TWI448044B - 電源管理系統及其控制方法 - Google Patents

Description

電源管理系統及其控制方法

本發明係有關一種管理系統以及電源控制方法，特別是一種有關電源管理系統以及電源控制方法。

積體電路的應用很廣泛，可應用於電源管理系統、功率轉換系統等之中。由於對電子產品的體積及其功耗的進一步要求，積體電路必須具有組裝緊湊、印刷電路板面積小、低成本以及低功耗的特點。

本發明提供了一種電源管理系統，包括：一包括第一傳輸端的第一開關；一包括第二傳輸端的第二開關；一耦接於該第一及第二開關的控制器。該控制器透過週期性地導通一第三開關以控制功率轉換。該第一及第二傳輸終端，以及第三開關的一第三傳輸終端都耦接於公共節點。第一傳輸終端與該公共節點之間的阻值、第二傳輸終端與該公共節點之間的阻值以及第三傳輸終端與該公共節點之間的阻值基本上等於零。

本發明還提供了一種電源控制方法，包括：透過一第一開關的第一傳輸終端來傳輸功率；透過一第二開關的第二傳輸終端來傳輸功率；透過週期性地導通一第三開關控制功率轉換。其中，第一及第二傳輸終端，以及該第三開關的第三傳輸終端都耦接於一公共節點，且第一傳輸終端與該公共節點之間的阻值、第二傳輸終端與該公共節點之間的阻值以及一第三傳輸終端與該公共節點之間的阻值基本上等於零。

本發明還再提供了一種電源管理系統，包括：一積體電路，包括一第一開關、一第二開關以及一控制器，透過週期性地導通一第三開關以控制一功率轉換；以及一引腳，耦接於該第一開關的一第一傳輸終端、該第二開關的一第二傳輸終端以及該第三開關的一第三傳輸終端，其中，該第一傳輸終端與該引腳之間的阻值、該第二傳輸終端與該引腳之間的阻值以及該第三傳輸終端與該引腳之間的阻值基本上等於零。

以下將對本發明的實施例給出詳細的參考。儘管本發明透過這些實施例進行闡述和說明，但需要注意的是本發明並不僅僅只局限於這些實施例。相反地，本發明涵蓋所附權利要求所定義的發明精神和發明範圍內的所有替代物、變體和等同物。

另外，為了更好的說明本發明，在下文的具體實施例中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外一些實例中，對於大家熟知的方法、手續、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。

圖1所示為根據本發明一個實施例的應用N通道金氧半導體開關及其相應驅動電路的電源管理系統100的方塊圖。在本發明一個實施例中，電源管理系統100利用兩個NMOS開關106及108控制為系統110供電(例如：交、直流適配器102及/或電池組104)。如圖1所示，用於系統110的電源可以是輸出可控的AC/DC適配器(交流/直流適配器)102以及可充電的電池組104。另外，用於系統110的電源還可以是任意形式的電源，例如，輸出恒定的AC/DC適配器、直流點煙器、電池組、可充電電池組等。電池組104可以包括任何類型的可充電式電池組，例如，鋰離子電池、鎳鎘電池或鎳氫電池或者其他類似的電池。系統110可以是任意一種電子裝置，包括伺服器、桌上型電腦、可擕式電腦、行動電話、個人數位助理等，但並不以此為限。

在本發明的一個實施例中，電源管理系統100也可以透過NMOS開關106及108控制由AC/DC適配器102提供的電源，對電池組104进行充電。電源管理系統100還包括控制單元114，控制單元114用於監控系統110以及電池組104的狀態。根據系統110及電池組104的狀態，控制單元114可以為電源管理系統100選擇一種運行模式。包括：預設模式、工作模式、充電工作模式、放電模式以及重負荷模式，但並不以此為限。在預設模式下，兩個NMOS開關106及108都是斷開狀態，AC/DC適配器102或電池組104中輸出電壓較高的一方透過NMOS開關106及108中的飛輪二極體106-1或108-1中的一個，為系統110以及電源管理系統100供電。在工作模式下，NMOS開關106被導通且NMOS開關108被斷開，這時，系統110透過NMOS開關106由AC/DC適配器102供電。在充電工作模式下，兩個NMOS開關106及108都是導通狀態，因此AC/DC適配器102給系統110供電的同時，給電池組104充電。在放電模式下，NMOS開關106被斷開且NMOS開關108被導通，因此電池組104可以給系統110供電。在重負荷模式下，NMOS開關106及108都是導通狀態，AC/DC適配器102以及電池組104可以同時為帶有大負載的系統110(例如，系統110的供電要求大於AC/DC適配器102的額定輸出功率)供電。

在每一種運行模式中，控制單元114可以產生一組控制信號(例如，開關控制信號114-1及114-2)，來控制NMOS開關106及108的導通狀態以及控制AC/DC適配器102的輸出(例如，輸出電流、輸出電壓及/或輸出功率)。如上所述，NMOS開關需要大於其源極電壓位準的驅動信號。因此，在一個實施例中，驅動電路112可以為NMOS開關106及108產生一組足夠的驅動信號，這樣，NMOS開關106及108就能夠被完全的導通和斷開。

在另一個實施例中，電源管理系統100也可以利用複數個NMOS開關及其相應的驅動電路來控制由複數個電源及/或複數個電池組對系統110的電源供應。另外，透過應用複數個NMOS開關，電源管理系統100還可以同時或分別對複數個電池組充電。

如圖1所示，NMOS開關106及108分別透過兩個感應電阻118及120耦接於公共節點116。AC/DC適配器102及/或電池組104提供的電源透過公共節點116傳送到系統110。NMOS開關106及108的導通狀態由控制單元114所產生的兩個開關控制信號114-1及114-2控制。在一個實施例中，驅動電路112用於將開關控制信號114-1及114-2分別轉換為合適的驅動信號112-1及112-2。

