TWI463297B - 具有軟啓動機制的電源管理裝置及相關的電源供應系統 - Google Patents

Description

具有軟啟動機制的電源管理裝置及相關的電源供應系統

本發明有關於一種電源管理裝置，尤指一種採用軟啟動機制的電源管理裝置。

在許多電子設備中，會採用電源管理裝置控制電源提供裝置，以使電源提供裝置能對所負載的電子元件提供所需的電力，而能讓電子設備更穩定地運作。例如，高運算量的中央處理器運作時需要消耗大量的電力，若不使用電源管理裝置和電源提供裝置穩定地供應其所需的電力，則可能導致中央處理器的運作不正常。

然而，在某些應用中，當電源管理晶片和電源提供裝置被供電的時間不同時，會使電源提供裝置對負載輸出大量的電流(或稱突入電流，inrush current)，而造成系統的不正常運作，甚至會造成電子元件的毀損。例如，行動設備的應用中，當電子元件不運作或是運算量較低時，常會將電源提供裝置和電子元件的電源關閉或降低以節省電力。然而，當電子元件需要正常運作或運算量較高，而需對電源提供裝置和電子元件恢復正常地供電時，就會有突入電流的產生。

另一方面，電子設備的體積日益的縮小，常會造成系統中沒有多 餘的空間可以設置線路，以讓電源管理裝置監控電源提供裝置是否已經被正常的供電。因此，電源管理裝置僅能監控電源管理裝置和電源提供裝置間的連接點，以判斷電源提供裝置是否已經被正常的供電，並且採用軟啟動機制(soft start mechanism)控制電源提供裝置，以對負載輸出適當的電壓或電流，而避免突入電流的產生所造成的系統不穩定。此外，當電源提供裝置和電子元件需要被正常供電時，電源管理裝置也需要能即時的偵測，以便電子元件能夠快速的回復正常運作狀態。

有鑑於此，如何避免電源提供裝置產生突入電流，並且能使電源提供裝置快速地恢復正常供電，實為業界有待解決的問題。

本說明書提供了一種電源供應系統，包含有：一電源提供裝置，包含有：一第一開關電路，耦接於一第一供電端及一負載之間；以及一第二開關電路，耦接於一第二供電端及該負載之間；以及一電源管理裝置，包含有：一輸入端，耦接於該第一開關電路及該第二開關電路；一第三開關電路，耦接於該輸入端與一信號儲存電路之間；一控制電路，於一第一時段時，使該信號儲存電路充電或放電，並且於一第二時段內，分別或同時導通該第一開關電路及該第三開關電路，以使該信號儲存電路產生一輸出信號；以及一比較電路，耦接於信號儲存電路，用以比較該輸出信號與一第一參考信號；其中當該輸出信號小於該第一參考信號時，該控制電路使該第一開關電路於一第三時段時維持不導通的狀態，並且當該輸出信號大於該第一參考信號或一第二參考信號時，該控制電路使該第一開關電路及/或該第二開關電路導通一次或多 次，或者當該輸出信號大於該第一參考信號時，該控制電路使該第一開關電路於該第三時段時維持不導通的狀態，並且當該輸出信號小於該第一參考信號或一第三參考信號時，該控制電路使該第一開關電路及/或該第二開關電路導通一次或多次。

本說明書另提供了一種電源管理裝置，包含有：一輸入端，用以耦接於一電源提供裝置的一第一開關電路；一第二開關電路，耦接於該輸入端與一信號儲存電路之間；一控制電路，用以於一第一時段時，使該信號儲存電路充電或放電，並且於一第二時段內，分別或同時導通該第一開關電路及該第二開關電路，以使該信號儲存電路產生一輸出信號；以及一比較電路，耦接於信號儲存電路，用以比較該輸出信號與一第一參考信號；其中當該輸出信號小於該第一參考信號時，該控制電路使該第一開關電路於一第三時段內維持不導通的狀態，並且當該輸出信號大於該第一參考信號或一第二參考信號時，該控制電路使該第一開關電路導通一次或多次，或者當該輸出信號大於該第一參考信號時，該控制電路使該第一開關電路於該第三時段內維持不導通的狀態，並且當該輸出信號小於該第一參考信號或一第三參考信號時，該控制電路使該第一開關電路導通一次或多次。

