TWI522785B - 電力供應裝置 - Google Patents

Description

電力供應裝置

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於電子裝置的電力供應裝置。

為了節省耗電，電腦通常會具備多種電源管理模式，例如正常操作模式(normal operation mode)、待機模式(standby mode)或連網待機模式(connected standby mode)。根據不同的電源管理模式，電腦會依據對應的設定而關閉或減少部份負載元件的供電，藉以降低電腦整體的功率消耗。

一般而言，由於電腦在正常操作模式下的功率消耗最大，因此電源供應裝置的電路設計皆會配合電腦在正常操作模式下的功耗需求而設計。因此，電源供應裝置得以在電腦正常操作模式的情況下，利用最佳的功率轉換效率進行供電，以減少電源供應裝置的功率損耗。

然而，由於傳統電源供應裝置的最佳轉換效率被設定在大輸出電流(即重負載)的操作環境中，使得當電源供應裝置操作在小輸出電流(即輕負載)的操作環境中時，此傳統電源供應裝置的轉換效率即會大幅地下降。因此，在輕負載的操作環境中，傳統電源供應裝置會因為轉換效率不佳而損失許多功率。例如，在可攜式電腦從正常操作 模式進入待機模式或連網待機模式的情況下，可攜式電腦的整體功率消耗雖然降低，但是可攜式電腦的傳統電源供應裝置會因為在輕負載的操作環境中轉換效率不佳而消耗大量的額外功耗。如此一來，待機模式或連網待機模式所帶來的降低功耗的效益亦大打折扣。另一方面，轉換效率不佳的傳統電源供應裝置會消耗電池電量，使得可攜式電腦的維持待機時間(電池壽命)被大幅縮短。

本發明提供一種電力供應裝置，其可以依照負載元件的操作狀況而選擇性地選用不同轉換效率的電壓調整器。

本發明實施例提出一種電力供應裝置，包括多個第一二極體、至少一第一電壓調整器以及多個第二電壓調整器。所述多個第一二極體的陰極以一對一方式耦接至電子裝置的多個負載元件。第一電壓調整器的輸出端耦接至這些第一二極體的陽極，其中該第一電壓調整器的最佳轉換效率位於第一輸出電流範圍。多個第二電壓調整器的輸出端以一對一方式耦接至這些負載元件，其中這些第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍的第二輸出電流範圍。

基於上述，本發明實施例電力供應裝置，其配置了具有不同轉換效率的多個電壓調整器。依照負載元件的操作狀況，而選擇性地選用不同轉換效率的電壓調整器。在一些實施例中，電力供應裝置可根據電子裝置的電源管理模 式而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來提供工作電能。因此，不論電子裝置是在正常操作模式或待機模式下，電源供應裝置皆可利用較佳的轉換效率來進行供電，藉以延長電子裝置的使用時間。

為讓本發明之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。

在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。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/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1為一種電子裝置的電源供應裝置的範例示意圖。在本實施例中，電子裝置10例如為個人電腦(personal computer)、筆記型電腦(notebook computer)、超輕薄筆電(ultrabook computer)、平板電腦(tablet computer)、個人數位助理(personal digital assistant,PDA)、智慧型手機(smart phone)或其他電子裝置。電子裝置10所需要的操作電能是由電源供應裝置100所提供。

請參照圖1，電源供應裝置100包括多個電壓調整器(voltage regulator)VR1、VR2、...、VRn，其分別耦接至電子裝置10中的多個不同的構件(例如圖1所繪示的負載元件LD1、LD2、...、LDn)，以便供應具有各種電壓準位的操作電能。例如，如圖1所示，電壓調整器VR1、VR2、...、VRn分別提供對應的負載電壓V1至負載元件LD1、LD2、...、LDn，使得各個負載元件LD1~LDn得以正常的運行及操作，其中n為正整數且可依據電子裝置10的規格需求而更動。

