CN111355373B - 电源供应系统、切换谐振转换器以及电源供应方法 - Google Patents

电源供应系统、切换谐振转换器以及电源供应方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电源供应系统、切换谐振转换器以及电源供应方法。该电源供应系统包括第一级电压转换器、第二级电压转换器以及控制器。第一级电压转换器将供应电压转换成第一输出电压，并根据调变信号调变第一输出电压。第二级电压转换器将第一输出电压转换至第二输出电压，并根据第二输出电压的输出功率，产生功率信号。控制器根据功率信号，判断输出功率是否超过临限值而发出调变信号。本发明可通过调变第一级电源转换器的输出电压，而提升电源供应系统整体的电源转换效率。

Description

电源供应系统、切换谐振转换器以及电源供应方法
技术领域
本发明实施例有关于一种具有切换谐振转换器的电源供应系统，特别有关于一种具有可调整转换率的切换谐振转换器的电源供应系统。
背景技术
由于电子装置的功能日趋复杂，使得电子装置的耗电量也跟着持续增加。随着消耗功率的持续上升，为了降低因传输电流所造成的线路损失(line loss)，业界开始将原先总线上的电压予以提升以利降低线路损失，然而系统中现存的装置的操作电压依然维持不变，因此必须采用两级式电压转换器的电源供应系统以维持系统中现存的装置的正常运作。
由于电源供应系统开始采用两级式电压转换器，加上为了使电源供应系统具有最高的电源转换效率，因此有必要针对两级式电压转换器的电源供应系统的转换效率进行优化，以达到省电高效率转换目标。
发明内容
本发明实施例提出一种电源供应系统，包括一第一级电压转换器、一第二级电压转换器以及一控制器。上述第一级电压转换器将一供应电压转换成一第一输出电压，并根据一调变信号调变上述第一输出电压。上述第二级电压转换器将上述第一输出电压转换至一第二输出电压，并根据上述第二输出电压的一输出功率，产生一功率信号。上述控制器根据上述功率信号，判断上述输出功率是否超过一临限值而发出上述调变信号。
根据本发明实施例的一实施例，回应于上述输出功率超过上述临限值，上述第一级电压转换器根据上述调变信号，升高上述第一输出电压。
根据本发明实施例的一实施例，回应于上述输出功率不超过上述临限值，上述第一级电压转换器根据上述调变信号，降低上述第一输出电压。
根据本发明实施例的一实施例，上述第一级电压转换器为一切换谐振转换器(swtiched tank converter)且具有一转换率，其中回应于上述输出功率超过上述临限值，上述第一级电压转换器降低上述转换率，藉以增加上述第一输出电压，其中回应于上述输出功率不超过上述临限值，上述第一级电压转换器增加上述转换率，藉以降低上述第一输出电压。
根据本发明实施例的另一实施例，上述第一级电压转换器为一电压转换器，如隔离式半桥/全桥转换器，且具有一工作周期，其中回应于上述输出功率超过上述临限值，上述第一级电压转换器降低上述工作周期，藉以降低上述第一输出电压，其中回应于上述输出功率不超过上述临限值，上述第一级电压转换器增加上述工作周期，藉以升高上述第一输出电压。
本发明实施例更提出一种切换谐振转换器，用以将一供应电压转换至一输出电压，包括一输入电容、一第一开关、一第一谐振电容、一第一谐振电感、一第二开关、一第三开关、一第四开关、一第一飞驰电容、一第五开关、一第六开关、一第七开关、一第二谐振电容、一第二谐振电感、一第八开关、一第九开关、一第十开关以及一输出电容。上述输入电容耦接于上述供应电压以及一接地端之间；上述第一开关根据一第一控制信号以及上述调变信号，将上述供应电压提供至一第一节点；上述第一谐振电容，耦接至上述第一节点；上述第一谐振电感耦接于上述第一谐振电容以及一第二节点之间；上述第二开关根据上述第一控制信号以及上述调变信号，将上述第二节点耦接至上述第一输出电压；上述第三开关根据一第二控制信号以及上述调变信号，将上述第二节点耦接至上述接地端；上述第四开关根据上述第一控制信号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第一节点耦接至一第三节点；上述第一飞驰电容耦接于上述第三节点以及一第四节点之间；上述第五开关根据上述第一控制信号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第四节点耦接至上述第一输出电压；上述第六开关根据上述第一控制信号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第四节点耦接至上述接地端；上述第七开关根据上述第一控制信号以及上述调变信号，将上述第三节点耦接至一第五节点；上述第二谐振电容耦接至上述第五节点；上述第二谐振电感，耦接于上述第二谐振电容以及一第六节点之间；上述第八开关根据上述第一控制信号，将上述第六节点耦接至上述第一输出电压；上述第九开关根据上述第二控制信号，将上述第六节点耦接至上述接地端；上述第十开关根据上述第二控制信号，将上述第五节点耦接至一第七节点，其中上述第七节点耦接至上述第一输出电压；以及上述输出电容耦接于上述第一输出电压以及上述接地端之间，其中上述第一控制信号以及上述第二控制信号互为反相。
根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器更包括一第二飞驰电容、一第十一开关、一第十二开关、一第十三开关、一第三谐振电容、一第三谐振电感、一第十四开关、一第十五开关、一第十六开关、一第三飞驰电容、一第十七开关、一第十八开关、一第十九开关、一第四谐振电容、一第四谐振电感、一第二十开关、一第二十一开关以及一第二十二开关。