TWI466410B - 電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法

本發明是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種可依據負載電流大小而切換具有不同轉換效率之電壓調整器的電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法。

為了節省耗電，電子裝置通常會具備多種電源管理模式，例如正常操作模式(operational mode)、待機模式(standby mode)或連網待機模式(connected standby mode)。根據不同的電源管理模式，電子裝置會依據對應的設定而關閉或減少部份負載裝置的供電，藉以降低電子裝置整體的功率消耗。

一般而言，由於電子裝置在正常操作模式下的功率消耗最大，因此電源供應系統的電路設計皆會配合電子裝置在正常操作模式下的功耗需求而設計。因此，電源供應系統得以在電子裝置正常操作模式的情況下，利用最佳的功率轉換效率進行供電，以減少電源供應系統的功率損耗。

然而，由於傳統電源供應系統的最佳轉換效率被設定在大輸出電流(即重負載)的操作環境中，使得當電源供應系統操作在小輸出電流(即輕負載)的操作環境中時，此傳統電源供應系統的轉換效率即會大幅地下降。因此，在輕負載的操作環境中，傳統電源供應系統會因為轉換效率不佳而損失許多功率。例如，在可攜式電子裝置從正常 操作模式進入待機模式或連網待機模式的情況下，可攜式電子裝置的整體功率消耗雖然降低，但是可攜式電子裝置的傳統電源供應系統會因為在輕負載的操作環境中轉換效率不佳而消耗大量的額外功耗。如此一來，待機模式或連網待機模式所帶來的降低功耗的效益亦大打折扣。另一方面，轉換效率不佳的傳統電源供應系統會消耗電池電量，使得可攜式電子裝置的維持待機時間(電池壽命)被大幅縮短。

本發明提供一種電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法，其可適應性地根據負載電流的大小而利用具有不同轉換效率的電壓調整器進行供電。

本發明提出一種電壓調節裝置，包括至少一個第一電壓調整器(voltage regulator)、多個第二電壓調整器以及控制器。第一電壓調整器的最佳轉換效率位於第一輸出電流範圍。第二電壓調整器的輸出端與第一電壓調整器的輸出端共同耦接至負載裝置，其中所述多個第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於第一輸出電流範圍的第二輸出電流範圍。控制器耦接第一電壓調整器與第二電壓調整器。其中，當負載裝置的負載電流位於第一輸出電流範圍時，控制器致能第一電壓調整器以提供輸出電流至負載裝置，以及禁能所述多個第二電壓調整器；以及當負載裝置的負載電流大於第一輸出電流範圍且小於所述多個第二電壓調 整器的最大輸出電流總和時，控制器依照負載裝置的負載電流而決定致能第二電壓調整器的數量以提供輸出電流至負載裝置，以及禁能第一電壓調整器。

本發明提出一種電壓調節裝置的控制方法，其中所述電壓調節裝置包括至少一個第一電壓調整器以及多個第二電壓調整器。第一電壓調整器與第二電壓調整器的輸出端共同耦接至負載裝置。所述控制方法包括：偵測負載裝置的負載電流大小；當負載裝置的負載電流位於第一輸出電流範圍時，致能第一電壓調整器以提供輸出電流至負載裝置，以及禁能第二電壓調整器，其中第一電壓調整器的最佳轉換效率位於第一輸出電流範圍；以及當負載裝置的負載電流大於第一輸出電流範圍且小於所述多個第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，依照負載裝置的負載電流而決定致能第二電壓調整器的數量以提供輸出電流至負載裝置，以及禁能第一電壓調整器，其中第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於第一輸出電流範圍的第二輸出電流範圍。

本發明提出一種電源供應系統，所述電源供應系統適於供電予電子裝置使用。所述電源供應系統包括多個電壓調節裝置。所述多個電壓調節裝置分別耦接電子裝置中的多個負載裝置，以提供對應的負載電壓至負載裝置，其中各個電壓調節裝置包括至少一個第一電壓調整器、多個第二電壓調整器以及控制器。第一電壓調整器的最佳轉換效率位於第一輸出電流範圍。第二電壓調整器的輸出端與第 一電壓調整器的輸出端共同耦接至負載裝置，其中所述多個第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於第一輸出電流範圍的第二輸出電流範圍。控制器耦接第一電壓調整器與第二電壓調整器。其中，當負載裝置的負載電流位於第一輸出電流範圍時，控制器致能第一電壓調整器以提供輸出電流至負載裝置，以及禁能所述多個第二電壓調整器；以及當負載裝置的負載電流大於第一輸出電流範圍且小於所述多個第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，控制器依照負載裝置的負載電流而決定致能第二電壓調整器的數量以提供輸出電流至負載裝置，以及禁能第一電壓調整器。

