CN101123398A - 电源供应装置及其操作模式决定单元与决定方法 - Google Patents
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Abstract
一种电源供应装置及其操作模式决定单元与决定方法。所述电源供应装置包括第一与第二控制单元、切换单元、功率输出单元以及操作模式决定单元。第一与第二控制单元分别提供第一与第二控制讯号。切换单元耦接第一与第二控制单元。切换单元依据切换讯号而选择输出第一或第二控制讯号。功率单元依据切换单元所输出的控制讯号而调整其输出功率。操作模式决定单元将功率输出单元内部的操作频率与参考频率进行比较,并且检测功率输出单元内部的电感电流。操作模式决定单元依据所述比较结果以及检测结果,而决定切换讯号的状态并输出给切换单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源供应装置,特别是涉及一种电源供应装置的操作模式决定单元与其操作模式决定方法。
背景技术
在现今的电子产品中,电源管理电路向来扮演着重要角色。例如,直流式降压型转换器(Buck converter)便是一个常用到且重要的电源管理技术。在各种直流转换器的设计中,如何依据负载电流的大小而顺利地切换至脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)模式与脉频调制(pulse-frequencymodulation,PFM)模式是一个重要的课题。图1是说明脉宽调制与脉频调制二种方式的转换效率与负载电流的关系。请参照图1,若是针对轻负载的电力供应(即较少输出电流),则电源供应装置应该被设计成用脉频调制方式进行稳压;反之,针对重负载的电力供应(即需要较多输出电流),则应该设计电源供应装置以脉宽调制方式进行稳压。
为了使同一电源供应装置可以操作在轻负载与重负载的应用环境中,因此电源供应装置必须同时具有脉宽调制与脉频调制二种方式,并自动依据负载状态选择其一。例如,Intersil公司所提出的美国专利公告号为US6433525的专利,其便是利用检测零电感电流的电路来检测电感电流的极性是否转变,并利用计数器来延迟操作模式的切换时序。
图2A是说明美国专利公告号为US6433525的专利的方块图。图2B是说明图2A中讯号波形示意图。由图2A及图2B可知,此现有技术的作法是利用模式控制50内部用以检测零电感电流的电路来检测电感电流IIND的方向是否转变。当电感电流IIND转向时,模式控制50内部的比较器就输出一控制讯号至模式控制50内部的计数器。当此比较器输出的讯号为正且该计数器计数至所设定的次数后,模式控制50便输出一逻辑讯号进行脉宽调制模式至脉频调制模式的切换。反之,当此比较器输出的讯号为负且该计数器计数至所设定的次数后,则改变其输出的逻辑讯号将脉频调制模式切换至脉宽调制模式。
在上述技术中,需使用计数器来计数负载状态开始改变的时间,亦即利用计数器来提供迟滞切换的机制。然而,由于现有技术在决定是否切换操作模式时,需要磁滞计数器的判断时间,因此会影响电源供应装置整体上的反应速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电源供应装置,其可以依负载状态而快速切换操作模式。
本发明的再一目的是提供一种操作模式决定单元,其可以省去磁滞计数器的设计,进而加快操作模式的切换速度。
本发明的又一目的是提供一种电源供应装置操作模式的决定方法,利用在PFM模式中操作频率会随着负载电流改变而改变的特性,达到快速切换操作模式的目的。
基于上述及其它目的,本发明提出一种电源供应装置,包括第一控制单元、第二控制单元、切换单元、功率输出单元以及操作模式决定单元。第一控制单元与第二控制单元分别提供第一控制讯号与第二控制讯号。切换单元耦接至第一控制单元与第二控制单元。切换单元依据切换讯号而选择输出第一控制讯号或该第二控制讯号。功率输出单元耦接至切换单元。功率单元依据切换单元所输出的控制讯号而调整其输出功率。操作模式决定单元包括频率比较器、零电流检测器以及模式控制器。频率比较器耦接至功率输出单元,用以将功率输出单元内部的操作频率与参考频率进行比较。零电流检测器耦接至功率输出单元,用以检测功率输出单元内部的电感电流。模式控制器耦接至频率比较器、零电流检测器与切换单元,用以依据频率比较器的比较结果以及零电流检测器的检测结果,而决定切换讯号的状态并输出给切换单元。
