TWI450083B - 電源管理裝置 - Google Patents

Description

電源管理裝置

本發明係關於一種電源管理裝置。

請參閱圖1A所示，其係為一種習知之電源管理裝置1A，其是與一電源系統P₁ 及一電池單元BAT搭配使用。其中，電源管理裝置1A與電池單元BAT並聯連接，並具有一電阻R、一開關SW及一比較電路C。

電池單元BAT依據電源系統P₁ 所提供之充電電源進行充電。當比較電路C偵測到電池單元BAT之電壓到達一預設電壓值時，將導通開關SW，使電流通過電阻R，以保護電池單元BAT不會產生過充電的狀況。

接著，請參閱圖1B所示，其係為另一種習知之電源管理裝置1B，其是與一電源系統P₁ 及一發光單元L搭配使用。其中，電源管理裝置1B與發光單元L並聯連接，且電源管理裝置1B為一齊納二極體(Zener diode)，而發光單元L為一發光二極體。

發光單元L依據電源系統P₁ 所提供之電源而發光。當發光單元L損壞而形成斷路，且發光單元L兩端之跨壓超過電源管理裝置1B的崩潰電壓時，將使電流由電源管理裝置1B通過，以確保其餘的發光單元L可正常運作。

由於電源管理裝置1A所採用的管理方式係為透過電阻R消耗多餘的充電電源，而電源管理裝置1B在作為電源導通路徑時，也將同時消耗電源系統P₁ 所提供之電源。換句話說，習知之電源管理裝置1A及電源管理裝置1B將造成很大的功率耗損，而無法符合現今科技所強調之環保節能的需求與趨勢。

因此，如何提供一種電源管理裝置，使其能夠有效保護受控裝置，並避免功率的損耗，同時又能夠儲存且再利用多餘的電源，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠有效保護受控裝置，並避免功率的損耗，同時又能夠儲存且再利用多餘電源的電源管理裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種電源管理裝置與一受控裝置配合應用，並電性連接一電源系統。電源管理裝置包括一儲能模組、一切換模組及一比較模組。儲能模組與受控裝置電性連接。切換模組與儲能模組電性連接。比較模組與切換模組電性連接，並接收一偵測訊號。比較模組依據偵測訊號產生一週期訊號控制切換模組。儲能模組於週期訊號之一週期儲能，並於該週期後之其他週期將該週期所儲存之電能釋出。

在本發明之一實施例中，儲能模組具有一第一連接端及一第二連接端，切換模組具有一釋能端，且釋能端電性連接一外部儲能元件、一外部電源、一外部負載或該電源系統。

在本發明之一實施例中，電源管理裝置更包括一電流偵測元件，與受控裝置形成串聯排列於第一連接端及第二連接端之間，並輸出偵測訊號。

在本發明之一實施例中，儲能模組包括一第一儲能元件、一第一整流元件及一第二儲能元件。第一儲能元件之一端與第一連接端電性連接，另一端與切換模組連接。第一整流元件之一端與第一儲能元件及切換模組之連接端電性連接。第二儲能元件之一端與第一整流元件及切換模組電性連接。

在本發明之一實施例中，切換模組包括一第一切換元件及一第二切換元件。第一切換元件與第一儲能元件及第二連接端電性連接。第二切換元件與第二儲能元件及釋能端電性連接。

在本發明之一實施例中，第一儲能元件在週期訊號之一週期中之導通時段經由第一切換元件儲能，在該週期中之截止時段將其所儲存之電能經由第一整流元件釋能並向第二儲能元件儲能，第二儲能元件在該週期後之其他週期中之導通時段經由第二切換元件釋能。

在本發明之一實施例中，比較模組包括一比較器，與第一切換元件電性連接，並依據偵測訊號及一參考訊號輸出週期訊號控制第一切換元件及第二切換元件。

在本發明之一實施例中，電源管理裝置更包括一第一切換元件、一第二切換元件及一控制單元。第一切換元件與受控裝置串聯形成一串聯電路。第二切換元件與串聯電路電性連接，且在第一切換元件截止時，提供一充電路徑或一放電路徑。控制單元與受控裝置、第一切換元件及第二切換元件電性連接，並依據一受控裝置狀態訊號或一控制通訊訊號輸出一第一控制訊號至第一切換元件或一第二控制訊號至第二切換元件。

承上所述，本發明之一種電源管理裝置係藉由比較模組依據偵測訊號產生一週期訊號以控制切換模組，以使儲能模組於週期訊號之一週期儲能，並於其他週期將電能釋出，從而實現能夠有效保護受控裝置，並避免功率的損耗，同時又能夠儲存且再利用多餘電源的電源管理裝置。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之電源管理裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

首先，請參照圖2，其為依據本發明較佳實施例之一種電源管理裝置2。電源管理裝置2是與一受控裝置D配合應用，並電性連接一電源系統P₁ 。其中，電源系統P₁ 係提供電源至受控裝置D，且電源管理裝置2與受控裝置D可為串聯連接或並聯連接。在實施上，受控裝置D包括需具備電流或電壓保護或控制之負載、發光二極體、二次電池(secondary battery)、電雙層電容器(elecetric double-layer capacitor)、光伏元件(photovoltaic cell)或可儲能並放電之元件。

電源管理裝置2具有一儲能模組21、一切換模組22及一比較模組23。儲能模組21與受控裝置D電性連接。切換模組22與儲能模組21電性連接。比較模組23與切換模組22電性連接，並接收一偵測訊號S₁ 。前述之偵測訊號S₁ 為代表與受控裝置D相關之電壓值的訊號或代表流經受控裝置D相關之電流值的訊號。比較模組23依據偵測訊號S₁ 產生一週期訊號S₂ 控制切換模組22。其中儲能模組21將於週期訊號S₂ 之一週期進行儲能，並於該週期後的其他週期將該週期所儲存的電能釋出。