上述第二飞驰电容耦接至上述第七节点以及一第八节点之间；上述第十一开关根据上述第二控制信号，将上述第八节点耦接至上述第一输出电压；上述第十二开关根据上述第一控制信号，将上述第八节点耦接至上述接地端；上述第十三开关根据上述第一控制信号以及上述调变信号，将上述第七节点耦接至一第九节点；上述第三谐振电容耦接至上述第九节点；上述第三谐振电感耦接于上述第三谐振电容以及一第十节点之间；上述第十四开关根据上述第一控制号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第十节点耦接至上述第一输出电压；上述第十五开关根据上述第一控制信号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第十节点耦接至上述接地端；上述第十六开关根据上述第一控制信号、上述第控制信号以及上述调变信号，将上述第九节点耦接至一第十一节点；上述第三飞驰电容耦接于上述第十一节点以及一第十二节点之间；上述第十七开关根据上述第一控制信号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第十二节点耦接至上述第一输出电压；上述第十八开关根据上述第一控制信号、上述第二控制信号以及上述调变信号，将上述第十二节点耦接至上述接地端；上述第十九开关根据上述第一控制信号以及上述调变信号，将上述第十一节点耦接至一第十三节点；上述第四谐振电容，耦接至上述第十三节点；上述第四谐振电感耦接于上述第四谐振电容以及上述第十四节点之间；上述第二十开关根据上述第一控制信号，将上述第十四节点耦接至上述第一输出电压；上述第二十一开关根据上述第二控制信号，将上述第十四节点耦接至上述接地端；上述第二十二开关根据上述第二控制信号，将上述第十三节点耦接至上述第一输出电压。
本发明实施例更提出一种电源供应方法，包括：利用一第一级电压转换器，将一供应电压转换成一第一输出电压；将上述第一输出电压转换成一第二输出电压；判断上述第二输出电压的一输出功率是否超过一临限值；以及回应于上述输出功率超过上述临限值，调变上述第一输出电压。
本发明可通过调变第一级电源转换器的输出电压，而提升电源供应系统整体的电源转换效率。
附图说明
图1是显示根据本发明实施例的一实施例所述的电源供应系统的方块图。
图2是显示根据本发明实施例的一实施例所述的切换谐振转换器的电路图。
图3是显示根据本发明实施例的另一实施例所述的切换谐振转换器的电路图。
图4是显示根据本发明实施例的另一实施例所述的切换谐振转换器的电路图。
图5是显示根据本发明实施例的一实施例所述的电源供应方法的流程图。
附图标号
100 电源供应系统
110 第一级电压转换器
120 第二级电压转换器
130 控制器
200、300、400 切换谐振转换器
201 第一选择器
202 第二选择器
203 第三选择器
204 第四选择器
205 第五选择器
206 第六选择器
207 第七选择器
208 第八选择器
209 第九选择器
210 第十选择器
211 第十一选择器
212 第十二选择器
213 第十三选择器
214 第十四选择器
VS 供应电压
VO 输出电压
VO1 第一输出电压
VO2 第二输出电压
P 输出功率
SP 功率信号
SM 调变信号
CIN 输入电容
CO 输出电容
Q1 第一开关
Q2 第二开关
Q3 第三开关
Q4 第四开关
Q5 第五开关
Q6 第六开关
Q7 第七开关
Q8 第八开关
Q9 第九开关
Q10 第十开关
Q11 第十一开关
Q12 第十二开关
Q13 第十三开关
Q14 第十四开关
Q15 第十五开关
Q16 第十六开关
Q17 第十七开关
Q18 第十八开关
Q19 第十九开关
Q20 第二十开关
Q21 第二十一开关
Q22 第二十二开关
CR1 第一谐振电容
CR2 第二谐振电容
CR3 第三谐振电容
CR4 第四谐振电容
CF1 第一飞驰电容
CF2 第二飞驰电容
CF3 第三飞驰电容
LR1 第一谐振电感
LR2 第二谐振电感
LR3 第三谐振电感
LR4 第四谐振电感
L1 第一逻辑位准
L2 第二逻辑位准
SC1 第一控制信号
SC2 第二控制信号
N1 第一节点
N2 第二节点
N3 第三节点
N4 第四节点
N5 第五节点
N6 第六节点
N7 第七节点
N8 第八节点
N9 第九节点
N10 第十节点
N11 第十一节点
N12 第十二节点
N13 第十三节点
N14 第十四节点
S510～S540 步骤流程
具体实施方式
以下说明为本发明实施例的实施例。其目的是要举例说明本发明一般性的原则，不应视为本发明实施例的限制，本发明的范围当以权利要求所界定者为准。
值得注意的是，以下所揭露的内容可提供多个用以实践本发明的不同特点的实施例或范例。以下所述的特殊的元件范例与安排仅用以简单扼要地阐述本发明实施例的精神，并非用以限定本发明实施例的范围。此外，以下说明书可能在多个范例中重复使用相同的元件符号或文字。然而，重复使用的目的仅为了提供简化并清楚的说明，并非用以限定多个以下所讨论的实施例以及/或配置之间的关系。此外，以下说明书所述的一个特征连接至、耦接至以及/或形成于另一特征的上等的描述，实际可包含多个不同的实施例，包括该等特征直接接触，或者包含其它额外的特征形成于该等特征之间等等，使得该等特征并非直接接触。
图1是显示根据本发明实施例的一实施例所述的电源供应系统的方块图。如图1所示，电源供应系统100包括第一级电压转换器110、第二级电压转换器120以及控制器130，其中电源供应系统100用以将供应电压VS转换成第二输出电压VO2。
根据本发明实施例的其他实施例，电源供应系统100可包括多个第二级电压转换器120，分别用以产生不同的第二级输出电压VO2以满足电子系统中不同的装置的不同供应电压的需求，在此仅以一个第二级电压转换器120作为说明解释，并非以任何形式限定于此。
根据本发明实施例的一实施例，第一级电压转换器110将供应电压VS转换成第一输出电压VO1，第二级电压转换器120将第一级电压转换器110所产生的第一输出电压VO1转换成第二输出电压VO2。第二级电压转换器120更检测第二输出电压VO2的输出功率P，而产生功率信号SP，并提供至控制器130。
控制器130根据第二级电压转换器120所发出的功率信号SP，而判断输出功率P是否超过临限值而发出调变信号SM，使得第一级电压转换器110根据调变信号SM而调变第一输出电压VO1，以增进电源供应系统100的电源转换效率。根据本发明实施例的多个实施例，可检测第二级电压转换器120的输出功率P的集成电路序号可为XDPE12284、XDPE12254、TPS53688、SN1701022、ISL69259以及ISL69225等等。
