CN101222176B - 直流电源转换电路及模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种直流电源转换电路及模式切换方法，应用于电子装置中，该电子装置包含有子系统电路，而该直流电源转换电路包含：第一电压转换电路，电连接于该子系统电路，接收系统电压及第一参考电压，用以依据第一参考电压产生第一输出电压至输出端；以及第二电压转换电路，电连接于该第一电压转换电路的该输出端，接收该系统电压及第二参考电压，用以依据第二参考电压产生第二输出电压至该输出端，其中该模式切换方法包含有下列步骤：该第二电压转换电路根据该输出端的电压小于阈值而开始输出第二输出电压至该输出端。本发明可达到自动于高低负载间的进行切换而达到省电的好处。

Description

直流电源转换电路及模式切换方法

技术领域

本发明涉及一种直流电源转换电路及模式切换方法，特别涉及应用于可携式电子装置中的直流电源转换电路及模式切换方法。

背景技术

在一个由多个子系统(subsystem)电路所构成的电子装置中，由于每个子系统电路需要的直流电压电位均不尽相同，因此便有直流电源转换电路存在的必要。请参见图1，其为直流电源转换电路应用于电子装置中的结构示意图，其中系统电压源V_system经过直流电源转换电路10的转换，进而产生电位不同的第一电压V1，进而提供给子系统电路11、12来使用。

而常见的直流电源转换电路10有两种，第一种是所谓低压降压调节器(Low Dropout regulator，以下简称LDO)，其电路示意图如图2(a)的所示，其利用以运算放大器所完成的反馈控制电路20根据反馈电压Vf与参考电压Vr的比较来控制晶体管Q1于有源区操作时的开启程度，进而将输入电压Vi(例如上述V_system)进行调降后产生与参考电压Vr相关的输出电压Vo，在本例是Vo＝Vr。但其缺点在于其减去的电压Vi-Vo是被图中的晶体管Q1所消耗的，因此转换效率不佳，而且所需的输出电流越大，转换效率越差，因此当负载越大时，能量耗损也就越大。

而另一种则是如图2(b)所示的降压转换器(Buck Converter)，其中驱动电路25根据时脉信号φ及参考电压Vr来产生工作周期为D的脉冲宽度调制(以下简称PWM)控制信号来对晶体管Q2、Q3进行控制，进而得到Vo/Vi＝D的电压转换，而其转换效率可达90％。故其转换效率较上述LDO为佳，因此目前大多使用降压转换器来完成上述直流电源转换电路10。

然而，在许多利用电池为基本电源的可携式电子装置上，为能有效节省电力，通常在装置闲置一段时间后，便会自动从活动模式(active mode)转到静止模式(quiescent mode)，用以将一些不必要的电路关闭而达到省电的功效。此外，在进入静止模式后，降压转换器则可以降低参考电压Vr的数值，进而使驱动电路25发出的PWM控制信号的工作周期D随之降低，用以来将其输出电压向下降低，例如从原来的1.2伏特下降至0.7伏特，希望能达到系统省电的目的。但很不幸的，虽然输出电压降低，但由于驱动电路25发出的PWM控制信号的频率并无改变，因此降压转换器中的Q2、Q3仍然不断地进行切换动作，使得降压转换器的充放电动作并未停止，因此降压转换器本身所耗损的能量并无法有效随之下降，反而造成静止模式中的节能效果不佳。

发明内容

综合上述，为能有效改善上述技术的缺陷，进而达到有效节能的功效增进，为本发明的主要目的。

本发明为一种直流电源转换电路，应用于电子装置中，该电子装置包含有子系统电路，而该转换电路包含：第一电压转换电路，电连接于该子系统电路，接收系统电压及第一参考电压，用以依据第一参考电压产生第一输出电压至输出端；以及第二电压转换电路，电连接于该第一电压转换电路的该输出端，接收该系统电压及第二参考电压，用以依据第二参考电压产生第二输出电压至该输出端；其中，该第二电压转换电路根据该输出端的电压小于阈值而开始输出第二输出电压至该输出端。

