TWI763242B

TWI763242B - 供電電路及其電源分配方法

Info

Publication number: TWI763242B
Application number: TW110100861A
Authority: TW
Inventors: 李易玹; 郭兩成; 柯俊偉; 鄭雅如; 黃志偉; 葉育瑋; 林育正; 王嬿婷
Original assignee: 和碩聯合科技股份有限公司
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2022-05-01
Also published as: US20220224142A1; TW202228359A

Abstract

一種供電電路及其電源分配方法。供電電路包括電源輸入開關區塊、供電轉換區塊及供電控制區塊。電源輸入開關區塊基於來自適配器的外部供電電壓提供第一供電電壓至負載電路。供電轉換區塊耦接電池模組以提供第二供電電壓至負載電路。當電池模組的電池溫度高於臨界溫度且電池模組的電池電量高於或等於臨界電量時，供電控制區塊限制提供至負載電路的第二供電電壓。

Description

供電電路及其電源分配方法

本發明是有關於一種供電電路，且特別是有關於一種用於電池模組的供電電路。

一般在常溫或室溫下，由適配器供給電源給可攜式電子裝置中整機系統的負載時，也同時由適配器經整機系統對電池模組充電。在電池模組充飽電後，電池模組為靜置狀態。隨著使用者的使用狀態或環境使整機系統溫度處於高溫時，此時的電池模組處於高溫靜置的狀態。為了防止充飽電的電池模組因高溫的影響下造成電池模組膨脹以及老化現象，傳統作法是由系統軟體偵測到整機系統內的電池模組處於高溫時，強制將整機系統切換為電池模式運行，亦即由電池模組提供電源給整機系統的負載。此時，是由電池模組對整機系統的負載採取放電，以達到消耗電池模組的能量，進而使電池模組的電壓下降。

當強制將整機系統切換成電池模式運行時，在螢幕上的桌面的電源管理圖示也跟著顯示電池模組放電中，讓使用者誤以為適配器損壞，進而可能導致更新適配器。再者，因整機系統在電池模式下運行，為了節省電池模組的耗電量，整機系統會降低目前運行的負載量（例如中央處理器（CPU）為降頻使用），進而整機系統在電池模式下的運作效能變差。

本發明提供一種供電電路及其電源分配方法，在電池模組的溫度及電量過高時，電子裝置的操作模式及電源管理圖示不會改變，但是仍可消耗電池模組的電量。

本發明的供電電路適於耦接一適配器、一電池模組及一負載電路，供電電路包括供電線路、電源輸入開關區塊、供電轉換區塊及供電控制區塊。供電線路耦接至負載電路，電源輸入開關區塊耦接適配器及供電線路，電源輸入開關區塊接收來自適配器的外部供電電壓，以提供第一供電電壓至供電線路，第一供電電壓通過供電線路提供至負載電路。供電控制區塊耦接電池模組，供電控制區塊用以量測電池模組的一電池溫度及一電池電量，當電池模組的電池溫度高於一臨界溫度且電池模組的電池電量高於或等於一臨界電量時，供電控制區塊提供一轉換控制信號。供電轉換區塊耦接供電控制區塊、電池模組及供電線路，且接收轉換控制信號，供電轉換區塊反應於轉換控制信號控制該電池模組提供一第二供電電壓，第二供電電壓通過供電線路提供至負載電路。

本發明的供電電路的電源分配方法，包括下列步驟。基於供電電路連接到適配器，透過供電電路的供電控制區塊量測電池模組的電池電量。基於電池模組的電池電量高於或等於臨界電量，透過供電電路的供電控制區塊量測電池模組的電池溫度。基於電池模組的電池溫度高於臨界溫度，透過供電轉換區塊將電池模組的電池電壓轉換為供電電壓至負載電路。

基於上述，本發明實施例的供電電路及其電源分配方法，當電池模組的溫度及電量過高時，供電控制區塊控制適配器及電池模組同時供電，以使電池模組與適配器並聯以同時供電給電子裝置的負載電路。藉此，電子裝置的操作模式及電源管理圖示不會改變，但是仍可達到消耗電池模組的電量的功能。

