TWI501064B - 混成供電架構 - Google Patents

Description

混成供電架構

本發明係有關於一種混成供電架構，尤其是可依據負載程度啟動線性調節器或切換調節器以達到具最佳電氣效率的無縫切換之混成供電目的。

具不同工作電氣特性的電子裝置通常需要不同電壓、電流或功率的特定電源以提供所需的工作電力，比如電動馬達需要12V直流電，類比晶片需要3.3V，而數位晶片一般需要1.8V，因此，電源管理業者開發各種電源調節裝置及電源轉換裝置以符合所需。此外，在原始輸入電源不穩定時，比如市電常常受到負載不平衡的影響而經常性的大幅度升壓或壓降，需要具穩壓作用的穩壓或調節裝置。或者，因原始電源本身的供電能力有限，無法應付負載的劇烈變動，而使得輸出電壓或電流變成不穩定，所以也需要適當的穩壓或調節裝置。

對於一般電子應用領域，眾所周知的調節方式可包括線性調節及切換調節。線性調節是使用線性電子元件，比如運算放大器，配合電壓或電流感測電路，藉以控制輸出級單元，比如功率電晶體，產生可依據負載程度而動態調節的穩定輸出電源。切換調節方式主要是利用高頻的PWM信號以控制、切換特定電晶體開關的導通、關閉，進而將原始電源轉成具特定電壓、電流或功率的輸出電源，同時去除雜訊，達到電源調節及/或轉換的目的。

具體而言，線性調節、切換調節本身在操作時會消耗原始電源中的部分電力而造成操作損失，其中操作損失是隨負載程度而變動。例如，線性調節在輕負載時具有較低的操作損失，而對於重負載，切換調節的操作損失較低。亦即，線性調節適合輕負載的應用領域，而切換調節適合重負載，使得在負載變動範圍大的應用領域時，單獨使用線性調節或切換調節實質上是無法有效降低整體的操作損失，導致電氣效率不高。

因此，非常需要一種混成供電架構，可依據實際電氣負載特性而動態切換線性調節其及切換調節器的運作，尤其是可達到無縫切換的供電目的，使得功率耗損最低，提供穩定的輸出電源，因而克服上述習用技術的問題。

本發明之主要目的在於提供一種混成供電架構，用以將輸入電源轉換成具有不同於輸入電源之電壓及或電流的輸出電源，以供應給外部的負載，且本發明主要包括微控制器、線性調節器、第一電流感測單元、切換調節器、第二電流感測單元以及混成輸出級，其中線性調節器及切換調節器分別依據微控制器的第一及第二致能信號而進行線性調節處理及切換調節處理，藉以產生線性輸出電源及切換輸出電源，並由第一及第二電流感測單元分別感測線性輸出電源及切換輸出電源而產生第一及第二電流感測信號，並由微控制器接收，進而判斷負載狀態為輕負載或重負載，且在啟始時，控制器只啟動線性調節器而關閉切換調節器，並在重負載時，啟動切換調節器。

尤其是，在切換輸出電源穩定時，才關閉線性調節器。類似的，當負載狀態由目前的重負載轉變為輕負載時，控制器會啟動線性調節器，而在線性調節器的線性輸出電源穩定時，才關閉切換調節器。

亦即，本發明可依據負載狀態控制線性調節器及切換調節器，使得在輕負載及重負載時分別由線性調節器及切換調節器負責調節處理，可提高電源轉換效率，尤其是在輕負載及重負載之間的切換期間，線性調節器及切換調節器同時運作，藉以維持輸出電源的穩定性，達到無縫切換的混成供電，並進而保護負載。