基於上述，本發明實施例之電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法可根據電子裝置的電源管理模式而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行電源供應，因此電子裝置不論是在正常操作模式或待機模式下，電源供應系統皆可利用較佳的轉換效率來進行供電，藉以解決電子裝置的功率消耗問題，並且延長電子裝置的使用時間。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明實施例提出一種電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法，所述之電壓調節裝置可根據電子裝置的電源管理模式而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行供電，藉以解決電子裝置的功率消耗問題，並且延 長電子裝置的使用時間。為了使本發明之內容更容易明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1A為一種電子裝置的電源供應系統的範例示意圖。在本實施例中，電子裝置10例如為個人電腦(personal computer)、筆記型電腦(notebook computer)、超輕薄筆電(ultrabook computer)、平板電腦(tablet computer)、個人數位助理(personal digital assistant,PDA)、智慧型手機(smart phone)或其他電子裝置。電子裝置10所需要的操作電能是由電源供應系統100所提供。

請參照圖1A，電源供應系統100包括多個電壓調整器(voltage regulator)VR_11~VR_1m、VR_21~VR2m、...、VRn1~VR_nm，其分別耦接至電子裝置10中的多個不同的構件(例如圖1A所繪示的負載裝置LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm)，以便供應具有各種電壓準位的操作電能。例如，如圖1A所示，電壓調整器VR_11~VR_1m、VR_21~VR2m、...、VRn1~VR_nm分別提供對應的負載電壓V1~Vn至負載裝置LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm，使得各個負載裝置12_1~12_n得以正常的運行及操作，其中n、m為正整數且可依據電子裝置10的規格需求而更動。

具體而言，各個負載裝置LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm會分別根據各自的規格而操作於對應的負載電壓V1~Vn。舉例來說，負載裝置LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm可例如為通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)介面電路/控制器、區域無線網路(WiFi)介面電路、記憶體(如次世代行動式記憶體LPDDR3)或其他功能的負載裝置。其中，負載裝置LD11~LD1m所需的電源電壓皆為V1，負載裝置LD21~LD2m所需的電源電壓皆為V2。以此類推，負載裝置LDn1~LDnm所需的電源電壓皆為Vn。前述電源電壓V1~Vn的準位是依照實際產品的設計需求來決定的。例如，USB介面電路的負載電壓約為5伏特(V)，WiFi介面電路的負載電壓約為3.3V，而記憶體(以LPDDR3為例)的負載電壓約為1.2V。

因此，電壓調整器LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm可對外部電壓源所提供的輸入電壓進行調整的動作，並分別輸出額定的負載電壓V1~Vn以供對應的負載裝置使用。其中，所述外部電壓源可為電池模組(battery module)，或者是將交流電源轉換為直流電源的電源轉接器(power adapter)，或者是其他直流電源，本發明不以此為限。

此外，不同的負載裝置在不同電源管理模式下所對應的操作功率亦不相同。電壓調整器LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm可以依據負載裝置的操作 狀態而動態調整輸出功率。

在電壓調整器的電路設計中，電壓調整器VR_11~VR_nm一般會針對所對應的負載裝置LD11~LDnm所需的重載操作功率而設定其電路參數，以將各個電壓調整器VR_11~VR_nm的最佳轉換效率設定於符合對應負載裝置之重載操作功率的輸出電流範圍內。因此，在正常操作模式下，電源供應系統100可基於較佳的轉換效率供電給電子裝置10，以節省電源供應系統100的功耗。

圖1B為電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖，其中縱軸表示電壓調整器的轉換效率，而橫軸表示電壓調整器的輸出電流。在圖1B中，三條轉換特性曲線分別繪示出圖1A的電壓調整器VR_11的輸入電壓VIN分別為5 V、7 V以及12 V的狀況，其中負載電壓(輸出電壓)V1例如設定為3.3V，但本發明不以此為限。圖1A的其他電壓調整器可以參照圖1B的相關說明而類推之。

請同時參照圖1A與圖1B，電壓調整器VR_11會調整輸入電壓VIN的準位(例如7 V)而輸出3.3V的負載電壓V1。在輸入電壓VIN設定為7 V的情況下，如圖1B所示，當電壓調整器VR_11的輸出電流約為0.9安培(A)時，電壓調整器VR_11的轉換效率為最佳(約90%)。亦即，當負載裝置LD11操作於2.97瓦(W)時，也就是當負載裝置LD11操作於重載狀態時，電壓調整器VR_11可具有最佳轉換效率。此外，電壓調整器VR_11的轉換效率 會根據所接收的輸入電壓VIN的電壓值不同而隨之改變。

然而，由於省電的考量，電子裝置10會於長時間未動作時進入待機模式或者連網待機模式(connected standby mode)，以令電子裝置10根據需求而使部份或全部的負載裝置LD11~LDnm操作於低功率狀態。當負載裝置LD11操作於低功率狀態時，或是當負載裝置LD11操作於輕載狀態時，負載裝置LD11僅需低功率的電源供應，以使其可在轉換為正常操作模式時快速地喚醒，或者維持所儲存的資料。電壓調整器VR_11的輸出電流越小，其轉換效率越差。例如，如圖1B所示，以電源電壓VIN等於7V所對應的轉換特性曲線為例，假設負載裝置LD11操作於低功率狀態時之操作功率為3.3mW，亦即電壓調整器VR_11的輸出電流約為1mA，此時之電壓調整器VR_11的轉換效率僅約為70%。