上述實施例的優點之一是藉由電源管理裝置的控制，以使電源提供裝置能對負載輸出適當的電源供應，而能避免突入電流的產生。上述實施例的另一優點是電源管理裝置能夠快速地判斷出電源提供裝置是否已經被正常的供電，而能夠快速地恢復正常的工作模式。本發明的其他優點將藉由以下的說明和附圖進行更詳細的說明。

100‧‧‧電源供應系統

110‧‧‧電源提供裝置

111、113‧‧‧開關電路

115、117‧‧‧供電端

119‧‧‧端點

130‧‧‧電源管理裝置

131‧‧‧開關電路

133‧‧‧信號儲存電路

135‧‧‧比較電路

137‧‧‧控制電路

310、320‧‧‧開關電路

330‧‧‧信號儲存電路

圖1為本發明的電源供應系統的一實施例簡化後的功能方塊圖。

圖2為圖1中的電源供應系統中的信號的一實施例簡化後的時序圖。

圖3為圖1中的開關電路的一實施例簡化後的電路圖。

以下將配合相關圖式來說明本發明的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或流程步驟。

圖1為本發明一實施例的電源供應系統100簡化後的功能方塊圖，電源供應系統100包含有電源提供裝置110及電源管理裝置130，以對負載供應所需的電力。負載可以是主動式的電子元件、被動式的電子元件或者各種電子元件所組成的電路，例如，負載可以包含有電阻、電容、電感、中央處理器、圖像處理器及/或微控制器等。

電源提供裝置110包含有開關電路111和113，分別耦接於供電端115和117，在本實施例中，開關電路111和113採用電晶體開關。此外，端點119耦接於負載、開關電路111及開關電路113之間。

電源管理裝置130包含有開關電路131、信號儲存電路133、比較電路135和控制電路137。電源控制裝置100會產生控制信號UG和LG，以分別控制開關電路111和113的導通狀態，並且會藉由偵測端點119的電壓或電流，而對應地產生控制信號以調整電源提供裝置110。

圖2為電源供應系統100運作時，系統中的信號的一實施例簡化後 的時序圖。以下將以圖1搭配圖2，以進一步說明電源供應系統100的運作方式。

在圖2的時段T1中，電源管理裝置130已經被正常供電，而電源提供裝置110並未被供電或者僅被供給低於正常工作的電壓。在本實施例中，假設在時段T1中，供電端115的電壓V1和供電端117的電壓V2皆為接地端的電位0。

於時段T1時，控制電路137會將控制信號UG設置為低電位，並且將信號儲存電路133充電，使信號儲存電路133的輸出電壓S133成為Va。

於時段T2時，控制電路137會將控制信號UG設置一次或多次的高電位狀態。如圖2中，控制電路137將控制信號UG設置了二次高電位狀態U1和U2，而使電源提供裝置110的開關電路111於控制訊號UG為高電位狀態U1和U2時呈現導通狀態。

此外，在本實施例中，當控制訊號UG為高電位狀態U1和U2時，控制電路137也會將開關電路131設置為導通狀態，而使信號儲存電路133耦接於端點119、供電端115及負載。

此時，由於供電端115的電壓V1仍為0，造成信號儲存電路133的輸出電壓S133下降至Vb。

比較電路135接收信號儲存電路133的輸出電壓S133，並比較輸出電壓S133與參考電壓Vref，而產生輸出信號S135，並將信號S135傳送至控制電路137。在本實施例中，當輸出信號S135為低電位時，表示輸出電壓S133小於參考電壓Vref，當輸出信號S135為高電位時，表示輸出電壓S133大於參考電壓Vref。

控制電路137接收低電位的信號S135，判斷電源提供裝置110尚未被正常供電。因此，控制電路137於時段T3中，將控制信號UG設置為低電位，並且將信號儲存電路133充電，使信號儲存電路133的輸出電壓S133成為Va。

於時段T4時，控制電路137會將控制信號UG設置一次或多次的高電位狀態。如圖2中，控制電路137將控制信號UG設置了二次高電位狀態U3和U4，而使電源提供裝置110的開關電路111於控制訊號UG為高電位狀態U3和U4時呈現導通狀態。

此外，在本實施例中，當控制訊號UG為高電位狀態U3和U4時，控制電路137也會將開關電路131同時設置為導通狀態，而使信號儲存電路133耦接於端點119、供電端115及負載。

此時，由於供電端115的電壓V1已經提升至正常工作電壓Vdd，而使信號儲存電路133的輸出電壓S133大於參考電壓Vref(本實施例中輸出電壓S133保持為Va)，因此，比較電路135的輸出電壓S135呈現高電位。

