TW202025609A - 電源供應系統、切換諧振轉換器以及電源供應方法 - Google Patents

電源供應系統、切換諧振轉換器以及電源供應方法 Download PDF

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Abstract

一種具有可調整轉換率之切換諧振轉換器之電源供應系統，包括第一級電壓轉換器、第二級電壓轉換器以及控制器。第一級電壓轉換器將供應電壓轉換成第一輸出電壓，並根據調變信號調變第一輸出電壓。第二級電壓轉換器將第一輸出電壓轉換至第二輸出電壓，並根據第二輸出電壓之輸出功率，產生功率信號。控制器根據功率信號，判斷輸出功率是否超過臨限值而發出調變信號。

Description

電源供應系統、切換諧振轉換器以及電源供應方法
本發明實施例係有關於一種具有切換諧振轉換器之電源供應系統，特別係有關於一種具有可調整轉換率之切換諧振轉換器之電源供應系統。
由於電子裝置的功能日趨複雜，使得電子裝置的耗電量也跟著持續增加。隨著消耗功率的持續上升，為了降低因傳輸電流所造成的線路損失（line loss），業界開始將原先匯流排上的電壓予以提升以利降低線路損失，然而系統中現存的裝置之操作電壓依然維持不變，因此必須採用兩級式電壓轉換器之電源供應系統以維持系統中現存的裝置之正常運作。
由於電源供應系統開始採用兩級式電壓轉換器，加上為了使電源供應系統具有最高的電源轉換效率，因此有必要針對兩級式電壓轉換器之電源供應系統的轉換效率進行優化，以達到省電高效率轉換目標。
本發明實施例提出一種電源供應系統，包括一第一級電壓轉換器、一第二級電壓轉換器以及一控制器。上述第一級電壓轉換器將一供應電壓轉換成一第一輸出電壓，並根據一調變信號調變上述第一輸出電壓。上述第二級電壓轉換器將上述第一輸出電壓轉換至一第二輸出電壓，並根據上述第二輸出電壓之一輸出功率，產生一功率信號。上述控制器根據上述功率信號，判斷上述輸出功率是否超過一臨限值而發出上述調變信號。
根據本發明實施例之一實施例，回應於上述輸出功率超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器根據上述調變信號，升高上述第一輸出電壓。
根據本發明實施例之一實施例，回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器根據上述調變信號，降低上述第一輸出電壓。
根據本發明實施例之一實施例，上述第一級電壓轉換器係為一切換諧振轉換器（swtiched tank converter）且具有一轉換率，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器降低上述轉換率，藉以增加上述第一輸出電壓，其中回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器增加上述轉換率，藉以降低上述第一輸出電壓。
根據本發明實施例之另一實施例，上述第一級電壓轉換器係為一電壓轉換器，如隔離式半橋/全橋轉換器，且具有一工作週期，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器降低上述工作週期，藉以降低上述第一輸出電壓，其中回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器增加上述工作週期，藉以升高上述第一輸出電壓。
本發明實施例更提出一種切換諧振轉換器，用以將一供應電壓轉換至一輸出電壓，包括一輸入電容、一第一開關、一第一諧振電容、一第一諧振電感、一第二開關、一第三開關、一第四開關、一第一飛馳電容、一第五開關、一第六開關、一第七開關、一第二諧振電容、一第二諧振電感、一第八開關、一第九開關、一第十開關以及一輸出電容。上述輸入電容耦接於上述供應電壓以及一接地端之間；上述第一開關根據一第一控制信號以及上述調變信號，將上述供應電壓提供至一第一節點；上述第一諧振電容，耦接至上述第一節點；上述第一諧振電感耦接於上述第一諧振電容以及一第二節點之間；上述第二開關根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第二節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第三開關根據一第二控制信號以及上述調變信號，將上述第二節點耦接至上述接地端；上述第四開關根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第一節點耦接至一第三節點；上述第一飛馳電容耦接於上述第三節點以及一第四節點之間；上述第五開關根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第四節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第六開關根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第四節點耦接至上述接地端；上述第七開關根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第三節點耦接至一第五節點；上述第二諧振電容耦接至上述第五節點；上述第二諧振電感，耦接於上述第二諧振電容以及一第六節點之間；上述第八開關根據上述第一控制信號，將上述第六節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第九開關根據上述第二控制信號，將上述第六節點耦接至上述接地端；上述第十開關根據上述第二控制信號，將上述第五節點耦接至一第七節點，其中上述第七節點耦接至上述第一輸出電壓；以及上述輸出電容耦接於上述第一輸出電壓以及上述接地端之間，其中上述第一控制信號以及上述第二控制信號互為反相。