換句話說，由於圖1A所示實施例中的電壓調整器VR_11~VR_nm是依據大電流(重載)狀況來設置最佳轉換效率，因此在電子裝置10進入待機模式或連網待機模式而使各個負載裝置LD11~LDnm的操作功率變小時，電源供應系統100的各個電壓調整器VR_11~VR_nm會因為操作於小電流(輕載)狀況而大幅降低轉換效率，進而造成過多的功率浪費。尤其是可攜式電子裝置，轉換效率不佳的電壓調整器會消耗電池電量，使得可攜式電子裝置的維持待機時間(電池壽命)被大幅縮短。

圖2為本發明一實施例之電源供應系統的電路方塊示 意圖。請參照圖2，電源供應系統200適於供電予電子裝置10使用。圖2所示電子裝置10可以參照圖1A的相關說明而類推之，故不再贅述。電源供應系統200包括多個電壓調節裝置220_1~220_n。電壓調節裝置220_1~220_n分別耦接電子裝置10中的多個負載裝置LD12_1~LD12_n，如圖2所示，以提供對應的負載電壓V1~Vn至負載裝置LD11~LD1m、LD21~LD2m、...、LDn1~LDnm。

在本實施例中，各個電壓調節裝置220_1~220_n分別包括至少一個第一電壓調整器、多個第二電壓調整器以及控制器。各個電壓調節裝置220_1~220_n的第一電壓調整器與/或第二電壓調整器可以用任何方式實施之。例如，可以參照圖5的相關說明(容後詳述)實現各個電壓調節裝置220_1~220_n的第一電壓調整器與/或第二電壓調整器。為便於說明，在此以電壓調節裝置220_1為例。其他電壓調節裝置220_2~220_n可以參照電壓調節裝置220_1的相關說明而類推之。此外，為了更清楚地說明本發明實施例，圖3為依據本發明實施例分別繪示圖2的電壓調節裝置220_1中第一電壓調整器與第二電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖。於圖3中，縱軸表示電壓調整器的轉換效率，而橫軸表示電壓調整器的輸出電流。

請同時參照圖2與圖3，電壓調節裝置220_1包括第一電壓調整器VR1、第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1以及控制器222。第一電壓調整器VR1與第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的輸出端共同耦接至負載裝置 LD11~LD1m。其中，轉換特性曲線VR1C為第一電壓調整器VR1的功率轉換特性，且轉換特性曲線VR2C為第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的功率轉換特性。

具體而言，第一電壓調整器VR1的轉換特性曲線VR1C係根據負載裝置12_1操作於低功率狀態(輕載)時的工作規格而設定(例如電子裝置10操作於連網待機模式的狀況下)，第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的轉換特性曲線VR2C則根據負載裝置12_1操作於高功率狀態(重載)時的工作規格(例如電子裝置10操作於正常操作模式的狀況下)而設定。因此，第一電壓調整器VR1的最佳轉換效率會位於較小的第一輸出電流範圍TR1，而第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最佳轉換效率則會位於高於第一輸出電流範圍TR1的第二輸出電流範圍TR2。其中，轉換特性曲線VR1C與VR2C可藉由分別調整第一電壓調整器VR1與第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的電路參數而設定(此部份容後再述)。

控制器222耦接第一電壓調整器VR1與第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1。當對應的負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 位於第一輸出電流範圍TR1時，控制器222致能(enable)第一電壓調整器VR1以提供輸出電流i₁ 至對應的負載裝置LD11~LD1m，以及禁能(disable)第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1。當負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 大於第一輸出電流範圍TR1且小於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和時，控制器222 依照負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 而決定致能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的數量以提供輸出電流至負載裝置LD11~LD1m，以及禁能第一電壓調整器VR1。其中，每一個被致能的第二電壓調整器的輸出電流均在第二輸出電流範圍TR2內。因此，本施例之電源供應系統200與電壓調節裝置220_1可根據電子裝置10的功耗而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行電源供應。

因此，本實施例之電源供應系統200與電壓調節裝置220_1可根據電子裝置的電源管理模式而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行電源供應，因此電子裝置不論是在正常操作模式或待機模式下，電源供應系統皆可利用較佳的轉換效率來進行供電，藉以解決電子裝置的功率消耗問題，並且延長電子裝置的使用時間。