值得一提的是，儲能模組21可於該週期後的另一週期將該週期所儲存之電能全部釋出，或在該週期之後的多個週期將該週期所儲存之電能分批釋出。此外，在實際運用時，同一週期中可執行電能儲存及電能釋出的動作，且週期訊號S₂ 可為一固定週期的週期訊號或可變週期的週期訊號。換句話說，週期訊號S₂ 之各週期的導通時段與截止時段的比是可調整的。

接著，請參照圖3，以進一步說明本發明之電源管理裝置2。在本實施例中，儲能模組21具有一第一連接端T₁ 、一第二連接端T₂ 、一第一儲能元件211、一第一整流元件212及一第二儲能元件213。儲能模組21藉由第一連接端T₁ 及第二連接端T₂ 與受控裝置D並聯連接。第一儲能元件211的一端與第一連接端T1電性連接，而其另一端與切換模組22連接。第一整流元件212之一端與第一儲能元件211及切換模組22電性連接。第二儲能元件213之一端與第一整流元件212及切換模組22電性連接，而另一端與第二連接端T₂ 電性連接。其中前述之第一儲能元件211及第二儲能元件213是分別為一電感及一電容。

切換模組22具有一釋能端T₃ 、一第一切換元件221及一第二切換元件222。其中，第一切換元件221與第一儲能元件211及第二連接端T₂ 電性連接。第二切換元件222與第二儲能元件213及釋能端T₃ 電性連接。釋能端T₃ 與一外部儲能元件E電性連接。在實施上，第一切換元件221及第二切換元件222分別為一半導體開關元件，例如是雙載子電晶體(BJT)或場效電晶體(FET)之電晶體開關。

此外，釋能端T₃ 除了如圖3所示，為傳輸線的一接點之外，也可以包括一整流元件，例如是二極體。其次，外部儲能元件E也有多種不同的選擇，例如是包括電容元件、電感元件、電池單元或其組合。而釋能端T₃ 也可與一外部負載或一外部電源、外部儲能元件E或其組合電性連接，也可與該電源系統P₁ 電性連接。

以下請參照圖4A至圖4D所示，舉例說明釋能端T₃ 及外部負載EL或外部電源P₂ 、外部儲能元件E或其組合的變化態樣。如圖4A所示，釋能端T₃ 為一傳輸線的接點，並與外部負載EL連接，從而提供多餘的電能至外部負載EL，以驅動或操作外部負載EL。如圖4B所示，釋能端T₃ 包括一個二極體，並連接外部電源P₂ 及外部儲能元件E，其中外部儲能元件E例如是一電容。而如圖4C所示，釋能端T₃ 包括一個二極體，並連接外部電源P₂ 及外部儲能元件E，其中外部儲能元件E例如是一電感。再如圖4D所示，釋能端T₃ 包括一個二極體，並連接外部儲能元件E，其中外部儲能元件E例如是一電感及一電池單元的組合。

接著，請再參照圖3，比較模組23包括一比較器231。其中比較器231是與第一切換元件221電性連接，並經由比較偵測訊號S₁ 及一參考訊號S₃ 而輸出該週期訊號S₂ ，以控制第一切換元件221及第二切換元件222。在實施上，比較模組23亦可採用一數位控制電路，例如是微控制器，且參考訊號S₃ 為一與受控裝置D的特性與狀態相關之電壓訊號或一鋸齒波電壓訊號，並且參考訊號S₃ 之值可隨著受控裝置D特性與狀態之改變而調整。

以下請參照圖5A至圖5F所示，舉例說明比較模組23的多種實施態樣。如圖5A所示，比較器231之反相輸入端(inverting input terminal)連接一電壓源，並接收由該電壓源所輸出之參考訊號S₃ ，而比較器231之非反相輸入端(non inverting input terminal)接收偵測訊號S₁ ，且比較器231之輸出端輸出週期訊號S₂ 。而如圖5B所示，比較器231之輸出端更連接一史密特觸發器ST(Schmitt trigger)。再如圖5C所示，比較器231之反相輸入端(inverting input terminal)是接收鋸齒波之參考訊號S₃ ，而史密特觸發器ST更與一延遲線DL(delay line)連接。

此外，如圖5D所示，比較模組23包括一數位控制電路232，其係與第一切換元件221電性連接，並將偵測訊號S₁ 轉換為一數位訊號後，與一預設值比較，並依比較結果輸出週期訊號S₂ ，以控制第一切換元件221及第二切換元件(圖未顯示)。如圖5E所示，數位控制電路232具有一資料通訊訊號輸出端T₄ ，並輸出一資料通訊訊號S₄ 至電源系統(圖未顯示)。當受控裝置(圖未顯示)為電池，例如是二次電池或電雙層電容器時，資料通訊訊號S₄ 包括判斷充、放電狀態、充電時間、是否充電完畢、是否放電完畢、可用電壓值等資訊或其組合。電源系統P₁ 依據資料通訊訊號S₄ 做出相關電源管理之決定。

