TWI419448B - 適應性調整輸入之電源供應電路與電源供應方法 - Google Patents

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Description

適應性調整輸入之電源供應電路與電源供應方法
本發明係有關一種適應性調整輸入之電源供應電路，特別是指一種根據電池電壓的狀況，適應性調整輸入之電源供應電路。本發明亦有關一種電源供應方法。
第1圖為先前技術中自電池產生輸出電壓Vout供應給負載電路的電源供應電路之示意圖，其中負載電路例如為可攜式電子裝置的顯示面板。如圖所示，電源供應電路中主要包括兩組功率轉換電路：降壓型功率轉換電路11和升壓型功率轉換電路12。降壓型功率轉換電路11接收電池電壓，並切換其中至少一功率電晶體，以將電池電壓轉換為較低的電壓Vcc，電壓Vcc低於輸出電壓Vout。電壓Vcc經由等效電阻Rpcb所代表的電路板等效電阻後，電壓位準更下降至Vcc-△V。升壓型功率轉換電路12，切換其中至少一功率電晶體，將電壓Vcc-△V轉換為輸出電壓Vout，以提供穩定的輸出電壓Vout。以上使用降壓和升壓兩組功率轉換電路的原因是因為電池在初使用時電壓高於輸出電壓Vout，但使用較久時，其電壓會下降而低於輸出電壓Vout，故必須以降壓型功率轉換電路11將電池電壓轉換為確定位準的電壓Vcc，才能確保升壓型功率轉換電路12正常工作產生輸出電壓Vout。
上述先前技術的電源供應電路中，功率級11可為同步或非同步之降壓型功率轉換電路，如第2A-2B圖所示；而升壓型功率轉換電路12可為同步或非同步之升壓型功率轉換電 路，如第2C-2D圖所示。
上述先前技術的電源供應電路，其使用升壓型功率轉換電路12，於操作過程中，升壓型功率轉換電路消耗功率較降壓型功率轉換電路為高；另外，由於電路板越來越窄，其等效電阻Rpcb所消耗的功率也不可忽視。因此，如何降低功率損失，以增長電池壽命，成為需要克服的問題。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種適應性調整輸入之電源供應電路及電源供應方法，其根據電池電壓的狀況，適應性調整輸入之電壓，使得電源供應器之操作最佳化。
本發明目的之一在提供一種適應性調整輸入之電源供應電路。
本發明的另一目的在提供一種適應性調整輸入之電源供應方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種適應性調整輸入之電源供應電路，包含：電荷泵，用以接收至少一電壓，並輸出一升壓後之電壓；第一降壓型功率轉換電路，與一電池耦接，根據第一控制訊號，切換至少一個第一功率電晶體以將該電池之電壓轉換為輸出電壓；第二降壓型功率轉換電路，與該電荷泵耦接，根據第二控制訊號，切換至少一個第二功率電晶體以將該升壓後之電壓轉換為輸出電壓；以及控制器，根據該電池電壓位準以產生第一控制訊號或第二控制訊號，以選擇經由第一降壓型功率轉換電路或第二降壓型功率轉換電路產生輸出電壓。
上述適應性調整輸入之電源供應電路中，該第一降壓型功率轉換電路與該第二降壓型功率轉換電路宜共用至少一功率元件。在一種較佳的實施例中，該第一降壓型功率轉換電路包括連接於同一節點的第一功率電晶體、下橋電晶體與電感，該第二降壓型功率轉換電路包括連接於該同一節點的第二功率電晶體、該下橋電晶體與該電感。
在另一種較佳的實施例中，該第一降壓型功率轉換電路包括連接於同一節點的第一功率電晶體、二極體與電感，該第二降壓型功率轉換電路包括連接於該同一節點的第二功率電晶體、該二極體與該電感。
上述適應性調整輸入之電源供應電路中，該電荷泵所接收之該至少一電壓可直接或間接來自該電池電壓。
在一種較佳的實施例中，該電荷泵為將多個輸入相加產生輸出的電荷泵，或為可根據單一輸入來產生固定倍數或可變倍數輸出的電荷泵，其中該倍數不必須為整數倍。例如，該電荷泵可將該電池電壓與另一電壓相加，藉以產生該升壓後之電壓。
