TW201424229A - 電源供應器及其控制電路與控制方法 - Google Patents

電源供應器及其控制電路與控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種電源供應器及其控制電路與控制方法。方法包含下列步驟：將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；偵測該輸出電流；調降該輸出電壓；以及當調降該輸出電壓造成該輸出電流改變時，將該輸出電壓恢復至一不改變該輸出電流之值。

Description

電源供應器及其控制電路與控制方法
本發明係有關一種電源供應器及其控制電路與控制方法，特別是指一種在穩定供應輸出電流的狀況下，調整輸出電壓以降低功率損失的電源供應器及其控制電路與控制方法。
通用序列匯流排On-the-Go(USB OTG)技術的出現，讓消費者可以更輕鬆地將各種可攜式裝置連接在一起。USB-OTG能夠讓裝置一方面自身運作，另方面可作為OTG主機而將電源供應給與其連接的其他可攜式裝置。OTG主機通常是由電壓範圍介於3V至4.2V之間的單顆鋰離子電池進行供電。
請參考第1圖，其示出先前技術之電源供應器100之示意圖。當OTG主機供應電源給其他可攜式電子裝置時，OTG主機內包含電源供應器100，將電池10所提供的一輸入電壓Vin轉換為一輸出電壓Vout，例如將較低的輸入電壓Vin(例如：3V)轉換成較高的輸出電壓Vout(例如：5V)，藉此將該5V的輸出電壓Vout提供給負載19，其中負載19例如但不限於為其他可攜式電子裝置的充電電池。如第1圖所示，電源供應器100包含一功率級11、一控制電路12與一電壓偵測電路13。電壓偵測電路13例如但不限於為分壓電路，其產生與輸出電壓相關的反饋訊號。控制電路12根據電壓偵測電路13所產生的反饋訊號，產生操作訊號。功率級11根據操作訊號控制其中至少一功率開關(未示出)，以將輸入端IN之輸入電壓Vin轉換成輸出端OUT之輸出電壓Vout。
在此種先前技術中，輸出電壓Vout為一固定值而不可變。然而負載19可能僅需要穩定的電流而並不需要高電壓，此時即可能造成整體能源的浪費。例如：負載19可能僅需要穩定的0.5A電流，而4.3V的輸出電壓Vout即可提供該電流且維持負載19基本操作。因此，當電源供應器100提供5V的輸出電壓Vout給負載19時，造成了0.35 watt((5V-4.3V)x 0.5A=0.35 watt)的功率浪費。因此，如何降低先前技術之功率損失，成為需要克服的問題。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種電源供應器及其控制電路與控制方法，可根據負載的實際需求調整輸出電壓的位準，以避免功率損失，並可根據輸出電流的狀況，調整輸出電壓，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器。
本發明另一目的在提供一種電源供應器的控制電路。
本發明又一目的在提供一種電源供應器的控制方法。
為達上述之目的，就其中一觀點言，本發明提供了一種電源供應器，包含：一功率級，根據一操作訊號，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；以及一控制電路，用以產生該操作訊號，該控制電路包括：一比較電路，其將與該輸出電壓相關的訊號和一可調整之參考電壓相比較以產生一比較訊號；一操作訊號產生電路，根據該比較訊號產生該操作訊號；以及一參考電壓調整電路，根據該輸出電流，調整該參考電壓。
就另一觀點言，本發明也提供了一種電源供應器包含：一 可變倍率電荷泵，根據一操作訊號，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；以及一控制電路，用以產生該操作訊號，該控制電路包括：一倍率調整電路，根據該輸出電流，產生一調整訊號；以及一操作訊號產生電路，根據該調整訊號產生該操作訊號，其中該調整訊號調整該可變倍率電荷泵的倍率。
就另一觀點言，本發明也提供了一種電源供應器的控制電路，用以產生一操作訊號提供給該電源供應器中一功率級，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓於一輸出端，並提供一輸出電流，該控制電路包含：一比較電路，其將與該輸出電壓相關的訊號和一可調整之參考電壓相比較以產生一比較訊號；以及一操作訊號產生電路，根據該比較訊號產生該操作訊號；以及一參考電壓調整電路，根據該輸出電流，調整該參考電壓。
在一種較佳的實施型態中，該參考電壓調整電路調整該參考電壓並偵測該輸出電流，當調整該參考電壓造成該輸出電流改變時，則將該參考電壓恢復至一不改變該輸出電流之值。
