TWI462430B

TWI462430B - 電源管理系統

Info

Publication number: TWI462430B
Application number: TW101103350A
Authority: TW
Inventors: Chin Min Liu; Chien Fu Liao
Original assignee: Wistron Corp
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2014-11-21
Also published as: TW201334361A; CN103246209A; CN103246209B; US20130200728A1

Description

電源管理系統

本發明係指一種電源管理系統，尤指一種可根據電子裝置中電池電壓切換不同電源轉換模組以轉換供應電壓之電源管理系統。

隨著可攜式電子裝置(例如：行動通訊裝置、筆記型電腦或電子書等)的功能日趨複雜，除了必要的功能(例如：行動通訊裝置可為通話功能、筆記型電腦可為文書處理功能、電子書可為閱讀功能等)之外，更具有遊戲功能、多媒體播放功能、導航功能等從屬的功能，因此耗電量相當可觀。

通常來說，可攜式電子裝置為了攜帶方便，大多以電池作為供電的來源。由於電池提供至可攜式電子裝置之一輸入電壓係高於可攜式電子裝置之操作電壓，因此可攜式電子裝置需配置一降壓式(Buck)電源轉換器，以將該輸入電壓降低至可攜式電子裝置之操作電壓。此外，輸入電壓會隨著電池之電量消耗而下降，當輸入電壓下降至一臨界電壓時，降壓式電源轉換器將無法工作，進而導致使用者無法使用可攜式電子裝置。然而，此時電池之殘餘電量仍足夠讓可攜式電子裝置運作。因此，若能繼續使用電池之殘餘電量，將可有效延長電池使用時間。

於習知技術中，可攜式電子裝置可使用一降壓升壓式(Buck-Boost)電源轉換器，從而延長電池使用時間。然而，降壓升壓式電源轉換器設計複雜度較高且製造成本也較高，因此使用降壓升壓式電源轉換器將導致可攜式電子裝置之開發成本大幅上升。因此，如何使用較低成本之電源轉換器有效延長電池使用時間，就成為業界所努力之目標之一。

因此，本發明提供一種電源管理系統，用來於電子裝置之電池模組提供之輸入電壓低於臨界電壓時，切換不同電源轉換模組轉換供應電壓。

本發明揭露一種電源管理系統，用於一電子裝置，該電源管理系統包含有一第一電源轉換模組，用來根據一第一控制訊號，將該電子裝置之一電池模組的一輸入電壓轉換為一第一供應電壓，並將該第一供應電壓輸出至一輸出節點；一第二電源轉換模組，包含有一開關模組，用來根據一第二控制訊號，將該輸入電壓作為一第二供應電壓，並將該第二供應電壓輸出至該輸出節點；以及一邏輯控制模組，用來根據該輸入電壓以及一臨界電壓，輸出該第一控制訊號以及該第二控制訊號，以控制由該第一電源轉換模組或由該第二電源轉換模組對該輸入電壓進行轉換。

本發明另揭露一種電源管理系統，用於一電子裝置中，包含有一功率級模組，包含有一上橋開關，耦接於該電子裝置一電池模組的一輸入電壓以及一第一節點之間，用來根據一第一電源驅動訊號調整該輸入電壓與該第一節點間的連接；一下橋開關，耦接於該第一節點與一地端之間，用來根據一第二電源驅動訊號，調整該第一節點與該地端間的連接；一電感，耦接於該第一節點與一輸出節點；以及一電容，耦接於該輸出節點與該地端之間；一電源驅動模組，耦接於該功率級模組，包含有一第一電源驅動單元，用來根據一控制訊號，輸出一第一電源驅動訊號以及一第二電源驅動訊號，一第二電源驅動單元，用來根據該控制訊號，輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號；以及一邏輯控制模組，耦接於該電源驅動模組，用來根據該該輸入電壓與一臨界電壓，輸出該控制訊號，以控制由該第一電源驅動單元或由該第二電源驅動單元輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號；其中當該控制訊號顯示該輸入電壓小於該臨界電壓時，該邏輯控制模組調整該控制訊號以控制該第二電源驅動單元輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號，從而持續導通該上橋開關。

