TWI470393B - 自適應負載變化的電源供應電路 - Google Patents

Description

自適應負載變化的電源供應電路

本發明有關於一種自適應負載變化的電源供應電路，且特別是有關於一種可依據負載裝置的消耗功率大小而調整輸出功率的電源供應電路。

一般而言，傳統的電源供應電路的輸出功率是固定的，大部分是依據設計廠商所提供的規格，或者針對特定的負載裝置做設計，無法依據負載裝置的狀態而自動改變其輸出功率。換句話說，若傳統的電源供應電路是用以搭配有穩定消耗功率的負載裝置時，傳統的電源供應電路可以預設其輸出功率的上限恰好等於特定負載裝置所能消耗功率的最大值，便可讓所述負載裝置不論何時都能正常工作。

然而實際上，負載裝置很可能不具有穩定的消耗功率(例如電腦中央處理單元會隨著工作量的多寡而有不同的消耗功率)，若傳統的電源供應電路仍是以相同的輸出功率供應負載裝置時，很可能會造成電力的浪費而降低電能使用效率。以實際例子來說，負載裝置於工作時(滿載模式)和待機時(省電模式)的消耗功率並不相同，由於負載裝置不會隨時都在滿載的狀態，因此電源供應電路十分需要調節輸出功率以避免電力的浪費。

若從電源供應電路看入，負載裝置於消耗功率較高時可被視為大負載，而負載裝置於消耗功率較低時可被視為小負載，傳統的電源供應電路無法兼顧大負載與小負載的狀態，使得電力無法被有效利用。因此，業界亟需一種電源供應電路，可自動偵測負載裝置是屬於大負載或小負載的狀態，進而調節電源供應電路的輸出功率，使得無論負載裝置是在何種狀態下，都 能達到最佳的轉換效率。

基於上述目的，本發明提出一種自適應負載變化的電源供應電路，可以自動判斷負載裝置是屬於大負載或小負載的狀態，據以驅動不同數量的驅動單元，使得電源供應電路隨時都能保持在最佳的轉換效率。

本發明提供一種自適應負載變化的電源供應電路，用以驅動負載裝置。所述電源供應電路包括回授偵測模組、負載判斷電路、負載驅動電路以及控制電路。回授偵測模組耦接負載裝置，用以偵測負載裝置上所承載的負載電壓，並將負載電壓轉換成為回授電壓。負載判斷電路耦接回授偵測模組，用以判斷回授電壓是否在一個電壓區間內，據以產生具週期性的負載驅動信號。負載驅動電路耦接負載判斷電路，具有複數個驅動單元與至少一開關，所述多個驅動單元分別依據負載驅動信號選擇性地驅動負載裝置，且至少一個的驅動單元經過開關接收負載驅動信號。控制電路分別耦接於負載判斷電路與負載驅動電路，接收負載驅動信號，並判斷負載驅動信號之頻率大小，若判斷負載驅動信號之頻率小於一個頻率門限值時，則控制電路導通開關。

於本發明一示範實施例中，每一個驅動單元均為閘極驅動器，且負載驅動信號分別驅動閘極驅動器中的N通道金屬氧化半導體以及P通道金屬氧化半導體。此外，於所述多個閘極驅動器中，至少包括兩種不相同的N通道金屬氧化半導體以及P通道金屬氧化半導體的尺寸。

於本發明另一示範實施例中，控制電路至少具有一個頻率比較器，所述頻率比較器用以接收一個預設時脈以及 負載驅動信號，並判斷負載驅動信號之頻率是否小於預設時脈之頻率，若判斷結果為是，則控制電路控制開關導通，其中控制電路係依據預設時脈而產生頻率門限值。

綜上所述，本發明提供之電源供應電路，可經由負載驅動信號之頻率判斷出負載裝置是屬於大負載或小負載的狀態，若負載驅動信號之頻率小於預設時脈之頻率，則電源供應電路判斷負載裝置是屬於大負載。若負載驅動信號之頻率大於預設時脈之頻率，則電源供應電路判斷負載裝置是屬於小負載。據此，本發明之電源供應電路當負載裝置在大負載的情況下，可導通開關讓更多的驅動單元接收到負載驅動信號而加入工作，故電源供應電路可自適應地調節輸出功率，使得無論負載裝置是在何種狀態下，都能達到最佳的轉換效率。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