10‧‧‧微控制器

20‧‧‧線性調節器

21‧‧‧第一電流感測單元

30‧‧‧切換調節器

31‧‧‧第二電流感測單元

32‧‧‧PWM控制器

40‧‧‧混成輸出級

BUF1‧‧‧第一緩衝器

BUF2‧‧‧第二緩衝器

CS1‧‧‧第一電流感測信號

CS2‧‧‧第二電流感測信號

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

EN1‧‧‧第一致能信號

EN2‧‧‧第二致能信號

LCH‧‧‧扼流線圈

MOS1‧‧‧第一電晶體

MOS2‧‧‧第二電晶體

MOS3‧‧‧第三電晶體

OP‧‧‧運算放大器

OPS1‧‧‧第一運算放大器

OPS2‧‧‧第二運算放大器

PG1‧‧‧第一通知信號

PG2‧‧‧第二通知信號

R11‧‧‧上拉電阻

R12‧‧‧下拉電阻

R2‧‧‧上拉電阻

R3‧‧‧上拉電阻

RL‧‧‧負載

RS1‧‧‧第一感測電阻

RS2‧‧‧第二感測電阻

V1‧‧‧線性輸出電源

V2‧‧‧切換輸出電源

Vin‧‧‧輸入電源

Vout‧‧‧輸出電源

第一圖顯示依據本發明實施例混成供電架構的系統示意圖。

第二圖顯示本發明混成供電架構中線性調節器的示範性實例示意圖。

第三圖顯示本發明混成供電架構中切換調節器的示範性實例示意圖。

第四圖顯示本發明混成供電架構中混成輸出級的示範性實例示意圖。

以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，依據本發明實施例混成供電架構的系統示意圖。如第一圖所示，本發明的混成供電架構主要包括微控制器10、線性調節器20、第一電流感測單元21、切換調節器30、第二電流感測單元31以及混成輸出級40，由微控制器10執行預設的控制操作，可將輸入電源Vin轉換成輸出電源Vout，以供應給外部的負載RL。

具體而言，線性調節器20具有線性調節(Linear Regulation)功能，並在微控制器10的控制下進行線性調節處理，接收輸入電源Vin，並將輸入電源Vin轉換成線性輸出電源V1。相類似的，切換調節器30具有切換調節(Switching Regulation)功能，可在微控制器10的控制下進行切換調節 處理，接收輸入電源Vin，並轉換成切換輸出電源V2。混成輸出級40接收線性輸出電源V1及切換輸出電源V2，並結合、混成而形成輸出電源Vout，同時混成輸出級40具有防止線性輸出電源V1的電流及切換輸出電源V2的電流相互干擾的隔離功能，亦即線性輸出電源V1的電流不會竄流到切換輸出電源V2的電流，同時切換輸出電源V2的電流也不會竄流到線性輸出電源V1的電流。

此外，第一電流感測單元21及第二電流感測單元31分別感測線性輸出電源V1及切換輸出電源V2，亦即感測與線性輸出電源V1及切換輸出電源V2相關的負載電流，進而產生相對應的第一電流感測信號CS1及第二電流感測信號CS2，代表目前的負載狀態或負載程度。

微控制器10接收並依據第一電流感測信號CS1及第二電流感測信號CS2，以判斷負載狀態為輕負載或重負載，藉以啟動、關閉線性調節器20、切換調節器30的運作。

在實際操作中，當輸入電源Vin開始供電時，微控制器10會先啟動線性調節器20，並關閉切換調節器30，因為負載電流一開始時為零，可視為輕負載。因此，混成輸出級40的輸出電源Vout只包含來自線性調節器20的線性輸出電源V1。之後，隨著負載程度逐步達到穩定狀態，第一電流感測單元21感測線性輸出電源V1所產生的第一電流感測信號CS1會由微控制器10接收，並進而判斷目前的負載狀態是否轉變成重負載，比如第一電流感測信號CS1是否超過預設的臨限值。如果負載狀態仍為啟始時的輕負載，則保持線性調節器20為啟動，且切換調節器30為關閉，而如果負載狀態由輕負載主變成重負載，則先啟動切換調節器30，同時保持線性調節器20為啟動，直到切換調節器30的切換輸出電源V2穩定時，才關閉線性調節器20。亦即，在負載狀態由輕負載轉變成重負載且切換輸出電源V2 還未穩定的期間，線性調節器20及切換調節器30是同時運作，分別提供線性輸出電源V1及切換輸出電源V2給混成輸出級40，直到切換輸出電源V2穩定為止。