根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器更包括一第二飛馳電容、一第十一開關、一第十二開關、一第十三開關、一第三諧振電容、一第三諧振電感、一第十四開關、一第十五開關、一第十六開關、一第三飛馳電容、一第十七開關、一第十八開關、一第十九開關、一第四諧振電容、一第四諧振電感、一第二十開關、一第二十一開關以及一第二十二開關。上述第二飛馳電容耦接至上述第七節點以及一第八節點之間；上述第十一開關根據上述第二控制信號，將上述第八節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第十二開關根據上述第一控制信號，將上述第八節點耦接至上述接地端；上述第十三開關根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第七節點耦接至一第九節點；上述第三諧振電容耦接至上述第九節點；上述第三諧振電感耦接於上述第三諧振電容以及一第十節點之間；上述第十四開關根據上述第一控制號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第十五開關根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十節點耦接至上述接地端；上述第十六開關根據上述第一控制信號、上述第控制信號以及上述調變信號，將上述第九節點耦接至一第十一節點；上述第三飛馳電容耦接於上述第十一節點以及一第十二節點之間；上述第十七開關根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十二節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第十八開關根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十二節點耦接至上述接地端；上述第十九開關根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第十一節點耦接至一第十三節點；上述第四諧振電容，耦接至上述第十三節點；上述第四諧振電感耦接於上述第四諧振電容以及上述第十四節點之間；上述第二十開關根據上述第一控制信號，將上述第十四節點耦接至上述第一輸出電壓；上述第二十一開關根據上述第二控制信號，將上述第十四節點耦接至上述接地端；上述第二十二開關根據上述第二控制信號，將上述第十三節點耦接至上述第一輸出電壓。
本發明實施例更提出一種電源供應方法，包括：利用一第一級電壓轉換器，將一供應電壓轉換成一第一輸出電壓；將上述第一輸出電壓轉換成一第二輸出電壓；判斷上述第二輸出電壓之一輸出功率是否超過一臨限值；以及回應於上述輸出功率超過上述臨限值，調變上述第一輸出電壓。
以下說明為本發明實施例的實施例。其目的是要舉例說明本發明一般性的原則，不應視為本發明實施例之限制，本發明之範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
值得注意的是，以下所揭露的內容可提供多個用以實踐本發明之不同特點的實施例或範例。以下所述之特殊的元件範例與安排僅用以簡單扼要地闡述本發明實施例之精神，並非用以限定本發明實施例之範圍。此外，以下說明書可能在多個範例中重複使用相同的元件符號或文字。然而，重複使用的目的僅為了提供簡化並清楚的說明，並非用以限定多個以下所討論之實施例以及/或配置之間的關係。此外，以下說明書所述之一個特徵連接至、耦接至以及/或形成於另一特徵之上等的描述，實際可包含多個不同的實施例，包括該等特徵直接接觸，或者包含其它額外的特徵形成於該等特徵之間等等，使得該等特徵並非直接接觸。
第1圖係顯示根據本發明實施例之一實施例所述之電源供應系統之方塊圖。如第1圖所示，電源供應系統100包括第一級電壓轉換器110、第二級電壓轉換器120以及控制器130，其中電源供應系統100用以將供應電壓VS轉換成第二輸出電壓VO2。
根據本發明實施例之其他實施例，電源供應系統100可包括複數個第二級電壓轉換器120，分別用以產生不同的第二級輸出電壓VO2以滿足電子系統中不同的裝置之不同供應電壓的需求，在此僅以一個第二級電壓轉換器120作為說明解釋，並非以任何形式限定於此。
根據本發明實施例之一實施例，第一級電壓轉換器110將供應電壓VS轉換成第一輸出電壓VO1，第二級電壓轉換器120將第一級電壓轉換器110所產生之第一輸出電壓VO1轉換成第二輸出電壓VO2。第二級電壓轉換器120更偵測第二輸出電壓VO2之輸出功率P，而產生功率信號SP，並提供至控制器130。
控制器130根據第二級電壓轉換器120所發出之功率信號SP，而判斷輸出功率P是否超過臨限值而發出調變信號SM，使得第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而調變第一輸出電壓VO1，以增進電源供應系統100之電源轉換效率。根據本發明實施例之複數實施例，可偵測第二級電壓轉換器120之輸出功率P的積體電路序號可為XDPE12284、XDPE12254、TPS53688、SN1701022、ISL69259以及ISL69225等等。
根據本發明實施例之一實施例，控制器130係為電源管理積體電路（PMIC）。根據本發明實施例之另一實施例，控制器130係為客製化的脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM）控制器。根據本發明實施例之另一實施例，控制器130係為數位信號處理（Digital signal processing，DSP）控制器。根據本發明實施例之其他實施例，控制器130可為電源供應系統100中控制任何第一級電壓轉換器110以及第二級電壓轉換器120之裝置。
根據本發明實施例之另一實施例，當電源供應系統100包括複數個第二級電壓轉換器120時，控制器130根據複數個第二級電壓轉換器120所發出之功率信號SP，計算所有第二級電壓轉換器120之消耗功率P之總和，並判斷消耗功率P之總和是否超過臨限值而發出調變信號SM。根據本發明實施例之其他實施例，控制器130可透過任何已知或未知的方式，監控供應電壓VS之消耗功率或是第一輸出電壓VO1之消耗功率，而判斷消耗功率是否超過臨限值。
根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器110可偵測第一輸出電壓VO1之輸出功率而提供功率信號SP至控制器130（第1圖並未顯示）。根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器110也可偵測供應電壓VS之輸入功率而提供功率信號SP至控制器130（第1圖並未顯示）。
舉例而言，控制器130可根據電池之電池計量計（battery fuel gauge）偵測供應電壓VS之消耗功率，而發出調變信號SM；或者，第一級電壓轉換器110可自行監測第一輸出電壓VO1之消耗功率而發出功率信號，控制器130根據第一級電壓轉換器110所發出之功率信號，而發出調變信號SM。