在另一實施例中，控制器222亦可藉由判斷負載裝置LD11~LD1m的操作模式而判定負載電流i_L 是否位於第一輸出電流範圍TR1。例如，控制器222可判斷負載裝置LD11~LD1m是否操作於連網待機模式。當控制器222判斷負載裝置LD11~LD1m操作在連網待機模式時，控制器222會致能第一電壓調整器VR1以提供輸出電流i₁ 至對應的負載裝置LD11~LD1m，並且禁能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1。另一方面，當控制器222判斷負載裝置12_1未操作於連網待機模式時，控制器222會進一步地判斷負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 是否大於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和。當負載裝 置LD11~LD1m的負載電流i_L 大於第一輸出電流範圍TR1且小於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和時，控制器222禁能第一電壓調整器VR1，以及依照負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 而決定致能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的數量以提供輸出電流至負載裝置LD11~LD1m。

在又一實施例中，電壓調節裝置220_1的第一電壓調整器可為多個，並且當負載電流i_L 位於第一輸出電流範圍TR1與第二輸出電流範圍TR2之間的區間時，控制器222禁能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1，以及依照負載電流i_L 的大小決定致能第一電壓調整器的數量。其中，每一個被致能的第一電壓調整器的輸出電流均在第一電流輸出範圍TR1內。

在另一實施例中，電壓調節裝置220_1可更包括一或多個第三電壓調整器(未繪示)。第三電壓調整器的最佳轉換效率可設置於第一輸出電流範圍TR1與第二輸出電流範圍TR2之間的區間。當負載電流i_L 位於第一輸出電流範圍TR1與第二輸出電流範圍TR2之間的區間時，控制器222會禁能第一電壓調整器VR1與第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1，並且致能第三電壓調整器，以藉由具有較佳轉換效率的第三電壓調整器來對負載裝置進行供電。

此外，圖3所繪示之轉換特性曲線及電流範圍的設定僅為一示例，本發明不以此為限。例如，在其他實施例中，第一電壓調整器VR1與第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1 所對應的轉換特性曲線VR1C與VR2C亦可經設計而使第一輸出電流範圍TR1與第二輸出電流範圍TR2互相鄰接，並且在兩轉換特性曲線VR1C與VR2C的交握處維持良好的轉換效率。

為了更清楚地說明本實施例之電壓調節裝置220_1的控制方法，茲以圖4說明之。圖4為本發明一實施例之電壓調節裝置的控制方法的步驟流程圖。請同時參照圖2、圖3及圖4，首先，控制器222可藉由電流偵測器(未繪示，容後詳述)偵測負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 大小(步驟S500)，並據以判斷負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 是否位於第一輸出電流範圍TR1(步驟S502)。當控制器222判斷負載電流i_L 位於所設定的第一輸出電流範圍TR1時(例如電子裝置10操作於待機模式或連網待機模式的狀況下)，控制器222會致能第一電壓調整器VR1並且禁能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1(步驟S504)，以便藉由具有較佳轉換效率的第一電壓調整器VR1來提供輸出電流i₁ 至負載裝置LD11~LD1m。

另一方面，當控制器222判斷負載電流i_L 並未位於第一輸出電流範圍TR1時(例如電子裝置10操作於正常操作模式的狀況下)，控制器222會進一步判斷負載電流i_L 是否大於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和(步驟S506)，其中所述之最大輸出電流總和即為致能全部第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1時可輸出的最大電流。此時，由於負載裝置LD11~LD1m的功率消耗會 根據其實際運作過程而有所變動，因此控制器222會依照負載電流i_L 的大小來動態決定第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的禁能數量(或致能數量)，以使電壓調節裝置220_1可維持在高轉換效率的狀態下供電。

更進一步地說，當控制器222判斷負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 大於第一輸出電流範圍TR1且小於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和時，控制器222會禁能第一電壓調整器VR1，並且依照負載電流i_L 的大小而決定致能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的數量(步驟S508)，以使第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1中被致能電壓調整器的輸出電流總和等於負載電流i_L 。例如，假設每一個第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流為1.5安培，且當輸出電流為1安培時第二電壓調整器的轉換效率為最佳。當負載電流i_L 為3安培時，控制器222可以從第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1選擇致能其中三個電壓調整器，以及禁能其餘電壓調整器，其中被致能的三個電壓調整器各自輸出1安培給負載裝置LD11~LD1m。在此情況下，電壓調節裝置220_1可藉由具有較佳轉換效率的第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1來提供輸出電流i₂ ~i_m 至負載裝置LD11~LD1m。

另外，當負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 大於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和時，控制器222致能第一電壓調整器VR1與第二電壓調整器 VR2_1~VR2_m-1，以提供輸出電流i₁ ~i_m 至負載裝置LD11~LD1m(步驟S510)。

從另一控制觀點來看，在另一實施例中，控制器222亦可藉由判斷負載裝置LD11~LD1m的操作模式而進一步地判定負載電流i_L 是否位於第一輸出電流範圍TR1。具體而言，控制器222可藉由判斷負載裝置LD11~LD1m是否操作於連網待機模式的步驟來取代圖4實施例之步驟S502，進而得知負載電流i_L 是否位於第一輸出電流範圍TR1。當控制器222判斷負載裝置LD11~LD1m操作在連網待機模式時，控制器222會進行步驟S504以致能第一電壓調整器VR1，並且禁能第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1。另一方面，當控制器222判斷負載裝置LD11~LD1m未操作於連網待機模式時，控制器222則會進行步驟S506以進一步地判斷負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 是否大於第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的最大輸出電流總和。除此之外，其餘後續步驟S508與S510皆如前所述，於此不再贅述。