如圖5F所示，數位控制電路232具有一資料通訊訊號輸出端T₄ 及一環境狀態訊號輸入端T₅ 。其中，環境狀態訊號輸入端T₅ 與一外部環境偵測器ES連接，並接收一環境狀態訊號S₅ ，且環境狀態訊號S₅ 包含與受控裝置(圖未顯示)相關之環境溫度或濕度等資訊，且外部環境偵測器ES可為一熱敏電阻。此外，資料通訊訊號輸出端T₄ 輸出一資料通訊訊號S₄ ，且資料通訊訊號S₄ 包含電源管理裝置之一操作資訊，其係包括偵測訊號S₁ 所測得之電壓值、電流值、電壓變動值、電流變動值或週期訊號S₂ 之頻率、導通時段長度、截止時段長度或環境狀態訊號S₅ 所測得之環境參數，或以上參數所衍生計算出的數據等資訊。

請再參照圖3所示，當比較模組23之比較器231經比較偵測訊號S₁ 及參考訊號S₃ ，而確定電源系統P₁ 所提供之電源已經超過受控裝置D所需之電源時，比較器231將輸出週期訊號S₂ ，且週期訊號S₂ 之一週期中的導通時段將導通第一切換元件221，以使電流流經第一儲能元件211及第一切換元件221，並對第一儲能元件211進行儲能。接著，在前述週期中的截止時段時，第一切換元件221將被截止，此時，第一儲能元件211於導通時段所儲存的電能經由第一整流元件212進行釋能，並向第二儲能元件213儲能，而第二儲能元件213將在前述週期後的其他週期之導通時段經由第二切換元件222釋能，並對外部儲能元件E進行儲能。

因此，藉由上述之硬體組成，可將多餘的電能經由第一儲能元件211與第一切換元件221所形成之一儲能路徑，及第二儲能元件213與第二切換元件222所形成一釋能路徑，而儲存於外部儲能元件E，以利電能的再利用。另外，在本實施例中，流入第一連接端T₁ 的電流完全由第二連接端T₂ 流出。換句話說，流入第一連接端T₁ 的電流等於第二連接端T₂ 所流出的電流，因此在電源管理裝置2動作的期間，電源系統P₁ 所供應的電流不會產生分流或斷流。

值得一提的是，電源管理裝置2更可包括一電流偵測元件24，其是與受控裝置D電性連接，並輸出偵測訊號S₁ 。在實施上，電流偵測元件24係可以依據不同產品的需求或設計的考量而有多種的不同的設置方式，以下請參照圖6A至圖6I所示，舉例說明電流偵測元件24的多種設置態樣。

如圖6A所示，電流偵測元件24是設置於受控裝置D與第二連接端T₂ 之間。在圖6B中，電流偵測元件24是位於第一連接端T₁ 及受控裝置D之間。如圖6C所示，電流偵測元件24與第二連接端T₂ 電性連接，並與受控裝置D形成串聯排列。在圖6D中，電流偵測元件24是與第一連接端T₁ 電性連接，並與受控裝置D形成串聯排列。在圖6E中，電流偵測元件24位於受控裝置D及第一連接端T₁ 之間。在圖6F中，電流偵測元件24電性連接受控裝置D，並與第一連接端T₁ 形成串聯排列。如圖6G所示，電流偵測元件24電性連接第二連接端T₂ 。如圖6H所示，電流偵測元件24電性連接第一連接端T₁ 。再如圖6I所示，電流偵測元件24是電性連接第二連接端T₂ 及切換模組22。

此外，在實際運用時，電流偵測元件24亦具有多種不同的應用架構，以下請參照圖7A至圖7E所示，舉例說明電流偵測元件24的五種應用架構。

如圖7A所示，電流偵測元件24係採用一電阻。在圖7B中，電流偵測元件24包括一電阻及一放大器。在圖7C中，電流偵測元件24包括一電阻及一NPN型式的電晶體。而如圖7D所示，電流偵測元件24包括一電阻及一PNP型式的電晶體。再如圖7E所示，電流偵測元件24包括一電阻及一隔離式的光耦合元件。

請參照圖8A，其為依據本發明較佳實施例之另一種電源管理裝置3。與圖3所示之電源管理裝置2相較，電源管理裝置3之儲能模組31更包括一第二整流元件311及一第三整流元件312。在本實施例中，受控裝置D是以一二次電池為例進行說明。然而，在實際運用上，係可依據實際的需求，使用其他數量之二次電池進行操作，且二次電池可為相互串聯及或相互並聯的連接方式。

第二整流元件311之一端與第二儲能元件213電性連接，且第二整流元件311的另一端與第二連接端T₂ 連接。第三整流元件312之一端與第二儲能元件213電性連接，且第三整流元件312的另一端與外部儲能元件E的接地端電性連接。

接著，請參照圖8B並搭配圖8A，以進一步說明電源管理裝置3。當電源系統P₁ 所提供之電源已經超過受控裝置D所需之電源時，比較器231將輸出週期訊號S₂ 。其中，在週期訊號S₂ 之第一週期C₁ 的導通時段C_1on ，第一切換元件221將被導通。此時，電流由第一連接端T₁ 流過第一儲能元件211及第一切換元件221，並由第二連接端T₂ 流出，因而在導通時段C_1on ，電流將對第一儲能元件211進行儲能。

在週期訊號S₂ 之第一週期C₁ 的截止時段C_1off ，第一切換元件221將被截止。此時，電流由第一連接端T₁ 流過第一儲能元件211、第一整流元件212、第二儲能元件213及第二整流元件311，並由第二連接端T₂ 流出。換句話說，第一儲能元件211與第一整流元件212形成一釋能路徑，而第二儲能元件213及第二整流元件311將形成一儲能路徑。亦即，第一儲能元件211於截止時段C_1off 進行釋能，而第二儲能元件213於截止時段C_1off 進行儲能。

