TWI505593B - 可配置電源供應系統及電源供應配置方法 - Google Patents

Description

可配置電源供應系統及電源供應配置方法

本發明係指一種電源供應系統，尤指一種可配置電源供應系統，其可提供充電電池模組及分流路徑之間的電源配置，以及電池充電模式及旁路充電模式之間的彈性切換。

電源管理系統已普遍應用於多數電子裝置中。隨著半導體製程的進步，積體電路(integrated circuit，IC)的面積逐漸縮小，因此大多數裝置皆具有低功耗的訴求。在此情形下，高效率的電源供應系統已成為電源管理系統的基本需求之一。

另一方面，充電電池裝置普遍用於可攜式裝置中，如行動電話、平板電腦、筆記型電腦等。當可攜式裝置更加普及化時，對於具有充電電池的電源供應系統來說，品質及電源效率變得更加重要。對充電電池進行充電時，可透過一充電器將電源供應器所提供的輸入電壓轉換為與充電電池相容的電壓，並將此電壓輸出至充電電池，進而將電能儲存於充電電池中。當配備有充電電池的可攜式裝置開啟時，一穩壓器可對充電電池所儲存的電能進行轉換並輸出至可攜式裝置。在此情況下，穩壓器可為一升壓直流對直流轉換器(boost converter)，用來對電池的輸出電源進行升壓，以提供較高的電壓予可攜式裝置。舉例來說，請參考第1圖，第1圖繪示一習知電池供 電系統10。於電池供電系統10中，一電源供應器提供電壓5V的輸入電源Vin予一充電器104，充電器104將輸入電壓從5V轉換為3.7V，以相容於一充電電池102。接著，充電電池102提供電壓3.7V的電源，一升壓直流對直流轉換器106將該電壓從3.7V轉換為5V，以提供輸出電源Vout。

然而，電源轉換的過程可能造成電能的散失。舉例來說，於電池供電系統10中，當充電器104將5V的輸入電源轉換為3.7V的電池電源時，可能造成電能損失並降低供電效率。除此之外，當升壓直流對直流轉換器106將3.7V的電池電源轉換為5V的輸出電源時，亦可能造成電能損失並降低供電效率。供電效率的降低會產生一些問題，例如溫度升高、電池壽命降低、充電時間增加等。因此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可配置電源供應系統，其可提供充電電池模組及分流路徑之間的電源配置，以及電池充電模式及旁路充電模式之間的彈性切換。

本發明揭露一種可配置電源供應系統，包含有一電源供應器，用來提供一輸入電源；一開關器，耦接於該電源供應器，用來當該開關器開啟時，控制一分流路徑導通，以將該輸入電源輸出至一輸出端，作為一輸出電源；一充電電池模組，用來儲存該輸入電源並 輸出一電池電源；一充電單元，耦接於該電源供應器及該充電電池模組之間，用來利用該輸入電源對該充電電池模組進行充電；一轉換單元，耦接於該充電電池模組，用來轉換該電池電源，以產生該輸出電源；以及一控制單元，耦接於該開關器、該充電單元及該轉換單元，用來控制該開關器、該充電單元及該轉換單元之運作。

本發明另揭露一電源供應配置的方法，包含有提供一輸入電源；控制一分流路徑導通，以將該輸入電源輸出至一輸出端，作為一輸出電源；利用該輸入電源對一充電電池模組充電，以儲存該輸入電源來輸出一電池電源；以及轉換該電池電源，以產生該輸出電源。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電源供應系統20之示意圖。如第2圖所示，電源供應系統20包含一電源供應器200、一充電電池模組202、一充電單元204、一轉換單元206、一開關器208及一控制單元210。電源供應器200提供輸入電源Vin，其可為任何可提供輸出電壓及電流予其它電子裝置的裝置。充電電池模組202係用來儲存輸入電源Vin並輸出電池電源Vb。充電單元204耦接於電源供應器200及充電電池模組202之間，可用來利用輸入電源Vin對充電電池模組202充電。轉換單元206耦接於充電電池模組202，可用來轉換電池電源Vb以產生輸出電源Vout。當輸出電源Vout之電壓大於電池電源Vb之電壓時，轉換單元206可為一升壓直流對 直流轉換器，用來對電池電源Vb之電壓進行升壓，以產生輸出電源Vout。當輸出電源Vout之電壓小於電池電源Vb之電壓時，轉換單元206可為一降壓直流對直流轉換器，用來對電池電源Vb之電壓進行降壓，以產生輸出電源Vout。當輸出電源Vout之電壓與電池電源Vb之電壓接近時，轉換單元206可為一穩壓器或一開關器。於部分情況下，轉換單元206可為一升降壓直流對直流轉換器，其可用來產生輸出電壓，此輸出電壓可能大於或小於電池電源Vb之電壓。一般來說，轉換單元206可根據系統對輸出電壓的需求來產生輸出電源。

