TWM519348U - 電源供應系統 - Google Patents

Description

電源供應系統

本創作係指一種電源供應系統，尤指一種同時具備充電及放電功能的電源供應系統。

隨著科技的發展與產業的進步，各類型的行動裝置，如行動電話（mobile phone）、衛星導航系統（GPS navigator system）、平板電腦（tablet）、筆記型電腦（laptop）及穿戴式裝置（wearable device）等，已成為人們生活中不可或缺的部分。為了方便使用者攜帶，行動裝置皆配備有可儲存電力的電池，以提供運作時所需的電力。然而，電池儲存的電量有限，因此市面上出現可儲存較多電量的行動電源或可攜式電源供應器。使用者可隨身攜帶行動電源或可攜式電源供應器，以在行動裝置之電池電量用罄時，接上行動電源或可攜式電源供應器以提供即時的電力。

一般來說，可攜式電源供應器需同時具備充電及放電功能。傳統上，充電及放電功能可在不同的端點進行，亦即，可攜式電源供應器可包含一電源輸入端及一電源輸出端，分別用來進行充電及放電功能。然而，可攜式電子裝置的設計逐漸朝向輕薄短小的方向進行，使得外殼體積愈作愈小，外殼上能設置的接點數目也隨之而減少，因此，新式的可攜式電源供應器往往被要求將電源輸入及電源輸出的功能整合在同一端點上，以進一步縮小體積。在此情形下，可攜式電源供應器需具備良好的偵測功能，以正確判斷其應操作於充電模式或放電模式。

在習知技術中，充放電模式的判斷係利用電壓偵測來實現。當可攜式電源供應器接收到的外部電壓大於某個臨界值時，會判斷為外部電源存在，因而切換至充電模式以進行充電；當外部電壓小於該臨界值時，則切換至放電模式。然而，偵測到的外部電壓大小可能會受到供電路徑的阻抗或抽載電流大小等因素影響，使得電壓產生不規則的波動，其可能造成系統誤判而切換至錯誤的操作模式。舉例來說，當可攜式電源供應器中電池抽載的電流超過外部電源之額定電流上限時，輸入的電壓會大幅下降，此時，可攜式電源供應器可能判斷外部電源不存在而停止充電或切換至放電模式，造成充電不穩定的現象且降低充電效率。有鑑於此，實有必要提出另一種電源供應系統，以實現更準確的外部電源偵測。

因此，本創作之主要目的即在於提供一種同時具備充電及放電功能的電源供應系統，其可藉由偵測電源端的電流來判斷外部電源是否存在，以正確切換至充電模式或放電模式。

本創作揭露一種電源供應系統，其包含有一電源端、至少一電池、一充電器、一開關及一電流偵測電路。該電源端耦接於一外部電壓源及一負載，可用來從該外部電壓源接收一第一電源，或輸出一第二電源至該負載。該至少一電池可用來於一充電模式下接收並儲存來自於該電源端之該第一電源，以及於一放電模式下輸出該第二電源至該電源端。該充電器耦接於該至少一電池及該電源端之間，可用來於該充電模式下開啟，以使用該第一電源對該至少一電池進行充電，並於該放電模式下關閉。該開關耦接於該至少一電池及該電源端之間，可用來於該放電模式下開啟，以傳送該第二電源至該電源端，並於該充電模式下關閉。該電流偵測電路耦接於該充電器、該開關及該電源端之間，可用來偵測該電源端之一電流，以判斷該電源供應系統操作在該充電模式或該放電模式，該電流偵測電路控制該充電器於該充電模式下開啟並於該放電模式下關閉，並控制該開關於該放電模式下開啟並於該充電模式下關閉。