請參考第1圖，第1圖係本發明實施例之一電源管理系統10之示意圖。電源管理系統10係應用於一電子裝置中，用來將電子裝置之一電池模組(未繪示於第1圖)提供之一輸入電壓VIN轉換成一較低之供應電壓VSP，並將供應電壓VSP輸出至一輸出端OUT以供電子裝置使用。如第1圖所示，電源管理系統10包含有電源轉換模組100、102以及一邏輯控制模組104。電源轉換模組100用來根據控制訊號CON1，將輸入電壓VIN轉換為供應電壓VSP，其中電源轉換模組100可於輸入電壓VIN高於臨界電壓VTH時，有效率地將輸入電壓VIN轉換為供應電壓VSP。例如，電源轉換模組100可為一降壓式(bulk)電源轉換器，但不在此限。電源轉換模組102用來根據控制訊號CON2，將輸入電壓轉換成供應電壓VSP，其中電源轉換模組102可於輸入電壓VIN低於臨界電壓VTH時，有效率地將輸入電壓VIN轉換為供應電壓VSP。舉例來說，電源轉換模組102可為一低壓降(Low drop-out)電源轉換器，但不在此限。邏輯控制模組104用來於輸入電壓VIN高於臨界電壓VTH時，調整控制訊號CON1、CON2以指示電源轉換模組100運作並指示電源轉換模組102停止運作。此時，供應電壓VSP係由電源轉換模組100轉換而成。反之，當輸入電壓VIN低於臨界電壓VTH時，邏輯控制模組104調整控制訊號CON1、CON2，以指示電源轉換模組100停止運作並指示電源轉換模組102運作。此時，供應電壓VSP係由電源轉換模組102轉換而成。

需注意的是，第1圖所示之電源管理系統10係本發明之實施例，其係以功能方塊方式表示本發明之概念，而各方塊的實現方式或相關訊號之形式、產生方式等可根據各種系統之需求而適當調整。舉例來說，請參考第2圖，第2圖係電源管理系統10中邏輯控制模組104之一實現方式之示意圖。如第2圖所示，邏輯控制模組104包含有一比較單元200、一電源管理單元202、一正反器204以及一及(AND)閘206。比較單元200用來比較輸入電壓VIN與臨界電壓VTH之大小關係，並據以輸出一比較結果CR。相似地，電源管理單元202係根據輸入電壓VIN與臨界電壓VTH之大小關係，輸出相對應之控制訊號CON1，以於輸入電壓VIN大於臨界電壓VTH時，控制電源轉換模組100將輸入電壓VIN轉換成供應電壓VSP。正反器204用來接收控制訊號CON1，並產生控制訊號CON1之一反相訊號CON1B。及閘206用來接收訊號CON1B以及比較結果CR，並據以輸出控制訊號CON2，以於輸入電壓VIN小於臨界電壓VTH時，控制電源轉換模組102將輸入電壓VIN轉換成供應電壓VSP。

因此，透過第2圖之邏輯控制模組104，當輸出電壓VIN高於臨界電壓VTH時，電源管理單元202會輸出高邏輯電位之控制訊號CON1，以控制電源轉換模組100運作。此時輸入電壓VIN係由電源轉換模組100轉換成供應電壓VSP。於此同時，比較單元200會輸出低邏輯電位之比較結果CR，且藉由及閘206根據比較結果CR以及反相訊號CON1B產生適當之控制訊號CON2，以控制電源轉換模組102停止運作。另一方面，當輸入電壓VIN低於臨界電壓VTH時，電源管理單元202會切換控制訊號CON1為低邏輯電位，以控制電源轉換模組100停止運作。於此同時，比較單元200會輸出高邏輯電位之比較結果CR。如此一來，及閘206會根據比較結果CR以及反相訊號CON1B，輸出高邏輯電位之控制訊號CON2，以控制電源轉換模組102開始運作。此時，輸入電壓VIN係由電源轉換模組102轉換成供應電壓VSP。