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。

為了避免整機系統在高溫運行下，造成使用者誤判適配器損壞或替換適配器以及使用者體驗不佳等問題，故對適配器後端至整機系統之間電源功率分配機制進行調整，以利用現有或增加一組硬體電壓轉換線路及控制迴路，再加上系統軟體建立控制單元之應用來達成。

新的電源功率分配機制在整機系統偵測到整機系統內的電池模組靜置在高溫狀態而需要對電池釋放能量時，啟動新增的系統控制單元，以限制適配器輸出給整機系統的功率，並且整機系統的運作功率中需求不足的部分可經由供電轉換電路將電池電壓升壓成大於或等於適配器的輸入電壓，再將轉換後的電池電壓與適配器電壓並聯。

在適配器被限制供給整機系統的功率的情況下，由電池模組供應少部分功率給整機系統，來補足整機系統運行需要的功率，藉此可達到消耗電池模組的內部能量來降低電池電壓的目的。並且，新的電源功率分配機制不是經由傳統的電池放電模式來運作，而是大部分功率由適配器輸出給整機系統，因此不會造成整機系統的運作效能低落。並且，在電池模組的放電降壓過程中，整機系統還是偵測到適配器供電中，故維持電池模組回報給作業系統狀態是電池模組仍是充飽電狀態（亦即電量為100%），因此在螢幕上的桌面的電源管理圖示仍顯示適配器供電中，使得使用者感覺不到電池模組有異常放電的行為。

依據上述操作方式，下述進一步說明整機系統的電路運作，其中“整機系統”與“電子裝置”僅是用以說明本發明的系統的用語，可相互替換，因此在下述不再特意區別。

圖1是依據本發明一實施例的電子裝置耦接適配器的系統示意圖。請參照圖1，在本實施例中，電子裝置100可耦接適配器10以接收來自適配器10的外部供電電壓Vin，其中電子裝置100可以利用外部供電電壓Vin進行充電及/或進行操作。

在本發明實施例，電子裝置100包括供電電路101、電池模組180及負載電路190，供電電路101適於耦接適配器10、電池模組180及負載電路190，並且供電電路101包括電源輸入開關區塊110、供電量測區塊120、供電線路130、供電控制區塊140、充電開關區塊150、供電轉換區塊160、放電開關區塊170。

電源輸入開關區塊110用以耦接適配器10及供電線路130，電源輸入開關區塊110接收來自適配器10的外部供電電壓Vin（例如19伏特），並且根據外部供電電壓Vin提供第一供電電壓VS1通過供電線路130至負載電路190，其中供電線路130耦接至負載電路190以提供系統供電電壓Vsys至負載電路190，並且第一供電電壓VS1可以實質上等於外部供電電壓Vin。供電量測區塊120用以量測第一供電電壓VS1的電流，以提供供電指示信號Svi。

供電控制區塊140耦接供電量測區塊120、供電轉換區塊160及電池模組180，供電控制區塊140量測電池模組180的電池溫度及電池電量，並且當電池模組180的電池溫度高於臨界溫度（例如45℃）且電池模組180的電池電量高於或等於臨界電量（例如電量100%）時，供電控制區塊140提供一轉換控制信號Svt。

供電轉換區塊160耦接供電線路130、供電控制區塊140及電池模組180，且接收轉換控制信號Svt，供電轉換區塊160反應於轉換控制信號Svt控制電池模組180提供第二供電電壓VS2通過供電線路130至負載電路190，其中第二供電電壓VS2可以大於或等於第一供電電壓VS1（等同於外部供電電壓Vin）。