請繼續參考第2圖。開關器208耦接於電源供應器200。當開關器208開啟時，一分流路徑被導通，以將輸入電源Vin輸出至輸出端，作為輸出電源Vout。當開關器208關閉時，此分流路徑被切斷，使得輸入電源無法經由開關器208輸出至輸出端。開關器208可透過一金氧化場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)來實現或透過其它可開啟或關閉以控制電流導通或切斷的電晶體來實現，而不限於此。控制單元210耦接於充電單元204、轉換單元206及開關器208，可用來控制充電單元204、轉換單元206及開關器208之運作。詳細來說，控制單元210可利用一控制訊號EN_chg 來控制充電單元204，利用一控制訊號EN_cvt 來控制轉換單元206，以及利用一控制訊號EN_sw 來控制開關器208。控制訊號EN_chg 可控制充電單元204開始或停止對充電電池模組202充電，控制訊號EN_cvt 可控制轉換單元206開啟或關閉，而控制訊號 EN_sw 可控制開關器208開啟或關閉。控制單元210可為一微控制器單元(microcontroller unit，MCU)或其它可在不同條件下切換控制訊號之控制電路，而不限於此。

值得注意的是，控制訊號EN_chg 、EN_cvt 及EN_sw 之開啟/關閉狀態可被分類為8種情況。然而，轉換單元206及開關器208不應同時開啟，即控制訊號EN_cvt 及EN_sw 不應同時開啟。當轉換單元206及開關器208同時開啟時，若電池電源Vb之電壓及輸入電源Vin之電壓不同，可能會在輸出端發生衝突。因此，將會有6種情況可能發生，此6種情況另詳述於後。

請參考第3圖，第3圖為本發明第一實施例電源供應系統20之運作示意圖。如第3圖所示，控制訊號EN_chg 、EN_cvt 及EN_sw 全部關閉。在此情況下，充電單元204停止對充電電池模組202充電，轉換單元206被關閉，且開關器208被關閉。第3圖繪示一種輸出電源Vout關閉的狀態。控制訊號EN_cvt 及EN_sw 皆關閉時，表示未提供任何輸出電源Vout。由於電源供應器200尚未準備妥當或充電電池模組202中的電量已充滿，控制訊號EN_chg 亦關閉。

請參考第4圖，第4圖為本發明第二實施例電源供應系統20之運作示意圖。如第4圖所示，控制訊號EN_chg 開啟，EN_cvt 關閉，而EN_sw 關閉。在此情況下，充電單元204對充電電池模組202充電，轉換單元206關閉，且開關器208關閉。第4圖亦繪示一種輸出電 源Vout關閉的狀態。控制訊號EN_cvt 及EN_sw 皆關閉時，表示未提供任何輸出電源Vout。控制訊號EN_chg 開啟時，表示電源供應器200已準備妥當，且充電電池模組202由充電單元204進行充電。