請參考第3圖，第3圖係第2圖所示之電源管理系統10運作時相關訊號之示意圖。如第3圖所示，在一時間點T1前，輸入電壓VIN係高於臨界電壓VTH，因此控制訊號CON1係高邏輯電位，比較結果CR係低邏輯電位，控制訊號CON2係低邏輯電位。此時，供應電壓VSP係由電源轉換模組100轉換而成。於時間點T1後，輸入電壓VIN係低於臨界電壓VTH，因此控制訊號CON1被切換為低邏輯電位，比較結果CR被切換為高邏輯電位，控制訊號CON2被切換為高邏輯電位。此時，供應電壓VSP係由電源轉換模組102 轉換而成。

進一步地，由於電子裝置可使用之供應電壓VSP之電壓值係介於一最高供應電壓VSP_MAX與一最低供應電壓VSP_MIN之間，因此，若將臨界電壓VTH設為最高供應電壓VSP_MAX，即可於輸入電壓VIN低於臨界電壓VTH(即最高供應電壓VSP_MAX)時，直接將輸入電壓VIN輸出為供應電壓VSP。請參考第4圖，第4圖係第1圖所示之電源管理系統10之另一實現方式之示意圖。第4圖所示之電源管理系統10之組成與第2圖所示之電源管理系統10類似。唯不同的是，第4圖所示之電源管理系統10之電源轉換模組102係由一開關400實現。開關400係根據控制訊號CON2，控制輸入電壓VIN與輸出節點OUT之間的連結。詳細來說，當輸入電壓VIN高於臨界電壓VTH時，電源管理單元202依然輸出高邏輯電位之控制訊號CON1，以控制電源轉換模組100將輸入電壓VIN轉換為供應電壓VSP。於此同時，比較單元200係輸出低邏輯電位之比較結果CR，並藉由及閘206根據反相訊號CON1B以及比較結果CR輸出低邏輯電位之控制訊號CON2，以斷開開關400。另一方面，當輸入電壓VIN低於臨界電壓VTH時，電源管理單元202切換輸出低邏輯電位之控制訊號CON1，以控制電源轉換模組100停止運作。與此同時，比較單元200切換輸出高邏輯電位之比較結果CR，並藉由及閘206根據反相訊號CON1B以及比較結果CR輸出高邏輯電位之控制訊號CON2，以導通開關400，此時供應電壓VSP等於輸入電壓VIN。

請參考第5圖，第5圖係第4圖所示之電源管理系統10運作時相關訊號之示意圖。如第5圖所示，在時間點T1之前，輸入電壓VIN係高於臨界電壓VTH，因此控制訊號CON1係高邏輯電位，比較結果CR係低邏輯電位，控制訊號CON2係低邏輯電位。此時，供應電壓VSP係由電源轉換模組100轉換而成。於時間點T1後，輸入電壓VIN係低於臨界電壓VTH，因此控制訊號CON1被切換為低邏輯電位，比較結果CR被切換為高邏輯電位，控制訊號CON2被切換為高邏輯電位。此時，供應電壓VSP係輸入電壓VIN。

需注意的是，本發明之主要精神係藉由比較電子裝置中電池模組提供之輸入電壓與臨界電壓之大小關係，以適時切換電源轉換模組將輸入電壓轉換為供應電壓，從而延長電子裝置之電池使用時間。根據不同應用，本領域熟知技藝者可據以作出適當之變化及調整。舉例來說，請參考第6圖，第6圖係依據第4圖所示之電源管理系統10適當修改邏輯控制模組104以及開關400之一實現方式之示意圖。不同於第4圖所示之電源管理系統10，由於第6圖所示之電源管理系統10中開關400係由一P型金氧半場效電晶體600實現。因此，為了維持P型金氧半場效電晶體600之導通特性與開關400之導通特性相同，及閘206需替換為一反及(NAND)閘602。此外，邏輯控制模組104另包含一史密斯觸發器(Smith Trigger)604耦接於邏輯控制模組104與電源轉換模組102之間用來緩衝控制訊號CON2，並據以產生控制訊號CON2’，從而避免P型金氧半場效電晶體600因控制訊號CON2上的雜訊跳動而不正常導通或斷開。第6圖所示之電源管理系統10之詳細操作可參考第4圖所述之電源管理系統10，為求簡潔在此不贅述。

