TWI646755B - 具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法，其藉由判斷代表輸入電流的輸入電流參考訊號是否大於等於變壓器的最大安全電流來決定如何快速地回應負載的需求，使得充電裝置及其控制方法不需要控制升壓電路與降壓電路的切換就可以實現快速暫態響應。同時，本發明的充電裝置及其控制方法可避免因輸入電流過高而毀損，且可更快穩定負載的輸出電壓。

Description

具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法
本發明提供一種充電裝置及其控制方法，特別是關於一種具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法。
可攜式電子裝置(例如手機、平板電腦、音樂播放器或影音播放器等)已經成為人們生活中不可缺少的一部份。由於可攜式電子裝置的電量消耗很快，使用者通常會攜帶充電裝置(例如行動電源)，以對可攜式電子裝置充電。充電裝置普遍支援OTG(On The Go)規格。也就是說，充電裝置可以作為周邊設備的角色，並從其他設備(例如桌上型電腦)接收能量。或者，充電裝置可以作為主控端的角色，並對從屬的電子裝置進行充電。此外，近年來更發展出一種充電裝置，在根據市電進行充電的同時，還可以供電給從屬的電子裝置。
而上述充電裝置通常具有一降壓(Buck)電路與一升壓(Boost)電路。在充電裝置欲對內部的電池進行充電時，充電裝置切換至降壓電路，並透過降壓電路將市電降低至適當的電壓。另一方面，在充電裝置欲對電子裝置進行充電時，充電裝置切換至升壓電路，並透過升壓電路將內部的電池所提供的電壓提升至適當的電壓。也就是說，習知充電裝置係透過一個降壓電路與一個升壓電路來實現其功能。
而習知充電裝置的運作原理舉例如下。在接收市電後，習知充電裝置中的變壓器可以提供的最大電流值為1安培，而電子裝置所需的電流為1.5安培。換言之，僅以變壓器提供的能量無法負荷電子裝置所需的能量。此時，充電裝置切換至升壓電路，使得電池開始提供能量給電子裝置，以滿足電子裝置的需求。簡而言之，除了變壓器提供的1安培的電流外，電池還提供了0.5安培的電流，使得電子裝置接收1.5安培的電流。
然而，習知充電裝置存在著幾個缺點。其中之一個缺點係電池僅能提供固定大小的電流。舉例來說，隨著電子裝置的負載下降，電子裝置僅需要1.2安培的電流。此時，電池還是固定提供0.5安培的電流給電子裝置，使得變壓器僅需提供0.7安培的電流給電子裝置。由於變壓器輸出的電流變小，習知充電裝置中的控制器會認為此時僅靠變壓器即可滿足電子裝置的需求，接著將關閉升壓電路，並切換至降壓電路，以對電池充電。然而，變壓器並無法供應電子裝置足夠的能量，故習知充電裝置會再一次切換至升壓電路，使得電池再次輸出能量。簡而言之，習知充電裝置會不停地切換升壓電路與降壓電路，使得習知充電裝置無法穩定地操作並提供能量給電子裝置。
此外，習知充電裝置的另一個缺點係反應時間緩慢。習知充電裝置需要時間整理目前的情況來產生控制訊號，以控制降壓電路與升壓電路的切換。意即，習知充電裝置花費在運算與產生控制訊號的時間將造成習知充電裝置無法即時回應電子裝置的請求，使得電子裝置的電壓下降。
本發明提供了一種具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法，其不需要習知充電裝置的降壓電路與升壓電路。而相較於習知充電裝置需要另外花費時間產生控制訊號以控制降壓電路 與升壓電路的切換，本發明實施例所提供的充電裝置及其控制方法不需要切換於不同的電路，即可快速地回應負載的需求。
本發明實施例提供一種有快速暫態響應的充電裝置。充電裝置包括一變壓器、一電流偵測器、一功率級電路、一回授及補償電路、一斜坡電路與一控制電路。變壓器提供一輸入電流。電流偵測器耦接變壓器，且偵測輸入電流以產生代表輸入電流的一輸入電流參考訊號。功率級電路之一端耦接變壓器與一負載，且其另一端耦接一儲能元件。回授及補償電路耦接於電流偵測器與功率級電路之間，透過功率級電路偵測儲能元件的一充電電流與一充電電壓，且根據充電電流、充電電壓與輸入電流參考訊號產生一誤差放大訊號。斜坡電路耦接電流偵測電路且產生一斜坡訊號。控制電路耦接於斜坡電路、回授及補償電路與功率級電路之間，且根據斜坡訊號與誤差放大訊號控制功率級電路。當輸入電流參考訊號大於等於變壓器的一最大安全電流時，斜坡電路升高斜坡訊號或者回授及補償電路降低誤差放大訊號，控制電路據此控制功率級電路停止輸入電流對儲能元件充電並增加儲能元件透過功率級電路對負載充電。當輸入電流參考訊號小於最大安全電流時，控制電路控制功率級電路使輸入電流繼續對儲能元件充電並提供給負載。
