TW201310894A - 電源產生系統 - Google Patents

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Abstract

一種電源產生系統，至少一信號追蹤單元接收輸入信號，據以產生追蹤信號，該追蹤信號的波形追蹤輸入信號的波峰。至少一直流至直流轉換器接收該追蹤信號，據以產生一電源。

Description

電源產生系統
  本發明係有關一種電源產生系統，特別是一種可追蹤輸入信號的電源產生系統。
  放大器係一種用以放大信號功率的電路，經常使用於電子系統中。第一A圖顯示一種使用運算放大器10的傳統放大器，其中的運算放大器10需要供給電源Vp+及Vp-。如第一B圖所示信號波形，傳統放大器的電源Vp+及Vp-係為固定值。換句話說，無論輸入信號Sin與輸出信號Sout如何變化，電源Vp+及Vp-都是固定不變的。
  第一A圖所示放大器的效能很低，例如當輸出信號值為正時，放大器所損耗的電能為Iout*((Vp+)-Sout電壓)；當輸出信號值為負時，放大器所損耗的電能為Iout*((-Vp-)+Sout電壓)，這些損耗電能會轉變為熱能。對於可攜式電子裝置而言，其電池的容量是有限的，如果能夠減少電能的損耗，則可延長電池的運作時間。再者，可攜式電子裝置受到空間的限制，不容易進行散熱。因此，如果能夠減少熱能的產生，則可簡化可攜式電子裝置的散熱裝置。
  因此，亟需提出一種新穎的電源產生機制，用以適應地產生電源，以減少電能的損耗。
  鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種電源產生系統，用以提供放大器所需的電源，所產生的電源會隨著輸入信號的大小適應地作改變，因而可大量地節省能源的損耗，不但可以延長電池的運作時間，且能減少熱能的產生及排放。
  根據本發明實施例，電源產生系統包含至少一信號追蹤單元及至少一直流至直流轉換器。信號追蹤單元接收一輸入信號，據以產生一追蹤信號，該追蹤信號的波形追蹤該輸入信號的波峰。直流至直流轉換器接收該追蹤信號，據以產生一電源。
  第二A圖之功能方塊圖顯示本發明實施例的電源產生系統20，用以提供放大器22所需的電源Vp。放大器22係用以將輸入信號Sin放大以產生輸出信號Sout。該放大器22可以為各種型式，如第一A圖所示的放大電路，但不限定於此。
  在本實施例中，電源產生系統20主要包含信號追蹤（signal tracing）單元201及直流至直流轉換器（DC to DC converter）203。其中，信號追蹤單元201接收放大器22的輸入信號，用以產生一追蹤信號Vtr，其波形大致追蹤輸入信號Sin的波峰。直流至直流轉換器203接收追蹤信號Vtr，並據以產生電源Vp，用以提供給放大器22作為電源。在本實施例中，電源Vp係指電源電壓。此外，信號追蹤單元201還可接收一（正值）操作工作電壓Vlevel，用以確保所產生的電源Vp的絕對值不會低於最小工作電壓Vmin。再者，當輸入信號Sin的驅動能力不足以驅動信號追蹤單元201，將會導致輸入信號Sin的失真。此時，須先加強輸入信號Sin的驅動能力後，再傳送至信號追蹤單元201。
  第二A圖所示的電源產生系統20根據單一追蹤信號Vtr以產生單電源Vp。第二B圖所示的電源產生系統20則是根據輸入信號Sin以產生二追蹤信號Vtr+及Vtr-，據以產生雙電源Vp+及Vp-。詳而言之，第一信號追蹤單元201A及第二信號追蹤單元201B接收放大器22的輸入信號Sin，用以分別產生第一追蹤信號Vtr+及第二追蹤信號Vtr-，其波形分別追蹤輸入信號Sin的正波峰及負波峰。第一直流至直流轉換器203A及第二直流至直流轉換器203B分別接收第一追蹤信號Vtr+及第二追蹤信號Vtr-，據以分別產生第一電源Vp+及第二電源Vp-，用以提供給放大器22作為電源。