控制電路137接收高電位的信號S135，判斷電源提供裝置110已被正常供電。因此，控制電路137於時段T5中，進入正常運作模式，產生控制信號UG和LG，以控制開關電路111和113的導通狀態，使電源提供裝置110逐漸地提昇對負載所輸出的電壓或電流，而能避免突入電流的產生。如圖2中所示，電源提供裝置110的輸出電壓Vout逐漸地提升至正常工作電壓。

在另一實施例中，若電源管理裝置130未於時段T4中偵測到電源提供裝置110已被正常供電時，則控制電路137於下一時段中，將 控制信號UG設置為低電位，並且將信號儲存電路133充電，使信號儲存電路133的輸出電壓S133成為Va，並且重複上述的偵測程序。

開關電路131可以為任何形式的開關裝置，例如，採用電晶體所組成的開關，或者其他的主動或被動元件所組成的電路。

例如，圖3為開關電路131的一實施例，此實施例中，開關電路131採用取樣保持(sample and hold)的電路架構，包含有開關電路310和320以及信號儲存電路330。開關電路310和320可以採用電晶體所組成的開關或其他開關裝置，並且使用控制信號Cs1和Cs2分別控制的導通狀態。而信號儲存電路330可以採用電容或者其他的主動或被動元件所組成的電路。

於圖2的時段T2和T4中，可使用控制信號UG及控制信號UG的反相信號作為開關電路310和320的控制信號Cs1和Cs2，當控制信號UG為高電位時，開關電路310導通而開關電路320不導通，並且電源提供裝置110的開關電路111也呈現導通狀態，使信號儲存電路330能充電或放電至供電端115的電壓V1。並且當UG為低電位時，開關電路310不導通而開關電路320導通，使信號儲存電路330所儲存的電壓V1傳送至信號儲存電路133。此外，在其他實施例中，開關電路310或320也可以省略，或者另設置多個開關電路及/或信號儲存裝置。

在上述的實施例中，當電源提供裝置110並未被供電或者僅被供給低於正常工作的電壓，代表供電端115及/或供電端117未被提供正常供電的電壓或電流，或者供電端115及供電端117間的信號 差值(例如，電壓差值等)未到達正常運作時的範圍。

在另一實施例中，控制電路137也可於圖2的時段T2和T4時，將開關電路131一直設置為導通狀態。

信號儲存電路133可以採用任何適當的儲存裝置，例如，使用電容耦接於電流源或電壓源，以配合控制電路137，而將電容充電或放電至輸出電壓Va。

在另一實施例中，也可將信號儲存電路133設置為接收到高電位的輸入電壓時，產生低電位的輸出信號S133，並且當信號儲存電路133接收到低電位的輸入電壓時，產生高電位的輸出信號S133。例如，使用一開關電路與一電容並聯以實施信號儲存電路133，當接收到低電位的輸入信號時，開關電路呈現開路，而使輸出信號S133(即電容的電壓)維持電壓Va；當接收到高電位的輸入信號時，開關電路呈現短路，使電容放電而將輸出信號S133改變為低電位。

在另一實施例中，也可以設置為當輸出信號S133大於參考電壓Vref時，表示供電端115尚未被正常供電，而當信號S133小於參考電壓Vref時，表示供電端115已被正常供電。

在另一實施例中，也可以設置為當輸出信號S135為低電位時，表示輸出電壓S133大於參考電壓Vref，當輸出信號S135為高電位時，表示輸出電壓S133小於參考電壓Vref。

在上述的實施例中，比較電路135即時地比較輸出電壓S133和參考電壓Vref。在其他實施例中，比較電路135也可以依據控制電路137的指示，而於特定的時間才進行比較的動作。

在上述的實施例中，於時段T2和T4結束時，控制電路137才判斷電源提供裝置110是否已被正常供電。在另一實施例中，也可以於時段T2和T4中，由控制電路137即時的判斷電源提供裝置110是否已被正常供電。例如，當信號S133小於參考電壓Va時，即判斷電源提供裝置110尚未被正常供電。在其他的實施例中，也可以混合上述兩種判斷方式，或者配合其他的控制方式實施。

在上述的實施例中，供電端115的電壓V1於時段T4時被提升至Vdd。在其他的實施例中，供電端115的電壓V1於時段T3或者於時段T4的任何時間點時被提升至Vdd，控制電路137仍能透過適當的控制開關電路111、開關電路131、信號儲存電路133及比較電路135，而能偵測電源提供裝置110已經被正常的供電。

