TWI375390B - Dual-input dc-dc converter with integrated ideal diode function - Google Patents

Description

1375390 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本文有關於電源供應器系統，而更為特別的是， 於在輸人電源之間從冑選擇藉以供應電力給予電 電路與方法。 、t 【先前技術】 大多數的可搞式電子裝置提供操作於兩個或者更 入電源之能力。除了一次電池（非可再充電者）或者二次電 池之外，可攜式電子裝置尚可使用輔助電源，諸如牆:配 接器（wall adapter)、超級電容器、備用電池包、或者 用串列匯流排（Universal Serial Bus，USB)傳輸蜂。 將來自輸入電源之電力供應至—個或者多個設置在可 攜式電子裝置…DC-DC轉換器，藉以調節輸入電壓成 為微處理器·'微型硬碟裝置、數位電路、輸入,輸出線、 射頻與音頻電路、以及其他電路所需之精準偏壓準位。這 些K-DC轉換器需要能夠選擇最適當的輸入電源之能力， 以便最大化效率、延長電池壽命、以及將熱產生最小化。 在大多數的狀泥了，當牆上配接器或者其他非電池之 電源插入由可再充電電池所供電之可攜式裝置時，其便會 將電力供應至電池之處，藉以允許電池在最短可能時間之 内再次充電。在非再充電電池所供電的可攜式裝置之狀況 中，輔助電源可以在更換非再充電電池同時，提供電力來 保持揮發性記憶體之狀態。當輔助電源移除之時，便由電 池來供給可攜式裝置電力。 6 因此，可攜式電子裝置必須依靠某些輸入電力選擇機 件從事電池與輔助電源之間密切的替換。替換電路需要 確保輸入電源絕不會彼此直接連接，以及當輸入電源不受 ^擇之冑’確保其會阻隔逆向電流。同樣的是，期望提 供貫現理想二極體功能之替換電路藉以避免因在主要電力 路虹上认置額外電阻或者二極體順向電壓降而導致降低系 統效率。 斤χ需要種電路，其可在輸入電源之間做選擇， 具有最大電力效率以及最小熱產生藉以提供可攜式電子裝 置中較長的電池壽命。此外，期望產生此種使用最小部件 數目之電路來改善製造能力與成本。 【發明内容】 本發明提出新穎之系統與方法，用以將電力從多種電 原供應至接文電力之裝置。根據本文其中一個觀點，電源 供應系統包含從第一個電源提供電力至負載之第一輸入、 從第二個電源提供電力至負載之第一輸入、耦合至第一輸 入與第二輸入藉以選擇第一輸入或者第二輸入之輸入選擇 °。以及具有第一電晶體元件之調節器，此電晶體則會將 輸入訊號轉換成為所要供應至負載之已受調節輸出訊號。 果選擇到第一輸入，輸入選擇器便會控制第一個電晶體 凡件以受致動，而如果選擇到第二輸入，則其會致使所控 制的第二個電晶體元件受到致動。 根據本文之實施例，第一個與第二個電晶體元件可以 疋並聯的場效應電晶體。如果選擇到第二個輸入，則可以 7 1375390 !第：：電晶體元件解除致動，反之如果選擇到第-個輸 °以將第二個電晶體元件解除致動。 •輸入器電路可以包含一個相應於第-個與第二個 的β =彳第—個與第二個電晶體元件之感測電路。同 二個：第可以包含由感測電路所致動之第 電晶體元件。 電路，猎以分別控制第-個與第二個 入訊可以包含脈波調變控制電路，用以控制輸 入訊唬成為輪出訊號之轉換。盥 由脈波調變控制電路❹座, J —驅動器電路可以 元件。控制電路所控制’藉以驅動第一與第二電晶體 根據本文之另一 /gi - 源來供應電力之第一電供 調即器具有從第-個·電 供應電力之第-電源二、以及從第二個電源來 電源供應輸八㈣力調節器包含在第-個 生-個輸入訊號之:入;=輸:之間進行選_產 成為以仴…γ 、 χ及將其輸入訊號轉換

