CN103869924A - 电力供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力供应装置，包括多个二极体、至少一第一电压调整器以及多个第二电压调整器。所述多个二极体的阴极以一对一方式耦接至电子装置的多个负载元件。第一电压调整器的输出端耦接至这些二极体的阳极，其中该第一电压调整器的最佳转换效率位于第一输出电流范围。多个第二电压调整器的输出端以一对一方式耦接至这些负载元件，其中这些第二电压调整器的最佳转换效率位于高于该第一输出电流范围的第二输出电流范围。不论电子装置是在正常工作模式或待机模式下，本发明的电源供应装置皆可利用较佳的转换效率来进行供电，从而延长电子装置的使用时间。

Description

电力供应装置

技术领域

本发明涉及一种电子装置，且特别涉及电子装置的电力供应装置。

背景技术

为了节省耗电，电脑通常会具备多种电源管理模式，例如正常工作模式（normal operationmode）、待机模式（standby mode）或连网待机模式（connected standby mode）。根据不同的电源管理模式，电脑会依据对应的设定而关闭或减少部份负载元件的供电，从而降低电脑整体的功率消耗。

一般而言，由于电脑在正常工作模式下的功率消耗最大，因此电源供应装置的电路设计皆会配合电脑在正常工作模式下的功耗需求而设计。这样，电源供应装置得以在电脑正常工作模式的情况下，利用最佳的功率转换效率进行供电，以减少电源供应装置的功率损耗。

然而，由于传统电源供应装置的最佳转换效率被设定在大输出电流（即重负载）的工作环境中，使得当电源供应装置工作在小输出电流（即轻负载）的工作环境中时，此传统电源供应装置的转换效率即会大幅地下降。因此，在轻负载的工作环境中，传统电源供应装置会因为转换效率不佳而损失许多功率。例如，在便携式电脑从正常工作模式进入待机模式或连网待机模式的情况下，便携式电脑的整体功率消耗虽然降低，但是便携式电脑的传统电源供应装置会因为在轻负载的工作环境中转换效率不佳而消耗大量的额外功耗。如此一来，待机模式或连网待机模式所带来的降低功耗的效益亦大打折扣。另一方面，转换效率不佳的传统电源供应装置会消耗电池电量，使得便携式电脑的维持待机时间（电池寿命）被大幅缩短。

发明内容

本发明提供一种电力供应装置，其可以依照负载元件的工作状况而选择性地选用不同转换效率的电压调整器。

本发明实施例提出一种电力供应装置，包括多个第一二极体、至少一第一电压调整器以及多个第二电压调整器。所述多个第一二极体的阴极以一对一方式耦接至电子装置的多个负载元件。第一电压调整器的输出端耦接至这些第一二极体的阳极，其中该第一电压调整器的最佳转换效率位于第一输出电流范围。多个第二电压调整器的输出端以一对一方式耦接至这些负载元件，其中这些第二电压调整器的最佳转换效率位于高于该第一输出电流范围的第二输出电流范围。

基于上述，本发明实施例电力供应装置配置了具有不同转换效率的多个电压调整器。依照负载元件的工作状况，选择性地选用不同转换效率的电压调整器。在一些实施例中，电力供应装置可根据电子装置的电源管理模式而对应地致能具有较佳转换效率的电压调整器来提供工作电能。因此，不论电子装置是在正常工作模式或待机模式下，电源供应装置皆可利用较佳的转换效率来进行供电，从而延长电子装置的使用时间。

附图说明

图1为一种电子装置的电源供应装置的范例示意图。

图2为电压调整器的转换特性曲线的示意图。

图3为依据本发明实施例说明一种电源供应装置的电路框架图。

图4是依照本发明实施例说明图3中第一电压调整器与第二电压调整器的转换特性曲线的示意图。

图5为依据本发明另一实施例说明一种电源供应装置的电路框架图。

其中：

10、30、50：电子装置；                       100、300、500：电源供应装置；

410、420：转换特性曲线；                     510、530：驱动单元；

520、540：功率输出单元；                     550：第二二极体；

C：电容；                                    D1、D2、Dn：第一二极体；

L：电感；                                    LD1、LD2、LDn：负载装置；

Mp：P通道金属氧化物半导体电晶体；

Mn：N通道金属氧化物半导体电晶体；            SW：开关；

TR1：第一输出电流范围；                      TR2：第二输出电流范围；

V1：负载电压；                               VIN：输入电压；

VR1、VR2、VRn：第二电压调整器；              VRSB：第一电压调整器。

具体实施方式

为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

在本说明书中所使用的“耦接”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。另外，凡在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤代表相同或类似部分。不同实施例中使用相同标号或使用相同用语的元件/构件/步骤可以相互参照相关说明。