本發明實施例提供一種充電裝置的控制方法。充電裝置耦接一負載且控制方法包括如下步驟：(A)透過一變壓器提供一輸入電流；(B)偵測輸入電流以產生代表輸入電流的輸入電流參考訊號；(C)偵測一儲能元件的一充電電流與一充電電壓，根據充電電流、充電電壓與輸入電流參考訊號產生一誤差放大訊號；以及(D)判斷輸入電流參考訊號是否大於等於變壓器的一最大安全電流。當輸入電流參考訊號大於等於最大安全電流時，升高一斜坡訊號或者降低誤差放大訊號，且根據升高後的斜坡訊號與誤差放大訊號，或者根據斜坡訊號與降低後的誤差放大訊號停止輸入電 流對儲能元件充電並增加儲能元件對負載充電。而當輸入電流參考訊號小於最大安全電流時，根據斜坡訊號與誤差放大訊號傳送輸入電流至負載與儲能元件。
綜上所述，本發明實施例所提供的具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法，其藉由判斷代表輸入電流的輸入電流參考訊號是否大於等於變壓器的最大安全電流來決定如何快速地回應負載的需求，使得充電裝置及其控制方法不需要控制升壓電路與降壓電路的切換就可以實現快速暫態響應。同時，本發明的充電裝置及其控制方法可避免因輸入電流過高而毀損，且可更快穩定負載的輸出電壓。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
50‧‧‧負載
344c‧‧‧加法器
100‧‧‧充電裝置
345‧‧‧電流產生器
110‧‧‧變壓器
S1‧‧‧電流訊號
120‧‧‧電流偵測器
444‧‧‧斜坡調整器
130‧‧‧回授及補償電路
444a‧‧‧可變電壓源
140‧‧‧斜坡電路
444b‧‧‧比較器
150‧‧‧控制電路
444c‧‧‧加法器
160‧‧‧功率級電路
S2‧‧‧電壓訊號
AC‧‧‧市電
532‧‧‧誤差放大器
Iin‧‧‧輸入電流
534‧‧‧誤差放大調整器
Vout‧‧‧輸出電壓
534a‧‧‧可變電流源
Iout‧‧‧輸出電流
534b‧‧‧比較器
Pa‧‧‧端點
534c‧‧‧加法器
Pb‧‧‧端點
535‧‧‧電流產生器
CIC‧‧‧輸入電流參考訊號
S3‧‧‧電流訊號
RAMP‧‧‧斜坡訊號
544‧‧‧誤差放大調整器
EAO‧‧‧誤差放大訊號
544a‧‧‧可變電壓源
CC‧‧‧充電電流
544b‧‧‧比較器
CV‧‧‧充電電壓
544c‧‧‧加法器
UG‧‧‧上橋訊號
S4‧‧‧電壓訊號
LG‧‧‧下橋訊號
T0-T4‧‧‧時間點
Q1‧‧‧第一開關
IL0‧‧‧電感電流
Q2‧‧‧第二開關
IL1‧‧‧電感電流
L‧‧‧電感
A0‧‧‧標示部分
IL‧‧‧電感電流
A1‧‧‧標示部分
R‧‧‧電阻
Iin0‧‧‧輸入電流
BAT‧‧‧儲能元件
Iin1‧‧‧輸入電流
152‧‧‧比較器
Vout0‧‧‧輸出電壓
154‧‧‧工作週期調整電路
Vout1‧‧‧輸出電壓
156‧‧‧閘極驅動電路
S710、S720、S730、S740、S750、S760‧‧‧步驟
CPO‧‧‧比較結果
340‧‧‧斜坡電路
PWM1‧‧‧第一脈寬調變訊號
Imax‧‧‧最大安全電流
PWM2‧‧‧第二脈寬調變訊號
440‧‧‧斜坡電路
342‧‧‧斜坡產生器
530‧‧‧回授及補償電路
344‧‧‧斜坡調整器
540‧‧‧斜坡電路
344a‧‧‧可變電流源
545‧‧‧電流產生器
344b‧‧‧比較器
Is‧‧‧電流
SHP0‧‧‧未調整波形
SHP1‧‧‧調整波形
圖1是本發明一實施例之充電裝置的示意圖。
圖2是本發明一實施例之控制電路的示意圖。
圖3A是本發明一實施例之斜坡電路的示意圖。
圖3B是本發明另一實施例之斜坡電路的示意圖。
圖4A是本發明另一實施例之回授及補償電路的示意圖。
圖4B是本發明另一實施例之回授及補償電路的示意圖。
圖5是本發明一實施例之充電裝置操作在降壓模式與渦輪升壓模式的波形圖。
圖6是充電裝置操作在渦輪升壓模式中不同的斜坡電路與回授及補償電路的控制方式的訊號波形圖。
圖7是發明一實施例之充電裝置的控制方法的流程圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之各種例示實施例來詳細描述本發明。然而，本發明概念可能以許多不同形式來實現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。此外，圖式中相同參考數字可用以表示類似的元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件或訊號等，但此等元件或訊號不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。
