TWI530068B - 電源管理系統和電源管理方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種電源管理系統,尤其涉及一種控制提供給負載和電池的電力的電源管理系統和電源管理方法。
目前,大多數可攜式電子設備設置有通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)埠,用來同時給有源系統和可充電電池提供電力。可攜式電子設備包含電源管理系統,其控制從USB埠到有源系統和可充電電池的輸入電流以避免USB埠的過壓狀況。一種傳統的解決方案是使用由誤差放大器和電流控制電路形成的單級電流控制回路來鉗位輸入電流。然而,由於單級電流控制回路的大電流限制範圍,電力利用率很低。此外,在一些情況中,USB埠可能不具有足夠的電力來為有源系統和可充電電池兩者供電。因此,當為可充電電池充電時,有源系統可能無法正常運作。另一種傳統的解決方案是比較功率閾值信號與包括傳送給有源系統和可充電電池的電流的總的源電流。然而,這一解決方案需要更多的部件,例如,用於偵測總的源電流的傳感電阻,使得電源管理系統的成本增加。此外,功率閾值信號與總的源電流的比較結果可能無法準確地指示有源系統什麼時候需要更多的電力,從而不能很好地控制有源系統和可充電電池之間的平衡。
本發明提供了一種電源管理系統,包括:一第一誤差放大器,比較傳送給一負載的一第一輸出電壓與指示該負載的一工作電壓的一第一參考電壓,以產生一第一誤差信號;一直流/直流轉換器,耦接一電池,該直流/直流轉換器的一責任週期調節該第一輸出電壓和傳送給該電池的一第二輸出電壓;以及一誤差處理器,耦接於該第一誤差放大器與該直流/直流轉換器之間,基於該第一誤差信號控制該責任週期,其中,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則該誤差處理器基於該第一誤差信號減小該責任週期以及該電池的一充電電流,以使該第一輸出電壓升至該第一參考電壓。
本發明還提供了一種電源管理方法,包括:比較傳送給一負載的一第一輸出電壓與指示該負載的一工作電壓的一第一參考電壓,以產生一第一誤差信號;基於該第一誤差信號控制一直流/直流轉換器的一責任週期;以及基於該責任週期調節該第一輸出電壓和傳送給一電池的一第二輸出電壓,其中,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則基於該第一誤差信號減小該責任週期以及該電池的一充電電流,以使該第一輸出電壓升至該第一參考電壓。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述,但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地,本發明意在涵蓋由後附申請
專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外,在以下對本發明的詳細描述中,為了提供針對本發明的完全的理解,提供了大量的具體細節。然而,於本技術領域中具有通常知識者將理解,沒有這些具體細節,本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中,對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述,以便於凸顯本發明之主旨。
圖1所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統10的架構圖。電源管理系統10從電源12接收電力並且為負載16供電。電源12可採用各種形式的電源,例如,通用序列匯流排(USB)埠電源。透過輸入線14,輸入電流IIN從電源12流到電源管理系統10。電源管理系統10包含電流感測器111、減法器113、誤差放大器116、電流控制單元(例如,線性電流控制單元118)以及功率轉換器(例如,開關型直流/直流轉換器119)。耦接輸入線14的電流感測器111感測輸入電流IIN並產生指示輸入電流IIN大小的感測信號SEN。耦接電流感測器111的減法器113將感測信號SEN減去指示預設電流限制ILIM的參考電流信號REF,並且相應地產生誤差信號115。耦接減法器113的誤差放大器116放大誤差信號115,並輸出放大後的誤差信號117。如圖1所示,減法器113、誤差放大器116、線性電流控制單元118以及開關型直流/直流轉換器119一起形成雙級電流控制迴路。透過使用雙級電流控制迴路,已放大的誤差信號117可控制線性電流控制單元118和開關