图1为一种电子装置的电源供应装置的范例示意图。在本实施例中，电子装置10例如为个人电脑（personal computer）、笔记本电脑（notebook computer）、超轻薄笔电（ultrabookcomputer）、平板电脑（tablet computer）、个人数字助理（personal digital assistant,PDA）、智能手机（smartphone）或其他电子装置。电子装置10所需要的工作电能是由电源供应装置100所提供。

请参照图1，电源供应装置100包括多个电压调整器（voltage regulator）VR1、VR2、…、VRn，其分别耦接至电子装置10中的多个不同的构件（例如图1所绘示的负载装置LD1、LD2、…、LDn），以便供应具有各种电压准位的工作电能。例如，如图1所示，电压调整器VR1、VR2、…、VRn分别提供对应的负载电压V1至负载装置LD1、LD2、…、LDn，使得各个负载装置LD1~LDn得以正常的运行及工作，其中n为正整数且可依据电子装置10的规格需求而更动。

具体而言，各个负载装置LD1~LDn会分别根据各自的规格/功能而工作于对应的负载电压V1。举例来说，负载装置LD1~LDn可例如为通用串行总线（Universal Serial Bus,USB）介面电路/控制器、无线区域网络（WiFi）介面电路、存储器（如次世代行动式存储器LPDDR3）或其他功能电路。其中，负载装置LD1~LDn所需的电源电压皆为V1。前述电源电压V1的准位是依照实际产品的设计需求来决定的。例如，USB介面电路的负载电压约为5伏特（V），通讯网络介面电路的负载电压约为3.3V，而存储器的负载电压约为1.2V。

因此，电压调整器VR1~VRn可对外部电压源所提供的输入电压VIN进行调整的动作，并分别输出额定的负载电压V1以供电给负载装置LD1~LDn。其中，所述外部电压源可为电池模块（battery module），或者是将交流电源转换为直流电源的电源适配器（power adapter），或者是其他直流电源，本实施例不以此为限。

此外，不同的负载装置在不同电源管理模式下所对应的工作功率也不相同。电压调整器VR1～VRn可以依据负载装置的工作状态而动态调整输出功率。

在电压调整器的电路设计中，电压调整器VR1~VRn一般会针对所对应的负载装置LD1~LDn所需的重载工作功率而设定其电路参数，以将各个电压调整器VR1~VRn的最佳转换效率设定于符合对应负载装置之重载工作功率的输出电流范围内。因此，在正常工作模式下，电源供应装置100可基于较佳的转换效率供电给电子装置10，以节省电压调整器VR1~VRn的功耗。

图2为电压调整器的转换特性曲线的示意图，其中纵轴表示电压调整器的转换效率，而横轴表示电压调整器的输出电流。在图2中，三条转换特性曲线分别绘示出图1的电压调整器VR1的输入电压VIN分别为5伏特（V）、7V以及12V的状况，其中负载电压（输出电压）V1例如设定为3.3V，但本发明不以此为限。图1的其他电压调整器可以参照图2的相关说明而类推。

请同时参照图1与图2，电压调整器VR1会调整输入电压VIN的准位（例如7V）而输出3.3V的负载电压V1。在输入电压VIN设定为7V的情况下，如图2所示，当电压调整器VR1的输出电流约为0.9安培（A）时，电压调整器VR1的转换效率为最佳（约90%）。也就是说，当负载装置LD1工作于2.97瓦（W）时，也就是当负载装置LD1工作于重载状态时，电压调整器VR1可具有最佳转换效率。此外，电压调整器VR1的转换效率会根据所接收的输入电压VIN的电压值不同而随之改变。

然而，由于省电的考量，电子装置10会在长时间未动作时进入待机模式或者连网待机模式（connected standby mode），以令电子装置10根据需求而使部份或全部的负载装置LD1~LDn工作于低功率状态。当负载装置LD1工作于低功率状态时，或是当负载装置LD1工作于轻载状态时，负载装置LD1仅需低功率的电源供应，以使其可在转换为正常工作模式时快速地唤醒，或者维持所储存的资料。电压调整器VR1的输出电流越小，其转换效率越差。例如，如图2所示，以电源电压VIN等于7V所对应的转换特性曲线为例，假设负载装置LD1工作于低功率状态时之工作功率为3.3mW，也就是电压调整器VR1的输出电流约为1mA，此时电压调整器VR1的转换效率仅约为70%。