本發明實施例所提供的具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法，其藉由判斷代表輸入電流的輸入電流參考訊號是否大於等於變壓器的最大安全電流來決定如何快速地回應負載的需求。更進一步來說，當輸入電流參考訊號大於等於變壓器的最大安全電流時，升高斜坡訊號或者降低誤差放大訊號，且根據調整後的訊號停止輸入電流對儲能元件充電並增加儲能元件對負載充電。而當輸入電流參考訊號小於最大安全電流時，不調整斜坡訊號與不調整誤差放大訊號，且根據斜坡訊號與誤差放大訊號傳送輸入電流至負載與儲能元件。
藉此，本發明的充電裝置及其控制方法不需要控制升壓電路與降壓電路的切換而可快速回應負載的電流需求。此外，升高斜坡訊號或者降低誤差放大訊號可以讓儲能元件更快地提供較大的充電電流給負載，進而可避免輸入電流過高而毀損，且可更快穩定負載的輸出電壓。以下將進一步介紹本發明揭露之具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法。
首先，請參考圖1，其顯示本發明一實施例之充電裝置的示意圖。充電裝置100可以是接收外部輸入的一市電AC並轉換為電能，並將電能儲存於內部的一儲能元件BAT。或者，充電裝置100可以提供電能給負載50。在本實施例中，儲能元件BAT例 如為電池，其可以儲存接收到的能量，或是將內部儲存的能量轉化為可供負載50使用的電能。負載50例如為手機、平板電腦、音樂播放器或影音播放器等電子裝置，本發明並不對此做限制。
如圖1所示，充電裝置100是將一市電AC轉換成輸入電流Iin，並根據充電裝置100目前的工作狀況操作在一降壓(Buck)模式或一渦輪升壓(Turbo Boost)模式，以對儲能元件BAT或負載50充電。更進一步來說，當充電裝置100操作在降壓模式時，充電裝置100根據輸入電流Iin同時對負載50與內部的儲能元件BAT提供能量。若儲能元件BAT無法儲存更多能量時，充電裝置100就只會對負載50進行充電。再者，當充電裝置100操作在渦輪升壓模式時，充電裝置100除了將輸入電流Iin提供給負載50外，儲能元件BAT亦提供能量給負載50以滿足負載50所需的能量。
充電裝置100包括一變壓器110、一電流偵測器120、一斜坡電路140、一回授及補償電路130、一控制電路150與一功率級電路160。變壓器110包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以接收市電AC，並應用法拉第電磁感應定律而升高或降低市電AC以藉此產生輸入電流Iin。電流偵測器120耦接變壓器110，且偵測輸入電流Iin以產生代表輸入電流Iin的一輸入電流參考訊號CIC。
功率級電路160之一端耦接變壓器110與負載50，且另一端耦接儲能元件BAT，以藉此將儲能元件BAT的能量傳送給負載50或者將輸入電流Iin的能量傳送給儲能元件BAT。在本實施例中，功率級電路160包括一第一開關Q1、一第二開關Q2、一電感L與一電阻R。第一開關Q1之一端電連接於電流偵測器120與負載50之間的一端點Pa。第一開關Q1之另一端電連接第二開關Q2之一端，且第二開關Q2之另一端接地。而第一開關Q1之受控端與第二開關Q2之受控端則受控於控制電路150。 電感L之一端電連接於第一開關Q1與第二開關Q2之間的一端點Pb，且電感L之另一端透過電阻電連接儲能元件BAT。本實施例的第一開關Q1為P型金氧半電晶體，而第二開關Q2為N型金氧半電晶體，且本發明並不以此為限。於其他實施例中，第一開關Q1與第二開關Q2亦可以為P型金氧半電晶體或N型金氧半電晶體的其他種組合。
更進一步來說，第一開關Q1與第二開關Q2的工作情況關聯於流經電感L的電感電流IL大小。也就是說，控制電路150控制第一開關Q1與第二開關Q2的開啟與關閉即可控制流向儲能元件BAT的電流Is或是控制儲能元件BAT透過功率級電路160提供的電流Is。
回授及補償電路130耦接於電流偵測器120與功率級電路160之間，且透過功率級電路160偵測儲能元件BAT的一充電電流CC與一充電電壓CV。接著，回授及補償電路130根據充電電流CC、充電電壓CV與輸入電流參考訊號CIC產生一誤差放大訊號EAO。更進一步來說，回授及補償電路130包括一回授選擇器與一補償器(未繪於圖式中)，回授選擇器偵測電阻R的兩端以分別獲得相關於儲能元件BAT目前的充電電流CC與充電電壓CV。而補償器則根據偵測到的充電電流CC、充電電壓CV與輸入電流參考訊號CIC產生誤差放大訊號EAO。而有關回授選擇器與補償器的實施方式為所屬領域具有通常知識者所悉知，故在此不再贅述。
