TW201312916A - 電源供應電路及具有適應性致能電荷泵之電源供應電路 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，包含：降壓型功率轉換電路，根據控制訊號，切換功率開關以將輸入電壓轉換為中間電壓；電荷泵，其中，當該電荷泵致能時，該電荷泵接收來自該降壓型功率轉換電路之該中間電壓，並進行升壓轉換以供應負載電壓，且當該電荷泵禁能時，該中間電壓直接供應該負載電壓；以及控制器，產生控制訊號以控制降壓型功率轉換電路，並根據輸入電壓位準以決定致能或禁能電荷泵。

Description

電源供應電路及具有適應性致能電荷泵之電源供應電路

本發明係有關一種電源供應電路，特別是指一種根據輸入電壓的狀況，適應性地致能電荷泵之電源供應電路。

第1圖為先前技術中自電池產生負載電壓Vld供應給負載電路的電源供應電路之示意圖，其中負載電路例如為可攜式電子裝置的顯示面板。如圖所示，電源供應電路中主要包括兩組功率轉換電路：位於系統側的降壓型功率轉換電路11和位於面板側的升壓型功率轉換電路12。降壓型功率轉換電路11接收輸入電壓Vin，並切換其中的功率開關，以將輸入電壓Vin轉換為較低的中間電壓Vm，中間電壓Vm低於負載電壓Vld。中間電壓Vm經由電路板傳輸至面板端，升壓型功率轉換電路12切換其中的功率開關，將中間電壓Vm轉換為負載電壓Vld，以提供穩定的電壓給負載電路。以上使用降壓和升壓兩組功率轉換電路的原因是因為輸入電壓Vin(通常為電池電壓)在初使用時電壓高於負載電壓Vld，但使用較久時，其電壓會下降而低於負載電壓Vld，故必須以降壓型功率轉換電路11將輸入電壓Vin轉換為確定位準的中間電壓Vm，才能確保升壓型功率轉換電路12正常工作產生負載電壓Vld。

上述先前技術的電源供應電路，其使用升壓型功率轉換電路12，於操作過程中，電壓經過兩次轉換，功率耗損較高；另外，由於Vm在系統上有較長的走線，降壓後電流變大，電路板走線的等效電阻Rpcb所消耗的功率也不可忽視。因此，如何降低功率損失，以增長電池壽命，成為需要克服的問題。

有鑑於此，先前技術另提出了四種電源供應電路，分別顯示於第2,3,4,5圖當中。然而，此四種電源供應電路亦個別有其缺點。在第2圖所示之先前技術美國專利第7,411,316號案中，其電源供應電路具有一控制器14及雙輸入電壓VDD,VPP。當其中一輸入電壓低於負載電壓Vld時，電路改選擇另一輸入電壓，因此可保持操作於降壓轉換模式。然而，第2圖所示之先前技術必須限定在有雙輸入電壓VDD,VPP之情況下，而無法應用於單輸入電壓之情況。

第3圖所示為本案申請人所提出之另一先前技術，其中當輸入電壓Vin(即電池電壓)高於臨界值，足夠以降壓方式產生負載電壓Vld時，控制器14控制降壓型功率轉換電路15來將輸入電壓Vin轉換為負載電壓Vld；當輸入電壓Vin下降以致低於臨界值時，則透過電荷泵13產生升壓電壓(電荷泵13的輸入電壓可來自電壓Vpp1-Vppn)，並透過降壓型功率轉換電路16來供應負載電壓Vld。然而，第3圖所示之先前技術必須使用一額外功率開關161來切換不同之模式，且其控制器14需要控制電荷泵13、降壓型功率轉換電路15與降壓型功率轉換電路16，電路較為複雜。

第4圖所示為另一先前技術之電源供應電路，其利用升降壓型功率轉換電路來進行功率轉換。然而，此先前技術在操作時，若輸入電壓Vin和負載電壓Vld位準相近，則電路會操作於升降壓模式，此時四組功率開關必須頻繁地切換，功率耗損較高，因此整體功率使用效率不佳。

