TWI553499B - 電子裝置的瞬間電流補充電路及其設計方法 - Google Patents

Description

電子裝置的瞬間電流補充電路及其設計方法

本發明與電子裝置的電源電路有關，特別是指一種用於電子裝置的瞬間電流補充電路及其設計方法。

隨著電子裝置的硬體需求及功能增加，使得電源電路的輸出需求也對應增加，舉例來說硬體例如WiFi、WAN、GPS、NFC等通訊晶片或模組的建立。這些硬體通常不會在同一時間作動，且該些硬體在啟動瞬間的耐壓、抽載電流及維持時間的程度都不相同，因此，任一硬體在啟動瞬間通常會讓電源電路供應電能在這個瞬間發生不平衡的現象，所以，需要針對不同的硬體提供對應的電流補充電路，以讓該些硬體能維持正常工作範圍內的電壓準位。

此外，工業用手持式電子裝置除了前述的電流補償需求外，更是針對工業用手持電子裝置摔落瞬間，電源瞬間斷開問題提供對應的電流補償，以避免電源瞬間斷開造成資料喪失。

換言之，無論是消費型或是工業用手持電子裝置都存在硬體作動瞬間電流補償的應用需求，以讓各硬體可維持在正常工作範圍內的電壓準位。再者，電子裝置的電源電路管理之電路設計往往需要較大的電路板面積及成本，而電源品質之管理及效能也會影響電子裝置的穩定性及效能。

如第1圖所示，傳統對於有電流補償應用需求的硬體，又要讓硬體能維持在正常工作範圍內的電壓準位，通常是在電子裝置90的各電源線路(power rail)91、92、93、94、95連接對應的補償模組91a、92a、93a、94a、95a，電源線路91、92、93、94、95即電源管理模組96與該些硬體91b、 92b、93b、94b、95b連接的路徑。其中，補償模組91a、92a、93a、94a、95a例如是大電容、超級電容或水塔(water tower)電路等，以使上述硬體91b、92b、93b、94b、95b其中任一者作動瞬間，藉由連接在其電源線路91、92、93、94、95上的補償模組91a、92a、93a、94a、95a提供補償的電能，使其他硬體仍能維持在正常工作範圍內的電壓準位。

然而，針對各個硬體設計個別對應的補償模組91a、92a、 93a、94a、95a不僅會增加補償模組的數量，也需要較大的電路配置面積，而增加較多成本，故不符合目前電子裝置要求的輕薄需求。

有鑑於上述缺失，本發明的電子裝置的瞬間電流補充電路及其設計方法係可有效降低電源電路的配置面積及簡少電子零件使用，以維持電子裝置的運作效能及符合電子裝置輕薄的需求。

為達成上述目的，本發明提供一種電子裝置的瞬間電流補充電路的設計方法。電子裝置包括一電源電路、多個電壓調節單元及多個硬體。電源電路係連接該些電壓調節單元。該些電壓調節單元係一對一連接該些硬體。瞬間電流補充電路係連接電源電路及該些電壓調節單元。瞬間電流補充電路的設計方法包括下列步驟：首先，取得需要電流補償的每一硬體的參數條件，每一硬體的參數條件包括瞬間電壓降、瞬間電流及最大補償時間。接著，依據每一硬體的參數條件計算出對應該硬體的一電容值。然後，從該些硬體的參數條件對應的該些電容值中選擇最大者。最後，依據選出的最大電容值設計瞬間電流補充電路的一儲能模組。

由於本發明係考量電子裝置中全部硬體的參數條件，而從中選擇其中一者來設計瞬間電流補充電路，以使瞬間電流補充電路能有效在任一硬體啟動瞬間提供電能補償，及避免影響其他硬體正常運作所需電能。

為達成上述目的，本發明還提供一種瞬間電流補充電路，係用於電子裝置。電子裝置包括一電源電路、瞬間電流補充電路及多個硬體。電源電路係供應電能至該些硬體。瞬間電流補充電路包括儲能模組及 電源補償模組。電源補償模組係連接儲能模組、電源電路及該些硬體，且對儲能模組充電。其中，在該些硬體的任一者啟動時，電源補償模組係藉由釋放儲能模組的電能來補償啟動時硬體的電能。

如此，電子裝置只要一個本發明的瞬間電流補充電路就可 補償硬體啟動瞬間的電能，而不需要在每一電源線路分別設計及配置對應的補償模組，故可簡化電源管理電路、降低電路配置面積及簡少電子零件使用。

有關本發明所提供之電子裝置的瞬間電流補充電路及其設計方法的詳細步驟、組成、特點或運作方法，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧電子裝置

