TWI396360B - 電源路徑管理電路與方法 - Google Patents

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Description

電源路徑管理電路與方法
本發明係有關於一種電源路徑管理方法與相關之電路。
可攜式電子產品(譬如說手機)多半具有電池，作為其電能的儲存與供應。為了對電池充電，在販賣每個可攜式電子產品時，多會一起販售一相對應的充電器。
為了讓不款式的手機，可以共用一種充電器，以避免舊充電器隨著手機款式的創新而成為電子垃圾，因此，目前市場上的趨勢是讓手機透過電腦公共規格的萬用串列匯流排(universal system bus，USB)傳輸埠(port)來充電。這樣，使用者只要有USB供電器或是USB主機(host)，以及USB傳輸線，就可以對自己的手機充電，不再受限於單一款式的充電器。相信在不久的將來，不只是手機，其他的可攜式電子產品的電池也多會透過USB接孔來充電。
第1圖顯示了一個電源路徑管理控制器100，可以決定從USB接孔抽取多少的電流，同時可以管理通往系統以及通往電池的電流路徑中的電流量。一種習知的管理方法是偵測系統電壓，且當系統電壓偏低時，就減少對電池的充電電流。
本發明實施例提供一種電源路徑管理電路，用以管理一電源對一系統供電與對一電池充電。該電源路徑管理電路包括一第一管理器、一第二管理器、以及一調整器。該第一管理器耦接至該電源，可控制從該電源所汲取之供應電流。該第一管理器包含有一第一限流控制回饋電路，偵測該供應電流，使該供應電流大致不大於一供應電流限定值。該第二管理器耦接至該電池，可控制對該電池充電之充電電流。該第二管理器包含有一第二限流控制回饋電路，用以使該充電電流大致不大於一充電電流限定值。該調整器耦接至該第一限流控制回饋電路，依據該供應電流，調整該充電電流限定值。
本發明實施例另提供一種電源路徑管理方法，用以管理一電源對一系統供電與對一電池充電：偵測該電源所汲取之供應電流；控制該供應電流，使其不大於一供應電流限定值；偵測對該電池充電之充電電流；控制該供應電流，使其不大於一充電電流限定值；以及，當該供應電流約略大於該供應電流限定值時，降低該充電電流限定值。
第2圖為一依據本發明實施的電源路徑管理控制器(power path management circuit)108，可以取代第1圖中的電源路徑管理電路100。
在第2圖中，管理器110接收USB傳輸埠中的電源線VUSB 與接地線(沒有顯示)，負責管理USB傳輸埠到系統端的供電。管理器120決定從系統電源對對電池系統端的充電。
管理器110中PMOS 112控制電源線VUSB 到電源線VSYS 之間的連接。定電壓控制回饋CV1偵測電源線VSYS 的電壓，控制PMOS 112的閘極，目標是使電源線VSYS 的電壓大約不超過VREF-SYS-V 。限流控制回饋CC1偵測從電源線VUSB 所抽的USB電流IUSB ，並控制PMOS112的閘極，目標是使USB電流不超過VREF-USB-C 所對應的電流限定值IUSB-LIMIT 。簡單來說，當系統電流ISYS 很小時，定電壓控制回饋CV1會使電源線VSYS 的電壓大約維持在VREF-SYS-V ；當系統電流ISYS 超過電流限定值IUSB-LIMIT 時，電源線VSYS 的電壓會比VREF-SYS-V 低，且限流控制回饋CC1使USB電流IUSB 維持在大約電流限定值IUSB-LIMIT 。
類似管理器110，管理器120中PMOS 122控制電源線VSYS 到電源線VBAT 之間的連接。定電壓控制回饋CV2的目標是使電池電源線VBAT 的電壓不超過VREF-BAT-V 。限流控制回饋CC2的目標是使對電池的充電電流ICHG 不超過VREF-BAT-C 所對應的另一電流限定值ICHG-LIMIT 。換言之，當電池還沒有充飽，電池電源線VBAT 的電壓會低於VREF-SYS-V ，限流控制回饋CC2將使充電電流ICHG 大約等於ICHG-LIMIT ，來對電池充電；當電池充飽時，電池電壓大約會等於VREF-BAT-V ，而充電電流ICHG 會低於電流限定值ICHG-LIMIT 。
參考電壓產生器130受控於定電流控制回饋CC1，依據USB電流IUSB ，用以控制調整VREF-BAT-C 。只要限流控制回饋CC1發現USB電流IUSB 超過電流限定值IUSB-LIMIT 時，VREF-BAT-C 就會持續減小，相對的電流限定值ICHG-LIMIT 就會減小，所以充電電流ICHG 與USB電流IUSB 就會一起減小，直到USB電流IUSB 不超過電流限定值IUSB-LIMIT 為止。