根据上述方案，本发明所述的直流电源转换电路，还包含：参考电压产生电路，用以产生该第一参考电压及该第二参考电压分别至该第一电压转换电路及该第二电压转换电路，且该第一参考电压高于该第二参考电压一个恒定值。

根据上述方案，本发明所述的直流电源转换电路，其中当该第二电压转换电路开始输出该第二输出电压至该输出端后，该参考电压产生电路每经一个时间周期调降第二参考电压的电压值，直到该第二输出电压为预定电压值。

根据上述方案，本发明所述的直流电源转换电路，其中该参考电压产生电路包含：多个串联电阻；多个受控开关，分别并联于所述多个串联电阻；电阻组，至少包含一个电阻，电阻组的低电压节点串接至所述多个串联电阻；以及恒定电流源，连接至该电阻组的高电压节点；

其中由该电阻组的高电压节点引出该第一参考电压，而由该电阻组的低电压节点引出该第二参考电压。

根据上述方案，本发明所述的直流电源转换电路，其中当该第二电压转换电路开始输出该第二输出电压至该输出端后，每经一个时间周期接通一个受控开关而使第一参考电压与第二参考电压同时下降一个电压差值。

根据上述方案，本发明所述的直流电源转换电路，其中该第一电压转换电路为降压转换器，而该第二电压转换电路为低压降压调节器。

根据上述方案，本发明所述的直流电源转换电路，其中该第一电压转换电路为第一降压转换器，而该第二电压转换电路为第二降压调节器。

本发明的另一方面为一种模式切换方法，应用于直流电源转换电路上，该直流电源转换电路包含有适用于高负载模式的第一电压转换电路、适用于低负载模式的第二电压转换电路以及参考电压产生电路，该切换方法包含下列步骤：产生第一参考电压与第二参考电压；依据系统电压及该第一参考电压，第一电压转换电路产生第一输出电压至输出端；以及依据系统电压与第二参考电压，第二电压转换电路产生第二输出电压至该输出端，其中当该输出端的电压小于阈值时，才开始输出该第二输出电压至该输出端。

根据上述方案，本发明所述的模式切换方法，其中该第一参考电压高于第二参考电压一个恒定值。

根据上述方案，本发明所述的模式切换方法，其中当开始输出该第二输出电压至该输出端后，该参考电压产生电路每经一个时间周期调降第二参考电压的电压值，直到该第二输出电压为预定电压值。

综上所述，本发明可达到自动于高低负载间的进行切换而达到省电的好处。

附图说明

图1为将直流电源转换电路应用于电子装置中的结构示意图。

图2(a)为低压降压调节器的已知电路示意图。

图2(b)为降压转换器的已知电路示意图。

图3为本发明改善已知缺陷所发展出来关于直流电源转换电路的功能方块图。

图4为本发明改善已知缺陷所发展出来关于直流电源转换电路的第一较佳实施例功能方块图。

图5为可应用于本发明的参考电压产生电路功能方块图。

图6为本发明于模式切换时的电压变化波形与模式对应示意图。

图7为本发明改善已知缺陷所发展出来关于直流电源转换电路的第二较佳实施例功能方块图。

图8为本发明改善已知缺陷所发展出来关于直流电源转换电路的第三较佳实施例功能方块图。

并且，上述附图中的各附图标记说明如下：

10        直流电源转换电路

11、12    子系统电路

20        反馈控制电路

25        驱动电路

3         电子装置

301、302  子系统电路

31        直流电源转换电路

311       第一电压转换电路

3110      输出端

312       第二电压转换电路

4         电子装置

41        降压转换器

42        低压降压调节器

401、402  子系统电路

4110      输出端

7         电子装置

71        第一降压转换器

72        第二降压转换器

710       输出端

73        比较器

701       子系统电路

702   子系统电路

8     电子装置

810   输出端

81    第一降压转换器

82    第二降压转换器

801   子系统电路

802   子系统电路

具体实施方式

请参见图3，其为本发明改善已知缺陷所发展出来关于直流电源转换电路的功能方块图，其可应用于各式电子装置中，尤其是使用电池为电源的可携式电子装置，图中的电子装置3包含有子系统电路301、302及直流电源转换电路31，而直流电源转换电路31主要包含有第一电压转换电路311及第二电压转换电路312，其中第一电压转换电路311于高负载时的转换效率较高，而第二电压转换电路312则于低负载时较为省电。