型直流/直流轉換器119。更具體地,基於已放大的誤差信號117,線性電流控制單元118鉗位輸入電流IIN並且開關型直流/直流轉換器119調節輸出電壓以適當地為負載16供電。
有利之處在於,電源管理系統10採用雙級電流控制迴路而不是傳統的單級電流控制迴路鉗位輸入電流IIN並調節輸出電壓。透過使用雙級電流控制迴路,電源管理系統10相較於單獨運作的每個電流迴路可改善瞬態回應和準確性。
圖2所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統20的電路示意圖。圖2結合圖1進行描述。圖2中與圖1圖號相同的元件具有相似的功能。
電源管理系統20包含輸入電流限制控制電路21和功率轉換器22。耦接電源12的輸入電流限制控制電路21感測輸入電流IIN,產生指示輸入電流IIN和預設電流限制ILIM之間的差值的誤差信號210,並且基於誤差信號210選擇性地將輸入電流IIN鉗位成鉗位電流IIN’。輸入電流限制控制電路21可避免輸入線14(例如,USB上行埠的電壓匯流排(VBUS)電源線)的過流狀況。耦接輸入電流限制控制電路21的功率轉換器22接收鉗位電流IIN’和誤差信號210,並且基於誤差信號210調節傳送給負載(例如,有源系統19)的第一輸出電壓(例如,電壓VIN’),並調節傳送給電池18的第二輸出電壓(例如,轉換電壓輸出202的電壓)。儘管圖2中的電池18經由開關17耦接功率轉換器22,本技術領域中具有通常知識者可以理解的是,在其他實施例
中電池18可直接耦接功率轉換器22。
在圖2的實施例中,輸入電流限制控制電路21包含電流感測器212、誤差放大器215(誤差放大器215可認為是本發明實施例的第二誤差放大器)以及線性電流控制單元211。耦接輸入線14的電流感測器212感測輸入電流IIN並且產生指示輸入電流IIN的感測電壓VI_SENSE。耦接電流感測器212的誤差放大器215比較感測電壓VI_SENSE與指示預設電流限制ILIM的參考電壓VREF_I,並相應地產生誤差信號210。根據不同的應用需求,可由控制器(圖2中未示出)預設參考電壓VREF_I。誤差放大器215與圖1中的誤差放大器116和減法器113的結合具有相似的功能。電流感測器212、誤差放大器215、線性電流控制單元211以及功率轉換器22一起形成雙級電流控制迴路。透過使用雙級電流控制迴路,誤差信號210可控制線性電流控制單元211和功率轉換器22。
線性電流控制單元211耦接誤差放大器215接收誤差信號210,線性電流控制單元211還耦接輸入線14接收輸入電流IIN。線性電流控制單元211基於誤差信號210選擇性地將輸入電流IIN鉗位成鉗位電流IIN’。更具體地,若輸入電流IIN超過預設電流限制ILIM,則將輸入電流IIN鉗位成由參考電壓VREF_I確定的預設電流限制ILIM(例如,鉗位電流IIN’等於預設電流限制ILIM)。若輸入電流IIN並未超過預設電流限制ILIM,則線性電流控制單元211的開關(圖2中未示出)全部導通,以使輸入電流IIN傳輸給功率轉換器22而不被鉗位(例如,鉗位電流IIN’等於輸入電流IIN)。綜上,
若電源管理系統20處於正常工作狀態,則誤差信號210為零(例如,輸入電流IIN=鉗位電流IIN’=預設電流限制ILIM)。若電源管理系統20出現過流狀況(例如,輸入電流IIN超過預設電流限制ILIM),則誤差信號210變為正值。
功率轉換器22耦接線性電流控制單元211接收鉗位電流IIN’,並且功率轉換器22還耦接誤差放大器215接收誤差信號210。功率轉換器22包含誤差放大器221(誤差放大器221可認為是本發明實施例的第三誤差放大器)、誤差放大器223(誤差放大器223可認為是本發明實施例的第一誤差放大器)、誤差處理器227、脈衝調變器229以及直流/直流轉換器230。直流/直流轉換器230可為降壓轉換器或本領域已知的其它可控轉換器,例如,升壓轉換器、降升壓轉換器及其它電路拓撲。在圖2的實施例中,直流/直流轉換器230是降壓轉換器,並且直流/直流轉換器230的責任週期由脈衝調變器229透過至少三個回授迴路控制:(1)基於誤差放大器221而建立的電池電壓控制迴路;(2)基於誤差放大器223而建立的系統優先順序控制迴路;(3)基於誤差放大器215而建立的雙級電流控制迴路。直流/直流轉換器230的責任週期調節傳送給負載(例如,有源系統19)的第一輸出電壓以及傳送給電池18的第二輸出電壓。
對於電池電壓控制迴路,誤差放大器221比較直流/直流轉換器230的轉換電壓輸出202的電壓與參考電壓VREF_V,並且相應地產生誤差信號225。在圖2的實施例中,參考電壓VREF_V等於允許傳送給電池18的最大充電電壓。
