TWI664811B - 功率調整器及功率調整方法 - Google Patents

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Abstract

一種功率調整器，其適用於調整中央處理器的工作頻率，功率調整器包括功率電阻、電壓放大器以及類比數位轉換器。功率電阻耦接負載以產生第一電壓。電壓放大器耦接功率電阻以輸出第二電壓。類比數位轉換器耦接於電壓放大器且轉換第二電壓為控制訊號。類比數位轉換器傳送控制訊號至中央處理器，控制訊號可切換於第一位準以及第二位準之間。

Description

功率調整器及功率調整方法
本發明有關於一種功率調整器，尤指一種適用於中央處理器的功率調整器。
基於電子產品安全規範之要求，主機系統所消耗的總功率，不能大於主機系統所附的變壓器的額定功率。由於消費者對擴增外部裝置的需求越來越高，使得許多主機系統所設計的USB連接埠的數目也必須不斷地增加，相對地使得主機系統的變壓器必須設計為具備較高的額定功率，才可符合電子產品安全規範。舉例來說，原本額定功率為65W的電子產品，因為USB 連接埠的數目增加，將使得系統之總功率變為67W。如此一來產品搭配的65W的變壓器，必需改為95W的變壓器。當主機系統必須搭配高額定功率的變壓器時，勢必會增加製造成本而導致競爭力下降。除此之外，通常具有高額定功率的變壓器的體積也相對較大，並不適用於微型電腦、平板電腦以及薄型筆記型電腦之應用。
有鑑於此，目前的確有需要一種改良的功率調整器，至少可解決上述缺點。
依據本發明的一實施例所提供的功率調整器及功率調整方法，可調整主機系統的中央處理器的工作頻率，以使得主機系統不需搭配高額定功率的變壓器，不但符合安全規範且適用於微型電腦、平板電腦以及薄型筆記型電腦之應用。
依據本發明的一實施例所提供的功率調整器，其適用於調整中央處理器的工作頻率，而功率調整器包括功率電阻、電壓放大器、以及類比數位轉換器。功率電阻用於耦接負載且產生第一電壓。電壓放大器耦接功率電阻且輸出第二電壓。類比數位轉換器耦接於電壓放大器且轉換第二電壓為控制訊號。類比數位轉換器傳送控制訊號至中央處理器，控制訊號切換於第一位準以及第二位準之間。
依據本發明的一實施例所提供的功率調整方法，其適用於調整中央處理器的工作頻率且透過功率調整器來執行，功率調整器包含有功率電阻、電壓放大器以及類比數位轉換器，功率調整方法包含：提供電壓源；功率電阻耦接負載以產生第一電壓；電壓放大器接收第一電壓以輸出第二電壓；類比數位轉換器選擇地轉換第二電壓為一第一位準或一第二位準；以及依據第一位準或第二位準調整或維持中央處理器的工作頻率。
本發明一實施例的功率調整器及功率調整方法，當功率調整器接收電壓源而被啟動後，功率電阻可選擇與主機系統內的任一節點相耦接，且可經由功率調整器輸出的控制指令的電壓位準來進行消耗功率的監測。功率電阻例如可與USB連接埠耦接，或者與外部變壓器進入主機板的源頭端耦接，所以在使用上十分方便靈活。由於功率調整器透過功率電阻與負載耦接，所以當功率調整器發生誤動作時，使用者可推斷是因為功率電阻的損壞所導致，且更換功率電阻十分容易，可大幅減少除錯的時間。不論功率調整器所偵測到的負載的總消耗功率有多大，功率調整器都可透過控制指令以控制中央處理器的工作頻率，以使得主機系統的總消耗功率不會超過變壓器的額定功率。如此一來，主機系統不需要搭配高額定功率的變壓器而可降低製造成本，十分適用於微型電腦、平板電腦以及薄型筆記型電腦之應用。再者，類比數位轉換器還具有磁滯電壓設計，以避免振盪狀態的發生。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1為依據本發明第一實施例所繪示的功率調整器的功能方塊圖，而圖2為圖1的功率調整器的電路架構圖。如圖1與圖2所示，功率調整器100可適用於附有外部變壓器的主機系統，例如微型電腦、平板電腦或薄型筆記型電腦。功率調整器100可設於主機系統的主機板上且與主機板上的中央處理器200電性連接，以便調整中央處理器200的工作頻率。
