TWI392875B - 具有功率損耗檢測功能的電子裝置 - Google Patents

Description

具有功率損耗檢測功能的電子裝置

本發明是有關於一種具有功率損耗檢測功能的電子裝置，且特別是一種可讓使用者得知當下功率損耗的具有功率損耗檢測功能的電子裝置。

電源供應器旨在提供負載一穩定之電源及應付多變的暫態變化響應，而負載所消耗之能量大小將由負載量所決定。例如，當電源供應器提供一穩定且電壓值為V之輸出電壓時，由於負載量會不停的改變而可將負載量視為一可變的電阻值R，因此電源供應器提供負載之功率為V² /R。在電源供應器容許的輸出能量範圍下，不論負載量如何地變動，電源供應器均能提供一穩定且不變的輸出電壓至負載。現有的電源供應器除了提供電源外，通常還提供過電流保護或過電壓保護的附加功能，此兩項功能主要在負載短路或開路時用來保護電源供應器及負載。但是，現有的電源供應器並未提供對輸入功率進行檢測。

製造商通常的作法是在電源供應器裝設至電子裝置後，由精密的功率量測儀器檢測電源供應器輸入端送入的功率，這些精密的功率量測儀器昂貴且笨重，並不適合裝設至一般價格低廉的消費性電子裝置出售。而且，製造商在利用精密的功率量測儀器檢測電子裝置功率損耗以驗證電子裝置是否符合設計之後，其在電子裝置的標示上對於功率損耗僅能標示最大值及/或最小值。使用者如果不藉助額外的功率量測儀器檢測，無法得知電子裝置當下的功率損耗。

有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其不需藉助額外的功率量測儀器，在有限的成本條件下，讓使用者可得知電子裝置當下的功率損耗。

為了達成上述目的與其他目的，本發明提出一種具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其包括一整流器、一電壓檢測器、一電流檢測器、一直流至直流轉換器、一類比乘法器、一類比至數位轉換器以及一微控制器。該整流器用以將所接收之一交流電源轉換為一直流電。該電壓檢測器耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電壓並據以輸出相應的一檢測電壓。該電流檢測器耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電流並據以輸出相應的一檢測電流。該直流至直流轉換器通過該電流檢測器耦接至該整流器，用以將該直流電之電壓轉換為一輸出電壓以供電給負載。該類比乘法器耦接至該電壓檢測器及該電流檢測器，用以將該檢測電壓及該檢測電流相乘並據以輸出一檢測功率。該類比至數位轉換器耦接至該類比乘法器，用以將該檢測功率從類比形式轉換為數位形式。該微控制器耦接至該類比至數位轉換器，用以依據數位形式之該檢測功率從一查找表找出相應的一功率損耗並顯示之。

本發明另提出一種具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其包括一整流器、一電壓檢測器、一電流檢測器、一直流至直流轉換器、一第一類比至數位轉換器、一第二類比至數位轉換器、一數位乘法器以及一微控制器。該整流器用以將所接收之一交流電源轉換為一直流電。該電壓檢測器耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電壓並據以輸出相應的一檢測電壓。該電流檢測器耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電流並據以輸出相應的一檢測電流。該直流至直流轉換器通過該電流檢測器耦接至該整流器，用以將該直流電之電壓轉換為一輸出電壓以供電給負載。該第一類比至數位轉換器耦接至該電壓檢測器，用以將該檢測電壓從類比形式轉換為數位形式。該第二類比至數位轉換器耦接至該電流檢測器，用以將該檢測電流從類比形式轉換為數位形式。該數位乘法器耦接至該第一類比至數位轉換器及該第二類比至數位轉換器，用以將數位形式之該檢測電壓及數位形式之該檢測電流相乘並據以輸出一檢測功率。該微控制器耦接至該數位乘法器，用以依據該檢測功率從一查找表找出相應的一功率損耗並顯示之。

本發明之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其在電源供應器的整流器及直流至直流轉換器之間對電壓及電流進行檢測，且將檢測電壓及電流相乘以得到與負載所消耗之能量大小相應的檢測功率，然後由微控制器依據檢測功率從查找表找出相應的功率損耗，此即負載所抽取功率大小，並顯示之。因此，本發明之具有功率損耗檢測功能的電子裝置不需藉助額外的功率量測儀器，在有限的成本條件下，讓使用者可得知電子裝置當下的功率損耗。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1為依照本發明第一實施例之具有功率損耗檢測功能的電子裝置之方塊圖。請參照圖1，具有功率損耗檢測功能的電子裝置2包括電源供應器1、負載21以及主板(main board)22。電源供應器1用以接收交流電源Vac，並將其轉換為直流之輸出電壓Vout以供電給負載21及主板22；在本實施例中，電源供應器1包括整流器11、電壓檢測器12、電流檢測器13、直流至直流(DC/DC)轉換器14、類比乘法器15以及類比至數位(A/D)轉換器16。負載21為電子裝置2中除了主板22以外所有需要電源供應器1供電的元件，例如，若電子裝置2為液晶電視，則負載21包括用以驅動冷陰極螢光燈管的換流器、用以處理音訊和視訊的電路以及喇叭等。主板22用以控制電子裝置2的運作，其亦需要由電源供應器1供電，故亦為電源供應器1之負載；在本實施例中，主板22包括微控制器221及查找表222。

