CN104682692A

CN104682692A - 电源管理单元

Info

Publication number: CN104682692A
Application number: CN201310625630.3A
Authority: CN
Inventors: 黄顺治; 张志隆; 李延霖; 黄文政
Original assignee: Giga Byte Technology Co Ltd
Current assignee: Giga Byte Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明涉及一种电源管理单元，包括：第一电压端，接收一第一电压；电流侦测电路，耦接第一电压端，并侦测第一电压上的第一电流值，以产生电流侦测讯号；讯号处理电路，耦接电流侦测电路；脉宽调变控制电路，耦接讯号处理电路；脉宽调变驱动电路，耦接脉宽调变控制电路；功率开关电路，耦接第一电压端以及脉宽调变驱动电路，第一电压提供予功率开关电路；可调电压源，耦接讯号处理电路以及脉宽调变驱动电路，并产生可调电压提供予脉宽调变驱动电路。其中，电流侦测讯号的大小决定可调电压的大小是为若干个可调电压值的其中之一。

Description

电源管理单元

【技术领域】

本发明关于一种电源管理单元，特别是一种可以调整脉宽调变驱动电路的供电电压大小的电源管理单元。

【背景技术】

开关电压转换电路（switching voltage converting circuit）是为电压转换电路的一种，利用切换功率开关的方式，调节储存在储能电感上的能量以供给至输出负载，并将输入电压转换为输出电压于输出端，以维持固定的输出电压值，并提供输出负载所需的负载电流。其优点为转换效率高，因此能减少不必要的发热，进而降低散热设计上的复杂度。因此，在一些具有大输出电流需求的应用上，开关电压转换电路成为不可或缺的电源管理的部件之一。

例如在电脑系统的显示卡上，由于目前显示器的解析度愈来愈高，且萤幕画面在动态以及静态的表现上愈来愈要求品质，因此显示卡本身的耗电愈来愈大，已占电脑系统整体功耗一个相当大的比例。目前中高阶的显示卡甚至另外需要散热风扇或是大型散热片来解决因为大量功耗所造成的散热问题。在一般的操作情形下，目前高阶显示卡的整体电流平均约为40安培，而中阶显示卡则约为30安培左右。显示卡上的电压转换电路，目前主流为多相式（multi-phase）的开关电压转换电路，其优点为电压涟波（voltage ripple）小、只需较小电流规格的电感元件因此节省成本、对于负载变化有快速的暂态响应以及较高的转换效率等等。目前在显示卡的电源管理电路上较为普遍的态样，是采用四相式以及三相式的开关电压转换电路。

另外，若分析开关电压转换电路的转换效率，可以发现在一般使用情况下，主要的功耗皆与输出级的功率开关（power switch）相关。功率开关的功耗主要有导通损失（conducting loss）与切换损失（switching loss）两大部分。

导通损失是由于功率开关的通道导通时，电流流经功率开关的通道所产生。导通损失的大小为电流大小（I）乘以通道的等效阻抗（R）的平方，亦即I*R2。但由于电流大小与开关电压转换电路的应用相关，无法改变，因此欲降低导通损失，只能从减小功率开关通道的等效阻抗着手。例如当功率开关是以场效电晶体（field-effect transistor，FET）实现时，可以通过提高功率开关的控制端，亦即场效电晶体的闸极端（gate terminal）的操作电压，或者是选用以双重扩散金氧半导体场效电晶体（double-diffusedmetal-oxide-semiconductor field-effect transistor，DMOS）的半导体制程所制造的功率开关元件，来得到较小的通道等效阻抗。

切换损失则是由于功率开关的控制端，例如上述的FET的闸极端，频繁地切换所造成的功耗损失，其功耗大小约为控制端的等效输入电容值（C），乘以控制端操作电压（V）的平方，再乘以操作的频率（f），亦即C*V2*f。由上述关于导通损失以及切换损失的叙述可以发现，控制端操作电压同时影响了导通损失以及切换损失的大小，且为一取舍（trade-off）的关系。亦即，当控制端操作电压较大时，将有利于导通损失的压制，反的当控制端操作电压较小时，则是有利于切换损失的压制。