舉例來說，以第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的數量為4個(即m等於5)的情況為例。在電子裝置10操作於正常操作模式下，根據實際運作狀況，假設負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 大小在0.3A~1.5A的範圍中。另假設電子裝置10操作於待機模式或連網待機模式下，負載裝置LD11~LD1m的負載電流i_L 例如為0.04A。第一電壓調整器VR1與各個第二電壓調整器VR2_1~VR2_4各自 的最大輸出電流例如為0.3A。其中，0.04A位於第一輸出電流範圍TR1內，0.3A位於第二輸出電流範圍TR2內。根據轉換特性曲線VR1C與VR2C，第一電壓調整器VR1在輸出電流i₁ 為0.04 A左右時具有最佳轉換效率，例如為91%。每一個第二電壓調整器VR2_1~VR2_4在輸出電流為0.3A左右時具有最佳轉換效率，例如為91%。此外，第一電壓調整器VR1在輸出電流i₁ 為0.3 A左右時的轉換效率約為75%，而第二電壓調整器VR2_1~VR2_4在輸出電流為0.04A左右時的轉換效率約為70%。

當電子裝置10操作於待機模式或連網待機模式時，控制器222判斷負載電流i_L (例如為0.04A)位於第一輸出電流範圍TR1內，進而致能第一電壓調整器VR1並且禁能第二電壓調整器VR2_1~VR2_4，以令電壓調節裝置220_1以91%左右的轉換效率來對負載裝置12_1進行供電。

當電子裝置10操作於正常操作模式，且負載電流i_L 為0.9 A時，控制器222判斷負載電流i_L 大於第一輸出電流範圍TR1且尚未超過第二電壓調整器VR2_1~VR2_4的最大輸出電流總和1.2 A，因此控制器222致能三個第二電壓調整器VR2_1~VR2_3以分別提供0.3 A的輸出電流i₂ ~i₄ 給負載裝置LD11~LD1m。此時電壓調節裝置220_1係以91%左右的轉換效率來對負載裝置12_1進行供電。

當電子裝置10操作於正常操作模式，且負載電流i_L 為1.5A時，控制器222判斷負載電流i_L 大於第二電壓調 整器VR2_1~VR2_4的最大輸出電流總和1.2 A，因此控制器222致能第一電壓調整器VR1和全部的第二電壓調整器VR2_1~VR2_4以分別提供0.3 A的輸出電流i₁ ~i₅ 以供負載裝置12_1使用，其中電壓調節裝置220_1此時係以87.8%(即(0.91×4+0.75)/5)的轉換效率來對負載裝置12_1進行供電。

雖然電壓調節裝置220_1在電子裝置10以最大功率操作的狀況下的轉換效率較低(約為87.8%)，但是在實際上，電子裝置10以最大功率操作的使用狀況很少(例如約僅佔整體使用時間的5%)。亦即在95%的時間下，電壓調節裝置220_1皆可維持於91%的轉換效率。換言之，對於整體使用的轉換效率而言，經過計算可得電壓調節裝置220_1整體的轉換效率約為(0.91×0.95+0.878×0.05)=90.84%，亦相當接近於最佳的轉換效率。

圖5為本發明一實施例之電壓調節裝置的示意圖。在本實施例中，電壓調節裝置420的電路架構可以應用於上述圖2實施例之電壓調節裝置220_1~220_n。圖5所繪示之電壓調整器VR_1的電路架構可適用於圖5中其他電壓調整器(例如VR_m)。另外，上述圖2實施例的第一電壓調整器VR1與/或第二電壓調整器VR2_1~VR2_m-1的實現方式可以參照圖5所繪示電壓調整器VR_1的相關說明而類推之。

請參照圖5，電壓調節裝置420包括控制器422、多個電壓調整器VR_1~VR_m以及對應的於各個電壓調整器 VR_1~VR_m的供電開關424_1~424_m與電流偵測器426_1~426_m。其中，各個電壓調整器VR_1~VR_m的電源電壓輸入端耦接控制器422以接收電源電壓VIN_1~VIN_m。供電開關424_1~424_m與電流偵測器426_1~426_m分別串接於對應的電壓調整器VR_1~VR_m的輸出端。各個電壓調整器VR_1~VR_m的輸出端經由對應的供電開關424_1~424_m與電流偵測器426_1~426_m共同耦接負載裝置12。