接著，在週期訊號S₂ 之第二週期C₂ 的導通時段C_2on 時，就第一儲能元件211而言，其係如同第一週期C₁ 的導通時段C_1on ，將再次進行儲能。另外，於此同時，第三整流元件312、第二儲能元件213及第二切換元件222將形成一釋能路徑，由釋能端T₃ 向外部儲能元件E進行釋能。

當在週期訊號S₂ 之第二週期C₂ 的截止時段C_2off 時，第一儲能元件211及第二儲能元件213的作動係與第一週期C₁ 的截止時段C_1off 時具有相同的作動。亦即，第一儲能元件211將進行釋能，而第二儲能元件213將進行儲能。

然後，在週期訊號S₂ 之第三週期C₃ 的導通時段C_3on 時，第一儲能元件211及第二儲能元件213將重複如第二週期C₂ 之導通時段C_2on 的作動。因此，在電源系統P₁ 所提供之電源已經超過受控裝置D所需之電源的狀況下，電源管理裝置3基本上將以週期訊號S₂ 之1.5個週期為一操作週期，有效的將多餘電能儲存於外部儲能元件E，從而將電能進行再利用。

請參照圖8C及圖8D，其係為依據本發明較佳實施例之另一種電源管理裝置4及其操作波形圖。與電源管理裝置3相較，電源管理裝置4是與受控裝置D串聯連接，並具有一電流偵測元件41，且在本實施例中，切換模組22之釋能端T₃ 是與一外部電源P₂ 及一外部儲能元件E連接。因此，電源管理裝置4與電源管理裝置3在操作上最大的不同點在於，電源管理裝置4之第二儲能元件213將於其所儲存之電能大於外部電源P₂ 之電壓值後，才會進行釋能的動作。另外，在本實施例中，受控裝置D是以一個發光二極體為例。然而，在實際運用上，係可依據實際的需求，使用其他數量之發光二極體進行操作，且發光二極體可為相互串聯及或相互並聯的連接方式。

接著，請參照圖9A，其係為依據本發明較佳實施例之另一種電源管理裝置5。在本實施例中，是以二個電源管理裝置5對應二個受控裝置D，且二個受控裝置D是形成串聯排列以及受控裝置D為二次電池為例。電源管理裝置5與電源管理裝置2相較，電源管理裝置5更包括一第一切換單元SW₁ 、一第二切換單元SW₂ 及一控制單元51。

第一切換單元SW₁ 與受控裝置D串聯形成一串聯電路。第二切換單元SW₂ 與前述之串聯電路電性連接，且第二切換單元SW₂ 在第一切換單元SW₁ 截止時，提供一充電路徑或一放電路徑。控制單元51與受控裝置D、第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ 電性連接，並依據一受控裝置狀態訊號S₆ 或一控制通訊訊號S₇ 輸出一第一控制訊號S_C1 至第一切換單元SW₁ 或一第二控制訊號S_C2 至第二切換單元SW₂ 。

受控裝置狀態訊號S₆ 為代表受控裝置D之狀態的一電流值或一電壓值，特別是代表受控裝置D之放電狀態的電流值或電壓值，或是代表受控裝置D之充電狀態的電流值或電壓值。因而，控制單元51將依據受控裝置狀態訊號S₆ 判斷受控裝置D是否可進行充電或可進行放電，以控制第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ 的導通或截止，從而提供多種不同的電流路徑。前述之控制通訊訊號S₇ 則包含電源管理裝置5之操作資訊，其係包括受控裝置狀態訊號S₆ 所測得之電壓值、電流值、電壓變動值或電流變動值或環境狀態訊號S₅ 所測得之環境參數，或以上參數所衍生計算出的數據等資訊，或是第一控制訊號S_C1 或第二控制訊號S_C2 之狀態資訊，或是遠端傳入用以控制第一控制訊號S_C1 或第二控制訊號S_C2 的資訊。此外，控制通訊訊號S₇ 可為一數位訊號或一類比訊號。

為了方便說明，以下將以第一級電源管理裝置及第一級受控裝置稱呼直接電性連接電源系統P₁ 之電源管理裝置5及受控裝置D，並以第二級電源管理裝置及第二級受控裝置稱呼另一組電源管理裝置5及受控裝置D。

當第一級電源管理裝置5及第二級電源管理裝置5之控制單元51分別依據第一級受控裝置D及第二級受控裝置D的受控裝置狀態訊號S₆ ，而確認第一級受控裝置D及第二級受控裝置D皆可進行充電時，兩個控制單元51將分別傳送第一控制訊號S_C1 導通第一切換單元SW₁ 與第二控制訊號S_C2 截止第二切換單元SW₂ ，以使電源系統P₁ 同時對二個受控裝置D進行充電。

當第一級受控裝置D已經充電完成，而不可再充電時，第一級電源管理裝置5之控制單元51依據第一級受控裝置D的受控裝置狀態訊號S₆ ，將傳送第一控制訊號S_C1 以截止第一級電源管理裝置5之第一切換單元SW₁ ，並傳送第二控制訊號S_C2 導通第一級電源管理裝置5之第二切換單元SW₂ ，以使電源系統P₁ 僅對第二級受控裝置D進行充電，且第一級受控裝置D將脫離充電迴路不再進行充電。

基於控制單元51可依據受控裝置狀態訊號S₆ 控制第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ ，因此，當電源系統P₁ 所提供的充電電壓過低時，將可採用輪替的方式分別對二個受控裝置D進行充電，例如是先對第一級受控裝置D充電，待完成後再對第二級受控裝置D充電，或以與前述順序相反的方式先對第二級受控裝置D充電，待完成後再對第一級受控裝置D充電，或是以一固定時間輪流對二個受控裝置D充電。