驅動電路112包括兩個驅動器124-1及124-2，在一個實施例中，驅動器124-1及124-2分別耦接於NMOS開關106及108與控制單元114之間。除驅動器124-1及124-2之外，驅動電路112還包括電荷泵單元122。在一個實施例中，電荷泵單元122具有兩個輸入端122-1及122-2和兩個輸出端122-3及122-4。輸入端122-1及122-2分別耦接於AC/DC適配器102及電池組104的輸出端。輸出端122-3及122-4分別耦接於驅動器124-1及124-2。電荷泵單元122用於產生大於來自電荷泵單元122其輸入端122-1及122-2的源極電壓的電壓。在一個實施例中，電荷泵單元122的供電電壓可以是AC/DC適配器102的輸出電壓(Vad)以及電池組104的輸出電壓(Vbatt)。因此，電荷泵單元122可以在輸出端122-3給驅動器124-1提供一電壓大於Vad的輸出信號。另一電壓大於Vbatt的輸出信號也可以在輸出端122-4提供給驅動器124-2。這時，驅動器124-1及124-2分別接收電荷泵單元122的輸出信號，產生具有足夠的輸出電壓位準的驅動信號112-1及112-2，用以NMOS開關106及108的完全導通/斷開。當驅動器124-1或124-2從控制單元114接收到開關控制信號114-1或114-2時，驅動器124-1或124-2就可以提供具有足夠電壓位準的驅動信號112-1或112-2用以驅動NMOS開關106或108。

圖2所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統100中開關控制信號114-1及114-2和驅動信號112-1及112-2的波形圖。如圖2所示，開關控制信號114-1或114-2有兩個電壓位準V0(例如，0伏)及V1(例如，1.8伏或3.3伏)。在一個實施例中，控制單元114產生電壓位準為V0的開關控制信號114-1或114-2，以使驅動電路112斷開NMOS開關106或108。控制單元114也可以產生電壓位準為V1的開關控制信號114-1或114-2，以使驅動電路112導通NMOS開關106或108。透過利用驅動電路112，開關控制信號114-1或114-2可以轉換為驅動信號112-1或112-2。如圖2所示，驅動信號112-1有兩個電壓位準Vad(例如，12伏)及Von1(例如，18伏)。驅動信號112-2有兩個電壓位準Vbatt(例如，4.2伏)及Von2(例如，10伏)。在一個實施例中，如果驅動信號112-1或112-2的電壓位準為Vad或Vbatt，則NMOS開關106或108被完全斷開。在一個實施例中，如果驅動信號112-1或112-2的電壓位準為Von1或Von2，則NMOS開關106或108被完全導通。因此，電荷泵單元122和驅動器124-1及124-2組合起來可以為驅動NMOS開關106及108提供足夠的驅動信號112-1及112-2。

如圖1所示，在一個實施例中，電荷泵單元122可以由兩個獨立的電荷泵來實現。例如，輸入端122-1可以是第一電荷泵的輸入，其中第一電荷泵在輸出端122-3產生的信號電壓位準大於Vad。輸入端122-2可以是第二電荷泵的輸入，其中第二電荷泵在輸出端122-4產生的信號電壓位準大於Vbatt。在一個實施例中。電荷泵單元122也可以是將輸出信號提供給驅動器124-1及124-2的單個電荷泵。然而，在另一個實施例中，當電源管理系統100應用了複數個NMOS開關時，電荷泵單元122可以利用複數個獨立的電荷泵給複數個驅動器提供電壓信號。在另一個實施例中，電荷泵單元122可以利用單個電荷泵以分時方式交替的給複數個驅動器提供電壓信號。在分時方式中，透過將一驅動器的閒置時間進行分配用以服務其他驅動器，以使複數個驅動器可以共用電荷泵單元122中單個電荷泵所提供的電壓信號。

在一個實施例中，給電源管理系統100供電之前，電源管理系統100是處於預設模式的，在預設模式中，NMOS開關106及108都是斷開狀態。當給電源管理系統100供電時，AC/DC適配器102及/或電池組104可為系統110供電。雖然NMOS開關106及108都是斷開狀態，電源可以透過NMOS開關106及108內的飛輪二極體106-1及108-1輸送。如圖1所示，飛輪二極體106-1的陽極固定的耦接於NMOS開關106的源極，且飛輪二極體106-1的陰極耦接於NMOS開關106的汲極。飛輪二極體108-1的陽極和陰極也分別耦接於NMOS開關108的源極和汲極

在一個實施例中，如果AC/DC適配器102不可用，系統110以及電源管理系統100由電池組104供電。在這種情況下，飛輪二極體108-1是正向導通，且電池組104產生的電流可以流經飛輪二極體108-1為系統110供電。

在一個實施例中，AC/DC適配器102及電池組104可 以同時存在。因此，系統110及電源管理系統100可以由AC/DC適配器102或者電池組104供電。如果Vad大於Vbatt，則飛輪二極體106-1是正向導通，飛輪二極體108-1是反向偏置。因此，AC/DC適配器102產生的電流可以流經飛輪二極體106--1。這時，AC/DC適配器102可為系統110及電源管理系統100供電。另外，在預設模式下，如果Vad小於Vbatt，則飛輪二極體106-1是反向偏置，飛輪二極體108-1是正向導通，且電池組104為系統110及電源管理系統100供電。如果Vad等於Vbatt，則AC/DC適配器102及/或電池組104隨機的為系統110及電源管理系統100供電。

當給系統110以及電源管理系統100供電時，控制單元114開始對系統110的電源供應以及電池組104的充電過程進行管理。如果給電源管理系統100以及系統110供電，則在控制單元114的控制下，NMOS開關106及108可以被完全導通。由於NMOS開關的導通電阻相對較小，導通的NMOS開關的電壓降不會超過其飛輪二極體的導通臨限值。因此，不會有大電流透過飛輪二極體。所以，給系統110供電後，AC/DC適配器102及/或電池組104產生的電流不會流經飛輪二極體106-1及/或108-1。