請參考第5圖，第5圖為本發明第三實施例電源供應系統20之運作示意圖。如第5圖所示，控制訊號EN_chg 關閉，EN_cvt 關閉，而EN_sw 開啟。在此情況下，充電單元204停止對充電電池模組202充電，轉換單元206關閉，且開關器208開啟。控制訊號EN_sw 開啟時，表示電源供應器200透過開關器208提供輸出電源Vout。此時，輸出電源Vout需要的電壓與輸入電源Vin之電壓接近。因此，可開啟開關器208，使分流路徑導通，以將輸入電源Vin輸出至輸出端，作為輸出電源Vout。控制訊號EN_chg 關閉則是因為充電電池模組202中的電量已充滿。如此一來，輸出電流可經由分流路徑充電(即旁路充電模式)，電源效率會提高，使得溫度降低且電池壽命增加。

請參考第6圖，第6圖為本發明第四實施例電源供應系統20之運作示意圖。如第6圖所示，控制訊號EN_chg 關閉，EN_cvt 開啟，而EN_sw 關閉。在此情況下，充電單元204停止對充電電池模組202充電，轉換單元206開啟，且開關器208關閉。控制訊號EN_cvt 開啟時，表示充電電池模組202透過轉換單元206提供輸出電源Vout。控制訊號EN_chg 及EN_sw 皆關閉時，表示電源供應器200可能已被移除。此時，充電電池模組202中仍具有電量，可透過轉換單元206來提供輸出電源Vout。另一方面，當電源供應器200存在時，亦適 用此種情況，此時輸出電源Vout需要的電壓可能與輸入電源Vin之電壓有大幅差異，因此無法使用分流路徑來充電。如此一來，電源效率會與習知的情形相同。

請參考第7圖，第7圖為本發明第五實施例電源供應系統20之運作示意圖。如第7圖所示，控制訊號EN_chg 開啟，EN_cvt 開啟，而EN_sw 關閉。在此情況下，充電單元204對充電電池模組202充電，轉換單元206開啟，且開關器208關閉。控制訊號EN_chg 開啟時，表示電源供應器200已準備妥當，且充電電池模組202由充電單元204進行充電。控制訊號EN_cvt 開啟時，表示充電電池模組202透過轉換單元206提供輸出電源Vout。此時電源供應器200已準備妥當，但輸出電源Vout需求的電壓可能與輸入電源Vin之電壓有大幅差異，因此無法使用分流路徑來充電。如此一來，當輸出電源Vout係來自於充電電池模組202時，電源效率會與習知的情形相同。

請參考第8圖，第8圖為本發明第六實施例電源供應系統20之運作示意圖。如第8圖所示，控制訊號EN_chg 開啟，EN_cvt 關閉，而EN_sw 開啟。在此情況下，充電單元204對充電電池模組202充電，轉換單元206關閉，且開關器208開啟。控制訊號EN_chg 開啟時，表示電源供應器200已準備妥當，且充電電池模組202由充電單元204進行充電。開關器EN_sw 開啟時，表示電源供應器200同時透過開關器208之分流路徑提供輸出電源Vout。此時，輸入電源Vin可配置於充電電池模組202及開關器208之間，即電流路徑可透過控 制訊號EN_chg 及EN_sw 的控制，以配置於充電單元204及分流路徑之間。於部分實施例中，控制訊號EN_chg 及EN_sw 可根據充電電池模組202中電池的狀態，控制電流流經充電單元204或分流路徑。舉例來說，若電池電量幾乎耗盡時，控制訊號EN_chg 可配置較多電流流至充電電池模組202，因此較少電流可通過分流路徑。若電池已接近充滿，控制訊號EN_chg 可配置較少電流流至充電電池模組202，因此較多電流可通過分流路徑。於其它實施例中，控制訊號EN_chg 及EN_sw 可根據輸入電源Vin提供電流的能力，控制電流流經充電單元204或分流路徑。舉例來說，假設輸出電源Vout需要的電流等於2A。若輸入電源Vin具有提供3A電流的能力，則可控制2A電流通過分流路徑，額外的1A電流可流至充電單元204。若輸入電源Vin具有提供4A電流的能力，則可控制2A電流通過分流路徑，額外的2A電流可流至充電單元204。