當電池模組180的電池溫度高於臨界溫度（例如45℃）且電池模組180的電池電量高於或等於臨界電量（例如電量100%）時，供電控制區塊140提供轉換控制信號Svt至供電轉換區塊160，供電轉換區塊160反應於轉換控制信號Svt控制電池模組180提供第二供電電壓VS2通過供電線路130至負載電路190，供電控制區塊140基於供電指示信號Svi控制電池模組180提供至供電線路130的第二供電電壓VS2的電量。藉此，當電池模組180的溫度及電量過高時，適配器10及電池模組180會同時供電，亦即電池模組180與適配器10並聯以同時供電給電子裝置100的負載電路190，因此電子裝置100的操作模式及電源管理圖示不會改變，但是仍可達到消耗電池模組180的電量的功能。

充電開關區塊150耦接於電池模組180與供電線路130之間，並且充電開關區塊150在啟用時利用第一供電電壓VS1（即此時的系統供電電壓Vsys）對電池模組180進行充電，其中充電開關區塊150啟用於電子裝置100耦接適配器10且電池模組180的電池電量低於臨界電量，並且停用於電池模組180的電池電量高於或等於於臨界電量。放電開關區塊170耦接於電池模組180與供電線路130之間，並且在啟用時將電池模組180的電池電壓VBT轉換為第三供電電壓VS3（例如12.6~19伏特）至供電線路130，其中放電開關區塊170啟用於電子裝置100未耦接適配器10。其中，充電開關區塊150及放電開關區塊170的操作可獨立於供電控制區塊140，亦即充電開關區塊150及放電開關區塊170可不被供電控制區塊140所控制。

在本發明實施例中，在未提供轉換控制信號Svt時，亦即電池模組180的電池電壓VBT未轉換為第二供電電壓VS2，此時僅提供第一供電電壓VS1至供電線路130，亦即系統供電電壓Vsys與第一供電電壓VS1是實質上相同的，因此供電控制區塊140將第一供電電壓VS1（等同於外部供電電壓Vin）的電流視為與負載電路190的負載狀態對應的系統總和電流。並且，在提供轉換控制信號Svt時，亦即電池模組180的電池電壓VBT轉換為第二供電電壓VS2，此時同時提供第一供電電壓VS1及第二供電電壓VS2至供電線路130，亦即系統供電電壓Vsys的電流實質上等於第一供電電壓VS1的電流及第二供電電壓VS2的電流的總和，因此可基於負載電路190的負載狀態下所需的系統總和電流與第一供電電壓VS1（等同於外部供電電壓Vin）的當下電流判斷轉換控制信號Svt的供應時間。

進一步來說，供電控制區塊140基於系統總和電流與第一供電電壓VS1的當下電流判斷第二供電電壓VS2的電流，並且依據第二供電電壓VS2的電流計算電池模組180自臨界電量放電至安全電量的放電時間作為供應時間。其中，安全電量（例如電量80%~90%）小於臨界電量（例如電量100%）。

此外，在供應第二供電電壓VS2的供應時間的期間中，當電池溫度小於臨界溫度且電池電量小於臨界電量時，供電控制區塊140可停止提供轉換控制信號Svt，亦即停止將電池電壓VBT轉換為該供電電壓。

在本發明實施例中，當電源輸入開關區塊110耦接至適配器10或接收到外部供電電壓Vin時，可開啟充電開關區塊150，並且關閉放電開關區塊170；當電源輸入開關區塊110未耦接至適配器10或未接收到外部供電電壓Vin時，可關閉充電開關區塊150，並且開啟放電開關區塊170。

依據上述，在本發明的實施例中，供電控制區塊140用於管理供給電子裝置100的負載載電路190的電源（包含適配器10的電源與電池模組180的電源；供電控制區塊140啟動管理機制的時機為下列條件皆符合時：1.電子裝置100內的電池模組處於高溫環境（例如45℃）；2.電池模組180閒置在電子裝置100且為已充飽電狀態（亦即電量為100%）；3.適配器10耦接至電子裝置100並對負載電路190進行供電。

