TW201705661A

TW201705661A - 電源供應模組與其電源供應方法

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Publication number: TW201705661A
Application number: TW104123418A
Authority: TW
Inventors: 蔡明廷; 涂維辰; 洪祥睿
Original assignee: 華碩電腦股份有限公司
Priority date: 2015-07-20
Filing date: 2015-07-20
Publication date: 2017-02-01
Also published as: US20170025878A1; US10305308B2; TWI560982B

Abstract

電源供應模組包含交換式電源電路、開關單元、儲能單元以及控制單元。交換式電源電路耦接於輸入端與輸出端之間，用以將第一電壓轉換為第二電壓。開關單元為並聯交換式電源電路。儲能單元耦接於輸出端。控制單元，耦接於開關單元，並且根據儲能單元的充放電狀態所相應產生的偵測訊號，控制開關單元選擇性地導通，以輸出第一電壓至輸出端。

Description

電源供應模組與其電源供應方法

本案係關於一種電源供應模組，特別是關於一種可偵測電池充電狀態之電源供應模組。

隨著各種可攜式電子裝置如智慧型手機、平板電腦和輕薄型筆電的普及，電子裝置的電力持續時間相形重要。然而，在現有的充電架構下，反覆的電能轉換過程中會有較高的損耗產生，使得供電系統的轉換效率降低。

電源供應模組包含交換式電源電路、開關單元、儲能單元以及控制單元。交換式電源電路耦接於輸入端與輸出端之間，用以將第一電壓轉換為第二電壓。開關單元並聯該交換式電源電路。儲能單元耦接於輸出端。控制單元，耦接於該開關單元，並且根據儲能單元的充放電狀態所相應產生的偵測訊號，控制開關單元選擇性地導通，以輸出第一電壓至輸出端。

本案的另一態樣為一種電源供應方法。電源供應方法包含：偵測儲能單元的充放電狀態並據以選擇性地輸出偵測訊號；根據偵測訊號控制開關單元選擇性地導通；當開關單元關斷時，經由交換式電源電路將第一電壓轉換為第二電壓；以及當開關單元導通時，經由開關單元將第一電壓輸出至電源供應模組的輸出端。

綜上所述，本案藉由偵測儲能單元的充放電狀態選擇性地導通開關單元，可以在系統重載或儲能單元充滿電的情形下調整充電架構，減少不必要的電能轉換損失，以提升供電系統整體的轉換效率。此外，在充電電源具有電流控制功能時，可繞過交換式電源電路，輸出更大的電流同時對儲能單元充電並提供電能給負載，不會受到交換式電源電路中電感耐流上限的限制，使得供電更有效率也更為彈性。

100‧‧‧充電系統

110‧‧‧輸入端

120‧‧‧電源供應模組

122‧‧‧交換式電源電路

124‧‧‧開關單元

126‧‧‧保護開關

128‧‧‧儲能單元

130‧‧‧輸出端

140‧‧‧負載

142~148‧‧‧轉換單元

150‧‧‧電壓節點

300‧‧‧電源供應模組

320‧‧‧充電控制單元

340‧‧‧控制單元

360‧‧‧感測元件

380‧‧‧偵測單元

500‧‧‧電源供應方法

Q1~Q3‧‧‧開關

C1‧‧‧電容

L1‧‧‧電感

CS1、CS2‧‧‧偵測訊號

CT1、CT2‧‧‧脈波信號

CT3~CT5‧‧‧控制訊號

V1、V2、Vo1~Vo4‧‧‧電壓

I1‧‧‧電流

S510~S550‧‧‧步驟

圖1為根據本案一實施例所繪示的充電系統的示意圖；圖2為根據本案一實施例所繪示的充電系統的示意圖；圖3為根據本案一實施例所繪示的電源供應模組的示意圖；圖4為根據本案一實施例所繪示的電源供應模組的示意圖；以及圖5為根據本案一實施例所繪示的電源供應方法的流程圖。

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揭露所涵蓋的範圍，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，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。

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，亦非用以限定本案。

請參考圖1。圖1為根據本案一實施例所繪示的充電系統100的示意圖。充電系統100包含電源供應模組120以及負載140。在本實施例中，電源供應模組120包含交換式電源電路122、開關單元124、保護開關126、儲能單元128。負載140耦接於電源供應模組120的輸出端130，並透過不同的轉換單元142、144、146以及148將輸出端130的輸出電壓進一步轉換為系統各自所需的電壓Vo1、Vo2、Vo3以及Vo4。