請參考第1圖，第1圖為本創作實施例一電源供應系統10之示意圖。如第1圖所示，電源供應系統10包含一電源端100、一電池模組102、一充電器104、一開關106及一電流偵測電路108。電源端100可耦接於一外部電壓源120及／或一負載130，其可從外部電壓源120接收一電源P1，或輸出一電源P2至負載130。電池模組102包含有至少一電池，其可於一充電模式下接收並儲存來自於電源端100之電源P1，以及於一放電模式下輸出電源P2至電源端100。充電器104耦接於電池模組102及電源端100之間，可於充電模式下開啟，以使用電源P1對電池模組102中的電池進行充電，並於放電模式下關閉。開關106耦接於電池模組102及電源端100之間，可於放電模式下開啟，以傳送電源P2至電源端100，並於充電模式下關閉。電流偵測電路108耦接於充電器104、開關106及電源端100之間，可用來偵測電源端100之一電流，以判斷電源供應系統10應操作在充電模式或放電模式，電流偵測電路108可控制充電器104於充電模式下開啟並於放電模式下關閉，並控制開關106於放電模式下開啟並於充電模式下關閉。

詳細來說，在充電模式之下，電源端100可視為一電源供應端，其可從外部電壓源120接收電源P1。此時，由於充電器104開啟，電源P1可透過充電器104傳送至電池模組102，以對電池模組102內部的電池進行充電。在放電模式之下，電源端100可視為一電源輸出端。此時，由於開關106開啟，電源P2可從電池模組102內部的電池通過開關106傳送至電源端100，進而對負載130進行供電。

請參考第2圖，第2圖為電源供應系統10之一種實施方式之示意圖。如第2圖所示，電流偵測電路108可包含一電流偵測電阻Rs及一比較器202。電流偵測電阻Rs耦接於電源端100，可根據電源端100之電流，產生一電壓差。比較器202即可根據電壓差來決定電源供應系統10應操作在充電模式或放電模式。換句話說，由於電流偵測電阻Rs串接於電源端100之電流路徑上，因此流經電源端100之任何電流皆會通過電流偵測電阻Rs，在此情形下，電流偵測電路108即可將流經電流偵測電阻Rs的電流轉換為電流偵測電阻Rs兩端的電壓差，以根據電壓差來進行操作模式的判斷。電池模組102可包含電池BAT。充電器104可包含一電源輸入端T1、一控制端EN、一正電源輸出端TP及一負電源輸出端TN。電源輸入端T1可用來接收電源P1。控制端EN耦接於比較器202之輸出端，可接收來自於比較器202之控制訊號或控制電壓。正電源輸出端TP及負電源輸出端TN則分別連接於電池BAT之兩端，以對電池BAT進行充電。此外，開關106可包含一電晶體M1，其控制端耦接於比較器202之輸出端，用來接收來自於比較器202之控制訊號或控制電壓。

詳細來說，比較器202之一輸入端可連接於電流偵測電阻Rs之一端點N1，比較器202之另一輸入端則連接於電流偵測電阻Rs之另一端點N2。電源端之電流流經電流偵測電阻Rs時，可在端點N1產生一電壓V1，並在端點N2產生一電壓V2。上述電壓差即等於電壓V1與電壓V2的差值。比較器202之兩輸入端可分別接收電壓V1及電壓V2，以決定電源供應系統10應操作在充電模式或放電模式。進一步地，比較器202之輸出端耦接於充電器104及開關106，以輸出控制訊號至充電器104及開關106來控制其開啟或關閉。

請參考第3圖，第3圖為電源供應系統10運作於充電模式下之示意圖。如第3圖所示，在充電模式之下，電源P1從電源端100經由一充電路徑流至電池模組102，充電路徑上包含電流偵測電路108中的電流偵測電阻Rs以及充電器104。值得注意的是，當外部電壓源120存在時，電流隨著電源P1經由電流偵測電阻Rs流入充電器104及電池模組102，使得端點N1上的電壓V1大於端點N2上的電壓V2。當電壓V1大於電壓V2時，比較器202可判斷電源供應系統10應操作在充電模式，並據以輸出一高電位至充電器104之控制端EN，以開啟充電器104的運作。同時，比較器202亦可輸出高電位至開關106。較佳地，開關106中的電晶體M1可以是一P型金氧半場效電晶體（P-type Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，PMOSFET），其閘極連接於比較器202之輸出端。此時，因P型金氧半場效電晶體之閘極接收到高電位，使得開關106關閉，可避免電池同時進行放電。