上述適應性調整輸入之電源供應電路中，該輸出電壓係經由第一降壓型功率轉換電路產生時，可禁能該電荷泵不動作以避免耗電。
就再另一個觀點言，本發明提供了一種適應性調整輸入之電源供應方法，包含：接收一電池電壓；當該電池電壓位準高於一臨界值時，將該電池電壓降壓轉換為輸出電壓；當該電池電壓位準不高於該臨界值時，接收至少一電壓並予以升壓；以及將該升壓後電壓降壓轉換為輸出電壓。
上述適應性調整輸入之電源供應方法中，將該電池電壓降壓轉換為輸出電壓與將該升壓後電壓降壓轉換為輸出電壓之步驟宜共用至少一功率元件。
在一種較佳的實施例中，該接收至少一電壓並予以升壓之步驟係利用一電荷泵達成，其中該電荷泵為將多個輸入相加產生輸出的電荷泵，或為可根據單一輸入來產生固定倍數或可變倍數輸出的電荷泵。
在另一種較佳的實施例中，當該電池電壓位準高於該臨界值時，電荷泵不動作。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參閱第3圖，顯示本發明基本架構的第一實施例，其基本操作如下：當電池電壓高於臨界值，足夠以降壓方式產生輸出電壓Vout時，電路透過第一降壓型功率轉換電路15來將電池電壓轉換為輸出電壓Vout。由於降壓轉換的能量運用效率較升壓轉換為高，且僅需進行一次降壓轉換而並不需要經過兩組功率轉換電路，因此能量轉換效率較佳，且所經過的電路板線路長度也較短，故無謂耗費的能量也較低。另方面，當電池電壓下降以致低於臨界值時，則透過電荷泵13產生升壓電壓，透過第二降壓型功率轉換電路16來供應輸出電壓Vout。其中，第一降壓型功率轉換電路15和第二降壓型功率轉換電路16可共用部分功率元件，以降低元件成本。
詳言之，如圖所示，當電池電壓位準高於臨界值時，電池電壓相關訊號觸發控制器14產生第一組控制訊號S1與 S2，以切換第一降壓型功率轉換電路15中的第一功率電晶體151與下橋電晶體152，將電池電壓轉換為輸出電壓Vout，且控制器14產生電荷泵控制訊號S4，禁能電荷泵13；當電池電壓位準不高於臨界值時，電池電壓相關訊號觸發控制器14產生第二組控制訊號S3與S2和電荷泵控制訊號S4，以致能電荷泵13產生升壓電壓，並切換第二降壓型功率轉換電路16中的第二功率電晶體161與下橋電晶體152，將升壓電壓轉換為輸出電壓Vout。因兩種情況下，自電池電壓或升壓電壓產生輸出電壓Vout均為降壓轉換，故能量耗損較低，且第一降壓型功率轉換電路15與第二降壓型功率轉換電路16可共用下橋電晶體152與電感153以節省電路元件。也就是說，第一降壓型功率轉換電路15包括連接於同一節點A的第一功率電晶體151、下橋電晶體152與電感153，第二降壓型功率轉換電路16包括連接於同一節點A的第二功率電晶體161、下橋電晶體152與電感153。
升壓電壓係由電荷泵13所產生，在本實施例中，電荷泵13接收電壓Vpp1，將其升壓後，產生高於輸出電壓Vout的升壓電壓。其中，電荷泵13可為任何形式的電荷泵，例如固定倍數或可變倍數的電荷泵，且其倍數不必須為整數倍。另外，電壓Vpp1可來自任何適當的電壓，例如電路中某一固定電壓節點。與先前技術相較，本發明於大多數時間中均僅需第一降壓型功率轉換電路15運作，僅有少數時間中需要電荷泵13和第二降壓型功率轉換電路16共同運作，而電荷泵13的能量轉換效率較切換式升壓轉換電路為佳，且所經過的電路板線路長度也較短，故本發明的能量運用效率比先前技術為佳。
偵測電池電壓位準的方式有很多，第3A圖舉例示出其中一種方式，如第3A圖所示，可利用一比較電路141，比較電池電壓(或其代表訊號)與參考電壓Ref，並根據比較結果產生選擇訊號，以決定選擇由第一降壓型功率轉換電路15或第二降壓型功率轉換電路16來產生輸出電壓、及是否致能電荷泵13。
第4圖顯示本發明架構的第二實施例。與第一實施例不同的是，第一實施例中的下橋電晶體152由二極體154取代，請同時參照第2A與第2B圖，顯示降壓型功率轉換電路的兩種實施方式，這說明第一實施例中的下橋電晶體152同樣可由二極體154取代。與第一實施例一樣，電路中的二極體154亦可由第一降壓型功率轉換電路15與第二降壓型功率轉換電路16共用。