  第二C圖顯示第二B圖的相關信號波形。如圖所示，第一追蹤信號Vtr+及第二追蹤信號Vtr-會追蹤輸入信號Sin的波峰。當輸入信號Sin的頻率較低時（如圖式的右邊），由於電路當中電荷的放電，使得第一追蹤信號Vtr+及第二追蹤信號Vtr-於輸入信號Sin的波峰之間，其幅度會有稍微降低的現象。值得注意的是，雖然圖示第一追蹤信號Vtr+及第二追蹤信號Vtr-與輸入信號Sin的波峰相切；然而，於實際的電路中，第一追蹤信號Vtr+及第二追蹤信號Vtr-可能低於（或高於）輸入信號Sin的波峰值。此外，當輸入信號Sin的正波形低於操作工作電壓Vlevel時，第一電源Vp+會維持大於最小工作電壓Vmin；當輸入信號Sin的負波形的絕對值低於操作工作電壓Vlevel時，第二電源Vp-會維持小於最小工作電壓Vmin的負值（亦即，-Vmin）。由於提供給放大器20的第一/第二電源Vp+/Vp-會隨著輸入信號Sin的大小適應地作改變，因而可以大量地節省能源的損耗，不但可以延長電池的運作時間，且能減少熱能的產生及排放。上述第二A圖或第二B圖所示的架構可以使用各種類比或數位電路來實施，以下介紹其中的幾個較佳實施例。
  第三A圖之電路圖顯示本發明第一較佳實施例的電源產生系統20。在本實施例中，第一/第二追蹤信號Vtr+/Vtr-係分別為第一/第二直流至直流轉換器203A/203B的第一/第二參考電壓Vref+及Vref-，而所產生的第一/第二電源Vp+/Vp-具有以下關係：
Vp+=(Vref+)*增益，
Vp-=(Vref-)*增益。
  本實施例的第一信號追蹤單元201A包含第一二極體D1，其陽極耦接至輸入信號Sin，用以讓輸入信號Sin的正波形通過，第一二極體D1的輸出端（陰極）與地之間耦接串聯之電容器C與電阻器Ra作為積分電路，因而產生第一參考電壓Vref+。此外，電阻器Rb併聯於電容器C，可作為放電之用，其可決定第一參考電壓Vref+追隨輸入信號Sin的速度。此外，第一信號追蹤單元201A還可包含第二二極體D2，其陽極耦接至操作工作電壓Vlevel，陰極耦接至該積分電路Ra/C。當輸入信號Sin小於操作工作電壓Vlevel時，第二二極體D2會導通（第一二極體D1則關閉），因而讓第一參考電壓Vref+維持於操作工作電壓Vlevel，且第一電源Vp+維持大於最小工作電壓Vmin。第二信號追蹤單元201B的結構類似於第一信號追蹤單元201A，但增加一反相器2010，用以將輸入信號Sin的負波形先予以反相，再依第一信號追蹤單元201A相同的操作原理以產生第二參考電壓Vref-。
  第三B圖顯示等效於第三A圖所示第一信號追蹤單元201A的電路。在此實施例中，第一信號追蹤單元201A包含電晶體T，其輸入端（集極）耦接至輸入信號Sin，輸出端（射極）耦接至電容器C與電阻器Ra（亦即積分電路）。電晶體T的控制端（基極）耦接至基納（Zener）二極體Dz，其崩潰（breakdown）電壓約等於操作工作電壓Vlevel加上電晶體T的基射極電壓VBE。
  第三C圖之電路圖顯示本發明第一較佳實施例變化型的電源產生系統20，第三D圖顯示第三C圖的相關信號波形。和第三A圖所示實施例不同的是，本實施例變化型省略了操作工作電壓Vlevel及其第二二極體D2。取而代之的是，第一/第二直流至直流轉換器203A/203B內部使用了偏壓電路，當第一/第二參考電壓Vref+/Vref-的絕對值小於操作工作電壓時，第一電源Vp+會維持大於最小工作電壓Vmin，且第二電源Vp-會維持小於最小工作電壓Vmin的負值（亦即，-Vmin）。
  第四圖之電路圖顯示本發明第二較佳實施例的電源產生系統20，僅顯示出信號追蹤單元201的電路，其餘則省略。類似於第一實施例（第三A圖），信號追蹤單元201包含第一二極體D1，其陽極耦接至輸入信號Sin，用以讓輸入信號Sin的正波形通過，第一二極體D1的輸出端（陰極）與地之間耦接串聯之電容器C與電阻器Ra作為積分電路。本實施例使用一直流補償（offset）調整電路2012，用以確保所產生的電源Vp不會低於最小工作電壓Vmin。詳而言之，直流補償調整電路2012包含電阻器R1及R2組成的分壓電壓，其一端（間接）耦接至積分器的輸出，另一端則耦接至一調整電壓Vt。所產生的分壓電壓藉由運算放大器2012A所構成的非反相（non-inverting）放大器予以放大。
  本實施例之信號追蹤單元201可以使用多個相同的直流補償調整電路，例如圖式中所示的方塊2014，其使用調整電壓Vg。基於其他的電路設計考量，本實施例之信號追蹤單元201還可額外包含其他電路，例如由運算放大器2016A所構成的非反相放大器2016，用以放大/縮小信號；由運算放大器2018A所構成的單增益（unity gain）緩衝放大器2018，用以提升電流驅動能力。
