊號SS2以控制開關單元Q1。如此一來，當變壓器140一次側142的電壓被控制在目標值時，變壓器140二次側144便可相應地輸出輸出電壓Vo。
具體來說，隔離單元520可以由光耦合器(optical coupler)實作，透過內部的發光二極體和光敏元件傳遞訊號，並隔離變壓器140的高壓側和低壓側。如此一來，控制器170便可以輸出相應的控制訊號CS，間接調整切換訊號SS2的工作周期，改變開關單元Q1的導通時間以控制變壓器140一次側142的電壓，藉此控制電源轉換電路130的輸出電壓Vo和輸出電流Io。
請參考圖5。圖5為根據本案一實施例所繪示的電源適配器600的示意圖。在本實施例中，通訊介面360可耦接至USB介面上訊號腳位D+和訊號腳位D-。如此一來，便不需要使用額外的訊號腳位Comm1和Comm2與通訊介面360進行訊號Siga、Sigb的傳遞，可以節省連接端子150所需的腳位。
值得注意的是，上述各實施例中的各個元件可以由各種類型的數位或類比電路實現，亦可分別由不同的積體電路晶片實現。各個元件亦可整合至單一的數位控制晶片。上述僅為例示，本案並不以此為限，本領域具有通常知識者可根據實際需求選擇各個元件的具體實現方式。舉例來說，開關單元Q1~Q4可為金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)或其他適當的半導體元件。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。