根據本發明實施例之一實施例，當控制器130判斷第二輸出電壓VO2之輸出功率P超過臨限值時，第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而增加第一輸出電壓VO1之電壓值。根據本發明實施例之另一實施例，當控制器130判斷第二輸出電壓VO2之輸出功率P不超過臨限值時，第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而降低第一輸出電壓VO1。
根據本發明實施例之一實施例，第一級電壓轉換器110係為一切換諧振轉換器（swtiched tank converter）且具有一轉換率。當輸出功率P超過臨限值時，第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而降低轉換率，藉以增加第一輸出電壓VO1之電壓值；當輸出功率P不超過臨限值時，第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而增加轉換率，藉以降低第一輸出電壓VO1之電壓值。
根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器110係為電壓轉換器，如隔離式半橋/全橋轉換器，且具有一工作週期（duty cycle）。當輸出功率P超過臨限值時，第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而增加第一級電壓轉換器110之工作週期，藉以增加第一輸出電壓VO1之電壓值；當輸出功率P不超過臨限值時，第一級電壓轉換器110根據調變信號SM而降低工作週期，藉以降低第一輸出電壓VO1。
根據本發明實施例之一實施例，第二級電壓轉換器120係為多相式切換降壓轉換器（multi-phase voltage regulator），且具有自我偵測輸出功率。根據本發明實施例之複數實施例，具有自我偵測輸出功率之切換是降壓轉換器之積體電路序號包括：XDPE12284、XDPE12254、TPS53688、SN1701022、ISL69259以及ISL69225。
第2圖係顯示根據本發明實施例之一實施例所述之切換諧振轉換器之電路圖。如第2圖所示之切換諧振轉換器200，切換諧振轉換器200之轉換率在此僅以自8切換至4為例進行說明解釋，並非以任何形式限定於此。
如第2圖所示，切換諧振轉換器200包括輸入電容CIN、第一開關Q1、第一諧振電容CR1、第一諧振電感LR1、第二開關Q2、第三開關Q3、第四開關Q4、第一飛馳電容CF1、第五開關Q5、第六開關Q6、第七開關Q7、第二諧振電容CR2、第二諧振電感LR2、第八開關Q8、第九開關Q9、第十開關Q10、第二飛馳電容CF2、第十一開關Q11、第十二開關Q12、第十三開關Q13、第三諧振電容CR3、第三諧振電感LR3、第十四開關Q14、第十五開關Q15、第十六開關Q16、第三飛馳電容CF3、第十七開關Q17、第十八開關Q18、第十九開關Q19、第四諧振電容CR4、第四諧振電感LR4、第二十開關Q20、第二十一開關Q21、第二十二開關Q22以及輸出電容CO。
輸入電容CIN耦接於供應電壓VS以及接地端之間，第一開關Q1根據第一控制信號SC1以及調變信號SM，將供應電壓VS提供至第一節點N1。第一諧振電容CR1耦接至第一節點N1，第一諧振電感LR1耦接於第一諧振電容CR1以及第二節點N2之間。諧振電感LR1用以與第一諧振電容CR1產生諧振，並提供輸出電流。根據本發明實施例之一實施例，第一諧振電感LR1係為第一諧振電容CR1之寄生電感。根據本發明實施例之另一實施例，第一諧振電感LR1可為外部電感元件，或是外部電感元件與第一諧振電容CR1之寄生電感之組合。
第二開關Q2根據第一控制信號SC1以及調變信號SM，將第二節點N2耦接至輸出電壓VO；第三開關Q3根據第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第二節點N2耦接至接地端；第四開關Q4根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第一節點N1耦接至第三節點N3。第一飛馳電容CF1耦接於第三節點N3以及第四節點N4之間。
根據本發明實施例之另一實施例，切換諧振轉換器200更包括第一飛馳電感（第2圖並未顯示），串接於第一飛馳電容CF1以及第四節點N4之間，其中第一飛馳電感用以增加切換諧振轉換器200之轉換效率。根據本發明實施例之複數實施例，第一飛馳電感係為第一飛馳電容CF1之寄生電感，或另一外部之電感元件，或上述之組合。
第五開關Q5根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第四節點N4耦接至輸出電壓VO；第六開關Q6根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第四節點N4耦接至接地端；第七開關Q7根據第一控制信號SC1以及調變信號SM，將第三節點N3耦接至第五節點N5。
第二諧振電容CR2耦接至第五節點N5，第二諧振電感LR2耦接於第二諧振電容CR2以及第六節點N6之間。根據本發明實施例之一實施例，第二諧振電感LR2係為第二諧振電容CR2之寄生電感。根據本發明實施例之另一實施例，第二諧振電感LR2可為外部電感元件，或是外部電感元件與第二諧振電容CR2之寄生電感之組合。
第八開關Q8根據第一控制信號SC1，將第六節點N6耦接至輸出電壓VO；第九開關Q9根據第二控制信號SC2，將第六節點N6耦接至接地端；第十開關Q10根據第二控制信號SC2，將第五節點N5耦接至第七節點N7。
第二飛馳電容CF2耦接至第七節點N7以及第八節點N8之間。第十一開關Q11根據第二控制信號SC2，將第八節點N8耦接至輸出電壓VO；第十二開關Q12根據第一控制信號SC1，將第八節點N8耦接至接地端；第十三開關Q13根據第一控制信號SC1以及調變信號SM，將第七節點N7耦接至第九節點N9。
根據本發明實施例之另一實施例，切換諧振轉換器200更包括第二飛馳電感（第2圖並未顯示），串接於第二飛馳電容CF2以及第八節點N8之間，其中第二飛馳電感用以增加切換諧振轉換器200之轉換效率。根據本發明實施例之複數實施例，第二飛馳電感係為第二飛馳電容CF2之寄生電感，或另一外部之電感元件，或上述之組合。