〔自適應負載變化的電源供應電路之實施例〕

請一併參見圖1與圖2，圖1係繪示依據本發明一實施例之電源供應電路之功能方塊圖，圖2係繪示依據本發明一實施例之電源供應電路之電路示意圖。如圖所示，電源供應電路1用以驅動至少一個負載裝置2，電源供應電路1包括回授偵測模組10、負載判斷電路12、負載驅動電路14以及控制電路16。回授偵測模組10與負載驅動電路14分別耦接於負載裝置2，負載判斷電路12耦接回授偵測模組10以及控制電路16，而負載驅動電路14除了耦接於負載裝置2之外，更耦接於控制電路16。以下分別就的 各部元件做詳細的說明。

回授偵測模組10用以偵測負載裝置2上所承載的負載電壓VX，並將負載電壓VX轉換成為回授電壓VXP。於實務上，回授偵測模組10係為一組串聯的電阻(R1與R2)，將負載電壓VX進行簡單分壓後而產生回授電壓VXP。在此，回授偵測模組10的作用除了將負載電壓VX回饋至電源供應電路1之外，更可同時降壓負載電壓VX，使得回授電壓VXP可操作低電壓的區間。舉例來說，當負載電壓VX大約位在5V或5V以上的區間(高電壓準位)時，使用者可自行設計電阻R1與電阻R2，使得經分壓後的回授電壓VXP大約位在3V或3V以下的區間(低電壓準位)，透過此降壓的步驟，可提升本發明之電源供應電路1的可操作電壓範圍以及相位邊限(phase margin)提升。當然，本發明之回授偵測模組10並不以串聯的電阻(R1與R2)為限，於所屬技術領域具通常知識者可自行設計適當的分壓電路。

負載判斷電路12用以判斷回授電壓VXP是否在一個電壓區間內，據以產生具週期性的負載驅動信號(RSP與RSN)。於實務上，回授偵測模組10所產生的回授電壓VXP係饋入負載判斷電路12中的比較器120(第一比較器)以及比較器122(第二比較器)。詳細來說，回授電壓VXP分別饋入比較器120以及比較器122之正輸入端，而預設的電壓門限值VDN(第一電壓門限值)與電壓門限值VUP(第二電壓門限值)分別饋入比較器120以及比較器122之負輸入端，使得比較器120以及比較器122可分別輸出各自的比較結果。

以實際的例子來說，負載判斷電路12具有耦接在比較 器122的輸出端之反相器124，以及一個觸發器126(例如是RS觸發器)。由圖2可知，觸發器126可接收比較器120輸出的比較結果以及經反相後之比較器122輸出的比較結果，據以輸出負載驅動信號RSP、RSN。

詳細來說，比較器120係將回授電壓VXP與電壓門限值VDN做比較，當回授電壓VXP位在所述電壓區間內時(回授電壓VXP大於電壓門限值VDN)，則比較器120輸出的比較結果係在高電壓準位，這也使得負載驅動信號RSP、RSN係輸出在高電壓準位。當回授電壓VXP因放電而逐漸降低，且達到過放電狀態時，回授電壓VXP會低於電壓門限值VDN，此時比較器120輸出的比較結果會切換至低電壓準位，使得負載驅動信號RSP、RSN輸出在低電壓準位。

另一方面，比較器122係將回授電壓VXP與電壓門限值VUP做比較，當回授電壓VXP位在所述電壓區間內時(回授電壓VXP小於電壓門限值VUP)，則比較器122輸出的比較結果係在低電壓準位(經反相器124反相後為高電壓準位)，這也使得負載驅動信號RSP、RSN同樣可以輸出在高電壓準位。當回授電壓VXP因充電而逐漸升高，且達到過充電狀態時，回授電壓VXP會高於電壓門限值VUP，此時比較器122輸出的比較結果會切換至高電壓準位(經反相器124反相後為低電壓準位)，使得負載驅動信號RSP、RSN輸出在低電壓準位。

如此一來，當回授電壓VXP週期性地低於電壓門限值VDN或高於電壓門限值VUP時，即形成了具有週期性的負載驅動信號RSP、RSN，而電壓門限值VDN可視為預設 電壓區間的下域值，且電壓門限值VUP可視為預設電壓區間的上域值。