斜坡電路140耦接電流偵測器120且產生一斜坡訊號RAMP。控制電路150耦接於斜坡電路140、回授及補償電路130與功率級電路160之間，且根據斜坡訊號RAMP與誤差放大訊號EAO控制功率級電路160。請同時參考圖2，本實施例的控制電路150包括一比較器152、一工作週期調整電路154與一閘極驅動電路156。比較器152比較斜坡訊號RAMP與誤差放大訊號 EAO且據此產生一比較結果CPO。工作週期調整電路154再根據比較結果CPO產生第一脈寬調變訊號PWM1與第二脈寬調變訊號PWM2的工作週期(Duty Cycle)至閘極驅動電路156。而閘極驅動電路156將根據第一脈寬調變訊號PWM1與第二脈寬調變訊號PWM2分別產生對應的上橋訊號UG與下橋訊號LG，以分別控制第一開關Q1與第二開關Q2的開啟與關閉。
再請回到圖1，值得注意的是，斜坡電路140與回授及補償電路130其中之一將根據輸入電流參考訊號CIC來調整對應的斜坡訊號RAMP或誤差放大訊號EAO，以藉此達到快速暫態響應。如圖3A所示，斜坡電路340包括一斜坡產生器342與一斜坡調整器344。斜坡產生器342用來產生斜坡訊號RAMP。而斜坡調整器344耦接於斜坡產生器342與電流偵測器120之間，且具有變壓器110所能提供的最大安全電流Imax。而斜坡調整器344將判斷輸入電流參考訊號CIC是否大於等於最大安全電流Imax。當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax時，斜坡調整器344將增加斜坡訊號RAMP。反之，當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax時，斜坡調整器344則不增加斜坡訊號RAMP(即維持斜坡產生器342產生的斜坡訊號RAMP)。
更進一步來說，斜坡調整器344包括一可變電流源344a、一比較器344b與一加法器344c。比較器344b有一正端與一負端。正端接收輸入電流參考訊號CIC且負端接收一電流產生器345產生的最大安全電流Imax。而比較器344b將根據輸入電流參考訊號CIC與最大安全電流Imax控制可變電流源344a產生一電流訊號S1。加法器344c耦接於可變電流源344a與斜坡產生器342，且加總斜坡訊號RAMP與電流訊號S1。
當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax，比較器344b控制可變電流源344a產生代表正值的電流訊號S1。 此時，加法器344c加總斜坡訊號RAMP與電流訊號S1以增加斜坡訊號RAMP。而當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax，比較器344b控制可變電流源344a產生代表0的電流訊號S1。此時，加法器344c將不調整斜坡訊號RAMP。
在其他實施例中，可變電流源344a也可以改為可變電壓源444a。如圖3B所示，於斜坡電路440中，斜坡調整器444包括一可變電壓源444a、一比較器444b與一加法器444c。比較器444b根據輸入電流參考訊號CIC與最大安全電流Imax控制可變電壓源444a產生一電壓訊號S2。加法器444c耦接於可變電壓源444a與斜坡產生器342，且加總斜坡訊號RAMP與電壓訊號S2。
當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax，比較器444b控制可變電壓源444a產生代表正值的電壓訊號S2。此時，加法器444c加總斜坡訊號RAMP與電壓訊號S2以增加斜坡訊號RAMP。而當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax，比較器444b控制可變電壓源444a產生代表0的電壓訊號S2。此時，加法器444c將不調整斜坡訊號RAMP。
值得注意的是，在圖3A與圖3B的實施例中，若斜坡電路140根據輸入電流參考訊號CIC調整對應的斜坡訊號RAMP時，回授及補償電路130將不需要根據輸入電流參考訊號CIC調整對應的誤差放大訊號EAO。反之，若回授及補償電路130根據輸入電流參考訊號CIC調整對應的誤差放大訊號EAO時，斜坡電路140則不需要根據輸入電流參考訊號CIC調整對應的斜坡訊號RAMP。以下將說明回授及補償電路130如何調整對應的誤差放大訊號EAO。
如圖4A所示，回授及補償電路530包括一誤差放大器532與一誤差放大調整器534。誤差放大器532產生誤差放大訊號EAO。誤差放大調整器534耦接於誤差放大器532與電流偵測器 120之間，且具有變壓器110所能提供的最大安全電流Imax。而誤差放大調整器534將判斷輸入電流參考訊號CIC是否大於等於最大安全電流Imax。當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax時，誤差放大調整器534將減少誤差放大訊號EAO。反之，當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax時，誤差放大調整器534則不減少誤差放大訊號EAO(即維持誤差放大器532產生的誤差放大訊號EAO)。