成為以5周即輸出訊號之電力轉換電路。電力轉換電路J =輸入訊號轉換成為輸出訊號之脈波調變電路、 ::調變電路而在每次第一個電源供應輸入受到選擇= 支极輸入訊號轉換成為輸出訊號之第—電晶體元件’ 及受控於脈波調變電路而在 '以 選擇時用來支援輸入訊供應輸入受到 元件。 W轉換成為輸出訊號之第二電晶體 根據本文之一種方法，實現以下的步驟以便有所選擇 8 1375390 •. 地將電力透過電力調節器經由第一個電源或者第二個電源 供應至接受電力的元件·· -在第一電源與第二電源之間進行選擇’藉以提供輸入 . 電源供應訊號給予具有第一電晶體開關之電力調節器，以 . 便將輸入電源供應訊號轉換成為所要供應至接受電力的元 件之調節後輸出電源供應訊號， -如果第一電源受到選擇，則致動第一個電晶體開關， 以便供應輸入電源訊號，以及 -如果第二電源受到選擇，則致動與第一個電晶體開關 並聯的第二個電晶體開關，以便供應輸入電源訊號。 此方法可以進一步地包含感測來自第一與第二電源藉 以在第一電源與第二電源之間進行選擇之電源供應步驟。 經由以下的細節說明，本文額外的優點與觀點對習知 技術者而言將會是顯而易見的，其中所顯示與說明的本揭 示實施例僅是用以說明實施本揭示的最佳模式。如同將要 % 说明的，此揭示能夠是其他與不同的實施例，而且其數個 細節在各種不同明顯著目良點上容許修改，而不違反本文之 精神。所以，圖示與說明本質上為闡述之用，而非為限制 * 之意。 ‘ •【實施方式】 將以在電池與牆上配接器之間進行選擇之電路範例來 進行本文。然而，明顯的是，在此所說明的觀念可應用至 任何電源之間的選擇。 圖1顯示-種輸入選擇電路10,其闡述在各種不同電 1^75390 變。在降升壓模式中，藉由PWM控制電路50以責任週期Dbuck 父替地切換MOSFET開關SWA與SWB，並且藉由PWM控制電 路50以責任週期DbC)C)st交替地切換M0SFET開關SWC與SWD。 控制責任週期Dbuck以及Db。。”隨著輸入電壓Vin降低，允 5午降壓模式逐步停止，而升壓模式則逐步採用，或者隨著 輸入電壓Vin降低，實行從升壓模式至降壓模式之逐漸轉 變。 可替代的是’本文之DC/DC轉換 同步降壓型調節器。在此種狀況下，其僅包含有M0SFET 開關SWA與SWB。 β除了上述的電力調節功能之外，本文之Dc/Dc轉換器 4〇提供諸如電池12與牆上配接器14的多輸入電源之間的 ''擇特别的是’ DC/DC轉換器40包含額外的m〇SFET開 關SWA，藉以從第二個電源來支援電力之供應。例如，典 型設置於執行電力調節的正規DC/DC轉換器中之咖τ 開關SWA可以具有一個連接至電感器l之電極以及另—個 連^至從牆上配接器14來供應輸入電屋vinl的輸入端44 之電極。可以將額外的M0SFFT ou/a， 1、 0SFET開關SWA並聯連接至開關 mQSFET開關SWA，其中的-個電極連接至電感 而另-個電極則可以連接至從電池】 電 壓Vin2的輸入端42。 代應輸入電 同樣的是，DC/DC轉換器4〇包含一個 輸入42與44之感测電$ 5fi 電源供應 56’用以在廣闊而多數的實現上， 決定電源供應輸入42盥μ抓 貝兄上 與44 °那一個會提供較高的輸入電 13 1375390 壓。可替代的是，可以給予其中一個輸入優先權，使之在 供應電壓超過一個可程式規劃準位時總是受到致動。將感 測電路56之輸出訊號供應至由p丽控制電路所控制的驅 動器58與60，藉以分別驅動M〇SFET開關SWA與SWA，之閘 極。 如果來自牆上配接器14之輸入電壓vinl較低於來自 電池12之輸入電壓，則感測電路56便會控制驅動器μ 解除SWA切換之致動，並且控制驅動器6〇致能在操作上 替代開關SWA的額外MOSFET開關SWA，之致動《然而，如 果來自電池12之輸入電壓Vin2較低於來自牆上配接器14 之輸入電壓Vinl，則感測電路56便會控制驅動器6〇解除 額外MOSFET開關SWA’切換之致動，並且控制驅動器58致 能MOSFET開關切換之致動。因此，感測電路56會在個別 的輸入電壓較低於另一輸入電壓之時解除m〇sfet開關sm 與SWA，其中—者切換之致動，並且致能另-個MOSFET開 關之致動。 所以，如果輸入電壓Vin2較低於輸入電壓Vini，則 致動MOSFET開關SWA’替代開關SWA，藉以上述的方式來分 擔電力調節程序，產生相應於輸入電M Vini之已調節輸 出電壓v〇ut。然而，如果輸入電M Vinl較低於輸入電壓 Vm2，則由PWM控制電路50來控制M〇sm開關讀，藉 以上述的方式來分擔電力調節程序，i生相應於輸入電』 Vin2之已調節輸出電壓v〇ut。 隨者MGSFET開關SWA已經出現在用來執行電力調節功 14 1375390 • 能的DC/DC控制器中，本文的輸入電力選擇功能僅需要一 顆額外的M0SFET電晶體。再者，額外的M〇SFET電晶體swa， 並聯連接至電晶體SWA，並且與此一電晶體交替地操作。 因此，沒有將額外的電阻引進於電力路徑中。所以，改善 . 輪入電力選擇電路之電力效率，增加電池之壽命。同時， 產生較少的熱，進一步改善效率與可靠度。 可以將額外的M0SFET電晶體SWA’、感測電路56、以 及驅動器58與60乃至於M0SFET開關SWA、SWB、SWC與SWD 整合於切換式調郎器積體電路之内。因此，全然消除外部 電路’顯著地減少電路之複雜度。 可使用P通道之M0SFET電晶體來實現開關SWA與 SWA’。可替代的是，可以利用n通道MOSFET開關或者雙極 性電晶體開關。 之前的說明乃是闡述並且述說本發明之觀點。此外， 本文僅顯示並且述說較佳實施例，如同前述，而所要了解 I 的是’本發明能夠使用於各種不同的其他組合、變體、以 及環境之中，並且能夠在於此所表達的本發明觀念之内從 事改變或者修改，等同於相關技術以上的教義、及/或技 . 術或者知識。 . 進一步地上述的實施例意指解釋實行本發明所知的最 佳模式’並且意指致使熟知技術者以如此或者其他的實施 例及各種本發明特殊應用或使用所需的變體而利用本發 明。 所以，本說明書並非意指本發明限制於在此所揭示的 15 1375390 形式。同樣的是’所附的申請專利範圍音社& 固思指建構用以包含 可替代之實施例。 【圖式簡單說明】 杏姑合以下的圖式閱讀時’可以最佳 取住地了解以下的本 文 實施例 繪 製， 而 圖 1 路 0 圖 2 路 0 3 圖 4 ί 彡 1〇 12 14 16 18 2〇 3〇 之細節說明’在圖示中，特科 哥徵並不需要實際比例 是繪製以為最佳闡述適切特徵之用，其中. # # 4〇 42 44 闡述一種在輸入電源之間 门進订選擇之M0SFET電 _示一種雙輸入之DdC轉換器。 聞述圖3所示轉換器之簡化配置。 要元件符號說明】 輸入選擇電路 電池 牆上配接器 DODC轉換器 DC-DC轉換器之輸出 輸入電力選擇電路 調節系統 DC-DC轉換器 DC-DC轉換器之輪入 DC-DC轉換器之輪入 DC-DC轉換器之輸出 16 4^ 1375390 50 脈波寬度調變（PWM)控制電路 5-2 端點 54 端點 56 感測電路 58 驅動器 60 驅動器