另外，由上面的叙述也可发现，导通损失与输出电流的大小成正比，而切换损失则与输出电流的大小无关。因此，在一般设计上，当输出电流较大时，导通损失是为功率开关功耗损失的主要部分，而当输出电流较小时，导通损失随的减小，此时切换损失成为功率开关功耗损失的主要部分。

然而在许多应用中，诸如上述的电脑系统的显示卡上，电源管理单元往往需随机地提供输出电流。例如显示卡所需的电流，随着电脑系统使用状况的改变，而可能从数安培到数十安培不等。然而目前在显示卡的电源管理单元的设计上，功率开关控制端的操作电压，亦即功率开关的驱动电路的供电电压，是以一固定电压值来进行供电。根据上述的分析，这样的设计方式并无法使得输出电流在较大和较小时，同时得到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

【发明内容】

鉴于以上的问题，本发明提供一种电源管理单元，特别是一种可以调整脉宽调变驱动电路的供电电压大小的电源管理单元，藉以解决输出电流在较大和较小时，无法同时得到最佳或是接近最佳的电源转换效率的缺点。

本发明提出一种电源管理单元，包括第一电压端、电流侦测电路、讯号处理电路、脉宽调变控制电路、脉宽调变驱动电路、功率开关电路以及可调电压源。

第一电压端用以接收一第一电压，电流侦测电路耦接于第一电压端，并用以侦测第一电压供电予电源管理单元的第一电流值，以产生对应的电流侦测讯号。讯号处理电路耦接于电流侦测电路，并用以接收电流侦测讯号，以产生对应的电压调整讯号。讯号处理电路更根据一输出电压的变化，产生电源管理讯号。脉宽调变控制电路耦接于讯号处理电路，并用以接收电源管理讯号，以产生对应的脉宽调变（pulse-width modulation，PWM）控制讯号。脉宽调变驱动电路耦接于脉宽调变控制电路，并用以接收脉宽调变控制讯号，以产生对应的脉宽调变驱动讯号。功率开关电路耦接于第一电压端以及脉宽调变驱动电路，第一电压供电予功率开关电路，且功率开关电路接收脉宽调变驱动讯号，以产生对应的前述的输出电压。可调电压源耦接于讯号处理电路以及脉宽调变驱动电路，可调电压源接收电压调整讯号，并产生对应的可调电压以供电予脉宽调变驱动电路。其中，电流侦测讯号的大小决定可调电压的大小是为若干个可调电压值的其中之一。

本发明更提出一种电源管理单元，包括第一电压端、电流侦测电路、讯号处理电路、脉宽调变控制电路、脉宽调变驱动电路、功率开关电路以及可调电压源。

第一电压端用以接收一第一电压，电流侦测电路耦接于一输出电压，并用以侦测所述输出电压的一输出电流值，以产生对应的一电流侦测讯号。讯号处理电路耦接于电流侦测电路，并用以接收电流侦测讯号，以产生对应的电压调整讯号。讯号处理电路更根据一输出电压的变化，产生电源管理讯号。脉宽调变控制电路耦接于讯号处理电路，并用以接收电源管理讯号，以产生对应的脉宽调变（pulse-width modulation，PWM）控制讯号。脉宽调变驱动电路耦接于脉宽调变控制电路，并用以接收脉宽调变控制讯号，以产生对应的脉宽调变驱动讯号。功率开关电路耦接于第一电压端以及脉宽调变驱动电路，第一电压供电予功率开关电路，且功率开关电路接收脉宽调变驱动讯号，以产生对应的前述的输出电压。可调电压源耦接于讯号处理电路以及脉宽调变驱动电路，可调电压源接收电压调整讯号，并产生对应的可调电压以供电予脉宽调变驱动电路。其中，电流侦测讯号的大小决定可调电压的大小是为若干个可调电压值的其中之一。