在一個實施例中，控制單元114可以監測AC/DC適配器102及電池組104的狀態。如圖1所示，控制單元114有三個感應端114-3、114-4以及114-5。在一個實施例中，感應端114-3耦接於NMOS開關106的汲極。感應端114-4耦接於公共節點116。感應端114-5耦接於NMOS開關108的汲極。透過感應端114-3、114-4以及114-5，能夠監測例如Vad，VSYS(系統110的輸入電壓)以及Vbatt的資訊。此外，可以根據從感應端114-3、114-4以及114-5監測到的資訊，獲得感應電阻118及120上的電壓降以及流經感應電阻118及120的電流。例如，透過將感應電阻118上的電壓降除以其電阻，就可以測出流經NMOS開關106的電流。

在一個實施例中，根據AC/DC適配器102及電池組104的狀態，控制單元114進入特定的運行模式，並產生複數個控制信號。

如果控制單元114探測到電池組104處於欠壓狀態，控制單元114就可以進入充電工作模式。在這種模式下，AC/DC適配器102對系統110供電，且對電池組104充電。在這種模式下，控制單元114產生電壓位準為V1的開關控制信號114-1及114-2。當接收到開關控制信號114-1及114-2時，驅動器124-1及124-2產生電壓位準為Von1及Von2的驅動信號112-1及112-2，用以導通NMOS開關106及108。另外，控制單元114還能產生AC/DC適配器控制信號114-6。在一個實施例中，AC/DC適配器控制信號114-6可以調整AC/DC適配器102的輸出(例如，輸出電流、輸出電壓及/或輸出功率)，以滿足系統110的電源要求以及電池組104的充電電源要求。在這種模式下，AC/DC適配器102的輸出電流透過NMOS開關106輸送到公共節點116。然後，充電電流透過NMOS開關108輸送到電池組104，且系統電流輸送到系統110。

在一個實施例中，充電工作模式一直持續到控制單元114探測出電池組104已經被完全充電的時候。然後控制單元114進入工作模式，在這種模式下，AC/DC適配器102給系統110供電。在工作模式下，控制單元114斷開NMOS開關108並導通NMOS開關106，這樣，與ISYS相等的電流就透過NMOS開關106傳輸到系統110。NMOS開關108被斷開，這避免了電池組104被過分充電情況。

在一個實施例中，如果AC/DC適配器102不可用，電源管理系統100就進入放電模式以使系統110及電源管理系統100保持正常運行。在放電模式下，控制單元114斷開NMOS開關106並導通NMOS開關108。這樣，系統110可以由電池組104供電。

另外，如果系統110的電源要求超過了AC/DC適配器102的設定功率值，電源管理系統100就會進入重負荷模式。在重負荷模式下，控制單元114可以產生開關控制信號114-1及114-2以導通NMOS開關106及108。這樣，系統110可以同時由AC/DC適配器102及電池組104供電。除了產生開關控制信號114-1及114-2之外，控制單元114還可以透過調整AC/DC適配器102的輸出來提供足夠的功率以使系統110保持正常運行。

有利之處在於，在一個實施例中，由於相同尺寸的NMOS開關和PMOS開關相比，NMOS開關的導通電阻較小，所以NMOS開關106及108引起的電能損耗就相應地減少了。電源管理系統100在每一種運行模式下的每個NMOS開關的電能損耗都是能夠被確定的。例如，假設每個NMOS開關的導通電阻是10毫歐，且電源管理系統100運行在充電工作模式下(例如，ISYS=4A，ICHARGE=3A且AC/DC適配器102的輸出電壓為12V)。這樣，NMOS開關106上的電能損耗大致為0.49瓦(10 mΩ x(4A+3A)2=0.49W)。NMOS開關108上的電能損耗大致為0.09瓦(10 mΩ x(3A)2=0.09W)。則NMOS開關106及108上的總電能損耗大致為0.58瓦。因此，在一個實施例中，在電源管理系統100中，NMOS開關106及108上的電能損耗僅使得電源管理系統100的電源傳輸效率減少0.7%。有利之處在於，如果應用複數個NMOS開關，則電源管理系統100的電源傳輸效率可以得到明顯的提高。另外，NMOS開關上比較小的電能損耗增強了系統的整體性能和穩定性。

圖3所示為根據本發明另一個實施例的包含NMOS開關、驅動電路及直流轉換器的電源管理系統300的方塊圖。電源管理系統300用於為系統326供電以及為電池組304充電，其中電池組304可以包括多種類型的電池。如圖3所示，電源管理系統300包括兩個NMOS開關306及308、控制單元310、驅動電路312以及DC/DC轉換器(直流/直流轉換器)314。在一個實施例中，NMOS開關306及308用於控制電源302(例如，AC/DC適配器及/或可充電電池組304)為系統326提供電源。電源管理系統300與電源管理系統100具有類似的功能。

在一個實施例中，NMOS開關306的源極耦接於電源302的輸出端。NMOS開關308的汲極透過感應電阻320耦接於公共節點324。NMOS開關306的源極和汲極分別耦接於可充電電池組304的輸出端以及公共節點324。如圖3所示， 充電電池組304的輸出端以及公共節點324。如圖3所示，DC/DC轉換器314耦接於公共節點324與感應電阻322之間，其中感應電阻322的一端耦接於可充電電池組304的輸出。

在一個實施例中，控制單元310具有四個感應端310-1、310-2、310-3以及310-4。如圖3所示，感應端310-1到310-4分別耦接於NMOS開關306的汲極、公共節點324、DC/DC轉換器314的輸出端以及可充電電池組304的輸出端。透過探測電源302及可充電電池組304的狀態，控制單元310可以控制NMOS開關306及308的導通狀態。