整流器11用以將所接收之交流電源Vac轉換為直流電。電壓檢測器12耦接至整流器11，用以檢測整流器11輸出的直流電之電壓Vdc並據以輸出相應的檢測電壓Vsen。電流檢測器13耦接至整流器11，用以檢測整流器11輸出的直流電之電流Idc並據以輸出相應的檢測電流Isen。DC/DC轉換器14通過電流檢測器13耦接至整流器11，用以將整流器11輸出的直流電之電壓Vdc轉換為直流之輸出電壓Vout以供電給負載21及主板22。類比乘法器15耦接至電壓檢測器12及電流檢測器13，用以將檢測電壓Vsen及檢測電流Isen相乘並據以輸出類比形式之檢測功率Psen。A/D轉換器16耦接至類比乘法器15，用以將類比形式之檢測功率Psen轉換為數位形式之檢測功率Psen’。微控制器221耦接至A/D轉換器16，用以依據數位形式之檢測功率Psen’從查找表222找出相應的功率損耗並顯示之。

圖2為圖1所示具有功率損耗檢測功能的電子裝置2之一具體電路實施例。請參照圖2，具有功率損耗檢測功能的電子裝置2’包括電源供應器1’、負載21以及主板22。其中，電源供應器1’包括整流器11’、電壓檢測器12’、電流檢測器13’、DC/DC轉換器14、類比乘法器15以及A/D轉換器16，主板22包括微控制器221及查找表222。在此，圖2所示元件符號與圖1所示元件符號相同者表示相同的元件，但並不以此為限。

一般市用之交流電源Vac其電壓為90～264Vrms之高壓，故多採用如圖2所示之整流器11’進行交流電至直流電的轉換。整流器11’包括橋式整流器BD1以及具有大電容值的電容器C1。橋式整流器BD1為一種全波整流器，其利用四個二極體接成電橋形式，使得橋式整流器BD1在交流電源Vac電壓的正負半週均有電流流過，且在輸出端形成單方向的全波脈動直流電壓。在橋式整流器BD1端點上通常標示有“～”、“＋”、“-”符號，其中標示為“～”符號的兩端點為交流電輸入端，其分別耦接至市用之交流電源Vac的火線(live wire)L及零線(neutral wire)N，而標示為“＋”、“-”符號的兩端點為直流電輸出端，其分別耦接至電容器C1兩端。電容器C1用以對全波脈動直流電壓進行濾波，使電壓漣波降低而變為穩定的直流電之電壓Vdc。

電壓檢測器12’包括兩串接之第一電阻器R1和R2。第一電阻器R1和R2串接後一端耦接至整流器11’以接收整流器11’輸出的直流電之電壓Vdc，另一端接地；因此，第一電阻器R1和R2串接後兩端分別耦接至電容器C1兩端(或橋式整流器BD1標示為“＋”、“-”符號的直流電輸出端)。兩串接之第一電阻器R1和R2對電容器C1端電壓進行分壓而在第一電阻器R1和R2共同接點輸出檢測電壓Vsen。由於電容器C1端電壓即為整流器11’輸出的直流電之電壓Vdc，故檢測電壓Vsen與直流電之電壓Vdc成比例。在設計上，第一電阻器R1之電阻值遠大於第一電阻器R2之電阻值，使檢測電壓Vsen的準位適合後續電路處理。在另一實施例中，可將圖2所示第一電阻器R1和R2分別以電容器C1和C2取代之，此時必須設計電容器C1之電容值遠小於電容器C2之電容值，使檢測電壓Vsen的準位適合後續電路處理。