  第五圖之方塊圖顯示本發明第三較佳實施例的電源產生系統20。在本實施例中，信號追蹤單元201包含類比至數位轉換器（ADC）2011，用以將輸入信號Sin轉換為數位信號。該數位信號被傳送至數位信號處理器2013，據以於數位域（digital domain）產生第一/第二追蹤信號Vtr+/Vtr-，分別提供給第一/第二直流至直流轉換器203A/203B。數位信號處理器2013還可根據輸入或預設之操作工作電壓Vlevel，用以確保所產生的電源Vp的絕對值不會低於最小工作電壓Vmin。
  如果第一/第二直流至直流轉換器203A/203B係為類比輸入介面，則於數位信號處理器2013與第一/第二直流至直流轉換器203A/203B之間尚須使用數位至類比轉換器（DAC）作為信號介面2015；如果第一/第二直流至直流轉換器203A/203B係為數位輸入介面，則可於數位信號處理器2013與第一/第二直流至直流轉換器203A/203B之間使用數位信號介面2015，例如通用輸入/輸出（GPIO）、內部整合電路（I2C）、串列週邊介面（SPI）或通用非同步收發器（UART）。上述之類比至數位轉換器（ADC）2011或介面2015可與數位信號處理器2013製作於同一晶片或同一封裝，也可分開製造或封裝。
  以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10．．．運算放大器
20．．．電源產生系統
22．．．放大器
201．．．信號追蹤單元
201A．．．第一信號追蹤單元
201B．．．第二信號追蹤單元
2010．．．反相器
2011．．．類比至數位轉換器(ADC)
2012．．．直流補償調整電路
2012A．．．運算放大器
2013．．．數位信號處理器
2014．．．直流補償調整電路
2015．．．介面
2016．．．非反相放大器
2016A．．．運算放大器
2018．．．單增益緩衝放大器
2018A．．．運算放大器
203．．．直流至直流轉換器(DC/DC)
203A．．．第一直流至直流轉換器
203B．．．第二直流至直流轉換器
Iout．．．輸出電流
Sin．．．輸入信號
Sout．．．輸出信號
Vtr．．．追蹤信號
Vtr+．．．第一追蹤信號
Vtr-．．．第二追蹤信號
Vp．．．電源
Vp+．．．第一電源
Vp-．．．第二電源
Vmin．．．最小工作電壓
Vlevel．．．操作工作電壓
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
Dz．．．基納二極體
T．．．電晶體
C．．．電容器
Ra．．．電阻器
Rb．．．電阻器
R1．．．電阻器
R2．．．電阻器
Vt．．．調整電壓
Vg．．．調整電壓
Vref+．．．第一參考電壓
Vref-．．．第二參考電壓
第一A圖顯示一種使用運算放大器的傳統放大器。
第一B圖顯示第一A圖的相關信號波形。
第二A圖之功能方塊圖顯示本發明實施例的電源產生系統，用以提供放大器所需的電源。
第二B圖之功能方塊圖顯示本發明實施例的另一電源產生系統。
第二C圖顯示第二B圖的相關信號波形。
第三A圖之電路圖顯示本發明第一較佳實施例的電源產生系統。
第三B圖顯示等效於第三A圖所示第一信號追蹤單元的電路。
第三C圖之電路圖顯示本發明第一較佳實施例變化型的電源產生系統。
第三D圖顯示第三C圖的相關信號波形。
第四圖之電路圖顯示本發明第二較佳實施例的電源產生系統。
第五圖之方塊圖顯示本發明第三較佳實施例的電源產生系統。
20．．．電源產生系統
22．．．放大器
201．．．信號追蹤單元
203．．．直流至直流轉換器(DC/DC)
Sin．．．輸入信號
Sout．．．輸出信號
Vtr．．．追蹤信號
Vp．．．電源
Vlevel．．．操作工作電壓

Claims (15)

  1. 一種電源產生系統，包含：
    　 至少一信號追蹤單元，其接收一輸入信號，據以產生一追蹤信號，該追蹤信號的波形追蹤該輸入信號的波峰；及