同樣的，微控制器10可依據來自第二電流感測單元31的第二電流感測信號CS2，判斷負載狀態是否保持在重負載。如果為重負載，則保持切換調節器30為啟動，而線性調節器20為關閉。當負載狀態由重負載轉變成輕負載時，微控制器10會先啟動線性調節器20，並維持切換調節器30的原有運作，直到線性輸出電源V1穩定時，才關閉切換調節器30。亦即，在負載狀態由重負載轉變成輕負載且線性輸出電源V1還未穩定的期間，線性調節器20及切換調節器30是一起運作。

因此，不論是由輕負載轉變成重負載，或由重負載轉變成輕負載，線性調節器20及切換調節器30的運作會在轉換的過渡期間重疊，達到平順的無縫切換目的，改善輸出電源Vout的穩定性。

更加具體而言，微控制器10的控制操作實質上是可包括以下步驟。首先，在輸入電源開始供電時，啟動線性調節器20並關閉切換調節器30，接著進入感測判斷步驟，接收第一電流感測信號CS1及第二電流感測信號CS2，並據以判斷切換輸出電源V1的負載狀態以及切換輸出電源V2的負載狀態。如果仍為輕負載，則維持現況，該線性調節器為啟動且該切換調節器為關閉，而如果由輕負載轉變為重負載，則先啟動切換調節器30，並等到切換調節器30的切換輸出電源V1達到穩定時，才關閉線性調節器20。之後，如果負載狀態仍為重負載，則維持線性調節器20為關閉，切換調節器30為啟動，而如果由重負載轉變為輕負載，則維持切換調節器30為啟動，並先啟動線性調節器20，直到線性調節器20的線性輸出電源V1達到穩定時，才關閉切 換調節器30，並回到上述的感測判斷步驟，重複後續的處理。

請進一步參考第二圖、第三圖及第四圖，其中第二圖顯示線性調節器20及第一電流感測單元21的示範性電路實例，第三圖顯示切換調節器30及第二電流感測單元31的示範性電路實例，而第四圖顯示混成輸出級40的示範性電路實例。要注意的是，第二圖、第三圖及第四圖只是方便說明本發明特徵的實例而已，並非用以限定本發明的範圍，亦即第二圖、第三圖及第四圖中的電子元件實質上是包含具有相對電氣功能的其他元件或裝置。

如第二圖所示，線性調節器20包含第一緩衝器BUF1、上拉電阻R11、下拉電阻R12、運算放大器OP及第一電晶體MOS1，而第一電流感測單元21包含第一運算放大器OPS1及第一感測電阻RS1。

第一緩衝器BUF1接收來自微控制器10的第一致能信號EN1，並經緩衝處理後產生緩衝輸出信號，傳送至運算放大器OP的非反相輸入端，用以啟動線性調節器20的線性調節功能，且非反相輸入端同時連接上拉電阻R11及下拉電阻R12，藉以產生箝位作用，防止第一緩衝器BUF1的緩衝輸出信號過高或過低，以保護運算放大器OP。此外，運算放大器OP的反相輸入端連接線性輸出電源V1，使得運算放大器OP將緩衝輸出信號及線性輸出電源V1之間的差額放大後產生第一控制信號，連接至第一電晶體MOS1的閘極，藉以控制第一電晶體MOS1的導通或關閉。第一電晶體MOS1的源極產生第一通知信號PG1。

第一感測電阻RS1連接輸入電源Vin及第一電晶體MOS1的汲極之間，並跨接在第一運算放大器OPS1的非反相輸入端及反相輸入端，使得第一運算放大器OPS1將第一感測電阻RS1的端電壓放大後，在輸出端產生第一電流感測 信號CS1。