在一個實施例中，如果控制單元310探測出可充電電池組304處於欠壓狀態，控制單元310就可以導通NMOS開關306且斷開NMOS開關308。DC/DC轉換器314接收電源302的輸出電壓，並將其轉換為適合於可充電電池組304的充電電壓。被轉換的電壓可以進一步用來為可充電電池組304充電。DC/DC轉換器314可以包括，降壓轉換器、升壓轉換器或升降壓轉換器，但並不以此為限。例如，如果電源302的輸出電壓位準低於可充電電池組304所需的充電電壓，則可以使用升壓轉換器。如果電源302的輸出電壓位準高於可充電電池組304的最大充電電壓，則可以使用降壓轉換器。有利之處在於，電源管理系統300增加了功率轉換效率，且可以應用於不同類型的電源以及可充電電池組之中。

圖4所示為根據本發明一個實施例的電源控制方法的流程圖。為了控制系統的電源供應，在步驟402中，系統 的狀態被監測。在一個實施例中，在步驟402中，系統的輸入電流(或電壓)以及系統中電池組的輸出電壓被監測。根據監測到的系統狀態，來決定系統的電源要求。在步驟404中，如果系統的電源要求得到滿足，系統的狀態則被進一步的監測。如果系統的電源要求沒有得到滿足，則在步驟406中，產生及/或調整複數個控制信號。在一個實施例中，如上所述的複數個控制信號可以是用來控制複數個NMOS開關導通狀態的複數個NMOS開關控制信號。如上所述的複數個NMOS開關中的每一個可以耦接於電源與系統之間。透過使用複數個NMOS開關控制信號，可以導通一個或複數個NMOS開關來為系統提供足夠電源。在步驟408中，如上所述的複數個控制信號可以被進一步轉換成具有足夠驅動能力的驅動信號，以完全導通/斷開複數個NMOS開關。在一個實施例中，為了完全導通/斷開NMOS開關，NMOS開關控制信號可以被轉換成電壓位準大於NMOS開關源極電壓的驅動信號。在步驟410中，透過使用複數個驅動信號，系統的複數個NMOS開關可以被完全的導通/斷開，用以為系統提供足夠的電源。在一個實施例中，複數個控制信號可以由包括一電荷泵單元的驅動電路轉換成複數個驅動信號。除了控制複數個NMOS開關的導通狀態之外，在步驟412中，可以產生複數個電源輸出控制信號來控制複數個電源的輸出(例如，輸出功率、輸出電流或輸出電壓)。在一個實施例中，電源輸出控制信號可以調整電源的輸出電壓。在步驟414中，可以根據系統的電源要求，透過利用複數個電源輸出控制信號來調整輸送給系統輸出 功率。

在一個實施例中，電源管理系統包括用於選擇電源的功率選擇開關以及用於交替導通高側開關及低邊開關的控制器，其中控制器控制電源管理系統的功率轉換。在一個實施例中，功率選擇開關、控制器、高側開關以及低邊開關被封裝成一個整體。功率選擇開關及高側開關共用一個公共節點，因此它們可以共用一個封裝引腳。有利之處在於，透過共用一個公共節點，高側開關、低邊開關以及控制器可以更緊湊的被封裝起來。另外，也可以減小印刷電路板的尺寸、成本以及電源管理系統的功耗。

圖5所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統500的電路圖。電源管理系統500包括適配器504、功率控制電路502、電池組510以及系統負載534。電池組510可以包括任意類型的可充電電池，例如，鋰離子電池、鎳鎘電池、鉛酸蓄電池、太陽能電池或者其他類似的電池。功率控制電路502控制適配器504、電池組510與系統負載534之間的功率流。

如圖5所示，功率控制電路502包括第一開關512(例如，功率選擇開關)、第二開關514(例如，功率選擇開關)、第三開關516(例如，高側開關)以及第四開關518(例如，低邊開關)。第一開關512包括第一傳輸端512A(例如，汲極或源極)、傳輸端512B(例如，源極或汲極)、控制端512G(例如，閘極)以及飛輪二極體522。第二開關514包括第二傳輸端514A(例如，汲極或源極)、傳輸端514B(例如，源極或汲極)、控制端514G(例如，閘極)以及 飛輪二極體524。第三開關516包括第三傳輸端516A(例如，汲極或源極)、傳輸端516B(例如，源極或汲極)、控制端516G(例如，閘極)以及飛輪二極體526。第一傳輸端512A、第二傳輸端514A以及第三傳輸端516A耦接於公共節點530。飛輪二極體522、524及526也耦接於公共節點530。第四開關518包括飛輪二極體528，飛輪二極體528的陰極耦接於第三開關516的傳輸端516B。第一開關512及第二開關514可以用於選擇由不同的電源進行供電，其中電源例如，適配器504及電池組510。第三開關516及第四開關518可以用於功率轉換。功率控制電路502進一步包括控制器520，且耦接於第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518的控制端，用以控制第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518。在一個實施例中，如圖5所示，第四開關518透過引腳P5耦接於電池組510，耦接於適配器504的電阻RA透過引腳P6及P7耦接於控制器520，且耦接於電池組510的電阻RB透過引腳P8及P9耦接於控制器520。

控制器520可以控制第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518，以使第一開關512透過公共節點530將適配器504的功率輸送到系統負載534。例如，控制器520導通第一開關512且斷開第二開關514、第三開關516及第四開關518。相應地，適配器504提供的電流可以透過第一開關512及公共節點530流到系統負載534。控制器520還可以控制第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518，以使第二開關514透過公 共節點530將電池組510的功率輸送到系統負載534。例如，控制器520導通第二開關514且斷開第一開關512、第三開關516及第四開關518。相應地，電池組510提供的電流可以透過第二開關514及公共節點530流到系統負載534。控制器520還可以導通第一開關512及第二開關514，且斷開第三開關516及第四開關518。相應地，適配器504及電池組510可以同時透過公共節點530為系統負載534供電。

