TWI585421B - 電流感測模組及應用其之電源轉換裝置與電子裝置 - Google Patents

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Description

電流感測模組及應用其之電源轉換裝置與電子裝置
本發明是有關於一種電路特性的偵測技術及應用，且特別是有關於一種電流感測模組及應用其之電源轉換裝置與電子裝置。
在一般的電子電路之電流感測模組中，通常是採用運算放大器來偵測特定節點上的訊號，再將所偵測到的訊號經放大或其他調變，轉換為系統所定義的訊號格式，藉以透過此依訊號來指示流經特定節點之電流大小。
然而，在傳統的電流感測模組中，若需處理交流訊號時，設計者通常必須在電路中增設額外的負電源電路與偏壓電路，使得雙向的電流訊號可以被轉換為直流訊號提供給控制電路，控制電路才能對所偵測到的訊號加以判斷並進行後續的控制動作。
特別是在電源轉換裝置的設計領域中，為了要實現較穩定且良好的控制，透過電流感測模組來實現電流偵測，並以此作 為電源轉換之控制基礎是常見的作法。因此電流感測模組之重要性即不言而喻。然而，在電源轉換裝置的運作中，由於時常會有因為操作模式的切換而造成所需偵測的電流發生反向的流動，如此一來，在傳統的電流感測模組應用於電源轉換裝置時，勢必需要將負電源電路及偏壓電路的設計納入整體設計考量之中，從而造成設計者在電路設計上的麻煩，並且同時也提高了電源轉換裝置整體的設計成本。
本發明提供一種電流感測模組及應用其之電源轉換裝置與電子裝置，其可在無須增設負電源電路與偏壓電路的前提下實現雙向/交流的電流感測機制。
本發明的電流感測模組適於偵測流經第一負載的第一負載電流。電流感測模組包括取樣級電路以及輸出級電路。取樣級電路跨接於第一負載的兩端，用以依據第一負載電流的電流方向，採用多工切換手段以選擇性地交換與第一負載的耦接節點，藉以取樣第一方向或第二方向的第一負載電流，並且據以產生取樣訊號。輸出級電路耦接取樣級電路，協同於取樣級電路的切換時序切換與取樣級電路的輸出端之間的耦接節點，藉以依據取樣訊號產生指示第一負載電流大小的電流指示訊號。
在本發明的一實施例中，取樣級電路包括第一多工器、第二多工器以及第一放大器。第一多工器具有多個輸入端與輸出 端，第一多工器的所述多個輸入端其中之第一輸入端耦接第一負載的第一端，並且第一多工器的所述多個輸入端其中之第二輸入端耦接第一負載的第二端，其中第一多工器受控於多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為第一輸入訊號。第二多工器具有多個輸入端與輸出端，其中第二多工器的所述多個輸入端其中之第一輸入端耦接第一負載的第二端，並且第二多工器的所述多個輸入端其中之第二輸入端耦接第一負載的第一端，其中第二多工器受控於多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為第二輸入訊號。第一放大器耦接第一與第二多工器的輸出端以接收第一與第二輸入訊號，並且據以產生取樣訊號。
在本發明的一實施例中，當第一負載電流的電流方向為第一方向時，第一多工器受控於多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號做為第一輸入訊號，並且第二多工器受控於多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號作為第二輸入訊號。
在本發明的一實施例中，當第一負載電流的電流方向為相反於第一方向的第二方向時，第一多工器受控於多工訊號而選擇其第二輸入端所接收到的訊號作為第一輸入訊號，並且第二多工器受控於多工訊號而選擇其第二輸入所接收到的訊號作為第二輸入訊號。
在本發明的一實施例中，輸出級電路包括第三多工器、第四多工器、第二放大器、第一分壓單元以及第二分壓單元。第 三多工器具有多個輸入端與輸出端，第三多工器的所述多個輸入端其中之第一輸入端耦接第一放大器的第一輸出端，並且第三多工器的所述多個輸入端其中之第二輸入端耦接第一放大器的第二輸出端，其中第三多工器受控於多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為第三輸入訊號。第四多工器具有多個輸入端與輸出端，其中第四多工器受控於多工訊號而選擇耦接第四多工器的所述多個輸入端其中之第一輸入端與第二輸入端其中之一至輸出端。第二放大器耦接第三與第四多工器的輸出端以接收第三輸入訊號，並且據以產生電流指示訊號。第一分壓單元，耦接於第四多工器的第一輸入端與第二放大器的第一輸出端之間。第二分壓單元，耦接於第四多工器的第二輸入端與第二放大器的第二輸出端之間。
在本發明的一實施例中，電流偵測模組更適於偵測流經第二負載的第二負載電流，其中第一多工器的所述多個輸入端其中之第三輸入端耦接第二負載的第一端，並且第二多工器的所述多個輸入端其中之第三輸入端耦接第二負載的第二端。
在本發明的一實施例中，第一與第二多工器於第一偵測期間選擇耦接至第一負載的兩端藉以偵測第一負載電流，並且於第二偵測期間選擇耦接至第二負載的兩端藉以偵測第二負載電流。
本發明的電源轉換裝置包括電源轉換電路、電流感測模組以及控制電路。電源轉換電路用以將外接電源或電池電源轉換 為工作電源以提供給負載裝置，其中電源轉換電路具有串接於電源轉換路徑上的第一偵測電阻。電流感測模組跨接於第一偵測電阻的兩端，藉以偵測流經第一偵測電阻的第一負載電流。控制電路耦接電源轉換電路與電流感測模組，用以控制電源轉換電路與電流感測模組的運作。電流感測模組包括取樣級電路以及輸出級電路。取樣級電路跨接於第一偵測電阻的兩端，用以依據第一負載電流的電流方向，採用多工切換手段以選擇性地交換與第一負載的耦接節點，藉以取樣第一方向或第二方向的第一負載電流，並且據以產生取樣訊號。輸出級電路耦接取樣級電路，協同於取樣級電路的切換時序切換與取樣級電路的輸出端之間的耦接節點，藉以依據取樣訊號產生指示第一負載電流大小的電流指示訊號。