更具體地,若電源管理系統20處於正常工作狀態,則誤差信號225為零(例如,轉換電壓輸出202的電壓等於參考電壓VREF_V),轉換電壓輸出202以恒定的最大充電電壓(例如,參考電壓VREF_V)為電池18充電。若電源管理系統20出現過壓狀況(例如,轉換電壓輸出202的電壓超過參考電壓VREF_V),則誤差信號225變為正值。相應地,誤差處理器227基於誤差信號225減小補償埠COMP上的電壓(誤差處理器227的電路結構將在圖6中詳細說明),進而減小直流/直流轉換器230的責任週期。因此,轉換電壓輸出202的電壓降至參考電壓VREF_V進而以恒壓充電模式為電池18充電。
對於系統優先順序控制迴路,誤差放大器223比較限制匯流排201上的電壓VIN’與參考電壓VRBUS_min,並且相應地產生誤差信號226。在圖2的實施例中,參考電壓VRBUS_min等於有源系統19正常工作所需的最小系統電壓。更具體地,若電源管理系統20處於正常工作狀態,則誤差信號226為零(例如,限制匯流排201上的電壓VIN’等於參考電壓VRBUS_min)。若電源管理系統20出現欠壓狀況(例如,限制匯流排201上的電壓VIN’低於參考電壓VRBUS_min),則誤差信號226變為正值。相應地,誤差處理器227基於誤差信號226減小補償埠COMP上的電壓,進而減小直流/直流轉換器230的責任週期。因此,功率轉換器22基於誤差信號226減小或切斷電池18的充電電流。由於電源12所提供的總電力固定,傳送給電池18和有源系統19的電力得到平衡。由於電池18的充電電流減小,傳送給有源系統19
的電壓VIN’增至參考電壓VRBUS_min,進而適當地為有源系統19供電。
因此,透過使用系統優先順序控制迴路,有源系統19具有優先順序以確保其正常工作。若有源系統19需要更多電力,則電池18的充電電流相應地減小以滿足有源系統19的需求。若必要,電池18可停止充電操作並開始為有源系統19供電。在這種情況中,有源系統19可由電池18和限制匯流排201同時供電。
在一個實施例中,電池18提供指示其最大充電電壓的參考電壓VREF_V,參考電壓VREF_V可為數位形式。因此,耦接誤差放大器221的數位/類比(Digital to Analog,D/A)轉換器(圖2中未示出)將參考電壓VREF_V轉換為類比信號,進行誤差放大器221的如上所述的比較。類似地,有源系統19提供指示其正常工作所需的最小系統電壓的參考電壓VRBUS_min,參考電壓VRBUS_min可為數位形式。因此,耦接誤差放大器223的數位/類比轉換器(圖2中未示出)將參考電壓VRBUS_min轉換為類比信號,進行誤差放大器223的如上所述的比較。在另一個實施例中,參考電壓VREF_V和參考電壓VRBUS_min可用本技術領域中具有通常知識者所知道的其它可程式設計電路(圖2中未示出)產生。
對於雙級電流控制迴路,如上所述,誤差放大器215比較感測電壓VI_SENSE與指示預設電流限制ILIM的參考電壓VREF_I,並且相應地產生誤差信號210。若電源管理系統20出現過流狀況(例如,輸入電流IIN超過預設電流限制ILIM),則誤差信號210變為正值。相應地,誤差處理器227
基於誤差信號210減小補償埠COMP上的電壓,進而基於誤差信號210減小直流/直流轉換器230的責任週期以保持轉換電壓輸出202的電壓恒定。因此,即使輸入電流IIN波動,轉換電壓輸出202的電壓仍保持恒定。
在圖2的實施例中,誤差處理器227接收誤差信號210、誤差信號225以及誤差信號226,並產生輸出信號228給脈衝調變器229。更具體地,如上所述,若電源管理系統20處於正常工作狀態,則誤差信號210、誤差信號225及誤差信號226均為零。然而,若電源管理系統20出現過流狀況、過壓狀況或欠壓狀況,則誤差信號210、誤差信號225及誤差信號226中的一個應為正值。相應地,誤差處理器227減小補償埠COMP上的電壓,進而減小直流/直流轉換器230的責任週期。
下面的舉例僅用於說明的目的,但不以此為限。在一個實施例中,假設電源管理系統20僅出現欠壓狀況,例如,轉換電壓輸出202上的電壓等於參考電壓VREF_V,電壓VIN’低於參考電壓VRBUS_min,並且輸入電流IIN等於預設電流限制ILIM。因此,誤差信號210和誤差信號225為零並且誤差信號226為正值。誤差信號226使誤差處理器227控制脈衝調變器229。基於誤差信號226,誤差處理器227的輸出信號228的電壓(例如,補償埠COMP上的電壓)減小,進而減小直流/直流轉換器230的責任週期。誤差處理器227透過補償埠COMP耦接補償網路203,並且控制脈衝調變器229產生驅動信號(例如,脈衝寬度調變信號),以調節直流/直流轉換器230的責任週期。