在一種較佳的實施型態中，該參考電壓的調整方式包括一次性調整模式、連續性調整模式、或週期性調整模式。
在一種較佳的實施型態中，該比較電路為誤差放大器或比較器。
就又一觀點言，本發明也提供了一種電源供應器的控制方法，包含下列步驟：將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；偵測該輸出電流；調降該輸出電壓；以及當調降該輸出電壓造成該輸出電流改變時，將該輸出電壓恢復至一不改變該輸出電流之值。
在一種較佳的實施型態中，該輸出電壓的調降方式包括 一次性調整模式、連續性調整模式、或週期性調整模式。
在一種較佳的實施型態中，將該輸入電壓轉換為該輸出電壓的步驟包括：將與該輸出電壓相關的訊號和一參考電壓相比較，以決定該輸出電壓在平衡時的位準；且該調降該輸出電壓的步驟包括：調整該參考電壓。
在一種較佳的實施型態中，將該輸入電壓轉換為該輸出電壓的步驟包括：使用一可變倍率電荷泵來將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；且該調降該輸出電壓的步驟包括：調整該可變倍率電荷泵的倍率。
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2圖，其顯示本發明第一個實施例之電源供應器的示意圖。本實施例之電源供應器200包含一功率級21與一控制電路22，並可視需要而包含一電壓偵測電路23。常用的電壓偵測電路23為分壓電路，但不限於此。當控制電路22可以直接接收輸出電壓Vout時，則電壓偵測電路23可以省略。功率級21根據一操作訊號，控制其中至少一個功率開關(未示出)，以將電池10於輸入端IN所提供的輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout於輸出端OUT，並提供輸出電流Iout給負載19。視輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的關係而定，功率級21例如可為但不限於同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型切換式功率轉換電路，如第3A-3H圖所示。回到第2圖，控制電路22包括一參考電壓調整電路221、一比較電路222以及一操作訊號產生電路223。其中，比較電路 222將與輸出電壓Vout相關的訊號(例如輸出電壓Vout本身或其分壓)與一可調整之參考電壓Vref相比較，而產生比較訊號傳送給操作訊號產生電路223。比較電路222可以是數位的比較器或類比的誤差放大器，視操作訊號產生電路223的設計而定。操作訊號產生電路223根據該比較訊號產生操作訊號。參考電壓調整電路221根據輸出電流Iout，調整參考電壓Vref。由於參考電壓Vref可決定輸出電壓Vout在平衡時的位準，因此本發明中因應輸出電流Iout的狀況來調整參考電壓Vref，可以在不影響輸出電流Iout與負載操作的情況下，使輸出電壓Vout最佳化，減少輸出端OUT之不必要的功率耗損。調整參考電壓Vref(即是調整輸出電壓Vout)有各種可行的實施方式，容後舉例說明。
請參閱第4圖，舉例說明操作訊號產生電路223的其中一個實施例。當比較電路222是誤差放大器，輸出的比較訊號為類比的誤差放大訊號時，操作訊號產生電路223例如可包含PWM訊號產生電路2231與驅動閘2232，其中PWM訊號產生電路2231將比較電路222輸出的誤差放大訊號與一鋸齒波比較，產生一PWM訊號，進而透過驅動閘2232產生適當位準的操作訊號。鋸齒波可以是一個定頻或變頻的鋸齒波，可以由電路內部自行產生、也可以根據功率級21內部的電流或是輸出電流Iout來產生。第4圖所示僅為舉例而非限制，可做各種變換，例如，若PWM訊號產生電路2231的輸出訊號位準已足可驅動功率級21，則驅動閘2232就可省略；又例如，若比較電路222是數位的比較器，輸出的比較訊號為數位訊號時，操作訊號產生電路223可根據該數位訊號的位準而產生一個單次的脈波作為操作訊號。除以上外，操作訊號產生電路 223還可以有各種實施方式，總之僅需能產生適當的操作訊號控制功率級21即可。
以下舉例說明調整參考電壓Vref(即調整輸出電壓Vout)的實施方式，請參閱第5A-5C圖並對照第6A-6C圖。各實施方式中的電壓或電流數值僅為舉例，實施時自不受此限。