在本發明的一實施例中，取樣級電路包括第一多工器、第二多工器以及第一放大器。第一多工器具有多個輸入端與輸出端，第一多工器的所述多個輸入端其中之第一輸入端耦接第偵測電阻的第一端，並且第一多工器的所述多個輸入端其中之第二輸入端耦接第一偵測電阻的第二端，其中第一多工器受控於多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為第一輸入訊號。第二多工器具有多個輸入端與輸出端，其中第二多工器的所述多個輸入端其中之第一輸入端耦接第一偵測電阻的第二端，並且第二多工器的所述多個輸入端其中之第二輸入端耦接第一偵測電阻的第一端，其中第二多工器受控於多工訊號而選擇 其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為第二輸入訊號。第一放大器耦接第一與第二多工器的輸出端以接收第一與第二輸入訊號，並且據以產生取樣訊號。
在本發明的一實施例中，電流偵測模組更適於偵測流經第二偵測電阻的第二負載電流。第一多工器的所述多個輸入端其中之第三輸入端耦接第二偵測電阻的第一端，並且第二多工器的所述多個輸入端其中之第三輸入端耦接第二偵測電阻的第二端。
在本發明的一實施例中，第一與第二多工器於第一偵測期間選擇耦接至第一偵測電阻的兩端藉以偵測第一負載電流，並且於第二偵測期間選擇耦接至第二偵測電阻的兩端藉以偵測第二負載電流。
本發明的電子裝置包括電池、充電端以及電源轉換電路。電池用以提供電池電源。充電端用以接收外接電源。電源轉換電路用以將外接電源或電池電源轉換為工作電源以提供給負載裝置，其中電源轉換電路具有串接於電源轉換路徑上的第一偵測電阻。電流感測模組跨接於第一偵測電阻的兩端，藉以偵測流經第一偵測電阻的第一負載電流。控制電路耦接電源轉換電路與電流感測模組，用以控制電源轉換電路與電流感測模組的運作。電流感測模組包括取樣級電路以及輸出級電路。取樣級電路跨接於第一偵測電阻的兩端，用以依據第一負載電流的電流方向，採用多工切換手段以選擇性地交換與第一負載的耦接節點，藉以取樣第一方向或第二方向的第一負載電流，並且據以產生取樣訊號。 輸出級電路耦接取樣級電路，協同於取樣級電路的切換時序切換與取樣級電路的輸出端之間的耦接節點，藉以依據取樣訊號產生指示第一負載電流大小的電流指示訊號。
在本發明一實施例中，電子裝置更包括負載裝置。負載裝置，耦接電源轉換裝置，用以依據電源轉換裝置所提供的工作電源而運作。
基於上述，本發明實施例提出一種電流感測模組及應用其之電源轉換裝置與電子裝置。所述電流感測模組可藉由多工切換的方式，在不需使用負電源及額外的參考電源的前提下來實現雙向電流的量測。除此之外，本案的電流感測模組還可藉由分時多工的電流感測機制，而在不需增設額外放大器做訊號取樣及輸出的前提下實現多路的電流感測，從而降低了整體電流感測模組的設計成本。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧電子裝置
110‧‧‧電池
120‧‧‧電源轉換裝置
122‧‧‧電源轉換電路
124、124’‧‧‧電流感測模組
126‧‧‧控制電路
130‧‧‧負載裝置
AMP1、AMP2‧‧‧放大器
C1、C2、C3、C4、Ca、Cb、Cin、Cout‧‧‧電容
CLK‧‧‧內部時脈
CS1、CS2‧‧‧控制訊號
DP1‧‧‧第一偵測期間
DP2‧‧‧第二偵測期間
GND‧‧‧接地端
Ib1、Ib2‧‧‧負載電流
IN11、IN21、IN31、IN12、IN22、IN32、IN13、IN23、IN33、IN14、IN24、IN34‧‧‧輸入端
IPC‧‧‧輸入線路
L‧‧‧電感
Mp、Mn‧‧‧電晶體
MUX1、MUX2、MUX3、MUX4‧‧‧多工器
OPC‧‧‧輸出線路
OTS‧‧‧輸出級電路
Pin‧‧‧充電端
PTU‧‧‧保護單元
R1、R2、R3、R4、Ra、Rb、Ri1、Ri2、Ri3、Ri4、Ri5、Ri6‧‧‧電阻
Rd1、Rd2‧‧‧偵測電阻
Rf1、Rf2、Rf3、Rf4、Rf5、Rf6‧‧‧分壓電阻
SMUX‧‧‧多工訊號
SAMP‧‧‧取樣級電路
SWC‧‧‧開關線路
Va‧‧‧取樣訊號
VB‧‧‧電池電源
Vci‧‧‧電流指示訊號
VC‧‧‧外接電源
VDD‧‧‧電源電壓
VDU1、VDU2‧‧‧分壓單元
Vi1‧‧‧第一輸入訊號
Vi2‧‧‧第二輸入訊號
Vi3‧‧‧第三輸入訊號
VL‧‧‧工作電源
X、Y、O‧‧‧節點
圖1為本發明一實施例的電子裝置的示意圖。
圖2為本發明一實施例的電源轉換裝置的示意圖。
圖3為本發明一實施例的電流感測模組的示意圖。
圖4A為依照圖3之一實施例的電流感測模組於升壓模式下 的等效電路示意圖。
圖4B為依照圖3之一實施例的電流感測模組於降壓模式下的等效電路示意圖。
圖5為本發明另一實施例的電流感測模組的示意圖。
圖6為依照圖5之一實施例的電流感測模組之偵測時序及等效電路示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的電子裝置的示意圖。請參照圖1，電子裝置100包括充電端Pin、電池110、電源轉換裝置120以及負載裝置130。於此，所述電子裝置100可例如為筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、個人數位助理(PDA)或遊戲機等各式電子裝置，本案不以此為限。
在本實施例中，電池110、電源轉換裝置120以及負載裝置130皆設置於電子裝置100的一殼體內部，而充電端Pin則設置於殼體上。電子裝置100的充電端Pin用以接收外接電源VA。所述外接電源VA可例如為經電源轉接器進行交流-直流轉換後之市電。電池110則是用以在電子裝置100未有外接電源VC連接 時，作為電子裝置100的主要供電來源。在電子裝置100連接外接電源VC時，電池110則會基於外接電源VC而受控於電源轉換裝置120進行充電的動作。