根据本发明实施例的一实施例，控制器130为电源管理集成电路(PMIC)。根据本发明实施例的另一实施例，控制器130为客制化的脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制器。根据本发明实施例的另一实施例，控制器130为数字信号处理(Digitalsignal processing，DSP)控制器。根据本发明实施例的其他实施例，控制器130可为电源供应系统100中控制任何第一级电压转换器110以及第二级电压转换器120的装置。
根据本发明实施例的另一实施例，当电源供应系统100包括多个第二级电压转换器120时，控制器130根据多个第二级电压转换器120所发出的功率信号SP，计算所有第二级电压转换器120的消耗功率P的总和，并判断消耗功率P的总和是否超过临限值而发出调变信号SM。根据本发明实施例的其他实施例，控制器130可通过任何已知或未知的方式，监控供应电压VS的消耗功率或是第一输出电压VO1的消耗功率，而判断消耗功率是否超过临限值。
根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器110可检测第一输出电压VO1的输出功率而提供功率信号SP至控制器130(图1并未显示)。根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器110也可检测供应电压VS的输入功率而提供功率信号SP至控制器130(图1并未显示)。
举例而言，控制器130可根据电池的电池计量计(battery fuel gauge)检测供应电压VS的消耗功率，而发出调变信号SM；或者，第一级电压转换器110可自行监测第一输出电压VO1的消耗功率而发出功率信号，控制器130根据第一级电压转换器110所发出的功率信号，而发出调变信号SM。
根据本发明实施例的一实施例，当控制器130判断第二输出电压VO2的输出功率P超过临限值时，第一级电压转换器110根据调变信号SM而增加第一输出电压VO1的电压值。根据本发明实施例的另一实施例，当控制器130判断第二输出电压VO2的输出功率P不超过临限值时，第一级电压转换器110根据调变信号SM而降低第一输出电压VO1。
根据本发明实施例的一实施例，第一级电压转换器110为一切换谐振转换器(swtiched tank converter)且具有一转换率。当输出功率P超过临限值时，第一级电压转换器110根据调变信号SM而降低转换率，藉以增加第一输出电压VO1的电压值；当输出功率P不超过临限值时，第一级电压转换器110根据调变信号SM而增加转换率，藉以降低第一输出电压VO1的电压值。
根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器110为电压转换器，如隔离式半桥/全桥转换器，且具有一工作周期(duty cycle)。当输出功率P超过临限值时，第一级电压转换器110根据调变信号SM而增加第一级电压转换器110的工作周期，藉以增加第一输出电压VO1的电压值；当输出功率P不超过临限值时，第一级电压转换器110根据调变信号SM而降低工作周期，藉以降低第一输出电压VO1。
根据本发明实施例的一实施例，第二级电压转换器120为多相式切换降压转换器(multi-phase voltage regulator)，且具有自我检测输出功率。根据本发明实施例的多个实施例，具有自我检测输出功率的切换是降压转换器的集成电路序号包括：XDPE12284、XDPE12254、TPS53688、SN1701022、ISL69259以及ISL69225。
图2是显示根据本发明实施例的一实施例所述的切换谐振转换器的电路图。如图2所示的切换谐振转换器200，切换谐振转换器200的转换率在此仅以自8切换至4为例进行说明解释，并非以任何形式限定于此。
如图2所示，切换谐振转换器200包括输入电容CIN、第一开关Q1、第一谐振电容CR1、第一谐振电感LR1、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4、第一飞驰电容CF1、第五开关Q5、第六开关Q6、第七开关Q7、第二谐振电容CR2、第二谐振电感LR2、第八开关Q8、第九开关Q9、第十开关Q10、第二飞驰电容CF2、第十一开关Q11、第十二开关Q12、第十三开关Q13、第三谐振电容CR3、第三谐振电感LR3、第十四开关Q14、第十五开关Q15、第十六开关Q16、第三飞驰电容CF3、第十七开关Q17、第十八开关Q18、第十九开关Q19、第四谐振电容CR4、第四谐振电感LR4、第二十开关Q20、第二十一开关Q21、第二十二开关Q22以及输出电容CO。
输入电容CIN耦接于供应电压VS以及接地端之间，第一开关Q1根据第一控制信号SC1以及调变信号SM，将供应电压VS提供至第一节点N1。第一谐振电容CR1耦接至第一节点N1，第一谐振电感LR1耦接于第一谐振电容CR1以及第二节点N2之间。谐振电感LR1用以与第一谐振电容CR1产生谐振，并提供输出电流。根据本发明实施例的一实施例，第一谐振电感LR1为第一谐振电容CR1的寄生电感。根据本发明实施例的另一实施例，第一谐振电感LR1可为外部电感元件，或是外部电感元件与第一谐振电容CR1的寄生电感的组合。
第二开关Q2根据第一控制信号SC1以及调变信号SM，将第二节点N2耦接至输出电压VO；第三开关Q3根据第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第二节点N2耦接至接地端；第四开关Q4根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第一节点N1耦接至第三节点N3。第一飞驰电容CF1耦接于第三节点N3以及第四节点N4之间。
根据本发明实施例的另一实施例，切换谐振转换器200更包括第一飞驰电感(图2并未显示)，串接于第一飞驰电容CF1以及第四节点N4之间，其中第一飞驰电感用以增加切换谐振转换器200的转换效率。根据本发明实施例的多个实施例，第一飞驰电感为第一飞驰电容CF1的寄生电感，或另一外部的电感元件，或上述的组合。