控制器520還可以控制第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518，以使第一開關512及第二開關514透過公共節點530將適配器504的功率輸送給電池組510進行充電。例如，控制器520導通第二開關514且斷開第一開關512、第三開關516及第四開關518。適配器504提供的充電電流可以透過第一開關512的飛輪二極體522、公共節點530以及第二開關514的汲源通道，流到電池組510。另舉一例，控制器520導通第一開關512及第二開關514且斷開第三開關516及第四開關518。適配器504提供的充電電流可以透過第一開關512的飛輪二極體522及其汲源通道、公共節點530以及第二開關514的汲源通道，流到電池組510。

另外，控制器520、第三開關516、第四開關518、電感506以及電容508可以用以作為DC/DC轉換電路，例如，降壓轉換電路、升壓轉換電路或升降壓轉換電路。控制器520可以透過責任週期週期性地導通第三開關516，來控制DC/DC轉換電路所執行的功率轉換。控制器520還可以透過調整第三開關516的責任週期，來調整電源管理系統500的輸出功率，例如，公共引腳P3的輸出功率或者引腳P4的輸出功率。

在一個實施例中，更為具體地，控制器520控制第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518，以使轉換電路(例如，降壓轉換電路)透過公共節點530從適配器504接收輸入功率(例如，輸入電壓及/或輸入電流)，且轉換電路將輸入功率轉換為輸出功率(例如，輸出電壓及/或輸出電流)以給電池組510充電。控制器520可以導通第一開關512並斷開第二開關514，並且產生脈衝寬度調變信號以交替的導通第三開關516及第四開關518。控制器520可以透過增大PWM信號的責任週期(例如，第三開關516的責任週期)來增大輸出到電池組510的功率，或者透過減小PWM信號的責任週期來減小輸出到電池組510的功率。在另一個實施例中，控制器520控制第一開關512、第二開關514、第三開關516及第四開關518，以使轉換電路(例如，升壓轉換電路)從電池組510接收輸入功率(例如，輸入電壓及/或輸入電流)，且將輸入功率轉換為輸出功率(例如，輸出電壓及/或輸出電流)，以及透過公共節點530將輸出功率輸送到系統負載534。控制器520斷開第一開關512及第二開關514，且產生PWM信號以交替的導通第三開關516及第四開關518。控制器520可以透過增大PWM信號的責任週期(例如，第三開關516的責任週期)來減小輸出到系統負載534的功率，或者透過減小PWM信號的責任週期來增大輸出到系統負載534的功率。

在一個實施例中，第一開關512、第二開關514、第三開關516、第四開關518以及控制器520被封裝成一個整體。第一開關512的第一傳輸端512A、第二開關514的第二傳輸端514A以及第三開關516的第三傳輸端516A直接耦接於公共節點530。更為具體地，第一傳輸端512A與公共節點530之間的阻值RTC1、第二傳輸端514A與公共節點530之間的阻值RTC2以及第三傳輸端516A與公共節點530之間的阻值RTC3基本上等於零。這裡所使用的“基本上等於零”意味著公共節點530與第一傳輸端512A、第二傳輸端514A以及第三傳輸端516A之間的阻值相對較小，可以忽略不計。例如，第一開關512、第二開關514、第三開關516(例如，金氧半導體場效應電晶體可以製作於同一個半導體基底之上(例如，N型基底)。半導體基底包括公共節點530以及第一傳輸端512A、第二傳輸端514A及第三傳輸端516A，例如，第一開關512、第二開關514及第三開關516的汲極。在這個實施例中，將阻值RTC1、RTC2及RTC3看作等於零或基本上等於零。另舉一例，第一傳輸端512A、第二傳輸端514A以及第三傳輸端516A透過結合線(例如，金屬線、金線、鋁線等等)耦接於公共節點530。在這個實施例中，也將阻值RTC1、RTC2及RTC3看作等於零或基本上等於零。

有利之處在於，例如，用於功率選擇的第一開關512、用於功率選擇的第二開關514以及用於功率轉換的第三開關516共用一公共節點530。這樣，功率控制電路502中的電路(例如，控制器520、第一開關512、第二開關514、 的電路(例如，控制器520、第一開關512、第二開關514、第三開關516以及第四開關518)可以被更緊湊的封裝在一起。另外，第一開關512、第二開關514及第三開關516共用一公共引腳532。這樣可以減小功率控制電路502的印刷電路板尺寸，同時也可以減小功率控制電路502的成本以及功耗。

圖6A所示為根據本發明一個實施例的一個開關(例如，第一開關512、第二開關514或第三開關516)與公共節點530連接的示意圖636A及638A。結合圖5來描述圖6A。示意圖636A是開關的橫截面圖。示意圖638A是開關的電路模型。儘管示意圖636A所示的開關是縱向通道U型MOSFET，然而本發明並不以此為限。上述開關可以是任意類型的縱向通道MOSFET，例如，U型MOSFET、V型MOSFET、雙擴散MOSFET等等。上述開關還可以是表面通道MOSFET。

在一個實施例中，開關是N通道MOSFET。更為具體地，如示意圖636A及638A所示，標為“D”的一端是汲極、標為“S”的一端是源極且標為“G”的一端是間極。上述開關包括N型半導體阱640、P型半導體阱642、N型半導體層644以及N型半導體基底646。當在G及S一端加上高於開關門限電壓的閘源電壓時，N阱640就連接到N層644。相應地，N阱640、N層644以及N基底646形成了N型半導體通道。