换句话说，由于图1所示实施例中的电压调整器VR1~VRn是依据大电流（重载）状况来设置最佳转换效率，因此在电子装置10进入待机模式或连网待机模式而使各个负载装置LD1~LDn的工作功率变小时，电源供应装置100的各个电压调整器VR1~VRn会因为工作于小电流（轻载）状况而大幅降低转换效率，进而造成过多的功率浪费。尤其是便携式电子装置，转换效率不佳的电压调整器会消耗电池电量，使得便携式电子装置的维持待机时间（电池寿命）被大幅缩短。

图3为依据本发明实施例说明一种电源供应装置300的电路框架图。电源供应装置300适于供电予电子装置30使用。电子装置30可以是任何类型的电子产品，例如个人电脑、笔记本电脑、超轻薄笔电、平板电脑、个人数字助理、智能手机或其他类别的电子装置。图3所示电子装置30可以参照图1中电子装置10的相关说明而类推，故不再赘述。

请参照图3，电源供应装置300包括多个第一二极体（例如图3所绘示D1、D2、…、Dn）、至少一个第一电压调整器（例如图3所绘示VRSB）以及多个第二电压调整器（例如图3所绘示VR1、VR2、…、VRn）。二极体D1~Dn的阴极以一对一方式耦接至电子装置30的多个负载元件LD1~LDn，如图3所示。二极体D1~Dn的阳极共同耦接至第一电压调整器VRSB的输出端。

第二电压调整器VR1~VRn的输出端以一对一方式耦接至负载元件LD1~LDn，如图3所示。其中，第一电压调整器VRSB的最佳转换效率位于第一输出电流范围，而第二电压调整器VR1~VRn的最佳转换效率位于高于该第一输出电流范围的第二输出电流范围。例如，图4是依照本发明实施例说明图3中第一电压调整器VRSB与第二电压调整器VR1~VRn的转换特性曲线的示意图。图4中纵轴表示电压调整器的转换效率，而横轴表示电压调整器的输出电流。请同时参照图3与图4，转换特性曲线410为第一电压调整器VRSB的功率转换特性，且转换特性曲线420为第二电压调整器VR1~VRn的功率转换特性。在本实施例中，第一电压调整器VRSB的转换特性曲线410系根据负载元件LD1~LDn工作于低功率（轻负载）状态时的工作规格而设定，例如工作在连网待机模式。第二电压调整器VR1~VRn的转换特性曲线420则根据负载元件LD1~LDn工作于高功率（重负载）状态时的工作规格而设定，例如工作在正常工作模式。因此，第一电压调整器VRSB的最佳转换效率会位于较小的第一输出电流范围TR1，而第二电压调整器VR1~VRn的最佳转换效率则会位于高于第一输出电流范围TR1的第二输出电流范围TR2。

电子装置30中的控制器（未绘示）可以执行电源管理，以便让电子装置30依照工作需求而运作于不同电源管理模式。所述控制器可以是任何类型的控制电路，例如系统芯片（system-on-chip,SOC）、应用处理器（application processor）、媒体处理器（media processor）、微处理器（microprocessor）、中央处理单元（central processing unit,CPU）、数位信号处理器（digital signal processor）或其他类似者。举例来说，若将电子装置30实现为电脑系统，则所述控制器可以是南桥芯片（South Bridge）、中央处理单元、平台控制集线器（PlatformController Hub,PCH）、嵌入式控制器（Embedded Controller，EC）、键盘控制器（KeyboardController,KBC）、基板管理控制器（baseboard management controller,BMC）、电源管理集成电路(Power Management IC,PMIC)或其他数字控制电路。

在一些实施例中，电子装置30中的所述控制器（未绘示）可以控制第一电压调整器VRSB与第二电压调整器VR1~VRn。例如，电脑系统内的嵌入式控制器可以藉由输出待机信号（例如连网待机信号）而让电脑系统进入待机模式（例如连网待机模式），其中第一电压调整器VRSB与第二电压调整器VR1~VRn响应于所述待机信号而被致能或被禁能。当电子装置30工作于正常工作模式时，也就是负载元件LD1~LDn的负载电流落于第二输出电流范围TR2内，第一电压调整器VRSB响应于所述待机信号而被禁能，而第二电压调整器VR1~VRn响应于所述待机信号而被致能以供应负载电压V1至负载元件LD1~LDn。当电子装置30工作于待机模式（例如连网待机模式）时，也就是负载元件LD1~LDn的负载电流落于第一输出电流范围TR1内，第一电压调整器VRSB响应于所述待机信号而被致能以供应负载电压V1至负载元件LD1~LDn，而第二电压调整器VR1~VRn响应于所述待机信号而被禁能。