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Claims (1)

1375390 .^ _ L 101年3月28日替換頁 T、申請專利範圍： ---一 1. 一種電源供應系統，包含： 從第一個電源提供電力至負載之第— 领入， 從第二個電源提供電力至負載之第二輪入 耦合至第—個輸入與第二個輸入藉以選。 者第二輸入之輪入選擇器電路，以及 輸入或 配置以操作於一降升壓模式且具有。 第-個電晶體元件之電力調節$，此電曰感。。哀置及 號轉換成為所要供應至負載而已：：會將輸入訊 w掏出訊號， 如果選擇到第-輸入，輸入選擇器電路便會控制第一 個電晶體几件使其致動’而如果選擇到第二輪入，則立會 致使所控制的第二電晶體元件受到致動， /、 第一輸入係直接電氣連接至第一電晶體裝置， 第-及第二電晶體裝置係電氣連接至單—電感器裝 第二輸入係直接電氣連接至第二電晶體裝置，並且 置 2_如申请專利範圍第！項之電源供應系統，其中的第 -個電晶體並聯連接至第—個電晶體元件。 、琴摆^中請專利範圍帛1項之電源供應系統，其中如果 如果個輸人，則解除第―個電晶體元件之致動，而 到第一個輸入，則解除第二個電晶體元件之致動。 4.如申請專利範圍第 弟1項之電源供應系統，其中的輸 電路包含一感物，其相應於第一個與 輸入用以控制第—個與第二個電晶體元件。 18 1375390 換頁 5·如申凊專利範圍第4項之 L 〜 入選擇器電路進-步地包含由感：應系統，其中的輪 制第-個與第二個電晶體 路所致動藉以分: 〈弟一個盘笫-h ^ 路。 /、弟—個驅動器電 6 ·如申琦專利範圍第$項兩 力調節器包含-個脈波寬度或者二、系統，其中的電 控制輸入訊號轉換成為輸出訊號： '周變控制電路，用以 7.如申請專利範圍第6項之電源供 由脈波寬度或者頻率調變控 w…，·，其中可藉 驅動器電路，用以驅動第二:第路來=-個與第二個 二:申請專利範圍第1項之電源供應系統，其中的第 一個與弟二個雷晶和士从& 、f的第 為場效或者雙極性電晶體。 力^ = ?專利範^ 1項之電源供《統，其中的電 即益乃疋配置用以提供DC至DC之轉換。 ，1 〇·如申凊專利範圍第1項之電源供應系統，其中的輸 入選擇器電路乃是配置在從電池供應電力以及從辅助電源 供應電力之間選擇。 11. 一種電力調節器，包含： 從第一電源供應電力之第-電源供應輸入， 從第二電源供應電力之第二電源供應輸入， 1 ~配置以操作於—降升壓模式將一輸入訊號轉換成為已 凋節輪出訊號之電力轉換電路，以及 4在第一電源供應輪入與第二電源供應輸入之間進行選 擇藉以產生輸入汛號之輸入選擇電路， 19 略 此電力轉換 用來控制輪 <略包含： 入訊號轉換成 101年3月28曰替換頁 為輪出訊號之脈波調變器電 7由脈波調變♦ 每次第一雷％ 。龟路所控制之第一電晶體元件’其當 珩 電源供應、Λ 成為輪屮1 % 又到适擇時用來支援輸入訊號轉換 询出訊旒，以及 可由脈波調變 次第二電源供應輪 為輪出訊號，以及 電路所控制之第二電晶體元件，其當每 入受到選擇時用來支援輸入訊號轉換成