在本實施例中，所述多個電壓調整器VR_1~VR_m的其中之一(例如VR_1)會被設定為操作在低輸出功率(輕載)時具有最佳轉換效率(參照前述之第一電壓調整器VR1的相關說明)，且其餘電壓調整器(例如VR_m等)則會被設定為操作在高輸出功率(重載)時具有最佳轉換效率(參照前述之第二電壓調整器VR2_1~VR2_m的相關說明)。此外，控制各個電壓調整器VR_1~VR_m供電至負載裝置12的控制方式可參照上述圖2、圖3及圖4實施例的說明，於此不再贅述。

以電壓調整器VR_1及其所對應的電路架構為例，電壓調整器VR_1可例如為開關式的電路架構，其包括功率輸出單元PU以及驅動單元DU。在本實施例中，功率輸出單元PU可藉由疊接的P型電晶體Mp與N型電晶體Mn以及由電感與電容所組成濾波電路FTR來實現。其中，濾波電路FTR可反應電晶體Mp與Mn的開關切換而輸出穩定的電流與電壓，藉以實現降壓式(Buck)的電源轉換架 構。然而，此一功率輸出單元PU的架構僅為一示例，在其他實施例中，電晶體與濾波電路中的元件架構皆可根據設計需求而有所更動，藉以實現降壓或升壓的電源轉換。

另一方面，功率輸出單元PU的電源電壓VIN_1可由控制器422所設定。因此，控制器422可藉由調整電源電壓VIN_1的方式來調整電壓調整器VR_1的轉換特性曲線(如圖1B所示)。

驅動單元DU用以參照對應的參考電壓V_REF1而產生驅動信號來控制電晶體Mp與Mn的開關，以使功率輸出單元PU輸出對應的電壓。舉例來說，驅動單元DU可利用脈寬調變(pulse-width modulation，PWM)、脈頻調變(pulse-frequency modulation，PFM)或其他驅動控制方式來驅動功率輸出單元PU。其中，設計者可藉由調整驅動單元DU的電路參數設定而使改變驅動信號的頻率或責任周期(duty cycle)等等的參數，藉以調整電壓調整器VR_1的轉換特性曲線。

在一實施例中，由於利用PWM信號驅動功率輸出單元PU的方式在高負載時(即對應的負載電流較大)具有較佳的轉換效率，且利用PFM信號進行驅動的功率輸出單元PU在低負載時(即對應的負載電流較小)具有較佳的轉換效率。因此，電壓調整器VR_1~VR_m其中之一(例如VR_1)可利用PFM方式驅動功率輸出單元PU來提供負載電壓V1至負載裝置12，而其餘的電壓調整器(例如VR_m等)可利用PWM方式驅動功率輸出單元PU來提供 負載電壓V1至負載裝置12。因此，電壓調整器VR_1~VR_m可以實現具有類似於圖3所繪示之最佳轉換效率分別對應於兩不同電流範圍的轉換特性曲線，但本實施例不以此為限。

此外，驅動電路DU中可包括多個保護電路，例如軟啟動電路(soft start circuit)、低壓鎖定電路(under voltage lockout circuit，UVLO)或熱關斷電路(thermal shutdown circuit，TSD)等等，本實施例亦不以此為限。

供電開關424_1的第一端耦接電壓調整器VR_1的輸出端，供電開關424_1的第二端經由電流偵測器426_1耦接負載裝置12，並且供電開關424_1的控制端耦接控制器422。其中，控制器422利用開關信號GATE_1控制供電開關424_1的導通或截止，以使電壓調整器VR_1反應於供電開關424_1的導通而致能以提供輸出電流i₁ 至負載裝置12，並且反應於供電開關424_1的截止而禁能以停止提供輸出電流i₁ 至負載裝置12。

在一實施例中，供電開關424_1~424_m可積體化地設置於對應的電壓調整器VR_1~VR_m之中，藉以控制電壓調整器VR_1~VR_m的禁致能。具體而言，此時積體化的電壓調整器VR_1~VR_m各自具有用以耦接內部的供電開關424_1~424_m的致能控制端。控制器422耦接至所述之致能控制端以控制供電開關424_1~424_m的導通與截止，以使電壓調整器VR_1~VR_m反應於負載裝置12的負載電流i_L 而選擇性提供輸出電流i₁ ~i_m 至負載裝置12。

在本實施例中，由於濾波電路FTR及供電開關424_1皆可根據設計需求而選擇配置的方式(如與驅動單元DU和功率輸出單元PU積體化在同一晶片上，或者以晶片外部的電路和積體化的晶片相互耦接)，因此濾波電路FTR與供電開關424_1之間的相對位置可根據設計需求而有所更動，並不限於圖5所繪示。