交換式電源電路122和開關單元124並聯，並且兩端分別耦接於電源供應模組120的輸入端110與輸出端130之間。保護開關126耦接於儲能單元128與輸出端130之間。輸入端110用以自充電電源(未繪示於圖中)接收第一電壓V1。輸出端130用以提供輸出電壓至負載140中的各個轉換單元142、144、146以及148。

如圖1所示，當電源供應模組120欲對儲能單元128進行充電時，開關單元124斷開(turn off)，交換式電源電路122自輸入端110接收第一電壓V1，並將第一電壓V1轉換為第二電壓V2輸出至輸出端130。舉例來說，充電電源可以是電源轉換器(power adapter)，交換式電源電路122可為一降壓型轉換器(buck converter)，將電源轉換器所提供約為5伏特的第一電壓V1轉換為約3~4.2伏特的第二電壓V2。在此情況下，保護開關126導通(turn on)，使得儲能單元128根據輸出端130輸出的第二電壓V2儲能。

與此同時，負載140中的各個轉換單元142、144、146以及148也分別接收約3~4.2伏特的第二電壓V2，進一步轉換為不同元件或設備所需的電壓Vo1、Vo2、Vo3以及Vo4。舉例來說，電壓Vo1可為提供背光模組所需的電壓，電壓Vo2可為約5伏特的系統電壓、電壓Vo3可為約3伏特的系統電壓，電壓Vo4可為提供給中央處理器(Central Processing Unit，CPU)所需的工作電壓。轉換單元142~148的數量與種類以及電壓Vo1~Vo4的範圍皆可依實際需求調整，舉例來說，根據系統需求，轉換單元142~148亦可將第二電壓V2轉換為約1.35伏特、1.1伏特或1.8伏特的電壓。故以上所舉之數值僅為示例，並非用以限制本案。

具體而言，開關單元124和保護開關126可由金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)或是其他適當的半導體元件實現。轉換單元142~148可由各種不同形式的轉換器實現，例如昇壓型轉換器(boost converter)、降壓型轉換器(buck converter)、或是昇降壓兩用型轉換器(buck-boost converter)等等。

在一實施例中，當負載140處於重載時，或是儲能單元128已經充電完成的情況下，大部分的能量直接提供給負載140，而提供給儲能單元128的比例降低。此時能量經過交換式電源電路122以及轉換單元142~148兩級的轉換，容易產生不必要的損耗，以及降低整體的轉換效率(power efficiency)。

舉例來說，若交換式電源電路122的轉換效率為90%，轉換單元142的轉換效率為90%，則當電源轉換器所提供的第一電壓V1先經由交換式電源電路122轉換為第二電壓V2，再經由轉換單元142轉換為電壓Vo1時，整體的轉換效率僅剩下81%，對系統的耗電有極大的影響。此外，在部份情況下，例如對通用串列匯流排(USB)、背光模組(Backlight)、音源模組供電時，負載140所需要的電壓Vo1~Vo4往往高於第二電壓V2，使得能量先經過降壓型轉換器降壓後再經升壓型轉換器升壓，產生不必要的損耗。

為了減少上述情況中第一電壓V1需先於電源供應模組120降壓至第二電壓V2，再經過負載140進一步升壓或降壓轉換為電壓Vo1~Vo4所帶來的額外耗損，電源供應模組120可根據儲能單元128的充放電狀態選擇性地停止對儲能單元128進行充電，以提升整體系統的轉換效率。

因此，當市電尚未自輸入端110提供第一電壓V1給充電系統100時，儲能單元128便可提供第二電壓V2給負載140，並由負載140將第二電壓V2升壓或降壓轉換為不同元件或設備所需的電壓Vo1~Vo4。

請參考圖2，圖2為根據本案一實施例所繪示的充電系統100的示意圖。如圖2所示，電源供應模組120根據儲能單元128的充放電狀態控制保護開關126斷開，使得電源供應模組120停止對儲能單元128進行充電。接著，開關單元124導通，使得輸入端110與輸出端130之間形成短路。透過以上操作，第一電壓V1便可繞過交換式電源電路122，直接由輸出端130輸出至負載140。如此一來，負載140中的轉換單元142~148便可直接將第一電壓V1轉換為各自所需的電壓Vo1~Vo4，不須先經過交換式電源電路122的轉換，達到提高系統整體轉換效率的效果。