電源轉換裝置120耦接充電端Pin與電池110，用以接收外接電源VC與電池電源VB。在外接電源VC連接至充電端Pin的情況下，電源轉換裝置120會將外接電源VC轉換為負載裝置130運作所需的工作電源VL，並且會基於外接電源VC產生一充電電源以提供給電池110進行充電。另一方面，在外接電源VC未連接至充電端Pin的情況下，電源轉換裝置120則會改依據電池110所提供的電池電源VB進行電源轉換，藉以產生負載裝置130運作所需的工作電源VL。
負載裝置130耦接電源轉換裝置120，其係用以依據電源轉換裝置120所提供的工作電源VL而運作，並據以提供電子裝置100相應的功能。舉例來說，負載裝置130可以是電子裝置100中用以提供特定功能的硬體部分，其例如包括中央處理器(CPU)、晶片組(chipset)、記憶體、硬碟等，本案不對負載裝置的類型加以限制。
其中，電源轉換裝置120的範例架構可如圖2所示。圖2為本發明一實施例的電源轉換裝置的示意圖。底下搭配圖1與圖2的架構來做進一步說明。
請同時參照圖1與圖2，在應用於電子裝置100的電源轉換裝置120中，其包括電源轉換電路122、電流感測模組124以及 控制電路126。
電源轉換電路122係用以將外接電源VC或電池電源VB轉換工作電源VL以提供給負載裝置130。其中，電源轉換電路122可例如為一降升壓型轉換電路(buck-boost converter)，其包括輸入線路IPC、開關線路SWC以及輸出線路OPC。
在本實施例中，輸入線路IPC可例如由電容Cin、電感L以及偵測電阻Rd1所組成(但不僅限於此架構)。其中，電容Cin的兩端耦接電池110以接收電池電源VB。電感L與偵測電阻Rd1相互串接，藉以形成一位於電池110與開關線路SWC之間的電源轉換路徑。
開關線路SWC可例如由電晶體Mp與Mn所組成(但不僅限於此架構)。電晶體Mp與Mn可分別為P型與N型金氧半場效電晶體，但本案不僅限於此。其中，電晶體Mp與Mn串接於電源電壓VDD與接地端GND之間，並且可分別反應於控制電路126所提供的控制訊號CS1與CS2而切換導通狀態，藉以操作在升壓模式(boost mode)或降壓模式(buck mode)以進行電源轉換。
輸出線路OPC可例如由電容Cout及保護單元PTU所組成(但不僅限於此架構)。其中，電容Cout的一端經由節點O耦接電晶體Mp、充電端Pin以及保護單元PTU的輸入端，並且電容Cout的另一端耦接接地端GND。保護單元PTU可用以限制節點O上的電壓，並且據以產生工作電源VL。
電流感測模組124跨接於偵測電阻Rd1的兩端(即，耦 接節點X與節點Y)，藉以偵測流經偵測電阻Rd1的負載電流Ib1，並且根據偵測的結果產生指示負載電流Ib1的電流指示訊號Vci。
控制電路126耦接電源轉換電路122與電流感測模組124，其可產生控制訊號CS1與CS2以及多工訊號SMUX來控制電源轉換電路122與電流感測模組124的運作。其中，控制電路126會根據指示負載電流Ib1大小的電流指示訊號Vci來調整所產生的控制訊號CS1與CS2(例如調整控制訊號CS1與CS2的頻率及/或責任週期，但不僅限於此)，藉以調變電源轉換電路122的電源轉換行為。
就電源轉換裝置120的電源轉換運作而言，控制電路126會判斷外接電源VC是否通過充電端Pin被提供至電子裝置100。當控制電路126判定外接電源VC並未連接電子裝置100時，控制電路126會提供對應的控制訊號CS1與CS2，以令電源轉換電路122操作於升壓模式。
在升壓模式下，電源轉換電路122會以電池電源VB作為輸入電源進行電源轉換，據以產生工作電源VL。此時，負載電流Ib1會從節點X流向節點Y(於此將節點X指向節點Y的方向定義為第一方向)。
另一方面，當控制電路126判定外接電源VC連接至電子裝置100時，控制電路126會提供對應的控制訊號CS1與CS2，以令電源轉換電路122操作於降壓模式。
在降壓模式下，電源轉換電路122會以外接電源VC作為 輸入電源進行電源轉換，據以產生工作電源VL並且對電池110進行充電。此時，負載電流Ib1會從節點Y流向節點X(於此將節點Y指向節點X的方向定義為第二方向)。
在上述的電源轉換機制之下，負載電流Ib1會在不同操作模式下具有不同的電流方向(即，第一方向與相反於第一方向的第二方向)。於傳統的電流感測機制中，必須透過提供一負電源的方式來實現雙向的電流感測，否則即會令至少一方向上的電流變化無法被感測出，從而造成電源轉換控制錯誤的風險。
相較之下，本實施例的電流感測模組124可以在無須外加負電源的情況下，依據控制電路126所提供的多工訊號SMUX，以多工切換的方式偵測在不同的操作模式下之不同方向的負載電流Ib1，使得雙向/交流電流的感測機制可以被實現。
底下以圖3所繪示的電流感測模組124之架構來進一步說明本案的電流感測機制。其中，圖3為本發明一實施例的電流感測模組的示意圖。
請同時參照圖2與圖3，在本實施例中，電流感測模組124包括取樣級電路SAMP以及輸出級電路OTS。
取樣級電路SAMP跨接於偵測電阻Rd1的兩端(即，節點X與節點Y)，其可用以依據負載電流Ib1的電流方向，採用多工切換手段以選擇性地交換與偵測電阻Rd1的耦接節點，藉以取樣第一方向或第二方向的負載電流Ib1，並且據以產生取樣訊號Va。
輸出級電路OTS耦接取樣級電路SAMP。輸出級電路OTS會協同於取樣級電路SAMP的切換時序切換與取樣級電路SAMP的輸出端之間的耦接節點，藉以依據取樣訊號Va產生指示負載電流Ib1大小的電流指示訊號Vci。
舉例來說，當控制電路122判定負載電流Ib1的電流方向為第一方向時，取樣級電路SAMP會反應於多工訊號SMUX而將其正輸入端耦接至節點X，並且將其負輸入端耦接至節點Y。另外，輸出級電路OTS會反應於多工訊號SMUX而協同取樣級電路SAMP的切換，將其正輸入端耦接至取樣級電路SAMP的第一輸出端，並且將其負輸入端耦接至取樣級電路SAMP的第二輸出端。