依照本发明的较佳实施例所述电源供应装置,上述的第一控制单元可以是脉频调制控制单元,而第二控制单元可以是脉宽调制控制单元。
依照本发明的较佳实施例的所述电源供应装置,上述的功率输出单元可以是降压型转换器(Buck converter)。例如,该功率输出单元可能包括第一开关、第二开关、第一驱动器、第二驱动器、控制逻辑、电感以及电容。第一开关的第一端耦接至电压源。第二开关的第一端耦接至第一开关的第二端,而第二开关的第二端接地。第一驱动器耦接至第一开关的控制端,而第二驱动器耦接至第二开关的控制端,控制逻辑耦接至切换单元、第一驱动器与第二驱动器。控制逻辑依据切换单元所输出的控制讯号,而分别通过第一驱动器与第二驱动器去控制第一开关与第二开关的启闭状态。电感的第一端耦接至第一开关的第二端,而电感的第二端提供输出功率。电容的第一端耦接至电感的第二端,而电容的第二端接地。所述第一开关可以是P型功率晶体管,而第二开关可以是N型功率晶体管。
依照本发明的较佳实施例,当电源供应装置操作于第一操作模式时,该切换单元选择第一控制讯号并输出该第一控制讯号;当电源供应装置操作于第二操作模式时,切换单元选择第二控制讯号并输出该第二控制讯号。当模式控制器的输出表示为第一操作模式时,模式控制器依据频率比较器的比较结果而决定是否改变模式控制器的输出状态。当模式控制器的输出表示为第二操作模式时,模式控制器依据零电流检测器的检测结果而决定是否改变模式控制器的输出状态。所述第一操作模式可以是脉频调制模式,而第二操作模式可以是脉宽调制模式。
从另一观点来看,本发明提出了一种操作模式决定单元,用以切换电源供应装置的操作模式。此操作模式决定单元包括频率比较器、零电流检测器以及模式控制器。频率比较器将参考频率与电源供应装置内部的操作频率进行比较。零电流检测器检测电源供应装置内部的电感电流。模式控制器耦接至频率比较器与零电流检测器。零电流检测器依据频率比较器的比较结果以及零电流检测器的检测结果,而决定切换讯号的状态并输出给电源供应装置。其中,电源供应装置依据切换讯号而决定其操作模式。
从另一观点来看,本发明提出一种电源供应装置操作模式的决定方法,包括下述步骤。首先,比较参考频率与电源供应装置内部的操作频率;以及检测电源供应装置内部的电感电流。当该电源供应装置操作于第一操作模式时,依据所述比较结果而决定是否改变电源供应装置的操作模式;以及当电源供应装置操作于第二操作模式时,依据所述检测结果而决定是否改变电源供应装置的操作模式。
依照本发明的较佳实施例,上述的第一操作模式可以是脉频调制模式,而第二操作模式可以是脉宽调制模式。
依照本发明的较佳实施例,上述电源供应装置操作模式的决定方法还包括:当所述比较结果显示操作频率大于参考频率时,使该电源供应装置的操作模式改变为第二操作模式;以及当所述比较结果显示操作频率小于参考频率时,使电源供应装置的操作模式维持在第一操作模式。
依照本发明的较佳实施例,上述电源供应装置操作模式的决定方法还包括:当所述检测结果显示电感电流大于零时,使电源供应装置的操作模式维持在第二操作模式;以及所述检测结果显示电感电流小于或等于零时,使电源供应装置的操作模式改变为第一操作模式。
依照本发明的较佳实施例,上述检测该电感电流的步骤包括:比较接地电压与电源供应装置内部电感电压,并将此二电压的比较结果作为所述检测结果。
本发明的较佳实施例因利用降压型转换器操作在脉频调制模式的频率比操作在脉宽调制模式频率低的特性,而采用频率的比较来完成切换脉频调制模式与脉宽调制模式的功能。此方法可产生原生性的磁滞效应,因此不需要另外设计一个计数器(counter)等待某一特定的时间后再进行操作模式的切换。使用此方法将能使脉宽调制模式与脉频调制模式的切换不再受限于磁滞效应的时间,能够更快速地反应输出电流的状况并切换至适当的操作模式。
为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1是说明脉宽调制与脉频调制二种方式的转换效率与负载电流的关系。