在供電控制區塊140啟動管理機制時，原本由適配器10對負載電路190供電，改由適配器10的外部供電電壓Vin並聯電池電壓VBT的雙電源同時對負載電路190供電。供電控制區塊同時控制適配器10的電源與電池模組的電源，兩者的電源以不同比例但同時供給負載電路190。並且，供電控制區塊是適配器10對負載電路190供電的同時，也將過高溫狀態的滿充電池模組的能量洩放一些至負載電路190，以避免高溫造成電池模組180的安全疑慮，且不影響電子裝置100的正常運作。

進一步來說，供電控制區塊140的管理電源機制運作是，由供電控制區塊140偵測到電子裝置100內已充飽的電池模組180的溫度過高時，先啟動供電量測單元量測與計算當下負載電路190消耗的功率。接著，供電控制區塊140再根據電池模組180的常溫（例如20℃）與高溫（例如45℃）的100%電量的容量規格計算出電池模組180需要放電的能量。然後，再由供電控制區塊140控制供電轉換區塊160將電池電壓VBT提升電壓至大於或等於適配器10輸出的外部供電電壓Vin。

並且，將電池模組180的供電路徑與適配器10的供電路徑搭接並聯，以產生並聯的雙電源架構，並且經供電控制區塊140及供電量測區塊120限制適配器10輸出到電子裝置100的功率。此時，由供電控制區塊同時調整電池組180與適配器10供給電子裝置100的負載電路190的功率的量。最後，由供電控制區塊140依據計算出電池模組180需要放電的能量來預估電池模組供給負載電路190的時間，並且當電池溫度下降或電池模組180的電量到達電池規格中限定的安全範圍內時，則供電控制區塊140切換為只有適配器10經電源輸入開關區塊110對負載電路190進行供電的狀態。

舉例來說，適配器10的規格例如為19V/60W，電池模組180的規格例如為3串1並電池模組、常溫容量於電量100%為11.1V/6Ah/66.6Wh、高溫容量於電量100%為11.1V/5.4Ah/60Wh，並且臨界溫度例如為45℃。電池模組180的轉換功率可依據下列方式程(1)-(3)來計算:

其中電池模組180的放電功率P _Batt,K=負載電路190的總耗電功率P _total,K-為適配器10的功率P _total,K-1exp ^- ^Δ ^T/ ^λ。λ為常數，用以調整ΔT的變化量。K表示當下的狀態，K-1表示上一次的量測狀態。ΔT=當下的電池溫度T _K-臨界溫度T _H，當電池溫度越高時ΔT越大，越會限制適配器10能提供的功率。電池模組180的放電時間Ut=(現在的容量Q _k-設定的安全容量Q _safe)/當下的電池模組180的放電功率P _Batt,K。

進一步來說，假設當電池溫度量測到50℃時，啟動電池模組180的放電機制，若電子裝置100當下運行所需的負載量為50W時，由方程式1可得知：當設定λ=10，則限制適配器10提供30W的輸出功率給電子裝置100，其餘20W由電池模組180提供。若電池模組為滿充電的狀態，帶入方程式2可得知約19.8分鐘可將電池模組180放電至安全容量，Ut=(66.6Wh-60Wh)/20W=19.8。

圖2是依據本發明的一實施例的供電電路的電源分配方法的流程圖。請參照圖2，在本實施例中供電電路的電源分配方法包括下列步驟。在步驟S200中，會判斷供電電路是否連接到適配器。當供電電路連接到適配器，則在步驟S201中，會透過供電控制區塊判斷（或量測）電池模組的電池電量是否高於或等於臨界電量。當電池模組的電池電量未高於或等於臨界電量時，則在步驟S212中，適配器正常供電給電子裝置；當電池模組的電池電量高於或等於臨界電量時，則在步驟S202中，透過供電電路的供電控制區塊判斷（或量測）電池模組的電池溫度是否高於臨界溫度。