更進一步來說，誤差放大調整器534包括一可變電流源534a、一比較器534b與一加法器534c。比較器534b具有一正端與一負端。正端接收輸入電流參考訊號CIC且負端接收一電流產生器535產生的最大安全電流Imax。而比較器534b將根據輸入電流參考訊號CIC與最大安全電流Imax控制可變電流源534a產生一電流訊號S3。加法器534c耦接於可變電流源534a與誤差放大器532，且加總誤差放大訊號EAO與電流訊號S3。
當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax，比較器534b控制可變電流源534a產生代表負值的電流訊號S3。此時，加法器534c加總誤差放大訊號EAO與電流訊號S3以減少誤差放大訊號EAO。而當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax，比較器534b控制可變電流源534a產生代表0的電流訊號S1。此時，加法器534c將不調整誤差放大訊號EAO。
在其他實施例中，可變電流源534a也可以改為可變電壓源544a。如圖4B所示，於斜坡電路540中，誤差放大調整器544包括一可變電壓源544a、一比較器544b與一加法器544c。比較器544b根據輸入電流參考訊號CIC與電流產生器545產生的最大安全電流Imax控制可變電壓源544a產生一電壓訊號S4。加法器544c耦接於可變電壓源544a與誤差放大器532，且加總誤差放大訊號EAO與電壓訊號S4。
當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax，比 較器544b控制可變電壓源544a產生代表負值的電壓訊號S4。此時，加法器544c加總誤差放大訊號EAO與電壓訊號S4以減少誤差放大訊號EAO。而輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax，比較器544b控制可變電壓源544a產生代表0的電壓訊號S4。此時，加法器544c將不調整誤差放大訊號EAO。
藉此，再請回到圖1，當輸入電流參考訊號CIC大於等於變壓器110的最大安全電流Imax時，斜坡電路140將升高斜坡訊號RAMP或者回授及補償電路130將降低誤差放大訊號EAO。此時，控制電路150據此控制功率級電路160停止輸入電流Iin對儲能元件BAT充電並增加儲能元件BAT對負載50充電(意即反轉電流Is達到快速增加儲能元件BAT對負載50充電)。反之，當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax時，斜坡電路140不調整斜坡訊號RAMP與回授及補償電路130不調整誤差放大訊號EAO。此時，控制電路150據此控制功率級電路160傳送輸入電流Iin至負載50與儲能元件BAT。
以下將進一步地介紹充電裝置100的工作原理。在本實施例中，斜坡電路140會根據輸入電流參考訊號CIC調整對應的斜坡訊號RAMP，而回授及補償電路130則不會根據輸入電流參考訊號CIC調整對應的誤差放大訊號EAO。
請同時參考圖1與5，圖5是本發明一實施例之充電裝置操作在降壓模式與渦輪升壓模式的波形圖。如圖5所示，於時間點T0，充電裝置100連接上供應市電的設備(例如插座)，且充電裝置100進入降壓模式。接收市電後，變壓器110開始提供輸入電流Iin，以對儲能元件BAT充電。
控制電路150根據上橋訊號UG與下橋訊號LG控制第一開關Q1與第二開關Q2的工作週期，以藉此調整流經電感L的電感電流IL大小。也就是說，控制電路150透過控制第一開關Q1與第二開關Q2的開啟(Turn On)與關閉(Turn Off)來完成降壓功 能，以對儲能元件BAT充電。
於時間點T1，充電裝置100連接上負載50，變壓器110開始提供輸入電流Iin至負載50，以對負載50充電。若儲能元件BAT已經儲滿能量，控制電路150會將第一開關Q1與第二開關Q2關閉，以停止對儲能元件BAT充電。此時，變壓器110提供的輸入電流Iin全部流向負載50。
變壓器110提供的輸入電流Iin會隨著負載50所需的輸出電流Iout提高而增加。只要負載50所需的輸出電流Iout不超過變壓器110所能提供的最大安全電流Imax，變壓器110不需依靠儲能元件BAT即可負擔負載50所需的能量。最大安全電流Imax係變壓器110在不會受損的前提下所能提供的最大的輸入電流。