于是第一电压转换电路311将系统电压V_system进行电压转换成第一输出电压Vo1，而于输出端3110产生该第一输出电压，用以提供该子系统电路301、302使用。至于第二电压转换电路312共用该第一电压转换电路311的该输出端3110，第二电压转换电路312当该输出端3110上的电压值小于阈值Vt时，便开始输出第二输出电压Vo2至该输出端3110，其中该阈值Vt比该第一输出电压Vo1低一个预定值Vd，而第二输出电压Vo2则小于或等于该阈值Vt。

于是，当电子装置3处于高负载的活动模式(active mode)时，便启动第一电压转换电路311，进而在该输出端3110上输出该第一输出电压Vo1给子系统电路301、302使用，而此时的第二电压转换电路312由于测到该输出端3110上的电压值是大于该阈值Vt，因此第二电压转换电路312便不动作，而主要由第一电压转换电路311来提供子系统电路301、302所需的电压。但是当电子装置3转到低负载的静止模式(quiescent mode)时，由于子系统电路301、302已不需要太大的电流与电压，因此便可把第一电压转换电路311关闭，而于此时，输出端3110上的电压便逐渐下降，直到第二电压转换电路312测到该输出端3110上的电压值小于该阈值Vt时，便开始输出第二输出电压Vo2至该输出端3110，用来提供子系统电路301、302所需的电压。反之，当电子装置3再回到活动模式(active mode)时，便再启动第一电压转换电路311，进而在该输出端3110上输出该第一输出电压Vo1给子系统电路301、302使用，而此时的第二电压转换电路312由于测到该输出端3110上的电压值再度大于该阈值Vt，因此第二电压转换电路312又恢复不动作，而再由第一电压转换电路311来提供子系统电路301、302所需的电压。如此一来，便可达到自动于高低负载间的进行切换而达到省电的好处。

而为能更清楚表达出本发明的技术细节，如图4所示的第一较佳实施例被公开及说明如下：

首先，以降压转换器(Buck Converter)41来完成前述的第一电压转换电路311，而以低压降压调节器(LDO)42来完成前述的第二电压转换电路312，而降压转换器41及低压降压调节器42的电路细节可参考图2(a)、图2(b)所示，其各类实施例颇多且为公知技术，故不再赘述。如此一来，当电子装置4处于活动模式(active mode)时，启动降压转换器41来根据第一参考电压Vr1在该输出端4110上输出该第一输出电压Vo1给子系统电路401、402使用，基本上第一输出电压Vo1与第一参考电压Vr1有正线性相关的关系。在此同时，低压降压调节器42由于测到该输出端4110上的电压值是大于第二参考电压Vr2(即为上述的阈值Vt)，因此低压降压调节器42便不动作，意即如图2(a)中的晶体管Q1几乎不开启，而主要由降压转换器41来提供子系统电路401、402所需的电压。但是当电子装置4转到静止模式(quiescent mode)时，由于子系统电路401、402已不需要太大的电流与电压，因此便可把降压转换器41关闭(例如切断时脉信号φ的供应)，而于此时，输出端4110上的电压便逐渐下降，直到低压降压调节器42测到该输出端4110上的电压值小于Vr2时，便开始输出第二输出电压Vo2至该输出端4110，用来提供子系统电路401、402所需的电压。而第二输出电压Vo2与第二参考电压Vr2有正线性相关的关系，且第二输出电压Vo2低于降压转换器41输出的该第一输出电压Vo1，因此便可达到自动切换而达到省电的好处。反之，若要再度启动降压转换器41来输出该第一输出电压Vo1给子系统电路401、402使用，便再度发出时脉信号φ给降压转换器41即可，而低压降压调节器42便会于输出电压上升后自动关闭。