第5圖所示為本案申請人所提出之另一先前技術，其中當輸入電壓Vin(即電池電壓)高於臨界值，足夠以降壓方式產生負載電壓Vld時，開關SW為斷路，控制器14控制降壓型功率轉換電路17來將輸入電壓Vin轉換為負載電壓Vld；當輸入電壓Vin下降以致低於臨界值時，開關SW為通路，控制器14控制升壓型功率轉換電路18產生升壓後的中間電壓Vm，再透過降壓型功率轉換電路17來供應負載電壓Vld。然而，第5圖所示之先前技術需要額外的電感。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，其根據輸入電壓的狀況，適應性切換不同之模式，使得電源供應器之操作最佳化。

本發明目的之一在提供一種電源供應電路。

本發明的另一目的在提供一種具有適應性致能電荷泵之電源供應電路。

為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種電源供應電路，包含：一降壓型功率轉換電路，根據一控制訊號，切換至少一功率開關以將一輸入電壓轉換為一中間電壓；一電荷泵，該電荷泵接收來自該降壓型功率轉換電路之該中間電壓，並進行升壓轉換以供應一負載電壓；以及一控制器，產生該控制訊號以控制該降壓型功率轉換電路。

上述電源供應電路中，該電荷泵可包括一固定倍壓電路或一可變倍壓電路。

上述電源供應電路中，該控制器宜根據負載電壓而回授控制該至少一功率開關。

就再另一個觀點言，本發明提供了一種具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，包含：一降壓型功率轉換電路，根據一控制訊號，切換至少一功率開關以將一輸入電壓轉換為一中間電壓；一電荷泵，其中，當該電荷泵致能時，該電荷泵接收來自該降壓型功率轉換電路之該中間電壓，並進行升壓轉換以供應一負載電壓，且當該電荷泵禁能時，該中間電壓直接供應該負載電壓；以及一控制器，產生該控制訊號以控制該降壓型功率轉換電路，並根據該輸入電壓位準以決定致能或禁能該電荷泵。

上述具有適應性致能電荷泵之電源供應電路中，該控制器宜根據負載電壓而回授控制該至少一功率開關。

上述具有適應性致能電荷泵之電源供應電路中，可更進一步包含：一模式選擇電路，根據該輸入電壓位準，以產生一模式選擇訊號，使得該控制器可根據該模式選擇訊號以決定致能或禁能該電荷泵。

上述具有適應性致能電荷泵之電源供應電路中，當該輸入電壓大於該負載電壓時，該電荷泵宜禁能不動作。

在其中一個實施型態中，該電荷泵包括第一開關、第二開關、第三開關、第四開關與一電容，該電容具有第一端與第二端，該第一開關耦接在該電容第一端與該中間電壓之間，該第二開關耦接在該電容第一端與負載電壓之間，該第三開關耦接在該電容第二端與地之間，該第四開關耦接在該電容第二端與中間電壓之間，其中當該電荷泵禁能時，該第一開關、第二開關與第三開關導通且該第四開關斷路；當該電荷泵致能時，於第一階段，該第一開關與第三開關導通且該第二開關與第四開關斷路；於第二階段，該第一開關與第三開關斷路且該第二開關與第四開關導通。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參閱第6圖，顯示本發明基本架構的第一實施例。如第6圖所示，本發明之電源供應電路，包含：電荷泵23、控制器24及降壓型功率轉換電路25。降壓型功率轉換電路25根據控制訊號Sug,Slg切換功率開關251,252，以將輸入電壓轉Vin換為中間電壓Vm；控制器24產生控制訊號Sug,Slg以控制降壓型功率轉換電路25；電荷泵23接收來自降壓型功率轉換電路25之中間電壓Vm，並進行升壓轉換以產生負載電壓Vld。本實施例中電荷泵23的功率轉換效率優於第1、4、5圖先前技術中的升壓型功率轉換電路，且本實施例可應用於單輸入電壓之情況，優於第2圖先前技術，又本實施例與第3圖所示之先前技術相較，並不需要額外的功率開關161，故也優於第3圖先前技術。

