CN102955490A - 电源产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种电源产生系统，其至少一信号追踪单元接收输入信号，据以产生追踪信号，该追踪信号的波形追踪输入信号的波峰。至少一直流至直流转换器接收该追踪信号，据以产生一电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源产生系统，特别是涉及一种可追踪输入信号的电源产生系统。
背景技术
放大器是一种用以放大信号功率的电路，经常使用于电子系统中。图1A显示一种使用运算放大器10的传统放大器，其中的运算放大器10需要供给电源Vp+及Vp-。如图1B所示信号波形，传统放大器的电源Vp+及Vp-为固定值。换句话说，无论输入信号Sin与输出信号Sout如何变化，电源Vp+及Vp-都是固定不变的。
图1A所示放大器的效能很低，例如当输出信号值为正时，放大器所损耗的电能为Iout*((Vp+)-Sout电压)；当输出信号值为负时，放大器所损耗的电能为Iout*((-Vp-)+Sout电压)，这些损耗电能会转变为热能。对于可携式电子装置而言，其电池的容量是有限的，如果能够减少电能的损耗，则可延长电池的运作时间。再者，可携式电子装置受到空间的限制，不容易进行散热。因此，如果能够减少热能的产生，则可简化可携式电子装置的散热装置。
因此，亟需提出一种新颖的电源产生机制，用以适应地产生电源，以减少电能的损耗。
由此可见，上述现有的电源产生系统在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型的电源产生系统，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的电源产生系统存在的缺陷，而提供一种新型的电源产生系统，所要解决的技术问题是在提出一种电源产生系统，用以提供放大器所需的电源，所产生的电源会随着输入信号的大小适应地作改变，因而可大量地节省能源的损耗，不但可以延长电池的运作时间，且能减少热能的产生及排放，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的其包含：至少一信号追踪单元，其接收一输入信号，据以产生一追踪信号，该追踪信号的波形追踪该输入信号的波峰；及至少一直流至直流转换器，接收该追踪信号，据以产生一电源。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的电源产生系统，其中所述的该信号追踪单元更接收一操作工作电压，用以确保所产生的该电源的绝对值不会低于一最小工作电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该至少一信号追踪单元包含第一信号追踪单元及第二信号追踪单元，且该至少一直流至直流转换器包含第一直流至直流转换器及第二直流至直流转换器；其中，该第一信号追踪单元根据该输入信号以产生第一追踪信号，且该第二信号追踪单元根据该输入信号以产生第二追踪信号；该第一直流至直流转换器根据该第一追踪信号以产生第一电源，且该第二直流至直流转换器根据该第二追踪信号以产生第二电源。
前述的电源产生系统，其中所述的该追踪信号为该直流至直流转换器的参考信号，且所产生的该电源与该参考信号具有以下关系：
电源＝参考信号*增益。
前述的电源产生系统，其中所述的该信号追踪单元包含：第一二极管，其阳极耦接至该输入信号，用以让该输入信号的正波形通过；及一积分电路，耦接至该第一二极管的阴极，因而产生该参考电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该积分电路包含串联的电容器与电阻器，耦接于该第一二极管的阴极与地之间。
