CN103809643B - 混成供电架构 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种混成供电架构，包括微控制器、线性调节器、第一及第二电流感测单元、切换调节器、PWM控制器以及混成输出级，其特征在于：线性调节器及切换调节器分別依据微控制器的第一及第二致能信号而进行线性调节处理及切换调节处理，所以产生线性输出电源及切换输出电源，并由第一及第二电流感测单元分別感测线性输出电源及切换输出电源而产生第一及第二电流感测信号，且由微控制器接收以判断负载状态，而在重负载时，启动切换调节器，尤其是在切换输出电源稳定时，才关闭线性调节器。因此，本发明可达到具最佳电气效率的无缝切换的混成供电目的。

Description

混成供电架构

技术领域

本发明是有关于一种混成供电架构，尤其是可依据负载程度启动线性调节器或切换调节器以达到具最佳电气效率的无缝切换的混成供电目的。

背景技术

具不同工作电气特性的电子装置通常需要不同电压、电流或功率的特定电源以提供所需的工作电力，比如电动马达需要12V直流电，类比晶片需要3.3V，而数位晶片一般需要1.8V，因此，电源管理类者开发各种电源调节装置及电源转换装置以符合所需。此外，在原始输入电源不稳定时，比如市电常常受到负载不平衡的影响而经常性的大幅度升压或压降，需要具稳压作用的稳压或调节装置。或者，因原始电源本身的供电能力有限，无法应付负载的剧烈变动，而使得输出电压或电流变成不稳定，所以也需要这当的稳压或调节装置。

对于一般电子应用领域，众所周知的调节方式可包括线性调节及切换调节。线性调节是使用线性电子元件，比如运算放大器，配合电压或电流感测电路，所以控制输出级单元，比如功率电晶体，产生可依据负载程度而动态调节的稳定输出电源。切换调节方式主要是利用高頻的PWM信号以控制、切换特定电晶体开关的导通、关闭，进而将原始电源转成具特定电压、电流或功率的输出电源，同时去除杂讯，达到电源调节及/或转换的目的。

具体而言，线性调节、切换调节本身在操作时会消耗原始电源中的部分电力而造成操作损失，其中操作损失是随负载程度而变动。例如，线性调节在轻负载时具有较低的操作损失，而对于重负载，切换调节的操作损失较低。即，线性调节这合轻负载的应用领域，而切换调节这合重负载，使得在负载变动范围大的应用领域时，单独使用线性调节或切换调节实质上是无法有效降低整体的操作损失，导致电气效率不高。

因此，非常需要一种混成供电架构，可依据实际电气负载特性而动态切换线性调节其及切换调节器的运作，尤其是可达到无缝切换的供电目的，使得功率耗损最低，提供稳定的输出电源，因而克服上述所用技術的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种混成供电架构，用以将输入电源转换成具有不同于输入电源的电压及或电流的输出电源，以供应给外部的负载，且本发明主要包括微控制器、线性调节器、第一电流感测单元、切换调节器、第二电流感测单元以及混成输出级，其中线性调节器及切换调节器分別依据微控制器的第一及第二致能信号而进行线性调节处理及切换调节处理，所以产生线性输出电源及切换输出电源，并由第一及第二电流感测单元分別感测线性输出电源及切换输出电源而产生第一及第二电流感测信号，并由微控制器接收，进而判断负载状态为轻负载或重负载，且在启始时，控制器只启动线性调节器而关闭切换调节器，并在重负载时，启动切换调节器。

尤其是，在切换输出电源稳定时，才关闭线性调节器。类似的，当负载状态由目前的重负载转变为轻负载时，控制器会启动线性调节器，而在线性调节器的线性输出电源稳定时，才关闭切换调节器。

即，本发明可依据负载状态控制线性调节器及切换调节器，使得在轻负载及重负载时分別由线性调节器及切换调节器负责调节处理，可提高电源转换效率，尤其是在轻负载及重负载的间的切换期间，线性调节器及切换调节器同时运作，所以维持输出电源的稳定性，达到无缝切换的混成供电，并进而保护负载。

附图说明

图1所示依据本发明实施例混成供电架构的系统示意图。

图2所示本发明混成供电架构中线性调节器的示范性实例示图。

图3所示本发明混成供电架构中切换调节器的示范性实例示图。

图4所示本发明混成供电架构中混成输出级的示范性实例示图。

图中标记: 10微控制器；20线性调节器；21第一电流感测单元；30切换调节器；31第二电流感测单元；32 PWM控制器 ；40混成输出级；BUF1第一缓冲器；BUF2第二缓冲器；CS1第一电流感测信号；CS2第二电流感测信号；D1第一二极体；D2第二二极体；EN1第一致能信号；EN2第二致能信号；LCH扼流线圈；MOS1第一电晶体；MOS2第二电晶体；MOS3第三电晶体；OP运算放大器；OPS1第一运算放大器；OPS2第二运算放大器；PG1第一通知信号；PG2第二通知信号；R11上拉电阻；R12下拉电阻；R2上拉电阻；R3上拉电阻；RL负载；RS1第一感测电阻；RS2第二感测电阻；V1线性输出电源；V2切换输出电源；Vin输入电源；Vout 输出电源。

