应用于巡航系统的电源供应装置及电源供应方法与流程

文档序号:12067351阅读:177来源:国知局
应用于巡航系统的电源供应装置及电源供应方法与流程

本发明涉及可操作在高精度模式以及低功率模式的电源供应装置及电源供应方法。



背景技术:

随着科技进步,电子装置已广为人们所使用,包括移动电子装置以及穿戴式电子装置。由于人们对于省电的需求,电子装置所使用的电源供应装置及方法更扮演举足轻重的角色。另一方面,汽车科技也在日新月异,目前已有巡航系统(Cruise Control System)可辅助驾驶人,为了环保考虑以及相关规范,汽车所使用的电源供应装置也需有节能效果,同时亦需保持车辆行驶时的安全性。不论在移动装置以及汽车科技领域,如何设计适当的电源供应装置及方法,乃目前业界所致力的课题之一。



技术实现要素:

本发明涉及可操作在高精度模式以及低功率模式的电源供应装置及电源供应方法。

根据本发明的第一方面,提出一种电源供应装置,用以响应于一模式选择信号以产生一电源供应信号,电源供应装置包括参考电压电路、高精确度模式驱动电路、低功率模式驱动电路、以及控制电路。参考电压电路产生参考电压信号。高精确度模式驱动电路根据参考电压信号以及电源供应信号,产生第一驱动信号。低功率模式驱动电路根据参考电压信号以及电源供应信号,产生第二驱动信号。控制电路根据模式选择信号选择操作在高精确度模式或低功率模式。当操作在高精确度模式时,控制电路根据第一驱动信号产生电源供应信号,当操作在低功率模式时,控制电路根据第二驱动信号产生电源供应信号,并且根据第二驱动信号,决定是否开启参考电压电路。

根据本发明的第二方面,提出一种电源供应方法,用以产生一电源供应信号,方法包括:以参考电压电路产生参考电压信号;以高精确度模式驱动 电路,根据参考电压信号以及电源供应信号,产生第一驱动信号;以低功率模式驱动电路,根据参考电压信号以及电源供应信号,产生第二驱动信号;根据模式选择信号,选择操作在高精确度模式或低功率模式;当操作在高精确度模式时,根据第一驱动信号产生电源供应信号;以及当操作在低功率模式时,根据第二驱动信号产生电源供应信号,并且根据第二驱动信号,决定是否开启参考电压电路。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解,下文特举优选实施例,并配合附图,作详细说明如下:

