TWI404298B - 電力管理系統、電源系統、以及對負載供電之方法 - Google Patents

電力管理系統、電源系統、以及對負載供電之方法 Download PDF

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Description

電力管理系統、電源系統、以及對負載供電之方法
本發明係關於一種電源系統，特別是一種基於電流監視的電源管理系統。
為保護電路或負載，一些電子電路對可能流經負載的電流設置一上限值。例如，一個通用序列匯流排(USB)工作在低功耗模式時，電流上限值是100毫安培，工作在高功耗模式時，電流上限值是500毫安培。
圖1所示為一種傳統電流限制電路100之示意圖。電流限制電路100包括控制器116、轉換器120和開關110(例如，金屬氧化物半導體場效電晶體MOSFET)。輸入電源VIN透過開關110與負載102在輸出節點VSYS處耦接。控制器116耦接至開關110和輸出節點VSYS，用以監視輸出節點VSYS處的電壓。輸入電源VIN也在輸出節點VSYS處耦接至電池104，用以對電池104進行充電。當負載102的功耗需求增加時，流經開關110的電流也增加。透過監視輸出節點VSYS的電壓，一旦流經開關110的電流達到一預設電流上限值，開關110就工作在一線性模式以限制流經開關110的電流。如果負載102的功率需求持續增加，僅憑輸入電源VIN可能無法供應足夠的電能給負載102。因此，轉換器120可從電池104中提取額外的電能供給至負載102。
然而，工作在線性模式之開關110會導致額外的功率消耗和溫度升高問題。
本發明的目的為提供一種電力管理系統，包括：一電源匯流排，將電能從一第一電源傳送到一輸出節點；以及一電路，耦接至該電源匯流排和該輸出節點，監視流經該電源匯流排的一電流，其中，該電路基於該電流的大小，從一第二電源提供電能至該輸出節點，且將該輸出節點處的一電壓保持在一預設範圍內。
本發明還提供一種電源系統，包括：一開關，致能和除能一第一電源提供給一負載的電能；以及一電路，耦接至該第一電源、該負載和該開關，調變流經該開關的一電流，其中，該電路耦接至一第二電源，當該電流高於一第一臨限值時，該電路從該第一電源與該第二電源提供電能至該負載。
本發明還提供一種對負載供電之方法，包括：比較從一第一電源流向一負載的一電流與一第一臨限值；當該電流低於該第一臨限值時，工作於一第一模式，其中，在該第一模式中，該第一電源對一第二電源和該負載供電；以及一電路，耦接至該第一電源、該負載和該開關，調變流經該開關的一電流，其中，該電路耦接至一第二電源，當該電流高於一第一臨限值時，該電路從該第一電源與該第二電源提供電能至該負載。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明 限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
根據本發明實施例，一系統包含一第一電源以及一第二電源。第一電源和第二電源可對耦接至系統之輸出節點之負載供電。系統可將從第一電源傳遞至負載之電流控制於一預設範圍內(例如，低於一上限值)。系統亦可保持輸出節點處之電壓於一預設範圍內。有利之處在於，不需操作一開關工作於一線性區以限制電流，當來自第一電源之電流超過一臨限值時，系統可從一第二電源對負載供電。換言之，當來自第一電源之電流超過臨限值時，第一電源和第二電源可同時對負載供電。更者，系統可根據來自第一電源之電流調整來自第二電源之電能。因此，來自第一電源之電量可被維持在低於一電流上限值。因此，可避免開關工作在線性區所導致之功耗以及溫度問題。
圖2所示為本發明一實施例電流限制電路200的示意圖。電流限制電路200包括第一電源(例如，電源VIN)和第二電源(例如，電池252)。電源VIN和電池252可為負載254供電。在一實施例中，不論是電源VIN或電池252皆可為負載254 供電。在另一實施例中，電源VIN和電池252可同時為負載254供電。在一實施例中，電源VIN可對電池252充電。