第五开关Q5根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第四节点N4耦接至输出电压VO；第六开关Q6根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第四节点N4耦接至接地端；第七开关Q7根据第一控制信号SC1以及调变信号SM，将第三节点N3耦接至第五节点N5。
第二谐振电容CR2耦接至第五节点N5，第二谐振电感LR2耦接于第二谐振电容CR2以及第六节点N6之间。根据本发明实施例的一实施例，第二谐振电感LR2为第二谐振电容CR2的寄生电感。根据本发明实施例的另一实施例，第二谐振电感LR2可为外部电感元件，或是外部电感元件与第二谐振电容CR2的寄生电感的组合。
第八开关Q8根据第一控制信号SC1，将第六节点N6耦接至输出电压VO；第九开关Q9根据第二控制信号SC2，将第六节点N6耦接至接地端；第十开关Q10根据第二控制信号SC2，将第五节点N5耦接至第七节点N7。
第二飞驰电容CF2耦接至第七节点N7以及第八节点N8之间。第十一开关Q11根据第二控制信号SC2，将第八节点N8耦接至输出电压VO；第十二开关Q12根据第一控制信号SC1，将第八节点N8耦接至接地端；第十三开关Q13根据第一控制信号SC1以及调变信号SM，将第七节点N7耦接至第九节点N9。
根据本发明实施例的另一实施例，切换谐振转换器200更包括第二飞驰电感(图2并未显示)，串接于第二飞驰电容CF2以及第八节点N8之间，其中第二飞驰电感用以增加切换谐振转换器200的转换效率。根据本发明实施例的多个实施例，第二飞驰电感为第二飞驰电容CF2的寄生电感，或另一外部的电感元件，或上述的组合。
第三谐振电容CR3耦接至第九节点N9，第三谐振电感LR3耦接于第三谐振电容CR3以及第十节点N10之间。根据本发明实施例的一实施例，第三谐振电感LR3为第三谐振电容CR3的寄生电感。根据本发明实施例的另一实施例，第三谐振电感LR3可为外部电感元件，或是外部电感元件与第三谐振电容CR3的寄生电感的组合。
第十四开关Q14根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第十节点N10耦接至输出电压VO；第十五开关Q15根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第十节点N10耦接至接地端；第十六开关Q16根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第九节点N9耦接至第十一节点N11。
第三飞驰电容CF3耦接于第十一节点N11以及第十二节点N12之间；第十七开关Q17根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第十二节点N12耦接至输出电压VO；第十八开关Q18根据第一控制信号SC1、第二控制信号SC2以及调变信号SM，将第十二节点N12耦接至接地端；第十九开关Q19根据第一控制信号SC1以及调变信号SM，将第十一节点N11耦接至第十三节点N13。
根据本发明实施例的另一实施例，切换谐振转换器200更包括第三飞驰电感(图2并未显示)，串接于第三飞驰电容CF3以及第十二节点N12之间，其中第三飞驰电感用以增加切换谐振转换器200的转换效率。根据本发明实施例的多个实施例，第三飞驰电感为第三飞驰电容CF3的寄生电感，或另一外部的电感元件，或上述的组合。
第四谐振电容CR4耦接至第十三节点N13，第四谐振电感LR4耦接于第四谐振电容CR4以及第十四节点N14之间。根据本发明实施例的一实施例，第四谐振电感LR4为第四谐振电容CR4的寄生电感。根据本发明实施例的另一实施例，第四谐振电感LR4可为外部电感元件，或是外部电感元件与第四谐振电容CR4的寄生电感的组合。
第二十开关Q20根据第一控制信号SC1，将第十四节点N14耦接至输出电压VO；第二十一开关Q21根据第二控制信号SC2，将第十四节点N14耦接至接地端；第二十二开关Q22根据第二控制信号SC2，将第十三节点N13耦接至输出电压VO；输出电容CO耦接于输出电压VO以及接地端之间。
根据本发明实施例的一实施例，图2的输出电压VO是对应至图1的第一输出电压VO1，图2的供应电压VS是对应至图1的供应电压VS。根据本发明实施例的一实施例，第一控制信号SC1以及第二控制信号SC2的工作周期(duty cycle)皆为50％，且互为反相。
根据本发明实施例的一实施例，图1的控制器130用以产生第一控制信号SC1以及第二控制信号SC2。根据本发明实施例的其他实施例，切换谐振转换器200更包括电路控制器(图2中并未显示)，用以产生第一控制信号SC1以及第二控制信号SC2，在此为了简化说明，省略第一控制信号SC1以及第二控制信号SC2的产生方式。根据本发明实施例的一实施例，调变信号SM是对应至图1中由控制器130所产生的调变信号SM。
切换谐振转换器200更包括第一选择器201、第二选择器202、第三选择器203、第四选择器204、第五选择器205、第六选择器206、第七选择器207、第八选择器208、第九选择器209、第十选择器210、第十一选择器211、第十二选择器212、第十三选择器213以及第十四选择器214，用以根据调变信号SM选择第一控制信号SC1或第二控制信号SC2。
根据本发明实施例的一实施例，当调变信号SM位于第一逻辑位准L1时，第一选择器201、第二选择器202、第六选择器206、第七选择器207、第八选择器208、第九选择器209、第十三选择器213以及第十四选择器214选取第一控制信号SC1，分别控制第一开关Q1、第二开关Q2、第六开关Q6、第七开关Q7、第十三开关Q13、第十四开关Q14、第十八开关Q18以及第十九开关Q19导通与不导通。
同时，第三选择器203、第四选择器204、第五选择器205、第十选择器210、第十一选择器211以及第十二选择器212选取第二控制信号SC2，分别控制第三开关Q3、第四开关Q4、第五开关Q5、第十五开关Q15、第十六开关Q16以及第十七开关Q17导通与不导通。