    　 至少一直流至直流轉換器，接收該追蹤信號，據以產生一電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源產生系統，其中該信號追蹤單元更接收一操作工作電壓，用以確保所產生之該電源的絕對值不會低於一最小工作電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源產生系統，其中該至少一信號追蹤單元包含第一信號追蹤單元及第二信號追蹤單元，且該至少一直流至直流轉換器包含第一直流至直流轉換器及第二直流至直流轉換器；其中，該第一信號追蹤單元根據該輸入信號以產生第一追蹤信號，且該第二信號追蹤單元根據該輸入信號以產生第二追蹤信號；該第一直流至直流轉換器根據該第一追蹤信號以產生第一電源，且該第二直流至直流轉換器根據該第二追蹤信號以產生第二電源。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源產生系統，其中該追蹤信號係為該直流至直流轉換器的參考信號，且所產生的該電源與該參考信號具有以下關係：
    電源=參考信號*增益。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源產生系統，其中該信號追蹤單元包含：
    　 第一二極體，其陽極耦接至該輸入信號，用以讓該輸入信號的正波形通過；及
    　 一積分電路，耦接至該第一二極體的陰極，因而產生該參考電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源產生系統，其中該積分電路包含串聯之電容器與電阻器，耦接於該第一二極體的陰極與地之間。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電源產生系統，其中該信號追蹤單元更包含：
    　 第二二極體，其陽極耦接至一操作工作電壓，陰極耦接至該積分電路；
    　 其中當該輸入信號小於該操作工作電壓時，該第二二極體導通，因而讓該參考電壓維持於該操作工作電壓。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之電源產生系統，其中該信號追蹤單元包含：
    　 一電晶體，其輸入端耦接至該輸入信號；
    　 一基納二極體，耦接至該電晶體的控制端，該基納二極體的崩潰電壓約等於一操作工作電壓加上該電晶體之控制端與輸出端之間的壓降；及
    　 一積分電路，耦接至該電晶體的輸出端，因而產生該參考電壓。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之電源產生系統，其中該信號追蹤單元包含：
    　 第一二極體，其陽極耦接至該輸入信號，用以讓該輸入信號的正波形通過；
    　 一積分電路，耦接至該第一二極體的陰極；及
    　 至少一直流補償調整電路，用以確保所產生的該電源不會低於一最小工作電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源產生系統，其中該直流補償調整電路包含：
    　 一分壓電路，其一端耦接至該積分器的輸出，另一端耦接至一調整電壓；及
    　 一非反相（non-inverting）放大器，接收該分壓電路所產生的分壓電壓。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電源產生系統，其中該信號追蹤單元包含：
    　 一類比至數位轉換器（ADC），用以將該輸入信號轉換為數位信號；
    　 一數位信號處理器，接收該數位信號，據以於數位域產生該追蹤信號；及
    　 一介面，藉以將該追蹤信號傳送至該直流至直流轉換器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電源產生系統，其中該數位信號處理器更根據輸入或預設之一操作工作電壓，用以確保所產生的該電源的絕對值不會低於該最小工作電壓。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之電源產生系統，其中該介面包含一數位至類比轉換器（DAC）。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之電源產生系統，其中該介面包含一數位介面。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電源產生系統，其中該數位介面包含下列之一：通用輸入/輸出（GPIO）、內部整合電路（I2C）、串列週邊介面（SPI）及通用非同步收發器（UART）。
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