包含開關202的電源匯流排將電能從電源VIN傳送到輸出節點VSYS。在一實施例中，負載254耦接至輸出節點VSYS。流經開關202的電流I1可隨負載254的功率需求變化。例如，如果負載254的功率需求增加，電流I1可相應增加以滿足負載254的功率需求。
電流限制電路200可監視流經開關202的電流I1。電流限制電路200可基於電流I1的大小(例如，當電流I1達到或超過預設臨限值時)從電池252提供電能至輸出節點VSYS。透過從電池252提供額外的電流至負載254，流經開關202的電流I1可保持低於預設臨限值。
在一實施例中，電流限制電路200包含一電流控制模組280和一轉換器282。電流控制模組280耦接至開關202和輸出節點VSYS，監視流經開關202的電流I1，並比較電流I1與第一臨限值270。電流控制模組280控制轉換器282。轉換器282選擇性地工作於第一模式或第二模式。在第一模式中，轉換器282接收來自電源VIN的電能，並產生適量的電能以對電池252充電。在第二模式中，轉換器282透過輸出節點VSYS提供來自電池252的電能給負載254。有利之處在於，在一實施例中，當電流I1達到或超過第一臨限值270時，轉換器282工作於第二模式。因此，在第二模式中，電源VIN和電池252同時為負載254供電，故電流I1可被保持低於電流上限值。
除此之外，輸出節點VSYS處的電壓也可保持在預設範圍內。開關202工作於正常開關模式(全開或全關)而非線性模式。因此，傳統電流限制電路(例如，圖1中所示之電流限制電路100)中由開關(例如，圖1中所示之開關110)所引起的溫度升高和額外功率消耗的問題得以避免。
在一實施例中，開關202可為一P通道MOSFET。一選擇器210比較電源VIN和輸出節點VSYS處的電壓，並將較高的電壓施加到開關202的基底(bulk)。
在一實施例中，電流控制模組280包含開關204、比較器230、第一控制模組220、第二控制模組222、以及控制器206。在一實施例中，開關204和開關202構成一電流鏡。流經開關204的電流I2正比於流經開關202的電流I1。此外，一電阻290將電流I2轉換成代表電流I1的電壓V2。
比較器230比較電壓V2與第一臨限值270，並輸出一模式信號260以選擇性地致能第一控制模組220或第二控制模組222以控制轉換器282。更具體而言，模式信號260導通一開關286以致能第一控制模組220或導通一開關288以致能第二控制模組222。在一實施例中，第一控制模組220被致能以控制轉換器282工作於第一模式，第二控制模組222被致能以控制轉換器282工作於第二模式。
在一實施例中，當電壓V2低於第一臨限值270時，開關286被導通。因此，基於模式信號260，第一控制模組220被致能。因此，工作於第一模式下的轉換器282接收來自電源VIN的電能並產生適量電能以對電池252充電。
在一實施例中，當電壓V2高於第一臨限值270時，開關288被導通。因此，基於模式信號260，第二控制模組222被致能。因此，工作於第二模式下的轉換器282透過輸出節點VSYS從電池252對負載254供電。
在一實施例中，當第一控制模組220被致能時，一電阻268將第一控制模組220所產生的一電流264轉換成一控制信號262以控制轉換器282。模式信號260控制轉換器282工作於第一模式。在第一模式中，電源VIN對電池252充電，同時，電源VIN也可對負載254供電。
在一實施例中，控制模組220包含一放大器(例如，運算轉導放大器232)。運算轉導放大器232比較電壓V2與一臨限值272，並根據電壓V2和臨限值272控制從電源VIN提供給電池252的電能大小。運算轉導放大器232耦接至一電流源IS。在一實施例中，臨限值272小於第一臨限值270。