當電池模組的電池溫度未高於臨界溫度時，則在步驟S212中，適配器正常供電給電子裝置；當電池模組的電池溫度高於臨界溫度時，則在步驟S203中，啟動供電控制區塊。接著，在步驟S204中，供電控制區塊透過供電電路的供電量測區塊量測與負載電路的負載狀態下所需的的系統總和電流，以計算負載電路的負載狀態，亦即負載電路的功率P_load=適配器的輸出電壓Vout_adapter×適配器的輸出電流Iout_adapter；在步驟S205中，供電控制區塊計算電池模組放電的功率；在步驟S206中，供電控制區塊控制供電轉換區塊將電池模組的電池電壓轉換為具有限制電量的供電電壓至負載電路；在步驟S207中，供電控制區塊限制適配器輸出的功率並同時調整電池模組放電的功率；在步驟S208中，供電控制區塊預估電池模組的放電時間。

接著，在步驟S209中，會透過供電控制區塊判斷（或量測）電池模組的電池溫度是否低於或等於臨界溫度。當電池模組的電池溫度未低於臨界溫度時，則在步驟S210中，透過供電控制區塊判斷電池模組的放電時間是否結束；當電池模組的電池溫度未低於臨界溫度時，則在步驟S211中，透過供電控制區塊控制供電轉換區塊斷開電池模組與供電線路。當電池模組的放電時間未結束時，則回到步驟S207以持續電池模組的放電；當電池模組的放電時間結束時，則在步驟S211中，透過供電控制區塊控制供電轉換區塊斷開電池模組與供電線路。在步驟S211之後，執行步驟S212。其中，步驟S200-S212的順序為用以說明，本發明實施例不以此為限；並且，步驟S200-S212的細節可參照圖1實施例所示，在此則不再贅述。

綜上所述，本發明實施例的供電電路及其電源分配方法，當電池模組的溫度及電量過高時，供電控制區塊控制適配器及電池模組同時供電，以使電池模組與適配器並聯以同時供電給電子裝置的負載電路。藉此，電子裝置的操作模式及電源管理圖示不會改變，但是仍可達到消耗電池模組的電量的功能。

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。

10:適配器 100:電子裝置 101:供電電路 110:電源輸入開關區塊 120:供電量測區塊 130:供電線路 140:供電控制區塊 150:充電開關區塊 160:供電轉換區塊 170:放電開關區塊 180:電池模組 190:負載電路 Svi:供電指示信號 Svt:轉換控制信號 VBT:電池電壓 Vin:外部供電電壓 VS1:第一供電電壓 VS2:第二供電電壓 VS3:第三供電電壓 Vsys:系統供電電壓 S200-S212:步驟