换句话说，当调变信号SM位于第一逻辑位准L1时，第一开关Q1、第二开关Q2、第六开关Q6、第七开关Q7、第八开关Q8、第十二开关Q12、第十三开关Q13、第十四开关Q14、第十八开关Q18、第十九开关Q19以及第二十开关Q20根据第一控制信号SC1而导通与不导通，第三开关Q3、第四开关Q4、第五开关Q5、第九开关Q9、第十开关Q10、第十一开关Q11、第十五开关Q15、第十六开关Q16、第十七开关Q17、第二十一开关Q21以及第二十二开关Q22导通根据第二控制信号SC2而导通与不导通。
当第一开关Q1以及第二开关Q2根据第一控制信号SC1而导通时，供应电压VS以及输出电压VO分别施加于第一谐振电容CR1的两端并对第一谐振电容CR1进行充电，使得第一谐振电容CR1的跨压为(VS-VO)。当第三开关Q3、第四开关Q4以及第五开关Q5根据第二控制信号SC2而导通时，第一节点N1的电压与输出电压VO分别施加于第一飞驰电容CF1的两端并对第一飞驰电容CF1进行充电，使得第一飞驰电容CF1的跨压为(VS-2*VO)。
以此类推，第四谐振电容CR4的跨压为(VS-7*VO)。当第四谐振电容CR4对输出电容CO充电时，代表第四谐振电容CR4的跨压等于输出电压VO，也就是供应电压VS为输出电压VO的8倍。换句话说，当调变信号SM位于第一逻辑位准L1时，切换谐振转换器200的转换率为8。也就是，切换谐振转换器200的输出电压VO为供应电压VS与转换率的比值。
根据本发明实施例的另一实施例，当调变信号SM位于第二逻辑位准L2时，第一选择器201、第三选择器203、第七选择器207、第八选择器208以及第十四选择器214选取第一逻辑位准L1，使得第一开关Q1、第三开关Q3、第七开关Q7、第十三开关Q13以及第十九开关Q19持续导通；第二选择器202选取第二逻辑位准L2，使得第二开关Q2持续不导通。
此外，由于调变信号SM位于第二逻辑位准L2，故第六选择器206、第九选择器209以及第十三选择器213选取第二控制信号SC2，分别控制第六开关Q6、第十四开关Q14以及第十八开关Q18导通与不导通；第四选择器204、第五选择器205、第十选择器210、第十一选择器211以及第十二选择器212选取第一控制信号SC1，分别控制第四开关Q4、第五开关Q5、第十五开关Q15、第十六开关Q16以及第十七开关Q17导通与不导通。
换句话说，当调变信号SM位于第二逻辑位准L2时，第六开关Q6、第九开关Q9、第十开关Q10、第十一开关Q11、第十四开关Q14、第十八开关Q18、第二十一开关Q21以及第二十二开关Q22根据第二控制信号SC2而导通与不导通，第四开关Q4、第五开关Q5、第八开关Q8、第十二开关Q12、第十五开关Q15、第十六开关Q16、第十七开关Q17以及第二十开关Q20导通根据第一控制信号SC1而导通与不导通，第一开关Q1、第三开关Q3、第七开关Q7、第十三开关Q13、第十九开关Q19恒导通，第二开关Q2恒不导通。
图3是显示根据本发明实施例的另一实施例所述的切换谐振转换器的电路图。如图3所示，切换谐振转换器300是简化图2的切换谐振转换器200在调变信号SM位于第二逻辑位准L2时的状态。
如图3所示，当调变信号SM位于第二逻辑位准L2时，第一开关Q1、第三开关Q3、第七开关Q7、第十三开关Q13以及第十九开关Q19持续导通，而第二开关Q2持续不导通。
切换谐振转换器300的第四开关Q4、第五开关Q5、第八开关Q8、第十二开关Q12、第十五开关Q15、第十六开关Q16、第十七开关Q17以及第二十开关Q20根据第一控制信号SC1而导通与不导通。并且，切换谐振转换器300的第六开关Q6、第九开关Q9、第十开关Q10、第十一开关Q11、第十四开关Q14、第十八开关Q18、第二十一开关Q21以及第二十二开关Q22根据第二控制信号SC2而导通与不导通。
换句话说，如图3所示，输入电容CIN以及第一谐振电容CR1可视为一电容，第一飞驰电容CF1以及第二谐振电容CR2可视为一电容，第二飞驰电容CF2以及第三谐振电容CR3可视为一电容，第三飞驰电容CF3以及第四谐振电容CR4可视为一电容。在本发明实施例的一实施例中，开关元件Q1～Q22为一晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、双极性结型晶体管(bipolarjunction transistor，BJT)以及其他能够作为开关的电子元件。
根据上述的推导，可得供应电压VS为输出电压VO的4倍。也就是，当调变信号SM位于第二逻辑位准L2时，切换谐振转换器200(亦即，切换谐振转换器300)的转换率为4。
当供应电压VS固定时，若改变切换谐振转换器200的转换率，将造成输出电压VO的上升或下降，以达成图1所述的调变第一输出电压VO1的目的，进而达成增加电源供应系统具有最高的电源转换效率。
图4是显示根据本发明实施例的另一实施例所述的切换谐振转换器的电路图。图4的切换谐振转换器400的动作原理与图2的切换谐振转换器200相同，在此不再重复赘述。
如图4所示，当调变信号SM为第一逻辑状态L1时，切换谐振转换器400的转换率为4。当调变信号SM为第二逻辑状态L2时，第一开关Q1、第三开关Q3以及第七开关Q7为持续导通，而第二开关Q2为不导通。因此，切换谐振转换器400的转换率因而自4改变为2。
本发明实施例在此提供转换率自8改变为4以及转换率自4改变为2的切换谐振转换电路，该领域相关技术人员根据本发明实施例的教示，能够联想到其他切换转换率的切换谐振转换器。
图5是显示根据本发明实施例的一实施例所述的电源供应方法的流程图。以下针对电源供应方法500的叙述，将搭配图1的电源供应系统100，以利详细说明。
首先，利用第一级电压转换器110将供应电压VS转换成第一输出电压VO1(步骤S510)。并且，利用第二级电压转换器120将第一输出电压VO1转换成第二输出电压VO2(步骤S520)，且判断第二输出电压VO2的输出功率是否超过临限值(步骤S530)。
根据本发明实施例的另一实施例，当电源供应系统100包括多个第二级电压转换器120时，控制器130根据多个第二级电压转换器120所发出的功率信号SP，计算所有第二级电压转换器120的消耗功率P的总和，并判断消耗功率P的总和是否超过临限值而发出调变信号SM。根据本发明实施例的其他实施例，控制器130可通过任何已知或未知的方式，监控供应电压VS的消耗功率或是第一输出电压VO1的消耗功率，而判断消耗功率是否超过临限值。