具体实施方式

以下配合图示及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，仅使熟所所述项技术者在研读本说明书后能据以实施。

参考图1，依据本发明实施例混成供电架构的系统示意图。如图1所示，本发明的混成供电架构主要包括微控制器10、线性调节器20、第一电流感测单元21、切换调节器30、第二电流感测单元31以及混成输出级40，由微控制器10執行预设的控制操作，可将输入电源Vin转换成输出电源Vout，以供应给外部的负载RL。

具体而言，线性调节器20具有线性调节(Linear Regulation)功能，并在微控制器10的控制下进行线性调节处理，接收输入电源Vin，并将输入电源Vin转换成线性输出电源V1。相类似的，切换调节器30具有切换调节(Switching Regulation)功能，可在微控制器10的控制下进行切换调节处理，接收输入电源Vin，并转换成切换输出电源V2。混成输出级40接收线性输出电源V1及切换输出电源V2，并结合、混成而形成输出电源Vout，同时混成输出级40具有防止线性输出电源V1的电流及切换输出电源V2的电流相互干扰的隔离功能，即线性输出电源V1的电流不会窜流到切换输出电源V2的电流，同时切换输出电源V2的电流也不会窜流到线性输出电源V1的电流。

此外，第一电流感测单元21及第二电流感测单元31分別感测线性输出电源V1及切换输出电源V2，即感测与线性输出电源V1及切换输出电源V2相关的负载电流，进而产生相对应的第一电流感测信号CS1及第二电流感测信号CS2，代表目前的负载状态或负载程度。

微控制器10接收并依据第一电流感测信号CS1及第二电流感测信号CS2，以判断负载状态为轻负载或重负载，所以启动、关闭线性调节器20、切换调节器30的运作。

在实际操作中，当输入电源Vin开始供电时，微控制器10会先启动线性调节器20，并关闭切换调节器30，因为负载电流一开始时为零，可視为轻负载。因此，混成输出级40的输出电源Vout只包含来自线性调节器20的线性输出电源V1。的后，随着负载程度逐步达到稳定状态，第一电流感测单元21感测线性输出电源V1所产生的第一电流感测信号CS1会由微控制器10接收，并进而判断目前的负载状态是否转变成重负载，比如第一电流感测信号CS1是否超过预设的临限值。如果负载状态仍为启始时的轻负载，则保持线性调节器20为启动，且切换调节器30为关闭，而如果负载状态由轻负载主变成重负载，则先启动切换调节器30，同时保持线性调节器20为启动，直到切换调节器30的切换输出电源V2稳定时，才关闭线性调节器20。即，在负载状态由轻负载转变成重负载且切换输出电源V2还未稳定的期间，线性调节器20及切换调节器30是同时运作，分別提供线性输出电源V1及切换输出电源V2给混成输出级40，直到切换输出电源V2稳定为止。

同样的，微控制器10可依据来自第二电流感测单元31的第二电流感测信号CS2，判断负载状态是否保持在重负载。如果为重负载，则保持切换调节器30为启动，而线性调节器20为关闭。当负载状态由重负载转变成轻负载时，微控制器10会先启动线性调节器20，并维持切换调节器30的原有运作，直到线性输出电源V1稳定时，才关闭切换调节器30。即，在负载状态由重负载转变成轻负载且线性输出电源V1还未稳定的期间，线性调节器20及切换调节器30是一起运作。

因此，不论是由轻负载转变成重负载，或由重负载转变成轻负载，线性调节器20及切换调节器30的运作会在转换的过渡期间重叠，达到平順的无缝切换目的，改善输出电源Vout的稳定性。

更加具体而言，微控制器10的控制操作实质上是可包括以下步骤。首先，在输入电源开始供电时，启动线性调节器20并关闭切换调节器30，接著进入感测判断步骤，接收第一电流感测信号CS1及第二电流感测信号CS2，并据以判断切换输出电源V1的负载状态以及切换输出电源V2的负载状态。如果仍为轻负载，则维持现况，所述线性调节器为启动且所述切换调节器为关闭，而如果由轻负载转变为重负载，则先启动切换调节器30，并等到切换调节器30的切换输出电源V1达到稳定时，才关闭线性调节器20。的后，如果负载状态仍为重负载，则维持线性调节器20为关闭，切换调节器30为启动，而如果由重负载转变为轻负载，则维持切换调节器30为启动，并先启动线性调节器20，直到线性调节器20的线性输出电源V1达到稳定时，才关闭切换调节器30，并回到上述的感测判断步骤，重复后续的处理。