另一方面，當控制電路122判定負載電流Ib1的電流方向為第二方向時，取樣級電路SAMP會反應於多工訊號SMUX而將其正輸入端耦接至節點Y，並且將其負輸入端耦接至節點X。另外，輸出級電路OTS會反應於多工訊號SMUX而協同取樣級電路SAMP的切換，將其正輸入端耦接至取樣級電路SAMP的第二輸出端，並且將其負輸入端耦接至取樣級電路SAMP的第一輸出端。
更具體地說，取樣級電路SAMP包括多工器MUX1與MUX2以及放大器AMP1，並且輸出級電路OTS包括多工器MUX3與MUX4、放大器AMP2以及分壓單元VDU1與VDU2。此外，取樣級電路SAMP還包括由電阻Ri1、Ri2、Ri3、Ri4、R1、R2、R3與R4以及電容C1、C2、C3與C4所組成的周邊線路，並且分壓單元VDU1與VDU2可例如由分壓電阻Rf1~Rf4所組成，其中 所述周邊線路與分壓單元VDU1與VDU2的具體架構係可由設計者依據線路設計考量而自行更動，本發明對此部分不加以限制。
在本實施例的取樣級電路SAMP1中，多工器MUX1具有多個輸入端與一輸出端(於此係以兩輸入端IN11與IN21為例，但本案不僅限於此)。多工器MUX1的輸入端IN11經由電阻Ri1耦接偵測電阻Rd1的第一端(即，節點X)，並且多工器MUX1的輸入端IN21經由電阻Ri2耦接偵測電阻Rd1的第二端(即，節點Y)，其中多工器MUX1會受控於多工訊號SMUX而選擇輸入端IN11與IN21其中之一所接收到的訊號作為第一輸入訊號Vi1。
類似地，多工器MUX2同樣具有多個輸入端與一輸出端(於此同樣係以兩輸入端IN12與IN22為例，但本案不僅限於此)。多工器MUX2的輸入端IN12經由電阻Ri3耦接偵測電阻Rd的第二端(即，節點Y)，並且多工器MUX2的輸入端IN22經由電阻Ri4耦接偵測電阻Rd1的第一端(即，節點X)，其中多工器MUX2會受控於多工訊號SMUX而選擇輸入端IN12與IN22其中之一所接收到的訊號作為第二輸入訊號Vi2。
放大器AMP1的正輸入端與負輸入端分別耦接多工器MUX1與MUX2的輸出端，藉以令放大器AMP1的正輸入端與負輸入端分別接收第一輸入訊號Vi1與第二輸入訊號Vi2，並且據以分別在其第一輸出端與第二輸出端產生取樣訊號Va。其中，所述放大器AMP1的第一輸出端與第二輸出端是同一輸出端延伸出的兩端，故其上具有相同的訊號。
在本實施例的周邊線路設計中，電阻Ri1耦接在節點X與多工器MUX1的輸入端IN11之間，電阻Ri2耦接在節點Y與多工器MUX1的輸入端IN21之間，電阻Ri3耦接在節點Y與多工器MUX2的輸入端IN12之間，並且電阻Ri3耦接在節點X與多工器MUX2的輸入端IN22之間。電阻R1與電容C1相互並接，電阻R1與電容C1的一端耦接多工器MUX2的輸入端IN22，並且電阻R1與電容C1的另一端耦接放大器AMP1的第二輸出端。電阻R2與電容C2相互並接，電阻R2與電容C2的一端耦接多工器MUX2的輸入端IN12，並且電阻R2與電容C2的另一端耦接放大器AMP1的第一輸出端。電阻R3與電容C3相互並接，電阻R3與電容C3的一端耦接多工器MUX1的輸入端IN11，並且電阻R3與電容C3的另一端耦接接地端GND。電阻R4與電容C4的一端耦接多工器MUX1的輸入端IN21，並且電阻R4與電容C4的另一端耦接接地端GND。
在本實施例的輸出級電路OTS中，多工器MUX3具有多個輸入端與一輸出端(於此係以兩輸入端IN13與IN23為例，但本案不僅限於此)。多工器MUX3的輸入端IN13耦接放大器AMP1的第一輸出端。多工器MUX3的輸入端IN23耦接放大器AMP1的第二輸出端。其中，多工器MUX3會受控於多工訊號SMUX而與多工器MUX1與MUX2同步地選擇輸入端IN13與IN23其中之一所接收到的訊號作為第三輸入訊號Vi3。舉例來說，若多工器MUX1選擇輸入端IN11的訊號作為第一輸入訊號Vi1並且多工器 MUX2選擇輸入端IN12的訊號作為第二輸入訊號Vi2，則多工器MUX3會對應的選擇輸入端IN13的訊號(即，取樣訊號Va)作為第三輸入訊號Vi3；若多工器MUX1選擇輸入端IN21的訊號作為第一輸入訊號Vi1並且多工器MUX2選擇輸入端IN22的訊號作為第二輸入訊號Vi2，則多工器MUX3會對應的選擇輸入端IN23的訊號(即，取樣訊號Va)作為第三輸入訊號Vi3。
多工器MUX4具有多個輸入端與一輸出端(於此係以兩輸入端IN14與IN24為例，但本案不僅限於此)。多工器MUX4會受控於多工訊號SMUX而與多工器MUX1、MUX2及MUX3同步地選擇耦接輸入端IN14與IN24其中之一至輸出端。其具體切換作動類似於前述多工器MUX1~MUX3，故於此不再贅述。
放大器AMP2的正輸入端與負輸入端分別耦接多工器MUX3與MUX4的輸出端，藉以令放大器AMP2的正輸入端接收第三輸入訊號Vi1，並且令放大器AMP1的負輸入端選擇性地耦接至分壓單元VDU1或VDU2，藉以在其第一輸出端與第二輸出端產生電流指示訊號Vci。其中，所述放大器AMP2的第一輸出端與第二輸出端是同一輸出端延伸出的兩端，故其上具有相同的訊號。
在分壓單元VDU1中，分壓電阻Rf1耦接於多工器MUX4的輸入端IN14與放大器AMP2的第一輸出端之間。分壓電阻Rf2耦接於多工器MUX4的輸入端IN14與接地端GND之間。在分壓單元VDU2中，分壓電阻Rf3耦接於多工器MUX4的輸入端IN24與放大器AMP2的第二輸出端之間。分壓電阻Rf4耦接於多工器 MUX4的輸入端IN24與接地端GND之間。其中，分壓電阻Rf2與Rf4可例如為可變電阻，但本案不僅限於此。
底下以圖4A與圖4B來說明，本案的電流感測模組124的等效電路架構。其中，圖4A為依照圖3之一實施例的電流感測模組於升壓模式下的等效電路示意圖。圖4B為依照圖3之一實施例的電流感測模組於降壓模式下的等效電路示意圖。