具體而言，各個負載元件LD1~LDn會分別根據各自的規格/功能而操作於對應的負載電壓V1。舉例來說，負載元件LD1~LDn可例如為通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)介面電路/控制器、區域無線網路(WiFi)介面電路、記憶體(如次世代行動式記憶體LPDDR3)或其他功能電路。其中，負載元件LD1~LDn所需的電源電壓皆為V1。前述電源電壓V1的準位是依照實際產品的設計需求來決定的。例如，USB介面電路的負載電壓約為5伏特(V)，通訊網路介面電路的負載電壓約為3.3V，而記憶體的負載電壓約為1.2V。

因此，電壓調整器VR1~VRn可對外部電壓源所提供的輸入電壓VIN進行調整的動作，並分別輸出額定的負載電壓V1以供電給負載元件LD1~LDn。其中，所述外部電壓源可為電池模組(battery module)，或者是將交流電源 轉換為直流電源的電源轉接器(power adapter)，或者是其他直流電源，本實施例不以此為限。

此外，不同的負載元件在不同電源管理模式下所對應的操作功率亦不相同。電壓調整器VR1~VRn可以依據負載元件的操作狀態而動態調整輸出功率。

在電壓調整器的電路設計中，電壓調整器VR1~VRn一般會針對所對應的負載元件LD1~LDn所需的重載操作功率而設定其電路參數，以將各個電壓調整器VR1~VRn的最佳轉換效率設定於符合對應負載元件之重載操作功率的輸出電流範圍內。因此，在正常操作模式下，電源供應裝置100可基於較佳的轉換效率供電給電子裝置10，以節省電壓調整器VR1~VRn的功耗。

圖2為電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖，其中縱軸表示電壓調整器的轉換效率，而橫軸表示電壓調整器的輸出電流。在圖2中，三條轉換特性曲線分別繪示出圖1的電壓調整器VR1的輸入電壓VIN分別為5伏特(V)、7V以及12V的狀況，其中負載電壓(輸出電壓)V1例如設定為3.3V，但本發明不以此為限。圖1的其他電壓調整器可以參照圖2的相關說明而類推之。

請同時參照圖1與圖2，電壓調整器VR1會調整輸入電壓VIN的準位(例如7V)而輸出3.3V的負載電壓V1。在輸入電壓VIN設定為7V的情況下，如圖2所示，當電壓調整器VR1的輸出電流約為0.9安培(A)時，電壓調整器VR1的轉換效率為最佳(約90%)。亦即，當負載元 件LD1操作於2.97瓦(W)時，也就是當負載元件LD1操作於重載狀態時，電壓調整器VR1可具有最佳轉換效率。此外，電壓調整器VR1的轉換效率會根據所接收的輸入電壓VIN的電壓值不同而隨之改變。

然而，由於省電的考量，電子裝置10會於長時間未動作時進入待機模式或者連網待機模式(connected standby mode)，以令電子裝置10根據需求而使部份或全部的負載元件LD1~LDn操作於低功率狀態。當負載元件LD1操作於低功率狀態時，或是當負載元件LD1操作於輕載狀態時，負載元件LD1僅需低功率的電源供應，以使其可在轉換為正常操作模式時快速地喚醒，或者維持所儲存的資料。電壓調整器VR1的輸出電流越小，其轉換效率越差。例如，如圖2所示，以電源電壓VIN等於7V所對應的轉換特性曲線為例，假設負載元件LD1操作於低功率狀態時之操作功率為3.3mW，亦即電壓調整器VR1的輸出電流約為1mA，此時之電壓調整器VR1的轉換效率僅約為70%。

換句話說，由於圖1所示實施例中的電壓調整器VR1~VRn是依據大電流(重載)狀況來設置最佳轉換效率，因此在電子裝置10進入待機模式或連網待機模式而使各個負載元件LD1~LDn的操作功率變小時，電源供應裝置100的各個電壓調整器VR1~VRn會因為操作於小電流(輕載)狀況而大幅降低轉換效率，進而造成過多的功率浪費。尤其是可攜式電子裝置，轉換效率不佳的電壓調整 器會消耗電池電量，使得可攜式電子裝置的維持待機時間(電池壽命)被大幅縮短。