如第三圖所示，切換調節器30包含第二緩衝器BUF2、上拉電阻R2、脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器32、上拉電阻R3、第二電晶體MOS2及第三電晶體MOS3，而第二電流感測單元31包含第二運算放大器OPS2及第二感測電阻RS2。

切換調節器30的第二緩衝器BUF2接收來自微控制器10的第二致能信號EN2，並經緩衝處理後產生緩衝輸出信號而傳送至PWM控制器32，用以啟動PWM控制器32，進行切換調節功能，同時PWM控制器32接收切換輸出電源V2，並產生第二通知信號PG2，代表切換輸出電源V2已穩定。此外，PWM控制器32依據切換輸出電源V2，產生二PWM驅動信號，分別驅動第二電晶體MOS2及第三電晶體MOS3的閘極，且第二電晶體MOS2的源極連接第三電晶體MOS3的汲極，而第三電晶體MOS3的源極為接地。

第二電流感測單元31的第二感測電阻RS2連接輸入電源Vin及第二電晶體MOS2的汲極之間，並跨接在第二運算放大器OPS2的非反相輸入端及反相輸入端，使得第二運算放大器OPS2將第二感測電阻RS2的端電壓放大後，在輸出端產生第二電流感測信號CS2。

如第四圖所示，混成輸出級40包含第一二極體D1、扼流線圈LCH及第二二極體D2，其中第一二極體D1的正端連接第一通知信號PG1，且第一二極體D1的負端連接線性輸出電源V1，而扼流線圈LCH的一端連接切換輸出電源V2，扼流線圈LCH的另一端連接第二二極體D2的正端，且第二二極體D2的負端連接線性輸出電源V1。因此，線性輸出電源V1的電流是利用具整流作用的第二二極體D2而與切換輸出電源V2的電流相互隔離，達到防止相互竄流的目的。

綜上所述，本發明的主要特點在於利用微控制器依據負載狀態，啟動或關閉線性調節器及切換調節器的調節功能，尤其是可在輕負載及重負載時分別由線性調節器及切換調節器負責調節處理，藉以提高電源轉換效率。

本發明的另一特點在於可在輕負載及重負載之間的切換期間，同時保持線性調節器及切換調節器運作，直到線性輸出電源V1或切換輸出電源V2達到穩定狀態為止，因而能維持輸出電源的穩定性，達到無縫切換的混成供電目的。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10‧‧‧微控制器

20‧‧‧線性調節器

21‧‧‧第一電流感測單元

30‧‧‧切換調節器

31‧‧‧第二電流感測單元

40‧‧‧混成輸出級

CS1‧‧‧第一電流感測信號

CS2‧‧‧第二電流感測信號

RL‧‧‧負載

V1‧‧‧線性輸出電源

V2‧‧‧切換輸出電源

Vin‧‧‧輸入電源

Vout‧‧‧輸出電源

Claims (7)