值得注意的是，控制訊號EN_cvt 及EN_sw 不應同時開啟，亦即，充電電池模組202及電源供應器200不應同時提供輸出電源Vout。更進一步地，若輸出電源Vout需要的電壓與輸入電源Vin之電壓有大幅差異時，輸出電源Vout無法由電源供應器200透過開關器208提供(即使用旁路充電模式提供輸入電源Vin)，輸出電源Vout僅能由充電電池模組202透過轉換單元206提供(即使用電池充電模式提供電池電源Vb)。另一方面，若輸出電源Vout需要的電壓與輸入電源Vin之電壓接近時，輸出電源Vout可由電源供應器200(即使用旁路充電模式提供輸入電源Vin)或充電電池模組202(即使用 電池充電模式提供電池電源Vb)提供。轉換單元206之輸出電壓具有不同選擇，因此可達到電源供應系統20使用上的彈性。在此情況下，若電源供應器200尚未準備妥當時，輸出電源Vout必須由充電電池模組202提供。若電源供應器200已準備妥當時，輸出電源Vout由電源供應器200經由開關器208提供較佳(即使用旁路充電模式提供輸入電源Vin)。如此一來，輸出電流可通過分流路徑而不需任何轉換，因此電源效率會提高，使得溫度降低且電池壽命增加。

值得注意的是，本發明之主要精神在於利用一開關器使電流通過而不需任何轉換，以提高電源供應系統的電源效率。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，轉換單元206可根據系統需求來設計，其可為一升壓直流對直流轉換器(boost converter)、一降壓直流對直流轉換器(buck converter)、一升降壓直流對直流轉換器(buck-boost converter)、一低壓差線性穩壓器(low drop-out，LDO)或一電源開關器(power switch)。充電單元204可根據系統需求來設計，其為一升壓直流對直流轉換器、一降壓直流對直流轉換器、一升降壓直流對直流轉換器或一低壓差線性穩壓器。除此之外，充電電池模組202可包含一或多個電池，可用來儲存電量。更進一步地，控制訊號EN_chg 、EN_cvt 及EN_sw 分別代表用來控制充電單元204開始或停止充電、轉換單元206開啟或關閉以及開關器208開啟或關閉的訊號。此三個控制訊號或其它控制訊號亦可用來控制其它運作，如充電單元204提供充電電流的能力、轉換單元206之輸出電壓、開關器208導通電流的能力等。

於習知技術中，電池電源供應系統10將輸入電源Vin轉換為電池電源Vb，接著將電池電源Vb轉換為輸出電源Vout。在電源轉換的過程中，可能造成電源的散失。相較之下，本發明提供充電電池模組及分流路徑之間的電源配置，以及電源充電模式及旁路充電模式之間的彈性切換。當輸出電源Vout之電壓與輸入電源Vin之電壓接近時，電源供應器200可經由開關器208提供輸出電源Vout，電流可通過開關器208而不需任何轉換。如此一來，電源效率會提高，使得溫度降低且電池壽命增加。

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‧‧‧電池供電系統

102‧‧‧充電電池

104‧‧‧充電器

106‧‧‧升壓直流對直流轉換器

20‧‧‧電源供應系統

200‧‧‧電源供應器

202‧‧‧充電電池模組

204‧‧‧充電單元

206‧‧‧轉換單元

208‧‧‧開關器

210‧‧‧控制單元

EN_chg 、EN_cvt 、EN_sw ‧‧‧控制訊號

Vin‧‧‧輸入電源

Vb‧‧‧電池電源

Vout‧‧‧輸出電源

第1圖繪示一習知電池供電系統。

第2圖為本發明實施例一電源供應系統之示意圖。

第3圖為本發明第一實施例電源供應系統之運作示意圖。

第4圖為本發明第二實施例電源供應系統之運作示意圖。

第5圖為本發明第三實施例電源供應系統之運作示意圖。

第6圖為本發明第四實施例電源供應系統之運作示意圖。

第7圖為本發明第五實施例電源供應系統之運作示意圖。

第8圖為本發明第六實施例電源供應系統之運作示意圖。

20‧‧‧電源供應系統

200‧‧‧電源供應器

202‧‧‧充電電池模組

204‧‧‧充電單元

206‧‧‧轉換單元

208‧‧‧開關器

210‧‧‧控制單元

EN_chg 、EN_cvt 、EN_sw ‧‧‧控制訊號

Vin‧‧‧輸入電源

Vb‧‧‧電池電源

Vout‧‧‧輸出電源

Claims (14)