圖3為依據本發明實施例說明一種電源供應裝置300的電路方塊示意圖。電源供應裝置300適於供電予電子裝置30使用。電子裝置30可以是任何類型的電子產品，例如個人電腦、筆記型電腦、超輕薄筆電、平板電腦、個人數位助理、智慧型手機或其他類別的電子裝置。圖3所示電子裝置30可以參照圖1中電子裝置10的相關說明而類推之，故不再贅述。

請參照圖3，電源供應裝置300包括多個第一二極體(例如圖3所繪示D1、D2、…、Dn)、至少一個第一電壓調整器(例如圖3所繪示VRSB)以及多個第二電壓調整器(例如圖3所繪示VR1、VR2、…、VRn)。二極體D1~Dn的陰極以一對一方式耦接至電子裝置30的多個負載元件LD1~LDn，如圖3所示。二極體D1~Dn的陽極共同耦接至第一電壓調整器VRSB的輸出端。

第二電壓調整器VR1~VRn的輸出端以一對一方式耦接至負載元件LD1~LDn，如圖3所示。其中，第一電壓調整器VRSB的最佳轉換效率位於第一輸出電流範圍，而第二電壓調整器VR1~VRn的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍的第二輸出電流範圍。例如，圖4是依照本發明實施例說明圖3中第一電壓調整器VRSB與第二電壓調整器VR1~VRn的轉換特性曲線的示意圖。圖4中縱軸表示電壓調整器的轉換效率，而橫軸表示電壓調整器的輸 出電流。請同時參照圖3與圖4，轉換特性曲線410為第一電壓調整器VRSB的功率轉換特性，且轉換特性曲線420為第二電壓調整器VR1~VRn的功率轉換特性。在本實施例中，第一電壓調整器VRSB的轉換特性曲線410係根據負載元件LD1~LDn操作於低功率(輕負載)狀態時的工作規格而設定，例如操作在連網待機模式。第二電壓調整器VR1~VRn的轉換特性曲線420則根據負載元件LD1~LDn操作於高功率(重負載)狀態時的工作規格而設定，例如操作在正常操作模式。因此，第一電壓調整器VRSB的最佳轉換效率會位於較小的第一輸出電流範圍TR1，而第二電壓調整器VR1~VRn的最佳轉換效率則會位於高於第一輸出電流範圍TR1的第二輸出電流範圍TR2。

電子裝置30中的控制器(未繪示)可以執行電源管理，以便讓電子裝置30依照操作需求而運作於不同電源管理模式。所述控制器可以是任何類型的控制電路，例如系統晶片(system-on-chip,SOC)、應用處理器(application processor)、媒體處理器(media processor)、微處理器(microprocessor)、中央處理單元(central processing unit,CPU)、數位信號處理器(digital signal processor)或其他類似者。舉例來說，若將電子裝置30實現為電腦系統，則所述控制器可以是南橋晶片(South Bridge)、中央處理單元、平台控制集線器(Platform Controller Hub,PCH)、內嵌控制器(Embedded Controller，EC)、鍵盤控制器 (Keyboard Controller,KBC)、基板管理控制器(baseboard management controller,BMC)、電源管理積體電路(Power Management IC,PMIC)或其他數位控制電路。