11‧‧‧電源電路

111‧‧‧電源

112‧‧‧電源管理模組

12、13、14、15‧‧‧硬體

113、121、131、141、151‧‧‧電壓調節單元

20‧‧‧瞬間電流補充電路

21‧‧‧電源補償模組

211‧‧‧充電單元

212‧‧‧降升壓單元

213‧‧‧電壓偵測單元

214‧‧‧電阻電容單元

22‧‧‧儲能模組

A、B、C、D、E‧‧‧電源線路

I‧‧‧輸入端

O‧‧‧輸出端

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Q3‧‧‧第三電晶體

Q4‧‧‧第四電晶體

S30-S36‧‧‧步驟

90‧‧‧電子裝置

91、92、93、94、95‧‧‧電源線路

91a、92a、93a、94a、95a‧‧‧補償模組

96‧‧‧電源管理模組

91b、92b、93b、94b、95b‧‧‧硬體

第1圖是傳統補償模組應用於電子裝置的配置示意圖。

第2圖是應用本發明的瞬間電流補充電路的電子裝置的配置示意圖。

第3圖是本發明的瞬間電流補充電路的方塊圖。

第4圖是本發明的瞬間電流補充電路的電路圖。

第5圖是本發明的瞬間電流補充電路的設計流程圖。

以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的用於電子裝置的電源電路的瞬間電流補充電路及其設計方法的步驟、組成及達成功效來說明。然各圖式中用於電子裝置的電源電路的瞬間電流補充電路及其設計方法的構件、配置及步驟僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。

如第2圖所示，電子裝置10包括瞬間電流補充電路20，電源電路11及連接電源電路11的多個硬體12、13、14、15。電源電路11包括電源111及電源管理模組112。電源111係用以供應一電能，且可以是電池或外部電源。該些硬體12、13、14、15例如是區域網路 模組(WAN MODULE)、無線區域網路模組(WiFi MODULE)、衛星定位模組(GPS MODULE)、近場通信模組(NFC MODULE)等，每一硬體12、13、14、15作動瞬間的電流係不相同。電源111、電源管理模組112及該些硬體之間係用以藉由電源線路A、B、C、D、E相互連接，電源電路11係供應該些硬體12、13、14、15作動的主要電能。於此實施例中，硬體是指接收或供應電源電路的電源的負載，故不以上述例示為限。

本發明的瞬間電流補充電路20係連接電源電路11及該 些硬體12、13、14、15，以補償電源電路11的電源管理模組112在任一硬體12、13、14、15啟動時的電能需求，以確保電源電路11的品質及效能。

請再參照第2圖，瞬間電流補充電路20包括一電源補 償模組21及一儲能模組22。電源補償模組21係連接電源111、儲能模組22及該些硬體12、13、14、15，且接收電源111的電能，並對儲能模組22充電，電源補償模組21係藉由釋放儲能模組22的電能來補償啟動時每一硬體12、13、14、15的電能需求。

其中，儲能模組22係選自一超級電容、一水塔電路或 一大電容等儲能電子元件其中之一，但也可以選擇其他能快速釋放電能的儲能電子元件、電子元件組合或電子電路組成，故儲能模組22係不以一個儲能電子元件為限。

如此，本發明的瞬間電流補充電路20僅需要一個電源 補償模組21及一個儲能模組22，而不需要如先前技術中所述於每一電源線路上連接個別補償模組以對應個別硬體的需求，整個電子裝置的補償模組所需數量大大減少。習知補償模組中的儲能元件，例如電容，佔有的電路面積相對於其它電子元件的面積大很多，透過本發明的設計方法，只要一個儲能模組22即可，可省去習知多個補償模組的儲能元件的電路面積，故本發明的瞬間電流補充電路20是可有效縮減電路的配置面積以及減少零件的使用。

如第3圖所示，電源111及該些硬體12、13、14、15的 前端分別有一電壓調節單元113、121、131、141、151。本發明的電源補償模組21包括一充電單元211及一降升(buck-boost)壓單元212。充電單元211係連接電源111及儲能模組22，用以對儲能模組22充電。 降升壓單元212係連接儲能模組22，且用以輸出一電壓，該輸出電壓係高於儲能模組22的電壓準位。其中，個別硬體還包括應用電壓，應用電壓是硬體正常工作範圍內的電壓準位。該些電壓調節單元113、121、131、141、151分別具有一輸入端I及一輸出端O，該些電壓調節單元113、121、131、141、151的輸入端I係連接降升壓單元，該些電壓調節單元113、121、131、141、151的輸出端O係一對一分別連接電源111及該些硬體12、13、14、15，該些電壓調節單元113、121、131、141、151用以調節輸出端的電壓，以使電源111及該些硬體12、13、14、15接收到符合其本身的應用電壓。其中，符號A-E係對應第2圖中電源線路A-E。

