CN103513694A - 电源供应模式切换电路及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源供应模式切换电路及方法，其根据电子产品操作时所需的操作电流，通过动态地切换具有多个电源供应模式的电源供应装置，自该电源供应装置输出符合该操作电流的供应电流。其中，该电路包含取样单元、放大单元与比较单元，又该电路设置于该电源供应装置与该电子产品之间，并通过该取样单元取样来自该电源供应装置的该供应电流，并将该供应电流转换成取样电压，又，该放大单元将该取样电压放大为放大电压，并将该放大电压输出至该比较单元，而该比较单元在比较一参考电压与该放大电压之间电压值之后产生控制信号，用以切换该电源供应装置的这些电源供应模式。

Description

电源供应模式切换电路及方法
技术领域
本发明涉及一种切换电路及方法，尤其涉及可根据电子产品操作时所需的操作电压，动态地切换电源供应装置的多个电源供应模式以输出符合该操作电压的一种电源供应模式切换电路及方法。
背景技术
现有技术中，电源供应装置具有多个电压供应模式，且依照电子产品中整体电路负载的大小预先地进行选择这些电压供应模式的其中之一，使得当该电压供应单元供应该电子产品时具有最佳的功率转换效率(powerconversion efficiency)。其中，该功率转换效率的定义为输出功率与输入功率的比值。一般而言，该功率转换效率以η表示，当η值越高时，则表示功率的转换效率越好。
然而，该电子产品在操作的过程中，可能会有不同操作电流的需求。倘若该电源供应装置始终地维持在某一特定的电压供应模式，则会造成功率转换效率无法有效地保持在最佳的功率转换效率，即该电源供应装置有可能供应超过该电子产品实际上所需要的功率，而造成能源的浪费。
针对该缺陷，传统中提供两种方法，可通过切换这些电压供应模式用以维持良好的该功率转换效率，其一为在该电源供应装置内建检测集成电路，用以检测该电子产品的操作电流，但如此专门的该检测集成电路除在价格上十分昂贵外，亦无法针对不同种类的电子产品进行弹性地调整，即需要对某一电子产品进行客制化的设计；以及，其二，在该电子产品中安装监控该操作电流的软件，并通过例如通用型输入/输出端口(general purpose I/O，GPIO)对这些电压供应模式进行切换，但该软件的控制方式需要经由软件工程师进行专业的监控，就实际上的操作而言并不容易执行。
再者，由于该软件的监控方式涉及软件的算法，使得利用不同的算法会产生不同的监测结果，因而该软件的监控的准确性不高。
故有必要提供一种电源供应模式切换电路及电源供应模式切换方法解决现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电源供应模式切换电路，通过检测电子装置实际操作时所需的操作电流，在电源供应装置的多个电源供电模式之间自动地进行切换调整，以输出符合该操作电流的供应电流，并达到节能的技术效果。
本发明的另一目的是提供一种电源供应模式切换方法，根据电子产品操作时所消耗的操作电流，在多个电源供应模式电源供应装置通过动态地切换这些电源供应模式，用以输出符合该操作电流的供应电流。
为达到上述目的及其它目的，本发明提供一种电源供应模式切换电路，根据电子产品操作时所需的操作电流，在具有多个电源供应模式的电源供应装置通过动态地切换这些电源供应模式用以输出符合该操作电流的供应电流，该电源供应模式切换电路包含取样单元、放大单元与比较单元。其中，该取样单元具有第一输入端与第一输出端，该取样单元分别地连接该电子产品与该电源供应装置，并将来自于该电源供应装置的该供应电流转换成取样电压；该放大单元与该取样单元并联地连接，又该放大单元具有第二输入端与第二输出端，该放大单元通过该第二输入端接收该取样电压，该取样电压通过电压放大而形成放大电压，且该放大单元通过该第二输出端输出该放大电压；以及，该比较单元具有第三输入端、第三输出端与参考电压端，该第三输入端连接该放大单元，该参考电压端接收一参考电压，该比较单元比较该放大电压与该参考电压的电压值，且该比较单元通过该第三输出端输出供切换这些电源供应模式的控制信号。