在本實施例中，預先設定主機板上的BIOS晶片提供5伏特的電壓源VCC予功率調整器100，以啟動功率調整器100。功率調整器100可包括有功率電阻RP、電容C、電壓放大器10、類比數位轉換器20以及緩衝電路30。功率電阻RP的一端耦接電壓源VCC而另一端與負載300串聯，而電容C與功率電阻RP並聯。電壓放大器10的輸入端耦接功率電阻RP與電容C，而電壓放大器10的輸出端耦接類比數位轉換器20的輸入端。類比數位轉換器20的輸出端耦接緩衝電路30的輸入端，緩衝電路30的輸出端耦接中央處理器200。
在本實施例中，負載300可為主機系統的USB連接埠，當耦接於主機系統的USB連接埠的外部裝置的數量越多時，負載300所產生的總消耗功率也越大。當負載300的總消耗功率越大時，流過功率電阻RP的電流以及產生於功率電阻RP的第一電壓V1也越大。在其他實施例中，負載300亦可為外部變壓器進入主機板的源頭端。為了安全起見，使用者可挑選具有適當電阻值以及瓦特數的功率電阻RP以決定通過功率電阻RP的電流大小，例如功率電阻RP的瓦特數可選擇至少為1瓦特以及電阻值可至少為1m歐姆。
當外部裝置（例如偵測的電源）的品質不良將導致負載300產生雜訊，此時，並聯於功率電阻RP的電容C可具有濾除雜訊的功能。當外部裝置的品質良好時，功率調整器100亦可省略電容C。另一方面，電容C於印刷電路板上的位置越靠近電壓放大器10時，濾除雜訊的效果更佳。
由於產生於功率電阻RP的第一電壓V1通常很小，所以必須透過電壓放大器10放大第一電壓V1，以便符合類比數位轉換器40能進行解析的範圍。電壓放大器10包含有第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4以及第一運算放大器11。第一電阻R1的第一端T11以及第二電阻R2的第一端T21分別耦接於電容C的正極與負極，而第三電阻R3的第一端T31分別與第一電阻R1的第二端T12以及第一運算放大器11的非反相輸入端111相耦接。第三電阻R3的第二端T32接地。第四電阻R4的第一端T41分別與第二電阻R2的第二端T22以及第一運算放大器11的反相輸入端112相耦接，而第四電阻R4的第二端T42耦接於第一運算放大器11的輸出端113。第一運算放大器11的非反相輸入端111以及反相輸入端112接收第一電壓V1，而第一運算放大器11進行電壓放大處理後從輸出端113輸出第二電壓V2。第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3與第四電阻R4的電阻值決定電壓放大器30的電壓增益(R2/R1)，其中當電壓增益大於200時為較佳設定。在本實施例中，第一電阻R1與第二電阻R2具有相同的電阻值，可例如4.99K歐姆。第三電阻R3與第四電阻R4具有相同的電阻值，可例如為1M歐姆。