第三諧振電容CR3耦接至第九節點N9，第三諧振電感LR3耦接於第三諧振電容CR3以及第十節點N10之間。根據本發明實施例之一實施例，第三諧振電感LR3係為第三諧振電容CR3之寄生電感。根據本發明實施例之另一實施例，第三諧振電感LR3可為外部電感元件，或是外部電感元件與第三諧振電容CR3之寄生電感之組合。
第十四開關Q14根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第十節點N10耦接至輸出電壓VO；第十五開關Q15根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第十節點N10耦接至接地端；第十六開關Q16根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第九節點N9耦接至第十一節點N11。
第三飛馳電容CF3耦接於第十一節點N11以及第十二節點N12之間；第十七開關Q17根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第十二節點N12耦接至輸出電壓VO；第十八開關Q18根據第一控制信號SC1、第二控制信號SC2以及調變信號SM，將第十二節點N12耦接至接地端；第十九開關Q19根據第一控制信號SC1以及調變信號SM，將第十一節點N11耦接至第十三節點N13。
根據本發明實施例之另一實施例，切換諧振轉換器200更包括第三飛馳電感（第2圖並未顯示），串接於第三飛馳電容CF3以及第十二節點N12之間，其中第三飛馳電感用以增加切換諧振轉換器200之轉換效率。根據本發明實施例之複數實施例，第三飛馳電感係為第三飛馳電容CF3之寄生電感，或另一外部之電感元件，或上述之組合。
第四諧振電容CR4耦接至第十三節點N13，第四諧振電感LR4耦接於第四諧振電容CR4以及第十四節點N14之間。根據本發明實施例之一實施例，第四諧振電感LR4係為第四諧振電容CR4之寄生電感。根據本發明實施例之另一實施例，第四諧振電感LR4可為外部電感元件，或是外部電感元件與第四諧振電容CR4之寄生電感之組合。
第二十開關Q20根據第一控制信號SC1，將第十四節點N14耦接至輸出電壓VO；第二十一開關Q21根據第二控制信號SC2，將第十四節點N14耦接至接地端；第二十二開關Q22根據第二控制信號SC2，將第十三節點N13耦接至輸出電壓VO；輸出電容CO耦接於輸出電壓VO以及接地端之間。
根據本發明實施例之一實施例，第2圖之輸出電壓VO係對應至第1圖之第一輸出電壓VO1，第2圖之供應電壓VS係對應至第1圖之供應電壓VS。根據本發明實施例之一實施例，第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2之工作週期（duty cycle）皆為50%，且互為反相。
根據本發明實施例之一實施例，第1圖之控制器130係用以產生第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2。根據本發明實施例之其他實施例，切換諧振轉換器200更包括電路控制器（第2圖中並未顯示），用以產生第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2，在此為了簡化說明，省略第一控制信號SC1以及第二控制信號SC2之產生方式。根據本發明實施例之一實施例，調變信號SM係對應至第1圖中由控制器130所產生之調變信號SM。
切換諧振轉換器200更包括第一選擇器201、第二選擇器202、第三選擇器203、第四選擇器204、第五選擇器205、第六選擇器206、第七選擇器207、第八選擇器208、第九選擇器209、第十選擇器210、第十一選擇器211、第十二選擇器212、第十三選擇器213以及第十四選擇器214，用以根據調變信號SM選擇第一控制信號SC1或第二控制信號SC2。
根據本發明實施例之一實施例，當調變信號SM位於第一邏輯位準L1時，第一選擇器201、第二選擇器202、第六選擇器206、第七選擇器207、第八選擇器208、第九選擇器209、第十三選擇器213以及第十四選擇器214選取第一控制信號SC1，分別控制第一開關Q1、第二開關Q2、第六開關Q6、第七開關Q7、第十三開關Q13、第十四開關Q14、第十八開關Q18以及第十九開關Q19導通與不導通。
同時，第三選擇器203、第四選擇器204、第五選擇器205、第十選擇器210、第十一選擇器211以及第十二選擇器212選取第二控制信號SC2，分別控制第三開關Q3、第四開關Q4、第五開關Q5、第十五開關Q15、第十六開關Q16以及第十七開關Q17導通與不導通。
換句話說，當調變信號SM位於第一邏輯位準L1時，第一開關Q1、第二開關Q2、第六開關Q6、第七開關Q7、第八開關Q8、第十二開關Q12、第十三開關Q13、第十四開關Q14、第十八開關Q18、第十九開關Q19以及第二十開關Q20根據第一控制信號SC1而導通與不導通，第三開關Q3、第四開關Q4、第五開關Q5、第九開關Q9、第十開關Q10、第十一開關Q11、第十五開關Q15、第十六開關Q16、第十七開關Q17、第二十一開關Q21以及第二十二開關Q22導通根據第二控制信號SC2而導通與不導通。
當第一開關Q1以及第二開關Q2根據第一控制信號SC1而導通時，供應電壓VS以及輸出電壓VO分別施加於第一諧振電容CR1之兩端並對第一諧振電容CR1進行充電，使得第一諧振電容CR1之跨壓係為（VS-VO）。當第三開關Q3、第四開關Q4以及第五開關Q5根據第二控制信號SC2而導通時，第一節點N1之電壓與輸出電壓VO分別施加於第一飛馳電容CF1之兩端並對第一飛馳電容CF1進行充電，使得第一飛馳電容CF1之跨壓係為（VS-2*VO）。
以此類推，第四諧振電容CR4之跨壓係為（VS-7*VO）。當第四諧振電容CR4對輸出電容CO充電時，代表第四諧振電容CR4之跨壓係等於輸出電壓VO，也就是供應電壓VS係為輸出電壓VO的8倍。換句話說，當調變信號SM位於第一邏輯位準L1時，切換諧振轉換器200之轉換率係為8。也就是，切換諧振轉換器200之輸出電壓VO係為供應電壓VS與轉換率之比值。
根據本發明實施例之另一實施例，當調變信號SM位於第二邏輯位準L2時，第一選擇器201、第三選擇器203、第七選擇器207、第八選擇器208以及第十四選擇器214選取第一邏輯位準L1，使得第一開關Q1、第三開關Q3、第七開關Q7、第十三開關Q13以及第十九開關Q19持續導通；第二選擇器202選取第二邏輯位準L2，使得第二開關Q2持續不導通。