请进一步参考图2、图3及图4，其特征在于：图2所示线性调节器20及第一电流感测单元21的示范性电路实例，图3所示切换调节器30及第二电流感测单元31的示范性电路实例，而图4所示混成输出级40的示范性电路实例。要注意的是，图2、图3及图4只是方便说明本发明特徵的实例而已，并非用以限定本发明的范围，即图2、图3及图4中的电子元件实质上是包含具有相对电气功能的其他元件或装置。

如图2所示，线性调节器20包含第一缓冲器BUF1、上拉电阻R11、下拉电阻R12、运算放大器OP及第一电晶体MOS1，而第一电流感测单元21包含第一运算放大器OPS1及第一感测电阻RS1。

第一缓冲器BUF1接收来自微控制器10的第一致能信号EN1，并经缓冲处理后产生缓冲输出信号，传送至运算放大器OP的非反相输入端，用以启动线性调节器20的线性调节功能，且非反相输入端同时连接上拉电阻R11及下拉电阻R12，所以产生箝位作用，防止第一缓冲器BUF1的缓冲输出信号过高或过低，以保护运算放大器OP。此外，运算放大器OP的反相输入端连接线性输出电源V1，使得运算放大器O将缓冲输出信号及线性输出电源V1的间的差額放大后产生第一控制信号，连接至第一电晶体MOS1的闸极，所以控制第一电晶体MOS1的导通或关闭。第一电晶体MOS1的源极产生第一通知信号PG1。

第一感测电阻RS1连接输入电源Vin及第一电晶体MOS1的汲极的间，并跨接在第一运算放大器OPS1的非反相输入端及反相输入端，使得第一运算放大器OPS1将第一感测电阻RS1的端电压放大后，在输出端产生第一电流感测信号CS1。

如图3所示，切换调节器30包含第二缓冲器BUF2、上拉电阻R2、脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制器32、上拉电阻R3、第二电晶体MOS2及第三电晶体MOS3，而第二电流感测单元31包含第二运算放大器OPS2及第二感测电阻RS2。

切换调节器30的第二缓冲器BUF2接收来自微控制器10的第二致能信号EN2，并经缓冲处理后产生缓冲输出信号而传送至PWM控制器32，用以启动PWM控制器32，进行切换调节功能，同时PWM控制器32接收切换输出电源V2，并产生第二通知信号PG2，代表切换输出电源V2已稳定。此外，PWM控制器32依据切换输出电源V2，产生二PWM驱动信号，分別驱动第二电晶体MOS2及第三电晶体MOS3的闸极，且第二电晶体MOS2的源极连接第三电晶体MOS3的汲极，而第三电晶体MOS3的源极为接地。

第二电流感测单元31的第二感测电阻RS2连接输入电源Vin及第二电晶体MOS2的汲极的间，并跨接在第二运算放大器OPS2的非反相输入端及反相输入端，使得第二运算放大器OPS2将第二感测电阻RS2的端电压放大后，在输出端产生第二电流感测信号CS2。

如图4所示，混成输出级40包含第一二极体D1、扼流线圈LC H及第二二极体D2，其中，第一二极体D1的正端连接第一通知信号PG1，且第一二极体D1的负端连接线性输出电源V1，而扼流线圈LC H的一端连接切换输出电源V2，扼流线圈LC H的另一端连接第二二极体D2的正端，且第二二极体D2的负端连接线性输出电源V1。因此，线性输出电源V1的电流是利用具整流作用的第二二极体D2而与切换输出电源V2的电流相互隔离，达到防止相互窜流的目的。

综上所述，本发明的主要特点在于利用微控制器依据负载状态，启动或关闭线性调节器及切换调节器的调节功能，尤其是可在轻负载及重负载时分別由线性调节器及切换调节器负责调节处理，所以提高电源转换效率。

本发明的另一特点在于可在轻负载及重负载的间的切换期间，同时保持线性调节器及切换调节器运作，直到线性输出电源V1或切换输出电源V2达到稳定状态为止，因而能维持输出电源的稳定性，达到无缝切换的混成供电目的。

以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，是以，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，都仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (7)