在上述的實施例中，於時段T1和T3時，信號儲存電路133的輸出電壓S133會充電或放電至電壓Va，此時，可將電壓Va與參考電壓Vref設置為非常接近或相同。因此，當時段T2和T4時，受到開關電路131導通的影響，信號儲存電路133的輸出信號S133而會於很短的時間即呈現大於參考電壓Vref或小於參考電壓Vref的狀態，而能快速的判斷電源提供裝置110是否已被正常的供電。

在另一實施例中，當信號儲存電路133的輸出電壓S133小於一參考電壓Vref1時，比較電路135產生低電位(或高電位)的信號S135，並於信號儲存電路133的輸出電壓S133大於另一參考電壓Vref2時，比較電路135產生高電位(或低電位)的信號S135，而使控制電路137能更明確的判斷電源提供裝置110是否已經被正常的供電。

在其他實施例中，電源管理裝置130使用類似的方式控制開關電路113，或者同時控制開關電路111和113，以判斷供電端115及/或供電端117是否已經被正常的供電。此外，在其他實施例中，電源供應系統100未包含有開關電路113及相關的電路，而電源管理裝置130僅藉由類似的方式控制開關電路111，以判斷供電端115是否已經被正常的供電。

在上述的實施例中，各個元件可以依據設計考量而整合於同一積體電路元件、同一離散元件、或者以一個或多個的積體電路元件及/或離散元件所組成。例如，信號儲存電路133等元件可以設置於電源管理裝置130的外部。

上述實施例的優點之一是藉由偵測電源提供裝置110的端點119的信號，並將信號經由電源管理裝置130的開關電路131、信號儲存電路133、比較電路135和控制電路137的處理後，由控制電路137判斷電源提供裝置110是否已經被正常的供電，以控制電源提供裝置110對負載輸出適當的電源，而能避免突入電流的產生。

上述實施例的另一優點是藉由將電源管理裝置130的信號儲存電路133充電或放電至一預設的信號值(例如，電壓值Va)，使信號儲存電路133接收電源提供裝置110的端點119的偵測信號後，能夠快速地與參考電壓Vref進行比較，並快速地判斷出電源提供裝置110是否已經被正常的供電。

說明書及申請專利範圍中的某些詞彙被用來指稱特定的元件，所屬技術領域的技術人員應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異作為區分 元件的方式，而是以元件在功能上的差異來為區分的基準。在說明書及申請專利範圍中所提及的「包含」為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則代表第一裝置可通過電性連接、有線傳輸、無線傳輸、或光學傳輸等信號連接方式而直接連接於第二裝置，或通過其他裝置或連接手段間接的電性或信號連接至該第二裝置。

在說明書及圖示中，信號以高態有效(active high)方式表達以簡化說明，即信號於高電位時為有效(active)。在申請專利範圍及其他實施例中，各個信號也可以分別採用高態有效、低態有效(active low)或混合使用高態有效和低態有效的方式表示。例如，可以將某一信號設置為對第一裝置為高態有效，並且對第二裝置為低態有效等方式實現。

此外，某些信號、元件、電路、流程或操作方法等僅以電壓或者電流的方式描述，但所屬技術領域的技術人員應可理解，電壓型式或電流形式的實施方式，皆能夠藉由適當的轉換而達成本發明的功效。

說明書及圖示中的元件的數量、位置和連接關係等僅為示意性的敘述與繪製，以簡化說明。說明書中各個元件能以一個或多個的元件實施，或者說明書中多個元件的功能也可由同一元件實施，而皆屬本發明的涵蓋範圍。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，各個實施例間皆能適當的結合而不互斥，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化、修飾與 組合，皆屬本發明的涵蓋範圍。

100‧‧‧電源供應系統

110‧‧‧電源提供裝置

111、113‧‧‧開關電路

115、117‧‧‧供電端

119‧‧‧端點

130‧‧‧電源管理裝置

131‧‧‧開關電路

133‧‧‧信號儲存電路

135‧‧‧比較電路

137‧‧‧控制電路

Claims (10)