請參考第4圖，第4圖為電源供應系統10運作於放電模式下之示意圖。如第4圖所示，在放電模式之下，電源P2從電池模組102經由一放電路徑流至電源端100及負載130，放電路徑上包含電流偵測電路108中的電流偵測電阻Rs以及開關106。此外，放電路徑上另包含一二極體D1，二極體D1並聯於開關106。當電源端100連接於負載130且偵測到負載130抽取電流時，二極體D1可在開關106開啟之前先輸出一偵測電流經由電流偵測電路108至外部負載，使電流偵測電路108可偵測到其欲操作在放電模式，進而開啟開關106。詳細來說，當二極體D1產生偵測電流時，此偵測電流經由電流偵測電阻Rs流至電源端100及外部負載130，使得端點N2上的電壓V2大於端點N1上的電壓V1。當電壓V2大於電壓V1時，比較器202可判斷電源供應系統10應操作在放電模式，並據以輸出一低電位至電晶體M1（其為P型金氧半場效電晶體）之控制端，以開啟開關106。同時，比較器202亦可輸出低電位至充電器104之控制端EN，以關閉充電器104的運作，可避免充電器104同時開啟充電功能。

值得注意的是，設置二極體D1之主要目的在於提供偵測電流，實際供電的運作仍需在開關106開啟後進行。根據二極體的元件特性，電流通過會產生0.5～0.7伏特不等的壓降，使得負載130可能無法獲得足夠的輸入電壓。因此，當電流偵測電路108偵測到二極體D1所輸出的偵測電流時，可進一步開啟開關106，開關106可完全導通且其產生的電壓損耗遠低於二極體D1，進而使負載130獲得足夠的輸入電壓。

透過本創作的電源供應系統及其電流偵測電路，可實現準確的操作模式判斷。有別於習知技術中利用電壓偵測來進行充放電模式判斷的方式容易受到電壓波動的影響而產生誤判，本創作改為採用偵測電流的方式來判斷，較不易受到電壓波動的影響，這是因為在電源輸入的過程中，不論輸入電壓如何波動，其電流方向必然流向電池。在此情形下，流經電流偵測電阻兩端的電流方向不會改變，搭配比較器即可正確地判斷為充電模式。另一方面，當外部負載抽載時，電流方向必然由電池流向電源端。在此情形下，流經電流偵測電阻兩端的電流方向亦不會改變，搭配比較器即可正確地判斷為放電模式。

值得注意的是，本創作可藉由偵測電源端的電流來判斷外部電源是否存在，以正確地將電源供應系統切換至充電模式或放電模式。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，本創作之電源供應系統可以是一行動電源、一可攜式電源供應器或任何可在同一電源端上實現充放電功能之電源供應系統或裝置。此外，第2圖中電流偵測電路之電路結構僅為本創作眾多實施方式的一種，本領域具通常知識者亦可採用其它方式來進行電流偵測，而不限於此。另外，由於用來偵測電流的電流偵測電阻往往需串接於電源端且需通過電流，較佳地，電流偵測電阻應具有較小的電阻值，以避免在充放電時產生過大損耗而降低供電效率。

除此之外，電池模組可包含多個電池相互串接，如第2圖所繪示的情形。在其它實施例中，電池模組亦可僅包含單一電池，而不限於此。另一方面，在上述實施例中，開關106中的電晶體M1係採用P型金氧半場效電晶體來實現，但在其它實施例中，為實現更低的損耗，亦可採用N型金氧半場效電晶體（N-type Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET），在此情形下，電晶體之控制端可搭配一反相器，抑或將比較器之二輸入端反接，以正確地在放電模式下開啟電晶體。

綜上所述，本創作揭露一種同時具備充電及放電功能的電源供應系統，其可在同一電源端上實現充放電功能。在本創作實施例之電源供應系統中，電流偵測電路可用來偵測電源端的電流，以判斷電源供應系統應操作在充電模式或放電模式。由於電流方向不易受到電壓波動的干擾，因此，電流偵測電路所進行的操作模式判斷可達到相當高的準確度，進而實現正確的操作模式切換。