图2A是说明美国专利公告号为US6433525专利的方块图。
图2B是说明图2A中讯号波形示意图。
图3是依照本发明实施例说明一种电源供应装置的电路方块图。
图4是依照本发明实施例说明图3中零电流检测器的其中一种实施范例。
图5是依照本发明实施例说明图3中模式控制器的状态图。
附图符号说明
50:模式控制
300:电源供应装置
310:第一控制单元
320:第二控制单元
330:切换单元
340:功率输出单元
341:控制逻辑
342:第一驱动器
343:第二驱动器
350:操作模式决定单元
351:频率比较器
352:零电流检测器
353:模式控制器
354:时钟产生器
355:振荡器
356:分频器
390:负载
410:比较器
420:缓冲器
A:比较结果
B:检测结果
C:切换讯号
CL:电容
L:电感
MP:第一开关
MN:第二开关
具体实施方式
图3是依照本发明实施例说明一种电源供应装置的电路方块图。此电源供应装置300包括第一控制单元310、第二控制单元320、切换单元330、功率输出单元340以及操作模式决定单元350。第一控制单元310用以提供第一控制讯号,而第二控制单元320则用来提供第二控制讯号。于本实施例中,第一控制单元310可以是脉频调制(以下简称PFM)控制单元,而第二控制单元320可以是脉宽调制(以下简称PWM)控制单元。切换单元330耦接至PFM控制单元310与PWM控制单元320。切换单元330依据切换讯号C而选择PFM控制单元310输出的脉频调制控制讯号或PWM控制单元320输出的脉宽调制控制讯号,并将所选择的控制讯号输出给功率输出单元340。所述切换单元330可以是多任务器。
功率输出单元340耦接至切换单元330与负载390。功率输出单元340依据切换单元330所输出的控制讯号而调整其输出功率,以提供稳定的电源给负载390。为方便说明,以下将以具有降压型转换器的电源供应装置340作为本发明的实施范例。
操作模式决定单元350包括频率比较器351、零电流检测器(zerocurrent detector,ZCD)352以及模式控制器353。频率比较器351耦接至功率输出单元340,用以将功率输出单元340内部的操作频率fp与参考频率(reference frequency)fref进行比较。本实施例虽以第一开关MP控制端的频率作为操作频率fp,然而本发明的实施方式不应以此为限。本领域的技术人员可视其需求,而改用功率输出单元340内部其它讯号的频率作为操作频率fp,例如第二开关MN控制端的频率、第一开关MP第二端的频率等。另外,于本实施例中将假设参考频率fref的值小于PWM模式的操作频率。
零电流检测器352耦接至功率输出单元340,用以检测功率输出单元340内部的电感电流IL。模式控制器353耦接至频率比较器351、零电流检测器352与切换单元330。模式控制器353依据频率比较器351的比较结果A以及零电流检测器352的检测结果B,而决定切换讯号C的状态,并将切换讯号C输出给切换单元330。
上述功率输出单元340可以是降压型转换器。于本实施例中,功率输出单元340包括控制逻辑341、第一驱动器342、第二驱动器343、第一开关MP、第二开关MN、电感L以及电容CL。在此,第一开关MP可以是P型功率晶体管,而第二开关MN可以是N型功率晶体管。开关MP的第一端耦接至电压源。开关MN的第一端耦接至开关MP的第二端,而开关MN的第二端接地。
第一驱动器342耦接至开关MP的控制端。第二驱动器343耦接至开关MN的控制端。控制逻辑341耦接至切换单元330、第一驱动器342与第二驱动器343,用以依据切换单元330所输出的控制讯号,而分别通过驱动器342与343去控制开关MP与MN的启闭状态。电感L的第一端耦接至开关MP的第二端,而电感L的第二端提供输出功率给负载390。电容CL的第一端耦接至电感L的第二端,而电容CL的第二端接地。
于本实施例中,上述操作模式决定单元350还包括时钟产生器354。时钟产生器354用以提供参考频率fref给频率比较器351。时钟产生器354可能包括振荡器355以及分频器356。分频器356耦接至振荡器355,用以接收振荡器355的输出并改变其频率,以及将改变后的频率作为参考频率fref并提供给频率比较器351。