當代表電流I1的電壓V2低於臨限值272時，亦即電壓V2低於第一臨限值270，因此，第一控制模組220被致能。在本實例中，運算轉導放大器232的輸出並不影響電流264。當負載254的功耗需求增加時，代表電流I1的電壓V2相應地增加。當電壓V2高於臨限值272但低於第一臨限值270時，電流264隨電壓V2與臨限值272之間的差值而變化。換言之，當電壓V2高於臨限值272時，運算轉導放大器232從電流源IS汲取電流。因此，電流264顯示電壓V2超出臨限值272的大小。在一實施例中，電壓V2越高，電流264越低。因而，當電壓V2高於臨限值272但低於第一臨限值270時，由電源 VIN供給電池252的電能大小受電壓V2與臨限值272間的差值控制。
在一實施例中，第一控制模組220還包括第二放大器236用以比較電池電壓VBAT和電壓臨限值VTH1。當電池電壓VBAT低於電壓臨限值VTH1時，第二放大器236的輸出不影響電流264。當電池電壓VBAT高於電壓臨限值VTH1時，電流264隨電池電壓VBAT與電壓臨限值VTH1間的差值而變化。換言之，當電池電壓VBAT高於電壓臨限值VTH1時，第二放大器236從電流源IS汲取電流。因此，在一實施例中，當電池電壓VBAT高於電壓臨限值VTH1時，由電源VIN供給電池252的電能大小受電池電壓VBAT與電壓臨限值VTH1間差值的控制。
在一實施例中，第一控制模組220還包括第三放大器238用以比較代表從電源VIN流出的電流I3之信號IA與電流臨限值ITH。當信號IA低於電流臨限值ITH時，第三放大器238的輸出不影響電流264。當信號IA高於電流臨限值ITH時，電流264隨信號IA與電流臨限值ITH間的差值而變化。換言之，當信號IA高於電流臨限值ITH時，第三放大器238從電流源IS汲取電流。因此，在一實施例中，當信號IA高於電流臨限值ITH時，由電源VIN供給電池252的電能大小受電流IA與電流臨限值ITH間差值的控制。
在一實施例中，運算轉導放大器232的輸出、第二放大器236的輸出和第三放大器238的輸出耦接至一個共同節點。基於運算轉導放大器232的輸出、第二放大器236的輸出和第三放大器238的輸出，電流264得以產生。在一實施例中，電流264係由運算轉導放大器232的輸出，或第二放 大器236的輸出，或第三放大器238的輸出中最先產生的輸出決定之。
在第一模式中，控制信號262隨電流264而變化。在一實施例中，當負載254的功耗需求增加，電流I1也相應增加時，基於控制信號262，控制器206控制轉換器282減少從電源VIN傳送至電池252的電能。
在一實施例中，若電流I1持續增加並達到第一臨限值270，電流264減小至零。在一實施例中，基於控制信號262，轉換器282停止從電源VIN傳送電能至電池252。如前所述，當電流I1高於第一臨限值270時，第一控制模組220被除能而第二控制模組222被致能。
在一實施例中，當第二控制模組222被致能時，電阻268將第二控制模組222所產生的電流266轉換成控制信號262以控制轉換器282。模式信號260控制轉換器282工作於第二模式。在第二模式中，電池252為負載254供電，同時，電源VIN也可為負載254供電。在一實施例中，第二控制模組222包含放大器(例如，運算轉導放大器234)。運算轉導放大器234比較電壓V2與一臨限值274，並基於電壓V2與臨限值274，控制電池252提供給負載254的電能大小。與運算轉導放大器232相似，運算轉導放大器234耦接至電流源IS。在一實施例中，臨限值274高於第一臨限值270。
當代表電流I1的電壓V2高於第一臨限值270時，第二控制模組222被致能。在本實例中，控制器206控制轉換器282從電池252對負載254供電。同時，電源VIN也向負載254供 電。借由電池252提供的額外電流，流經開關202的電流I1可保持低於預設臨限值。
相似地，電流266和控制信號262可隨電壓V2與臨限值274間的差值而變化。在一實施例中，電壓V2越高，電流266越大。因此，當電壓V2低於臨限值274並高於第一臨限值270時，由電池252提供給負載254的電能大小可經由轉換器282隨電壓V2與臨限值274之間的差值進行調節。