由於輸入電流參考訊號CIC不超過最大安全電流Imax(即代表輸入電流Iin的輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax)，斜坡電路140將不調整斜坡訊號RAMP且回授及補償電路130將不調整誤差放大訊號EAO。故在此時間區間中，斜坡訊號RAMP與誤差放大訊號EAO將維持穩定。控制電路150將根據誤差放大訊號EAO與斜坡訊號RAMP控制第一開關Q1與第二開關Q2的開啟與關閉。
當第一開關Q1開啟且第二開關Q2關閉，端點Pb的電位等於第一開關Q1源極的電位。因此，流經電感L的電感電流IL的斜率為正。當第一開關Q1關閉且第二開關Q2開啟，端點Pb的電位等於第二開關Q2源極的電位。因此，流經電感L的電感電流IL的斜率為負，使得電感電流IL的波形如圖5所示的鋸齒狀電流。
於時間點T2，斜坡電路140與回授及補償電路130判斷出輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax(即變壓器110提供的輸入電流Iin已超過其所能提供的最大安全電流 Imax)，代表單靠變壓器110無法提供負載50所需的輸出電流Iout，且充電裝置100進入渦輪升壓模式。為了保護變壓器110不會因為提供過高的能量而受損，儲能元件BAT必需快速地協助提供負載50所需的能量。
此時，斜坡電路140將升高斜坡訊號RAMP。更進一步來說，斜坡電路140將根據輸入電流參考訊號CIC大於最大安全電流Imax的程度來決定升高多少斜坡訊號RAMP。而控制電路150將根據誤差放大訊號EAO與斜坡訊號RAMP調整第一脈寬調變訊號PWM1的工作週期以及第二脈寬調變訊號PWM2的工作週期，使得流經電感L的電流往負值移動更多。此時，儲能元件BAT將透過功率級電路160產生更大的電流Is至負載50。
隨著儲能元件BAT更快速地協助變壓器110提供能量給負載50，使得變壓器110提供的輸入電流Iin更快速地降低。於時間點T3，變壓器110提供的輸入電流Iin減少至低於最大安全電流Imax，以保護變壓器110不會受損。而若輸入電流Iin再次低於最大安全電流Imax，充電裝置100將會再次進入降壓模式，並重複上述步驟。此時，變壓器110提供的輸入電流Iin將可提供負載50足夠的能量。
接下來將進一步比較斜坡電路140調整斜坡訊號RAMP且回授及補償電路130不調整誤差放大訊號EAO，以及斜坡電路140不調整斜坡訊號RAMP且回授及補償電路130不調整誤差放大訊號EAO之間的差異。請同時參考圖6，充電裝置100操作在渦輪升壓模式。為了方便說明，不調整的斜坡訊號RAMP與不調整的誤差放大訊號EAO的波形稱之為未調整波形SHP0，且其相對應的電感電流標示為IL0，相對應的輸入電流標示為Iin0，且相對應的輸出電壓標示為Vout0(如圖6中的虛線部分)。而調整的斜坡訊號RAMP與不調整的誤差放大訊號EAO的波形稱之為調整波形SHP1，且其相對應的電感電流為標示為IL1， 相對應的輸入電流標示為Iin1，且相對應的輸出電壓標示為Vout1(如圖6中的實線部分)。
因此，於時間點T4後，調整波形SHP1中的斜坡訊號RAMP增加(如圖6中的標示部分A1)且未調整波形SHP0中的斜坡訊號RAMP不增加(如圖6中的標示部分A0)，使得電感電流IL1相較於電感電流IL0下降的更多。電感電流IL1下降的幅度越大代表儲能元件BAT提供給負載50的充電電流Is越多，使得輸入電流Iin1可以下降越多。
藉此，斜坡電路140可以根據關聯於輸入電流Iin1的輸入電流參考訊號CIC大於最大安全電流Imax的程度來決定增加多少斜坡訊號RAMP，使得電感電流IL1往負值移動更多。此時，儲能元件BAT將透過功率級電路160產生更大的充電電流Is至負載50，且變壓器110提供的輸入電流Iin更快速地降低，進而可避免輸入電流IL1過高而毀損。同時，輸出電壓Vout1相較於輸出電壓Vout0也可以更快速地趨於穩定。
由上述可知，本發明實施例所提供的充電裝置100可操作在降壓模式與升壓模式，以達到習知控制充電裝置的降壓電路與升壓電路的功能。此外，本發明實施例所提供的充電裝置100的反應時間較快速且穩定。其理由在於，習知充電裝置的處理器還需要花費時間整理目前的工作情況，並對應地輸出控制訊號以控制降壓電路與升壓電路的切換。因此，習知儲能裝置無法及時地回應負載的輸出電流需求，使得電子裝置的電壓下降。
由上述的實施例，本發明可以歸納出一種控制方法，適用於上述實施例所述之具有快速暫態響應的充電裝置100。請參考圖7與1。首先，充電裝置100中的變壓器110接收市電，並開始提供輸入電流(步驟S710)。接著，充電裝置100偵測輸入電流Iin以產生代表輸入電流Iin的輸入電流參考訊號CIC(步驟S720)。接下來，充電裝置100將偵測一儲能元件BAT的一充電 電流CC與一充電電壓CV與一輸入電流參考訊號CIC，且根據充電電流CC、充電電壓CV與輸入電流參考訊號CIC產生一誤差放大訊號EAO(步驟S730)。