請先參照圖4A，在升壓模式下，多工器MUX1被切換為將輸入端IN11上的訊號(即，節點X上的訊號)提供至放大器AMP1的正輸入端，並且多工器MUX2被切換為將輸入端IN21上的訊號(即，節點Y上的訊號)提供至放大器AMP1的負輸入端。在此組態下，節點X被等效為耦接至放大器AMP1的正輸入端，節點Y被等效為耦接至放大器AMP1的負輸入端，並且電阻Ri2、Ri4、R1與R4及電容C1與C4會被等效為開路。其中，放大器AMP1會基於節點X與節點Y上的訊號進行差動放大，並且產生取樣訊號Va。
此外，在升壓模式下，多工器MUX3會被切換為將輸入端IN13上的訊號(即，取樣訊號Va)提供至放大器AMP2的正輸入端，並且多工器MUX2被切換為將分壓單元VDU1的分壓電阻Rf1與Rf2耦接至放大器AMP2的負輸入端。在此組態下，分壓單元VDU2被等效為開路，使得放大器AMP2會基於取樣訊號Va進行負回授放大，並且產生電流指示訊號Vci。於此，電流指示訊號Vci即係指示第一方向的負載電流Ib1的大小。
請接續參照圖4B，在降壓模式下，多工器MUX1被切換為將輸入端IN12上的訊號(即，節點Y上的訊號)提供至放大器AMP1的正輸入端，並且多工器MUX2被切換為將輸入端IN22上的訊號(即，節點X上的訊號)提供至放大器AMP1的負輸入端。在此組態下，節點X被等效為耦接至放大器AMP1的負輸入端，節點Y被等效為耦接至放大器AMP1的正輸入端，並且電阻Ri1、Ri3、R2與R3及電容C2與C3會被等效為開路。其中，放大器AMP1會基於節點X與節點Y上的訊號進行差動放大，並且產生取樣訊號Va。
此外，在降壓模式下，多工器MUX3會被切換為將輸入端IN23上的訊號(即，取樣訊號Va)提供至放大器AMP2的正輸入端，並且多工器MUX2被切換為將分壓單元VDU2的分壓電阻Rf3與Rf4耦接至放大器AMP2的負輸入端。在此組態下，分壓單元VDU1被等效為開路，使得放大器AMP2會基於取樣訊號Va進行負回授放大，並且產生電流指示訊號Vci。於此，電流指示訊號Vci即係指示第二方向的負載電流Ib1的大小。
根據上述運作機制，可知放大器AMP1的正輸入端與負輸入端可分別被等效為取樣級電路SAMP的正輸入端與負輸入端。類似地，放大器AMP2的正輸入端與負輸入端可分別被等效為輸出級電路OTS的正輸入端與負輸入端。
此外於此應注意的是，本實施例所述的電流感測模組的架構不僅限定在應用於電源轉換裝置中，其亦可應用在任何需要 雙向/交流電流感測的場合，應用所述電流感測模組的電源轉換裝置僅係本發明之一實施範例，本發明不以此為限。
圖5為本發明另一實施例的電流感測模組的示意圖。請參照圖5，本實施例的電流感測模組124’的設計大致上與前述圖3實施例的電流感測模組124相同。本實施例與前述實施例的主要差異在於電流感測模組124’中的各多工器MUX1~MUX4更增加一輸入端IN31、IN32、IN33及IN34。如此一來，本實施例的電流感測模組124’即可藉由分時多工的方式，在無需增設硬體配置的前提下，利用相同的電路架構來實現多路的電流感測。
詳細而言，本實施例的電流感測模組124’除可偵測流經偵測電阻Rd1的負載電流Ib1之外，更可用以偵測流經偵測電阻Rd2的負載電流Ib2的大小。其中，偵測電阻Rd2可設置於電子裝置100內部之任何需進行電流感測的部分，本發明不對此加以限制。
在本實施例中，多工器MUX1的輸入端IN31耦接偵測電阻Rd2的第一端，並且多工器MUX2的輸入端IN32耦接偵測電阻Rd2的第二端。另外，本實施例的放大器AMP1更包括一第三輸出端(與第一、第二輸出端為同一輸出端的延伸，並具有相同的訊號)。多工器MUX3的輸入端IN33耦接放大器AMP1的第三輸出端，藉以接收取樣訊號Va。多工器MUX4的輸入端IN34則與耦接一分壓單元VDU3，其中所述分壓單元VDU3的配置可類似於分壓單元VDU1與VDU2，本發明不對此加以限制。
本實施例的取樣級電路SAMP可包括由電阻Ri1、Ri2、Ri3、Ri4、Ri5、Ri6、R1、R2、R3、R4、Ra與Rb以及電容C1、C2、C3、C4、Ca與Cb所組成的周邊線路。在本實施例的周邊線路中，電阻Ri1~Ri4及電容C1~C4的配置大致與前述圖3實施例相同，故於此不再贅述。本實施例的電阻Ri5耦接在偵測電阻Rd2的第一端與多工器MUX1的輸入端IN31之間，並且電阻Ri6耦接在偵測電阻Rd2的第二端與多工器MUX2的輸入端IN32之間。電阻Ra與電容Ca互相並接，電阻Ra與電容Ca的一端耦接多工器MUX2的輸入端IN32，並且電阻Ra與Ca的另一端耦接放大器AMP1的第三輸出端。電阻Rb與電容Cb的一端耦接多工器MUX1的輸入端IN31，並且電阻Rb與電容Cb的另一端耦接接地端GND。
底下搭配圖6說明上述電流感測模組124’的電流感測機制。其中，圖6為依照圖5之一實施例的電流感測模組之偵測時序及等效電路示意圖。
請同時參照圖2、圖5及圖6。為便於說明，在此是預設電源轉換裝置120是操作在升壓模式下，但本發明不僅限於此。在本實施例中，控制電路126是依據一內部時脈CLK來決定多工訊號SMUX的切換時間點。其中，內部時脈CLK的高準位期間指示第一偵測期間DP1，並且內部時脈CLK的低準位期間指示第二偵測期間DP2(但不僅限於此)。
在第一偵測期間DP1內，電流感測模組124’會依據前述圖4A實施例的運作方式，多工器MUX1與MUX2會反應於多工 訊號而且選擇耦接至偵測電阻Rd1的兩端，並且多工器MUX3與MUX4也會協同於多工器MUX1與MUX2的切換而切換至對應的組態，藉以偵測負載電流Ib1，其等效示意圖與運作機制皆如圖4A所示，故於此不再贅述。
當時序從第一偵測期間DP1進入第二偵測期間DP2，多工器MUX1與MUX2會分別將輸入端IN31與IN32切換耦接至對應的輸出端，使得放大器AMP1的正輸入端與負輸入端可被等效為分別耦接至偵測電阻Rd2的兩端，並且多工器MUX3與MUX4也會協同於多工器MUX1與MUX2的切換而切換至輸入端IN33與IN34。