同理，當任一級受控裝置D不需要進行放電時，控制單元51也可以透過切換第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ ，強制將受控裝置D脫離放電迴路。

因此，藉由上述之硬體架構，電源管理裝置5不僅具有儲存多餘電能，並進行電能再利用的優點，更具有輪流充電及輪流放電之功能，以及提供充電保護及放電保護，與將受控裝置完全脫離充電迴路及放電迴路且不影響其他受控裝置的功能。

另外，值得一提的是，本實施例是以兩級的電源管理裝置5搭配兩級的受控裝置D為例，然在實際運用上，將可以其他數量之電源管理裝置與受控裝置搭配使用。

電源管理裝置5之控制單元51在實施上係可具有多種不同的態樣，例如：控制單元51是一比較器，並依據受控裝置狀態訊號S₆ 與一預設值的比較結果，輸出第一控制訊號S_C1 或第二控制訊號S_C2 ，或控制單元51是由微控制器所構成之一數位控制電路，其係將受控裝置狀態訊號S₆ 轉換為一數位訊號後，並依據數位訊號與一預設值的比較結果，輸出第一控制訊號S_C1 或第二控制訊號S_C2 ，或控制單元51是一訊號轉換器，例如利用圖7E的光耦合器，以接收控制通訊訊號S₇ ，而輸出第一控制訊號S_C1 或第二控制訊號S_C2 ，或控制單元51是與圖5E及圖5F所示之數位控制電路232相似，更有一通訊訊號輸出端及一環境狀態訊號輸入端，值得一提的是，雖然在本實施例中，控制單元51及比較模組23是兩個各自獨立之元件。然而，在實際運用上，控制單元51可以與比較模組23整合成一個數位控制電路，且不同級之電源管理裝置5的控制單元51與比較模組23也可以整合成一個系統整合晶片(System-on-a-chip,SOC)。

接著，請參照圖9B至圖9I，其係為本發明較佳實施例之電源管理裝置的多種變化態樣。如圖9B所示，電源管理裝置6與電源管理裝置5相較，其區別在於電源管理裝置6之第二切換單元SW₂ 的一端是與電源系統P₁ 電性連接，而另一端是與第一切換單元SW₁ 電性連接。而如圖9C所示，電源管理裝置7與電源管理裝置5的區別在於，電源管理裝置7之第二切換單元SW₂ 的一端是與受控裝置D及第一切換單元SW₁ 電性連接，而另一端是與電源系統P₁ 的接地端電性連接。再如圖9D所示，電源管理裝置8與電源管理裝置5的區別在於，電源管理裝置8之第二切換單元SW₂ 的一端是與受控裝置D及第一切換單元SW₁ 電性連接，並與第一切換單元SW₁ 及另一級之電源管理裝置8的受控裝置D形成並聯連接。

再如圖9E所示，電源管理裝置9是具有二第二切換單元SW₂ 。在本實施例中，電源管理裝置9之第二切換單元SW₂ 的其中之一，其設置方式係如同圖9B中所示之電源管理裝置6的第二切換單元SW₂ ，而電源管理裝置9之第二切換單元SW₂ 的其中之另一，其設置方式則如同圖9C中所示之電源管理裝置7的第二切換單元SW₂ 。

值得一提的是，透過將第二切換單元SW₂ 與受控裝置D及第一切換單元SW₁ 所構成之串聯電路並聯，或並聯連接至電源系統P₁ ，或並聯連接至電源系統P₁ 的接地端，將可使各級的受控裝置D之間在充電或放電時，具有不同串聯或並聯長度的組態。

接著，請參照圖9F所示，電源管理裝置10是具有二第二切換單元SW₂ 。在本實施例中，電源管理裝置10之第二切換單元SW₂ 的其中之一，其設置方式係如同圖9B中所示之電源管理裝置6的第二切換單元SW₂ ，而電源管理裝置10之第二切換單元SW₂ 的其中之另一，其設置方式則如同圖9D中所示之電源管理裝置8的第二切換單元SW₂ 。

此外，電源系統P₁ 更具有一電流源CS及一整流元件REC，且電流源CS與受控裝置D及儲能模組21電性連接。整流元件REC與電流源CS並聯連接。控制單元51依據受控裝置狀態訊號S₆ 或控制通訊訊號S₇ 輸出第二控制訊號S_C2 至第二切換單元SW₂ 。

在本實施例中，是以兩組電源管理裝置10搭配相對應數量之受控裝置D為例，且為了方便說明，以下將以第一級電源管理裝置及第一級受控裝置稱呼位於圖9F之中距離電源系統P₁ 較近的電源管理裝置10及受控裝置D，並以第二級電源管理裝置及第二級受控裝置稱呼另一組電源管理裝置10及受控裝置D。

當第一級電源管理裝置10之第一切換單元SW₁ 與第二級電源管理裝置10之第一切換單元SW₁ 為導通狀態，而其餘各第二切換單元SW₂ 皆為截止狀態時，第一級受控裝置D與第二級受控裝置D將形成串聯連接；當第一級電源管理裝置10之二第二切換單元SW₂ 與第二級電源管理裝置10之第一切換單元SW₁ 為導通狀態，而其餘切換單元皆為截止狀態時，第一級受控裝置D與第二級受控裝置D將形成並聯連接。因此，藉由前述之第二切換單元SW₂ 的設置，第一級受控裝置D與第二級受控裝置D將可形成串聯連接或並聯連接。

接著，如圖9G所示，電源管理裝置11是具有二第一切換單元SW₁ ，並與受控裝置D形成串聯連接。控制單元51依據受控裝置狀態訊號S₆ 或控制通訊訊號S₇ 輸出第一控制訊號S_C1 至第一切換單元SW₁ 。