電氣連接至第 及第二電晶體裝置之單一電感器裝 輪入係直接電氣連接至第一電晶 势一k . _ ——,- Ό 一肢衣1 义几 輸入係直接電氣連接至第二電晶體裝置。 _申巧專利範圍第11項之電力調節器，豆中第二 電晶體元件並聯連接至第一電晶體元件。/、- 13.如申請專利範圍第11項之電力調節器，其"一 電晶體元件句合笛 . m 卜M〇SFET電晶體，而第二電晶體元件則 匕a苐一M0SFET電晶體。 …14’广申請專利範圍帛11項之電力調節器，其中的舭 波寬度凋變器電路包含一種脈波 器。 a胍夜頻率調變 項之電力調節器， 其相應於第~與第 一電晶體元件之控 其中的輸 二電源供 制或者第 15.如申請專利範圍第11 入選擇器電路包含感測電路， 應輸入，用以選擇性的致動第 20 1375390 二電晶體元件之控制。 1 6 ·如申諳專利範圍第1 1項之電力調節器，其中的輪 入遥擇益電路進一步地包含第一與第二驅動器電路，其由 感測電路所選擇性致動藉以分別控制第一與第二電晶體元 件0 17.如申凊專利範圍第11項之電力調節器其中的電 力轉換電路乃是配置用以提供DC至DC之轉換。 1 8.如申請專利範圍第丨丨項之電力調節器，其中的輪 入^擇电路與電力轉換電路一起配置於一積體電路内。 ^ 種用以選擇性的從第一電源或第二電源透過電 力凋即盗將電力供應至充電元件之方法，纟中電力調節器 係配置U刼作於一降升壓模式且具有單一電感器裝置，該 方法包含的步驟為： / …在第電源與第二電源之間進行選擇，藉以提供輸入 電源详應訊號給予具有第一電晶體開關之電力 將於入帝、 1 σ i 〃源供應訊號轉換成為所要供應至充電元件之已受 調節輸出電源供應訊號， 如果選擇第一電源，貝致動第一電晶體開M，以便供 應輸入電源訊號，以及 、 如果選擇第二電源，則致動與第一電晶體開關並聯的 一電晶體開關，以便供應輸入電源供應訊號，其中 第及第二電晶體開關係電氣連接至單一電感器裝 置，並且 來自第—及第二電源之輸入電源供應訊號係個別地直 21 1375390 101年3月28日替換頁 接供應至第一及第二電晶體開關。 2 0.如申請專利範圍第1 9項之方法，其進一步包含從 第一與第二電源處感測電源供應的步驟，以在第一電源與 第二電源之間選擇。 21. —種電源供應系統，包含： 從第一個電源提供電力至負載之第一輸入， 從第二個電源提供電力至負載之第二輸入，

耦合至第一個輸入與第二個輸入藉以選擇第一輸入或 者第二輸入之輸入選擇器電路，以及 配置以操作於一升壓模式且具有單一電感器裝置及第 一個電晶體元件之電力調節器，用以將輸入訊號轉換成為 所要供應至負載而已受調節的輸出訊號， 如果選擇到第一輸入，輸入選擇器電路便會控制第一 個電晶體元件使其致動，而如果選擇到第二輸入，則其會 致使所控制的第二電晶體元件受到致動， 第一輸入係直接電氣連接至第一電晶體裝置， 第二輸入係直接電氣連接至第二電晶體裝置，並且 第一及第二電晶體裝置係電氣連接至單一電感器裝 置 十一、圖式： 如次頁 22