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的电源供应装置示意图。

图2绘示依照本发明一实施例的电源供应方法流程图。

图3绘示依照本发明一实施例的低功率模式驱动电路示意图。

图4绘示依照本发明一实施例的电源供应方法流程图。

图5绘示依照本发明一实施例的电源供应装置的信号波形示意图。

图6绘示依照本发明一实施例的比较器的输出输入转换曲线示意图。

图7绘示依照本发明一实施例的控制电路与参考电压电路连接关系示意图。

图8绘示依照本发明一实施例的高精确度模式驱动电路示意图。

图9绘示依照本发明一实施例的电源供应装置及其应用的示意图。

【符号说明】

2:电源供应装置

3:车辆巡航系统

200:参考电压电路

202:高精确度模式驱动电路

204:低功率模式驱动电路

206:控制电路

212:内部参考电压电路

214:电平转换电路

220:误差放大器

222:自消除偏移电路

240、242:比较器

262:模式决定电路

264:控制逻辑电路

266:输出级电路

C:电容

D1:第一驱动信号

D2:第二驱动信号

Dout:输出驱动信号

L:电感

VCV:致能信号

VIH:上限临界电压

VIL:下限临界电压

Vlow:电压下界

Vmode:模式选择信号

VN:负饱和电压

VP:正饱和电压

V-ref:参考电压信号

V-ref_int:内部参考电压

VST:状态控制信号

Vsupply:电源供应信号

V-up:电压上界

具体实施方式

以车辆巡航系统为例,当车辆在高速行驶时,首要条件是保持车辆的安全性,车辆在高速行驶时发生事故通常较为严重,所以此时的电源供应装置应有一个高精确度模式,以确保系统的稳定与车辆的安全。反之,当车辆在低速行驶时,对于电源供应的精确度无须采取最高效能的设定,在电源供应的误差仍在安全容许的范围内,可以使用一个低功率模式,在此控制模式中可降低功率消耗,藉以补偿在高精确度模式下的额外功率消耗。本公开当中的电源供应装置以及电源供应方法,其操作模式包括有高精确度模式以及低功率模式,以能够在不同的使用情境中适应性地调整,兼顾安全性以及节能 需求。

图1绘示依照本发明一实施例的电源供应装置2的示意图。电源供应装置2用以产生一电源供应信号Vsupply,以前述的车辆巡航系统为例,电源供应信号Vsupply即供应给巡航系统作为电源。电源供应装置2包括参考电压电路200、高精确度模式驱动电路202、低功率模式驱动电路204、以及控制电路206。参考电压电路200产生参考电压信号Vref,此参考电压信号Vref可以是电源供应装置2所欲提供的供应电压目标值,例如所输出的电源供应信号Vsupply可以藉由反馈的控制,以追踪(tracking)参考电压信号Vref,使得电源供应信号Vsupply维持在稳定的电压,接近于参考电压信号Vref

高精确度模式驱动电路202根据参考电压信号Vref以及电源供应信号Vsupply(经反馈),产生第一驱动信号D1。低功率模式驱动电路204根据参考电压信号Vref以及电源供应信号Vsupply,产生第二驱动信号D2。控制电路206根据模式选择信号Vmode选择操作在高精确度模式或低功率模式,此模式选择信号Vmode可以由外部电路提供,例如使用者可藉由手动控制,决定电源供应装置2操作在高精确度模式或低功率模式,模式选择信号Vmode也可以由控制电路206内部产生,例如控制电路206可根据目前电路的操作状态和/或周围电路回传的状态,决定操作在高精确度模式或低功率模式。当操作在高精确度模式时,控制电路206根据第一驱动信号D1产生电源供应信号Vsupply,当操作在低功率模式时,控制电路206根据第二驱动信号D2产生电源供应信号Vsupply,并且根据第二驱动信号D2,决定是否开启参考电压电路200。

如前所述,藉由将输出的电源供应信号Vsupply经由反馈连接至高精确度模式驱动电路202以及低功率模式驱动电路204,可藉由驱动电路的控制,使得电源供应信号Vsupply接近于参考电压信号Vref。而控制电路206还可以根据第二驱动信号D2决定一个致能信号VCV,藉以控制是否开启(turn on)或致能(enable)参考电压电路200,第二驱动信号D2相关于低功率操作模式。举例而言,当开启或致能参考电压电路200,参考电压电路200可提供稳定的参考电压信号Vref,而当关闭(turn off)或是禁能(disable)参考电压电路200时,由于参考电压电路200内部元件失去电源供应,依靠储能元件(例如电容)维持能量,参考电压电路200所输出的参考电压信号Vref随时间下降,而能进一步降低功率消耗。

图2绘示依照本发明一实施例的电源供应方法流程图。电源供应方法用 以产生电源供应信号,方法包括:步骤S100以参考电压电路产生参考电压信号。步骤S102以高精确度模式驱动电路,根据参考电压信号以及电源供应信号,产生第一驱动信号。步骤S104以低功率模式驱动电路,根据参考电压信号以及电源供应信号,产生第二驱动信号。步骤S106根据模式选择信号,选择操作在高精确度模式或低功率模式。步骤S108当操作在高精确度模式时,根据第一驱动信号产生电源供应信号。步骤S110当操作在低功率模式时,根据第二驱动信号产生电源供应信号,并且根据第二驱动信号,决定是否开启该参考电压电路。步骤S106、S108、S110例如可由一控制电路执行。