藉由前述之第一切換單元SW₁ 的設置，當前述之第一切換單元SW₁ 皆為截止狀態時，將使得受控裝置D可脫離其他受控裝置D所構成之充、放電路徑，並在需要時由另一電源進行獨立的充電，例如是透過與切換模組22之釋能端T₃ 連接之外部儲能元件E。因此，依據電源管理裝置11的硬體架構將可使單一受控裝置D在其他受控裝置D進行放電的同時，脫離放電迴路而獨立進行充電的動作，且可選擇藉由預先儲存之多餘電能作為獨立充電的電源供應端，以達成電能有效再利用的目的。

值得一提的是，在實際運用上，電源管理裝置更可以依據產品的需求與設計的考量，將上述之切換單元整合使用，而如圖9H及圖9I所示。其中，如圖9H，係為一個第一切換單元SW₁ 與四個第二切換單元SW₂ 的搭配運用。在本實施例中，當各級之電源管理裝置中與電源系統P₁ 連接之第二切換單元SW₂ 及與電源系統P₁ 之接地端連接之第二切換單元SW₂ 為導通狀態，而其餘切換單元皆為截止狀態時，各級之受控裝置D將形成並聯連接。換句話說，控制單元(圖未顯示)可輸出具有不同位準之第二控制訊號S_C2 至各第二切換單元SW₂ ，以分別導通及截止部分的第二切換單元SW₂ 。

另外，由於圖9H的重點在於說明第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ 的連接結構，因而圖9H中並未顯示儲能模組21、切換模組22、比較模組23與控制單元51，並非電源管理裝置不需要前述之各項元件。

再如圖9I所示，其係為兩個第一切換單元SW₁ 與四個第二切換單元SW₂ 的搭配運用。在本實施例中，控制單元51將可透過同時導通、同時截止及部分導通與部分截止第一切換單元SW₁ 和第二切換單元SW₂ 而調整各受控裝置D之間的連接關係。換句話說，當第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ 之數量為複數時，控制單元51可輸出複數個具有不同位準之第一控制訊號S_C1 至各第一切換單元SW₁ ，及輸出複數個具有不同位準之第二控制訊號S_C2 至各第二切換單元SW₂ 。

在實施上，控制單元51係可藉由將所接收之受控裝置狀態訊號S₆ 與一預設值進行比較與運算，或是配合控制通訊訊號S₇ ，或是藉由一函數的運算，或是透過查表法，而判斷所要導通或截止的切換單元。

此外，第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ 皆為半導體開關元件，且第一切換單元SW₁ 及第二切換單元SW₂ 可分別具有充電控制開關SW_C 或放電控制開關SW_D 或同時具有充電控制開關SW_C 及放電控制開關SW_D 。因而，為了控制第一切換單元SW₁ 至第二切換單元SW₂ ，第一控制訊號S_C1 及第二控制訊號S_C2 將搭配對應之第一切換單元SW₁ 與第二切換單元SW₂ ，而分別具有一充電控制訊號S_C 或一放電控制訊號S_D 或兩者之組合。以下以第一切換單元SW₁ 及第一控制訊號S_C1 為例，並參照圖10A至圖10D所示，舉例說明第一切換單元SW₁ 及第一控制訊號S_C1 的四種應用架構。

如圖10A所示，第一切換單元SW₁ 具有充電控制開關SW_C 及放電控制開關SW_D 。其中，充電控制開關SW_C 與放電控制開關SW_D 連接，並分別接收第一控制訊號S_C1 之充電控制訊號S_C 及放電控制訊號S_D ，且充電方向D₁ 是由放電控制開關SW_D 往充電控制開關SW_C 的方向，而放電方向D₂ 是由充電控制開關SW_C 往放電控制開關SW_D 的方向。

如圖10B所示，第一切換單元SW₁ 具有一或閘(OR gate)、一雙向電晶體與一選擇電路GSSEL。其中，第一控制訊號S_C1 之充電控制訊號S_C 及放電控制訊號S_D 係由或閘所接收，而選擇電路GSSEL則依據充電控制訊號S_C 及放電控制訊號S_D 將雙向電晶體之基底SUB選擇連接到放電地端SUB₁ 或充電地端SUB₂ 以提供適當的基底電壓。而如圖10C所示，第一切換單元SW₁ 僅具有一放電控制開關SW_D 。其中，第一控制訊號S_C1 對應第一切換單元SW₁ 而以放電控制訊號S_D 控制第一切換單元SW₁ 。再如圖10D所示，第一切換單元SW₁ 僅具有一充電控制開關SW_C 。其中，第一控制訊號S_C1 對應第一切換單元SW₁ 而以充電控制訊號S_C 控制第一切換單元SW₁ 。

綜上所述，因依據本發明之一種電源管理裝置係藉由比較模組依據偵測訊號產生一週期訊號以控制切換模組，以使儲能模組於週期訊號之一週期儲能，並於其他週期將電能釋出，從而實現能夠有效保護受控裝置，並避免功率的損耗，同時又能夠儲存且再利用多餘電源的電源管理裝置。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1A、1B、2～11．．．電源管理裝置