電源供應模組120的具體操作和控制方法將搭配圖3與圖4所示實施例進行說明。請參考圖3。圖3與圖4分別為根據本案一實施例所繪示的電源供應模組300的示意圖。在本實施例中，電源供應模組300包含交換式電源電路122、開關單元124、保護開關126、儲能單元128、控制單元340、感測元件360、偵測單元380。

圖3與圖1所示實施例相似，當第三開關Q3導通時，交換式電源電路122自輸入端110接收第一電壓V1(如：約5伏特)並轉換為第二電壓V2(如：約3~4.2伏特)輸出至輸出端130。

在本實施例中，交換式電源電路122為一降壓型轉換器(buck converter)，第一電壓V1大於第二電壓V2。交換式電源電路122包含充電控制單元320、第一開關Q1、第二開關Q2、電感L1、電容C1。充電控制單元320用以產生第一脈波信號CT1與第二脈波信號CT2，以分別控制第一開關Q1以及第二開關Q2。此外，充電控制單元320更用以輸出控制訊號CT3以控制第三開關Q3的啟閉(turn on/turn off)，以控制是否自充電電源接收第一電壓V1。

第一開關Q1的第一端耦接於輸入端110，第二端耦接至電壓節點150，控制端用以接收第一脈波信號CT1，使得第一開關Q1根據第一脈波信號CT1選擇性地導通。第二開關Q2的第一端耦接於電壓節點150，第二端耦接至接地端，控制端用以接收第二脈波信號CT2，使得第二開關Q2根據第二脈波信號CT2選擇性地導通。電感L1耦接於電壓節點150與輸出端130之間，電容C1耦接於輸出端130與接地端之間。經由上述結構，充電控制單元320便可透過適當的第一脈波信號CT1與第二脈波信號CT2控制交換式電源電路122輸出的第二電壓V2。如此一來，當保護開關126導通時，儲能單元128便能根據第二電壓V2進行儲能。

在本實施例中，感測元件360耦接於儲能單元128，用以偵測儲能單元128的充放電狀態。偵測單元380耦接於感測元件360以及控制單元340，用以根據充放電狀態輸出偵測訊號CS1至控制單元340。如此一來，控制單元340便能根據相應於儲能單元128充放電狀態的偵測訊號CS1輸出控制訊號CT5，控制開關單元124。

在一實施例中，控制單元340可進一步根據偵測訊號CS1輸出偵測訊號CS2至充電控制單元320，使得充電控制單元320根據偵測訊號CS2分別輸出第一脈波訊號CT1、第二脈波訊號CT2以及控制訊號CT3、CT4。如此一來，充電控制單元320便可以相應地根據儲能單元128的充放電狀態控制第一開關Q1、Q2、Q3以及保護開關126的啟閉。

在一實施例中，充電控制單元320亦可直接接收偵測單元380輸出的偵測訊號CS1得知儲能單元128的充放電狀態，據以控制第一開關Q1、Q2、Q3以及保護開關126的啟閉。於實際應用中可根據實際需求對偵測單元380、控制單元340以及充電控制單元320進行整合，圖3所示電路僅為示例，並非用以限制本案。

如圖3所示，在一實施例中，感測元件360可為電阻性元件(如：電阻)，偵測單元380可偵測流經感測元件360的儲能電流I1以偵測儲能單元128的充放電狀態。當儲能電流I1大於或等於一預設值時，代表儲能單元128正在進行儲能。控制單元340便相應輸出控制訊號CT5控制開關單元124關斷，充電控制單元320相應輸出控制訊號CT4控制保護開關126導通，並相應輸出第一脈波訊號CT1、第二脈波訊號CT2控制交換式電源電路122將第一電壓V1轉換為第二電壓V2，使儲能單元128進行儲能。

在一實施例中，當儲能電流I1小於預設值時，代表儲能單元128已經大致儲能完畢。在此情況下，如圖4所示，偵測單元380輸出相應的偵測訊號CS1。控制單元340接收到偵測訊號CS1後，便相應輸出偵測訊號CS2至充電控制單元 320。充電控制單元320根據偵測訊號CS2輸出控制訊號CT4控制保護開關126關斷，或是令保護開關126操作在高阻抗值的線性工作區間，以斷開儲能單元128以及輸出端130之間的電流通路，使得電源供應模組300停止對儲能單元128進行充電。