此外，P阱642及N層644形成了飛輪二極體，且飛輪二極體的陰極連接到N基底646。這樣，在這個實施例 中，N基底646連接到了公共節點530。

圖6B所示為根據本發明一個實施例的一個開關(例如，第一開關512、第二開關514或第三開關516)與公共節點530連接的示意圖636B及638B。結合圖5來描述圖6B。示意圖636B是開關的橫截面圖。示意圖638B是開關的電路模型。儘管示意圖636B所示的開關是縱向通道U型MOSFET，然而本發明並不以此為限。上述開關可以是任意類型的縱向通道MOSFET，例如，U型MOSFET、V型MOSFET、雙擴散MOSFET等等。上述開關還可以是表面通道MOSFET。

在一個實施例中，開關是P通道MOSFET。更為具體地，如示意圖636B及638B所示，標為“D”的一端是汲極、標為“S”的一端是源極且標為“G”的一端是閘極。上述開關包括P阱650、N阱652、P層654以及P基底656。當在G及S一端加上低於開關門限電壓的閘源電壓時，P阱650就連接到P層654。相應地，P阱650、P層654以及P基底656形成了P型半導體通道。

此外，N阱652及P層654形成了飛輪二極體，且其陰極連接到P阱650。這樣，在這個實施例中，P阱650連接到了公共節點530。

圖7所示為根據本發明一個實施例的功率控制電路502’連接的示意圖。結合圖5及圖6A來描述圖7。在一個實施例中，圖5中的功率控制電路502應用了功率控制電路502’的結構。第一開關512、第二開關514、第三開關516、第四開關518以及控制器520封裝在一起，例如，附著于或焊接於非導電性基底760上。

如圖7所示，第一開關512、第二開關514及第三開關516是NMOSFET，且其結構可以與圖6A所示相似。這樣，第一開關512、第二開關514及第三開關516可以製作於公共的半導體基底730上，例如，N型半導體基底。在這個實施例中，半導體基底730包括第一開關512的第一傳輸端512A(例如，汲極)、第二開關514的第二傳輸端514A(例如，汲極)以及第三開關516的第三傳輸端516A(例如，汲極)。半導體基底730還包括公共節點530。

更為具體地，如圖7所示，第一開關512的源極被標為512S且第一開關512的閘極被標為512G。第二開關514的源極被標為514S且第二開關514的閘極被標為514G。第三開關516的源極被標為516S且第三開關516的閘極被標為516G。半導體基底730包括第一開關512、第二開關514及第三開關516的汲極。第一開關512的源極512S連接於引腳P1，例如，引腳P1為適配器504傳送功率。第二開關514的源極514S連接於引腳P2，例如，引腳P2為電池組510傳送功率。第三開關516的源極516S連接於引腳P4，例如，引腳P4為功率控制電路502傳送功率。控制器520連接於閘極512G、514G及516G以控制第一開關512、第二開關514及第三開關516。另外，半導體基底730連接於公共引腳532，例如，公共引腳532透過結合線(例如，金屬線、金線、鋁線等等)為適配器504、電池組510、功率控制電路502以及系統負載534傳送功率。

有利之處在於，第一開關512、第二開關514及第三開關516共用一個半導體基底。功率控制電路502’可以被更緊湊的封裝。因此，可以進一步減小印刷電路板的尺寸，成本以及功耗。

圖8A至圖8D所示為根據本發明實施例的功率控制電路502A、502B、502C及502D如何連接在一起的示意圖。結合圖5、圖6A以及圖6B來描述圖8A至圖8D。

如圖8A所示，第一開關512及第二開關514是NMOSFET，且第三開關516是PMOSFET。第一開關512及第二開關514可以被製作於公共半導體基底832上，例如，公共半導體基底832包括第一開關512的第一傳輸端512A(例如，汲極)以及第二開關514的第二傳輸端514A(例如，汲極)。公共半導體基底832透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。第三開關516的源極516S也透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。另外，第一開關512的源極512S連接於引腳P1、第二開關514的源極514S連接於引腳P2且第三開關516的汲極(例如，P型半導體基底)連接於引腳P4。

如圖8B所示，第二開關514及第三開關516是NMOSFET，且第一開關512是PMOSFET。第二開關514及第三開關516可以被製作於公共半導體基底834上，例如，公共半導體基底834包括第二開關514的第二傳輸端514A(例如，汲極)以及第三開關516的第三傳輸端516A(例如，汲極)。公共半導體基底834透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。第一開關512的源極512S也透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。另外，第一開關512的汲極(例如，P型半導體基底)連接於引腳P1、第二開關514的源極514S連接於引腳P2且第三開關516的源極516S連接於引腳P4。

如圖8C所示，第一開關512及第三開關516是NMOSFET，且第二開關514是PMOSFET。第一開關512及第三開關516可以被製作於公共半導體基底836上，例如，公共半導體基底836包括第一開關512的第一傳輸端512A(例如，汲極)以及第三開關516的第三傳輸端516A(例如，汲極)。公共半導體基底836透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。第二開關514的源極514S也透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。另外，第一開關512的源極512S連接於引腳P1、第三開關516的源極516S連接於引腳P4且第二開關514的汲極(例如，P型半導體基底)連接於引腳P2。

如圖8D所示，第一開關512、第二開關514及第三開關516是PMOSFET。第一開關512、第二開關514及第三開關516的源極512S、514S及516S透過結合線連接於公共引腳532，例如，公共節點530。第一開關512、第二開關514及第三開關516的汲極(例如，P型半導體基底)分別連接於引腳P1、P2及P4。

圖9所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統的形成步驟的示意圖。結合圖5、圖6A至圖6B、圖7以及圖8A至圖8D來描述圖9。

在步驟902中，第一開關512的第一傳輸端512A連接於公共節點530。在步驟904中，第二開關514的第二傳 輸端514A連接於公共節點530。在步驟906中，第三開關516的第三傳輸端516A連接於公共節點530。