負載驅動電路14具有複數個驅動單元(例如驅動單元140與驅動單元142)、開關S1與濾波電容C，驅動單元140、142各自依據負載驅動信號RSP、RSN選擇性地驅動負載裝置2，而濾波電容C可減少負載裝置2受到的雜訊干擾。如圖所示，驅動單元140係直接接收負載驅動信號RSP、RSN，而驅動單元142係經過開關S1接收負載驅動信號RSP、RSN。於實務上，負載驅動電路14更包括一組準位調節器(level shifter，LS)144，分別用來接收負載判斷電路12所輸出的負載驅動信號RSP、RSN，並且在調整負載驅動信號RSP、RSN之電壓準位後，將調整後之負載驅動信號RSP、RSN輸出至驅動單元140、142。

以實際例子來說，驅動單元140、142可為閘極驅動器，且負載驅動信號RSP是用來驅動所述閘極驅動器中的N通道金屬氧化半導體，而負載驅動信號RSN是用來驅動所述閘極驅動器中的P通道金屬氧化半導體。在此，驅動單元140的N通道金屬氧化半導體與驅動單元142的N通道金屬氧化半導體是受控於同一個負載驅動信號RSP，但不同之處在於，驅動單元140的N通道金屬氧化半導體是直接可接收負載驅動信號RSP(或調整後之負載驅動信號RSP)，驅動單元142的N通道金屬氧化半導體還需要經過一個開關S1選擇是否接收負載驅動信號RSP。同理，驅動單元140的P通道金屬氧化半導體是直接可接收負載驅動信號RSN(或調整後之負載驅動信號RSN)，驅動單元142的P通道金屬氧化半導體還需要經過一個開關 S1選擇是否接收負載驅動信號RSN。

值得注意的是，本發明並不限制驅動單元140與驅動單元142之N通道金屬氧化半導體的尺寸，以及驅動單元140與驅動單元142之P通道金屬氧化半導體的尺寸。舉例來說，驅動單元140之N、P通道金屬氧化半導體的尺寸可以略小於驅動單元142之N、P通道金屬氧化半導體的尺寸，使得驅動單元142對於負載裝置2有較大的驅動能力。當然，於所述技術領域具通常知識者可視負載裝置2的需要，自由設定N、P通道金屬氧化半導體的尺寸。

控制電路16接收負載驅動信號RSP、RSN，並判斷負載驅動信號RSP、RSN之輸出波形的頻率，進而與一個預設時脈CLK之頻率做比較，當控制電路16判斷負載驅動信號RSP、RSN之頻率小於預設時脈CLK之頻率(頻率門限值)時，則控制電路16導通開關S1，使得兩個驅動單元140、142可同時驅動負載裝置2。

於實務上，控制電路16可以有一組頻率比較器，所述頻率比較器經由負載驅動信號RSP、RSN之頻率判斷出負載裝置2目前是屬於大負載(耗電量大)或小負載(耗電量小)的狀態。若控制電路16判斷負載驅動信號RSP、RSN之頻率小於預設時脈CLK之頻率，則會判斷負載裝置2屬不易過充電、不易過放電的大負載，故控制電路16需導通開關S1，使得兩個驅動單元140、142同時啟動來供應負載裝置2所需之電力。另一方面，若控制電路16判斷負載驅動信號RSP、RSN之頻率大於預設時脈CLK之頻率，則會判斷負載裝置2屬易過充電、易過放電的小負載，故控制電路16需導通截止S1，使得驅動單元142不動作，而僅使用驅 動單元140來供應負載裝置2所需之電力。

如前所述，若本發明之驅動單元140之N、P通道金屬氧化半導體的尺寸設計成小於驅動單元142之N、P通道金屬氧化半導體的尺寸時，於負載裝置2屬小負載狀態時，本發明可以用小尺寸的驅動單元140提供小額的電能，有效避免電力的浪費。於負載裝置2屬大負載狀態時，本發明同時啟動小尺寸與大尺寸的驅動單元140、142，提供足額的電能給負載裝置2，使得電力調節更有彈性。

〔自適應負載變化的電源供應電路之另一實施例〕

當然，本發明並不限制圖1、2描述的負載驅動電路14中的驅動單元之數量，請參見圖3，圖3係繪示依據本發明另一實施例之電源供應電路之電路示意圖。如圖3所示，電源供應電路3同樣具有回授偵測模組30、負載判斷電路32、負載驅動電路34以及控制電路36。與前一實施例(圖2)相同之處在於，回授偵測模組30以及負載判斷電路32並未做更動，本實施例在此不予贅述。與前一實施例(圖2)不同之處在於，圖3的負載驅動電路34係具有不只兩組的驅動單元，例如可以有多組驅動單元340、342、...、34N以及多組開關S1、S2、...、SN，而開關S1、S2、...、SN可分別由控制電路36中的多組頻率比較器進行控制。