另外，在此需要强调的是，上述第一参考电压Vr1设定为比第二参考电压Vr2大一个预定电压，如此一来，将可确保两者自动切换的顺利完成，进而避免降压转换器41与低压降压调节器(LDO)42两者间有不匹配(mismatch)的状况而造成在活动模式(active mode)时，低压降压调节器42误动作而输出该第二输出电压。而第一参考电压Vr1与第二参考电压Vr2可由如图5所示的电压切换器来提供，其中提供恒定电流源Ic来流经多个串接电阻R1、R2、R3、...、Rn，而分别从第一节点N1与第二节点N2引出所需的第一参考电压Vr1与第二参考电压Vr2，而由图可看出，Vr1-Vr2＝Ic·R1，故Vr1比Vr2大一个预定电压Ic·R1(例如100mV)。而且为能达到更省电的目的，更可利用分别并接在R2、R3、...、Rn上的受控开关S2、S3、...、Sn来把第一参考电压Vr1与第二参考电压Vr2的电位逐步缓降，例如每隔一预定时间T(例如50ms)接通一个受控开关而使第一参考电压Vr1与第二参考电压Vr2同时下降一个电压差值(例如50mV)，但Vr1-Vr2仍维持不变。而当所有受控开关都接通后，便可让参考Vr2运作的低压降压调节器42输出最小工作电压，例如0.7V，给处在静止模式的子系统电路401、402维持最基本的运作，并达到省电的目的。反之，每隔一预定时间切断一个受控开关便可使第一参考电压Vr1与第二参考电压Vr2同时上升一个电压差值，但Vr1-Vr2仍维持不变。而当所有受控开关都切断后，便可让参考Vr2运作的低压降压调节器42恢复至最大工作电压，最后再度发出时脉信号φ给降压转换器41来重新启动它，而低压降压调节器42则会于输出电压上升后自动关闭。而上述说明可结合图6中所示电压变化波形与模式对应示意图的内容来进行了解，将可得到更具体的认知。

另外，能更清楚表达出应用本发明原理的其它实例，如图7所示的第二较佳实施例被公开及说明如下：

首先，以第一降压转换器(Buck Converter)71来完成前述的第一电压转换电路311，而以第二降压转换器72来完成前述的第二电压转换电路312。如此一来，当电子装置7处于活动模式(active mode)时，第一降压转换器71根据第一参考电压Vr1在该输出端710上输出该第一输出电压Vo1给子系统电路701、702使用，基本上第一输出电压Vo1与第一参考电压Vr1有正线性相关的关系。而当比较器73测到该输出端710上的电压值大于第二参考电压Vr2，进而使第二降压转换器72几乎停止动作。但是当电子装置7转到静止模式(quiescent mode)时，由于子系统电路701、702已不需要太大的电流与电压，因此便可把第一降压转换器71关闭(例如切断第一时脉信号φ1的供应)，而于此时，输出端710上的电压便逐渐下降，当比较器73测到该输出端710上的电压值小于第二参考电压Vr2时，便可启动第二时脉信号φ2，使第二降压转换器72开始输出第二输出电压Vo2至该输出端710，用来提供子系统电路701、702所需的电压。而第二输出电压Vo2与第二参考电压Vr2有正线性相关的关系，且第二输出电压Vo2低于第一输出电压Vo1。如此也可达到自动切换而达到省电的好处。反之，若要再度启动第一降压转换器71来输出该第一输出电压Vo1给子系统电路701、702使用，便再度发出第一时脉信号φ给该第一降压转换器71即可，而该第二降压转换器72便会于输出电压上升后自动关闭。如此一来，本实施例也可达到自动于高低负载间的进行切换而达到省电的好处。