前述的电源产生系统，其中所述的该信号追踪单元更包含：第二二极管，其阳极耦接至一操作工作电压，阴极耦接至该积分电路；其中当该输入信号小于该操作工作电压时，该第二二极管导通，因而让该参考电压维持于该操作工作电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该信号追踪单元包含：一晶体管，其输入端耦接至该输入信号；一基纳二极管，耦接至该晶体管的控制端，该基纳二极管的崩溃电压约等于一操作工作电压加上该晶体管的控制端与输出端之间的压降；及一积分电路，耦接至该晶体管的输出端，因而产生该参考电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该信号追踪单元包含：第一二极管，其阳极耦接至该输入信号，用以让该输入信号的正波形通过；一积分电路，耦接至该第一二极管的阴极；及至少一直流补偿调整电路，用以确保所产生的该电源不会低于一最小工作电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该直流补偿调整电路包含：一分压电路，其一端耦接至该积分器的输出，另一端耦接至一调整电压；及一非反相(non-inverting)放大器，接收该分压电路所产生的分压电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该信号追踪单元包含：一模拟至数字转换器(ADC)，用以将该输入信号转换为数字信号；一数字信号处理器，接收该数字信号，据以在数字域产生该追踪信号；及一接口，借以将该追踪信号传送至该直流至直流转换器。
前述的电源产生系统，其中所述的该数字信号处理器更根据输入或预设的一操作工作电压，用以确保所产生的该电源的绝对值不会低于该最小工作电压。
前述的电源产生系统，其中所述的该接口包含一数字至模拟转换器(DAC)。
前述的电源产生系统，其中所述的该接口包含一数字接口。
前述的电源产生系统，其中所述的该数字接口包含下列之一：通用输入/输出(GPIO)、内部整合电路(I2C)、串行外围接口(SPI)及通用异步收发器(UART)。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种电源产生系统包含至少一信号追踪单元及至少一直流至直流转换器。信号追踪单元接收一输入信号，据以产生一追踪信号，该追踪信号的波形追踪该输入信号的波峰。直流至直流转换器接收该追踪信号，据以产生一电源。
借由上述技术方案，本发明电源产生系统至少具有下列优点及有益效果：该新颖的电源产生机制，用以提供放大器所需的电源，所产生的电源会随着输入信号的大小适应地作改变，因而可大量地节省能源的损耗，不但可以延长电池的运作时间，且能减少热能的产生及排放。
综上所述，本发明电源产生系统，其至少一信号追踪单元接收输入信号，据以产生追踪信号，该追踪信号的波形追踪输入信号的波峰。至少一直流至直流转换器接收该追踪信号，据以产生一电源。本发明在技术上有显着的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1A显示一种使用运算放大器的传统放大器。
图1B显示图1A的相关信号波形。
图2A的功能方框图显示本发明实施例的电源产生系统，用以提供放大器所需的电源。
图2B的功能方框图显示本发明实施例的另一电源产生系统。
图2C显示图2B的相关信号波形。
图3A的电路图显示本发明第一较佳实施例的电源产生系统。
图3B显示等效于图3A所示第一信号追踪单元的电路。
图3C的电路图显示本发明第一较佳实施例变化型的电源产生系统。
图3D显示图3C的相关信号波形。
图4的电路图显示本发明第二较佳实施例的电源产生系统。
图5的方框图显示本发明第三较佳实施例的电源产生系统。
10：运算放大器 20：电源产生系统
22：放大器 201：信号追踪单元
201A：第一信号追踪单元 201B：第二信号追踪单元
2010：反相器 2011：模拟至数字转换器(ADC)
2012：直流补偿调整电路 2012A：运算放大器
2013：数字信号处理器 2014：直流补偿调整电路
2015：界面 2016：非反相放大器
2016A：运算放大器 2018：单增益缓冲放大器
2018A：运算放大器 203：直流至直流转换器(DC/DC)
203A：第一直流至直流转换器 203B：第二直流至直流转换器