在一實施例中，第二控制模組222還包括第四放大器240，用以比較輸出節點VSYS的電壓與電壓臨限值VTH2。當輸出節點VSYS的電壓高於電壓臨限值VTH2時，第四放大器240的輸出不影響電流266。當輸出節點VSYS的電壓低於電壓臨限值VTH2時，電流266隨輸出節點VSYS的電壓與電壓臨限值VTH2間的差值而變化。換言之，當輸出節點VSYS的電壓低於電壓臨限值VTH2時，第四放大器240從電流源IS汲取電流。因此，在一實施例中，當輸出節點VSYS的電壓低於電壓臨限值VTH2時，由電池252提供給負載254的電能大小受輸出節點VSYS的電壓與電壓臨限值VTH2間差值的控制。
在一實施例中，運算轉導放大器234的輸出和第四放大器240的輸出耦接至一個共同節點。基於運算轉導放大器234的輸出和第四放大器240的輸出，電流266得以產生。在一實施例中，電流266係由運算轉導放大器234的輸出或放大器240的輸出中先產生的輸出決定之。
在一實施例中，轉換器282包括轉換器開關212和214、電感216和電容218。轉換器開關212耦接至開關202和輸出節點VSYS，且轉換器開關214耦接至轉換器開關212。轉換器 開關212和214受控於控制器206工作於第一模式或第二模式。更具體而言，轉換器開關212和214在電源VIN的第一電位(例如，電源電壓VIN)和電池252的第二電位(例如，電池電壓VBAT)間轉換。
在第一模式中，模式信號260致能第一控制模組220，控制器206接收控制信號262以控制轉換器282將電能從電源VIN傳送至電池252。更具體而言，控制器206交替致能轉換器開關212和214以將輸出節點VSYS的電壓轉換至電池電壓VBAT。
在一實施例中，在第一模式中，轉換器282作為一充電器(例如，降壓轉換器)。因此，當控制器206致能轉換器開關212並除能轉換器開關214時，電源VIN儲存電感216中的能量並對電池252充電。當控制器206除能轉換器開關212並致能轉換器開關214時，儲存在電感216中的能量向電池252提供充電電流。由此，一下降電壓被產生以向電池252充電。
相似地，在第二模式下，模式信號260致能第二控制模組222，控制器206接收控制信號262以控制轉換器282從電池252對負載254供電。更具體而言，控制器206交替致能轉換器開關212和214以將電池電壓VBAT轉換為輸出節點VSYS處的電壓。
在一實施例中，在第二模式中，轉換器282以升壓轉換器的方式工作。當控制器206致能轉換器開關214並除能轉換器開關212時，電池252將能量儲存在電感216中。當控制器206致能轉換器開關212並除能轉換器開關214時，儲存在 電感216中的能量透過輸出節點VSYS提供給負載254，因此在輸出節點VSYS處產生向一逐漸上升之電壓以向負載254供電。在另一可選實施例中，在第二模式中，轉換器282以降壓轉換器的方式工作，並在輸出節點VSYS處提供一上升電壓以對負載254供電。
因此，轉換器開關212和214可將電源VIN轉換為電池充電電壓以對電池252充電，或將電池電壓VBAT轉換至合適電壓以對負載254供電。在一實施例中，基於控制信號262，控制器206透過一脈波寬度調變信號控制轉換器開關212和214。
圖3所示為本發明一實施例對負載供電的方法流程圖300。圖3所涵蓋的具體步驟僅僅作為示例。也就是說，本發明適用於其他合理的流程或對圖3進行改進的步驟。圖3將結合圖2進行描述。
在步驟310中，電壓V2與一臨限值270比較，電壓V2代表從電源VIN流向負載254的電流I1。
在步驟320中，當電壓V2低於第一臨限值270時，轉換器282工作於第一模式。在第一模式中，電源VIN為第二電源(例如，電池252)供電。在一實施例中，在第一模式中，電壓V2與臨限值272比較，當電壓V2高於臨限值272時，由電源VIN提供給電池252的電能減少。在一實施例中，可透過控制轉換器開關212和214調整電源VIN提供給電池252的電能大小。