在一實施例中，類比數位轉換器20可包含有磁滯電路以及第二運算放大器21，其中磁滯電路包含有第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7。第五電阻R5的第一端T51耦接電壓源VCC，第五電阻R5的第二端T52分別耦接第六電阻R6的第一端T61、第七電阻R7的第一端T71以及第二運算放大器21的非反相輸入端211。第六電阻R6的第二端T62接地。第一運算放大器11的輸出端113耦接於第二運算放大器21的反相輸入端212。第七電阻R7的第二端T72耦接於第二運算放大器21的輸出端213。類比數位轉換器20將電壓放大器10輸出的類比格式的第二電壓V2轉換為數位格式的一控制訊號，且經由第二運算放大器21的輸出端213輸出該控制訊號，而該控制訊號依據第二電壓V2的大小可切換於第一位準以及第二位準之間，其中第一位準小於第二位準。
類比數位轉換器20的磁滯電路預設有磁滯上限臨界電壓VH以及磁滯下限臨界電壓VL，磁滯上限臨界電壓VH與磁滯下限臨界電壓VL的計算式如下：
R7/R5=VL/(VH-VL) (式1)
R6/R5=VL/(VCC-VH) (式2)
由於磁滯上限臨界電壓VH、磁滯下限臨界電壓VL、電壓源VCC以及第五電阻R5為預設值，所以依據式1與式2可推導出第六電阻R6與第七電阻R7的電阻值。當電壓放大器10輸出的第二電壓V2小於磁滯下限臨界電壓VL，類比數位轉換器20輸出一第一控制訊號。當電壓放大器10輸出的第二電壓V2大於磁滯上限臨界電壓VH時，類比數位轉換器20輸出一第二控制訊號，而第一控制訊號的位準小於第二控制訊號的位準。例如，第一控制訊號的電壓值為零，而第二控制訊號的電壓值為VCC。
緩衝電路30的輸入端31耦接於第二運算放大器21的輸出端213，而緩衝電路30的輸出端32耦接中央處理器200的引腳GPO_N。緩衝電路30可用於隔離中央處理器200與類比數位轉換器20以及避免輸出至中央處理器200的電壓位準過高。此外，緩衝電路30還可以避免中央處理器200的其他電壓源回授至磁滯電路，影響到磁滯上限臨界電壓VH與磁滯下限臨界電壓VL的計算。
當類比數位轉換器40輸出第一控制訊號時，緩衝電路30可將第一控制訊號輸出至中央處理器200的GPO_N引腳，第一控制訊號表示負載300的總消耗功率已達到或超過預設的額定功率值，此時功率調整器100命令中央處理器200的工作頻率從第一工作頻率（例如2.7GHZ）降低至第二工作頻率（例如1.3GHZ），透過降低中央處理器200的工作頻率來達到降低中央處理器200的總消耗功率的目的。然而，當GPO_N引腳回到高位準時，則停止降功率之動作。反之，當類比數位轉換器20輸出第二控制訊號時，緩衝電路30將第二控制訊號輸出至中央處理器200的引腳GPO_N，第二控制訊號表示負載300的總消耗功率未到達預設的額定功率值，此時功率調整器100命令中央處理器200的工作頻率維持於第一工作頻率。在其他實施例中，中央處理器200的工作頻率下降量可與負載300的總消耗功率與額定功率值的功率差值成正比例。
圖3為依據本發明第二實施例所繪示的功率調整器的電路架構圖。圖3的實施例與圖1的實施例的差異在於，功率調整器100省略了緩衝電路30的設計，因此類比數位轉換器20的第二運算放大器21的輸出端213直接耦接於中央處理器200的GPO_N引腳，藉此降低功率調整器100所佔用主機板的面積，而達到節省成本的效果。
圖4為依據本發明第三實施例所繪示的功率調整器的電路架構圖。圖4的實施例與圖1的實施例的差異在於功率調整器100的正電壓源並非透過BIOS晶片所提供，功率調整器100還包括一啟動電路40，啟動電路40可用於接收來自主機系統外部的致能訊號En。當啟動電路40接收致能訊號En後，可提供電壓源VCC至功率電阻RP、電壓放大器10以及類比數位轉換器20。如此一來，使用者可根據需求從主機系統外部提供不同電壓值的電壓源給功率調整器，使用上較為靈活方便。