電流檢測器13’包括檢測電阻器Rsen、兩串接之第二電阻器R3和R4以及兩串接之第三電阻器R5和R6。檢測電阻器Rsen具有第一端及第二端，其用以將整流器11’輸出的直流電之電流Idc轉換為相應的電壓，此電壓即是檢測電阻器Rsen第一端電壓和第二端電壓兩者差值。檢測電阻器Rsen第一端耦接至整流器11’以接收其輸出的直流電之電流Idc，檢測電阻器Rsen第二端耦接至DC/DC轉換器14輸入端；因此，檢測電阻器Rsen第一端耦接至電容器C1非接地的一端(或橋式整流器BD1標示為“＋”符號的直流電輸出端)。第二電阻器R3和R4串接後一端耦接至檢測電阻器Rsen第一端，另一端接地，故第二電阻器R3和R4對檢測電阻器Rsen第一端電壓進行分壓而在第二電阻器R3和R4共同接點輸出第一檢測電壓。第三電阻器R5和R6串接後一端耦接至檢測電阻器Rsen第二端，另一端接地，故第三電阻器R5和R6對檢測電阻器Rsen第二端電壓進行分壓而在第三電阻器R5和R6共同接點輸出第二檢測電壓。最後，通過壓差放大器(其由運算放大器OP1及電阻器R7～R10所組成)將第一檢測電壓及第二檢測電壓兩者差值放大後輸出作為檢測電流Isen，故檢測電流Isen為電壓形式且與直流電之電流Idc成比例。在另一實施例中，電流檢測器例如是比流器或霍爾(Hall)電流檢測器。

由於整流器11’輸出的直流電之電壓Vdc及電流Idc因通過其內的電容器C1濾波而為直流信號，無交流信號相角差所產生的虛功問題，且電子裝置2’於量測功率或電量計價時並不會對虛功索費，因此檢測通過電容器C1濾波後的電壓Vdc及電流Idc可得到最簡化的實功率。另外，由於DC/DC轉換器14其內常包括一變壓器，變壓器具有電氣隔離功能，使整流器11’、電壓檢測器12’、電流檢測器13’、類比乘法器15及A/D轉換器16為位於高壓側的元件，而負載21及主板22為位於低壓側的元件。位於高壓側的A/D轉換器16要將數位形式之檢測功率Psen’傳送到位於低壓側的主板22之微控制器221，必須通過如圖2所示的光耦合器OC1來達成。同樣地，主板22之微控制器221輸出的時脈信號Clk也必須通過如圖2所示的光耦合器OC2來傳送到A/D轉換器16。

圖3為圖2所示具有功率損耗檢測功能的電子裝置2’通過時脈信號Clk控制A/D轉換器16輸出數位形式之檢測功率Psen’之時序圖。請同時參照圖2及圖3，類比形式之檢測功率Psen其值例如為0～30W，而數位形式之檢測功率Psen’例如為8位元資料，即以8個二進制數字D7～D0表示一筆數位形式之檢測功率Psen’，其值為00000000～11111111。當A/D轉換器16將所接收類比形式之檢測功率Psen轉換為數位形式之檢測功率Psen’後並不會馬上輸出，而是等待微處理器221每送出一個時脈信號Clk後才將數位形式之檢測功率Psen’的一個位元資料送到微處理器221，其例如依照由最高有效位元(Most Significant Bit，簡稱為MSB)D7至最低有效位元(Least Significant Bit，簡稱為LSB)D0的順序來傳送所有位元資料。

在本實施例中，微處理器221送出的時脈信號Clk為高準位電壓，此高準位電壓通過電阻器R13和R14的限流和分壓而控制開關Q1導通，此時電壓為5V的直流電源通過電阻器R12及導通的開關Q1送入光耦合器OC2之發光裝置PD2，發光裝置PD2因此有電流流過並發光，光耦合器OC2之光檢測器PT2因檢測到光線而導通，故A/D轉換器16接收到因接地所產生的低準位電壓並據以將數位形式之檢測功率Psen’的一個位元資料通過光耦合器OC1送到微處理器221。另外，在微處理器221不送出時脈信號Clk的時候，微處理器221改成輸出低準位電壓，此低準位電壓控制開關Q1斷開，此時電壓為5V的直流電源因斷開的開關Q1而不再送入發光裝置PD2，發光裝置PD2因沒有電流流過而不發光，光耦合器OC2之光檢測器PT2因檢測不到光線而斷開，故A/D轉換器16接收到電壓為5V的直流電源通過電阻器R15產生的高準位電壓並據以不再傳送資料到微處理器221。

在微處理器221送出8個時脈信號Clk(如圖3所示標示為1～8的時脈信號Clk)後，微處理器221即會收到一筆完整的數位形式之檢測功率Psen’，此時即可從查找表222中找到與該筆數位形式之檢測功率Psen’相應的功率損耗值，以顯示給使用者得知電子裝置2’當下的功率損耗，其中查找表222為內建在主板22之非揮發性記體中(圖中未繪示)，其記載著00000000～11111111每一數位資料所相應的功率損耗值。例如，當微處理器221收到的數位形式之檢測功率Psen’為01001111時，微處理器221可從查找表222中找到其相應的功率損耗值為9.2575W。