在步驟330中，當電壓V2高於第一臨限值270時，轉換器282工作於第二模式。在第二模式中，電池252為負 載254供電。在一實施例中，在第二模式中，電壓V2與臨限值274比較，當電壓V2高於臨限值274時，電池252提供給負載的電能增加。在一實施例中，可透過控制轉換器開關212和214以調整電池252供給負載254的電能。由於在第二模式中，電池252也可為負載254供電，因而從電源VIN流向負載254的電流I1可保持低於電流上限值。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
100‧‧‧電流限制電路
102‧‧‧負載
104‧‧‧電池
110‧‧‧開關
116‧‧‧控制器
120‧‧‧轉換器
200‧‧‧電流限制電路
202、204‧‧‧開關
206‧‧‧控制器
210‧‧‧選擇器
212、214‧‧‧轉換器開關
216‧‧‧電感
218‧‧‧電容
220‧‧‧第一控制模組
222‧‧‧第二控制模組
230‧‧‧比較器
232、234‧‧‧運算轉導放大器
236‧‧‧第二放大器
238‧‧‧第三放大器
240‧‧‧第四放大器
252‧‧‧電池
254‧‧‧負載
260‧‧‧模式信號
262‧‧‧控制信號
264、266‧‧‧電流
268‧‧‧電阻
270‧‧‧第一臨限值
272、274‧‧‧臨限值
280‧‧‧電流控制模組
282‧‧‧轉換器
286、288‧‧‧開關
290‧‧‧電阻
300‧‧‧流程圖
310、320、330‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為一種傳統電流限制電路之示意圖。
圖2所示為本發明一實施例電流限制電路示意圖。
圖3所示為本發明一實施例對負載供電的方法流程圖。
200‧‧‧電流限制電路
202、204‧‧‧開關
206‧‧‧控制器
210‧‧‧選擇器
212、214‧‧‧轉換器開關
216‧‧‧電感
218‧‧‧電容
220‧‧‧第一控制模組
222‧‧‧第二控制模組
230‧‧‧比較器
232、234‧‧‧運算轉導放大器
236‧‧‧第二放大器
238‧‧‧第三放大器
240‧‧‧第四放大器
252‧‧‧電池
254‧‧‧負載
260‧‧‧模式信號
262‧‧‧控制信號
264、266‧‧‧電流
268‧‧‧電阻
270‧‧‧第一臨限值
272、274‧‧‧臨限值
280‧‧‧電流控制模組
282‧‧‧轉換器
286、288‧‧‧開關
290‧‧‧電阻

Claims (18)

  1. 一種電力管理系統，包括：一電源匯流排，將一第一電能從一第一電源傳送到一輸出節點；以及一電路，耦接至該電源匯流排和該輸出節點，監視流經該電源匯流排的一電流，包含：一電流控制模組，耦接至該電源匯流排，比較該電流和一第一臨限值，其中，該電流控制模組包括一第一放大器，比較該電流和一第二臨限值，並基於該電流和該第二臨限值，產生一第一電流信號指示該電流與該第二臨限值之間之一第一差值；其中，該電路基於該電流以及該第一臨限值，從一第二電源提供一第二電能至該輸出節點，該電路基於該第一電流信號調整該第二電能之大小，且其中，當該電流大於該第一臨限值且小於該第二臨限值時，該第一放大器從一第一電流控制電源汲取一第一源電流以提供該第一電流信號。
  2. 如申請專利範圍第1項的電力管理系統，其中，該電路進一步包括：一轉換器，耦接至該電流控制模組和該輸出節點，該轉換器根據該電流與該第一臨限值之間之一比較結果，提供該第一電能以及該第二電能至該輸出節點。
  3. 如申請專利範圍第2項的電力管理系統，其中，該轉換器包括：一第一轉換器開關，耦接至該電源匯流排和該輸出節點；一第二轉換器開關，耦接至該第一轉換器開關，以及； 一控制器，基於該比較結果控制該第一轉換器開關和該第二轉換器開關。
  4. 如申請專利範圍第3項的電力管理系統，其中，該控制器以一脈波寬度調變信號控制該第一轉換器開關和該第二轉換器開關。