在此電路組態下，偵測電阻Rd2的第一端經由電阻Ri5耦接至放大器AMP1的正輸入端，偵測電阻Rd2的第二端經由電阻Ri6耦接至放大器AMP1的副輸入端，並且電阻Ri1~Ri4與R1~R4及電容C1~C4會被等效為開路。此外，放大器AMP1的第三輸出端會耦接至放大器AMP2的正輸入端以提供取樣訊號Va，並且分壓單元VDU3的分壓電阻Rf5與Rf6會被耦接至放大器AMP2的負輸入端，而分壓單元VDU1與VDU2會被等效為開路，使得放大器AMP2會基於取樣訊號Va進行負回授放大，並且產生指示偵測電流Ib2之大小的電流指示訊號Vci。
基於上述，在多路電流需被感測的應用情境中，本實施例可藉由增設多工器的輸入端即可實現電流感測，而不需要增設額外的放大器做訊號取樣與輸出，從而降低了整體電流感測模組 的設計成本。
綜上所述，本發明實施例提出一種電流感測模組及應用其之電源轉換裝置與電子裝置。所述電流感測模組可藉由多工切換的方式，在不需使用負電源及額外的參考電源的前提下來實現雙向電流的量測。除此之外，本案的電流感測模組還可藉由分時多工的電流感測機制，而在不需增設額外放大器做訊號取樣及輸出的前提下實現多路的電流感測，從而降低了整體電流感測模組的設計成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
124‧‧‧電流感測模組
AMP1、AMP2‧‧‧放大器
C1、C2、C3、C4‧‧‧電容
GND‧‧‧接地端
IN11、IN21、IN12、IN22、IN13、IN23、IN14、IN24‧‧‧輸入端
MUX1、MUX2、MUX3、MUX4‧‧‧多工器
OTS‧‧‧輸出級電路
R1、R2、Ri1、Ri2、Ri3、Ri4、R3、R4‧‧‧電阻
Rf1、Rf2、Rf3、Rf4‧‧‧分壓電阻
SMUX‧‧‧多工訊號
SAMP‧‧‧取樣級電路
Va‧‧‧取樣訊號
Vci‧‧‧電流指示訊號
VDU1、VDU2‧‧‧分壓單元
Vi1‧‧‧第一輸入訊號
Vi2‧‧‧第二輸入訊號
Vi3‧‧‧第三輸入訊號

Claims (23)

  1. 一種電流感測模組，適於偵測流經一第一負載的一第一負載電流，該電流感測模組包括：一取樣級電路，跨接於該第一負載的兩端，用以依據該第一負載電流的一電流方向，採用一多工切換手段以選擇性地交換與該第一負載的耦接節點，藉以取樣一第一方向或一第二方向的該第一負載電流，並且據以產生一取樣訊號；以及一輸出級電路，耦接該取樣級電路，協同於該取樣級電路的一切換時序切換與該取樣級電路的輸出端之間的耦接節點，藉以依據該取樣訊號產生指示該第一負載電流大小的一電流指示訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電流感測模組，其中該取樣級電路包括：一第一多工器，具有多個輸入端與一輸出端，該第一多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一負載的第一端，並且該第一多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一負載的第二端，其中該第一多工器受控於一多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第一輸入訊號；一第二多工器，具有多個輸入端與一輸出端，其中該第二多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一負載的第二端，並且該第二多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一負載的第一端，其中該第二多工器受控於該多工訊號而選擇 其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第二輸入訊號；以及一第一放大器，耦接該第一與該第二多工器的輸出端以接收該第一與該第二輸入訊號，並且據以產生該取樣訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電流感測模組，其中當該第一負載電流的該電流方向為該第一方向時，該第一多工器受控於該多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號做為該第一輸入訊號，並且該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號作為該第二輸入訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電流感測模組，其中當該第一負載電流的該電流方向為相反於該第一方向的該第二方向時，該第一多工器受控於該多工訊號而選擇其第二輸入端所接收到的訊號作為該第一輸入訊號，並且該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第二輸入所接收到的訊號作為該第二輸入訊號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的電流感測模組，其中該輸出級電路包括：一第三多工器，具有多個輸入端與一輸出端，該第三多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一放大器的一第一輸出端，並且該第三多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一放大器的一第二輸出端，其中該第三多工器受控於該多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第三輸入訊號； 一第四多工器，具有多個輸入端與一輸出端，其中該第四多工器受控於該多工訊號而選擇耦接該第四多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端與一第二輸入端其中之一至該輸出端；一第二放大器，耦接該第三與該第四多工器的輸出端以接收該第三輸入訊號，並且據以產生該電流指示訊號；一第一分壓單元，耦接於該第四多工器的該第一輸入端與該第二放大器的一第一輸出端之間；以及一第二分壓單元，耦接於該第四多工器的該第二輸入端與該第二放大器的一第二輸出端之間。