再來，充電裝置100接著判斷輸入電流參考訊號CIC是否大於等於變壓器110的一最大安全電流Imax，以藉此決定是否調整斜坡訊號RAMP或誤差放大訊號EAO(步驟S740)。
當輸入電流參考訊號CIC大於等於最大安全電流Imax時，代表變壓器110提供的輸入電流Iin已超過其所能提供的最大安全電流Imax。此時，充電裝置100操作於渦輪升壓模式。充電裝置100將升高斜坡訊號RAMP或者降低誤差放大訊號EAO，且根據升高後的斜坡訊號RAMP與誤差放大訊號EAO，或者根據斜坡訊號RAMP與降低後的誤差放大訊號EAO停止輸入電流Iin對儲能元件BAT充電並增加儲能元件BAT對負載50充電(意即反轉電流Is達到快速增加儲能元件BAT對負載50充電)(步驟S750)。
反之，當輸入電流參考訊號CIC小於最大安全電流Imax時，代表變壓器110提供的輸入電流Iin沒有超過其所能提供的最大安全電流Imax。此時，充電裝置100操作於降壓模式。充電裝置100不調整斜坡訊號RAMP與誤差放大訊號EAO，且根據斜坡訊號RAMP與誤差放大訊號EAO傳送輸入電流Iin至負載50與儲能元件BAT(步驟S760)。
綜上所述，本發明實施例所提供的具有快速暫態響應的充電裝置及其控制方法，其藉由判斷代表輸入電流的輸入電流參考訊號是否大於等於變壓器的最大安全電流來決定如何快速地回應負載的需求，使得本實施例的充電裝置及其控制方法不需要控制升壓電路與降壓電路的切換就可以實現快速暫態響應。同時，充電裝置及其控制方法可避免因輸入電流過高而毀損，且可更快穩定負載的輸出電壓。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims (10)

  1. 一種具有快速暫態響應的充電裝置，且該充電裝置包括：一變壓器，提供一輸入電流；一電流偵測器，耦接該變壓器，且偵測該輸入電流以產生代表該輸入電流的一輸入電流參考訊號；一功率級電路，其一端耦接該變壓器與一負載，且另一端耦接一儲能元件；一回授及補償電路，耦接於該電流偵測器與該功率級電路之間，透過該功率級電路偵測該儲能元件的一充電電流與一充電電壓，且根據該充電電流、該充電電壓與該輸入電流參考訊號產生一誤差放大訊號；一斜坡電路，耦接該電流偵測器且產生一斜坡訊號；一控制電路，耦接於該斜坡電路、該回授及補償電路與該功率級電路之間，且根據該斜坡訊號與該誤差放大訊號控制該功率級電路；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該變壓器的一最大安全電流時，該斜坡電路升高該斜坡訊號或者該回授及補償電路降低該誤差放大訊號，該控制電路據此控制該功率級電路停止該輸入電流對該儲能元件充電並增加該儲能元件透過該功率級電路對該負載充電，且當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流時，該斜坡電路不調整該斜坡訊號，該回授及補償電路不調整該誤差放大訊號，且該控制電路據此控制該功率級電路傳送該輸入電流至該負載與該儲能元件。
  2. 如請求項第1項所述之具有快速暫態響應的充電裝置，其中該斜坡電路包括：一斜坡產生器，產生該斜坡訊號；以及一斜坡調整器，耦接於該斜坡產生器與該電流偵測器之間，具有該最大安全電流，且判斷該輸入電流參考訊號是否大於等於該最大安全電流；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，該斜坡調整器增加該斜坡訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，該斜坡調整器不增加該斜坡訊號。
  3. 如請求項第2項所述之具有快速暫態響應的充電裝置，其中該斜坡調整器包括：一可變電流源；一比較器，具有一正端與一負端，該正端接收該輸入電流參考訊號且該負端接收一電流產生器產生的該最大安全電流，且該比較器根據該輸入電流參考訊號與該最大安全電流控制該可變電流源產生一電流訊號；以及一加法器，耦接於該可變電流源與該斜坡產生器，加總該斜坡訊號與該電流訊號；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，該比較器控制該可變電流源產生代表正值的該電流訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，該比較器控制該可變電流源產生代表0的該電流訊號。