为达到上述目的及其它目的，本发明提供一种电源供应模式切换方法，根据电子产品操作时所需的操作电流，在具有多个电源供应模式的电源供应装置，通过动态地切换该电源供应装置的这些电源供应模式用以输出符合该操作电流的供应电流，该电源供应模式切换方法包含步骤，为取样单元取样该操作电流，以形成取样电压；接着步骤，为比较单元接收一参考电压，以供该比较单元基于该参考电压进行电压比较；再接着步骤，为根据该参考电压与该取样电压的电压值而决定该取样电压的电压放大倍率，以让该取样电压经过该电压放大倍率后所形成的放大电压具有与该参考电压相同的电压等级，进而使该放大电压与该参考电压在相同的该电压等级进行电压比较；又接着步骤，为该比较单元判断该参考电压与该放大电压，以产生控制信号；以及，接着步骤，为输出该控制信号至该电源供应装置，以切换该电源供应模式。
与现有技术相较，本发明的电源供应模式切换电路及方法，为分别地连接电源供应装置与电子产品。其中，该电源供应装置具有多个电源供应模式，例如脉冲宽度调变模式(pulse-width modulation)与爆发模式(burst mode)。
该电源供应模式切换电路取样该电子产品实际的操作电流，并通过该电源供应模式切换电路实时地产生控制信号，用以改变该电源供应装置的这些电源供应模式进而输出符合该操作电流的该供应电流，使得该电源供应装置不至于因为供应多余的供应电流而导致多余功率的损耗。其中，该操作电流的大小相关于该电子产品内部的整体电路负载，又根据该整体电路负载的大小，该操作电流可再进一步区分为轻载模式的该操作电流与重载模式的该操作电流。
即，若该电源供应装置所提供的供应电流，为符合该电子产品操作时所需该操作电流时，则根据焦耳定律的公式P=I2R(其中，P表示电功率、I表示操作电流以及R表示该电子产品中整体的电路负载)，该电源供应装置的该电功率可完全地作用在该电子产品，而使该电源供应装置有高的功率转换效率；反之，若该电源供应装置供应明显地超过该操作电流的该供应电流时，则在本实施例中所产生的电功率明显地超过该电子产品实际上所需的电功率，则会使得该电源供应装置的功率转换效率降低，进而造成能源的浪费。
附图说明
图1为本发明第一实施例的电源供应模式切换电路的方块示意图；
图2为本发明第二实施例的电源供应模式切换电路的电路示意图；
图3为本发明第一实施例的电源供应模式切换方法的步骤示意图。
主要部件附图标记：
2      电子产品
4      电源供应装置
42     控制接脚
10     电源供应模式切换电路
12     取样单元
122    第一输入端
124        第一输出端
126        电阻器
14         放大单元
142        第二输入端
144        第二输出端
146        运算放大器
148        输入电阻
1410       输出电阻
16         比较单元
162        第三输入端
164        第三输出端
166        参考电压端
168        电压比较器
Ioperate   操作电流
Isupport   供应电流
MPS        电源供应模式
HVL        高电位
LVL        低电位
Vsampling  取样电压
Vamplify   放大电压
Vreference 参考电压
S31-S35    方法步骤
具体实施方式
为充分了解本发明的目的、特征及技术效果，这里通过下述具体的实施例，并结合附图，对本发明做详细说明，说明如下：
参照图1，为本发明第一实施例的电源供应模式切换电路的方块示意图。在图1中，该电源供应模式切换电路10根据电子产品2操作时所需的操作电流Ioperate，在具有多个电源供应模式MPS(mode power supply)的电源供应装置4，通过动态地切换该电源供应装置4的这些电源供应模式，而输出符合的该操作电流Ioperate的供应电流Isupport。
此外，由于该电子产品2与该电源供应装置4以串联的方式连接，故该电子产品2与该电源供应装置4之间最终的该供应电流Isupport等于该操作电流Ioperate。又，当该电源供应装置4供应高于该操作电流Ioperate的该供应电流Isupport时，多余的该供应电流Isupport会通过该电子产品2与该电源供应装置4的共同接地端流失。
在本实施例中，这些电源供应模式MPS以脉冲宽度调变模式与爆发模式为例说明。
其中，该脉冲宽度调变模式将连续的电流转换为脉波型态的一种调变方法，而在该脉波型态中在一周期内可区分为电流供应区域与非电流供应区域，通过调整这些区域在该周期中所占的比例(一般称为工作周期(duty cycle))，进而调整输出的该供应电流Isupport供应的周期，并以固定的频率持续地供应该供应电流Isupport。一般而言，该脉冲宽度调变模式适合操作在该电子产品2的重载环境。