此外，由於調變信號SM位於第二邏輯位準L2，故第六選擇器206、第九選擇器209以及第十三選擇器213選取第二控制信號SC2，分別控制第六開關Q6、第十四開關Q14以及第十八開關Q18導通與不導通；第四選擇器204、第五選擇器205、第十選擇器210、第十一選擇器211以及第十二選擇器212選取第一控制信號SC1，分別控制第四開關Q4、第五開關Q5、第十五開關Q15、第十六開關Q16以及第十七開關Q17導通與不導通。
換句話說，當調變信號SM位於第二邏輯位準L2時，第六開關Q6、第九開關Q9、第十開關Q10、第十一開關Q11、第十四開關Q14、第十八開關Q18、第二十一開關Q21以及第二十二開關Q22根據第二控制信號SC2而導通與不導通，第四開關Q4、第五開關Q5、第八開關Q8、第十二開關Q12、第十五開關Q15、第十六開關Q16、第十七開關Q17以及第二十開關Q20導通根據第一控制信號SC1而導通與不導通，第一開關Q1、第三開關Q3、第七開關Q7、第十三開關Q13、第十九開關Q19恆導通，第二開關Q2恆不導通。
第3圖係係顯示根據本發明實施例之另一實施例所述之切換諧振轉換器之電路圖。如第3圖所示，切換諧振轉換器300係簡化第2圖之切換諧振轉換器200在調變信號SM位於第二邏輯位準L2時之狀態。
如第3圖所示，當調變信號SM位於第二邏輯位準L2時，第一開關Q1、第三開關Q3、第七開關Q7、第十三開關Q13以及第十九開關Q19持續導通，而第二開關Q2持續不導通。
切換諧振轉換器300之第四開關Q4、第五開關Q5、第八開關Q8、第十二開關Q12、第十五開關Q15、第十六開關Q16、第十七開關Q17以及第二十開關Q20根據第一控制信號SC1而導通與不導通。並且，切換諧振轉換器300之第六開關Q6、第九開關Q9、第十開關Q10、第十一開關Q11、第十四開關Q14、第十八開關Q18、第二十一開關Q21以及第二十二開關Q22根據第二控制信號SC2而導通與不導通。
換句話說，如第3圖所示，輸入電容CIN以及第一諧振電容CR1可視為一電容，第一飛馳電容CF1以及第二諧振電容CR2可視為一電容，第二飛馳電容CF2以及第三諧振電容CR3可視為一電容，第三飛馳電容CF3以及第四諧振電容CR4可視為一電容。在本發明實施例之一實施例中，開關元件Q1~Q22係為一電晶體，例如金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）、雙極性接面型電晶體（bipolar junction transistor，BJT）以及其他能夠作為開關之電子元件。
根據上述之推導，可得供應電壓VS係為輸出電壓VO之4倍。也就是，當調變信號SM位於第二邏輯位準L2時，切換諧振轉換器200（亦即，切換諧振轉換器300）之轉換率係為4。
當供應電壓VS固定時，若改變切換諧振轉換器200之轉換率，將造成輸出電壓VO之上升或下降，以達成第1圖所述之調變第一輸出電壓VO1之目的，進而達成增加電源供應系統具有最高的電源轉換效率。
第4圖係顯示根據本發明實施例之另一實施例所述之切換諧振轉換器之電路圖。第4圖之切換諧振轉換器400之動作原理係與第2圖之切換諧振轉換器200相同，在此不再重複贅述。
如第4圖所示，當調變信號SM係為第一邏輯狀態L1時，切換諧振轉換器400之轉換率係為4。當調變信號SM係為第二邏輯狀態L2時，第一開關Q1、第三開關Q3以及第七開關Q7係為持續導通，而第二開關Q2係為不導通。因此，切換諧振轉換器400之轉換率因而自4改變為2。
本發明實施例在此提供轉換率自8改變為4以及轉換率自4改變為2之切換諧振轉換電路，該領域具有通常知識者根據本發明實施例之教示，能夠聯想到其他切換轉換率之切換諧振轉換器。
第5圖係顯示根據本發明實施例之一實施例所述之電源供應方法之流程圖。以下針對電源供應方法500之敘述，將搭配第1圖之電源供應系統100，以利詳細說明。
首先，利用第一級電壓轉換器110將供應電壓VS轉換成第一輸出電壓VO1（步驟S510）。並且，利用第二級電壓轉換器120將第一輸出電壓VO1轉換成第二輸出電壓VO2（步驟S520），且判斷第二輸出電壓VO2之輸出功率是否超過臨限值（步驟S530）。
根據本發明實施例之另一實施例，當電源供應系統100包括複數個第二級電壓轉換器120時，控制器130根據複數個第二級電壓轉換器120所發出之功率信號SP，計算所有第二級電壓轉換器120之消耗功率P之總和，並判斷消耗功率P之總和是否超過臨限值而發出調變信號SM。根據本發明實施例之其他實施例，控制器130可透過任何已知或未知的方式，監控供應電壓VS之消耗功率或是第一輸出電壓VO1之消耗功率，而判斷消耗功率是否超過臨限值。
根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器110可偵測第一輸出電壓VO1之輸出功率而提供功率信號SP至控制器130（第1圖並未顯示）。根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器110也可偵測供應電壓VS之輸入功率而提供功率信號SP至控制器130（第1圖並未顯示）。
根據第二輸出電壓VO2之輸出功率是否超過臨限值，調變第一輸出電壓VO1（步驟S540）。根據本發明實施例之一實施例，第一級電壓轉換器110係為切換諧振轉換器，因此調整切換諧振轉換器之轉換率，即可調變第一輸出電壓VO1。根據本發明實施例之一實施例，第2圖之切換諧振轉換器200係以轉換率自8切換至4為例，說明切換諧振轉換器如何調變輸出電壓。
根據本發明實施例之另一實施例，第一級電壓轉換器110係為電壓轉換器，如隔離式半橋/全橋轉換器。因此，調整電壓轉換器之工作週期，即可調變第一輸出電壓VO1。根據本發明之其他實施例，第一級電壓轉換器110係為具有降壓功能之降壓轉換器。在此僅作為說明解釋，並非以任何形式限定於此。回到步驟S540，當判斷第二輸出電壓VO2之輸出功率並未超過臨限值時，回到步驟S510。
本發明實施例在此提出電源供應系統、切換諧振轉換器以及電源供應方法，可透過調變第一級電源轉換器之輸出電壓，而提升電源供應系統整體的電源轉換效率。
以上所述為實施例的概述特徵。所屬技術領域中具有通常知識者應可以輕而易舉地利用本發明為基礎設計或調整以實行相同的目的和/或達成此處介紹的實施例的相同優點。所屬技術領域中具有通常知識者也應了解相同的配置不應背離本創作的精神與範圍，在不背離本創作的精神與範圍下他們可做出各種改變、取代和交替。說明性的方法僅表示示範性的步驟，但這些步驟並不一定要以所表示的順序執行。可另外加入、取代、改變順序和/或消除步驟以視情況而作調整，並與所揭露的實施例精神和範圍一致。