第6圖中也顯示，本實施例中控制器24從負載電壓Vld取回授訊號(可為負載電壓Vld本身或其分壓)，以回授控制功率開關251,252，此方式的優點是可直接將負載電壓Vld調節在所要的目標值。另一方式是從中間電壓Vm取回授訊號以回授控制功率開關251,252，而電荷泵23則根據穩壓後的中間電壓Vm來產生負載電壓Vld，此方式亦可，但第6圖所顯示的方式較佳。

請參閱第7A圖，顯示本發明基本架構的第二實施例。如第7A圖所示，本發明之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，包含：電荷泵23、控制器24、降壓型功率轉換電路25及模式選擇電路26。降壓型功率轉換電路25根據控制訊號Sug,Slg切換功率開關251,252，以將輸入電壓轉Vin換為中間電壓Vm；控制器24產生控制訊號Sug,Slg以控制降壓型功率轉換電路25，並根據輸入電壓Vin位準以決定致能或禁能電荷泵23，其中當電荷泵23致能時，電荷泵23接收來自降壓型功率轉換電路25之中間電壓Vm，並進行升壓轉換以產生負載電壓Vld；當電荷泵23禁能時，則中間電壓Vm直接供應作為負載電壓Vld。模式選擇電路26產生模式選擇訊號sel，使得控制器24可根據模式選擇訊號sel以決定致能或禁能電荷泵23。詳言之，模式選擇訊號sel表示輸入電壓Vin是否在某一位準以上，當輸入電壓Vin在該位準以上時，表示可單純根據輸入電壓Vin來降壓產生負載電壓Vld，亦即中間電壓Vm可直接供應作為負載電壓Vld；當輸入電壓Vin不在該位準以上時，則根據輸入電壓Vin所降壓產生的中間電壓Vm，宜透過電荷泵23的升壓後，才作為負載電壓Vld。

第7B圖顯示本發明模式選擇電路26之一種實施例，其中，模式選擇電路26包含比較器261，此比較器261比較輸入電壓Vin及負載電壓Vld，藉此產生模式選擇訊號sel。須說明的是，本實施例顯示比較器261比較輸入電壓Vin及負載電壓Vld，目的係在概念上說明模式選擇訊號sel是根據輸入電壓Vin與負載電壓Vld的相對關係而產生；比較器261並不限於比較輸入電壓Vin及負載電壓Vld，亦可比較輸入電壓Vin的分壓及負載電壓Vld的分壓，或可在比較器的任一輸入端加上正或負的偏壓(亦即比較(Vin+ΔV)與Vld，或比較Vin與(Vld+ΔV)，或比較(Vin的分壓+ΔV)與Vld的分壓，或比較Vin的分壓與(Vld+ΔV)的分壓，其中ΔV可為正值或負值)。或是，模式選擇訊號sel也不必須根據輸入電壓Vin及負載電壓Vld的相對關係而產生，可將輸入電壓Vin或其分壓與一設定的參考位準相比較，以產生模式選擇訊號sel。

第7A圖中所示之降壓型功率轉換電路25為同步降壓型功率轉換電路，包含兩個功率開關251,252，但本發明不限於此，第7A圖中之降壓型功率轉換電路25亦可改換為第7C圖所示之非同步降壓型功率轉換電路。

第8圖舉例顯示本發明更具體之實施例。如第8圖所示，在本實施例中電荷泵23為一具有四個開關S1,S2,S3,S4及一電容C之倍壓電荷泵，其中，各開關S1,S2,S3,S4可包括一P型金屬氧化半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)或一NMOSFET。開關S1耦接在電容上端Nh與中間電壓Vm之間，開關S2耦接在電容上端Nh與負載電壓Vld之間，開關S3耦接在電容下端Nl與地之間，開關S4耦接在電容下端Nl與中間電壓Vm之間。須說明的是，第8圖所示之實施例僅為舉例說明，並非用以限定本發明；實際上，本發明之電荷泵23可為一固定倍壓電路或一可變倍壓電路，其倍率也不限於為兩倍。