在一些實施例中，電子裝置30中的所述控制器(未繪示)可以控制第一電壓調整器VRSB與第二電壓調整器VR1~VRn。例如，電腦系統內的內嵌控制器可以藉由輸出待機信號(例如連網待機信號)而讓電腦系統進入待機模式(例如連網待機模式)，其中第一電壓調整器VRSB與第二電壓調整器VR1~VRn響應於所述待機信號而被致能或被禁能。當電子裝置30操作於正常操作模式時，也就是負載元件LD1~LDn的負載電流落於第二輸出電流範圍TR2內，第一電壓調整器VRSB響應於所述待機信號而被禁能，而第二電壓調整器VR1~VRn響應於所述待機信號而被致能以供應負載電壓V1至負載元件LD1~LDn。當電子裝置30操作於待機模式(例如連網待機模式)時，也就是負載元件LD1~LDn的負載電流落於第一輸出電流範圍TR1內，第一電壓調整器VRSB響應於所述待機信號而被致能以供應負載電壓V1至負載元件LD1~LDn，而第二電壓調整器VR1~VRn響應於所述待機信號而被禁能。

在其他實施例中，第一電壓調整器VRSB與第二電壓調整器VR1~VRn可以相互傳遞資訊，而依據相互傳遞的資訊來決定是否致能。例如，在初始狀態，第一電壓調整器VRSB被禁能，而第二電壓調整器VR1~VRn被致能以供應負載電壓V1至負載元件LD1~LDn。在第二電壓調整 器VR1~VRn被致能的狀況下，第二電壓調整器VR1~VRn會偵測輸出電流量。當第二電壓調整器VR1~VRn的輸出電流量小於臨界值(例如超過圖4所繪示第二輸出電流範圍TR2，或小於第一輸出電流範圍TR1的上限)時，第二電壓調整器VR1~VRn會發出致能信號給第一電壓調整器VRSB，然後第二電壓調整器VR1~VRn自我禁能。在收到致能信號後，第一電壓調整器VRSB被致能而供應負載電壓V1至負載元件LD1~LDn。在第一電壓調整器VRSB被致能的狀況下，第一電壓調整器VRSB會偵測輸出電流量。當第一電壓調整器VRSB的輸出電流量大於臨界值(例如超過圖4所繪示第一輸出電流範圍TR1，或大於第二輸出電流範圍TR2的下限)時，第一電壓調整器VRSB會發出致能信號給第二電壓調整器VR1~VRn，然後第一電壓調整器VRSB自我禁能。在收到致能信號後，第二電壓調整器VR1~VRn被致能而供應負載電壓V1至負載元件LD1~LDn。

因此，上述諸實施例之電源供應裝置300可根據負載元件LD1~LDn的操作模式/狀態而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行電源供應。電子裝置30不論是在正常操作模式或待機模式下，電源供應裝置300皆可利用較佳轉換效率的電壓調整器來進行供電，藉以改善電源供應裝置的功率消耗問題，並且延長電子裝置的待機時間(電池壽命)。

圖5為依據本發明另一實施例說明一種電源供應裝置500的電路方塊示意圖。圖5所示實施例可以參照圖3與圖4的相關說明而類推之。電源供應裝置500供電給電子裝置50的負載元件LD1~LDn。電源供應裝置500包括多個第一二極體D1~Dn、至少一個第一電壓調整器VRSB以及多個第二電壓調整器VR1~VRn。其中，第一電壓調整器VRSB的最佳轉換效率位於第一輸出電流範圍TR1，而第二電壓調整器VR1~VRn的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍TR1的第二輸出電流範圍TR2。

上述圖3實施例的第一電壓調整器VRSB的實現方式可以參照圖5所繪示第一電壓調整器VRSB的相關說明而類推之。請參照圖5，於本實施例中，第一電壓調整器VRSB包括驅動單元510以及功率輸出單元520。驅動單元510耦接至功率輸出單元520。當電子裝置50操作於一待機模式時，驅動單元510產生驅動信號給功率輸出單元520。功率輸出單元520依據驅動單元510的驅動信號而提供輸出電壓V1給負載元件LD1~LDn。

在一些實施例中，驅動單元510及/或功率輸出單元520受控於電子裝置50的待機信號(可參照圖3所示實施例關於待機信號的相關說明)。依據電子裝置50的待機信號，當電子裝置50操作於待機模式時，驅動單元510及/或功率輸出單元520被致能，以提供輸出電壓V1給負載元件LD1~LDn；當電子裝置50操作於正常操作模式時，驅動單元510及/或功率輸出單元520被禁能，以節省功耗。