根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器110可检测第一输出电压VO1的输出功率而提供功率信号SP至控制器130(图1并未显示)。根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器110也可检测供应电压VS的输入功率而提供功率信号SP至控制器130(图1并未显示)。
根据第二输出电压VO2的输出功率是否超过临限值，调变第一输出电压VO1(步骤S540)。根据本发明实施例的一实施例，第一级电压转换器110为切换谐振转换器，因此调整切换谐振转换器的转换率，即可调变第一输出电压VO1。根据本发明实施例的一实施例，图2的切换谐振转换器200以转换率自8切换至4为例，说明切换谐振转换器如何调变输出电压。
根据本发明实施例的另一实施例，第一级电压转换器110为电压转换器，如隔离式半桥/全桥转换器。因此，调整电压转换器的工作周期，即可调变第一输出电压VO1。根据本发明的其他实施例，第一级电压转换器110为具有降压功能的降压转换器。在此仅作为说明解释，并非以任何形式限定于此。回到步骤S540，当判断第二输出电压VO2的输出功率并未超过临限值时，回到步骤S510。
本发明实施例在此提出电源供应系统、切换谐振转换器以及电源供应方法，可通过调变第一级电源转换器的输出电压，而提升电源供应系统整体的电源转换效率。
以上所述为实施例的概述特征。所属技术领域中相关技术人员应可以轻而易举地利用本发明为基础设计或调整以实行相同的目的和/或达成此处介绍的实施例的相同优点。所属技术领域中相关技术人员也应了解相同的配置不应背离本发明的精神与范围，在不背离本发明的精神与范围下他们可做出各种改变、取代和交替。说明性的方法仅表示示范性的步骤，但这些步骤并不一定要以所表示的顺序执行。可另外加入、取代、改变顺序和/或消除步骤以视情况而作调整，并与所揭露的实施例精神和范围一致。

Claims (21)

1.一种电源供应系统，其特征在于，包括：
一第一级电压转换器，将一供应电压转换成一第一输出电压，并根据一调变信号调变所述第一输出电压；
一第二级电压转换器，将所述第一输出电压转换至一第二输出电压，并根据所述第二输出电压的一输出功率，产生一功率信号；以及
一控制器，根据所述功率信号，判断所述输出功率是否超过一临限值而发出所述调变信号；
所述第一级电压转换器包括：
一输入电容，耦接于所述供应电压以及一接地端之间；
一第一开关，根据一第一控制信号以及所述调变信号，将所述供应电压提供至一第一节点；
一第一谐振电容，耦接至所述第一节点；
一第一谐振电感，耦接于所述第一谐振电容以及一第二节点之间；
一第二开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第二节点耦接至所述第一输出电压；
一第三开关，根据一第二控制信号以及所述调变信号，将所述第二节点耦接至所述接地端；
一第四开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第一节点耦接至一第三节点；
一第一飞驰电容，耦接于所述第三节点以及一第四节点之间；
一第五开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第四节点耦接至所述第一输出电压；
一第六开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第四节点耦接至所述接地端；
一第七开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第三节点耦接至一第五节点；
一第二谐振电容，耦接至所述第五节点；
一第二谐振电感，耦接于所述第二谐振电容以及一第六节点之间；
一第八开关，根据所述第一控制信号，将所述第六节点耦接至所述第一输出电压；
一第九开关，根据所述第二控制信号，将所述第六节点耦接至所述接地端；
一第十开关，根据所述第二控制信号，将所述第五节点耦接至一第七节点，其中所述第七节点耦接至所述第一输出电压；以及
一输出电容，耦接于所述第一输出电压以及所述接地端之间，其中所述第一控制信号以及所述第二控制信号互为反相。
2.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于，回应于所述输出功率超过所述临限值，所述第一级电压转换器根据所述调变信号，升高所述第一输出电压。
3.如权利要求2所述的电源供应系统，其特征在于，回应于所述输出功率不超过所述临限值，所述第一级电压转换器根据所述调变信号，降低所述第一输出电压。
4.如权利要求3所述的电源供应系统，其特征在于，所述第一级电压转换器为一切换谐振转换器且具有一转换率，其中回应于所述输出功率超过所述临限值，所述第一级电压转换器降低所述转换率，藉以升高所述第一输出电压，其中回应于所述输出功率不超过所述临限值，所述第一级电压转换器升高所述转换率，藉以降低所述第一输出电压。
5.如权利要求4所述的电源供应系统，其特征在于，所述第一级电压转换器更包括：
一第二飞驰电容，耦接至所述第七节点以及一第八节点之间；
一第十一开关，根据所述第二控制信号，将所述第八节点耦接至所述第一输出电压；
一第十二开关，根据所述第一控制信号，将所述第八节点耦接至所述接地端；
一第十三开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第七节点耦接至一第九节点；
一第三谐振电容，耦接至所述第九节点；
一第三谐振电感，耦接于所述第三谐振电容以及一第十节点之间；
一第十四开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十节点耦接至所述第一输出电压；
一第十五开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十节点耦接至所述接地端；
一第十六开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第九节点耦接至一第十一节点；