1. 一種電源供應系統，包含有：一電源提供裝置，包含有：一第一開關電路，耦接於一第一供電端及一負載之間；以及一第二開關電路，耦接於一第二供電端及該負載之間；以及一電源管理裝置，耦接於該第一開關電路及該第二開關電路，包含有：一第三開關電路，耦接於該第一開關電路與一信號儲存電路之間；一控制電路，於一第一時段時，使該信號儲存電路充電或放電，並且於一第二時段內，分別或同時導通該第一開關電路及該第三開關電路，以使該信號儲存電路耦接至該第一供電端而產生一輸出信號；以及一比較電路，耦接於信號儲存電路，用以比較該輸出信號與一第一參考信號；其中當該電源提供裝置已經被正常供電時，該控制電路會依據比較電路的比較結果，而使該第一開關電路及/或該第二開關電路導通一次或多次；並且當該電源提供裝置已經未被正常供電時，該控制電路會依據比較電路的比較結果，而使該第一開關電路於一第三時段時維持不導通的狀態。
2. 如請求項1所述的電源供應系統，其中當該輸出信號大於該第一參考信號時，該控制電路會使該第一開關電路於該第三時段時維 持不導通的狀態，或者當該輸出信號小於該第一參考信號時，該控制電路會使該第一開關電路於該第三時段時維持不導通的狀態。
3. 一種電源管理裝置，用以耦接於一電源提供裝置的一第一開關電路，該第一開關電路耦接於一第一供電端而對一負載供電，該電源管理裝置包含有：一第二開關電路，耦接於該第一開關電路與一信號儲存電路之間；一控制電路，用以於一第一時段時，使該信號儲存電路充電或放電，並且於一第二時段內，分別或同時導通該第一開關電路及該第二開關電路，以使該信號儲存電路耦接於該第一供電端而產生一輸出信號；以及一比較電路，耦接於信號儲存電路，用以比較該輸出信號與一第一參考信號；其中當該電源提供裝置未被正常供電時，該輸出信號小於該第一參考信號，該控制電路使該第一開關電路於一第三時段內維持不導通的狀態；並且當該電源提供裝置已經被正常供電時，該輸出信號大於該第一參考信號或一第二參考信號，該控制電路使該第一開關電路導通一次或多次。
4. 如請求項3所述的電源管理裝置，其中於該第二時段結束時，該比較電路比較該輸出信號與該參考信號，當該輸出信號小於該第一參考信號時，該控制電路會使該第一開關電路於該第三時段內維持不導通的狀態。
5. 如請求項3或4所述的電源管理裝置，其中於該第二時段內，該比較電路比較該輸出信號與該參考信號，當該輸出信號小於該第一 參考信號時，該控制電路會使該第一開關電路於該第三時段內維持不導通的狀態。
6. 如請求項3或4所述的電源管理裝置，其中於該第二時段中的一第四時段，該控制電路會使該第一開關電路呈現導通狀態，並使該第二開關電路呈現不導通的狀態，並且於該第二時段中的一第五時段，該控制電路會使該第一開關電路呈現不導通狀態，並使該第二開關電路呈現導通的狀態。
7. 一種電源管理裝置，用以耦接於一電源提供裝置的一第一開關電路，該第一開關電路耦接於一第一供電端而對一負載供電，該電源管理裝置包含有：一第二開關電路，耦接於該第一開關電路與一信號儲存電路之間；一控制電路，用以於一第一時段時，使該信號儲存電路充電或放電，並且於一第二時段內，分別或同時導通該第一開關電路及該第二開關電路，以使該信號儲存電路耦接於該第一供電端而產生一輸出信號；以及一比較電路，耦接於信號儲存電路，用以比較該輸出信號與一第一參考信號；其中當該電源提供裝置未被正常供電時，該輸出信號大於該第一參考信號，該控制電路使該第一開關電路於一第三時段內維持不導通的狀態；並且當該電源提供裝置已經被正常供電時，該輸出信號小於該第一參考信號或一第二參考信號，該控制電路使該第一開關電路導通一次或多次。
8. 如請求項7所述的電源管理裝置，其中於該第二時段結束時，該比較電路比較該輸出信號與該參考信號，當該輸出信號大於該第 一參考信號時，該控制電路會使該第一開關電路於該第三時段內維持不導通的狀態。
9. 如請求項7或8所述的電源管理裝置，其中於該第二時段內，該比較電路比較該輸出信號與該參考信號，當該輸出信號大於該第一參考信號時，該控制電路會使該第一開關電路於該第三時段內維持不導通的狀態。
10. 如請求項7或8所述的電源管理裝置，其中於該第二時段中的一第四時段，該控制電路會使該第一開關電路呈現導通狀態，並使該第二開關電路呈現不導通的狀態，並且於該第二時段中的一第五時段，該控制電路會使該第一開關電路呈現不導通狀態，並使該第二開關電路呈現導通的狀態。