請參考第7圖，第7圖係本發明實施例之一電源管理系統70之示意圖。電源管理系統70係根據電源管理系統10適當修改電源轉換模組100、102，以使不同的電源轉換模組可共同使用部份電路元件，從而降低製造成本。如第7圖所示，電源管理系統70包含有一邏輯控制模組700、一電源驅動模組702以及一功率級模組704。邏輯控制模組700用來根據來自一電池模組之一輸入電壓VIN以及一臨界電壓VTH，調整一控制訊號CON。電源驅動模組702包含有電源驅動單元706、708，用來根據控制訊號CON，決定由電源驅動單元706或由電源驅動單元708輸出電源驅動訊號D_UP、D_DN。功率級模組704包含有一上橋開關710、一下橋開關712、一電感714以及一電容716，用來根據電源驅動訊號D_UP、D_DN，將輸入電壓VIN轉換為一較低之供應電壓VSP，並將供應電壓VSP輸出至一輸出端OUT。

詳細來說，當輸入電壓VIN大於臨界電壓VTH時，邏輯控制單元700會調整控制訊號CON，以指示電源驅動訊號D_UP、D_DN由電源驅動單元706輸出。電源驅動單元706將會根據輸入電壓VIN輸出電源驅動訊號D_UP、D_DN，以週期性導通上橋開關710以及下橋開關712。此時，電源驅動單元706搭配功率級模組704之操作原理將相同於一降壓式電源轉換器。降壓式電源轉換器之操作原理應為本領域技術人員所熟知，不在此贅述。如此一來，電源管理系統70可於輸入電壓VIN大於臨界電壓VTH時，使用相同於降壓式電源轉換器之原理將輸入電壓VIN轉換為供應電壓VSP。

反之，當輸入電壓VIN小於臨界電壓VTH時，邏輯控制單元 700會調整控制訊號CON，以指示電源驅動訊號D_UP、D_DN係由電源驅動單元708輸出。電源驅動單元708將會輸出電源驅動訊號D_UP、D_DN，以持續操作上橋開關710。此時，電源驅動單元708搭配功率級模組704之操作原理將相同於一低壓降電源轉換器。低壓降電源轉換器之操作原理應為本領域技術人員所熟知，在此不贅述。如此一來，電源管理系統70可於輸入電壓VIN小於臨界電壓VTH時，使用相同於低壓降電源轉換器之原理將輸入電壓VIN轉換為供應電壓VSP。

綜上所述，本發明可於電子裝置之電池模組所提供之輸入電壓低於臨界電壓時，切換不同電源轉換模組或不同電源轉換方式將輸入電壓轉換成供應電壓，以繼續利用電池模組之殘存電力，從而延長電子裝置之電池使用時間。相較於習知技術，本發明可避免使用複雜度高且成本昂貴之降壓升壓式電源轉換器，並達到延長電子裝置之電池使用時間之目的。