Iout：输出电流 Sin：输入信号
Sout：输出信号 Vtr：追踪信号
Vtr+：第一追踪信号 Vtr-：第二追踪信号
Vp：电源 Vp+：第一电源
Vp-：第二电源 Vmin：最小工作电压
Vlevel：操作工作电压 D1：第一二极管
D2：第二二极管 Dz：基纳二极管
T：晶体管 C：电容器
Ra：电阻器 Rb：电阻器
R1：电阻器 R2：电阻器
Vt：调整电压 Vg：调整电压
Vref+：第一参考电压 Vref-：第二参考电压
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电源产生系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图2A的功能方框图显示本发明实施例的电源产生系统20，用以提供放大器22所需的电源Vp。放大器22用以将输入信号Sin放大以产生输出信号Sout。该放大器22可以为各种型式，如图1A所示的放大电路，但不限定于此。
在本实施例中，电源产生系统20主要包含信号追踪(signal tracing)单元201及直流至直流转换器(DC to DC converter)203。其中，信号追踪单元201接收放大器22的输入信号，用以产生一追踪信号Vtr，其波形大致追踪输入信号Sin的波峰。直流至直流转换器203接收追踪信号Vtr，并据以产生电源Vp，用以提供给放大器22作为电源。在本实施例中，电源Vp指电源电压。此外，信号追踪单元201还可接收一(正值)操作工作电压Vlevel，用以确保所产生的电源Vp的绝对值不会低于最小工作电压Vmin。再者，当输入信号Sin的驱动能力不足以驱动信号追踪单元201，将会导致输入信号Sin的失真。此时，须先加强输入信号Sin的驱动能力后，再传送至信号追踪单元201。
图2A所示的电源产生系统20根据单一追踪信号Vtr以产生单电源Vp。图2B所示的电源产生系统20则是根据输入信号Sin以产生二追踪信号Vtr+及Vtr-，据以产生双电源Vp+及Vp-。详而言之，第一信号追踪单元201A及第二信号追踪单元201B接收放大器22的输入信号Sin，用以分别产生第一追踪信号Vtr+及第二追踪信号Vtr-，其波形分别追踪输入信号Sin的正波峰及负波峰。第一直流至直流转换器203A及第二直流至直流转换器203B分别接收第一追踪信号Vtr+及第二追踪信号Vtr-，据以分别产生第一电源Vp+及第二电源Vp-，用以提供给放大器22作为电源。
图2C显示图2B的相关信号波形。如图所示，第一追踪信号Vtr+及第二追踪信号Vtr-会追踪输入信号Sin的波峰。当输入信号Sin的频率较低时(如图式的右边)，由于电路当中电荷的放电，使得第一追踪信号Vtr+及第二追踪信号Vtr-在输入信号Sin的波峰之间，其幅度会有稍微降低的现象。值得注意的是，虽然图标第一追踪信号Vtr+及第二追踪信号Vtr-与输入信号Sin的波峰相切；然而，在实际的电路中，第一追踪信号Vtr+及第二追踪信号Vtr-可能低于(或高于)输入信号Sin的波峰值。此外，当输入信号Sin的正波形低于操作工作电压Vlevel时，第一电源Vp+会维持大于最小工作电压Vmin；当输入信号Sin的负波形的绝对值低于操作工作电压Vlevel时，第二电源Vp-会维持小于最小工作电压Vmin的负值(亦即，-Vmin)。由于提供给放大器20的第一/第二电源Vp+/Vp-会随着输入信号Sin的大小适应地作改变，因而可以大量地节省能源的损耗，不但可以延长电池的运作时间，且能减少热能的产生及排放。上述图2A或图2B所示的架构可以使用各种模拟或数字电路来实施，以下介绍其中的几个较佳实施例。
图3A的电路图显示本发明第一较佳实施例的电源产生系统20。在本实施例中，第一/第二追踪信号Vtr+/Vtr-分别为第一/第二直流至直流转换器203A/203B的第一/第二参考电压Vref+及Vref-，而所产生的第一/第二电源Vp+/Vp-具有以下关系：
Vp+＝(Vref+)*增益，
Vp-＝(Vref-)*增益。
