TW201340572A - 複合式電源輸出架構 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種複合式電源輸出架構，針對目前電源供電系統，尤其是切換式電源架構，對外界負載突然改變反應過慢之缺陷，以額外一組或多組快速反應之補償電源電路來因應。該快速反應補償電源電路係並行於主電源供應路徑之上，而當於切換式電源供電無法因應突然改變之需求，此快速補償電源電路即立即啟動，以補足電源供應及需求間的缺口，確保進行中的作業穩定運作，而獲得產業上之利用價值者。

Description

複合式電源輸出架構

本發明係關於一種複合式電源輸出架構，主要利用額外之快速反應補償電源電路之設置，使傳統電源供電系統，尤其是切換式電源供電因先天架構無法因應突然增加電流的需求時，即可啟動快速補償電路，以補足電流需求，確保系統妥善運作。在傳統電源供應路徑上，額外增加一組快速補償電路提供可迅速反應以配合外界電流需求之電源提供管道，達成快速穩定電源品質的目的。

習知具有切換式穩壓器(Switching Regulator)之切換式電源供應架構，因其對電源轉換效率高，是現代電子產品上不可獲缺的電子元件，無論在主機板、手機、NB等電子產品的供電系統中，皆可見到此元件之蹤影。

電壓轉換效率高是使用切換式穩壓器切換式電源供應優點，然而，亦因其先天結構必致其面對負載需求的變化的必有反應速度慢問題。傳統上，因應切換式穩壓器反應速度慢的先天缺陷，為達到電源輸出的穩定，係採取加大輸出電容的作法，以補足其先天架構的不足。惟電子技術日新月異，多項趨勢的改變，導致加大電容的傳統對策受到挑戰；此包括：

一、半導體工作電壓的降低及需求電流的增加，導致電容之有效性大幅降低

1.　半導體工作電壓降低的影響：

電子電路中，電容扮演的角色是提供暫時性的電流供應，但隨著電容上儲存電荷的提供，電容上的跨壓也下降。

C(電容量)＊△V(輸出電壓降低)=I(輸出電流變化量)＊T(電容提供突增輸出電流時間)

電壓降低的結果，導致半導體正常運作中，可以接受的電壓變動的範疇也隨之降低。

假設一般可以接受之供應電壓變動範圍5%，則在3.3V時，此5%為0.165V，而若僅有1V時，則同樣的5%則降低為0.05V，也同步的降低到1/3不到。

2.　半導體工作電流需求的提升：

隨著半導體工作電壓降低下，半導體工作時脈持續提升；半導體時脈提高，導致電流需求上升。同樣瓦數消耗，假設同樣是10watt的CPU，在3.3V工作電壓時，電流是3A，而在1V供電時，電流則是10A。

C(電容量)＊△V(輸出電壓降低)=I(輸出電流變化量)＊T(電容提供突增輸出電流時間)

電流需求上升的結果，進一步導致所需的C(電容量)上升。電容在穩定供電的有效性，可以用一個簡單數理公式來計算，所需電容約反比於操作電壓平方倍。也就是若工作電壓下降為1/2，在維繫相同瓦數的運作，電容的有效性會降低，而導致所需的電容增加為四倍。

二、為達省電需求電流負載變動日益頻繁及劇烈：

電子產品日益講求省電，半導體運作動態調整工作時脈或關閉不必要的區塊以降低電源需求；然在運作需要時，再迅速的開啟及提高操作速度，當然電源需求也迅速提高。前述切換式穩壓器最大問題在於難於因應電流需求快速的變化，然電子產品輕薄短小節能的需要，又不得不採用切換式穩壓器。

三、輕薄短小及降低原物料的成本需求，電容使用必須降低：

傳統上，皆以增加電容的使用來因應，挑戰一中已提到了，電容在低電壓大電流的運用上，實際上其穩定供電的效能已經大幅降低；然輕薄短小是現代的設計上的趨勢，不可能有足夠的面積及體積去擺放足夠的電容；電容增加也代表著成本的增加，不可能任由電子產品設計，無限制的增加所使用的電容。

總之，習知線性穩壓系統，乃有效率過低的缺點，主要的供電系統往往不採用；傳統切換式電源供應架構包含有一組切換式穩壓器架構，搭配一組電壓需求的輸出，如圖一所示，其優點是效率高，然缺點是，反應速度慢，故當電流負荷瞬間升高時，其輸出電壓值亦隨負載之增加而快速下降，經常會低於設定之最低可接受電壓值，如圖二，而導致原進行的運作失常。是知，現有利用切換式穩壓器架構之設計仍有改良之空間。

本發明之目的即在提供一種複合式電源輸出架構，包括有一組切換式電源供應，以及一組或多組快速反應補償電源電路，該快速反應補償電源電路係架設在主電源供應路徑上，而當於切換式電源供電無法因應突然增加的電流需求時，快速補償電路即會自動的啟動，以補足電流需求的缺口，確保原進行的工作所需的電源維持在穩定狀況，解決現有切換式電源先天的缺點。

請參閱圖三所示，本發明為一種複合式電源輸出架構，主要包括有一組切換式電源供應(1)，以及一組快速反應補償電源電路(2)，該快速反應補償電源電路(2)係架設在主電源供應路徑上，本發明的運作方式說明如下：