在圖5所示實施例中，功率輸出單元520包括P通道金屬氧化物半導體(P-channel Metal Oxide Semiconductor,PMOS)電晶體Mp、N通道金屬氧化物半導體(N-channel Metal Oxide Semiconductor,NMOS)電晶體Mn、電感L、開關SW與電容C。其中，PMOS電晶體Mp、NMOS電晶體Mn、電感L與電容C所組成降壓式(Buck)電源轉換器。然而，此功率輸出單元520的電路架構僅為一示例。在其他實施例中，功率輸出單元520中的元件架構皆可根據設計需求而有所更動，藉以實現降壓或升壓的電源轉換。開關SW受控於電子裝置50的待機信號(可參照圖3所示實施例關於待機信號的相關說明)。當電子裝置50操作於待機模式時，開關SW為導通，因此功率輸出單元520可以提供輸出電壓V1給負載元件LD1~LDn。當電子裝置50操作於正常操作模式時，開關SW為截止，因此功率輸出單元520被禁能。

圖5所繪示之第二電壓調整器VR1的相關說明可適用於圖5中其他第二電壓調整器(例如VRn)。另外，上述圖3實施例的第二電壓調整器VR1~VRn的實現方式可以參照圖5所繪示第二電壓調整器VR1的相關說明而類推之。第二電壓調整器VR1包括驅動單元530、功率輸出單元540以及第二二極體550。驅動單元530耦接於功率輸出單元540。當電子裝置50操作於正常操作模式時，驅動單元530產生驅動信號給功率輸出單元540。功率輸出單元540的輸出端耦接至第二二極體550的陽極。第二二極 體550的陰極耦接至對應負載元件(例如負載元件LD1)。功率輸出單元540依據驅動單元530的驅動信號而提供輸出電壓V1經由第二二極體550給對應負載元件(例如負載元件LD1)。

在一些實施例中，驅動單元530及/或功率輸出單元540受控於電子裝置50的待機信號(可參照圖3所示實施例關於待機信號的相關說明)。依據電子裝置50的待機信號，當電子裝置50操作於正常操作模式時，驅動單元530及/或功率輸出單元540被致能，以提供輸出電壓V1給負載元件LD1；當電子裝置50操作於待機模式時，驅動單元530及/或功率輸出單元540被禁能，以節省功耗。

第二電壓調整器VR1的功率輸出單元540的實現方式可以第一電壓調整器VRSB的功率輸出單元520的相關說明而類推之。不同於功率輸出單元520之處，在於功率輸出單元540的致能時機。當電子裝置50操作於正常操作模式時，功率輸出單元540被致能，以提供輸出電壓V1給負載元件LD1。當電子裝置50操作於待機模式時，功率輸出單元540被禁能，以節省功耗。

在其他實施例中，當電子裝置50操作於待機模式時(即當第二電壓調整器VR1被禁能時)，功率輸出單元540的輸出端可以提供高阻抗(high-impedance，一般簡寫為Z)狀態來避免第一電壓調整器VRSB的輸出電能流進功率輸出單元540。因此，在功率輸出單元540有能力提供Z狀態的情況下，第二二極體550可以被省略。圖5中 其他第二電壓調整器(例如VRn)可以參照第二電壓調整器VR1的相關說明而類推之。

綜上所述，本發明實施例之電源供應裝置可根據電子裝置的操作模式/狀態而對應地致能具有較佳轉換效率的電壓調整器來進行電源供應，以及禁能較差轉換效率的電壓調整器。因此電子裝置不論是在正常操作模式或待機模式下，電源供應裝置皆可利用較佳的轉換效率來進行供電，藉以改善電源供應裝置的功率消耗問題，並且延長電子裝置的待機時間。