圖1是依據本發明一實施例的電子裝置耦接適配器的系統示意圖。圖2是依據本發明的一實施例的供電電路的電源分配方法的流程圖。

10:適配器

100:電子裝置

101:供電電路

110:電源輸入開關區塊

120:供電量測區塊

130:供電線路

140:供電控制區塊

150:充電開關區塊

160:供電轉換區塊

170:放電開關區塊

180:電池模組

190:負載電路

Svi:供電指示信號

Svt:轉換控制信號

VBT:電池電壓

Vin:外部供電電壓

VS1:第一供電電壓

VS2:第二供電電壓

VS3:第三供電電壓

Vsys:系統供電電壓

Claims

一種供電電路，適於耦接一適配器、一電池模組及一負載電路，包括：一供電線路，耦接至該負載電路；一電源輸入開關區塊，耦接該適配器及該供電線路，該電源輸入開關區塊接收來自該適配器的一外部供電電壓，以提供一第一供電電壓，該第一供電電壓通過該供電線路提供至該負載電路；一供電控制區塊，耦接該電池模組，該供電控制區塊用以量測該電池模組的一電池溫度及一電池電量，當該電池模組的該電池溫度高於一臨界溫度且該電池模組的該電池電量高於或等於一臨界電量時，該供電控制區塊提供一轉換控制信號；以及一供電轉換區塊，耦接該供電控制區塊、該電池模組及該供電線路，且接收該轉換控制信號，該供電轉換區塊反應於該轉換控制信號控制該電池模組提供一第二供電電壓，該第二供電電壓通過該供電線路提供至該負載電路，以使該電池模組與該適配器同時供電至該負載電路。
如請求項1所述的供電電路，其中該臨界電量為100%。
如請求項1所述的供電電路，其中該第二供電電壓大於或等於該第一供電電壓。
如請求項1所述的供電電路，更包括一供電量測區塊，該供電量測區塊耦接該電源輸入開關區塊、該負載電路及該供電控制區塊，該供電量測區塊用以量測該第一供電電壓的電流，以提供一供電指示信號，其中該供電控制區塊基於該供電指示信號控制該第二供電電壓的電量。
如請求項4所述的供電電路，其中當該電池模組的該電池溫度小於該臨界溫度且該電池電量小於該臨界電量時，該供電控制區塊將該第一供電電壓的電流視為與該負載電路的一負載狀態對應的一系統總和電流。
如請求項5所述的供電電路，其中當該供電控制區塊提供該轉換控制信號時，基於該負載電路的一負載狀態下所需的一系統總和電流與該第一供電電壓的當下電流判斷該轉換控制信號的一供應時間。
如請求項6所述的供電電路，其中該供電控制區塊基於該系統總和電流與該第一供電電壓的當下電流判斷該第二供電電壓的電流，並且依據該第二供電電壓的電流計算該電池模組自該臨界電量放電至一安全電量的一放電時間作為該供應時間。
如請求項7所述的供電電路，其中該安全電量小於該臨界電量。
如請求項6所述的供電電路，其中在該供應時間的期間中，當該電池溫度小於該臨界溫度時，該供電控制區塊停止提供該轉換控制信號。
如請求項1所述的供電電路，更包括：一充電開關區塊，耦接該電池模組與該供電線路，該充電開關區塊在啟用時利用該第一供電電壓對該電池模組進行充電；以及一放電開關區塊，耦接該電池模組與該供電線路，該放電開關區塊在啟用時將該電池模組的一電池電壓轉換為一第三供電電壓至該供電線路。
一種供電電路的電源分配方法，包括：基於一供電電路連接到一適配器，透過該供電電路的一供電控制區塊量測一電池模組的一電池電量；基於該電池模組的該電池電量高於或等於一臨界電量，透過該供電控制區塊量測該電池模組的一電池溫度；以及基於該電池模組的該電池溫度高於一臨界溫度，透過該供電轉換區塊將該電池模組的一電池電壓轉換為一供電電壓至一負載電路，以使該電池模組與該適配器同時供電至該負載電路。
如請求項11所述的電源分配方法，其中該臨界電量為100%。
如請求項11所述的電源分配方法，其中該供電電壓大於或等於該適配器的一外部供電電壓。
如請求項11所述的電源分配方法，更包括：基於該電池溫度小於該臨界溫度，將該適配器的一外部供電電壓的電流視為與該負載電路的一負載狀態對應的一系統總和電流。
如請求項11所述的電源分配方法，更包括：基於該電池模組的該電池溫度高於該臨界溫度，透過該供電電路的一供電量測區塊量測該負載電路的一負載狀態下所需的一系統總和電流，並且該供電轉換區塊基於該系統總和電流提供具有一限制電量的該供電電壓。
如請求項15所述的電源分配方法，更包括：基於該系統總和電流及該適配器的一外部供電電壓的當下電流判斷該電池電壓轉換為該供電電壓的一供應時間。
如請求項16所述的電源分配方法，其中判斷該電池電壓轉換為該供電電壓的該供應時間的步驟包括：透過該供電控制區塊基於該系統總和電流與該外部供電電壓的當下電流判斷該供電電壓的電流；以及依據該供電電壓的電流計算該電池模組自該臨界電量放電至一安全電量的一放電時間作為該供應時間。
如請求項17所述的電源分配方法，其中該安全電量小於該臨界電量。
如請求項16所述的電源分配方法，更包括：在該供應時間的期間中，基於該電池溫度小於該臨界溫度，停止將該電池電壓轉換為該供電電壓。