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的電流偵測模組，其更適於偵測流經一第二負載的一第二負載電流，其中該第一多工器的該些輸入端其中之一第三輸入端耦接該第二負載的第一端，並且該第二多工器的該些輸入端其中之一第三輸入端耦接該第二負載的第二端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電流偵測模組，其中該第一與該第二多工器於一第一偵測期間選擇耦接至該第一負載的兩端藉以偵測該第一負載電流，並且於一第二偵測期間選擇耦接至該第二負載的兩端藉以偵測該第二負載電流。
  8. 一種電源轉換裝置，包括：一電源轉換電路，用以將一外接電源或一電池電源轉換為一工作電源以提供給一負載裝置，其中該電源轉換電路具有串接於一電源轉換路徑上的一第一偵測電阻； 一電流感測模組，跨接於該第一偵測電阻的兩端，藉以偵測流經該第一偵測電阻的一第一負載電流，其中該電流感測模組包括：一取樣級電路，跨接於該第一偵測電阻的兩端，用以依據該第一負載電流的一電流方向，採用一多工切換手段以選擇性地交換與該第一負載的耦接節點，藉以取樣一第一方向或一第二方向的該第一負載電流，並且據以產生一取樣訊號；以及一輸出級電路，耦接該取樣級電路，協同於該取樣級電路的一切換時序切換與該取樣級電路的輸出端之間的耦接節點，藉以依據該取樣訊號產生指示該第一負載電流大小的一電流指示訊號；以及一控制電路，耦接該電源轉換電路與該電流感測模組，用以控制該電源轉換電路與該電流感測模組的運作。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的電源轉換裝置，其中該取樣級電路包括：一第一多工器，具有多個輸入端與一輸出端，該第一多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一偵測電阻的第一端，並且該第一多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一偵測電阻的第二端，其中該第一多工器受控於一多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第一輸入訊號；一第二多工器，具有多個輸入端與一輸出端，其中該第二多 工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一偵測電阻的第二端，並且該第二多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一偵測電阻的第一端，其中該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第二輸入訊號；以及一第一放大器，耦接該第一與該第二多工器的輸出端以接收該第一與該第二輸入訊號，並且據以產生該取樣訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電源轉換裝置，其中當該電源轉換電路操作在一升壓模式時，該電源轉換電路將該電池電源轉換為該工作電源，該第一多工器受控於該多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號做為該第一輸入訊號，並且該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號作為該第二輸入訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換裝置，其中當該電源轉換電路操作在一降壓模式時，該電源轉換電路將該外接電源轉換為該工作電源，該第一多工器受控於該多工訊號而選擇其第二輸入端所接收到的訊號作為該第一輸入訊號，並且該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第二輸入端所接收到的訊號作為該第二輸入訊號。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的電源轉換裝置，其中該輸出級電路包括：一第三多工器，具有多個輸入端與一輸出端，該第三多工器 的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一放大器的一第一輸出端，並且該第三多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一放大器的一第二輸出端，其中該第三多工器受控於該多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第三輸入訊號；一第四多工器，具有多個輸入端與一輸出端，其中該第四多工器受控於該多工訊號而選擇耦接該些輸入端其中之一第一輸入端與一第二輸入端其中之一至該輸出端；一第二放大器，耦接該第三與該第四多工器的輸出端以接收該第三輸入訊號，並且據以產生該電流指示訊號；一第一分壓單元，耦接於該第四多工器的該第一輸入端與該第二放大器的一第一輸出端之間；以及一第二分壓單元，耦接於該第四多工器的該第二輸入端與該第二放大器的一第二輸出端之間。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的電源轉換裝置，其中該電流偵測模組更適於偵測流經一第二偵測電阻的一第二負載電流，該第一多工器的該些輸入端其中之一第三輸入端耦接該第二偵測電阻的第一端，並且該第二多工器的該些輸入端其中之一第三輸入端耦接該第二偵測電阻的第二端。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電源轉換裝置，其中該第一與該第二多工器於一第一偵測期間選擇耦接至該第一偵測電阻的兩端藉以偵測該第一負載電流，並且於一第二偵測期間選擇耦 接至該第二偵測電阻的兩端藉以偵測該第二負載電流。