首先說明第一種實施方式，請參閱第5A圖並對照第6A圖。在步驟S1中，偵測輸出電流。在本實施例中，舉例而言假設輸出電流為0.5A，而原始的輸出電壓為5V。在步驟S2中，將參考電壓Vref調降至一個較低值，因此輸出電壓也對應地從原始值5V逐漸降至一個較低值，例如為4.3V。本實施例中，參考電壓Vref僅具有兩個設定值，分別對應於輸出電壓5V和4.3V的兩種狀況。在步驟S3中，檢查輸出電流是否不變。若輸出電流不變，表示輸出電壓調降於4.3V並不影響負載的操作，因此便將輸出電壓定為4.3V(步驟S4)。若是在步驟S3中，發現輸出電流改變了，表示輸出電壓調降於4.3V可能會影響負載的操作，此情況則將輸出電壓恢復為5V(步驟S5)。此第一種實施方式可視為「一次性調整」的實施方式。
第二種實施方式請參閱第5B圖並對照第6B圖。步驟S1~S3與前一實施例相同，不過在本實施例中，參考電壓Vref不僅具有兩個設定值，而是具有多階的設定值、或是可以不分段地連續調整。自時間點t1至時間點t2之間，參考電壓Vref不斷調整、輸出電壓也對應地從原始值5V不斷下降至4.3V，這個過程中輸出電流都沒有改變(步驟S3、S6)。直到時間點t3，輸出電壓下降至4.1V，此時發現輸出電流改變了，表示輸出電壓調降於4.1V可能會影響負載的操作，因此，將參考電壓Vref恢復為前一個設定值，而輸出電壓對應恢復為前一個 值，例如4.3V(步驟S3、S7，時間點t4)。此第二種實施方式可視為「連續性調整」的實施方式。
在第二種實施方式中，如果參考電壓Vref一直調整到極限，而輸出電流仍然不改變的話，也可能出現如第5A圖的情況。
第三種實施方式請參閱第5C圖並對照第6C圖。步驟S1~S3、S6~S7與前一實施例相同，因此自時間點t1至時間點t4也與前一實施例相同。本實施例與前一實施例不同之處在於，在輸出電壓調整於一個不會影響輸出電流的適當值之後，每隔一段預設時間(步驟S8，時間點t4~t5)，就再次檢查輸出電壓可否下降(步驟S6，時間點t5~t6)。如果發現輸出電流改變了(步驟S3，時間點t6)，就再次將參考電壓Vref恢復為前一個設定值，而輸出電壓對應恢復為前一個值(步驟S7，時間點t7)。此第三種實施方式可視為「週期性調整」的實施方式。
由上可知，本發明可調降輸出電壓Vout而使輸出電流Iout仍足以維持負載19操作，以避免不必要的功率耗損，使得電源供應器200之操作最佳化。
本發明的概念不限於必須使用在如第3A-3H圖所示的切換式功率轉換電路，亦可應用於電荷泵的架構。請參閱第7圖，其顯示本發明第二個實施例之電源供應器的示意圖。本實施例之電源供應器300包含一可變倍率電荷泵31、與控制電路32。控制電路32中包含一倍率調整電路321與一操作訊號產生電路223。操作訊號產生電路323產生操作訊號，控制可變倍率電荷泵31的操作，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。倍率調整電路321根據輸出電流Iout，輸出調整訊 號控制操作訊號產生電路323，以調整操作訊號，進而調整可變倍率電荷泵31的倍率，亦即調整輸出電壓Vout。本實施例之電源供應器300亦可達成本發明之目的，可調降輸出電壓Vout而使輸出電流Iout仍足以維持負載19操作，以避免不必要的功率耗損，使得電源供應器300之操作最佳化。可變倍率電荷泵31可根據相同的輸入電壓而產生不同的輸出電壓，其為本技術領域內已知的電路，在此不贅予說明，舉一例可參閱本案申請人所申請的台灣專利第96148322號(US 2009/0219078)。
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。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；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。此外，本發明的任一實施型態不必須達成所有的目的或優點，因此，請求專利範圍任一項也不應以此為限。
100,200,300‧‧‧電源供應器
10‧‧‧電池
11,21‧‧‧功率級
12,22,32‧‧‧控制電路
13,23‧‧‧電壓偵測電路
19‧‧‧負載
221‧‧‧參考電壓調整電路
222‧‧‧比較電路
223,323‧‧‧操作訊號產生電路
2231‧‧‧PWM訊號產生電路
2232‧‧‧驅動閘
31‧‧‧可變倍率電荷泵
321‧‧‧倍率調整電路
IN‧‧‧輸入端
Iout‧‧‧輸出電流
OUT‧‧‧輸出端
S1~S8‧‧‧步驟
Vref‧‧‧可調變之參考電壓
第1圖顯示先前技術之電源供應器的示意圖。
第2圖顯示本發明第一個實施例之電源供應器的示意圖。
第3A-3H圖示出同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率級電路。
第4圖顯示本發明操作訊號產生電路的一個實施例。
第5A-5C圖舉例顯示調整參考電壓(對應地調整輸出電壓) 的數種實施方式。
第6A-6C圖為對應於第5A-5C圖的流程圖。