在其他實施例中,電源管理系統20可同時出現多個異常狀況。舉例但並非限制,假設電源管理系統20同時出現欠壓狀況和過流狀況,例如,轉換電壓輸出202上的電壓等於參考電壓VREF_V,電壓VIN’低於參考電壓VRBUS_min,並且輸入電流IIN超過預設電流限制ILIM。因此,誤差信號225為零並且誤差信號210和誤差信號226為正值。誤差處理器227加總誤差信號210和誤差信號226,並獲得總的誤差信號。基於總的誤差信號,輸出信號228的電壓(例如,補償埠COMP上的電壓)減小,進而減小直流/直流轉換器230的責任週期。在實際操作中,由於一個誤差信號的出現將減小直流/直流轉換器230的責任週期,以使其他誤差信號快速回到零,因此多個異常狀況僅在很短的時間段內同時出現。
有利之處在於,電源管理系統20採用雙級電流控制迴路控制輸入電流IIN以及傳送給有源系統19和/或電池18的電力。此外,功率轉換器22利用電池電壓控制迴路和系統優先順序控制迴路確保有源系統19和電池18的正常工作。
圖3所示為根據本發明另一個實施例的電源管理系統30的電路示意圖。圖3結合圖2進行描述。圖3中與圖2圖號相同的元件具有相似的功能。
在圖3的實施例中,功率轉換器32包含的誤差放大器221、誤差處理器227、脈衝調變器229以及直流/直流轉換器230圖號。功率轉換器32還包含誤差放大器323,類似於圖2中的誤差放大器223。誤差放大器323用以形
成系統優先順序控制迴路。誤差放大器323比較限制匯流排201上的電壓VIN’與參考電壓VRBUS_min,並且相應地產生誤差信號326。耦接於誤差放大器215和誤差放大器323之間的電流限制調節單元316接收誤差信號326,並基於誤差信號326調節參考電壓VREF_I。更具體地,若電源管理系統30出現欠壓狀況(例如,限制匯流排201上的電壓VIN’低於參考電壓VRBUS_min),則誤差信號326變為正值。相應地,電流限制調節單元316減小參考電壓VREF_I,其指示減小的電流限制ILIM’。減小的參考電壓VREF_I導致輸入電流IIN超過新的電流限制ILIM’並且誤差信號210變為正值。誤差信號210使誤差處理器227控制脈衝調變器229。基於誤差信號210,補償埠COMP上的電壓減小,進而減小直流/直流轉換器230的責任週期。因此,功率轉換器32減小或切斷電池18的充電電流。由於電源12所提供的總電力固定,傳送給電池18和有源系統19的電力得到平衡。由於電池18的充電電流減小,傳送給有源系統19的電壓VIN’增至參考電壓VRBUS_min,進而適當地為有源系統19供電。
因此,透過使用基於誤差放大器323而建立的系統優先順序控制迴路,有源系統19具有優先順序確保其正常工作。若有源系統19需要更多電力,則電池18的充電電流相應地減小以滿足有源系統19的需求。若必要,電池18可停止充電操作並開始為有源系統19供電。在這種情況中,有源系統19可由電池18和限制匯流排201同時供電。
圖4所示為圖2或圖3的電源管理系統中的輸入電流
限制ILIM’並且誤差信號210變為正值。誤差處理器227使誤差信號210控制脈衝調製器229。基於誤差信號210,補償埠COMP上的電壓減小,從而減小DC/DC轉換器230的責任週期。因此,功率轉換器32減小或切斷電池18的充電電流。由於電源12所提供的總電力固定,傳送給電池18和有源系統19的電力得到平衡。由於電池18的充電電流減小,傳送給有源系統19的電壓VIN’增至參考電壓VRBUS_min,從而適當地為有源系統19供電。
因此,通過使用基於誤差放大器323而建立的系統優先順序控制回路,有源系統19具有優先順序來確保其正常工作。若有源系統19需要更多電力,則電池18的充電電流相應地減小以滿足有源系統19的需求。若必要,電池18可以停止充電操作並開始為有源系統19供電。在這種情況中,有源系統19可以由電池18和限制匯流排201一起來供電。
圖4所示為圖2或圖3的電源管理系統中的輸入電流限制控制電路41的另一實施例的框圖。圖4結合圖2和圖3進行描述。圖4中與圖2和圖3標號相同的元件具有相似的功能。電流感測器212感測輸入電流IIN並且產生感測電流ISEN,感測電流ISEN具有與輸入電流IIN類似的波形但幅度較小。耦合於電流感測器212的參考電流413提供電流限制IREF。根據不同的應用需求,可以由控制器(圖4中未示出)來預設參考電流413。如圖4所示,基於感測電流ISEN和電流限制IREF產生誤差電流IERR(例如,誤差電流IERR=感測電流ISEN-電流限制IREF)。電流誤差放大器415