第9A-9C圖顯示第8圖實施例之基本操作，其原則如下：假設模式選擇電路26根據輸入電壓Vin與負載電壓Vld的相對關係而產生模式選擇訊號sel，則當輸入電壓Vin高於負載電壓Vld，表示足夠以降壓方式產生負載電壓Vld時，整體電路透過降壓型功率轉換電路25來將輸入電壓Vin轉換為中間電壓Vm以供應負載電壓Vld；當輸入電壓Vin不高於負載電壓Vld時，則利用電荷泵23產生升壓電壓來供應負載電壓Vld。第9A圖顯示輸入電壓Vin高於負載電壓Vld之情況，而第9B-9C圖則顯示輸入電壓Vin不高於負載電壓Vld之情況。在第9A圖中，由於輸入電壓Vin高於負載電壓Vld，整體電路尚足夠以降壓轉換模式來供應負載電壓Vld；因此，在此情況中，開關S1、S2及S3是處於導通狀態，使中間電壓Vm直接供應負載電壓Vld，但開關S4則為斷路，以禁能電荷泵23。須說明的是，所謂「禁能電荷泵23」並非指無電流通過電荷泵23，而是指當電流流過電荷泵23時沒有產生升壓之效果(亦即，電荷泵23不進行升壓之動作)。在第9B-9C圖中，由於Vin不高於負載電壓Vld，整體電路不足夠以降壓轉換模式來供應負載電壓Vld；因此，必須藉由電荷泵23產生升壓電壓來供應負載電壓Vld。第9B圖顯示電荷泵23產生升壓電壓之步驟一，在此步驟中，開關S1及S3是處於導通狀態而開關S2及S4是處於斷路狀態，使得電容C進行充電而在電容C中儲存等同於中間電壓Vm之電容電壓。第9C圖顯示電荷泵23產生升壓電壓之步驟二，在此步驟中，開關S2及S4是處於導通狀態而開關S1及S3是處於斷路狀態，使得電容C所儲存的電壓被疊加到中間電壓Vm之上，因此負載電壓Vld等於雙倍的中間電壓Vm(即Vld=2*Vm)，而可達到升壓之效果。雖然第9A-9C圖以二倍壓電荷泵為例進行說明，但其他種類之電荷泵亦可用相似之原理實施，因此不予贅述。又，以上步驟一、二係為了便於了解而以此次序說明，事實上步驟一、二的次序可以調換。

與先前技術相較，本發明直接將Vin轉換成Vld，不需要使用系統側先降壓再做升壓轉換，因此可以大幅降低走線Rpcb的功率損失，故本發明的功率運用效率比先前技術為佳。此外，本發明並不需要時常切換開關，因此整體效率及穩定性也較先前技術為佳。再者，本發明不需要雙輸入電壓或多輸入電壓，也不需要增加開關或者電感，因此應用範圍較廣且成本較低。綜上所述，本發明在多方面之表現優於先前技術，因此本發明不僅是不同於先前技術，更具有相當的優越性。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。除電荷泵23可使用其他型式的電荷泵之外，例如，在所示各實施例電路中，可插入不影響訊號主要意義的元件，如其他開關等；又例如比較電路的輸入端正負可以互換，僅需對應修正電路的訊號處理方式即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