換句話說，本實施例之負載驅動電路34可具有(N+1)個驅動單元與N個開關，所述(N+1)個驅動單元(例如圖3所繪示之340~34N)中的第1個驅動單元(例如圖3所繪示之340)直接耦接至一組準位調節器344，所述(N+1)個驅動單 元中的第(i+1)個驅動單元(例如圖3所繪示之342~34N其中之一)經過所述N個開關中的第i個(例如圖3所繪示之S1~SN其中之一)開關耦接至一組準位調節器344，用以接收調整後之負載驅動信號RSP、RSN。

以實際例子來說，控制電路36具有多組頻率比較器，每一組頻率比較器係接收不同的預設時脈(例如預設時脈CLK1、CLK2、...、CLKN)，使得負載驅動信號RSP、RSN之頻率可同時與多組預設時脈CLK1、CLK2、...、CLKN進行比較，使得負載驅動信號RSP、RSN之頻率可以更精細地被判斷出來。從功能上來看，由於負載裝置2的耗電狀態可直接反映在負載驅動信號RSP、RSN之頻率上，故更準確的判斷出負載裝置2目前的耗電狀態，便可讓控制電路36導通恰好數量之開關以啟動驅動單元，更有效地提供電力給負載裝置2。

〔自適應負載變化的電源供應電路之再一實施例〕

請參見圖4，圖4係繪示依據本發明再一實施例之電源供應電路之電路示意圖。如圖4所示，電源供應電路4同樣具有回授偵測模組40、負載判斷電路42、負載驅動電路44以及控制電路46。與圖2所繪示之電源供應電路1相同之處在於，回授偵測模組40、負載判斷電路42以及控制電路46並未做更動，本實施例在此不予贅述。與圖2所繪示之電源供應電路1不同之處在於，本實施例之負載驅動電路44並未具有準位調節器。

舉例來說，於圖2所繪示之電源供應電路1中，若負載裝置2所需的操作電壓較高時，負載驅動電路14需要先 升壓之後才能有效推動負載裝置2，因此準位調節器144是必要的。實務上，負載裝置2的負載電壓VX大約位在5V，而經回授偵測模組10分壓之後，負載判斷電路12可接收到3V以下的回授電壓VXP。在此，負載驅動電路14可被區分成高壓(high voltage，HV)電路，而負載判斷電路12與控制電路16可被區分成低壓(low voltage，LV)電路。

另一方面，以本實施例所繪示之圖4來看，若負載裝置2所需的操作電壓較低時，負載裝置2的負載電壓VX本來就位在3V以下，故不論是負載判斷電路42、負載驅動電路44或控制電路46均屬低壓(low voltage，LV)電路，故無設計準位調節器之必要。由此實施例可知，本發明並不限制負載裝置2是操作在高電壓或低電壓的區間中，於所屬技術領域具通常知識者可以選擇是否加入準位調節器，讓本發明所揭露之電源供應電路有更大的應用範圍。

綜上所述，本發明提供之電源供應電路可先由負載判斷電路決定適合的電壓區間，再將回授偵測模組擷取到的回授電壓與所述電壓區間的上域值與下域值做比較，使負載判斷電路產生對應的負載驅動信號。接著控制電路可由負載驅動信號之頻率判斷出負載裝置是屬於大負載或小負載的狀態，若負載驅動信號之頻率小於預設時脈之頻率，則控制電路可判斷負載裝置是屬於大負載。若負載驅動信號之頻率大於預設時脈之頻率，則控制電路可判斷負載裝置是屬於小負載。據此，本發明之電源供應電路當負載裝置在大負載的情況下，可導通開關讓更多的驅動單元接收到負載驅動信號而加入工作，故電源供應電路可自適應地調節輸出功率，使得無 論負載裝置是在何種狀態下，都能達到最佳的轉換效率。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1‧‧‧電源供應電路