比較誤差電流IERR與地,並且產生指示輸入電流IIN和電流限制IREF之間的差值的誤差信號210。線性電流控制單元211基於誤差信號210選擇性地將輸入電流IIN鉗位成鉗位電流IIN’。誤差信號210同樣被施加到功率轉換器22(圖4中未示出)來調節傳送給負載(例如,有源系統19)的第一輸出電壓(例如,電壓VIN’),以及傳送給電池18的第二輸出電壓(例如,轉換電壓輸出202上的電壓)。
圖5所示為圖2或圖3的電源管理系統中的輸入電流限制控制電路51的又一實施例的框圖。圖5結合圖2和圖3進行描述。圖5中與圖2和圖3標號相同的元件具有相似的功能。輸入電流限制控制電路51包含電阻507、放大器511、誤差放大器513、電晶體501、電晶體503及電晶體509。在圖5的實施例中,電晶體501、電晶體503及電晶體509可以是N溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體(N channel metal oxide semiconductor field effect transistor,NMOSFET)。電晶體501和電晶體509具有實質相同的漏源極電壓並且它們彼此實質匹配。本發明實施例中的“實質相同”、“實質匹配”是指電晶體501和電晶體509的漏源極電壓由於電路元件的非理想性,存在微小的差別。電晶體501、電晶體503、電晶體509及放大器511一起形成電流鏡,用於接收輸入電流IIN並在電晶體503的源極輸出感測電流ISEN。感測電流ISEN具有與輸入電流IIN類似的波形但幅度較小,感測電流ISEN在電阻507上生成感測電壓VI_SENSE。誤差放大器513比較指示輸入電流IIN的感測電壓VI_SENSE與指示預設電流限制ILIM的參考電壓
晶體603、電晶體605及電晶體607的汲極一起耦接於補償埠COMP和電流產生器601之間。更具體地,如上所述,若電源管理系統20(圖6中未示出)處於正常工作狀態,則誤差信號210、誤差信號225及誤差信號226均為零並且補償埠COMP上的電壓(例如,輸出信號228的電壓)為最大值。然而,若電源管理系統20出現過流狀況、過壓狀況或欠壓狀況,誤差信號210、誤差信號225及誤差信號226中的一個應為正值並且誤差處理器227中對應的電晶體吸收從電流產生器601流出的電流,以回應變為正值的誤差信號。因此,誤差處理器227減小補償埠COMP上的電壓以減小直流/直流轉換器230(圖6中未示出)的責任週期。
下面的例子僅用於說明的目的,但不以此為限。在一個實施例中,假設電源管理系統20僅出現欠壓狀況,例如,轉換電壓輸出202上的電壓等於參考電壓VREF_V,電壓VIN’低於參考電壓VRBUS_min,並且輸入電流IIN等於預設電流限制ILIM。因此,誤差信號210和誤差信號225為零並且誤差信號226為正值。相應地,電晶體603和電晶體605關斷並且電晶體607導通。電晶體607吸收從電流產生器601流出的電流以回應誤差信號226。因此,誤差處理器227減小補償埠COMP上的電壓以減小直流/直流轉換器230(圖6中未示出)的責任週期。
在其他實施例中,電源管理系統20可同時出現多個異常狀況。舉例但並非限制,假設電源管理系統20同時出現欠壓狀況和過流狀況,例如,轉換電壓輸出202上的
電壓等於參考電壓VREF_V,電壓VIN’低於參考電壓VRBUS_min,並且輸入電流IIN超過預設電流限制ILIM。因此,誤差信號225為零並且誤差信號210和誤差信號226為正值。相應地,電晶體605關斷並且電晶體603和電晶體607導通。
電晶體603和電晶體607分別吸收從電流產生器601流出的電流以回應誤差信號210和誤差信號226。因此,誤差處理器227減小補償埠COMP上的電壓。具體而言,誤差處理器227加總誤差信號210和誤差信號226,並獲得總的誤差信號。基於總的誤差信號,補償埠COMP上的電壓減小,進而減小直流/直流轉換器230(圖6中未示出)的責任週期。
圖7所示為根據本發明一個實施例的控制系統優先順序的方法流程圖。圖7結合圖2和圖3進行描述。儘管圖7示出了具體的步驟,但是這些步驟僅用於說明的目的,並不以此為限。
在步驟702中,比較傳送給負載(例如,有源系統19)的第一輸出電壓(例如,電壓VIN’)與指示負載的工作電壓的第一參考電壓(例如,參考電壓VRBUS_min),並相應地產生第一誤差信號(例如,誤差信號226或誤差信號326)。
更具體地,若電源管理系統(例如,電源管理系統20)處於正常工作狀態,則第一誤差信號為零(例如,第一輸出電壓等於第一參考電壓)。若電源管理系統出現欠壓狀況(例如,第一輸出電壓低於第一參考電壓),則第一誤差信號變為正值。
在步驟704中,基於第一誤差信號控制直流/直流轉