本发明的功效在于，本发明所揭露的电源管理单元是利用侦测输入电源管理单元的电流大小，或是利用侦测电源管理单元的输出电流大小，而据以改变可调电压源输出的可调电压的值，以供电予脉宽调变驱动电路，调整功率开关控制端的操作电压，如此不论输出电流的大小，皆可达到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作最佳实施例详细说明如下。

【附图说明】

图1为本发明所揭露的第一实施例的电源管理单元的电路方块图。

图2为本发明所揭露的第二实施例的电源管理单元的电路方块图。

图3为本发明所揭露的第三实施例的电源管理单元的电路方块图。

图4为本发明所揭露的第四实施例的电源管理单元的电路方块图。

主要组件符号说明：

100、200、300、400 电源 160、260 功率开关电路

管理单元 170、270 可调电压源

110、210 第一电压端 230 绘图处理单元

120、220 电流侦测电路 280 第二电压端

130 讯号处理电路 290 第三电压端

140、240 脉宽调变控制电路 1000、2000 负载

150、250 脉宽调变驱动电路

【具体实施方式】

在说明书及后续的申请专利范围当中，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。

图1为本发明所揭露的第一实施例的电源管理单元100的电路方块图。第一实施例的电源管理单元100包括第一电压端110、电流侦测电路120、讯号处理电路130、脉宽调变控制电路140、脉宽调变驱动电路150、功率开关电路160以及可调电压源170。

第一电压端110用以接收一第一电压。电流侦测电路120耦接于第一电压端110，并用以侦测第一电压供电予电源管理单元100的第一电流值，以产生对应的电流侦测讯号。讯号处理电路130耦接于电流侦测电路120，并用以接收电流侦测讯号，以产生对应的电压调整讯号。讯号处理电路130更根据一输出电压的变化，产生电源管理讯号。输出电压是用于供电予负载1000。脉宽调变控制电路140耦接于讯号处理电路130，并用以接收电源管理讯号，以产生对应的脉宽调变控制讯号。脉宽调变驱动电路150耦接于脉宽调变控制电路140，并用以接收脉宽调变控制讯号，以产生对应的脉宽调变驱动讯号。功率开关电路160耦接于第一电压端110以及脉宽调变驱动电路150，第一电压供电予功率开关电路160，且功率开关电路160接收脉宽调变驱动讯号，以产生对应的前述的输出电压。可调电压源170耦接于讯号处理电路130以及脉宽调变驱动电路150，可调电压源170接收电压调整讯号，并产生对应的可调电压以供电予脉宽调变驱动电路150。其中，电流侦测讯号的大小决定可调电压的大小是为若干个可调电压值的其中之一。

举例说明，例如第一电压端110接收一外接的额定12伏特的第一电压，供电予功率开关电路160。电流侦测电路120侦测第一电压供电给电源管理单元100的第一电流大小，并产生对应的电流侦测讯号，并利用诸如系统管理汇流排（System Management Bus，SMBus)，或是内部整合电路（Inter-IntegratedCircuit，I2C）的标准界面，将电流侦测讯号传送给讯号处理电路130。讯号处理电路130接收电流侦测讯号以产生对应的电压调整讯号，并利用诸如系统管理汇流排，或是内部整合电路的标准界面，将电压调整讯号传送给可调电压源170。讯号处理电路130更根据电源管理单元100的输出电压的变化，产生电源管理讯号，例如讯号处理电路130进行脉宽调变的负回授的控制，使输出电压在诸如输出电流、供电电压的暂态以及稳态变化之下，依然能维持在电压规格范围之内。讯号处理电路130可以是一微控制器（micro-controller）的积体电路单元，或是在显示卡的应用上，讯号处理电路130也可以是绘图处理单元（graphic processing unit，GPU）。

进一步说明，脉宽调变控制电路140接收电源管理讯号，以产生对应的脉宽调变控制讯号后，控制脉宽调变驱动电路150产生对应的脉宽调变驱动讯号。在大电流的应用下，脉宽调变控制电路140以及脉宽调变驱动电路150，可以分别为多相式脉宽调变控制电路以及多相式脉宽调变驱动电路的态样。功率开关电路160接收脉宽调变驱动讯号，以产生对应的输出电压。若在多相式的态样下，功率开关电路160包含了若干组由功率开关元件所组成的半桥式输出级（half-bridge output），并分别以个别的电感元件耦接于输出电压端，此为本领域具有通常知识者所习知，故在此不另赘述。