21．．．儲能模組

211．．．第一儲能元件

212．．．第一整流元件

213．．．第二儲能元件

22．．．切換模組

221．．．第一切換元件

222．．．第二切換元件

23．．．比較模組

231．．．比較器

232．．．數位控制電路

24、41．．．電流偵測元件

31．．．儲能模組

311．．．第二整流元件

312．．．第三整流元件

51．．．控制單元

BAT．．．電池單元

C．．．比較電路

C₁ ．．．第一週期

C_1on 、C_2on 、C_3on ．．．導通時段

C_1off 、C_2off ．．．截止時段

C₂ ．．．第二週期

C₃ ．．．第三週期

CS．．．電流源

D．．．受控裝置

D₁ ．．．充電方向

D₂ ．．．放電方向

DL．．．延遲線

E．．．外部儲能元件

EL．．．外部負載

ES．．．外部環境偵測器

GSSEL．．．選擇電路

L．．．發光單元

P₁ ．．．電源系統

P₂ ．．．外部電源

R．．．電阻

REC．．．整流元件

S₁ ．．．偵測訊號

S₂ ．．．週期訊號

S₃ ．．．參考訊號

S₄ ．．．資料通訊訊號

S₅ ．．．環境狀態訊號

S₆ ．．．受控裝置狀態訊號

S₇ ．．．控制通訊訊號

S_C ．．．充電控制訊號

S_C1 ．．．第一控制訊號

S_C2 ．．．第二控制訊號

S_D ．．．放電控制訊號

ST．．．史密特觸發器

SUB．．．基底

SUB₁ ．．．放電地端

SUB₂ ．．．充電地端

SW．．．開關

SW₁ ．．．第一切換單元

SW₂ ．．．第二切換單元

SW_C ．．．充電控制開關

SW_D ．．．放電控制開關

T₁ ．．．第一連接端

T₂ ．．．第二連接端

T₃ ．．．釋能端

T₄ ．．．通訊訊號輸出端

T₅ ．．．環境狀態訊號輸入端

圖1A為一種習知之電源管理裝置的示意圖；

圖1B為一種習知之電源管理裝置的示意圖；

圖2為依據本發明較佳實施例之一種電源管理裝置的示意圖；

圖3為依據本發明較佳實施例之一種電源管理裝置的示意圖；

圖4A至圖4D為依據本發明較佳實施例之釋能端及外部負載或外部電源、外部儲能元件或其組合之變化態樣的示意圖；

圖5A至圖5F為依據本發明較佳實施例之比較模組之不同實施態樣的示意圖；

圖6A至圖6I為依據本發明較佳實施例之電流偵測元件之不同設置態樣的示意圖；

圖7A至圖7E依據為本發明較佳實施例之電流偵測元件之不同實施態樣的示意圖；

圖8A及圖8B為本發明較佳實施例之一種電源管理裝置的示意圖及操作波形圖；

圖8C及圖8D為依據本發明較佳實施例之另一種電源管理裝置的示意圖及操作波形圖；

圖9A至圖9I為依據本發明較佳實施例之電源管理裝置之變化態樣的示意圖；以及

圖10A至圖10D為依據本發明較佳實施例之切換單元及控制訊號之不同實施態樣的的示意圖。

2．．．電源管理裝置

21．．．儲能模組

22．．．切換模組

23．．．比較模組

D．．．受控裝置

P₁ ．．．電源系統

S₁ ．．．偵測訊號

S₂ ．．．週期訊號

Claims (40)