10‧‧‧回授偵測模組

12‧‧‧負載判斷電路

120、122‧‧‧比較器

124‧‧‧反相器

126‧‧‧觸發器

14‧‧‧負載驅動電路

140、142‧‧‧驅動單元

144‧‧‧準位調節器

16‧‧‧控制電路

2‧‧‧負載裝置

3‧‧‧電源供應電路

30‧‧‧回授偵測模組

32‧‧‧負載判斷電路

320、322‧‧‧比較器

324‧‧‧反相器

326‧‧‧觸發器

34‧‧‧負載驅動電路

340、342、34N‧‧‧驅動單元

344‧‧‧準位調節器

36‧‧‧控制電路

4‧‧‧電源供應電路

40‧‧‧回授偵測模組

42‧‧‧負載判斷電路

420、422‧‧‧比較器

424‧‧‧反相器

426‧‧‧觸發器

44‧‧‧負載驅動電路

440、442‧‧‧驅動單元

46‧‧‧控制電路

S1、S2、SN‧‧‧開關

R1、R2‧‧‧電阻

C‧‧‧濾波電容

VDN、VUP‧‧‧電壓(電壓門限值)

CLK、CLK1、CLK2、CLKN‧‧‧預設時脈

圖1係繪示依據本發明一實施例之電源供應電路之功能方塊圖。

圖2係繪示依據本發明一實施例之電源供應電路之電路示意圖。

圖3係繪示依據本發明另一實施例之電源供應電路之電路示意圖。

圖4係繪示依據本發明再一實施例之電源供應電路之電路示意圖。

1‧‧‧電源供應電路

10‧‧‧回授偵測模組

12‧‧‧負載判斷電路

14‧‧‧負載驅動電路

140、142‧‧‧驅動單元

S1‧‧‧開關

16‧‧‧控制電路

2‧‧‧負載裝置

Claims (10)

1. 一種自適應負載變化的電源供應電路，用以驅動一負載裝置，該電源供應電路包括：一回授偵測模組，耦接該負載裝置，用以偵測該負載裝置上所承載的一負載電壓，並將該負載電壓轉換成為一回授電壓；一負載判斷電路，耦接該回授偵測模組，用以判斷該回授電壓是否在一電壓區間內，據以產生具週期性的一負載驅動信號；一負載驅動電路，耦接該負載判斷電路，具有複數個驅動單元與至少一開關，該些驅動單元分別依據該負載驅動信號選擇性地驅動該負載裝置，且至少一個的該驅動單元經過該開關接收該負載驅動信號；以及一控制電路，分別耦接於該負載判斷電路與該負載驅動電路，接收該負載驅動信號，並判斷該負載驅動信號之頻率大小，若判斷該負載驅動信號之頻率小於一頻率門限值時，該控制電路導通該開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中每一該驅動單元均為一閘極驅動器，且該負載驅動信號分別驅動該閘極驅動器中的N通道金屬氧化半導體以及P通道金屬氧化半導體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中於該些閘極驅動器中，至少包括兩種不相同的N通道金屬氧化半導體以及P通道金屬氧化半導體的尺寸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中該控制電路至少具有一頻率比較器，該頻率比較器用以接收一預設時脈以及該負載驅動信號，並判斷該負載驅動信號之頻率是否小於該預設時脈之頻率，若判斷結果為是，則該控制電路控制該開關導通，該控制電路依據該預設時脈而產生該頻率門限值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中該負載判斷電路具有一第一比較器與一第二比較器，該回授電壓分別饋入該第一比較器以及該第二比較器之正輸入端，且預設的一第一電壓門限值與一第二電壓門限值分別饋入該第一比較器以及該第二比較器之負輸入端，而該第一比較器以及該第二比較器分別輸出一第一比較結果與一第二比較結果。
6. 如申請專利範圍第5項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中該負載判斷電路更具有一觸發器，該觸發器接收該第一比較結果以及經反相後的該第二比較結果，據以輸出該負載驅動信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中該負載驅動電路更包括至少一準位調節器，用以調整該負載驅動信號之電壓準位，並輸出調整後之該負載驅動信號至該些驅動單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中該負載驅動電路具有(N+1)個驅動單元與N個開關，所述(N+1)個驅動單元中的第1個驅動單元直接耦 接至該準位調節器，所述(N+1)個驅動單元中的第(i+1)個驅動單元經過所述N個開關中的第i個開關耦接至該準位調節器，用以接收調整後之該負載驅動信號，N與i均為正整數，且i不大於N。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中所述N個開關以串聯耦接。
10. 、如申請專利範圍第9項所述之自適應負載變化的電源供應電路，其中該控制電路具有N個頻率比較器，所述N個頻率比較器分別對應控制所述N個開關，所述N個頻率比較器中的第i個頻率比較器用以接收N組預設時脈中的第i個預設時脈以及該負載驅動信號，並判斷該負載驅動信號之頻率是否小於所述第i個預設時脈之頻率，若判斷結果為是，則該控制電路控制所述N個開關中的第i個開關導通。