換器(例如,直流/直流轉換器230)的責任週期。例如,若第一輸出電壓低於第一參考電壓,則基於第一誤差信號減小直流/直流轉換器的責任週期。
在步驟706中,基於直流/直流轉換器的責任週期調節第一輸出電壓和傳送給電池(例如,電池18)的第二輸出電壓(例如,轉換電壓輸出202上的電壓)。
圖8所示為根據本發明一個實施例的控制輸入電流的方法流程圖。圖8結合圖2和圖3進行描述。儘管圖8示出了具體的步驟,但是這些步驟僅用於說明的目的,並不以此為限。
在步驟802中,感測輸入電流(例如,輸入電流IIN)。
在步驟804中,產生指示輸入電流和電流限制(例如,預設電流限制ILIM)之間的差值的第二誤差信號(例如,誤差信號210)。更具體地,在圖2、圖3或圖5的實施例中的第二誤差放大器(例如,誤差放大器215、誤差放大器513)比較指示輸入電流的感測電壓(例如,感測電壓VI_SENSE)和指示電流限制的第三參考電壓(例如,參考電壓VREF_I),以產生第二誤差信號。在圖4的實施例中的電流誤差放大器(例如,電流誤差放大器415)將指示輸入電流的感測電流(例如,感測電流ISEN)和電流限制(例如,電流限制IREF)的差值(例如,誤差電流IERR)與地比較,以產生第二誤差信號。若電源管理系統(例如,電源管理系統20)處於正常工作狀態,則第二誤差信號為零(例如,輸入電流等於電流限制)。若電源管理系統出現過流狀況(例如,輸入電流超過電流限制),則第二誤差信號變為正
值。在圖2的實施例中,電流限制可由控制器根據不同的應用需求而預設。在圖3的實施例中,電流限制可根據第一誤差信號而調節。例如,若第一輸出電壓低於第一參考電壓,則基於第一誤差信號減小電流限制。因此,輸入電流超過新的電流限制並且第二誤差信號變為正值。
在步驟806中,基於第二誤差信號將輸入電流選擇性地鉗位成鉗位電流。例如,當輸入電流超過電流限制(例如,第二誤差信號變為正值),則將輸入電流鉗位成電流限制(例如,鉗位電流等於電流限制);當輸入電流未超過電流限制(例如,第二誤差信號為零)時,則鉗位電流等於輸入電流。
在步驟808中,基於第二誤差信號控制直流/直流轉換器(例如,直流/直流轉換器230)的責任週期。例如,若輸入電流超過電流限制,則基於第二誤差信號減小直流/直流轉換器的責任週期以保持第二輸出電壓恒定。
圖9所示為根據本發明一個實施例的控制電池電壓的方法流程圖。圖9結合圖2和圖3進行描述。儘管圖9示出了具體的步驟,但是這些步驟僅用於說明的目的,並不以此為限。
在步驟902中,比較傳送給電池(例如,電池18)的第二輸出電壓與指示電池的充電電壓的第二參考電壓(例如,參考電壓VREF_V),並相應地產生第三誤差信號(例如,誤差信號225)。更具體地,若電源管理系統(例如,電源管理系統20)處於正常工作狀態,則第三誤差信號為零(例如,第二輸出電壓等於第二參考電壓)。若電源管理系統
出現過壓狀況(例如,第二輸出電壓超過第二參考電壓),則第三誤差信號變為正值。
在步驟904中,基於第三誤差信號控制直流/直流轉換器(例如,直流/直流轉換器230)的責任週期。例如,若第二輸出電壓超過第二參考電壓,則基於第三誤差信號減小直流/直流轉換器的責任週期以使第二輸出電壓降至第二參考電壓。
本發明的實施例提供的電源管理系統和電源管理方法採用雙級電流控制迴路控制輸入電流以及傳送給有源系統和/或電池的電力。透過使用雙級電流控制迴路,電源管理系統相較於單獨運作的每個電流迴路的系統可改善瞬態回應和準確性。此外,本發明的實施例的電源管理系統和電源管理方法採用電池電壓控制迴路和系統優先順序控制迴路,以確保有源系統和電池的正常工作。迴路
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然,在不脫離申請專利範圍所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應該理解,本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此,在此披露之實施例僅用於說明而非限制,本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等同物界定,而不限於此前之描述。
10‧‧‧電源管理系統
12‧‧‧電源
14‧‧‧輸入線
16‧‧‧負載
17‧‧‧開關
18‧‧‧電池
19‧‧‧有源系統
111‧‧‧電流感測器
113‧‧‧減法器
115‧‧‧誤差信號
116‧‧‧誤差放大器
117‧‧‧誤差信號
118‧‧‧電流控制單元
119‧‧‧開關型直流/直流轉換器
20‧‧‧電源管理系統
21‧‧‧輸入電流限制控制電路
22‧‧‧功率轉換器