如此，當該些硬體12、13、14、15其中任一者在啟動瞬 間，儲能模組22係釋放儲存的電能，並藉由電源補償模組21的降升壓單元212對啟動瞬間的硬體作電流補償，以使其他硬體可維持在正常的電壓準位。又，充電單元211係藉由電源111的電能來對儲能模組22進行充電，以補償下一個啟動的硬體。

隨後舉一實際電路為例，但該實際電路僅用以說明本發明，而非用以限制本發明的專利申請範圍。

如第4圖所示，充電單元211包括第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、電壓偵測單元213及電阻電容單元214。第一電晶體Q1是連接電源111及電壓偵測單元213。第二電晶體Q2是連接電源電路11中的電源111、第三電晶體Q3及第四電晶體Q4。第三電晶體Q3連接第四電晶體Q4及電阻電容單元214。電壓偵測單元213連接電阻電容單元214，且用以偵測儲能模組22的電壓準位，且在儲能模組22的電壓準位到達儲能模組22的耐受值時，停止充電單元211對儲能模組22充電。儲能模組22係連接電阻電容單元214。隨後詳述本實施例的瞬間電流補充電路的運作。

請續參照第4圖，當電子裝置連接電源111(例如電池或 外部電源)，也就是有電源111供應電能給電源電路時，第二及第三電晶體Q2、Q3是導通，使電能藉由導通的電晶體Q2、Q3及電阻電容單元214對儲能模組22進行充電。

當儲能模組22充飽電，也就是儲能模組22儲存的電能 的電壓準位已到達其耐受值時，則電壓偵測單元213將第一電晶體Q1關閉，使得第二、第三及第四電晶體Q2、Q3、Q4也被關閉，如此，電源111的電能就不能再對儲能模組22充電，以避免儲能模組22過度充電而損壞。

接著，當該些硬體12、13、14、15的任一者啟動時，瞬 間電流補充電路20係可藉由儲能模組22的電能釋放來補償硬體在啟動時電源管理模組不足的部分，以符合硬體的參數條件需求。

舉例來說，當無線區域網路模組啟動瞬間，電源補償模 組及儲能模組係可補償無線區域網路模組啟動瞬間的電流及補償時間，且電壓調節單元係可調節輸出電壓，以供應無線區域網路模組需要的電壓需求，也就是本發明的瞬間電流補充電路係可有效補償硬體啟動瞬間的需求，同時電壓偵測單元213也會偵測到儲能模組22因電能釋放而開啟第一電晶體Q1，以藉由前述的充電路徑進行充電。

隨後，當下一個硬體(例如近場通訊模組)啟動瞬間，電 源補償模組及儲能模組又可依照前述的補償方式進行補償。因此，本發明的瞬間電流補充電路係可有效補償電子裝置的各個硬體啟動時的參數條件的需求，故，本發明的瞬間電流補充電路及其設計方法確實可達成簡化電源電路在電路板配置面積及簡少零組件使用的目的。

請續參照第4圖，當電源111不存在，也就是電源111 被移除、電源111沒電或被拆離時，第二、第三及第四電晶體Q2、Q3、Q4是被截止，此時，儲能模組22儲存的電能係可藉由降升壓單元212來釋放。

以上藉由方塊圖及實際電路說明本發明的瞬間電流補 充電路，隨後說明本發明的瞬間電流補充電路的設計方法。

於此實施例中，需要使用電流補充的應用包括電源及該些硬體，例如區域網路模組、無線區域網路模組、衛星定位模組、近場通信模組)，實務中，需要使用電流補充的應用都可採用本發明，不以上述舉例為限。

如第5圖所示，瞬間電流補充電路的設計方法包括下列步驟：首先，步驟S30，取得需要電流補償的該些硬體，並取得每一硬體的一參數條件，此參數條件包括一瞬間電壓降(instant voltage drop)、一瞬間電流(instant current)及一最大補償時間(maximum holding time)。接著，步驟S31，依據每一個別硬體的參數條件計算出個別硬體的電容值。隨後，步驟S32，從該些硬體的參數條件對應得到的該些電容值中選擇最大者，視為最大電容值。然後，步驟S33，依據最大電容值設計瞬間電流補充電路的一儲能模組。步驟S34，選擇適用的儲能電子元件當做儲能模組，例如，選自超級電容、大電容及水塔電路的其中之一，但也有例外情況，如前所述，於此不再贅述。接著，步驟S35，從所有個別硬體的應用電壓中選擇最大者來設計一降升壓單元(如第3圖的降升壓單元212)，降升壓單元係連接儲能模組。最後，步驟S36，將降升壓單元連接至該些電壓調節單元。如此，本發明的瞬間電流補充電路即可被設計完成，並用以補償該些硬體啟動時的電能。