圖5為依據本發明第一實施例所繪示的功率調整方法的流程圖，該功率調整方法適用於調整中央處理器200的工作頻率且透過功率調整器100來執行。在步驟S501中，提供一電壓源以啟動功率調整器100。在步驟S502中，透過功率電阻RP耦接負載300以於功率電阻RP的兩端點之間形成第一電壓V1。在步驟S503中，透過電壓放大器10接收第一電壓V1以輸出第二電壓V2。在步驟S504中，透過類比數位轉換器20判斷第二電壓V2是否小於磁滯下限臨界電壓VL，若第二電壓V2小於磁滯下限臨界電壓VL，則執行步驟S505；若第二電壓V2未小於磁滯下限臨界電壓 VL，則執行步驟S506。在步驟S505中，透過類比數位轉換器20將類比格式的第二電壓V2轉換為數位格式的第一控制訊號且輸出第一控制訊號至緩衝電路30，接著執行步驟S507。在步驟S506中，透過類比數位轉換器20判斷第二電壓V2是否大於磁滯上限臨界電壓VH，若第二電壓V2大於磁滯上限臨界電壓VH，則執行步驟S508。若第二電壓V2未大於磁滯上限臨界電壓VH，意即第二電壓V2介於磁滯上限臨界電壓VH與磁滯下限臨界電壓VL之間，則執行步驟S509。在步驟S507中，透過緩衝電路30傳送第一控制訊號至中央處理器200以降低中央處理器200的工作頻率。在步驟S508中，透過類比數位轉換器20將類比格式的第二電壓V2轉換為數位格式的第二控制訊號且輸出第二控制訊號至緩衝電路30，接續步驟S510。在步驟S509中，維持類比數位轉換器20前一次輸出的控制訊號的狀態，若前一次輸出的控制訊號的狀態為高位準則維持於高位準，若前一次輸出的控制訊號的狀態為低位準則維持於低位準。在步驟S510中，透過緩衝電路30傳送第二控制訊號至中央處理器200以維持中央處理器200的工作頻率。在其他實施例中，步驟S504與步驟S506的順序可以交換。
本發明一實施例的功率調整器及功率調整方法，當功率調整器接收電壓源而被啟動後，功率電阻可選擇與主機系統內的任一節點相耦接，且可經由功率調整器輸出的控制訊號的電壓位準來進行消耗功率的監測。功率電阻例如可與USB連接埠耦接，或者與外部變壓器進入主機板的源頭端耦接，所以在使用上十分方便靈活。由於功率調整器透過功率電阻與負載耦接，所以當功率調整器發生誤動作時，使用者可推斷是因為功率電阻的損壞所導致，且更換功率電阻十分容易，可大幅減少除錯的時間。不論功率調整器所偵測到的負載的總消耗功率有多大，功率調整器都可透過控制訊號以控制中央處理器的工作頻率，以使得主機系統的總消耗功率不會超過變壓器的額定功率。如此一來，主機系統不需要搭配高額定功率的變壓器而可降低製造成本，十分適用於微型電腦、平板電腦以及薄型筆記型電腦之應用。再者，類比數位轉換器還具有磁滯電壓設計，以避免振盪狀態的發生。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100‧‧‧功率調整器
10‧‧‧電壓放大器
11‧‧‧第一運算放大器
111‧‧‧非反相輸入端
112‧‧‧反向輸入端
113‧‧‧輸出端
R1‧‧‧第一電阻
T11‧‧‧第一端
T12‧‧‧第二端
R2‧‧‧第二電阻
T21‧‧‧第一端
T22‧‧‧第二端
R3‧‧‧第三電阻
T31‧‧‧第一端
T32‧‧‧第二端
R4‧‧‧第四電阻
T41‧‧‧第一端
T42‧‧‧第二端
20‧‧‧類比數位轉換器
21‧‧‧第二運算放大器
211‧‧‧非反相輸入端
212‧‧‧反向輸入端
213‧‧‧輸出端
R5‧‧‧第五電阻
T51‧‧‧第一端
T52‧‧‧第二端