201‧‧‧限制匯流排
202‧‧‧轉換電壓輸出
203‧‧‧補償網路
210‧‧‧誤差信號
211‧‧‧線性電流控制單元
212‧‧‧電流感測器
215‧‧‧誤差放大器
221‧‧‧誤差放大器
223‧‧‧誤差放大器
225‧‧‧誤差信號
226‧‧‧誤差信號
227‧‧‧誤差處理器
228‧‧‧輸出信號
229‧‧‧脈衝調變器
230‧‧‧直流/直流轉換器
30‧‧‧電源管理系統
32‧‧‧功率轉換器
316‧‧‧電流限制調節單元
323‧‧‧誤差放大器
326‧‧‧誤差信號
41‧‧‧輸入電流限制控制電路
413‧‧‧參考電流
415‧‧‧電流誤差放大器
51‧‧‧輸入電流限制控制電路
501‧‧‧電晶體
503‧‧‧電晶體
507‧‧‧電阻
509‧‧‧電晶體
511‧‧‧放大器
513‧‧‧誤差放大器
515‧‧‧誤差信號
601‧‧‧電流產生器
603‧‧‧電晶體
605‧‧‧電晶體
607‧‧‧電晶體
702-706‧‧‧步驟
802-808‧‧‧步驟
902-904‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述,以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中:圖1所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統的架構圖。
圖2所示為根據本發明一個實施例的電源管理系統的電路示意圖。
圖3所示為根據本發明另一個實施例的電源管理系統的電路示意圖。
圖4所示為圖2或圖3的電源管理系統中的輸入電流限制控制電路的另一實施例的架構圖。
圖5所示為圖2或圖3的電源管理系統中的輸入電流限制控制電路的又一實施例的架構圖。
圖6所示為圖2或圖3的電源管理系統中的誤差處理器的一個實施例的架構圖。
圖7所示為根據本發明一個實施例的控制系統優先順序的方法流程圖。
圖8所示為根據本發明一個實施例的控制輸入電流的方法流程圖。
圖9所示為根據本發明一個實施例的控制電池電壓的方法流程圖。
17‧‧‧開關
18‧‧‧電池
19‧‧‧有源系統
20‧‧‧電源管理系統
21‧‧‧輸入電流限制控制電路
22‧‧‧功率轉換器
201‧‧‧限制匯流排
202‧‧‧轉換電壓輸出
203‧‧‧補償網路
210‧‧‧誤差信號
211‧‧‧線性電流控制單元
212‧‧‧電流感測器
215‧‧‧誤差放大器
221‧‧‧誤差放大器
223‧‧‧誤差放大器
225‧‧‧誤差信號
226‧‧‧誤差信號
227‧‧‧誤差處理器
228‧‧‧輸出信號
229‧‧‧脈衝調變器
230‧‧‧直流/直流轉換器
Claims (21)
- 一種電源管理系統,包括:一第一誤差放大器,比較傳送給一負載的一第一輸出電壓與指示該負載的一工作電壓的一第一參考電壓,以產生一第一誤差信號;一直流/直流轉換器,耦接一電池,該直流/直流轉換器的一責任週期調節該第一輸出電壓和傳送給該電池的一第二輸出電壓;一誤差處理器,耦接於該第一誤差放大器與該直流/直流轉換器之間,基於該第一誤差信號控制該責任週期,其中,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則該誤差處理器基於該第一誤差信號減小該責任週期以及該電池的一充電電流,以使該第一輸出電壓升至該第一參考電壓;以及一輸入電流限制控制電路,耦接該誤差處理器,感測一輸入電流並產生指示該輸入電流和一電流限制之間的一差值的一第二誤差信號,並且基於該第二誤差信號將該輸入電流鉗位成一鉗位電流,其中,該誤差處理器還基於該第二誤差信號控制該責任週期,並且若該輸入電流超過該電流限制,則該誤差處理器基於該第二誤差信號減小該責任週期,以保持該第二輸出電壓恒定,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則該輸入電流限制控制電路基於該第一誤差信號減小該電流限制。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,還包括: 一控制器,根據該電源管理系統的一應用需求預設該電流限制。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,其中,該輸入電流限制控制電路耦接一電源,其中,該電源是一通用序列匯流排埠電源,該負載是一有源系統。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,其中,該輸入電流限制控制電路包括:一線性電流控制單元,接收該輸入電流和該第二誤差信號,並基於該第二誤差信號將該輸入電流鉗位成該鉗位電流。