當系統負載很小或是沒有，系統電流ISYS 很小時。此時，定電壓控制回饋CV1可以穩定電源線VSYS 的電壓於VREF-SYS-V 。如果電池還沒有充飽，也就是電池電源線VBAT 的電壓小於VREF-BAT-V 時，則充電電流ICHG 可以以最大值電流限定值ICHG-LIMIT 對電池充電。
當系統負載很大時，系統電流ISYS 跟充電電流ICHG 的總和(也就是USB電流IUSB )可能達到了電流限定值IUSB-LIMIT 。此時，如果系統電流ISYS 繼續增大的話，因為VREF-BAT-C 被參考電壓產生器130減小，所以充電電流ICHG 會被迫下降，直到系統電流ISYS 跟充電電流ICHG 的總和等於電流限定值IUSB-LIMIT 。
當系統負載更大時，需要的系統電流ISYS 就可能大於電流限定值IUSB-LIMIT 了。此時，USB電流IUSB 會被限制在電流限定值IUSB-LIMIT 。充電電流ICHG 會因為定電壓控制回饋CV2的作用，使得PMOS 122維持連接的狀態。因此，充電電流ICHG 反向，電池會對電源線VSYS 供電，彌補USB電流IUSB 對於需要的系統電流ISYS 不足的部份。
第3圖顯示第2圖中的管理器110。定電壓控制回饋CV1以一轉導器(transconductor) GM1所構成。定電壓控制回饋CV1與PMOS 112一起可以視為一業界所熟知的LDO(linear dropout)，所以其操作與功能就不再累述。限流控制回饋CC1中，電壓調控器119控制PMOS 116至電阻114之間的阻抗，使PMOS 116的一端之電壓與電源線VSYS 的電壓大約相等。因此，PMOS 116大致映射了流經PMOS 112的電流(IUSB )，因此，電阻114上的電壓大致就正比於USB電流IUSB 。而轉導器GM2跟PMOS 118可以一起視為一單方向的轉導器，只能對PMOS 112之閘極充電。當轉導器GM2發現電阻114的跨壓高過電壓VREF-USB-C 時，PMOS 118對PMOS 112之閘極的充電電流，需要大於轉導器(transconductor)GM1所產生的放電電流；也就是限流控制回饋CC1對於PMOS 112的控制，優先於定電壓控制回饋CV1。對於電子電路稍有概念者便可知，第3圖中的限流控制回饋CC1可以限制USB電流IUSB ，使其不大於電壓VREF-USB-C 所對應的電流限定值IUSB-LIMIT 。轉導器GM2的輸出標示為調整信號VMOD 。只要USB電流IUSB 高過電流限定值IUSB-LIMIT ，調整信號VMOD 的電壓就會一直下降。USB電流IUSB 低於電流限定值IUSB-LIMIT 時，調整信號VMOD 的電壓大約會是電源線VUSB 的電壓。
第4圖顯示第2圖中的管理器120。比較第4圖與第3圖可以發現，第4圖幾乎跟第3圖一樣，只是所接收/輸出的信號不同而已。因此，第4圖的操作與功能就跟第3圖一樣，不再累述。特別需要注意的，第3圖中用來限制電流的電壓VREF-USB-C 大約是一個常數；而第4圖中用來限制電流的電壓VREF-BAT-C 被參考電壓產生器130所控制。管理器120不必然需要跟管理器110有一樣的電路架構，可以視設計者喜好而有變化。譬如說，在另一實施例中，管理器120可以用跟管理器110完全不一樣的電路架構。
第5圖示例參考電壓產生器130。當調整信號VMOD 的電壓是電源線VUSB 的電壓時，PMOS 138關閉，所以電壓VREF-BAT-C 將會是預設的電壓VDEF-BAT-C 。當調整信號VMOD 下降時，PMOS 138開始導通，電壓VREF-BAT-C 也隨之下降，所以會導致電流限定值ICHG-LIMIT 下降而降低充電電流ICHG 。
以上實施例雖然以USB接孔所提供之USB電源為例，但是，本發明並不限於此，也可以適用於其他輸入電源。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100、108‧‧‧電源路徑管理控制器
110、120‧‧‧管理器
112、116、118、122、126、128、138‧‧‧PMOS
114‧‧‧電阻
119、129‧‧‧電壓調控器
130‧‧‧參考電壓產生器
CC1、CC2‧‧‧限流控制回饋
CV1、CV2‧‧‧定電壓控制回饋
GM1、GM2、GM3、GM4‧‧‧轉導器
ICHG ‧‧‧充電電流
ISYS ‧‧‧系統電流
IUSB ‧‧‧USB電流
IUSB-LIMIT 、ICHG-LIMIT ‧‧‧電流限定值
VMOD ‧‧‧調整信號
VSYS 、VUSB 、VBAT ‧‧‧電源線
VREF-SYS-V 、VREF-USB-C 、 VREF-BAT-V 、VREF-BAT-C ‧‧‧ 電壓
VDEF-BAT-C ‧‧‧預設的電壓
第1圖顯示了一個電源路徑管理控制器。
第2圖為一依據本發明實施的電源路徑管理電路。
第3圖顯示第2圖中的管理器110。
第4圖顯示第2圖中的管理器120。
第5圖示例參考電壓產生器130。