可调电压源170接收电压调整讯号，并产生对应的可调电压，例如可调电压可以是第一可调电压值以及第二可调电压值的其中之一，以供电予脉宽调变驱动电路150。可调电压值的决定，是由讯号处理电路130根据电流侦测电路120侦测的第一电流值，来判断在电源管理单元100达到最佳或是接近最佳的电源转换效率的目标下，功率开关的控制端的操作电压，亦即脉宽调变驱动电路150的供电电压所应设定的电压值，然后再由讯号处理电路130通知可调电压源170输出具有所述设定电压值的可调电压，以供电予脉宽调变驱动电路150。例如，电源管理单元100存在一电流阀值，当第一电流值所对应的电流侦测讯号大于电流阀值，则可调电压的大小是为第一可调电压值，如12伏特；而当电流侦测讯号小于电流阀值，则可调电压的大小是为第二可调电压值，如5伏特。当然，可调电压的设定值可以有若干组，并根据第一电流的大小来设定可调电压为若干个可调电压值的其中之一，以期达到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

另外，为了避免当第一电流在上述的电流阀值附近频繁变动，而造成可调电压在两个设定值之间不停地变动，可以加入迟滞（hysteresis）的功能。亦即，当可调电压的大小是为较大的第一可调电压值，电流阀值的大小是为第一电流阀值，而当可调电压的大小是为较小的第二可调电压值，电流阀值的大小是为第二电流阀值，且第二电流阀值大于第一电流阀值。如此，若原本电流阀值的大小是为第一电流阀值，当第一电流的变动是往上超过第一电流阀值，电流阀值即改变成较小的第二电流阀值，以避免第一电流在第一电流阀值附近的来回变动造成可调电压频繁地改变；而若原本电流阀值的大小是为第二电流阀值，当第一电流的变动是往下超过第二电流阀值，电流阀值即改变成较大的第一电流阀值，以避免第一电流在第二电流阀值附近的来回变动造成可调电压频繁地改变。

综而言的，电源管理单元100的功效在于，利用侦测输入电源管理单元100的电流大小，据以改变可调电压源170输出的可调电压的值，以供电予脉宽调变驱动电路150，调整功率开关控制端的操作电压，如此不论输出电流的大小，皆可达到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

图2为本发明所揭露的第二实施例的电源管理单元200的电路方块图。电源管理单元200适用于电脑系统中的显示卡电路。电源管理单元200包括第一电压端210、第二电压端280、第三电压端290、电流侦测电路220、绘图处理单元230、多相式脉宽调变控制电路240、多相式脉宽调变驱动电路250、功率开关电路260以及可调电压源270。其中第一电压端210、电流侦测电路220、绘图处理单元230、脉宽调变控制电路240、脉宽调变驱动电路250、功率开关电路260以及可调电压源270在电源管理单元200中的耦接方式以及发挥的功能，可分别参考图1中对应的部件，即第一电压端110、电流侦测电路120、讯号处理电路130、脉宽调变控制电路140、脉宽调变驱动电路150、功率开关电路160以及可调电压源170的相关说明，在此不另赘述。

进一步说明，第二电压端280耦接于电流侦测电路220以及功率开关电路260，并用以接收第二电压，以供电予功率开关电路260。第三电压端290耦接于电流侦测电路220以及功率开关电路260，并用以接收第三电压，以供电予功率开关电路260。电流侦测电路220更分别侦测第一电压、第二电压以及第三电压供电予电源管理单元200的第一电流值、第二电流值以及第三电流值，并根据第一电流值、第二电流值以及第三电流值产生对应的电流侦测讯号。另外，输出电压是用于供电予负载2000。负载2000可以是显示卡上任一电路，例如绘图处理单元230，或是记忆体模组（图中未示）。