1. 一種混成供電架構，係用以將一輸入電源轉換成一輸出電源，以供應給外部的一負載，包括：一微控制器；一線性調節器，接收該輸入電源，並受該微控制器控制以進行線性調節處理，用以將該輸入電源轉換成一線性輸出電源；一第一電流感測單元，感測該線性輸出電源的相關負載電流，產生一第一電流感測信號，代表該線性輸出電源的相對應負載狀態；一切換調節器，接收該輸入電源，並受該微控制器控制以進行切換調節處理，用以將該輸入電源轉換成一切換輸出電源；一第二電流感測單元，感測該切換輸出電源的相關負載電流，產生一第二電流感測信號，代表該切換輸出電源的相對應負載狀態；以及一混成輸出級，接收該線性輸出電源及該切換輸出電源，並結合、混成而形成該輸出電源，且提供防止該線性輸出電源的電流及該切換輸出電源的電流相互干擾的隔離功能，其中該微控制器接收該第一電流感測信號及該第二電流感測信號，並據以判斷該切換輸出電源的負載狀態以及該切換輸出電源的負載狀態為輕負載或重負載，藉以啟動及/或關閉該線性調節器及/或該切換調節器。
2. 依據申請專利範圍第1項之混成供電架構，其中該微控制器執行一控制操作，且該控制操作包括：在該輸入電源開始供電時，產生一第一致能信號以啟動該線性調節器，且該切換調節器為關閉；進入一感測判斷步驟，接收該第一電流感測信號及該第二電流感測信號，並依據該第一電流感測信號及該第二電流感測信號以判斷該切換輸 出電源的負載狀態以及該切換輸出電源的負載狀態；如果該負載狀態仍為輕負載，則維持該線性調節器為啟動且該切換調節器為關閉；如果該負載狀態由輕負載轉變為重負載，則維持該線性調節器為啟動，並產生一第二致能信號以啟動該切換調節器；如果該切換調節器的切換輸出電源穩定時，則停止產生該第一致能信號以關閉該線性調節器；如果該負載狀態仍為重負載，則維持該線性調節器為關閉且該切換調節器為啟動；如果該負載狀態由重負載轉變為輕負載，則維持該切換調節器為啟動，並產生該第一致能信號以啟動該線性調節器；以及如果該線性調節器的線性輸出電源穩定時，則停止產生該致能信號以關閉該切換調節器，並回到該感測判斷步驟以重複上述的處理。
3. 依據申請專利範圍第2項之混成供電架構，其中該線性調節器包含一第一緩衝器、一上拉電阻、一下拉電阻、一運算放大器及一第一電晶體，該第一緩衝器接收來自該微控制器的第一致能信號，並經緩衝處理後產生一緩衝輸出信號，傳送至該運算放大器的一非反相輸入端，用以啟動該線性調節器，且該非反相輸入端同時連接該上拉電阻及該下拉電阻，藉以產生箝位作用，該運算放大器的一反相輸入端連接該線性輸出電源，並產生及輸出一第一控制信號，係連接至該第一電晶體的一閘極，而該第一電晶體的一源極產生一第一通知信號。
4. 依據申請專利範圍第3項之混成供電架構，其中該第一電流感測單元包含一第一運算放大器及一第一感測電阻，該第一感測電阻連接該輸入電源及該第一電晶體的一汲極之間，並跨接在該第一運算放大器的一非反 相輸入端及一反相輸入端，且在該第一運算放大器的一輸出端產生該第一電流感測信號。
5. 依據申請專利範圍第4項之混成供電架構，其中該切換調節器包含一第二緩衝器、一上拉電阻、一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制器、一另一上拉電阻、一第二電晶體及一第三電晶體，該第二緩衝器接收來自該微控制器的第二致能信號，並經緩衝處理後產生一緩衝輸出信號而傳送至該PWM控制器，用以啟動該PWM控制器，進行一切換調節功能，該PWM控制器接收並依據該切換輸出電源以產生一第二通知信號，該PWM控制器並依據該切換輸出電源產生二PWM驅動信號，用以分別驅動該第二電晶體的閘極及該第三電晶體的閘極，且該第二電晶體的源極連接該第三電晶體的汲極，而該第三電晶體的源極為接地。
6. 依據申請專利範圍第5項之混成供電架構，其中該第二電流感測單元包含一第二運算放大器及一第二感測電阻，該第二感測電阻連接輸入電源及該第二電晶體的汲極之間，並跨接在該第二運算放大器的非反相輸入端及反相輸入端，且在該第二運算放大器的輸出端產生該第二電流感測信號。
7. 依據申請專利範圍第6項之混成供電架構，其中該混成輸出級包含一第一二極體、一扼流線圈及一第二二極體，該第一二極體的正端連接該第一通知信號，且該第一二極體的負端連接該線性輸出電源，而該扼流線圈的一端連接該切換輸出電源，該扼流線圈的一另一端連接該第二二極體的正端，且該第二二極體的負端連接該線性輸出電源。