在其他实施例中，第一电压调整器VRSB与第二电压调整器VR1~VRn可以相互传递信息，而依据相互传递的信息来决定是否致能。例如，在初始状态，第一电压调整器VRSB被禁能，而第二电压调整器VR1~VRn被致能以供应负载电压V1至负载元件LD1~LDn。在第二电压调整器VR1~VRn被致能的状况下，第二电压调整器VR1~VRn会检测输出电流量。当第二电压调整器VR1~VRn的输出电流量小于临界值（例如超过图4所绘示第二输出电流范围TR2，或小于第一输出电流范围TR1的上限）时，第二电压调整器VR1~VRn会发出致能信号给第一电压调整器VRSB，然后第二电压调整器VR1~VRn自我禁能。在收到致能信号后，第一电压调整器VRSB被致能而供应负载电压V1至负载元件LD1~LDn。在第一电压调整器VRSB被致能的状况下，第一电压调整器VRSB会检测输出电流量。当第一电压调整器VRSB的输出电流量大于临界值（例如超过图4所绘示第一输出电流范围TR1，或大于第二输出电流范围TR2的下限）时，第一电压调整器VRSB会发出致能信号给第二电压调整器VR1~VRn，然后第一电压调整器VRSB自我禁能。在收到致能信号后，第二电压调整器VR1~VRn被致能而供应负载电压V1至负载元件LD1~LDn。

因此，上述诸实施例之电源供应装置300可根据负载元件LD1~LDn的工作模式/状态而对应地致能具有较佳转换效率的电压调整器来进行电源供应。电子装置30不论是在正常工作模式或待机模式下，电源供应装置300皆可利用较佳转换效率的电压调整器来进行供电，藉以改善电源供应装置的功率消耗问题，并且延长电子装置的待机时间（电池寿命）。

图5为依据本发明另一实施例说明一种电源供应装置500的电路框架图。图5所示实施例可以参照图3与图4的相关说明而类推之。电源供应装置500供电给电子装置50的负载元件LD1~LDn。电源供应装置500包括多个第一二极体D1～Dn、至少一个第一电压调整器VRSB以及多个第二电压调整器VR1～VRn。其中，第一电压调整器VRSB的最佳转换效率位于第一输出电流范围TR1，而第二电压调整器VR1~VRn的最佳转换效率位于高于该第一输出电流范围TR1的第二输出电流范围TR2。

上述图3实施例的第一电压调整器VRSB的实现方式可以参照图5所绘示第一电压调整器VRSB的相关说明而类推之。请参照图5，于本实施例中，第一电压调整器VRSB包括驱动单元510以及功率输出单元520。驱动单元510耦接至功率输出单元520。当电子装置50工作于一待机模式时，驱动单元510产生驱动信号给功率输出单元520。功率输出单元520依据驱动单元510的驱动信号而提供输出电压V1给负载元件LD1~LDn。

在一些实施例中，驱动单元510及/或功率输出单元520受控于电子装置50的待机信号（可参照图3所示实施例关于待机信号的相关说明）。依据电子装置50的待机信号，当电子装置50工作于待机模式时，驱动单元510及/或功率输出单元520被致能，以提供输出电压V1给负载元件LD1~LDn；当电子装置50工作于正常工作模式时，驱动单元510及/或功率输出单元520被禁能，以节省功耗。

在图5所示实施例中，功率输出单元520包括P通道金属氧化物半导体（P-channel MetalOxide Semiconductor,PMOS）电晶体Mp、N通道金属氧化物半导体（N-channel Metal OxideSemiconductor,NMOS）电晶体Mn、电感L、开关SW与电容C。其中，PMOS电晶体Mp、NMOS电晶体Mn、电感L与电容C所组成降压式（Buck）电源适配器。然而，此功率输出单元520的电路架构仅为一示例。在其他实施例中，功率输出单元520中的元件架构皆可根据设计需求而有所更动，藉以实现降压或升压的电源转换。开关SW受控于电子装置50的待机信号（可参照图3所示实施例关于待机信号的相关说明）。当电子装置50工作于待机模式时，开关SW为导通，因此功率输出单元520可以提供输出电压V1给负载元件LD1~LDn。当电子装置50工作于正常工作模式时，开关SW为截止，因此功率输出单元520被禁能。