其中。步驟S31中電容值C的計算係依據下列式一而得，式一中I是參數條件的瞬間電流，△t是參數條件的最大補償時間，△V是參數條件的瞬間電壓降。如此，步驟30中該些硬體的參數條件都可藉由式一而計算出該些硬體對應的電容值。

式一：C= ^I△t / _△V

如此，由於本發明的瞬間電流補充電路的儲能模組是選擇電子裝置裡所有硬體之中含有的最大電容值，因此，瞬間電流補充電路是可以滿足全部硬體在啟動瞬間的電流補充應用，因而無需如先前技術所述於每一電源線路上個別連接一個對應該硬體的補償模組，從而大幅降低補償模組的數量。又，本發明的瞬間電流補充電路是從 該些應用電壓中選擇最大者來設計一降升壓單元，因此，降升壓單元也可以滿足全部硬體的電壓應用。

雖然，本實施例的電源補償模組有降升壓單元，但如果儲能模組的電壓準位已足以對應該些硬體的應用電壓需求時，則降升壓單元是可以被省略。又，實務中，升壓方式也不以本實施例所述的降升壓單元為限。

最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧電子裝置

11‧‧‧電源電路

111‧‧‧電源

112‧‧‧電源管理模組

12、13、14、15‧‧‧硬體

20‧‧‧瞬間電流補充電路

21‧‧‧電源補償模組

22‧‧‧儲能模組

A、B、C、D、E‧‧‧電源線路

Claims (9)

1. 一種電子裝置的瞬間電流補充電路的設計方法，該電子裝置包括一電源電路、多個電壓調節單元及多個硬體，該電源電路係連接該些硬體與該些電壓調節單元的輸出端，該瞬間電流補充電路係連接該電源電路及該些電壓調節單元的輸入端，該些電壓調節單元的輸出端係一對一連接該些硬體，該瞬間電流補充電路的設計方法包括下列步驟：取得需要電流補償的每一硬體的一參數條件，每一參數條件包括一瞬間電壓降、一瞬間電流及一最大補償時間；計算每一硬體的參數條件對應的一電容值；從該些硬體的參數條件對應的該些電容值中選擇出最大電容值；及依據最大電容值設計瞬間電流補充電路的一儲能模組。
2. 如申請專利範圍第1項所述的設計方法，其中，每一硬體還包括一應用電壓，該設計方法包括從該些應用電壓中選擇最大者來設計一降升壓單元，該降升壓單元係連接儲能模組及該些電壓調節單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述的設計方法，其中，該儲能模組係選自一超級電容、一大電容及一水塔電路的其中之一。
4. 一種瞬間電流補充電路，係用於一電子裝置，該電子裝置包括一電源電路及多個硬體，該電源電路係供應該些硬體需要的電能，該瞬間電流補充電路包括：一儲能模組，該儲能模組的一電容值係該些硬體中的一最大電容值，每一硬體的電容值係與其瞬間電壓降、瞬間電流及最大補償時間有關；及一電源補償模組，係連接該儲能模組、該電源電路及該些硬體，且對該儲能模組充電，其中，在該些硬體的任一者啟動時，該電源補償模組係藉由釋放該儲能模組的電能來補償該硬體啟動時的電能。
5. 如申請專利範圍第4項所述的瞬間電流補充電路，其中，該儲能模組係選自一超級電容、一大電容及一水塔電路的其中之一。
6. 如申請專利範圍第4項所述的瞬間電流補充電路，其中，該電源補償模組包括一充電單元，係連接該電源電路及該儲能模組，且對該儲能模組充電。
7. 如申請專利範圍第6項所述的瞬間電流補充電路，其中，該充電單元包括一電壓偵測單元，用以偵測該儲能模組的一電壓準位，且在該儲能模組的電壓準位到達該儲能模組的一耐受值時，停止該充電單元對該儲能模組充電。
8. 如申請專利範圍第7項所述的瞬間電流補充電路，其中，該充電單元包括一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第四電晶體及一電阻電容單元，該第一電晶體係連接該電源電路及該電壓偵測單元，該第二電晶體係連接該電源電路、該第三電晶體及該第四電晶體，該第三電晶體係連接該第四電晶體及該電阻電容單元，該電阻電容單元係連接該儲能模組。
9. 如申請專利範圍第4、6或7項所述的瞬間電流補充電路，其中，該電子裝置還包括多個電壓調節單元分別連接該些硬體，該電源補償模組包括一降升壓單元，該降升壓單元係連接該儲能模組及該些電壓調節單元，且用以輸出一電壓至該些電壓調節單元，該電壓係高於該儲能模組的電壓準位。