控制器520透過週期性的導通第三開關516來控制功率轉換。第一傳輸端512A與公共節點530之間的阻值RTC1、第二傳輸端514A與公共節點530之間的阻值RTC2以及第三傳輸端516A與公共節點530之間的阻值RTC3基本上等於零。

圖10所示為根據本發明一個實施例的由電源管理系統500執行的操作的示意圖。結合圖5、圖6A至圖6B、圖7以及圖8A至圖8D來描述圖10。

在步驟1002中，第一開關512透過其第一傳輸端512A進行功率傳輸。

在步驟1004中，第二開關514透過其第二傳輸端514A進行功率傳輸。

在步驟1006中，控制器520透過週期性的導通第三開關516來控制功率轉換。更為具體的，控制器520透過週期性的使第三開關516及第四開關518交替地被導通來控制功率轉換。第一傳輸端512A、第二傳輸端514A及第三傳輸端516A直接耦接於公共節點116。換言之，第一傳輸端512A、第二傳輸端514A以及第三傳輸端516A與公共節點530之間的阻值基本上等於零。

總而言之，本發明的實施例提供了電源管理系統。此電源管理系統包括用於從不同電源進行功率選擇的第一開關及第二開關，還包括用於進行功率轉換的第三開關及第四開關。第一開關、第二開關及第三開關共用一個公共 節點/引腳，因此可以減小印刷電路板的尺寸、成本以及功耗。由於開關中包括飛輪二極體，因此可以根據開關的類型將其以不同的方式被封裝成一個整體。如果第一開關、第二開關及第三開關是NMOSFET，則它們可以製作於一個公共半導體基底上，例如，公共節點。如果第一開關、第二開關及第三開關中的一個是PMOSFET，則可以將PMOSFET開關與另外兩個開關分開，且PMOSFET開關的半導體阱(例如，P阱)可以透過結合線連接於公共節點。本發明實施例的電源管理系統的應用較廣，例如，可以應用於可擕式媒體播放機、行動電話、可擕式電腦、電動車等等。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

100．．．電源管理系統

102．．．AC/DC適配器

104．．．電池組

106、108．．．NMOS開關

110．．．系統

112‧‧‧驅動電路

114‧‧‧控制單元

116‧‧‧公共節點

118、120‧‧‧感應電阻

122‧‧‧電荷泵單元

124‧‧‧驅動器

300‧‧‧電源管理系統

302‧‧‧電源

304‧‧‧電池組

306、308‧‧‧NMOS開關

310‧‧‧控制單元

312‧‧‧驅動電路

314‧‧‧DC/DC轉換器

320、322‧‧‧感應電阻

324‧‧‧公共節點

326‧‧‧系統

402~414‧‧‧步驟

500‧‧‧電源管理系統

502、502’‧‧‧功率控制電路

504‧‧‧適配器

506‧‧‧電感

508‧‧‧電容

510‧‧‧電池組

512‧‧‧第一開關

512A‧‧‧第一傳輸端

512B‧‧‧傳輸端

512G‧‧‧控制端

514‧‧‧第二開關

514A‧‧‧第二傳輸端

514B‧‧‧傳輸端

514G‧‧‧控制端

516‧‧‧第三開關

516A‧‧‧第三傳輸端

516B‧‧‧傳輸端

516G‧‧‧控制端

518‧‧‧第四開關

520‧‧‧控制器

522~528‧‧‧飛輪二極體

530‧‧‧公共節點

532‧‧‧公共引腳

534‧‧‧系統負載

636A、636B‧‧‧開關橫截面圖

638A、638B‧‧‧開關電路模型

640、652‧‧‧N型半導體阱

642、650‧‧‧P型半導體阱

644‧‧‧N型半導體層

646‧‧‧N型半導體基底

654‧‧‧P型半導體層

656‧‧‧N型半導體基底

730‧‧‧半導體基底

760．．．非導電性基底

832～836．．．公共半導體基底

902～906．．．步驟

1002～1006．．．步驟

以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為電源管理系統的方塊圖。

圖2所示為根據本發明一實施例的開關控制信號以及驅動信號的波形圖。

圖3所示為根據本發明另一實施例的電源管理系統的方塊圖。

圖4所示為根據本發明一實施例的電源控制方法的流程圖。

圖5所示為根據本發明一實施例的電源管理系統的電路圖。

圖6A及圖6B所示為根據本發明一實施例的一個開關與公共節點連接的示意圖。

圖7所示為根據本發明一實施例的功率控制電路連接的示意圖。

圖8A、圖8B、圖8C及圖8D所示為根據本發明實施例的功率控制電路連接的示意圖。

圖9所示為根據本發明一實施例的電源管理系統的形成步驟的示意圖。

圖10所示為根據本發明一實施例的由電源管理系統執行的操作的示意圖。

500‧‧‧電源管理系統

502‧‧‧功率控制電路

504‧‧‧適配器

506‧‧‧電感

508‧‧‧電容

510‧‧‧電池組

512‧‧‧第一開關

512A‧‧‧第一傳輸端

512B‧‧‧傳輸端

512G‧‧‧控制端

514‧‧‧第二開關

514A‧‧‧第二傳輸端

514B‧‧‧傳輸端

514G‧‧‧控制端

516‧‧‧第三開關

516A‧‧‧第三傳輸端

516B‧‧‧傳輸端

516G‧‧‧控制端

518‧‧‧第四開關

520‧‧‧控制器

522~528‧‧‧飛輪二極體

530‧‧‧公共節點

532．．．公共引腳

534．．．系統負載

Claims (19)