  4. 如請求項第2項所述之具有快速暫態響應的充電裝置，其中該斜坡調整器包括：一可變電壓源；一比較器，具有一正端與一負端，該正端接收該輸入電流參考訊號且該負端接收一電流產生器產生的該最大安全電流，且該比較器根據該輸入電流參考訊號與該最大安全電流控制該可變電壓源產生一電壓訊號；以及一加法器，耦接於該可變電壓源與該斜坡產生器，加總該斜坡訊號與該電壓訊號；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，該比較器控制該可變電壓源產生代表正值的該電壓訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，該比較器控制該可變電壓源產生代表0的該電壓訊號。
  5. 如請求項第1項所述之具有快速暫態響應的充電裝置，其中該回授及補償電路包括：一誤差放大器，產生該誤差放大訊號；以及一誤差放大調整器，耦接於該誤差放大器與該電流偵測器之間，具有該最大安全電流，且判斷該輸入電流參考訊號是否大於等於該最大安全電流；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，該誤差放大調整器減少該誤差放大訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，該誤差放大調整器不減少該誤差放大訊號。
  6. 如請求項第5項所述之具有快速暫態響應的充電裝置，其中該誤差放大調整器包括：一可變電流源；一比較器，具有一正端與一負端，該正端接收該輸入電流參考訊號號且該負端接收一電流產生器產生的該最大安全電流，且該比較器根據該輸入電流參考訊號與該最大安全電流控制該可變電流源產生一電流訊號；以及一加法器，耦接於該可變電流源與該誤差放大器，加總該誤差放大訊號與該電流訊號；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，該比較器控制該可變電流源產生代表負值的該電流訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，該比較器控制該可變電流源產生代表0的該電流訊號。
  7. 如請求項第5項所述之具有快速暫態響應的充電裝置，其中該誤差放大調整器包括：一可變電壓源；一比較器，具有一正端與一負端，該正端接收該輸入電流參考訊號且該負端接收一電流產生器產生的該最大安全電流，且該比較器根據該輸入電流參考訊號與該最大安全電流控制該可變電壓源產生一電壓訊號；以及一加法器，耦接於該可變電壓源與該誤差放大器，加總該斜坡訊號與該電壓訊號；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，該比較器控制該可變電壓源產生代表負值的該電壓訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，該比較器控制該可變電壓源產生代表0的該電壓訊號。
  8. 一種充電裝置的控制方法，該充電裝置耦接一負載，且該控制方法包括：透過一變壓器提供一輸入電流；偵測該輸入電流以產生代表該輸入電流的該輸入電流參考訊號；偵測一儲能元件的一充電電流與一充電電壓，根據該充電電流、該充電電壓與該輸入電流參考訊號產生一誤差放大訊號；以及判斷該輸入電流參考訊號是否大於等於該變壓器的一最大安全電流；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流時，升高一斜坡訊號或者降低該誤差放大訊號，且根據升高後的該斜坡訊號與該誤差放大訊號，或者根據該斜坡訊號與降低後的該誤差放大訊號停止該輸入電流對該儲能元件充電並增加該儲能元件對該負載充電；其中，當該輸入輸入電流參考訊號小於該最大安全電流時，不調整該斜坡訊號與該誤差放大訊號，且根據該斜坡訊號與該誤差放大訊號傳送該輸入電流至該負載與該儲能元件。
  9. 如請求項第8項所述之充電裝置的控制方法，其中於升高該斜坡訊號的步驟中，更包括：產生該斜坡訊號；以及判斷該輸入電流參考訊號是否大於等於該最大安全電流；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，增加該斜坡訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，不增加該斜坡訊號。
  10. 如請求項第8項所述之充電裝置的控制方法，其中於降低該誤差放大訊號的步驟中，更包括：產生該誤差放大訊號；以及判斷該輸入電流參考訊號是否大於等於該最大安全電流；其中，當該輸入電流參考訊號大於等於該最大安全電流，減少該誤差放大訊號；其中，當該輸入電流參考訊號小於該最大安全電流，不減少該誤差放大訊號。
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