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。

10、70‧‧‧電源管理系統

100、102‧‧‧電源轉換模組

104、700‧‧‧邏輯控制模組

200‧‧‧比較單元

202‧‧‧電源管理單元

204‧‧‧正反器

206‧‧‧及閘

400‧‧‧開關

600‧‧‧P型金氧半場效電晶體

602‧‧‧反及閘

604‧‧‧史密斯觸發器

702‧‧‧電源驅動模組

704‧‧‧功率級模組

706、708‧‧‧電源驅動單元

710‧‧‧上橋開關

712‧‧‧下橋開關

714‧‧‧電感

716‧‧‧電容

CON1、CON2、CON2’‧‧‧控制訊號

CON1B‧‧‧反相訊號

CR‧‧‧比較結果

OUT‧‧‧輸出端

VIN‧‧‧輸入電壓

VSP‧‧‧供應電壓

VSP_MAX‧‧‧最高供應電壓

VSP_MIN‧‧‧最低供應電壓

VTH‧‧‧臨界電壓

第1圖係本發明實施例之一電源管理系統之示意圖。

第2圖係第1圖所示之電源管理系統一實現方式之示意圖。

第3圖係第2圖所示之電源管理系統運作時相關訊號之時序圖。

第4圖係第1圖所示之電源管理系統另一實現方式之示意圖。

第5圖係第4圖所示之電源管理系統運作時相關訊號之時序圖。

第6圖係第1圖所示之電源管理系統另一實現方式之示意圖。

第7圖係本發明實施例之另一電源管理系統之示意圖。

10‧‧‧電源管理系統

100、102‧‧‧電源轉換模組

104‧‧‧邏輯控制模組

CON1、CON2‧‧‧控制訊號

OUT‧‧‧輸出端

VIN‧‧‧輸入電壓

VSP‧‧‧供應電壓

Claims

一種電源管理系統，用於一電子裝置，該電源管理系統包含有：一第一電源轉換模組，用來根據一第一控制訊號，將該電子裝置之一電池模組的一輸入電壓轉換為一第一供應電壓，並將該第一供應電壓輸出至一輸出節點；一第二電源轉換模組，包含有一開關模組，用來根據一第二控制訊號，將該輸入電壓作為一第二供應電壓，並將該第二供應電壓輸出至該輸出節點；以及一邏輯控制模組，用來根據該輸入電壓以及一臨界電壓，輸出該第一控制訊號以及該第二控制訊號，以控制由該第一電源轉換模組或由該第二電源轉換模組對該輸入電壓進行轉換。
如請求項1所述之電源管理系統，其中該邏輯控制模組包含有：一電源管理器，用來輸出該第一控制訊號；一比較器，用來比較該臨界電壓及該輸入電壓，以輸出一比較結果；以及一邏輯單元，耦接於該電源管理器以及該比較器，用來根據該第一控制訊號以及該比較結果，輸出該第二控制訊號。
如請求項2所述之電源管理系統，其中當該比較結果顯示該輸入電壓大於該臨界電壓時，該電源管理器調整該第一控制訊號以指示該第一電源轉換模組對該輸入電壓進行轉換，以及該邏輯單元根據該第一控制訊號以及該比較結果，調整該第二控制訊號以指示該第二電源轉換模組停止運作。
如請求項2所述之電源管理系統，其中當該比較結果顯示該輸入電壓大於該臨界電壓時，該電源管理器調整該第一控制訊號以指示該第一電源轉換模組停止運作，以及該邏輯單元根據該第一控制訊號以及該比較結果，調整該第二控制訊號以指示該第二電源轉換模組對該輸入電壓進行轉換。
如請求項1所述之電源管理系統，其中該第一電源轉換模組係一降壓式電源轉換器。
如請求項1所述之電源管理系統，其中該開關模組係一P型金氧半場效電晶體，包含有一汲極耦接於該輸入電壓，一閘極耦接於該第二控制訊號，以及一源極耦接於該輸出節點。
如請求項1所述之電源管理系統，其中該第二電源轉換模組另包含一史密斯觸發器耦接於該開關模組以及該控制單元之間。
一種電源管理系統，用於一電子裝置中，包含有：一功率級模組，包含有：一上橋開關，耦接於該電子裝置一電池模組的一輸入電壓以及一第一節點之間，用來根據一第一電源驅動訊號調整該輸入電壓與該第一節點間的連接；一下橋開關，耦接於該第一節點與一地端之間，用來根據一第二電源驅動訊號，調整該第一節點與該地端間的連接；一電感，耦接於該第一節點與一輸出節點；以及一電容，耦接於該輸出節點與該地端之間；一電源驅動模組，耦接於該功率級模組，包含有：一第一電源驅動單元，用來根據一控制訊號，輸出一第一電源驅動訊號以及一第二電源驅動訊號；一第二電源驅動單元，用來根據該控制訊號，輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號；以及一邏輯控制模組，耦接於該電源驅動模組，用來根據該該輸入電壓與一臨界電壓，輸出該控制訊號，以控制由該第一電源驅動單元或由該第二電源驅動單元輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號；其中當該控制訊號顯示該輸入電壓小於該臨界電壓時，該邏輯控制模組調整該控制訊號以控制該第二電源驅動單元輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號，從而持續導通該上橋開關。
如請求項8所述之電源管理系統，其中當該控制訊號顯示該輸入電壓大於該臨界電壓時，該邏輯控制模組調整該控制訊號以控制該第一電源驅動單元輸出該第一電源驅動訊號以及該第二電源驅動訊號，從而週期性導通該上橋開關以及該下橋開關。
如請求項9所述之電源管理系統，其中該電源驅動切換模組搭配上該功率級模組係一降壓式電源轉換器。