第5圖顯示本發明的第三實施例。本實施例中，電荷泵13可為：將多個輸入相加產生輸出的電荷泵，或為：可根據單一輸入來產生固定倍數或可變倍數輸出的電荷泵。如圖所示，電荷泵13可以接收複數個輸入電壓Vpp1~Vppn，在其中一種實施型態中，電荷泵13根據控制訊號S4，自複數個輸入電壓Vpp1~Vppn中，選取至少兩個輸入電壓相加，以產生高於輸出電壓Vout的適當升壓電壓。在另一實施型態中，，電荷泵13根據控制訊號S4，自該複數個輸入電壓Vpp1~Vppn中，選取一個輸入電壓而產生倍數於該輸入電壓之升壓電壓，且該倍數不必須為整數倍。
此外，如第5A圖所示，電荷泵13所接收之複數輸入電壓Vpp1~Vppn中，可以有至少一電壓直接或間接來自電池電 壓，以作為電荷泵13之輸入電壓Vpp1~Vppn之一。
第6圖顯示本發明的第四實施例。本實施例中，電荷泵13同樣可以接收複數個電壓Vpp1~Vppn，但與第三實施例不同的是，第三實施例中的下橋電晶體152由本實施例中的二極體154取代，且該二極體154亦為第一降壓型功率轉換電路15與第二降壓型功率轉換電路16所共用。
第7圖為本發明的第五實施例，目的在舉例顯示電荷泵13的其中一種實施方式，以表示本發明已達可實施階段。但如前述，電荷泵13可以有多種不同的實施方式，因此第7圖所示僅應視為舉例，而不應將本發明的範圍限制於本實施例所示。如圖所示，當電池電壓高於臨界值時，電池電壓相關訊號觸發控制器14產生第一組控制訊號S1與S2，以切換第一降壓型功率轉換電路15中的第一功率電晶體151與下橋電晶體152，將電池電壓轉換為輸出電壓Vout。當電池電壓位準不高於臨界值時，電池電壓相關訊號觸發控制器14產生第二組控制訊號S3與S2和電荷泵控制訊號S4，以致能電荷泵13產生升壓電壓，並切換第二降壓型功率轉換電路16中的第二功率電晶體161與下橋電晶體152，將升壓電壓轉換為輸出電壓Vout。其中，電荷泵13為第5A圖所示的結構，其接收電壓Vpp1與電池電壓，以及來自控制器14的控制訊號S4，當電池電壓位準不高於臨界值時，控制訊號導通電晶體Q1，切斷電晶體Q2，使電池電壓可經由電晶體Q1，對電容C1充電，並將電容C1上的跨壓與電壓Vpp1相加，儲存在電容C2之內。電路中，為阻止電流逆流，可設置齊納二極體Z1與Z2，如此，升壓電壓就會成為電池電壓加上電壓Vpp1減去兩齊納 二極體Z1與Z2的順偏壓降，當電池電壓低於臨界值時，升壓電壓即可提供適當的電壓，以降壓轉換成輸出電壓。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。除電荷泵13可使用其他型式的電荷泵之外，例如，在所示各實施例電路中，可插入不影響訊號主要意義的元件，如其他開關等；又例如比較電路的輸入端正負可以互換，僅需對應修正電路的訊號處理方式即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
13‧‧‧電荷泵
14‧‧‧控制器
141‧‧‧比較電路
15‧‧‧第一降壓型功率轉換電路
151‧‧‧第一功率電晶體
152‧‧‧下橋電晶體
153‧‧‧電感
154‧‧‧二極體
16‧‧‧第二降壓型功率轉換電路
161‧‧‧第二功率電晶體
C1,C2‧‧‧電容
Q1,Q2‧‧‧電晶體
Ref‧‧‧參考電壓
Rpcb‧‧‧等效電阻
S1~S4‧‧‧控制訊號
Vpp1‧‧‧電壓1
Vppn‧‧‧電壓n
Vout‧‧‧輸出電壓
Z1,Z2‧‧‧齊納二極體
第1圖顯示先前技術的電源供應電路示意圖。
第2A-2B圖示出同步或非同步之降壓型轉換電路。
第2C-2D圖示出同步或非同步之升壓型轉換電路。
第3圖顯示本發明基本架構的一個實施例。
第3A圖顯示本發明偵測電池電壓位準的方式的一個實施例。
第4圖顯示本發明之另一個實施例。
第5圖顯示本發明之另一個實施例。
第5A圖顯示以電池電壓作為電荷泵輸入電壓之一的實施例。
第6圖顯示本發明之另一個實施例。