電流偵測器426_1耦接於供電開關424_1與負載裝置12之間，用以偵測電壓調整器VR_1的輸出電流i₁ ，並且將偵測的結果回傳至控制器422。因此，控制器422可根據各個電流偵測器426_1~426_m所回傳的偵測結果而得到輸出至負載裝置12的負載電流i_L 大小。具體而言，在此電流偵測器426_1的電路架構中，主要係利用比較節點Na和Nb的電壓差的方式來偵測流經電阻R1的輸出電流i₁ ，並且將關聯於輸出電流i₁ 的電流資訊V_i₁ 以電壓的形式回授至控制器422，其中電流資訊V_i₁ 依據電阻R1、R2及R3的電阻值而與輸出電流i₁ 呈一固定比例，且電阻R1、R2及R3的電阻值可由設計者依據設計需求而自行設定，故控制器422可根據電流資訊V_i₁ 而判斷電壓調整器VR_1的輸出電流i₁ 。

在另一實施例中，各個電壓調整器VR_1~VR_m亦可共同耦接至同一個電流偵測器來偵測負載電流i_L ，而不需逐一地偵測各個電壓調整器VR_1~VR_m的輸出電流i₁ ~i_m 來計算負載電流i_L 。

此外，驅動單元DU所接收的參考電壓V_REF1係控 制器422依據電流資訊V_i₁ 而設定。舉例來說，當電壓調整器VR_1被禁能而使得電壓調整器VR_1的輸出電流i₁ 為0時，控制器422會依據指出0安培的電流資訊V_i₁ 而將參考電壓V_REF1設定為0 V，進而禁能驅動單元DU，使得驅動單元DU停止產生驅動信號來驅動功率輸出單元PU。換言之，電壓調整器VR_1可受控於參考電壓V_REF1而進一步地於禁能時停止功率輸出單元PU的功率消耗。

綜上所述，本發明實施例之電源供應系統、電壓調節裝置及其控制方法可根據電子裝置的操作模式而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行電源供應，因此電子裝置不論是在正常操作模式或待機模式下，電源供應系統皆可利用較佳的轉換效率來進行供電，藉以解決電子裝置的功率消耗問題，並且延長電子裝置的使用時間。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電子裝置

12‧‧‧負載裝置

100、200‧‧‧電源供應系統

220_1~220_n、420‧‧‧電壓調節裝置

222、422‧‧‧控制器

424_1~424_m‧‧‧供電開關

426_1~426_m‧‧‧電流偵測器

i₁ ~i_m ‧‧‧輸出電流

i_L ‧‧‧負載電流

DU‧‧‧驅動單元

FTR‧‧‧濾波電路

GATE_1~GATE_m‧‧‧開關信號

LD11~LD1m、LD21~LD2m、LDn1~LDnm‧‧‧負載裝置

Mp、Mn‧‧‧電晶體

Na、Nb‧‧‧節點

PU‧‧‧功率輸出單元

R1、R2、R3‧‧‧電阻

TR1‧‧‧第一輸出電流範圍

TR2‧‧‧第二輸出電流範圍

V1~Vn‧‧‧負載電壓

VR_11~VR_nm、VR_1~VR_m‧‧‧電壓調整器

VR1‧‧‧第一電壓調整器

VR2_1~VR2_m-1‧‧‧第二電壓調整器

VR1C、VR2C‧‧‧轉換特性曲線

V_REF1~V_REFm‧‧‧參考電壓

V_i₁ ~V_i_m ‧‧‧電流資訊

VIN、VIN_1~VIN_m‧‧‧電源電壓

圖1A為一種電子裝置的電源供應系統的示意圖。

圖1B為電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖。

圖2為本發明一實施例之電源供應系統的示意圖。

圖3為本發明一實施例之第一電壓調整器與第二電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖。

圖4為本發明一實施例之電壓調節裝置的控制方法的步驟流程圖。

圖5為本發明一實施例之電壓調節裝置的示意圖。

10‧‧‧電子裝置

200‧‧‧電源供應系統

220_1~220_n‧‧‧電壓調節裝置

222‧‧‧控制器

i₁ ~i_m ‧‧‧輸出電流

i_L ‧‧‧負載電流

LD11~LD1m、LD21~LD2m、LDn1~LDnm‧‧‧負載裝置

V1~Vn‧‧‧負載電壓

VR1‧‧‧第一電壓調整器

VR2_1~VR2_m-1‧‧‧第二電壓調整器

Claims (16)