请参照图3。当电源供应装置300操作于PFM操作模式时,切换单元330受模式控制器353的控制而选择PFM控制讯号并输出给控制逻辑341。当电源供应装置300操作于PWM操作模式时,切换单元330依据切换讯号C选择PWM控制讯号并输出给控制逻辑341。
当切换讯号C表示为PFM操作模式时,模式控制器353依据频率比较器351的比较结果A而决定是否改变切换讯号C的状态。当切换讯号C表示为PWM操作模式时,模式控制器353依据零电流检测器352的检测结果B而决定是否改变切换讯号C的状态。
本实施例的零电流检测器352并不限定其实施方式。本领域的技术人员亦可视其需求,而选用任何技术来实施零电流检测器352。图4是说明图3中零电流检测器352的其中一种实施范例。请参照图4,此零电流检测器352包括比较器410以及缓冲器420。
请参照图4。比较器410的正输入端耦接至电感L的第一端,而比较器410的负输入端接地。缓冲器420的输入端耦接至比较器410的输出端,而缓冲器420的输出端耦接至模式控制器353。在此实施例中,缓冲器420包括第一非门421以及第二非门422。非门421的输入端耦接至比较器410的输出端。非门422的输入端耦接至非门421的输出端,而非门422的输出端将检测结果B输出给模式控制器353。若电感电流IL为正向,则表示电感L第一端的电压为负值,此时比较器410通过缓冲器420输出逻辑值为0的检测结果B。反之,若电感电流IL为负值或零,则表示电感L第一端的电压为正值或零,此时比较器410通过缓冲器420输出逻辑值为1的检测结果B。
图5是依照本发明实施例说明图3中模式控制器353的状态图。请同时参照图3与图5。假设电源供应装置300一开始操作在PWM模式下(在此假设切换讯号C的逻辑值为1),且电感电流IL为正向(因此检测结果B的逻辑值为0),则电源供应装置300维持在PWM操作模式。在PWM模式下,模式控制器353可以不理睬比较结果A的逻辑状态。当负载减轻而导致电感电流IL发生转向的情形时,零电流检测器352会检测到此一情形,并输出逻辑值为1的检测结果B通知模式控制器353。由于检测结果B转态为1,因此模式控制器353输出的切换讯号C将会转态为0。因此,电源供应装置300的操作模式将会从PWM模式转换至PFM模式。
在PFM模式下,模式控制器353可以不理睬检测结果B的逻辑状态。由于PFM模式的操作频率远低于参考频率fref,因此频率比较器351的比较结果A的逻辑值为0。由于比较结果A的逻辑值保持为0,故模式控制器353输出的切换讯号C将会保持为逻辑0。因此,电源供应装置300将维持在PFM操作模式。在PFM操作模式下,当负载电流(电感电流IL)增大时,电源供应装置300的切换频率(例如图3中操作频率fp)会随之增加。当操作频率fp大于所设定的参考频率fref,此时频率比较器351会输出逻辑值为1的逻辑讯号(比较结果A)。由于比较结果A转态为1,因此模式控制器353输出的切换讯号C将会转态为1。因此,电源供应装置300的操作模式将会从PFM模式转换至PWM模式。
以下将依照本发明另举一例,以例举说明电源供应装置操作模式的决定方法。首先,比较参考频率与电源供应装置内部的操作频率;以及检测电源供应装置内部的电感电流。当电源供应装置操作于第一操作模式(例如为PFM操作模式)时,依据所述比较结果而决定是否改变电源供应装置的操作模式。当电源供应装置操作于第二操作模式(例如为PWM操作模式)时,依据所述检测结果而决定是否改变电源供应装置的操作模式。
于第一操作模式下,当所述比较结果显示该操作频率大于参考频率时,使电源供应装置的操作模式改变为该第二操作模式。当所述比较结果显示该操作频率小于参考频率时,使电源供应装置的操作模式维持在第一操作模式。
于第二操作模式下,当所述检测结果显示电感电流大于零时,使电源供应装置的操作模式维持在第二操作模式。当所述检测结果显示该电感电流小于或等于零时,使电源供应装置的操作模式改变为第一操作模式。
于本实施例中,所述检测电感电流的步骤包括:比较接地电压与电源供应装置内部电感的电压,并将此二电压的比较结果作为所述检测结果。