该爆发模式仍以脉波型态供应该供应电流Isupport，但与该脉冲宽度调变模式不同的是，该爆发模式在特定的周期并不会输出该供应电流Isupport，使得该电源供应装置4可达到省电的目的。在实际地操作中，该供应电流Isupport在几个周期逐渐地降低，直到该供应电流Isupport邻近该操作电流Ioperate之后，又再度地供应该供应电流Isupport以补足该操作电流Ioperate，用以维持该电子产品的操作。一般而言，该爆发模式适合操作在该电子产品2的轻载环境。
在本实施例中，该电源供应装置4具有控制接脚42，且该控制接脚42可根据在该控制接脚42的高电位HVL(high voltage level)或低电位LVL(lowvoltage level)而选择这些电源供应模式MPS。举例而言，当该控制接脚42为高电位HVL时，则该电源供应模式MPS处于该爆发模式；以及，当该控制接脚42为低电位LVL时，则该电源供应模式MPS处于该脉冲宽度调变模式。
其中，该电源供应模式切换电路10包含取样单元12、放大单元14与比较单元16。
该取样单元12具有第一输入端122与第一输出端124。该取样单元12设置于该电子产品2与该电源供应装置4之间，且该取样单元12通过该第一输入端122连接至该电源供应装置4，以及该取样单元12通过该第一输出端124连接至该电子产品2，并使得该取样单元12串联地连接该电子产品2与该电源供应装置4。
再者，由于该取样单元12、该电子产品2与该电源供应装置4串联地连接。故该电源供应装置4所供应的该供应电流Isupport同样地流经该取样单元12，但由于该电子产品2实际上以该操作电流Ioperate进行功率的消耗，故该取样单元12将该操作电流Ioperate转换成取样电压Vsampling。
在本实施例中，一并参照图2，在本实施例中，该取样单元12以电阻器126为例说明。故该取样电压Vsampling为该操作电流Ioperate与该电阻器126的乘积。举例而言，该电阻器126的电阻值范围介于10毫欧姆(milli-ohm)与20毫欧姆之间，且由于该电阻值选用的范围属于毫欧姆级的电阻，对于该电子产品2与该电源供应装置4整体阻抗而言，所产生的影响十分微小。
回到图1，该放大单元14具有第二输入端142与第二输出端144，且通过该第二输入端142的两端分别地连接该第一输入端122与该第一输出端124，让该第二输入端142与该取样单元12呈现并联的型态，即该放大单元14通过并联的型态取得该取样电压Vsampling。又，该放大单元14将该取样电压Vsampling放大成为放大电压Vamplify，并自该第二输出端124输出该放大电压Vamplify。
其中，该放大单元14在该第二输入端142与该第二输出端144之间形成电压放大倍率，且该电压放大倍率为该第二输出端142与该第二输入端144的比值。
又，该电压放大倍率的选用使得该取样电压Vsampling经由电压放大之后的该放大电压Vamplify为能够提供与后面所述的参考电压Vreference进行比较，则该电压放大倍率能够让该取样电压Vsampling通过电压放大而与该参考电压Vreference具有相同的电压等级的该电压值，用以进行电压值的比较。其中，该电压等级可为例如毫电压等级。举例而言，若该取样电压Vsampling为微电压等级时，则为了能够与毫电压等级的该参考电压Vreference进行比较，则该取样电压Vsampling通过1000倍的该电压放大倍率，使得微电压等级的该取样电压Vsampling由微电压等级提升至毫电压等级。
在本实施例中，一并参照图2，该放大单元14以运算放大器146、输入电阻148与输出电阻1410为例说明。该运算放大器146根据该输出电阻148与该输入电阻1410的比值而使得该放大单元14具有该电压放大倍率，即该电压放大倍率该输出电阻148除以该输入电阻1410。
回到图1，该比较单元16具有第三输入端162、第三输出端164与参考电压端166。该第三输入端162与该第二输出端144连接，并接收该放大电压Vamplify。又，该比较单元16通过该参考电压端166接收一参考电压Vreference。该比较单元16比较该放大电压Vamplify与该参考电压Vreference的电压值，且该比较单元16通过该第三输出端164送出供切换这些电源供应模式的控制信号，在本实施例中，该控制信号以高电位HVL或低电位LVL为例说明。再者，该高电位HVL或该低电位LVL通过该比较单元16传送至该电源供应装置4的该控制接脚42，用以切换这些电源供应模式MPS。