圖4為依照本發明第二實施例之具有功率損耗檢測功能的電子裝置之方塊圖。請參照圖4，具有功率損耗檢測功能的電子裝置5包括電源供應器4、負載21以及主板22。其中，電源供應器4包括整流器11、電壓檢測器12、電流檢測器13、DC/DC轉換器14、第一類比至數位(A/D)轉換器46、第二類比至數位(A/D)轉換器47以及數位乘法器45，而主板22包括微控制器221及查找表222。在此，圖4所示元件符號與圖1所示元件符號相同者表示相同的元件，但並不以此為限。

整流器11用以將所接收之交流電源Vac轉換為直流電。電壓檢測器12耦接至整流器11，用以檢測整流器11輸出的直流電之電壓Vdc並據以輸出相應的檢測電壓Vsen。電流檢測器13耦接至整流器11，用以檢測整流器11輸出的直流電之電流Idc並據以輸出相應的檢測電流Isen。DC/DC轉換器14通過電流檢測器13耦接至整流器11，用以將整流器11輸出的直流電之電壓Vdc轉換為直流之輸出電壓Vout以供電給負載21及主板22。第一A/D轉換器46耦接至電壓檢測器12，用以將所接收類比形式之檢測電壓Vsen轉換為數位形式之檢測電壓Vsen’。第二A/D轉換器47耦接至電流檢測器13，用以將所接收類比形式之檢測電流Isen轉換為數位形式之檢測電流Isen’。數位乘法器45耦接至第一A/D轉換器46及第二A/D轉換器47，用以將數位形式之檢測電壓Vsen’及數位形式之檢測電流Isen’相乘並據以輸出數位形式之檢測功率Psen’。微控制器221耦接至數位乘法器45，用以依據數位形式之檢測功率Psen’從查找表222找出相應的功率損耗並顯示之。

綜上所述，本發明之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其在電源供應器的整流器及直流至直流轉換器之間對電壓及電流進行檢測，且將檢測電壓及電流相乘以得到與負載所消耗之能量大小相應的檢測功率，然後由微控制器依據檢測功率從查找表找出相應的功率損耗，此即負載所抽取功率大小，並顯示之。因此，本發明之具有功率損耗檢測功能的電子裝置不需藉助額外的功率量測儀器，在有限的成本條件下，讓使用者可得知電子裝置當下的功率損耗。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1、1’．．．電源供應器

11、11’．．．整流器

12、12’．．．電壓檢測器

13、13’．．．電流檢測器

14．．．直流至直流轉換器

15．．．類比乘法器

16．．．類比至數位轉換器

2．．．電子裝置

21．．．負載

22．．．主板

221．．．微控制器

222．．．查找表

4．．．電源供應器

45．．．數位乘法器

46．．．第一類比至數位轉換器

47．．．第二類比至數位轉換器

5．．．電子裝置

BD1．．．橋式整流器

C1．．．電容器

OC1、OC2．．．光耦合器

OP1．．．運算放大器

PD1、PD2．．．發光裝置

PT1、PT2．．．光檢測器

Q1．．．開關

R1～R15．．．電阻器

Rsen．．．檢測電阻器

L．．．火線

N．．．零線

Clk．．．時脈信號

Idc．．．直流電之電流

Isen．．．類比形式之檢測電流

Isen’．．．數位形式之檢測電流

Psen．．．類比形式之檢測功率

Psen’．．．數位形式之檢測功率

Vac．．．交流電源

Vdc．．．直流電之電壓

Vout．．．輸出電壓

Vsen．．．類比形式之檢測電壓

Vsen’．．．數位形式之檢測電壓

圖1為依照本發明第一實施例之具有功率損耗檢測功能的電子裝置之方塊圖。

圖2為圖1所示具有功率損耗檢測功能的電子裝置之一具體電路實施例。

圖3為圖2所示具有功率損耗檢測功能的電子裝置通過時脈信號控制A/D轉換器輸出數位形式之檢測功率之時序圖。

圖4為依照本發明第二實施例之具有功率損耗檢測功能的電子裝置之方塊圖。

1．．．電源供應器

11．．．整流器

12．．．電壓檢測器

13．．．電流檢測器

14．．．直流至直流轉換器

15．．．類比乘法器

16．．．類比至數位轉換器

2．．．電子裝置

21．．．負載

22．．．主板

221．．．微控制器

222．．．查找表

Clk．．．時脈信號

Idc．．．直流電之電流

Isen．．．類比形式之檢測電流

Psen．．．類比形式之檢測功率

Psen’．．．數位形式之檢測功率

Vac．．．交流電源

Vdc．．．直流電之電壓

Vout．．．輸出電壓

Vsen．．．類比形式之檢測電壓

Claims (8)