在上述实施例的电源供应装置2以及使用的电源供应方法,在低功率模式中,可依据第二驱动信号D2决定是否开启参考电压电路200,如此能够更有弹性地控制参考电压电路200的状态,例如当关闭参考电压电路200时,能够进一步的降低功率消耗,当第二驱动信号D2指示需开启时,亦能够开启参考电压电路200。以下更详细说明低功率模式的操作情形。

当操作在低功率模式时,控制电路206可关闭高精确度模式驱动电路202,例如可藉由控制电路206输出一高精确度模式驱动电路致能信号,控制高精确度模式驱动电路202的开启/关闭状态。由于低功率模式时,电源供应信号Vsupply是由第二驱动信号D2所驱动,因此关闭高精确度模式驱动电路202不会影响电路的操作情形,可以节省高精确度模式驱动电路202所消耗的功率。

在一实施例中,低功率模式驱动电路204根据电源供应信号Vsupply与参考电压信号Vref的电压差产生第二驱动信号D2。亦即,参考电压电路200的开关状态,相关于电源供应信号Vsupply与参考电压信号Vref的电压相对关系。图3绘示依照本发明一实施例的低功率模式驱动电路204的示意图,低功率模式驱动电路204可通过比较器(comparator)240实现,比较器240的非反相输入引脚输入电源供应信号Vsupply,比较器240的反相输入引脚输入参考电压信号Vref,当电源供应信号Vsupply大于参考电压信号Vref时,比较器240输出正饱和电压VP(例如是正供应电压+VCC),当电源供应信号Vsupply小于参考电压信号Vref时,比较器240输出负饱和电压VN(例如是负供应电压-VCC或是地电位GND)。比较器240的输入引脚接法不限于此,也可将电源供应信号Vsupply与电压信号Vref的引脚交换,并且对应改变后续的逻辑电路即可。根据比较器240的输出产生第二驱动信号D2,控制电路260可藉由第二驱动信号D2 得知电源供应信号Vsupply与参考电压信号Vref的电压大小相对关系,而作出对应的控制。

低功率模式可再进一步区分为休眠模式以及节能模式。当操作在休眠模式时,控制电路260关闭参考电压电路200,而当操作在节能模式时,控制电路260开启参考电压电路200。在休眠模式时,由于参考电压电路200处于关闭状态,不再产生稳定的参考电压信号Vref,参考电压信号Vref会随时间慢慢下降,而控制电路206也可关闭其内部的相关驱动电路,例如仅通过被动储能元件(例如电容)保存能量,而使得电源供应信号Vsupply亦是随着时间逐渐下降,此时由于内部电路皆处于休息状态,且电源供应信号Vsupply的电压下降,可以达到非常低的功率消耗。

接着,当电源供应信号Vsupply的电压下降到一特定程度时,例如电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差小于等于一第一临界值Vth1时,表示目前的电源供应信号Vsupply可能低于额定安全范围的电压下界Vlow(例如Vsupply Vlow),此时则由休眠模式切换进入节能模式,以开启参考电压电路200,使得参考电压信号Vref开始上升,控制电路206也可开启其内部的相关驱动电路,根据第二驱动信号D2产生电源供应信号Vsupply,使得电源供应信号Vsupply随时间上升。

当电源供应信号Vsupply的电压上升到一特定程度时,例如电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差大于等于一第二临界值Vth2时,表示目前的电源供应信号Vsupply可能已触于电压上界Vup(例如Vsupply Vup),则可再由节能模式切换回休眠模式,关闭参考电压电路200,以使得电源供应信号Vsupply下降,以进一步降低功率消耗。此实施例中的电压下界Vlow以及电压上界Vup可与参考电压信号Vref相关,例如当参考电压电路200关闭时,其输出参考电压信号Vref会随时间下降,则电压下界Vlow以及电压上界Vup亦随着时间下降。