本实施例的第一信号追踪单元201A包含第一二极管D1，其阳极耦接至输入信号Sin，用以让输入信号Sin的正波形通过，第一二极管D1的输出端(阴极)与地之间耦接串联的电容器C与电阻器Ra作为积分电路，因而产生第一参考电压Vref+。此外，电阻器Rb并联于电容器C，可作为放电之用，其可决定第一参考电压Vref+追随输入信号Sin的速度。此外，第一信号追踪单元201A还可包含第二二极管D2，其阳极耦接至操作工作电压Vlevel，阴极耦接至该积分电路Ra/C。当输入信号Sin小于操作工作电压Vlevel时，第二二极管D2会导通(第一二极管D1则关闭)，因而让第一参考电压Vref+维持于操作工作电压Vlevel，且第一电源Vp+维持大于最小工作电压Vmin。第二信号追踪单元201B的结构类似于第一信号追踪单元201A，但增加一反相器2010，用以将输入信号Sin的负波形先予以反相，再依第一信号追踪单元201A相同的操作原理以产生第二参考电压Vref-。
图3B显示等效于图3A所示第一信号追踪单元201A的电路。在此实施例中，第一信号追踪单元201A包含晶体管T，其输入端(集极)耦接至输入信号Sin，输出端(射极)耦接至电容器C与电阻器Ra(亦即积分电路)。晶体管T的控制端(基极)耦接至基纳(Zener)二极管Dz，其崩溃(breakdown)电压约等于操作工作电压Vlevel加上晶体管T的基射极电压VBE。
图3C的电路图显示本发明第一较佳实施例变化型的电源产生系统20，图3D显示图3C的相关信号波形。和图3A所示实施例不同的是，本实施例变化型省略了操作工作电压Vlevel及其第二二极管D2。取而代之的是，第一/第二直流至直流转换器203A/203B内部使用了偏压电路，当第一/第二参考电压Vref+/Vref-的绝对值小于操作工作电压时，第一电源Vp+会维持大于最小工作电压Vmin，且第二电源Vp-会维持小于最小工作电压Vmin的负值(亦即，-Vmin)。
图4的电路图显示本发明第二较佳实施例的电源产生系统20，仅显示出信号追踪单元201的电路，其余则省略。类似于第一实施例(图3A)，信号追踪单元201包含第一二极管D1，其阳极耦接至输入信号Sin，用以让输入信号Sin的正波形通过，第一二极管D1的输出端(阴极)与地之间耦接串联的电容器C与电阻器Ra作为积分电路。本实施例使用一直流补偿(offset)调整电路2012，用以确保所产生的电源Vp不会低于最小工作电压Vmin。详而言之，直流补偿调整电路2012包含电阻器R1及R2组成的分压电压，其一端(间接)耦接至积分器的输出，另一端则耦接至一调整电压Vt。所产生的分压电压借由运算放大器2012A所构成的非反相(non-inverting)放大器予以放大。
本实施例的信号追踪单元201可以使用多个相同的直流补偿调整电路，例如图式中所示的方框2014，其使用调整电压Vg。基于其它的电路设计考虑，本实施例的信号追踪单元201还可额外包含其它电路，例如由运算放大器2016A所构成的非反相放大器2016，用以放大/缩小信号；由运算放大器2018A所构成的单增益(unity gain)缓冲放大器2018，用以提升电流驱动能力。
图5的方框图显示本发明第三较佳实施例的电源产生系统20。在本实施例中，信号追踪单元201包含模拟至数字转换器(ADC)2011，用以将输入信号Sin转换为数字信号。该数字信号被传送至数字信号处理器2013，据以在数字域(digital domain)产生第一/第二追踪信号Vtr+/Vtr-，分别提供给第一/第二直流至直流转换器203A/203B。数字信号处理器2013还可根据输入或预设的操作工作电压Vlevel，用以确保所产生的电源Vp的绝对值不会低于最小工作电压Vmin。