- 如申請專利範圍第4項的電源管理系統,其中,該輸入電流限制控制電路還包括:一第二誤差放大器,比較指示該輸入電流的一感測電壓和指示該電流限制的一第三參考電壓,以產生該第二誤差信號。
- 如申請專利範圍第4項的電源管理系統,其中,該輸入電流限制控制電路包括:一電流誤差放大器,將該差值與地比較,以產生該第二誤差信號。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,還包括:一第三誤差放大器,比較該第二輸出電壓與指示該電池的一充電電壓的一第二參考電壓,以產生一第三誤差信號,其中,該誤差處理器還基於該第三誤差信號控制該責任週期,並且若該第二輸出電壓超過該第二參考電 壓,則該誤差處理器基於該第三誤差信號減小該責任週期以使該第二輸出電壓降至該第二參考電壓。
- 如申請專利範圍第7項的電源管理系統,還包括:一數位/類比轉換器,耦接該第三誤差放大器,將該第二參考電壓從一數位信號轉換為一類比信號。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,還包括:一數位/類比轉換器,耦接該第一誤差放大器,將該第一參考電壓從一數位信號轉換為一類比信號。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,還包括:一脈衝調變器,耦接於該誤差處理器和該直流/直流轉換器之間,根據該誤差處理器的一輸出信號產生一驅動信號,以調節該責任週期。
- 如申請專利範圍第10項的電源管理系統,其中,該驅動信號是一脈衝寬度調變信號。
- 如申請專利範圍第1項的電源管理系統,其中,該誤差處理器透過一補償埠耦接一補償網路,其中,該誤差處理器透過減小該補償埠上的一電壓來減小該責任週期。
- 如申請專利範圍第I2項的電源管理系統,其中,該誤差處理器包括:一第一開關,由該第一誤差信號控制,其中,該第一開關的一汲極耦接於該補償埠和一電流發生器之間,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則該誤差處理器回應該第一誤差信號,吸收從該電流發生器流出的一電流,以減小該補償埠上的電壓。
- 一種電源管理方法,包括:比較傳送給一負載的一第一輸出電壓與指示該負載的一工作電壓的一第一參考電壓,以產生一第一誤差信號;基於該第一誤差信號控制一直流/直流轉換器的一責任週期;基於該責任週期調節該第一輸出電壓和傳送給一電池的一第二輸出電壓;感測一輸入電流;產生指示該輸入電流和一電流限制之間的一差值的一第二誤差信號;基於該第二誤差信號將該輸入電流鉗位成一鉗位電流;以及基於該第二誤差信號控制該責任週期,其中,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則基於該第一誤差信號減小該責任週期以及該電池的一充電電流,以使該第一輸出電壓升至該第一參考電壓,若該輸入電流超過該電流限制,則基於該第二誤差信號減小該責任週期以保持該第二輸出電壓恒定,若該第一輸出電壓低於該第一參考電壓,則基於該第一誤差信號減小該電流限制。
- 如申請專利範圍第14項的電源管理方法,其中,產生指示該輸入電流和該電流限制之間的該差值的該第二誤差信號的步驟包括:比較指示該輸入電流的一感測電壓和指示該電流限 制的一第三參考電壓,以產生該第二誤差信號。
- 如申請專利範圍第14項的電源管理方法,其中,產生指示該輸入電流和該電流限制之間的該差值的該第二誤差信號的步驟包括:將指示該輸入電流的一感測電流和該電流限制的一差值與地比較,以產生該第二誤差信號。
- 如申請專利範圍第14項的電源管理方法,還包括:一控制器,根據該電源管理系統的一應用需求預設該電流限制。
- 如申請專利範圍第14項的電源管理方法,還包括:比較該第二輸出電壓與指示該電池的一充電電壓的一第二參考電壓,以產生一第三誤差信號;基於該第三誤差信號控制該責任週期,其中,若該第二輸出電壓超過該第二參考電壓,則基於該第三誤差信號減小該責任週期以使該第二輸出電壓降至該第二參考電壓。
- 如申請專利範圍第18項的電源管理方法,其中,比較該第二輸出電壓與指示該電池的該充電電壓的該第二參考電壓的步驟包括:將該第二參考電壓從一數位信號轉換為一類比信號。
- 如申請專利範圍第14項的電源管理方法,其中,比較傳送給該負載的該第一輸出電壓與指示該負載的該工作電壓的該第一參考電壓的步驟包括:將該第一參考電壓從一數位信號轉換為一類比信號。
- 如申請專利範圍第14項的電源管理方法,還包括: 透過減小一補償埠上的一電壓以減小該責任週期。
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