10‧‧‧電源供應系統
100‧‧‧電源端
102‧‧‧電池模組
104‧‧‧充電器
106‧‧‧開關
108‧‧‧電流偵測電路
120‧‧‧外部電壓源
130‧‧‧負載
P1、P2‧‧‧電源
202‧‧‧比較器
Rs‧‧‧電流偵測電阻
BAT‧‧‧電池
T1‧‧‧電源輸入端
EN‧‧‧控制端
TP‧‧‧正電源輸出端
TN‧‧‧負電源輸出端
M1‧‧‧電晶體
D1‧‧‧二極體
V1、V2‧‧‧電壓
N1、N2‧‧‧端點

第1圖為本創作實施例一電源供應系統之示意圖。 第2圖為電源供應系統之一種實施方式之示意圖。 第3圖為電源供應系統運作於充電模式下之示意圖。 第4圖為電源供應系統運作於放電模式下之示意圖。

10‧‧‧電源供應系統

100‧‧‧電源端

102‧‧‧電池模組

104‧‧‧充電器

106‧‧‧開關

108‧‧‧電流偵測電路

120‧‧‧外部電壓源

130‧‧‧負載

P1、P2‧‧‧電源

Claims (10)

1. 一種電源供應系統，包含有： 一電源端，耦接於一外部電壓源及一負載，用來從該外部電壓源接收一第一電源，或輸出一第二電源至該負載； 至少一電池，用來於一充電模式下接收並儲存來自於該電源端之該第一電源，以及於一放電模式下輸出該第二電源至該電源端； 一充電器，耦接於該至少一電池及該電源端之間，用來於該充電模式下開啟，以使用該第一電源對該至少一電池進行充電，並於該放電模式下關閉； 一開關，耦接於該至少一電池及該電源端之間，用來於該放電模式下開啟，以傳送該第二電源至該電源端，並於該充電模式下關閉；以及 一電流偵測電路，耦接於該充電器、該開關及該電源端之間，用來偵測該電源端之一電流，以判斷該電源供應系統操作在該充電模式或該放電模式，該電流偵測電路控制該充電器於該充電模式下開啟並於該放電模式下關閉，並控制該開關於該放電模式下開啟並於該充電模式下關閉。
2. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該充電器位於該電源供應系統之一充電路徑上，該開關位於該電源供應系統之一放電路徑上。
3. 如請求項2所述之電源供應系統，其中該放電路徑另包含一二極體，該二極體並聯於該開關，用來於該開關開啟之前輸出一偵測電流至該電流偵測電路。
4. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該電流偵測電路包含有： 一電流偵測電阻，耦接於該電源端，用來根據該電源端之該電流，產生一電壓差；以及 一比較器，耦接於該電流偵測電阻，用來根據該電壓差，決定該電源供應系統操作在該充電模式或該放電模式。
5. 如請求項4所述之電源供應系統，其中該電源端之該電流流經該電流偵測電阻，以在該電流偵測電阻之一第一端產生一第一電壓，並在該電流偵測電阻之一第二端產生一第二電壓。
6. 如請求項5所述之電源供應系統，其中該電壓差為該第一電壓與該第二電壓的差。
7. 如請求項5所述之電源供應系統，其中該比較器包含有： 一第一輸入端，耦接於該電流偵測電阻之該第一端，用來接收該第一電壓； 一第二輸入端，耦接於該電流偵測電阻之該第二端，用來接收該第二電壓；以及 一輸出端，耦接於該充電器及該開關，用來根據該第一電壓與該第二電壓的大小，控制該充電器開啟或關閉，並控制該開關開啟或關閉。
8. 如請求項5所述之電源供應系統，其中當該第一電壓大於該第二電壓時，該比較器判斷該電源供應系統操作在該充電模式，並控制該充電器開啟以及控制該開關關閉。
9. 如請求項5所述之電源供應系統，其中當該第二電壓大於該第一電壓時，該比較器判斷該電源供應系統操作在該放電模式，並控制該充電器關閉以及控制該開關開啟。
10. 如請求項1所述之電源供應系統，其中該開關包含一P型金氧半場效電晶體（P-type Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，PMOSFET）。