一第三飞驰电容，耦接于所述第十一节点以及一第十二节点之间；
一第十七开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十二节点耦接至所述第一输出电压；
一第十八开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十二节点耦接至所述接地端；
一第十九开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第十一节点耦接至一第十三节点；
一第四谐振电容，耦接至所述第十三节点；
一第四谐振电感，耦接于所述第四谐振电容以及第十四节点之间；
一第二十开关，根据所述第一控制信号，将所述第十四节点耦接至所述第一输出电压；
一第二十一开关，根据所述第二控制信号，将所述第十四节点耦接至所述接地端；以及
一第二十二开关，根据所述第二控制信号，将所述第十三节点耦接至所述第一输出电压。
6.如权利要求5所述的电源供应系统，其特征在于，回应于所述调变信号位于一第一逻辑位准，所述第一开关、所述第二开关、所述第六开关、所述第七开关、所述第八开关、所述第十二开关、所述第十三开关、所述第十四开关、所述第十八开关、所述第十九开关以及第二十开关根据所述第一控制信号而导通与不导通，所述第三开关、所述第四开关、所述第五开关、所述第九开关、所述第十开关、所述第十一开关、所述第十五开关、所述第十六开关以及所述第十七开关、所述第二十一开关以及所述第二十二开关根据所述第二控制信号而导通与不导通，其中所述切换谐振转换器具有一第一转换率，所述第一输出电压为所述供应电压与所述第一转换率的比值。
7.如权利要求6所述的电源供应系统，其特征在于，回应于所述调变信号位于一第二逻辑位准，所述第一开关、所述第三开关、所述第七开关、所述第十三开关以及所述第十九开关持续导通，所述第二开关持续不导通，所述第六开关、所述第九开关、所述第十开关、所述第十一开关、所述第十四开关、所述第十八开关所述第二十一开关以及所述第二十二开关根据所述第二控制信号而导通与不导通，所述第四开关、所述第五开关、所述第八开关、所述第十二开关、所述第十五开关、所述第十六开关、所述第十七开关以及所述第二十开关根据所述第一控制信号而导通与不导通，其中所述切换谐振转换器具有一第二转换率，所述第一输出电压为所述供应电压与所述第二转换率的比值。
8.如权利要求7所述的电源供应系统，其特征在于，所述第二转换率低于所述第一转换率。
9.如权利要求5所述的电源供应系统，其特征在于，所述第一级电压转换器更包括：
一第一飞驰电感，耦接于所述第一飞驰电容以及所述第四节点之间；
一第二飞驰电感，耦接于所述第二飞驰电容以及所述第八节点之间；以及
一第三飞驰电感，耦接于所述第三飞驰电容以及所述第十二节点之间，其中所述第一飞驰电感、所述第二飞驰电感以及所述第三飞驰电感用以增加所述第一级电压转换器的转换效率。
10.如权利要求3所述的电源供应系统，其特征在于，所述第一级电压转换器为一电压转换器且具有一工作周期，其中回应于所述输出功率超过所述临限值，所述第一级电压转换器增加所述工作周期，藉以升高所述第一输出电压，其中回应于所述输出功率不超过所述临限值，所述第一级电压转换器降低所述工作周期，藉以降低所述第一输出电压。
11.一种切换谐振转换器，其特征在于，用以将一供应电压转换至一输出电压，包括：
一输入电容，耦接于所述供应电压以及一接地端之间；
一第一开关，根据一第一控制信号以及调变信号，将所述供应电压耦接至一第一节点；
一第一谐振电容，耦接至所述第一节点；
一第一谐振电感，耦接于所述第一谐振电容以及一第二节点之间；
一第二开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第二节点耦接至所述输出电压；
一第三开关，根据一第二控制信号以及所述调变信号，将所述第二节点耦接至所述接地端；
一第四开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第一节点耦接至一第三节点；
一第一飞驰电容，耦接于所述第三节点以及一第四节点之间；
一第五开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第四节点耦接至所述输出电压；
一第六开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第四节点耦接至所述接地端；
一第七开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第三节点耦接至一第五节点；
一第二谐振电容，耦接至所述第五节点；
一第二谐振电感，耦接于所述第二谐振电容以及一第六节点之间；
一第八开关，根据所述第一控制信号，将所述第六节点耦接至所述输出电压；
一第九开关，根据所述第二控制信号，将所述第六节点耦接至所述接地端；
一第十开关，根据所述第二控制信号，将所述第五节点耦接至一第七节点，其中所述第七节点耦接至第一输出电压；以及
一输出电容，耦接于所述输出电压以及所述接地端之间，其中所述第一控制信号以及所述第二控制信号互为反相。
12.如权利要求11所述的切换谐振转换器，其特征在于，更包括：
一第二飞驰电容，耦接至所述第七节点以及一第八节点之间；
一第十一开关，根据所述第二控制信号，将所述第八节点耦接至所述输出电压；
一第十二开关，根据所述第一控制信号，将所述第八节点耦接至所述接地端；
一第十三开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第七节点耦接至一第九节点；
一第三谐振电容，耦接至所述第九节点；
一第三谐振电感，耦接于所述第三谐振电容以及一第十节点之间；
一第十四开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十节点耦接至所述输出电压；
一第十五开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十节点耦接至所述接地端；
一第十六开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第九节点耦接至一第十一节点；