另外，图8所示的第三较佳实施例被公开及说明如下：

首先，以第一降压转换器(Buck Converter)81来完成前述的第一电压转换器311，而以第二降压转换器82来完成前述的第二电压转换器312。如此一来，当电子装置8处于活动模式(active mode)时，第一降压转换器81根据第一时脉信号φ1及第一参考电压Vr1在该输出端810上输出该第一输出电压Vo1给子系统电路801、802使用，基本上第一输出电压Vo1与第一参考电压Vr1有正线性相关的关系。在此同时，第二降压转换器82利用负反馈机制而测到该输出端810上的电压值相当接近第一参考电压Vr1，于是第二参考电压Vr2几乎为0，导致输入第二降压转换器82的第二时脉信号φ2的工作周期几乎被调整为0，进而使第二降压转换器82几乎停止动作。但是当电子装置8转到静止模式(quiescent mode)时，由于子系统电路801、802已不需要太大的电流与电压，因此便可把第一降压转换器81关闭(例如切断第一时脉信号φ1的供应)，而于此时，输出端810上的电压便逐渐下降，于是第二参考电压Vr2开始增加，而输入第二降压转换器82的第二时脉信号φ2的工作周期也随的开始向上增加，导致第二降压转换器82便开始输出第二输出电压Vo2至该输出端810，用来提供子系统电路801、802所需的电压。而第二输出电压Vo2与第二参考电压Vr2有正线性相关的关系，且第二输出电压Vo2低于第一输出电压Vo1，而第二时脉信号φ2的频率可小于该第一时脉信号φ1。如此也可达到自动切换而达到省电的好处。反之，若要再度启动第一降压转换器81来输出该第一输出电压Vo1给子系统电路801、802使用，便再度发出第一时脉信号φ1给第一降压转换器81即可，而第二降压转换器82便会于输出电压上升后自动关闭。如此一来，本实施例也可达到自动于高低负载间的进行切换而达到省电的好处。

综上所述，该电压转换电路除可用降压转换器(Buck Converter)与低压降压调节器(LDO)来完成外，电荷泵(charge pump)也是可以选用的一种类型。故根据上述具体实施例的具体揭示，本发明得由本领域技术人员加以改动和修饰，但是均不脱离如附权利要求所要保护的范围。

Claims (7)

1.一种直流电源转换电路，应用于电子装置中，该电子装置包含有子系统电路，而该直流电源转换电路包含：

第一电压转换电路，电连接于该子系统电路，接收系统电压及第一参考电压，用以依据第一参考电压产生第一输出电压至输出端；

第二电压转换电路，电连接于该第一电压转换电路的该输出端，接收该系统电压及第二参考电压，用以依据第二参考电压产生第二输出电压至该输出端；其中，该第二电压转换电路根据该输出端的电压小于阈值而开始输出第二输出电压至该输出端；以及

参考电压产生电路，用以产生该第一参考电压及该第二参考电压分别至该第一电压转换电路及该第二电压转换电路，且该第一参考电压高于该第二参考电压一个恒定值。

2.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中当该第二电压转换电路开始输出该第二输出电压至该输出端后，该参考电压产生电路每经一个时间周期调降第二参考电压的电压值，直到该第二输出电压为预定电压值。

3.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该参考电压产生电路包含：

多个串联电阻；

多个受控开关，分别并联于所述多个串联电阻；

电阻组，至少包含一个电阻，电阻组的低电压节点串接至所述多个串联电阻；以及

恒定电流源，连接至该电阻组的高电压节点；

其中由该电阻组的高电压节点引出该第一参考电压，而由该电阻组的低电压节点引出该第二参考电压。

4.如权利要求3所述的直流电源转换电路，其中当该第二电压转换电路开始输出该第二输出电压至该输出端后，每经一个时间周期接通一个受控开关而使第一参考电压与第二参考电压同时下降一个电压差值。

5.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该第一电压转换电路为降压转换器，而该第二电压转换电路为低压降压调节器。

6.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该第一电压转换电路为第一降压转换器，而该第二电压转换电路为第二降压调节器。

7.一种模式切换方法，应用于直流电源转换电路上，该直流电源转换电路包含有适用于高负载模式的第一电压转换电路、适用于低负载模式的第二电压转换电路以及参考电压产生电路，该切换方法包含下列步骤：

产生第一参考电压与第二参考电压，该第一参考电压高于第二参考电压一个恒定值；

依据系统电压及该第一参考电压，该第一电压转换电路产生第一输出电压至输出端；以及

依据系统电压与第二参考电压，该第二电压转换电路产生第二输出电压至该输出端，其中当该输出端的电压小于阈值时，才开始输出该第二输出电压至该输出端，且该参考电压产生电路每经一个时间周期调降第二参考电压的电压值，直到该第二输出电压为预定电压值。

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