1.一种混成供电架构，是用以将一输入电源转换成一输出电源，以供应给外部的一负载，包括：

一微控制器；

一线性调节器，接收所述输入电源，并受所述微控制器控制以进行线性调节处理，用以将所述输入电源转换成一线性输出电源；

一第一电流感测单元，感测所述线性输出电源的相关负载电流，产生一第一电流感测信号，代表所述线性输出电源的相对应负载状态；

一切换调节器，接收所述输入电源，并受所述微控制器控制以进行切换调节处理，用以将所述输入电源转换为一切换输出电源；

一第二电流感测单元，感测所述切换输出电源的相关负载电流，产生一第二电流感测信号，代表所述切换输出电源的相对应负载状态，以及

一混成输出级，接收所述线性输出电源及所述切换输出电源，并结合、混成而形成所述输出电源，且提供防止所述线性输出电源的电流及所述切换输出电源的电流相互干扰的隔离功能；

其特征在于：所述微控制器接收所述第一电流感测信号及所述第二电流感测信号，并据以判断负载状态为轻负载或重负载，并据此启动或关闭所述线性调节器及启动或关闭所述切换调节器。

2.依据权利要求1所述的混成供电架构，其特征在于：所述微控制器执行一控制操作，且所述控制操作包括：

在所述输入电源开始供电时，产生一第一致能信号以启动所述线性调节器，且所述切换调节器为关闭：

进入一感测判断步骤，接收所述第一电流感测信号及所述第二电流感测信号，并依据所述第一电流感测信号及所述第二电流感测信号以判断所述线性输出电源的负载状态以及所述切换输出电源的负载状态；

如果所述负载状态仍为轻负载，则维持所述线性调节器为启动且所述切换调节器为关闭；

如果所述负载状态由轻负载转变为重负载，则维持所述线性调节器为启动，并产生一第二致能信号以启动所述切换调节器；

如果所述切换调节器的切换输出电源稳定时，则停止产生所述第一致能信号以关闭所述线性调节器；

如果所述负载状态仍为重负载，则维持所述线性调节器为关闭且所述切换调节器为启动；

如果所述负载状态由重负载转变为轻负载，则维持所述切换调节器为启动，并产生所述第一致能信号以启动所述线性调节器；

如果所述线性调节器的线性输出电源稳定时，则停止产生所述第二致能信号以关闭所述切换调节器，并回到所述感测判断步骤以重复上述的处理。

3.依据权利要求2所述的混成供电架构，其特征在于：所述线性调节器包含一第一缓冲器、一上拉电阻、一下拉电阻、一运算放大器及一第一电晶体，所述第一缓冲器接收来自所述微控制器的第一致能信号，并经缓冲处理后产生一缓冲输出信号，传送至所述运算放大器的一非反相输入端，用以启动所述线性调节器，且所述非反相输入端同时连接所述上拉电阻及所述下拉电阻，所以产生箝位作用，所述运算放大器的一反相输入端连接所述线性输出电源，并产生及输出一第一控制信号，所述第一控制信号连接至所述第一电晶体的一闸极，而所述第一电晶体的一源极产生一第一通知信号。

4.依据权利要求3所述的混成供电架构，其特征在于：所述第一电流感测单元包含一第一运算放大器及一第一感测电阻，

所述第一感测电阻的两端分别连接所述输入电源及所述第一电晶体的一汲极，并跨接在所述第一运算放大器的一非反相输入端及一反相输入端，并在所述第一运算放大器的一输出端产生所述第一电流感测信号。

5.依据权利要求4所述的混成供电架构，其特征在于：所述切换调节器包含一第二缓冲器、一上位电阻、一脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)控制器，一另一上位电阻、一第二电晶体及一第三电晶体，所述第二缓冲器接收来自所述微控制器的第二致能信号，并经缓冲处理后产生一缓冲输出信号而传送至所述脉冲宽度调变控制器，用以启动所述脉冲宽度调变控制器，进行一切换调节功能，所述脉冲宽度调变控制器接收并依据所述切换输出电源产生一第二通知信号，所述脉冲宽度调变控制器并依据所述切换输出电源产生二脉冲宽度调变驱动信号，用以分别驱动所述第二电晶体的闸极，且所述第二电晶体的源极连接所述第三电晶体的汲极，而所述第三电晶体的源极为接地。

6.依据权利要求5所述的混成供电架构，其特征在于：所述第二电流感测单元包含一第二运算放大器及一第二感测电阻，所述第二感测电阻连接输入电源及所述第二电晶体的汲极，并跨接在所述第二运算放大器的非反相输入端及反相输入端，且在所述第二运算放大器的输出端产生所述第二电流感测信号。

7.依据权利要求6所述的混成供电架构，其特征在于：所述混成输出级包含一第一二极体、一扼流线圈及一第二二极体，

所述第一二极体的正端连接所述第一通知信号，且所述第一二极体的负端连接所述线性输出电源，而所述扼流线圈的一端连接所述切换输出电源，所述扼流线圈的一另一端连接所述第二二极体的正端，且所述第二二极体的负端连接所述线性输出电源。