综上所述,本发明的较佳实施例因利用降压型转换器操作在脉频调制模式的频率比操作在脉宽调制模式频率低的特性,而采用频率的比较来完成切换脉频调制模式与脉宽调制模式的功能。此方法可产生原生性的磁滞效应,因此不需要另外设计一个计数器(counter)等待某一特定的时间后再进行操作模式的切换。使用此方法将能使脉宽调制模式与脉频调制模式的切换不再受限于磁滞效应的时间,能够更快速地反应输出电流的状况并切换至适当的操作模式。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,然其并非用以限定本发明,本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰,因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。
Claims (28)
1.一种电源供应装置,包括:
一第一控制单元,用以提供一第一控制讯号;
一第二控制单元,用以提供一第二控制讯号;
一切换单元,耦接至该第一控制单元与该第二控制单元,用以依据一切换讯号而选择该第一控制讯号与该第二控制讯号二者之一并输出所选择的控制讯号;
一功率输出单元,耦接至该切换单元,该功率单元依据该切换单元所输出的控制讯号而调整其输出功率;以及
一操作模式决定单元,包括:
一频率比较器,耦接至该功率输出单元,用以将该功率输出单元内部的一操作频率与一参考频率进行比较;
一零电流检测器,耦接至该功率输出单元,用以检测该功率输出单元内部的一电感电流;以及
一模式控制器,耦接至该频率比较器、该零电流检测器与该切换单元,用以依据该频率比较器的比较结果以及该零电流检测器的检测结果,而决定该切换讯号的状态并输出给该切换单元。
2.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该第一控制单元包括脉频调制控制单元,而该第一控制讯号包括脉频调制控制讯号。
3.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该第二控制单元包括脉宽调制控制单元,而该第二控制讯号包括脉宽调制控制讯号。
4.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该切换单元包括一多任务器。
5.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该功率输出单元包括一降压型转换器。
6.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该功率输出单元包括:
一第一开关,其第一端耦接至一电压源;
一第二开关,其第一端耦接至该第一开关的第二端,而该第二开关的第二端接地;
一第一驱动器,耦接至该第一开关的控制端;
一第二驱动器,耦接至该第二开关的控制端;
一控制逻辑,耦接至该切换单元、该第一驱动器与该第二驱动器,用以依据该切换单元所输出的控制讯号,而分别通过该第一驱动器与该第二驱动器去控制该第一开关与该第二开关的启闭状态;
一电感,其第一端耦接至该第一开关的第二端,而该电感的第二端提供该输出功率;以及
一电容,其第一端耦接至该电感的第二端,该电容的第二端接地。
7.如权利要求6所述的电源供应装置,其中该第一开关包括一P型功率晶体管,而该第二开关包括一N型功率晶体管。
8.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该操作模式决定单元还包括:
一时钟产生器,耦接至该频率比较器,用以提供该参考频率。
9.如权利要求8所述的电源供应装置,其中该时钟产生器包括:
一振荡器;以及
一分频器,耦接至该振荡器,用以接收该振荡器的输出并改变其频率,以及将改变后的频率作为该参考频率。
10.如权利要求1所述的电源供应装置,其中该零电流检测器包括:
一比较器,其正输入端耦接至该电感的第一端,该比较器的负输入端接地;以及
一缓冲器,其输入端耦接至该比较器的输出端,该缓冲器的输出端耦接至该模式控制器。
11.如权利要求10所述的电源供应装置,其中该缓冲器包括:
一第一非门,其输入端耦接至该比较器的输出端;以及
一第二非门,其输入端耦接至该第一非门的输出端,该第二非门的输出端耦接至该模式控制器。