1.　一般時候以切換式電源供應，作為主要供電來源，因為切換式電源供應有較高的轉換效率。

2.　當感應到輸出端之電壓有降低下來的現象或降低到臨界點，快速反應補償電路即自動啟動開啟供電，補償切換式電源電流供應不足的部分。

3.　切換式電源供應慢慢將所需的電流提升後，快速反應補償電路即減少供電，甚至關閉關閉。即快速反應電路，僅在切換式電源供應系統無法因應電源需求時啟動，其供應之總電流量不超過整體電流的1/10，甚至是1/100，因此對供電效率影響極微。

又，本發明所採用之快速反應補償電源電路，包括有落差式補償架構和等效電容放大電路補償架構。

其中落差式補償架構，係使切換式穩壓器的電壓設定與快速補償電路之啟動電壓存有一電壓落差，當輸出電壓低於快速補償電路之啟動電壓設定值時，即快速啟動供應電流，達到補償不足電流之目的者，如圖四所示。

等效電容放大電路補償架構係利用電容放電，以此架構用小電容產生的電流，配合電晶體先天具有電流放大的特質，以補償不足之電流，如圖五所示。當輸入電壓陡降時，電容的電壓會使電晶體的基極和射極間的電流導通，進而使集極到射極間導通數十倍到數百倍的電流，而達到提升電流供應以補償，補償切換式電源供應之不足的問題，如圖六，而獲致本發明之預期功效者。

綜上所述，本發明顯具有下以的功效，包括：

1.　提供更高的電壓穩定性，以提升系統的穩定性：

經過額外的快速反應補償電源電路，可以確保即便在電流需求大幅度變動下，可大幅降低電壓降低的影響，提升系統穩定性。

2.　輸出端電容需求的降低，成本降低及需要電子電路板空間的降低：

在套用本發明之架構下，電容的使用可以大幅度降低。被動零件佔有的電子電路空間及成本，亦可以大幅降低。

3.　降低功耗：

傳統為了避免切換式轉換架構動輒因為電流需求的提高而導致的系統運作失常，電子電路設計上，都會將切換式穩壓器的輸出電壓予以提高，保留電壓的空間以資因應。半導體運作的功耗，正比於供應該半導體供應的平方，也因此半導體功耗會大幅上升。本發明之實施即可降低此保留電壓空間，進而大幅降低功耗需求，目前試驗結果，幾乎都可以降低達20%以上。

據上，本發明顯已突破既有的思想，提出具有顯著進步性之創新技術，已符合發明專利之積極要件，應可核准為是。且在上述基礎下，本發明亦可將整體架構在單一IC內，如圖七所示，設為單一的穩壓器結合以一快速通道(Fast Channel)，當輸出端負荷急遽增加，而透過感應器(Inductor)標準的輸出，仍不足以面對外界的反應的需求時，立即啟動FT的快速通道，便能補足輸出之不足者。圖八所示則為本發明具有一組以上快速反應補償電源電路之複合式電源輸出架構圖實施狀態，以提供更佳之快速補償功效。惟上所揭示者，僅為本發明之較佳實施例，凡在本發明之創意理念下所為之修飾或改造，均仍應包含於本發明專利範圍之內者。

1．．．切換式電源供應

2．．．快速反應補償電源電路

圖一為習知切換式電源供應架構圖

圖二為習知切換式電源供應電壓負荷示意圖

圖三為本發明複合式電源輸出架構圖

圖四為本發明結合落差式補償架構電壓負荷示意圖

圖五為本發明電容放大電路補償架構圖

圖六為本發明結合電容放大電路補償架構電壓負荷示意圖

圖七為本發明單一IC化之複合式電源輸出架構圖

圖八為本發明具有一組以上快速反應補償電源電路之複合式電源輸出架構圖

1．．．切換式電源供應

2．．．快速反應補償電源電路

Claims (6)

1. 一種複合式電源輸出架構，包括一組以切換式電源為主之主電源電路及一組或一組以上快速反應補償電源電路，該快速反應補償電源電路係並行於主電源供應路徑上，其中以切換式電源供應作為主要供電來源，而當感應到輸出端之電壓降低或低於設定之臨界點，快速反應補償電路即自動啟動，以補償切換式電流供應電路之不足部分，當切換式電源供應慢慢將所需的電流提升後，快速反應補償電路即減少供電，甚至關閉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式電源輸出架構，其中快速反應電路，僅在切換式電源供應系統無法因應電流需求時啟動，其供應電量不超過整體電源需求之1/10.
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合式電源輸出架構，其中快速反應補償電源電路可為落差式補償架構和等效電容放大電路補償架構。
4. 如申請專利範圍第3項所述之落差式補償架構，其係使切換式穩壓器的電壓設定與快速補償電路之啟動電壓存有一電壓落差，當輸出電壓低於快速補償電路之啟動電壓設定值時，即快速啟動，達到補償不足電壓。
5. 如申請專利範圍第3項所述之等效電容放大電路補償架構，該等效電容放大電路補償架構係利用電容放電，以此架構用小電容的產生的電流，配合電晶體先天具有電流放大的特質，以補償不足之電流，當輸入電壓陡降時，電容的電壓會使電晶體的基極和射極間的電流導通，進而使集極到射極間導通數十倍到數百倍的電流，而達到提升電流供應以補償，補償切換式電源供應之不足者。
6. 一種複合式電源輸出架構，其係IC化為單一的穩壓器，結合以一快速通道，當其輸出端負荷急遽增加，而透過感應器標準的輸出仍不足反應的需求時，將立即啟動快速通道，以補足電壓輸出之不足者。