如果第一/第二直流至直流转换器203A/203B为模拟输入接口，则在数字信号处理器2013与第一/第二直流至直流转换器203A/203B之间还须使用数字至模拟转换器(DAC)作为信号接口2015；如果第一/第二直流至直流转换器203A/203B为数字输入接口，则可在数字信号处理器2013与第一/第二直流至直流转换器203A/203B之间使用数字信号接口2015，例如通用输入/输出(GPIO)、内部整合电路(I2C)、串行外围接口(SPI)或通用异步收发器(UART)。上述的模拟至数字转换器(ADC)2011或接口2015可与数字信号处理器2013制作于同一芯片或同一封装，也可分开制造或封装。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (15)
1.一种电源产生系统，其特征在于其包含：
至少一信号追踪单元，其接收一输入信号，据以产生一追踪信号，该追踪信号的波形追踪该输入信号的波峰；及
至少一直流至直流转换器，接收该追踪信号，据以产生一电源。
2.根据权利要求1所述的电源产生系统，其特征在于该信号追踪单元更接收一操作工作电压，用以确保所产生的该电源的绝对值不会低于一最小工作电压。
3.根据权利要求1所述的电源产生系统，其特征在于该至少一信号追踪单元包含第一信号追踪单元及第二信号追踪单元，且该至少一直流至直流转换器包含第一直流至直流转换器及第二直流至直流转换器；其中，该第一信号追踪单元根据该输入信号以产生第一追踪信号，且该第二信号追踪单元根据该输入信号以产生第二追踪信号；该第一直流至直流转换器根据该第一追踪信号以产生第一电源，且该第二直流至直流转换器根据该第二追踪信号以产生第二电源。
4.根据权利要求1所述的电源产生系统，其特征在于该追踪信号为该直流至直流转换器的参考信号，且所产生的该电源与该参考信号具有以下关系：
电源＝参考信号*增益。
5.根据权利要求4所述的电源产生系统，其特征在于该信号追踪单元包含：
第一二极管，其阳极耦接至该输入信号，用以让该输入信号的正波形通过；及
一积分电路，耦接至该第一二极管的阴极，因而产生该参考电压。
6.根据权利要求5所述的电源产生系统，其特征在于该积分电路包含串联的电容器与电阻器，耦接于该第一二极管的阴极与地之间。
7.根据权利要求5所述的电源产生系统，其特征在于该信号追踪单元更包含：
第二二极管，其阳极耦接至一操作工作电压，阴极耦接至该积分电路；
其中当该输入信号小于该操作工作电压时，该第二二极管导通，因而让该参考电压维持于该操作工作电压。
8.根据权利要求4所述的电源产生系统，其特征在于该信号追踪单元包含：
一晶体管，其输入端耦接至该输入信号；
一基纳二极管，耦接至该晶体管的控制端，该基纳二极管的崩溃电压等于一操作工作电压加上该晶体管的控制端与输出端之间的压降；及
一积分电路，耦接至该晶体管的输出端，因而产生该参考电压。
9.根据权利要求4所述的电源产生系统，其特征在于该信号追踪单元包含：
第一二极管，其阳极耦接至该输入信号，用以让该输入信号的正波形通过；
一积分电路，耦接至该第一二极管的阴极；及
至少一直流补偿调整电路，用以确保所产生的该电源不会低于一最小工作电压。
10.根据权利要求9所述的电源产生系统，其特征在于该直流补偿调整电路包含：
一分压电路，其一端耦接至该积分器的输出，另一端耦接至一调整电压；及
一非反相(non-inverting)放大器，接收该分压电路所产生的分压电压。
11.根据权利要求1所述的电源产生系统，其特征在于该信号追踪单元包含：
一模拟至数字转换器(ADC)，用以将该输入信号转换为数字信号；
一数字信号处理器，接收该数字信号，据以在数字域产生该追踪信号；及
一接口，借以将该追踪信号传送至该直流至直流转换器。
12.根据权利要求11所述的电源产生系统，其特征在于该数字信号处理器更根据输入或预设的一操作工作电压，用以确保所产生的该电源的绝对值不会低于该最小工作电压。
13.根据权利要求11所述的电源产生系统，其特征在于该接口包含一数字至模拟转换器(DAC)。
14.根据权利要求11所述的电源产生系统，其特征在于该接口包含一数字接口。
15.根据权利要求14所述的电源产生系统，其特征在于该数字接口包含下列之一：通用输入/输出(GPIO)、内部整合电路(I2C)、串行外围接口(SPI)及通用异步收发器(UART)。
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