108‧‧‧電源路徑管理控制器
110、120‧‧‧管理器
112、122‧‧‧PMOS
130‧‧‧參考電壓產生器
CC1、CC2‧‧‧限流控制回饋
CV1、CV2‧‧‧定電壓控制回饋
GM1、GM2、GM3、GM4‧‧‧轉導器
ICHG ‧‧‧充電電流
ISYS ‧‧‧系統電流
IUSB ‧‧‧USB電流
VMOD ‧‧‧調整信號
VSYS 、VUSB 、VBAT ‧‧‧電源線
VREF-SYS-V 、VREF-USB-C 、VREF-BAT-V 、VREF-BAT-C ‧‧‧電壓

Claims (14)

  1. 一種電源路徑管理電路，用以管理一電源對一系統供電與對一電池充電，該電源路徑管理電路包括：一第一管理器，耦接至該電源，可控制從該電源所汲取之供應電流，該第一管理器包含有一第一限流控制回饋電路，偵測該供應電流，使該供應電流大致不大於一供應電流限定值；一第二管理器，耦接至該電池，可控制對該電池充電之充電電流，該第二管理器包含有一第二限流控制回饋電路，用以使該充電電流大致不大於一充電電流限定值；以及一調整器，耦接至該第一限流控制回饋電路，依據該供應電流，調整該充電電流限定值。
  2. 如請求項1之電源路徑管理電路，其中，該第一管理器具有：一輸出端，耦接至該系統，以提供對該系統供電之一系統電流與對該電池充電之該充電電流；以及一第一功率開關，受控於該第一限流控制回饋電路；該第二管理器具有：一充電端，耦接至該電池，用以提供該充電電流，該第二管理器可調整該充電電流之大小與方向；以及一第二功率開關，受控於該第二限流控制回饋電路；以及，當該供應電流大於該供應電流限定值時，該調整器減小該充電電流 限定值，進而使該供應電流大致不大於該供應電流限定值。
  3. 如請求項2之電源路徑管理電路，其中該第一限流控制回饋電路包括：一第一轉導器，用以比較相對應於該供應電流之一供應電壓信號與相對應於該供應電流限定值之一供應電壓參考信號後，輸出一調整信號至該調整器。
  4. 如請求項3之電源路徑管理電路，其中該第一限流控制回饋電路依據該第一轉導器之比較結果，輸出一第一控制信號來控制該第一功率開關，進而調整該供應電流，使其不大於該供應電流限定值。
  5. 如請求項2之電源路徑管理電路，其中該第一管理器還包括有一第一定電壓控制回饋電路，用以控制該第一功率開關，使該第一管理器之該輸出端之電壓大約不大於一電壓限定值。
  6. 如請求項5之電源路徑管理電路，其中該第一定電壓控制回饋電路包括有一轉導器，用以比較該輸出端之電壓與該電壓限定值後，輸出一控制信號以控制該第一功率開關，進而調整該輸出端之電壓，使其大約不大於該電壓限定值，其中該第一限流控制回饋電路對該第一功率開關之控制優先於該第一定電壓控制回饋電路。
  7. 如請求項2之電源路徑管理電路，其中該第二限流控制回饋電路包括： 一轉導器，用以比較一充電參考信號與相對應於該充電電流之一充電電壓信號；其中，該充電參考信號相對應於該充電電流限定值，由該調整器所提供與調整；且該第二限流控制回饋電路依據該轉導器之比較結果，來控制該第二功率開關，進而調整該充電電流，使其不大於該充電電流限定值。
  8. 如請求項7之電源路徑管理電路，其中該第二管理器還包括有：一定電壓控制回饋電路，用以使該第二管理器之該充電端之電壓不大於一電池電壓限定值。
  9. 如請求項8之電源路徑管理電路，其中，該第二定電壓控制回饋電路包括有另一轉導器，用以比較該充電端之電壓與該電池電壓限定值後，以控制該第二功率開關，進而調整該充電端之電壓，使其不大於該電池電壓限定值，且該第二限流控制回饋電路對該第二功率開關之控制優先於該第二定電壓控制回饋電路。
  10. 如請求項1之電源路徑管理電路，其中該系統所消耗之系統電流大於該供應電流限定值時，該第二管理器改變該充電電流之方向，使該電池進行放電。
  11. 一種電源路徑管理方法，用以管理一電源對一系統供電與對一電池充電，該方法包括：偵測該電源所汲取之供應電流； 控制該供應電流，使其不大於一供應電流限定值；偵測對該電池充電之充電電流；控制該供應電流，使其不大於一充電電流限定值；以及當該供應電流約略大於該供應電流限定值時，降低該充電電流限定值。
  12. 如請求項10電源路徑管理方法，還包括：使對該系統供電之系統電壓不大於一電壓限定值；以及使對該電池充電之充電電壓不大於一電池電壓限定值。
  13. 如請求項12電源路程管理方法，其中當該充電電壓低於該電池電壓限定值，且該供應電流小於該供應電流限定值時，該充電電流以該充電電流限定值對該電池充電。
  14. 如請求項10電源路徑管理方法，其中當該系統電流超過該供應電流限定值時，使該充電電流反向，使該電池放電，以供應該系統電流。
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