在本实施例中，一并参照图2，该比较单元16以电压比较器168为例说明。该电压比较器168具有三只接脚，其一接脚接收该参考电压Vreference、另一接脚连接该第二输出端144而接收该放大电压Vamplify与又一接脚用于输出该参考电压Vreference与该放大电压Vamplify比较的结果，即输出该高电位HVL或该低电位LVL。该高电位HVL用于控制该电源供应装置4切换至该爆发模式；以及，该低电位LVL用于控制该电源供应装置4切换至该脉冲宽度调变模式。
参照图3，为本发明第一实施例的电源供应模式切换方法的步骤示意图。在图3中，该电源供应模式切换方法根据电子产品操作时的操作电流，在电源供应装置的多个电源供应模式(例如脉冲宽度调变模式与爆发模式)之间通过动态地切换，用以输出符合该操作电流的供应电流。
该电源供应模式切换方法的流程起始于步骤S31，通过取样单元取样该操作电流以形成取样电压。该步骤中，该取样单元通过串联地连接该电子产品与该电源供应装置，并在该取样单元中撷取该操作电流，并自该取样单元的两端取得该取样电压。
再接着步骤S32，比较单元连接参考电压，以供该比较单元基于该参考电压进行电压比较。
又接着步骤S33，根据该参考电压与该取样电压的电压值而决定该取样电压的电压放大倍率，以让该取样电压经过该电压放大倍率后所形成的放大电压供与该参考电压进行电压值比较，其中该放大电压与该参考电压具有相同的电压等级。在另一实施例中，在该步骤S33中该电压放大倍率可通过运算放大器、输出电阻与输入电阻的组合而产生，且该运算放大器又根据该输出电阻与该输入电阻的比值而决定该电压放大倍率，例如当该取样电压为微电压(micro-voltage)等级及该参考电压为毫电压时，该输出电阻与该输入电阻的比值为千(kilo)倍。
接着步骤S34，该比较单元判断该放大电压与该参考电压，以产生控制信号。
举例而言，当该放大电压的电压值大于该参考电压的电压值时，则该比较单元输出具有高电位的该控制信号，用以将该电源供应装置切换为该爆发模式；当该放大电压的电压值小于该参考电压的电压值时，则该比较单元输出具有低电位的该控制信号，用以将该电源供应装置切换至为该脉冲宽度调变模式；以及，当该放大电压的电压值等于该参考电压的电压值，则该比较单元输出具有高电位或低电位的其中之一的该控制信号，用以将该电源供应装置维持在该爆发模式或该脉冲宽度调变模式。
接着步骤S35，传送该控制信号至该电源供应装置，以切换至该电源供应模式。
故本发明的电源供应模式切换电路及方法，连接电源供应装置与电子产品连接，并通过在自该电子产品取样实际的操作电流之后，用以实时地产生控制信号改变该电源供应装置的电压供电模式，进而使得该电源供应装置供应符合该电子产品操作所需的该操作电流，使得该电源供应装置不至于因供应多余的电流而导致多余功率的损耗。
本发明在上文中已以较佳实施例揭露，然而本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与该实施例等效的变化与置换，均应视为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以权利要求书所限定的内容为准。

Claims (16)

1.一种电源供应模式切换电路，其特征在于，根据电子产品操作时所需的操作电流，在具有多个电源供应模式的电源供应装置，通过动态地切换该电源供应装置的这些电源供应模式以输出符合该操作电流的供应电流，该电源供应模式切换电路包含：
取样单元，具有第一输入端与第一输出端，该取样单元分别地连接该电子产品与该电源供应装置，并将来自于该电源供应装置的该供应电流转换成取样电压；
放大单元，与该取样单元并联地连接，又，该放大单元具有第二输入端与第二输出端，该放大单元通过该第二输入端接收该取样电压，该取样电压通过电压放大而形成放大电压，且该放大单元通过该第二输出端输出该放大电压；以及
比较单元，具有第三输入端、第三输出端与参考电压端，该第三输入端连接该放大单元，该参考电压端接收一参考电压，该比较单元比较该放大电压与该参考电压的电压值，且该比较单元通过该第三输出端输出供切换这些电源供应模式的控制信号。