第7圖顯示本發明第二個實施例之電源供應器的示意圖。
200‧‧‧電源供應器
10‧‧‧電池
19‧‧‧負載
21‧‧‧功率級
22‧‧‧控制電路
23‧‧‧電壓偵測電路
221‧‧‧參考電壓調整電路
222‧‧‧比較電路
223‧‧‧操作訊號產生電路
IN‧‧‧輸入端
Iout‧‧‧輸出電流
OUT‧‧‧輸出端
Vref‧‧‧可調整之參考電壓

Claims (13)

  1. 一種電源供應器的控制方法，包含下列步驟：將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；偵測該輸出電流；調降該輸出電壓；以及當調降該輸出電壓造成該輸出電流改變時，將該輸出電壓恢復至一不改變該輸出電流之值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應器的控制方法，其中該輸出電壓的調降方式包括一次性調整模式、連續性調整模式、或週期性調整模式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應器的控制方法，其中將該輸入電壓轉換為該輸出電壓的步驟包括：將與該輸出電壓相關的訊號和一參考電壓相比較，以決定該輸出電壓在平衡時的位準；且該調降該輸出電壓的步驟包括：調整該參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應器的控制方法，其中將該輸入電壓轉換為該輸出電壓的步驟包括：使用一可變倍率電荷泵來將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；且該調降該輸出電壓的步驟包括：調整該可變倍率電荷泵的倍率。
  5. 一種電源供應器，包含：一功率級，根據一操作訊號，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；以及一控制電路，用以產生該操作訊號，該控制電路包括：一比較電路，其將與該輸出電壓相關的訊號和一可調整之參考電壓相比較以產生一比較訊號；一操作訊號產生電路，根據該比較訊號產生該操作 訊號；以及一參考電壓調整電路，根據該輸出電流，調整該參考電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應器，其中該參考電壓調整電路調整該參考電壓並偵測該輸出電流，當調整該參考電壓造成該輸出電流改變時，則將該參考電壓恢復至一不改變該輸出電流之值。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應器，其中該參考電壓的調整方式包括一次性調整模式、連續性調整模式、或週期性調整模式。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應器，其中該比較電路為誤差放大器或比較器。
  9. 一種電源供應器的控制電路，用以產生一操作訊號提供給該電源供應器中一功率級，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓於一輸出端，並提供一輸出電流，該控制電路包含：一比較電路，其將與該輸出電壓相關的訊號和一可調整之參考電壓相比較以產生一比較訊號；一操作訊號產生電路，根據該比較訊號產生該操作訊號；以及一參考電壓調整電路，根據該輸出電流，調整該參考電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源供應器的控制電路，其中該參考電壓調整電路調整該參考電壓並偵測該輸出電流，當調整該參考電壓造成該輸出電流改變時，則將該參考電壓恢復至一不改變該輸出電流之值。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電源供應器的控制電路，其 中該參考電壓的調整方式包括一次性調整模式、連續性調整模式、或週期性調整模式。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之電源供應器的控制電路，其中該比較電路為誤差放大器或比較器。
  13. 一種電源供應器，包含：一可變倍率電荷泵，根據一操作訊號，將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並提供一輸出電流；以及一控制電路，用以產生該操作訊號，該控制電路包括：一倍率調整電路，根據該輸出電流，產生一調整訊號；以及一操作訊號產生電路，根據該調整訊號產生該操作訊號，其中該調整訊號調整該可變倍率電荷泵的倍率。
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