12.如权利要求1所述的电源供应装置,其中
当电源供应装置操作于一第一操作模式时,该切换单元选择该第一控制讯号并输出该第一控制讯号;
当电源供应装置操作于一第二操作模式时,该切换单元选择该第二控制讯号并输出该第二控制讯号;
当该模式控制器的输出表示为该第一操作模式时,该模式控制器依据该频率比较器的比较结果而决定是否改变该模式控制器的输出状态;以及
当该模式控制器的输出表示为该第二操作模式时,该模式控制器依据该零电流检测器的检测结果而决定是否改变该模式控制器的输出状态。
13.如权利要求12所述的电源供应装置,其中该第一操作模式包括脉频调制模式。
14.如权利要求12所述的电源供应装置,其中该第二操作模式包括脉宽调制模式。
15.一种操作模式决定单元,用以切换一电源供应装置的操作模式,包括:
一频率比较器,用以将一参考频率与该电源供应装置内部的一操作频率进行比较;
一零电流检测器,用以检测该电源供应装置内部的一电感电流;以及
一模式控制器,耦接至该频率比较器与该零电流检测器,用以依据该频率比较器的比较结果以及该零电流检测器的检测结果,而决定一切换讯号的状态并输出给该电源供应装置;
其中该电源供应装置依据该切换讯号而决定其操作模式。
16.如权利要求15所述的操作模式决定单元,还包括:
一时钟产生器,耦接至该频率比较器,用以提供该参考频率。
17.如权利要求16所述的操作模式决定单元,其中该时钟产生器包括:
一振荡器;以及
一分频器,耦接至该振荡器,用以接收该振荡器的输出并改变其频率,以及将改变后的频率作为该参考频率。
18.如权利要求15所述的操作模式决定单元,其中该零电流检测器包括:
一比较器,其正输入端耦接至该电感的第一端,该比较器的负输入端接地;以及
一缓冲器,其输入端耦接至该比较器的输出端,该缓冲器的输出端耦接至该模式控制器。
19.如权利要求18所述的操作模式决定单元,其中该缓冲器包括:
一第一非门,其输入端耦接至该比较器的输出端;以及
一第二非门,其输入端耦接至该第一非门的输出端,该第二非门的输出端耦接至该模式控制器。
20.如权利要求15所述的操作模式决定单元,其中
当该电源供应装置依据该模式控制器的输出而操作于一第一操作模式时,该模式控制器依据该频率比较器的比较结果而决定是否改变该模式控制器的输出状态;以及
当该电源供应装置依据该模式控制器的输出而操作于一第二操作模式时,该模式控制器依据该零电流检测器的检测结果而决定是否改变该模式控制器的输出状态。
21.如权利要求20所述的操作模式决定单元,其中该第一操作模式包括脉频调制模式。
22.如权利要求20所述的操作模式决定单元,其中该第二操作模式包括脉宽调制模式。
23.一种电源供应装置操作模式的决定方法,包括:
比较一参考频率与该电源供应装置内部的一操作频率;
检测该电源供应装置内部的一电感电流;
当该电源供应装置操作于一第一操作模式时,依据所述比较结果而决定是否改变该电源供应装置的操作模式;以及
当该电源供应装置操作于一第二操作模式时,依据所述检测结果而决定是否改变该电源供应装置的操作模式。
24.如权利要求23所述电源供应装置操作模式的决定方法,其中该第一操作模式包括脉频调制模式。
25.如权利要求23所述电源供应装置操作模式的决定方法,其中该第二操作模式包括脉宽调制模式。
26.如权利要求23所述电源供应装置操作模式的决定方法,还包括:
当所述比较结果显示该操作频率大于该参考频率时,使该电源供应装置的操作模式改变为该第二操作模式;以及
当所述比较结果显示该操作频率小于该参考频率时,使该电源供应装置的操作模式维持在该第一操作模式。
27.如权利要求23所述电源供应装置操作模式的决定方法,还包括:
当所述检测结果显示该电感电流大于零时,使该电源供应装置的操作模式维持在该第二操作模式;以及
当所述检测结果显示该电感电流小于或等于零时,使该电源供应装置的操作模式改变为该第一操作模式。
28.如权利要求23所述电源供应装置操作模式的决定方法,其中检测该电感电流的步骤包括:
比较一接地电压与该电源供应装置内部一电感的电压,并将此二电压的比较结果作为所述检测结果。
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