接著，控制單元340輸出控制訊號CT5控制開關單元124導通，使得輸入端110與輸出端130之間形成短路，使得第一電壓V1輸出至輸出端130。最後，充電控制單元320輸出相應的第一脈波訊號CT1、第二脈波訊號CT2控制交換式電源電路122停止動作。舉例來說，充電控制單元320可輸出脈波訊號CT1、CT2使得第一開關Q1維持導通，第二開關Q2維持關斷。如此一來，交換式電源電路122便不會產生第一開關Q1、第二開關Q2在導通與關閉之間反覆切換所產生的多餘開關切換損失。換言之，透過控制第一開關Q1、第二開關Q2停止脈衝寬度調變操作，電源供應模組300可以進一步減少損失。藉此，電源供應模組300便可以直接將自充電電源(如：電源轉換器)接收的第一電壓V1輸出至輸出端130，供負載140使用。

在另一實施例中，當儲能電流I1小於預設值時，代表由於負載140重載使得大部分能量直接提供給負載140，對儲能單元128充電的電流比例降低。在此情況下，於先前實施例所述相似，充電控制單元320根據偵測訊號CS2輸出控制訊號CT4控制保護開關126關斷，或是令保護開關126操作在高阻抗值的線性工作區間，使得電源供應模組300停止對儲能單元128進行充電。

接著，控制單元340輸出控制訊號CT5控制開關單元124導通，使得第一電壓V1輸出至輸出端130。因此，電源供應模組300可以直接將自充電電源(如：電源轉換器)接收的第一電壓V1輸出至輸出端130，供負載140使用。此時能量不須經過交換式電源電路122以及轉換單元142~148兩級的轉換，可以減少不必要的損耗，進而提高整體的轉換效率。由於保護開關126已關斷或是操作在高阻抗值的線性工作區間，因此第一電壓V1的較高電壓值並不會造成儲能單元128的損壞。

另外，在充電電源(如：電源轉換器)本身具有電流控制功能的實施例中，充電電源本身便可控制第一電壓V1的電壓，因此不需透過交換式電源電路122進行降壓控制。在此實施例中，開關單元124和保護開關126可同時導通，使得充電電源同時提供電能至負載140並對儲能單元128進行充電。由於開關單元124導通時，電流可直接經由開關單元124自輸入端110輸出至輸出端130至儲能單元128與負載140，不需流經交換式電源電路122中的電感L1，因此充電電源提供的電流可以超過電感L1所能承受的最大電流，而不會損壞系統。如此一來，充電電源便可更有效率地同時供電給重載的負載140並對儲能單元128進行充電。

圖5為根據本案一實施例所繪示的電源供應方法500的流程圖。電源供應方法500可用於圖3、圖4所繪示的電源供應模組300，但不以此為限。為方便說明起見，以下段落將搭配圖3、圖4的實施例進行說明。如圖5所示，電源供應方法500包含步驟S510、S520、S530以及S540。於步驟S510中，偵測單元380根據感測元件360偵測儲能單元128的充放電狀態，並據以選擇性地輸出偵測訊號CS1。於步驟S520中，控制單元340根據偵測訊號CS1輸出控制訊號CT5，控制開關單元124選擇性地導通。在步驟S530中，當開關單元124關斷時，電源供應模組300經由交換式電源電路122將第一電壓V1轉換為第二電壓V2，以使儲能單元128根據第二電壓V2儲能。在步驟S540中，當開關單元124導通時，電源供應模組300經由開關單元124將第一電壓V1輸出至電源供應模組300的輸出端130。具體來說，偵測單元380可偵測感測元件360的儲能電流I1，當儲能電流I1小於預設值時輸出偵測訊號CS1，使得控制單元340輸出控制訊號CT5控制開關單元124導通。

在一實施例中，電源供應方法500更包含步驟S550。在步驟S550中，充電控制單元320根據偵測訊號CS2控制保護開關126選擇性地關斷以控制儲能單元128的充放電。具體來說，當充電電源本身具有電流控制功能時，控制單元340可導通開關單元124，充電控制單元320可導通保護開關126，使得電源供應模組300根據第一電壓V1對儲能單元128充電，並同時供給電能至電源供應模組300的輸出端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。

於上述各實施例中，電源供應模組300內的各個元件(如：充電控制單元320、控制單元340等)皆可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，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，於實際應用時，可根據實際需求選擇電源供應模組300內各個元件的具體實現方式。

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，於實際應用時，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。