100:電源供應系統110:第一級電壓轉換器120:第二級電壓轉換器130:控制器200、300、400:切換諧振轉換器201:第一選擇器202:第二選擇器203:第三選擇器204:第四選擇器205:第五選擇器206:第六選擇器207:第七選擇器208:第八選擇器209:第九選擇器210:第十選擇器211:第十一選擇器212:第十二選擇器213:第十三選擇器214:第十四選擇器VS:供應電壓VO:輸出電壓VO1:第一輸出電壓VO2:第二輸出電壓P:輸出功率SP:功率信號SM:調變信號CIN:輸入電容CO:輸出電容Q1:第一開關Q2:第二開關Q3:第三開關Q4:第四開關Q5:第五開關Q6:第六開關Q7:第七開關Q8:第八開關Q9:第九開關Q10:第十開關Q11:第十一開關Q12:第十二開關Q13:第十三開關Q14:第十四開關Q15:第十五開關Q16:第十六開關Q17:第十七開關Q18:第十八開關Q19:第十九開關Q20:第二十開關Q21:第二十一開關Q22:第二十二開關CR1:第一諧振電容CR2:第二諧振電容CR3:第三諧振電容CR4:第四諧振電容CF1:第一飛馳電容CF2:第二飛馳電容CF3:第三飛馳電容LR1:第一諧振電感LR2:第二諧振電感LR3:第三諧振電感LR4:第四諧振電感L1:第一邏輯位準L2:第二邏輯位準SC1:第一控制信號SC2:第二控制信號N1:第一節點N2:第二節點N3:第三節點N4:第四節點N5:第五節點N6:第六節點N7:第七節點N8:第八節點N9:第九節點N10:第十節點N11:第十一節點N12:第十二節點N13:第十三節點N14:第十四節點S510～S540:步驟流程
第1圖係顯示根據本發明實施例之一實施例所述之電源供應系統之方塊圖。 第2圖係顯示根據本發明實施例之一實施例所述之切換諧振轉換器之電路圖。 第3圖係係顯示根據本發明實施例之另一實施例所述之切換諧振轉換器之電路圖。 第4圖係顯示根據本發明實施例之另一實施例所述之切換諧振轉換器之電路圖。 第5圖係顯示根據本發明實施例之一實施例所述之電源供應方法之流程圖。
100:電源供應系統
110:第一級電壓轉換器
120:第二級電壓轉換器
130:控制器
VS:供應電壓
VO1:第一輸出電壓
VO2:第二輸出電壓
P:輸出功率
SP:功率信號
SM:調變信號

Claims (22)

  1. 一種電源供應系統，包括： 一第一級電壓轉換器，將一供應電壓轉換成一第一輸出電壓，並根據一調變信號調變上述第一輸出電壓； 一第二級電壓轉換器，將上述第一輸出電壓轉換至一第二輸出電壓，並根據上述第二輸出電壓之一輸出功率，產生一功率信號；以及 一控制器，根據上述功率信號，判斷上述輸出功率是否超過一臨限值而發出上述調變信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源供應系統，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器根據上述調變信號，升高上述第一輸出電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源供應系統，其中回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器根據上述調變信號，降低上述第一輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應系統，其中上述第一級電壓轉換器係為一切換諧振轉換器（swtiched tank converter）且具有一轉換率，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器降低上述轉換率，藉以升高上述第一輸出電壓，其中回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器升高上述轉換率，藉以降低上述第一輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源供應系統，其中上述第一級電壓轉換器包括： 一輸入電容，耦接於上述供應電壓以及一接地端之間； 一第一開關，根據一第一控制信號以及上述調變信號，將上述供應電壓提供至一第一節點； 一第一諧振電容，耦接至上述第一節點； 一第一諧振電感，耦接於上述第一諧振電容以及一第二節點之間； 一第二開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第二節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第三開關，根據一第二控制信號以及上述調變信號，將上述第二節點耦接至上述接地端； 一第四開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第一節點耦接至一第三節點； 一第一飛馳電容，耦接於上述第三節點以及一第四節點之間； 一第五開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第四節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第六開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第四節點耦接至上述接地端； 一第七開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第三節點耦接至一第五節點； 一第二諧振電容，耦接至上述第五節點； 一第二諧振電感，耦接於上述第二諧振電容以及一第六節點之間； 一第八開關，根據上述第一控制信號，將上述第六節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第九開關，根據上述第二控制信號，將上述第六節點耦接至上述接地端； 一第十開關，根據上述第二控制信號，將上述第五節點耦接至一第七節點，其中上述第七節點耦接至上述第一輸出電壓；以及 一輸出電容，耦接於上述第一輸出電壓以及上述接地端之間，其中上述第一控制信號以及上述第二控制信號互為反相。