图5所绘示之第二电压调整器VR1的相关说明可适用于图5中其他第二电压调整器（例如VRn）。另外，上述图3实施例的第二电压调整器VR1~VRn的实现方式可以参照图5所绘示第二电压调整器VR1的相关说明而类推之。第二电压调整器VR1包括驱动单元530、功率输出单元540以及第二二极体550。驱动单元530耦接于功率输出单元540。当电子装置50工作于正常工作模式时，驱动单元530产生驱动信号给功率输出单元540。功率输出单元540的输出端耦接至第二二极体550的阳极。第二二极体550的阴极耦接至对应负载元件（例如负载元件LD1）。功率输出单元540依据驱动单元530的驱动信号而提供输出电压V1经由第二二极体550给对应负载元件（例如负载元件LD1）。

在一些实施例中，驱动单元530及/或功率输出单元540受控于电子装置50的待机信号（可参照图3所示实施例关于待机信号的相关说明）。依据电子装置50的待机信号，当电子装置50工作于正常工作模式时，驱动单元530及/或功率输出单元540被致能，以提供输出电压V1给负载元件LD1；当电子装置50工作于待机模式时，驱动单元530及/或功率输出单元540被禁能，以节省功耗。

第二电压调整器VR1的功率输出单元540的实现方式可以第一电压调整器VRSB的功率输出单元520的相关说明而类推之。不同于功率输出单元520之处，在于功率输出单元540的致能时机。当电子装置50工作于正常工作模式时，功率输出单元540被致能，以提供输出电压V1给负载元件LD1。当电子装置50工作于待机模式时，功率输出单元540被禁能，以节省功耗。

在其他实施例中，当电子装置50工作于待机模式时（即当第二电压调整器VR1被禁能时），功率输出单元540的输出端可以提供高阻抗（high-impedance，一般简写为Z）状态来避免第一电压调整器VRSB的输出电能流进功率输出单元540。因此，在功率输出单元540有能力提供Z状态的情况下，第二二极体550可以被省略。图5中其他第二电压调整器（例如VRn）可以参照第二电压调整器VR1的相关说明而类推之。

综上所述，本发明实施例之电源供应装置可根据电子装置的工作模式/状态而对应地致能具有较佳转换效率的电压调整器来进行电源供应，以及禁能较差转换效率的电压调整器。因此电子装置不论是在正常工作模式或待机模式下，电源供应装置皆可利用较佳的转换效率来进行供电，藉以改善电源供应装置的功率消耗问题，并且延长电子装置的待机时间。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与润饰，故本发明之保护范围当以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种电力供应装置，包括：

多个第一二极体，其阴极以一对一方式耦接至一电子装置的多个负载元件；

至少一第一电压调整器，其输出端耦接至该些第一二极体的阳极，其中该第一电压调整器的最佳转换效率位于一第一输出电流范围；以及

多个第二电压调整器，其输出端以一对一方式耦接至该些负载元件，其中该些第二电压调整器的最佳转换效率位于高于该第一输出电流范围的一第二输出电流范围。

2.如权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于，当该电子装置工作于一正常工作模式时，该第一电压调整器被禁能，而该些第二电压调整器被致能以供电至该些负载元件。

3.如权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于，当该电子装置工作于一待机模式时，该第一电压调整器被致能以供电至该些负载元件，而该些第二电压调整器被禁能。

4.如权利要求3所述的电力供应装置，其特征在于，该待机模式为一连网待机模式。

5.如权利要求3所述的电力供应装置，其特征在于，该第一电压调整器与该些第二电压调整器响应于该电子装置的一待机信号而被致能或被禁能。

6.如权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于，该第一电压调整器包括：

一功率输出单元，用以依据一驱动信号而提供一输出电压给该些负载元件；以及

一驱动单元，耦接于该功率输出单元，其中当该电子装置工作于一待机模式时，该驱动单元产生该驱动信号给该功率输出单元。

7.如权利要求6所述的电力供应装置，其特征在于，该驱动单元受控于该电子装置的一待机信号，使得当该电子装置工作于该待机模式时，该驱动单元被致能，而当该电子装置工作于一正常工作模式时，该驱动单元被禁能。

8.如权利要求1所述的电力供应装置，其特征在于，该些第二电压调整器其中之一包括：

一第二二极体，其阴极耦接至该些负载元件中的一对应负载元件；

一功率输出单元，其输出端耦接至该第二二极体的阳极，其中该功率输出单元依据一驱动信号而提供一输出电压给该对应负载元件；以及

一驱动单元，耦接于该功率输出单元，其中当该电子装置工作于一正常工作模式时，该驱动单元产生该驱动信号给该功率输出单元。

9.如权利要求8所述的电力供应装置，其特征在于，该驱动单元受控于该电子装置的一待机信号，使得当该电子装置工作于该正常工作模式时，该驱动单元被致能，而当该电子装置工作于一待机模式时，该驱动单元被禁能。

Images