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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、30、50‧‧‧電子裝置

100、300、500‧‧‧電源供應裝置

410、420‧‧‧轉換特性曲線

510、530‧‧‧驅動單元

520、540‧‧‧功率輸出單元

550‧‧‧第二二極體

C‧‧‧電容

D1、D2、Dn‧‧‧第一二極體

L‧‧‧電感

LD1、LD2、LDn‧‧‧負載元件

Mp‧‧‧P通道金屬氧化物半導體電晶體

Mn‧‧‧N通道金屬氧化物半導體電晶體

SW‧‧‧開關

TR1‧‧‧第一輸出電流範圍

TR2‧‧‧第二輸出電流範圍

V1‧‧‧負載電壓

VIN‧‧‧輸入電壓

VR1、VR2、VRn‧‧‧第二電壓調整器

VRSB‧‧‧第一電壓調整器

圖1為一種電子裝置的電源供應裝置的範例示意圖。

圖2為電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖。

圖3為依據本發明實施例說明一種電源供應裝置的電路方塊示意圖。

圖4是依照本發明實施例說明圖3中第一電壓調整器與第二電壓調整器的轉換特性曲線的示意圖。

圖5為依據本發明另一實施例說明一種電源供應裝置的電路方塊示意圖。

30‧‧‧電子裝置

300‧‧‧電源供應裝置

D1、D2、Dn‧‧‧第一二極體

LD1、LD2、LDn‧‧‧負載元件

V1‧‧‧負載電壓

VR1、VR2、VRn‧‧‧第二電壓調整器

VRSB‧‧‧第一電壓調整器

Claims (7)

1. 一種電力供應裝置，包括：多個第一二極體，其陰極以一對一方式耦接至一電子裝置的多個負載元件；至少一第一電壓調整器，其輸出端耦接至該些第一二極體的陽極，其中該第一電壓調整器的最佳轉換效率位於一第一輸出電流範圍；以及多個第二電壓調整器，其輸出端以一對一方式耦接至該些負載元件，其中該些第二電壓調整器的最佳轉換效率位於高於該第一輸出電流範圍的一第二輸出電流範圍，其中當該電子裝置操作於一正常操作模式時，該第一電壓調整器被禁能，而該些第二電壓調整器被致能以供電至該些負載元件，以及其中當該電子裝置操作於一待機模式時，該第一電壓調整器被致能以供電至該些負載元件，而該些第二電壓調整器被禁能。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力供應裝置，其中該待機模式為一連網待機模式。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電力供應裝置，其中該第一電壓調整器與該些第二電壓調整器響應於該電子裝置的一待機信號而被致能或被禁能。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電力供應裝置，其中該第一電壓調整器包括： 一功率輸出單元，用以依據一驅動信號而提供一輸出電壓給該些負載元件；以及一驅動單元，耦接於該功率輸出單元，其中當該電子裝置操作於一待機模式時，該驅動單元產生該驅動信號給該功率輸出單元。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電力供應裝置，其中該驅動單元受控於該電子裝置的一待機信號，使得當該電子裝置操作於該待機模式時，該驅動單元被致能，而當該電子裝置操作於一正常操作模式時，該驅動單元被禁能。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電力供應裝置，其中該些第二電壓調整器其中之一包括：一第二二極體，其陰極耦接至該些負載元件中的一對應負載元件；一功率輸出單元，其輸出端耦接至該第二二極體的陽極，其中該功率輸出單元依據一，驅動信號而提供一輸出電壓給該對應負載元件；以及一驅動單元，耦接於該功率輸出單元，其中當該電子裝置操作於一正常操作模式時，該驅動單元產生該驅動信號給該功率輸出單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電力供應裝置，其中該驅動單元受控於該電子裝置的一待機信號，使得當該電子裝置操作於該正常操作模式時，該驅動單元被致能，而當該電子裝置操作於一待機模式時，該驅動單元被禁能。