1. 一種電源管理裝置，與一受控裝置配合應用，並電性連接一電源系統，包括：一儲能模組，與該受控裝置電性連接；一切換模組，與該儲能模組電性連接；以及一比較模組，與該切換模組電性連接，並接收一偵測訊號，該比較模組依據該偵測訊號產生一週期訊號控制該切換模組，其中該儲能模組於該週期訊號之一週期儲能，並於該週期後之其他週期將該週期所儲存之電能釋出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源管理裝置，其中該偵測訊號為代表該受控裝置狀態之一電流值或一電壓值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源管理裝置，其中該儲能模組具有一第一連接端及一第二連接端，該切換模組具有一釋能端，且該釋能端電性連接一外部儲能元件、一外部電源、一外部負載或該電源系統。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電源管理裝置，更包括：一電流偵測元件，與該受控裝置形成串聯排列於該第一連接端及該第二連接端之間，並輸出該偵測訊號。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電源管理裝置，其中該儲能模組包括：一第一儲能元件，其一端與該第一連接端電性連接，其另一端與該切換模組連接；一第一整流元件，其一端與該第一儲能元件及該切換模組之連接端電性連接；以及一第二儲能元件，其一端與該第一整流元件及該切換模組電性連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源管理裝置，其中該第一儲能元件為一電感，該第二儲能元件為一電容。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電源管理裝置，其中該切換模組包括：一第一切換元件，與該第一儲能元件及該第二連接端電性連接；以及一第二切換元件，與該第二儲能元件及該釋能端電性連接。
8. 如申請專利範圍第5項所述之電源管理裝置，其中該第二儲能元件之另一端與該第二連接端電性連接。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理裝置，其中該週期訊號之各週期包含一導通時段與一截止時段。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電源管理裝置，其中在該週期訊號之至少一週期中之該導通時段經由該第一切換元件儲能，在該週期中之該截止時段將其所儲存之電能經由該第一整流元件釋能並向該第二儲能元件儲能，在該週期後之其他週期中之該導通時段經由該第二切換元件釋能。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理裝置，其中該第一切換元件及該第二切換元件分別為一半導體開關元件。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理裝置，其中該第一儲能元件與該第一切換元件形成一儲能路徑，該第二儲能元件與該第二切換元件形成一釋能路徑。
13. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理裝置，其中該儲能模組更包括：一第二整流元件，其一端與該第二儲能元件之另一端電性連接，其另一端與該第二連接端電性連接；以及一第三整流元件，其一端與該第二儲能元件之另一端電性連接，其另一端與該外部儲能元件、該外部電源、該外部負載或該電源系統之接地端電性連接。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電源管理裝置，其中該第一儲能元件與該第一整流元件形成一釋能路徑，該第二儲能元件及該第二整流元件形成一儲能路徑。
15. 如申請專利範圍第13項所述之電源管理裝置，其中該第三整流元件、該第二儲能元件及該第二切換元件形成一釋能路徑。
16. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理裝置，其中該比較模組包括：一比較器，與該第一切換元件電性連接，並依據該偵測訊號及一參考訊號輸出該週期訊號控制該第一切換元件及該第二切換元件。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電源管理裝置，其中該參考訊號為一與該受控裝置特性相關之電壓訊號或鋸齒波電壓訊號。
18. 如申請專利範圍第7項所述之電源管理裝置，其中該比較模組包括：一數位控制電路，與該第一切換元件電性連接，並將該偵測訊號轉換為一數位訊號後，與一預設值比較，並依比較結果輸出該週期訊號控制該第一切換元件及該第二切換元件。
19. 如申請專利範圍第18項所述之電源管理裝置，其中該數位控制電路為一微控制器。
20. 如申請專利範圍第18項所述之電源管理裝置，其中該數位控制電路具有一資料通訊訊號可與該電源系統聯繫。
21. 如申請專利範圍第20項所述之電源管理裝置，其中該數位控制電路更包含一環境狀態訊號輸入端，該環境狀態訊號輸入端連接至一外部環境偵測器，並接收一環境狀態訊號，且該環境狀態訊號包含與該受控裝置相關之環境溫度或濕度資訊。
22. 如申請專利範圍第21項所述之電源管理裝置，其中該外部環境偵測器為一熱敏電阻。
23. 如申請專利範圍第21項所述之電源管理裝置，其中該資料通訊訊號包含該電源管理裝置之一操作資訊，該操作資訊包括該偵測訊號所測得之電壓值、電流值、電壓變動值或電流變動值或該週期訊號之頻率、導通時段長度、截止時段長度或該環境狀態訊號所測得之環境參數，或以上參數所衍生計算出的數據資訊。
24. 如申請專利範圍第1項所述之電源管理裝置，更包括：至少一第一切換單元，與該受控裝置串聯形成一串聯電路；至少一第二切換單元，與該串聯電路電性連接，且在該第一切換單元截止時，提供一充電路徑或一放電路徑；以及一控制單元，與該受控裝置、該第一切換單元及該第二切換單元電性連接，並依據一受控裝置狀態訊號或一控制通訊訊號輸出一第一控制訊號至該第一切換單元或一第二控制訊號至該第二切換單元。
25. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該第二切換單元與該受控裝置、或該電源系統、或該電源系統之接地端、或另一受控裝置電性連接。
26. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該第一控制訊號及該第二控制訊號分別具有一充電控制訊號或一放電控制訊號或兩者之組合。
27. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該第一切換單元及該第二切換單元分別為一半導體開關元件。
28. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該受控裝置狀態訊號為代表該受控裝置放電狀態之一電流值或一電壓值，或為代表該受控裝置充電狀態之一電流值或一電壓值。
29. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該控制單元依據該受控裝置狀態訊號判斷該受控裝置是否可充電或放電，並於判斷結果為否時，輸出該第一控制訊號截止該第一切換單元及輸出該第二控制訊號導通該第二切換單元。
30. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該控制單元為一比較器，並將該受控裝置狀態訊號與一預設值比較，並依據比較結果輸出該第一控制訊號或第二控制訊號。
31. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中當該第一切換單元或該第二切換單元之數量為複數，該控制單元輸出複數個具有不同位準之該第一控制訊號至該些第一切換單元，或輸出複數個具有不同位準之該第二控制訊號至該些第二切換單元。
32. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該控制單元為一數位控制電路，並將該受控裝置狀態訊號轉換為一數位訊號後，與一預設值比較，並依據比較結果輸出該第一控制訊號及或該第二控制訊號。
33. 如申請專利範圍第32項所述之電源管理裝置，其中該數位控制電路為一微控制器。
34. 如申請專利範圍第32項所述之電源管理裝置，其中該數位控制電路具有一控制通訊訊號端，並接收該控制通訊訊號。
35. 如申請專利範圍第32項所述之電源管理裝置，其中該數位控制電路具有一環境狀態訊號輸入端，該環境狀態訊號輸入端連接至一外部環境偵測器，該環境狀態訊號包含與該受控裝置相關之環境溫度或濕度資訊。
36. 如申請專利範圍第35項所述之電源管理裝置，其中該外部環境偵測器為一熱敏電阻。
37. 如申請專利範圍第35項所述之電源管理裝置，其中該控制通訊訊號包含該電源管理裝置之一操作資訊，該操作資訊包括該受控裝置狀態訊號所測得之電壓值、電流值、電壓變動值或電流變動值或該環境狀態訊號所測得之環境參數，或以上參數所衍生計算出的數據等資訊，或是該第一控制訊號或該第二控制訊號之狀態資訊，或是遠端傳入之控制該第一控制訊號或該第二控制訊號之資訊。
38. 如申請專利範圍第24項所述之電源管理裝置，其中該控制單元為一訊號轉換器，並接收該控制通訊訊號，而輸出該第一控制訊號或該第二控制訊號。
39. 如申請專利範圍第1項所述之電源管理裝置，其中該受控裝置包括一需具備電流或電壓保護或控制之負載或一二次電池或一發光二極體或一電雙層電容器或一光伏元件或一可儲能並放電之元件。
40. 如申請專利範圍第1項所述之電源管理裝置，其中該電源系統更包括：一電流源，與該受控裝置及該儲能模組電性連接；以及一整流元件，與該電流源並聯連接。