1. 一種電壓調節裝置，包括：至少一第一電壓調整器，其中該第一電壓調整器的最佳轉換效率位於一第一輸出電流範圍；多個第二電壓調整器，其輸出端與該第一電壓調整器的輸出端共同耦接至一負載裝置，其中該些第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍的一第二輸出電流範圍；以及一控制器，耦接該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器，其中當該負載裝置的負載電流位於該第一輸出電流範圍時，該控制器致能該第一電壓調整器以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該些第二電壓調整器；以及當該負載裝置的負載電流大於該第一輸出電流範圍且小於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，該控制器依照該負載裝置的負載電流而決定致能該些第二電壓調整器的數量以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該第一電壓調整器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，其中當該負載裝置的負載電流大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，該控制器致能該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器，以提供輸出電流至該負載裝置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，更包括：多個供電開關，分別耦接於該第一電壓調整器與該負 載裝置之間和該些第二電壓調整器與該負載裝置之間，其中該控制器控制該些供電開關的導通或截止，以使該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器反應於對應的供電開關的導通而致能以提供輸出電流至該負載裝置，並且反應於對應的供電開關的截止而禁能以停止提供輸出電流至該負載裝置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，其中該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器各自具有一致能控制端，該控制器耦接至該些致能控制端，以使該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器反應於該負載裝置的負載電流選擇性提供輸出電流至該負載裝置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，更包括：多個電流偵測器，分別耦接於該第一電壓調整器與該負載裝置之間和該些第二電壓調整器與該負載裝置之間，用以偵測該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器的輸出電流，並且將偵測的結果回傳至該控制器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，其中該控制器判斷該負載裝置是否操作於一連網待機模式；當該負載裝置操作於該連網待機模式時，該控制器致能該第一電壓調整器以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該些第二電壓調整器；以及當該負載裝置未操作於該連網待機模式時，該控制器判斷該負載裝置的負載電流是否大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和。
7. 一種電壓調節裝置的控制方法，其中該電壓調節裝置包括至少一第一電壓調整器以及多個第二電壓調整器，該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器的輸出端共同耦接至一負載裝置，該控制方法包括：偵測該負載裝置的負載電流大小；當該負載裝置的負載電流位於一第一輸出電流範圍時，致能該第一電壓調整器以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該些第二電壓調整器，其中該第一電壓調整器的最佳轉換效率位於該第一輸出電流範圍；以及當該負載裝置的負載電流大於該第一輸出電流範圍且小於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，依照該負載裝置的負載電流而決定致能該些第二電壓調整器的數量以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該第一電壓調整器，其中該第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍的一第二輸出電流範圍。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓調節裝置的控制方法，更包括以下步驟：當該負載裝置的負載電流大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，致能該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器，以提供輸出電流至該負載裝置。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電壓調節裝置的控制方法，其中在偵測該負載裝置的負載電流大小的步驟後，該控制方法更包括：判斷該負載裝置的負載電流是否位於該第一輸出電 流範圍；以及當該負載裝置的負載電流未位於該第一輸出電流範圍時，判斷該負載裝置的負載電流是否大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電壓調節裝置的控制方法，更包括：判斷該負載裝置是否操作於一連網待機模式；當該負載裝置操作於該連網待機模式時，致能該第一電壓調整器以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該些第二電壓調整器；以及當該負載裝置未操作於該連網待機模式時，判斷該負載裝置的負載電流是否大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和。
11. 一種電源供應系統，適於供電予一電子裝置使用，該電源供應系統包括：多個電壓調節裝置，分別耦接該電子裝置中的多個負載裝置，以提供對應的負載電壓至該些負載裝置，其中各該些電壓調節裝置包括：至少一第一電壓調整器，其中該第一電壓調整器的最佳轉換效率位於一第一輸出電流範圍；多個第二電壓調整器，其輸出端與該第一電壓調整器的輸出端共同耦接至對應的負載裝置，其中該些第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍的一第二輸出電流範圍；以及 一控制器，耦接該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器，其中當對應的負載裝置的負載電流位於該第一輸出電流範圍時，該控制器致能該第一電壓調整器以提供輸出電流至對應的負載裝置，以及禁能該些第二電壓調整器；以及當該負載裝置的負載電流大於該第一輸出電流範圍且小於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，該控制器依照該負載裝置的負載電流而決定致能該些第二電壓調整器的數量以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該第一電壓調整器。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，其中當對應的負載裝置的負載電流大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和時，該控制器致能該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器，以提供輸出電流至該負載裝置。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，更包括：多個供電開關，分別耦接於該第一電壓調整器與該負載裝置之間和該些第二電壓調整器與該負載裝置之間，其中該控制器控制該些供電開關的導通或截止，以使該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器反應於對應的供電開關的導通而致能以提供輸出電流至該負載裝置，並且反應於對應的供電開關的截止而禁能以停止提供輸出電流至該負載裝置。
14. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，其中該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器各自具有一致 能控制端，該控制器耦接至該些致能控制端，以使該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器反應於該負載裝置的負載電流選擇性提供輸出電流至該負載裝置。
15. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，更包括：多個電流偵測器，分別耦接於該第一電壓調整器與該負載裝置之間和該些第二電壓調整器與該負載裝置之間，用以偵測該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器的輸出電流，並且將偵測的結果回傳至該控制器。
16. 如申請專利範圍第11項所述之電源供應系統，其中該控制器判斷該負載裝置是否操作於一連網待機模式；當該負載裝置操作於該連網待機模式時，該控制器致能該第一電壓調整器以提供輸出電流至該負載裝置，以及禁能該些第二電壓調整器；以及當該負載裝置未操作於該連網待機模式時，該控制器判斷該負載裝置的負載電流是否大於該些第二電壓調整器的最大輸出電流總和。