1. 一種具有功率損耗檢測功能的電子裝置，包括：一整流器，用以將所接收之一交流電源轉換為一直流電；一電壓檢測器，耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電壓並據以輸出相應的一檢測電壓；一電流檢測器，耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電流並據以輸出相應的一檢測電流，其中該電流檢測器包括：一檢測電阻器，具有一第一端及一第二端，該第一端耦接至該整流器以接收該直流電，該第二端耦接至該直流至直流轉換器；兩串接之第二電阻器，所述兩串接之第二電阻器一端耦接至該檢測電阻器第一端且另一端接地；兩串接之第三電阻器，所述兩串接之第三電阻器一端耦接至該檢測電阻器第二端且另一端接地；以及一壓差放大器，用以將所述兩串接之第二電阻器共同接點輸出之電壓及所述兩串接之第三電阻器共同接點輸出之電壓兩者之壓差放大，以輸出該檢測電流；一直流至直流轉換器，通過該電流檢測器耦接至該整流器，用以將該直流電之電壓轉換為一輸出電壓以供電給負載；一類比乘法器，耦接至該電壓檢測器及該電流檢測器，用以將該檢測電壓及該檢測電流相乘並據以輸出一檢測功率；一類比至數位轉換器，耦接至該類比乘法器，用以將該檢測功率從類比形式轉換為數位形式；以及 一微控制器，耦接至該類比至數位轉換器，用以依據數位形式之該檢測功率從一查找表找出相應的一功率損耗並顯示之。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其中該電壓檢測器包括兩串接之第一電阻器，所述兩串接之第一電阻器一端耦接至該整流器以接收該直流電且另一端接地，所述兩串接之第一電阻器共同接點輸出該檢測電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其中該電壓檢測器包括兩串接之電容器，所述兩串接之電容器一端耦接至該整流器以接收該直流電且另一端接地，所述兩串接之電容器共同接點輸出該檢測電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其中該電流檢測器包括一比流器或一霍爾電流檢測器。
5. 一種具有功率損耗檢測功能的電子裝置，包括：一整流器，用以將所接收之一交流電源轉換為一直流電；一電壓檢測器，耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電壓並據以輸出相應的一檢測電壓；一電流檢測器，耦接至該整流器，用以檢測該直流電之電流並據以輸出相應的一檢測電流，其中該電流檢測器包括：一檢測電阻器，具有一第一端及一第二端，該第一端耦接至該整流器以接收該直流電，該第二端耦接至該直流至直流轉換器；兩串接之第二電阻器，所述兩串接之第二電阻器一端耦接至該檢測電阻器第一端且另一端接地； 兩串接之第三電阻器，所述兩串接之第三電阻器一端耦接至該檢測電阻器第二端且另一端接地：以及一壓差放大器，用以將所述兩串接之第二電阻器共同接點輸出之電壓及所述兩串接之第三電阻器共同接點輸出之電壓兩者之壓差放大，以輸出該檢測電流；一直流至直流轉換器，通過該電流檢測器耦接至該整流器，用以將該直流電之電壓轉換為一輸出電壓以供電給負載；一第一類比至數位轉換器，耦接至該電壓檢測器，用以將該檢測電壓從類比形式轉換為數位形式；一第二類比至數位轉換器，耦接至該電流檢測器，用以將該檢測電流從類比形式轉換為數位形式；一數位乘法器，耦接至該第一類比至數位轉換器及該第二類比至數位轉換器，用以將數位形式之該檢測電壓及數位形式之該檢測電流相乘並據以輸出一檢測功率；一微控制器，耦接至該數位乘法器，用以依據該檢測功率從一查找表找出相應的一功率損耗並顯示之。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其中該電壓檢測器包括兩串接之第一電阻器，所述兩串接之第一電阻器一端耦接至該整流器以接收該直流電且另一端接地，所述兩串接之第一電阻器共同接點輸出該檢測電壓。
7. 如申請專利範圍第5項所述之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其中該電壓檢測器包括兩串接之電容器，所述兩串接之電容器一端耦接至該整流器以接收該直流電且另一端接地，所述兩串接之電容器共同接點輸出該檢測電壓。
8. 如申請專利範圍第5項所述之具有功率損耗檢測功能的電子裝置，其中該電流檢測器包括一比流器或一霍爾電流檢測器。