13,23．．．電荷泵

14,24．．．控制器

11,15,16,17,25．．．降壓型功率轉換電路

251,252．．．功率開關

12,18．．．升壓型功率轉換電路

26．．．模式選擇電路

261．．．比較器

C．．．電容

L．．．電感

Nh．．．電容上端

Nl．．．電容下端

Rpcb．．．等效電阻

S1,S2,S3,S4,Sug,Slg．．．控制訊號

sel．．．模式選擇訊號

SW．．．開關

Vpp1-Vppn．．．電壓

Vin．．．輸入電壓

Vm．．．中間電壓

Vld．．．負載電壓

第1圖顯示先前技術的電源供應電路示意圖。

第2圖顯示另一先前技術的電源供應電路示意圖。

第3圖顯示另一先前技術的電源供應電路示意圖。

第4圖顯示另一先前技術的電源供應電路示意圖。

第5圖顯示另一先前技術的電源供應電路示意圖。

第6圖顯示本發明基本架構的第一實施例。

第7A圖顯示本發明基本架構的第二實施例。

第7B圖顯示本發明偵測輸入電壓位準的一個實施例。

第7C圖顯示降壓型功率轉換電路25亦可替換為非同步降壓型功率轉換電路。

第8圖顯示本發明之一更具體實施例。

第9A-9C圖以二倍壓電荷泵為例說明本發明之基本操作。

23．．．電荷泵

24．．．控制器

25．．．降壓型功率轉換電路

251,252．．．功率開關

26．．．模式選擇電路

L．．．電感

Sug,Slg．．．控制訊號

sel．．．模式選擇訊號

Vin．．．輸入電壓

Vm．．．中間電壓

Vld．．．負載電壓

Claims (10)

1. 一種電源供應電路，包含：一降壓型功率轉換電路，根據一控制訊號，切換至少一功率開關以將一輸入電壓轉換為一中間電壓；一電荷泵，該電荷泵接收來自該降壓型功率轉換電路之該中間電壓，並進行升壓轉換以供應一負載電壓；以及一控制器，產生該控制訊號以控制該降壓型功率轉換電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該電荷泵包括一固定倍壓電路或一可變倍壓電路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應電路，其中該控制器根據負載電壓而回授控制該至少一功率開關。
4. 一種具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，包含：一降壓型功率轉換電路，根據一控制訊號，切換至少一功率開關以將一輸入電壓轉換為一中間電壓；一電荷泵，其中，當該電荷泵致能時，該電荷泵接收來自該降壓型功率轉換電路之該中間電壓，並進行升壓轉換以供應一負載電壓，且當該電荷泵禁能時，該中間電壓直接供應該負載電壓；以及一控制器，產生該控制訊號以控制該降壓型功率轉換電路，並根據該輸入電壓位準以決定致能或禁能該電荷泵。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，其中該控制器根據負載電壓而回授控制該至少一功率開關。
6. 如申請專利範圍第4項所述之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，其中當該輸入電壓大於該負載電壓時，該電荷泵禁能不動作。
7. 如申請專利範圍第4項所述之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，更進一步包含：一模式選擇電路，根據該輸入電壓位準以產生一模式選擇訊號，使得該控制器可根據該模式選擇訊號以決定致能或禁能該電荷泵。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，其中該模式選擇電路包含一比較器，該比較器比較(1)　該輸入電壓與該負載電壓，或(2)　該輸入電壓之分壓與該負載電壓之分壓，或(3)　該輸入電壓加上一偏壓與該負載電壓，或(4)　該輸入電壓與該負載電壓加上一偏壓，或(5)　該輸入電壓之分壓加上一偏壓與該負載電壓之分壓，或(6)　該輸入電壓之分壓與該負載電壓之分壓加上一偏壓，或(7)　該輸入電壓與一參考位準，或(8)　該輸入電壓之分壓與一參考位準，藉此產生該模式選擇訊號。
9. 如申請專利範圍第4項所述之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，其中該電荷泵包括一固定倍壓電路或一可變倍壓電路。
10. 如申請專利範圍第4項所述之具有適應性致能電荷泵之電源供應電路，其中該電荷泵包括第一開關、第二開關、第三開關、第四開關與一電容，該電容具有第一端與第二端，該第一開關耦接在該電容第一端與該中間電壓之間，該第二開關耦接在該電容第一端與負載電壓之間，該第三開關耦接在該電容第二端與地之間，該第四開關耦接在該電容第二端與中間電壓之間，其中當該電荷泵禁能時，該第一開關、第二開關與第三開關導通且該與第四開關斷路；當該電荷泵致能時，於第一階段，該第一開關與第三開關導通且該第二開關與第四開關斷路；於第二階段，該第一開關與第三開關斷路且該第二開關與第四開關導通。