  5. 如申請專利範圍第1項的電力管理系統，其中，該電路進一步包括：一控制器，接收該第一電流信號並根據該第一電流信號調整該第二電能之大小。
  6. 如申請專利範圍第1項的電力管理系統，其中，該電路進一步包括：一轉換器，耦接至該電流控制模組以及該輸出節點，接收來自該第一電源之該第一電能，基於該電流以及該第一臨限值之間之一比較結果對該第二電源充電。
  7. 如申請專利範圍第6項的電力管理系統，其中，該電流控制模組包含依第二放大器，比較該電流以及一第三臨限值，產生一第二電流信號指示該電流與該第三臨限值之間之一第二差值，其中，該轉換器基於該第二電流信號調整該第一電能之大小。
  8. 如申請專利範圍第7項的電力管理系統，其中，該第二放大器從一第二電流控制電源汲取一第二源電流，當該電流大於該第三臨限值且小於該第一電流時，提供該第二電流信號。
  9. 一種電源系統，包括：一開關，致能和除能由一第一電源提供給一負載的電能；以及一電路，耦接至該第一電源、該負載和該開關，調變流經該 開關的一電流，包含：一電流控制模組，耦接至該開關，比較該電流與一第一臨限值，其中，該電流控制模組包含一第一放大器，比較該電流與一第二臨限值，產生一第一電流信號指示該電流與該第二臨限值之間之一第一差值；其中，該電路基於該電流以及該第一臨限值，從該第一電源提供一第一電能至該負載以及該第二電源，該電路基於該第一電流信號調整該第一電能之大小，且其中，當該電流大於該第二臨限值且小於該第一臨限值時，該第一放大器從一第一電流控制電源汲取一第一源電流。
  10. 如申請專利範圍第9項的電源系統，其中，該電路進一步包括：一控制器，接收該第一電流信號並調整該第一電能之大小。
  11. 如申請專利範圍第9項的電源系統，其中，該電路進一步包括：一轉換器，耦接至該電流控制模組，基於該電流以及該第一臨限值之間之一比較結果提供該第一電能至該負載以及該第二電源。
  12. 如申請專利範圍第9項的電源系統，其中，該電路基於該電流與該第一臨限值之間之一比較結果，從該第二電源提供一第二電能至該負載。
  13. 如申請專利範圍第12項的電源系統，其中，該電路控制模組一步包括：一第二放大器，比較該電流與一第三臨限值，產生一第二電流信號指示該電流與該第三電流信號之間之一第二差值，其 中，該電流控制模組基於該第二電流信號調整該第二電能之大小。
  14. 如申請專利範圍第13項的電源系統，其中，該第二放大器耦接至一第二電流控制電源，提供該第二電流信號。
  15. 如申請專利範圍第14項的電源系統，其中，當該電流大於該第一臨限值且小於該第三臨限值時，該第二放大器從該第二電流控制電源汲取一第二源電流。
  16. 一種對負載供電之方法，包括：比較從一第一電源流向一負載的一電流與一第一臨限值；當該電流低於該第一臨限值時，工作於一第一模式，其中，在該第一模式中，該第一電源提供一第一電能至一第二電源和該負載；比較該電流與一第二臨限值，產生一第一電流信號指示該電流與該第二臨限值之間之一第一差值，其中，一轉換器基於該第一電流信號調整該第一電能之大小；當該電流大於該第二臨限值且小於該第一臨限值時，從一第一電流控制電源汲取一第一源電流，並提供該第一電流信號；當該電流高於該第一臨限值時，工作於一第二模式，其中，在該第二模式中，該第二電源提供一第二電能以及該第一電能至該負載；比較該電流與一第三臨限值，產生一第二電流信號指示該電流與該第三臨限值之間之一第二差值，且其中，該轉換器基於該第二電流信號調整該第二電能之大小；以及當該電流大於該第一臨限值且小於該第三臨限值時，從一第 二電流控制電源汲取一第二源電流，並提供該第二電流信號。
  17. 如申請專利範圍第16項的方法，進一步包括：接收該第一電流信號並調整該第一電能之大小。
  18. 如申請專利範圍第16項的方法，進一步包括：接收該第二電流信號並調整該第二電能之大小。
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