R6‧‧‧第六電阻
T61‧‧‧第一端
T62‧‧‧第二端
R7‧‧‧第七電阻
T71‧‧‧第一端
T72‧‧‧第二端
30‧‧‧緩衝電路
31‧‧‧輸入端
32‧‧‧輸出端
VCC‧‧‧電壓源
En‧‧‧致能訊號
RP‧‧‧功率電阻
C‧‧‧電容
V1‧‧‧第一電壓
V2‧‧‧第二電壓
200‧‧‧中央處理器
GPO_N‧‧‧引腳
300‧‧‧負載
圖1為依據本發明第一實施例所繪示的功率調整器的功能方塊圖。 圖2為圖1的功率調整器的電路架構圖。 圖3為依據本發明第二實施例的功率調整器的電路架構圖。 圖4為依據本發明第三實施例的功率調整器的電路架構圖。 圖5為依據本發明一實施例所繪示的功率調整方法的流程圖。

Claims (10)

  1. 一種功率調整器，其適用於調整一中央處理器的工作頻率，該功率調整器包括：一功率電阻，耦接一負載以產生一第一電壓；一電壓放大器，耦接該功率電阻以輸出一第二電壓，其中該功率電阻的兩端分別耦接於該電壓放大器的一非反相輸入端以及一反相輸入端；以及一類比數位轉換器，耦接於該電壓放大器，該類比數位轉換器轉換該第二電壓為一控制訊號且傳送該控制訊號至該中央處理器，該控制訊號依據該第二電壓的大小切換於一第一位準以及一第二位準之間。
  2. 如請求項1所述之功率調整器，更包含一電容，該電容與該功率電阻並聯，該電容的兩端分別耦接該非反相輸入端以及該反相輸入端。
  3. 如請求項1所述之功率調整器，其中當該控制訊號處於該第一位準時，該中央處理器依據該控制訊號降低其工作頻率，當該控制訊號處於該第二位準時，該中央處理器依據該控制訊號維持其工作頻率。
  4. 如請求項3所述之功率調整器，其中該第一位準小於該第二位準。
  5. 如請求項1所述之功率調整器，更包括一緩衝電路，該緩衝電路耦接於該類比數位轉換器以及該中央處理器之間。
  6. 如請求項1所述之功率調整器，更包括一啟動電路，該啟動接收一致能訊號且提供一電壓源至該功率電阻、該電壓放大器以及該類比數位轉換器。
  7. 如請求項1所述之功率調整器，其中該類比數位轉換器具有一磁滯電路，而該磁滯電路預設有一磁滯上限臨界電壓以及一磁滯下限臨界電壓，當該第二電壓大於該磁滯上限臨界電壓時，該控制訊號具有該第二位準，當該第二電壓小於該磁滯下限臨界電壓，該控制訊號具有該第一位準，而該第一位準小於該第二位準。
  8. 一種功率調整方法，其適用於調整一中央處理器的工作頻率且透過一功率調整器來執行，該功率調整器包含有一功率電阻、一電壓放大器以及一類比數位轉換器，該功率調整方法包含：提供一電壓源；該功率電阻耦接一負載以產生一第一電壓；該電壓放大器接收該第一電壓以輸出一第二電壓，其中該功率電阻的兩端分別耦接於該電壓放大器的一非反相輸入端以及一反相輸入端；該類比數位轉換器選擇地轉換該第二電壓為一第一位準或一第二位準；以及依據該第一位準或該第二位準調整或維持該中央處理器的工作頻率。
  9. 如請求項8所述之功率調整方法，其中該類比數位轉換器判斷該第二電壓是否小於一磁滯下限臨界電壓，若該第二電壓小於該磁滯下限臨界電壓，該類比數位轉換器輸出一第一控制訊號至該中央處理器以降低該中央處理器的工作頻率，該第一控制訊號具有該第一位準。
  10. 如請求項8所述之功率調整方法，其中該類比數位轉換器判斷該第二電壓是否大於一磁滯上限臨界電壓，若該第二電壓大於該磁滯上限臨界電壓，該類比數位轉換器輸出一第二控制訊號至該中央處理器以維持該中央處理器的工作頻率，該第二控制訊號具有該第二位準。
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