例如目前主流的显示卡电源管理的设计当中，第一电压是为显示卡电路外接的一额定12伏特电压，第二电压是为显示卡电路外接的另一额定12伏特电压，且第三电压是为显示卡电路与其应用的电脑系统的一界面所供应的又一额定12伏特电压。所述的界面可以是目前主流的，符合快捷外设互联标准（Peripheral Component Interconnect Express，PCI-E）的界面。值得注意的是，绘图处理单元230在电源管理单元200中所发挥的功能，亦可由显示卡上的另一讯号处理电路，例如一微处理器来完成，然而以绘图处理单元230整合电源管理单元200的所需功能，更能发挥节省成本的优势。另外，由于中高阶显示卡所需的电流较大，约几十安培，因此一般会以多相式的架构，来实现电压转换电路。例如电源管理单元200的多相式脉宽调变控制电路240、多相式脉宽调变驱动电路250，可以是三相式或是四相式的态样。多相式电压转换电路的优点已于先前技术中说明，在此不另赘述。

综而言的，电源管理单元200的功效在于，利用侦测输入电源管理单元200的电流大小，据以改变可调电压源270输出的可调电压的值，以供电予脉宽调变驱动电路250，调整功率开关控制端的操作电压，如此不论输出电流的大小，皆可达到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

图3为本发明所揭露的第三实施例的电源管理单元300的电路方块图。电源管理单元300中，与图1所示的电源管理单元100中相同标号的部件，可直接参考电源管理单元100的部件的相关说明，在此不另赘述。电源管理单元300与图1所示的电源管理单元100的不同的处，在于电流侦测电路120是耦接于输出电压，并用以侦测输出电压的一输出电流值，以产生对应的电流侦测讯号。因此，电源管理单元300中的讯号处理电路130，是接收对应于输出电流大小的电流侦测讯号，以产生对应的电压调整讯号。亦即，可调电压源的可调电压值，是根据输出电流的大小来决定，而非电源管理单元100所示的第一电流。

综而言的，电源管理单元300的功效在于，利用侦测电源管理单元300的输出电流大小，据以改变可调电压源170输出的可调电压的值，以供电予脉宽调变驱动电路150，调整功率开关控制端的操作电压，如此不论输出电流的大小，皆可达到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

图4为本发明所揭露的第四实施例的电源管理单元400的电路方块图。电源管理单元400适用于电脑系统中的显示卡电路。电源管理单元400中，与图2所示的电源管理单元200中相同标号的部件，可直接参考电源管理单元200的部件的相关说明，在此不另赘述。电源管理单元400与图2所示的电源管理单元200的不同的处，在于电流侦测电路220是耦接于输出电压，并用以侦测输出电压的一输出电流值，以产生对应的电流侦测讯号。因此，电源管理单元400中的讯号处理电路230，是接收对应于输出电流大小的电流侦测讯号，以产生对应的电压调整讯号。亦即，可调电压源的可调电压值，是根据输出电流的大小来决定，而非电源管理单元200所示的第一电流、第二电流以及第三电流。

综而言的，电源管理单元400的功效在于，利用侦测电源管理单元400的输出电流大小，据以改变可调电压源270输出的可调电压的值，以供电予脉宽调变驱动电路250，调整功率开关控制端的操作电压，如此不论输出电流的大小，皆可达到最佳或是接近最佳的电源转换效率。

虽然本发明的实施例揭露如上所述，然并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，举凡依本发明申请范围所述的形状、构造、特征及数量当可做些许的变更，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种电源管理单元，其特征在于，所述电源管理单元包含：

一第一电压端，接收一第一电压；

一电流侦测电路，耦接于所述第一电压端，所述电流侦测电路侦测所述第一电压供电予所述电源管理单元的一第一电流值，并对应产生一电流侦测讯号；

一讯号处理电路，耦接于所述电流侦测电路，所述讯号处理电路接收所述电流侦测讯号，并对应产生一电压调整讯号，所述讯号处理电路更根据一输出电压的变化，对应产生一电源管理讯号；