第7圖顯示本發明更具體的一個實施例。
13‧‧‧電荷泵
14‧‧‧控制器
15‧‧‧第一降壓型功率轉換電路
151‧‧‧第一功率電晶體
152‧‧‧下橋電晶體
153‧‧‧電感
16‧‧‧第二降壓型功率轉換電路
161‧‧‧第二功率電晶體
S1~S4‧‧‧控制訊號
Vpp1‧‧‧電壓1
Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (12)

  1. 一種適應性調整輸入之電源供應電路，包含：電荷泵，用以接收至少一電壓，並輸出一升壓後之電壓；第一降壓型功率轉換電路，與一電池耦接，根據第一控制訊號，切換至少一個第一功率電晶體以將該電池之電壓轉換為輸出電壓；第二降壓型功率轉換電路，與該電荷泵耦接，根據第二控制訊號，切換至少一個第二功率電晶體以將該升壓後之電壓轉換為輸出電壓；以及控制器，根據該電池電壓位準以產生第一控制訊號或第二控制訊號，以選擇經由第一降壓型功率轉換電路或第二降壓型功率轉換電路產生輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該第一降壓型功率轉換電路與該第二降壓型功率轉換電路共用至少一功率元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該第一降壓型功率轉換電路包括連接於同一節點的第一功率電晶體、下橋電晶體與電感，該第二降壓型功率轉換電路包括連接於該同一節點的第二功率電晶體、該下橋電晶體與該電感。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該第一降壓型功率轉換電路包括連接於同一節點的第一功率電晶體、二極體與電感，該第二降壓型功率轉換電路包括連接於該同一節點的第二功率電晶體、該二極體與該電感。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該電荷泵所接收之該至少一電壓直接或間接來自該電池電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該電荷泵將該電池電壓與另一電壓相加，藉以產生該升壓後之電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該電荷泵為將多個輸入相加產生輸出的電荷泵，或為可根據單一輸入來產生固定倍數或可變倍數輸出的電荷泵。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之適應性調整輸入之電源供應電路，其中該輸出電壓係經由第一降壓型功率轉換電路產生時，該電荷泵禁能不動作。
  9. 一種適應性調整輸入之電源供應方法，包含：接收一電池電壓；當該電池電壓位準高於一臨界值時，將該電池電壓降壓轉換為輸出電壓；當該電池電壓位準不高於該臨界值時，接收至少一電壓並予以升壓；以及將該升壓後電壓降壓轉換為輸出電壓；其中，將該電池電壓降壓轉換為輸出電壓與將該升壓後電壓降壓轉換為輸出電壓之步驟共用至少一功率元件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之適應性調整輸入之電源供應方法，其中該接收至少一電壓並予以升壓之步驟係利用一電荷泵達成，其中該電荷泵為將多個輸入相加產生輸出的電荷 泵，或為可根據單一輸入來產生固定倍數或可變倍數輸出的電荷泵。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之適應性調整輸入之電源供應方法，其中該接收至少一電壓並予以升壓之步驟係將該電池電壓與另一電壓相加，藉以產生該升壓後之電壓。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之適應性調整輸入之電源供應方法，其中當該電池電壓位準高於該臨界值時，該電荷泵不動作。
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