  15. 一種電子裝置，包括：一電池，用以提供一電池電源；一充電端，用以接收一外接電源；一電源轉換裝置，耦接該電池與該充電端，其中該電源轉換裝置包括：一電源轉換電路，用以依據一控制訊號將一外接電源或一電池電源轉換為一工作電源，其中該電源轉換電路具有串接於一電源轉換路徑上的一第一偵測電阻；一電流感測模組，跨接於該第一偵測電阻的兩端，藉以偵測流經該第一偵測電阻的一第一負載電流，其中該電流感測模組包括：一取樣級電路，跨接於該第一偵測電阻的兩端，用以依據該第一負載電流的一電流方向，採用一多工切換手段以選擇性地交換與該第一負載的耦接節點，藉以取樣一第一方向或一第二方向的該第一負載電流，並且據以產生一取樣訊號；以及一輸出級電路，耦接該取樣級電路，協同於該取樣級電路的一切換時序切換與該取樣級電路的輸出端之間的耦接節點，藉以依據該取樣訊號產生指示該第一負載電流大小的一電流指示訊號；以及一控制電路，耦接該電源轉換電路與該電流感測模組，用以控制該電源轉換電路與該電流感測模組的運作。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的電子裝置，更包括：一負載裝置，耦接該電源轉換裝置，用以依據該電源轉換裝置所提供的該工作電源而運作。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的電子裝置，其中該取樣級電路包括：一第一多工器，具有多個輸入端與一輸出端，該第一多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一偵測電阻的第一端，並且該第一多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一偵測電阻的第二端，其中該第一多工器受控於一多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第一輸入訊號；一第二多工器，具有多個輸入端與一輸出端，其中該第二多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一偵測電阻的第二端，並且該第二多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一偵測電阻的第一端，其中該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第二輸入訊號；以及一第一放大器，耦接該第一與該第二多工器的輸出端以接收該第一與該第二輸入訊號，並且據以產生該取樣訊號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的電子裝置，其中該控制電路更判斷該外接電源是否通過該充電端連接至該電子裝置，當該控制電路判定該外接電源未連接至該電子裝置時，控制該電源 轉換電路操作於一升壓模式，並且當該控制電路判定該外接電源連接至該電子裝置時，控制該電源轉換電路操作於一降壓模式。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的電子裝置，其中當該電源轉換電路操作在該升壓模式時，該電源轉換電路將該電池電源轉換為該工作電源，該第一多工器受控於該多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號做為該第一輸入訊號，並且該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第一輸入端所接收到的訊號作為該第二輸入訊號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的電子裝置，其中當該電源轉換電路操作在該降壓模式時，該電源轉換電路將該外接電源轉換為該工作電源，該第一多工器受控於該多工訊號而選擇其第二輸入端所接收到的訊號作為該第一輸入訊號，並且該第二多工器受控於該多工訊號而選擇其第二輸入端所接收到的訊號作為該第二輸入訊號。
  21. 如申請專利範圍第17項所述的電子裝置，其中該輸出級電路包括：一第三多工器，具有多個輸入端與一輸出端，該第三多工器的該些輸入端其中之一第一輸入端耦接該第一放大器的一第一輸出端，並且該第三多工器的該些輸入端其中之一第二輸入端耦接該第一放大器的一第二輸出端，其中該第三多工器受控於該多工訊號而選擇其第一與其第二輸入端其中之一所接收到的訊號作為一第三輸入訊號； 一第四多工器，具有多個輸入端與一輸出端，其中該第四多工器受控於該多工訊號而選擇耦接該些輸入端其中之一第一輸入端與一第二輸入端其中之一至該輸出端；一第二放大器，耦接該第三與該第四多工器的輸出端以接收該第三輸入訊號，並且據以產生該電流指示訊號；一第一分壓單元，耦接於該第四多工器的該第一輸入端與該第二放大器的一第一輸出端之間；以及一第二分壓單元，耦接於該第四多工器的該第二輸入端與該第二放大器的一第二輸出端之間。
  22. 如申請專利範圍第17項所述的電子裝置，更包括設置於在該電子裝置中的一第二偵測電阻，該電流偵測模組更適於偵測流經該第二偵測電阻的一第二負載電流，該第一多工器的該些輸入端其中之一第三輸入端耦接該第二偵測電阻的第一端，並且該第二多工器的該些輸入端其中之一第三輸入端耦接該第二偵測電阻的第二端。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的電子裝置，其中該第一與該第二多工器於一第一偵測期間選擇耦接至該第一偵測電阻的兩端藉以偵測該第一負載電流，並且於一第二偵測期間選擇耦接至該第二偵測電阻的兩端藉以偵測該第二負載電流。
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