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源供應系統，其中上述第一級電壓轉換器更包括： 一第二飛馳電容，耦接至上述第七節點以及一第八節點之間； 一第十一開關，根據上述第二控制信號，將上述第八節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第十二開關，根據上述第一控制信號，將上述第八節點耦接至上述接地端； 一第十三開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第七節點耦接至一第九節點； 一第三諧振電容，耦接至上述第九節點； 一第三諧振電感，耦接於上述第三諧振電容以及一第十節點之間； 一第十四開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第十五開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十節點耦接至上述接地端； 一第十六開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第九節點耦接至一第十一節點； 一第三飛馳電容，耦接於上述第十一節點以及一第十二節點之間； 一第十七開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十二節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第十八開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十二節點耦接至上述接地端； 一第十九開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第十一節點耦接至一第十三節點； 一第四諧振電容，耦接至上述第十三節點； 一第四諧振電感，耦接於上述第四諧振電容以及上述第十四節點之間； 一第二十開關，根據上述第一控制信號，將上述第十四節點耦接至上述第一輸出電壓； 一第二十一開關，根據上述第二控制信號，將上述第十四節點耦接至上述接地端；以及 一第二十二開關，根據上述第二控制信號，將上述第十三節點耦接至上述第一輸出電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應系統，其中回應於上述調變信號位於一第一邏輯位準，上述第一開關、上述第二開關、上述第六開關、上述第七開關、上述第八開關、上述第十二開關、上述第十三開關、上述第十四開關、上述第十八開關、上述第十九開關以及第二十開關根據上述第一控制信號而導通與不導通，上述第三開關、上述第四開關、上述第五開關、上述第九開關、上述第十開關、上述第十一開關、上述第十五開關、上述第十六開關以及上述第十七開關、上述第二十一開關以及上述第二十二開關根據上述第二控制信號而導通與不導通，其中上述切換諧振轉換器具有一第一轉換率，上述第一輸出電壓係為上述供應電壓與上述第一轉換率之比值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應系統，其中回應於上述調變信號位於一第二邏輯位準，上述第一開關、上述第三開關、上述第七開關、上述第十三開關以及上述第十九開關持續導通，上述第二開關持續不導通，上述第六開關、上述第九開關、上述第十開關、上述第十一開關、上述第十四開關、上述第十八開關上述第二十一開關以及上述第二十二開關根據上述第二控制信號而導通與不導通，上述第四開關、上述第五開關、上述第八開關、上述第十二開關、上述第十五開關、上述第十六開關、上述第十七開關以及上述第二十開關根據上述第一控制信號而導通與不導通，其中上述切換諧振轉換器具有一第二轉換率，上述第一輸出電壓係為上述供應電壓與上述第二轉換率之比值。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之電源供應系統，其中上述第二轉換率低於上述第一轉換率。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之電源供應系統，其中上述第一級電壓轉換器更包括： 一第一飛馳電感，耦接於上述第一飛馳電容以及上述第四節點之間； 一第二飛馳電感，耦接於上述第二飛馳電容以及上述第八節點之間；以及 一第三飛馳電感，耦接於上述第三飛馳電容以及上述第十二節點之間，其中上述第一飛馳電感、上述第二飛馳電感以及上述第三飛馳電感用以增加上述第一級電壓轉換器之轉換效率。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之電源供應系統，其中上述第一級電壓轉換器係為一電壓轉換器且具有一工作週期，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器增加上述工作週期，藉以升高上述第一輸出電壓，其中回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，上述第一級電壓轉換器降低上述工作週期，藉以降低上述第一輸出電壓。
  12. 一種切換諧振轉換器，用以將一供應電壓轉換至一輸出電壓，包括： 一輸入電容，耦接於上述供應電壓以及一接地端之間； 一第一開關，根據一第一控制信號以及上述調變信號，將上述供應電壓耦接至一第一節點； 一第一諧振電容，耦接至上述第一節點； 一第一諧振電感，耦接於上述第一諧振電容以及一第二節點之間； 一第二開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第二節點耦接至上述輸出電壓； 一第三開關，根據一第二控制信號以及上述調變信號，將上述第二節點耦接至上述接地端； 一第四開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第一節點耦接至一第三節點； 一第一飛馳電容，耦接於上述第三節點以及一第四節點之間； 一第五開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第四節點耦接至上述輸出電壓； 一第六開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第四節點耦接至上述接地端； 一第七開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第三節點耦接至一第五節點； 一第二諧振電容，耦接至上述第五節點； 一第二諧振電感，耦接於上述第二諧振電容以及一第六節點之間； 一第八開關，根據上述第一控制信號，將上述第六節點耦接至上述輸出電壓； 一第九開關，根據上述第二控制信號，將上述第六節點耦接至上述接地端； 一第十開關，根據上述第二控制信號，將上述第五節點耦接至一第七節點，其中上述第七節點耦接至上述第一輸出電壓；以及 一輸出電容，耦接於上述輸出電壓以及上述接地端之間，其中上述第一控制信號以及上述第二控制信號互為反相。