1. 一種可配置電源供應系統，包含有：一電源供應器，用來提供一輸入電源；一開關器，耦接於該電源供應器，用來於開啟時控制一分流路徑導通，以將該輸入電源輸出至一輸出端，作為一輸出電源；一充電電池模組，用來儲存該輸入電源並輸出一電池電源；一充電單元，耦接於該電源供應器及該充電電池模組之間，用來利用該輸入電源對該充電電池模組進行充電；一轉換單元，耦接於該充電電池模組，用來轉換該電池電源，以產生該輸出電源；以及一控制單元，耦接於該開關器、該充電單元及該轉換單元，用來控制該開關器、該充電單元及該轉換單元之運作；其中，該控制單元控制該充電單元用來對該充電電池模組進行充電之一電流，以控制該充電單元之運作，該控制單元另判斷該輸出電源之電壓與該輸入電源之電壓之間的關係；其中，當該輸出電源之電壓與該輸入電源之電壓有大幅差異時，該控制單元控制該開關器關閉並控制該轉換單元開啟，使得該輸出電源係藉由該電池電源的轉換而產生並加以輸出；以及當該輸出電源之電壓與該輸入電源之電壓接近時，該控制單元控制該開關器開啟並控制該轉換單元關閉，使得該輸出電源係藉由該輸入電源經由該分流路徑產 生並加以輸出，或控制該開關器關閉並控制該轉換單元開啟，使得該輸出電源係藉由該電池電源的轉換而產生並加以輸出。
2. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該開關器包含一金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)。
3. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該轉換單元係一升壓直流對直流轉換器(boost converter)，用來對該電池電源之電壓進行升壓，以產生該輸出電源。
4. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元控制該開關器開啟或關閉，以控制該開關器之運作。
5. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元控制該充電單元開始或停止對該充電電池模組進行充電，以控制該開關器之運作。
6. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元另根據該充電電池模組中電池的狀態，控制該電流。
7. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元另根據該電 源供應器所提供的電流大小，控制該電流。
8. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元控制該轉換單元開啟或關閉，以控制該轉換單元之運作。
9. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元控制該轉換單元調整該輸出電源之電壓，以控制該轉換單元之運作。
10. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該控制單元係一微控制器單元(microcontroller unit，MCU)。
11. 一電源供應配置的方法，包含有：提供一輸入電源；控制一分流路徑導通，以將該輸入電源輸出至一輸出端，作為一輸出電源；利用該輸入電源對一充電電池模組充電，以儲存該輸入電源來輸出一電池電源；轉換該電池電源，以產生該輸出電源；以及判斷該輸出電源之電壓與該輸入電源之電壓之間的關係，其中，當該輸出電源之電壓與該輸入電源之電壓有大幅差異時，該輸出電源係藉由該電池電源的轉換而產生並加以輸出，而當該輸出電源之電壓與該輸入電源之電壓接近時，該輸出電源係藉由該輸入電源經由該分流路徑產生並加 以輸出，或藉由該電池電源的轉換而產生並加以輸出；其中，利用該輸入電源對該充電電池模組充電，以儲存該輸入電源來輸出該電池電源之步驟包含有：控制用來對該充電電池模組充電之一電流。
12. 如請求項11所述之方法，其中轉換該電池電源，以產生該輸出電源之步驟包含對該電池電源之電壓進行升壓，以產生該輸出電源。
13. 如請求項11所述之方法，另包含根據該充電電池模組中電池的狀態，控制用來對該充電電池模組充電之該電流。
14. 如請求項11所述之方法，另包含根據該電源供應器所提供的電流大小，控制用來對該充電電池模組充電之該電流。