1. 一種電源管理系統，包括：一第一開關，包括一第一傳輸終端和一第一飛輪二極體；一第二開關，包括一第二傳輸終端和一第二飛輪二極體；一第三開關，包括一第三傳輸終端和一第三飛輪二極體；一第四開關，耦接於該第三開關，包括一二極體；以及一控制器，耦接於該第一、第二、第三及第四開關，透過交替地導通該第三開關和該第四開關以控制一功率轉換，其中，該第一傳輸終端、該第二傳輸終端以及該第三傳輸終端都耦接於一公共節點，且該第一傳輸終端與該公共節點之間的阻值、該第二傳輸終端與該公共節點之間的阻值以及該第三傳輸終端與該公共節點之間的阻值基本上等於零，該第一飛輪二極體的陰極、該第二飛輪二極體的陰極以及該第三飛輪二極體的陰極都耦接於該公共節點，且該二極體的陰極耦接於該第三飛輪二極體的陽極。
2. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該第一、第二及第三開關中的一開關包括一N通道金氧半導體場效應電晶體，且其中該第一、第二及第三開關中的該開關的半導體基底連接於該公共節點。
3. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該第一、第二及第三開關中的一開關包括一P通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一、第二及第三開關中的該開關的半導體阱連接於該公共節點。
4. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該第一、第二及第三開關的每一個都包括一N通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一、第二及第三開關製作於一公共半導體基底上，且該公共半導體基底包括該第一、第二及第三傳輸終端。
5. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該第一開關包括一P通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一傳輸終端透過一結合線連接於該公共節點。
6. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該控制器產生一脈衝寬度調變信號，以交替導通該第三開關以及該第四開關，該控制器還透過調整該脈衝寬度調變信號的一責任週期，以調整該電源管理系統的輸出功率。
7. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該控制器控制該第一、第二、第三及第四開關，以使該第一開關透過該公共節點從一適配器輸送功率到一負載。
8. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該控制器控制該第一、第二、第三及第四開關，以使該第二開關透過該公共節點從一電池組輸送功率到一負載。
9. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，其中，該控制器控制該第一、第二、第三及第四開關，以使該第一及第二開關透過該公共節點從一適配器輸送功率對一電池組充電。
10. 如申請專利範圍第1項的電源管理系統，還包括：一轉換電路，執行該功率轉換。
11. 如申請專利範圍第10項的電源管理系統，其中，該控制器控制該第一、第二、第三及第四開關，以使該轉換電路透過該公共節點接收一輸入功率，並且將該輸入功率轉換成一輸出功率，以對一電池組充電。
12. 如申請專利範圍第10項的電源管理系統，其中，該控制器控制該第一、第二、第三及第四開關，以使該轉換電路接收來自一電池組的一輸入功率，以及將該輸入功率轉換成一輸出功率，並且透過該公共節點將該輸出功率輸送到一負載。
13. 一種電源管理系統之控制方法，包括：透過一第一開關的一第一傳輸終端來傳輸功率，該第一開關包括一第一飛輪二極體；透過一第二開關的一第二傳輸終端來傳輸功率，該第二開關包括一第二飛輪二極體；透過耦接於一公共節點的一第三開關和一第四開關將一輸入功率轉換成一輸出功率，該第三開關包括一第三傳輸終端和一第三飛輪二極體，該第四開關耦接於該第三開關，包括一二極體；以及透過交替地導通該第三開關和該第四開關以控制一 功率轉換，其中，該第一傳輸終端、該第二傳輸終端以及該第三傳輸終端都耦接於該公共節點，且其中該第一傳輸終端與該公共節點之間的阻值、該第二傳輸終端與該公共節點之間的阻值以及該第三傳輸終端與該公共節點之間的阻值基本上等於零，該第一飛輪二極體的陰極、該第二飛輪二極體的陰極以及該第三飛輪二極體的陰極都耦接於該公共節點，且該二極體的陰極耦接於該第三飛輪二極體的陽極。
14. 如申請專利範圍第13項的控制方法，其中，該第一、第二及第三開關的每一個都包括一N通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一、第二及第三開關製作於一公共半導體基底上，且該公共半導體基底包括該第一、第二及第三傳輸終端。
15. 如申請專利範圍第13項的控制方法，其中，該第一開關包括一P通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一傳輸終端透過一結合線連接於該公共節點。
16. 如申請專利範圍第13項的控制方法，其中，控制該功率轉換還包括：產生一脈衝寬度調變信號，以交替地導通該第三開關以及該第四開關；透過調整該脈衝寬度調變信號的一責任週期，以調整該功率轉換。
17. 一種電源管理系統，包括：一積體電路，包括一第一開關、一第二開關、一第三 開關、一第四開關以及一控制器，透過交替地導通該第三開關和該第四開關以控制一功率轉換，該第一開關包括一第一傳輸終端和一第一飛輪二極體，該第二開關包括一第二傳輸終端和一第二飛輪二極體，該第三開關包括一第三傳輸終端和一第三飛輪二極體，該第四開關耦接於該第三開關，包括一二極體；以及一引腳，耦接於該第一傳輸終端、該第二傳輸終端以及該第三傳輸終端，其中，該第一傳輸終端與該引腳之間的阻值、該第二傳輸終端與該引腳之間的阻值以及該第三傳輸終端與該引腳之間的阻值基本上等於零，該第一飛輪二極體的陰極、該第二飛輪二極體的陰極以及該第三飛輪二極體的陰極都耦接於該公共節點，且該二極體的陰極耦接於該第三飛輪二極體的陽極。
18. 如申請專利範圍第17項的電源管理系統，其中，該第一、第二及第三開關的每一個都包括一N通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一、第二及第三開關製作於一公共半導體基底上，且該公共半導體基底包括該第一、第二及第三傳輸終端。
19. 如申請專利範圍第17項的電源管理系統，其中，該第一開關包括一P通道金氧半導體場效應電晶體，且該第一傳輸終端透過一結合線連接於該引腳。