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之切換諧振轉換器，更包括： 一第二飛馳電容，耦接至上述第七節點以及一第八節點之間； 一第十一開關，根據上述第二控制信號，將上述第八節點耦接至上述輸出電壓； 一第十二開關，根據上述第一控制信號，將上述第八節點耦接至上述接地端； 一第十三開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第七節點耦接至一第九節點； 一第三諧振電容，耦接至上述第九節點； 一第三諧振電感，耦接於上述第三諧振電容以及一第十節點之間； 一第十四開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十節點耦接至上述輸出電壓； 一第十五開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十節點耦接至上述接地端； 一第十六開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第九節點耦接至一第十一節點； 一第三飛馳電容，耦接於上述第十一節點以及一第十二節點之間； 一第十七開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十二節點耦接至上述輸出電壓； 一第十八開關，根據上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述調變信號，將上述第十二節點耦接至上述接地端； 一第十九開關，根據上述第一控制信號以及上述調變信號，將上述第十一節點耦接至一第十三節點； 一第四諧振電容，耦接至上述第十三節點； 一第四諧振電感，耦接於上述第四諧振電容以及上述第十四節點之間； 一第二十開關，根據上述第一控制信號，將上述第十四節點耦接至上述輸出電壓； 一第二十一開關，根據上述第二控制信號，將上述第十四節點耦接至上述接地端；以及 一第二十二開關，根據上述第二控制信號，將上述第十三節點耦接至上述輸出電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之切換諧振轉換器，其中回應於上述調變信號位於一第一邏輯位準，上述第一開關、上述第二開關、上述第六開關、上述第七開關、上述第八開關、上述第十二開關、上述第十三開關、上述第十四開關、上述第十八開關、上述第十九開關以及第二十開關根據上述第一控制信號而導通與不導通，上述第三開關、上述第四開關、上述第五開關、上述第九開關、上述第十開關、上述第十一開關、上述第十五開關、上述第十六開關、上述第十七開關、上述第二十一開關以及上述第二十二開關根據上述第二控制信號而導通與不導通，其中上述切換諧振轉換器具有一第一轉換率，上述輸出電壓係為上述供應電壓與上述第一轉換率之比值。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之切換諧振轉換器，其中回應於上述調變信號位於一第二邏輯位準，上述第一開關、上述第三開關、上述第七開關、上述第十三開關以及上述第十九開關持續導通，上述第二開關持續不導通，上述第六開關、上述第九開關、上述第十開關、上述第十一開關、上述第十四開關、上述第十八開關上述第二十一開關以及上述第二十二開關根據上述第二控制信號而導通與不導通，上述第四開關、上述第五開關、上述第八開關、上述第十二開關、上述第十五開關、上述第十六開關、上述第十七開關以及上述第二十開關根據上述第一控制信號而導通與不導通，其中上述切換諧振轉換器具有一第二轉換率，上述輸出電壓係為上述供應電壓與上述第二轉換率之比值。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之切換諧振轉換器，其中上述第二轉換率低於上述第一轉換率。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之切換諧振轉換器，更包括： 一第一飛馳電感，耦接於上述第一飛馳電容以及上述第四節點之間； 一第二飛馳電感，耦接於上述第二飛馳電容以及上述第八節點之間；以及 一第三飛馳電感，耦接於上述第三飛馳電容以及上述第十二節點之間，其中上述第一飛馳電感、上述第二飛馳電感以及上述第三飛馳電感用以增加上述切換諧振轉換器之轉換效率。
  18. 一種電源供應方法，包括： 利用一第一級電壓轉換器，將一供應電壓轉換成一第一輸出電壓； 將上述第一輸出電壓轉換成一第二輸出電壓； 判斷上述第二輸出電壓之一輸出功率是否超過一臨限值；以及 回應於上述輸出功率超過上述臨限值，調變上述第一輸出電壓。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電源供應方法，其中上述根據上述輸出功率超過上述臨限值調變上述第一輸出電壓之步驟包括： 回應於上述輸出功率超過上述臨限值，增加上述第一輸出電壓。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電源供應方法，其中上述根據上述輸出功率超過上述臨限值調變上述第一輸出電壓之步驟更包括： 回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，降低上述第一輸出電壓。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之電源供應方法，其中上述第一級電壓轉換器係為一切換諧振轉換器（swtiched tank converter）且具有一轉換率，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，降低上述轉換率，藉以升高上述第一輸出電壓，其中回應於上述輸出功率不超過上述臨限值，增加上述轉換率，藉以降低上述第一輸出電壓。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之電源供應方法，其中上述第一級電壓轉換器係為一電壓轉換器且具有一工作週期，其中回應於上述輸出功率超過上述臨限值，降低上述工作週期，藉以降低上述第一輸出電壓，其中當上述輸出功率不超過上述臨限值時，增加上述工作週期，藉以升高上述第一輸出電壓。
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