2.如权利要求1所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，该取样单元为电阻器，该电阻器的电阻值范围介于10毫欧姆与20毫欧姆之间。
3.如权利要求2所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，该取样电压为该供应电流与该电阻器的乘积。
4.如权利要求1所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，该放大单元提供一电压放大倍率，且该电压放大倍率为该第二输出端与该第二输入端的比值。
5.如权利要求4所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，该放大单元还包含运算放大器、输入电阻与输出电阻，该运算放大器根据该输出电阻与该输入电阻的比例而让该放大单元具有该电压放大倍率。
6.如权利要求1所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，这些电源供应模式分别地为脉冲宽度调变模式与爆发模式。
7.如权利要求6所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，当该放大电压的电压值大于该参考电压的电压值，该比较单元输出具有高电位的该控制信号，并将该电源供应装置切换为该爆发模式。
8.如权利要求6所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，当该放大电压的电压值小于该参考电压的电压值，该比较单元输出具有低电位的该控制信号，并将该电源供应装置切换至为该脉冲宽度调变模式。
9.如权利要求6所述的电源供应模式切换电路，其特征在于，当该放大电压的电压值等于该参考电压的电压值，该比较单元输出具有高电位或低电位的其中之一的该控制信号，以使该电源供应装置维持在该爆发模式或该脉冲宽度调变模式。
10.一种电源供应模式切换方法，其特征在于，根据电子产品操作时所需的操作电流，在具有多个电源供应模式的电源供应装置，通过动态地切换该电源供应装置的这些电源供应模式以输出符合该操作电流的供应电流，该电源供应模式切换方法包含：
取样单元取样该操作电流，以形成取样电压；
比较单元接收一参考电压，以供该比较单元基于该参考电压进行电压比较；
根据该参考电压与该取样电压的电压值而决定该取样电压的电压放大倍率，以让该取样电压经过该电压放大倍率后所形成的放大电压具有与该参考电压相同的电压等级，进而使该放大电压与该参考电压在相同的该电压等级进行电压比较；
该比较单元判断该参考电压与该放大电压，以产生控制信号；以及
输出该控制信号至该电源供应装置，以切换该电源供应模式。
11.如权利要求10所述的电源供应模式切换方法，其特征在于，在根据该参考电压与该取样电压的电压值而决定该取样电压的电压放大倍率，以让该取样电压经过该电压放大倍率后所形成的放大电压供与该参考电压进行电压值比较，其中该放大电压与该参考电压具有相同的电压等级的该电压值的步骤中，该电压放大倍率通过运算放大器、输出电阻与输入电阻的组合电路而产生，且该运算放大器又根据该输出电阻与该输入电阻的比值而决定该电压放大倍率，该电压放大倍率等于该输出电阻与该输入电阻的比值。
12.如权利要求11所述的电源供应模式切换方法，其特征在于，当该取样电压为微电压等级及该参考电压为毫电压时，该输出电阻与该输入电阻的比值为千倍。
13.如权利要求10所述的电源供应模式切换方法，其特征在于，这些电源供应模式为爆发模式或脉冲宽度调变模式。
14.如权利要求13所述的电源供应模式切换方法，其特征在于，当该放大电压的电压值大于该参考电压的电压值时，则该比较单元输出具有高电位的该控制信号，用以将该电源供应装置切换为该爆发模式。
15.如权利要求13所述的电源供应模式切换方法，其特征在于，当该放大电压的电压值小于该参考电压的电压值时，则该比较单元输出具有低电位的该控制信号，用以将该电源供应装置切换至为该脉冲宽度调变模式。
16.如权利要求13所述的电源供应模式切换方法，其特征在于，当该放大电压的电压值等于该参考电压的电压值，则该比较单元输出具有高电位或低电位的其中之一的该控制信号，用以将该电源供应装置维持在该爆发模式或该脉冲宽度调变模式。
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