一第三飞驰电容，耦接于所述第十一节点以及一第十二节点之间；
一第十七开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十二节点耦接至所述输出电压；
一第十八开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第十二节点耦接至所述接地端；
一第十九开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第十一节点耦接至一第十三节点；
一第四谐振电容，耦接至所述第十三节点；
一第四谐振电感，耦接于所述第四谐振电容以及第十四节点之间；
一第二十开关，根据所述第一控制信号，将所述第十四节点耦接至所述输出电压；
一第二十一开关，根据所述第二控制信号，将所述第十四节点耦接至所述接地端；以及
一第二十二开关，根据所述第二控制信号，将所述第十三节点耦接至所述输出电压。
13.如权利要求12所述的切换谐振转换器，其特征在于，回应于所述调变信号位于一第一逻辑位准，所述第一开关、所述第二开关、所述第六开关、所述第七开关、所述第八开关、所述第十二开关、所述第十三开关、所述第十四开关、所述第十八开关、所述第十九开关以及第二十开关根据所述第一控制信号而导通与不导通，所述第三开关、所述第四开关、所述第五开关、所述第九开关、所述第十开关、所述第十一开关、所述第十五开关、所述第十六开关、所述第十七开关、所述第二十一开关以及所述第二十二开关根据所述第二控制信号而导通与不导通，其中所述切换谐振转换器具有一第一转换率，所述输出电压为所述供应电压与所述第一转换率的比值。
14.如权利要求13所述的切换谐振转换器，其特征在于，回应于所述调变信号位于一第二逻辑位准，所述第一开关、所述第三开关、所述第七开关、所述第十三开关以及所述第十九开关持续导通，所述第二开关持续不导通，所述第六开关、所述第九开关、所述第十开关、所述第十一开关、所述第十四开关、所述第十八开关所述第二十一开关以及所述第二十二开关根据所述第二控制信号而导通与不导通，所述第四开关、所述第五开关、所述第八开关、所述第十二开关、所述第十五开关、所述第十六开关、所述第十七开关以及所述第二十开关根据所述第一控制信号而导通与不导通，其中所述切换谐振转换器具有一第二转换率，所述输出电压为所述供应电压与所述第二转换率的比值。
15.如权利要求14所述的切换谐振转换器，其特征在于，所述第二转换率低于所述第一转换率。
16.如权利要求12所述的切换谐振转换器，其特征在于，更包括：
一第一飞驰电感，耦接于所述第一飞驰电容以及所述第四节点之间；
一第二飞驰电感，耦接于所述第二飞驰电容以及所述第八节点之间；以及
一第三飞驰电感，耦接于所述第三飞驰电容以及所述第十二节点之间，其中所述第一飞驰电感、所述第二飞驰电感以及所述第三飞驰电感用以增加所述切换谐振转换器的转换效率。
17.一种电源供应方法，其特征在于，包括：
利用一第一级电压转换器，将一供应电压转换成一第一输出电压；
将所述第一输出电压转换成一第二输出电压；
判断所述第二输出电压的一输出功率是否超过一临限值；以及
回应于所述输出功率超过所述临限值，调变所述第一输出电压；
所述第一级电压转换器包括：
一输入电容，耦接于所述供应电压以及一接地端之间；
一第一开关，根据一第一控制信号以及所述调变信号，将所述供应电压提供至一第一节点；
一第一谐振电容，耦接至所述第一节点；
一第一谐振电感，耦接于所述第一谐振电容以及一第二节点之间；
一第二开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第二节点耦接至所述第一输出电压；
一第三开关，根据一第二控制信号以及所述调变信号，将所述第二节点耦接至所述接地端；
一第四开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第一节点耦接至一第三节点；
一第一飞驰电容，耦接于所述第三节点以及一第四节点之间；
一第五开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第四节点耦接至所述第一输出电压；
一第六开关，根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述调变信号，将所述第四节点耦接至所述接地端；
一第七开关，根据所述第一控制信号以及所述调变信号，将所述第三节点耦接至一第五节点；
一第二谐振电容，耦接至所述第五节点；
一第二谐振电感，耦接于所述第二谐振电容以及一第六节点之间；
一第八开关，根据所述第一控制信号，将所述第六节点耦接至所述第一输出电压；
一第九开关，根据所述第二控制信号，将所述第六节点耦接至所述接地端；
一第十开关，根据所述第二控制信号，将所述第五节点耦接至一第七节点，其中所述第七节点耦接至所述第一输出电压；以及
一输出电容，耦接于所述第一输出电压以及所述接地端之间，其中所述第一控制信号以及所述第二控制信号互为反相。
18.如权利要求17所述的电源供应方法，其特征在于，所述回应于所述输出功率超过所述临限值，调变所述第一输出电压的步骤包括：
回应于所述输出功率超过所述临限值，增加所述第一输出电压。
19.如权利要求18所述的电源供应方法，其特征在于，所述回应于所述输出功率超过所述临限值，调变所述第一输出电压的步骤更包括：
回应于所述输出功率不超过所述临限值，降低所述第一输出电压。
20.如权利要求19所述的电源供应方法，其特征在于，所述第一级电压转换器为一切换谐振转换器且具有一转换率，其中回应于所述输出功率超过所述临限值，降低所述转换率，藉以升高所述第一输出电压，其中回应于所述输出功率不超过所述临限值，增加所述转换率，藉以降低所述第一输出电压。
21.如权利要求19所述的电源供应方法，其特征在于，所述第一级电压转换器为一电压转换器且具有一工作周期，其中回应于所述输出功率超过所述临限值，增加所述工作周期，藉以增加所述第一输出电压，其中当所述输出功率不超过所述临限值时，降低所述工作周期，藉以降低所述第一输出电压。
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