一脉宽调变控制电路，耦接于所述讯号处理电路，所述脉宽调变控制电路接收所述电源管理讯号，并对应产生一脉宽调变控制讯号；

一脉宽调变驱动电路，耦接于所述脉宽调变控制电路，所述脉宽调变驱动电路接收所述脉宽调变控制讯号，并对应产生一脉宽调变驱动讯号；

一功率开关电路，耦接于所述第一电压端以及所述脉宽调变驱动电路，所述第一电压提供予所述功率开关电路，且所述功率开关电路接收所述脉宽调变驱动讯号，并对应产生所述输出电压；以及

一可调电压源，耦接于所述讯号处理电路以及所述脉宽调变驱动电路，所述可调电压源接收所述电压调整讯号，并对应产生一可调电压提供予所述脉宽调变驱动电路；

其中，所述电流侦测讯号的大小决定所述可调电压的大小是为多个可调电压值的其中之一。

2.如请求项第1项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述电源管理单元适用于一显示卡电路，且所述电源管理单元更包含：

一第二电压端，耦接于所述电流侦测电路以及所述功率开关电路，所述第二电压端接收一第二电压，并提供予所述功率开关电路；以及

一第三电压端，耦接于所述电流侦测电路以及所述功率开关电路，所述第三电压端接收一第三电压，并提供予所述功率开关电路；

其中，所述电流侦测电路更分别侦测所述第二电压以及所述第三电压提供予所述电源管理单元的一第二电流值以及一第三电流值，并根据所述第一电流值、所述第二电流值以及所述第三电流值对应产生所述电流侦测讯号。

3.一种电源管理单元，其特征在于，所述电源管理单元包含：

一第一电压端，接收一第一电压；

一电流侦测电路，耦接于一输出电压，所述电流侦测电路侦测所述输出电压的一输出电流值，并对应产生一电流侦测讯号；

一讯号处理电路，耦接于所述电流侦测电路，所述讯号处理电路接收所述电流侦测讯号，并对应产生一电压调整讯号，所述讯号处理电路更根据所述输出电压的变化，对应产生一电源管理讯号；

4.如请求项第3项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述电源管理单元适用于一显示卡电路，且所述电源管理单元更包含：

一第二电压端，耦接于所述功率开关电路，所述第二电压端接收一第二电压，并提供予所述功率开关电路；以及

一第三电压端，耦接于所述功率开关电路，所述第三电压端接收一第三电压，并提供予所述功率开关电路。

5.如请求项第2或4项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述第一电压是为所述显示卡电路外接的一额定12伏特电压，所述第二电压是为所述显示卡电路外接的另一额定12伏特电压，且所述第三电压是为所述显示卡电路与其应用的一电脑系统的一界面所供应的又一额定12伏特电压。

6.如请求项第5项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述界面是为符合快捷外设互联标准的界面。

7.如请求项第1至4项中任一项所述的电源管理单元，其特征在于，其中更包含一电流阀值，当所述电流侦测讯号大于所述电流阀值，则所述可调电压的大小是为一第一可调电压值，当所述电流侦测讯号小于所述电流阀值，则所述可调电压的大小是为一第二可调电压值。

8.如请求项第7项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述第一可调电压值的额定电压值为12伏特，且所述第二可调电压值的额定电压值为5伏特。

9.如请求项第7项所述的电源管理单元，其特征在于，其中当所述可调电压的大小是为所述第一可调电压值，所述电流阀值的大小是为一第一电流阀值，而当所述可调电压的大小是为所述第二可调电压值，所述电流阀值的大小是为一第二电流阀值，且所述第二电流阀值大于所述第一电流阀值。

10.如请求项第9项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述第一可调电压值的额定电压值为12伏特，且所述第二可调电压值的额定电压值为5伏特。

11.如请求项第1至4项中任一项所述的电源管理单元，其特征在于，其中所述脉宽调变控制电路是为一多相式脉宽调变控制电路的态样，且所述脉宽调变驱动电路是为一多相式脉宽调变驱动电路的态样。