图4绘示依照本发明一实施例的电源供应方法流程图。如前所述的低功率模式还包括有休眠模式以及节能模式,与图2相较,其中的步骤S110可包括以下的步骤:步骤S122休眠模式,关闭参考电压电路。接着进入步骤S124,判断判断电源供应信号Vsupply是否小于等于电压下界Vlow(或是判断电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差是否小于等于第一临界值Vth1),若否,回到步骤S106;若是,则进入步骤S126的节能模式,以开启参考电 压电路。接着进入步骤S128,判断电源供应信号Vsupply是否大于等于电压上界Vup(或是判断电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差是否大于等于第二临界值Vth2),若否,回到步骤S126;若是,则回到步骤S122的休眠模式,以关闭参考电压电路。在此实施例中,电压下界Vlow小于参考电压信号Vref,电压上界Vup大于参考电压信号Vref,即第一临界值Vth1小于0,第二临界值Vth2大于0。

图5绘示依照本发明一实施例的电源供应装置的信号波形示意图。在时段(A),模式选择信号Vmode选择的是高精确度模式,因此参考电压电路开启,致能信号VCV为逻辑高电平,根据第一驱动信号D1产生电源供应信号Vsupply,此时电源供应信号Vsupply经由反馈追踪参考电压信号Vref。接着模式选择信号Vmode选择低功率模式,则进入时段(B),如步骤S122所示,首先进入休眠模式,关闭参考电压电路200,致能信号VCV为逻辑低电平,此时参考电压信号Vref随时间下降,与参考电压信号Vref相关的电压下界Vlow以及电压上界Vup亦随时间下降,而电源供应信号Vsupply亦是随时间下降,直到下降到当电源供应信号Vsupply触及(或小于等于)电压下界Vlow时,则如步骤S126所示,进入节能模式的时段(C)。

在节能模式由于开启参考电压电路,致能信号VCV为逻辑高电平,参考电压信号Vref随时间上升,直到回到原定的电平为止,即如同在时段(A)的参考电压信号Vref电平,而由于此时电源供应信号Vsupply受到第二驱动信号D2驱动,亦是随时间上升,直到上升到当电源供应信号Vsupply触及(或大于等于)电压上界Vup时,则如步骤S126所示,再次回到休眠模式进入时段(E),关闭参考电压电路,致能信号VCV为逻辑低电平。在时段(E)结束时,由于模式选择信号Vmode选择高精确度模式,因此时段(F)与时段(A)相同,为高精确度模式,开启参考电压电路,致能信号VCV为逻辑高电平。

关于步骤S122、S124、S126、S128在休眠模式与节能模式之间切换,以及比较电源供应信号Vsupply与电压上界Vup或电压下界Vlow,可以有多种实现方式。其中一种为藉由具有磁滞(hysteresis)特性的比较器实现,如图3所绘示的比较器240,可以是一个磁滞比较器,具有上限临界电压VIH以及一下限临界电压VIL,当电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差大于上限临界电压VIH,磁滞比较器240输出正饱和电压VP,当电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差小于下限临界电压VIL,磁滞比较器输出负饱 和电压VN,而当电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差落在上限临界电压VIH及下限临界电压VIL之间时,则维持磁滞比较器240的原输出状态。上限临界电压VIH例如是前述的第二临界值Vth2,而下限临界电压VIL例如是前述的第一临界值Vth1

图6绘示依照本发明一实施例的比较器的输出输入转换曲线示意图。此转换曲线的横轴为电源供应信号Vsupply减去参考电压信号Vref的电压差,纵轴是比较器240的输出,例如第二驱动信号D2。在此实施例中,由于比较器240本身即具有磁滞特性,因此参考电压电路200的输出无需作特别设计,当使用比较器240进行比较时,即相当于在休眠模式会将电源供应信号Vsupply与电压下界Vlow(例如相当于Vref+VIL,VIL<0)进行比较,在节能模式会将电源供应信号Vsupply与电压上界Vup(例如相当于Vref+VIH,VIH>0)进行比较。

另一种实现方式为使得参考电压电路200在不同模式下输出不同电平的参考电压信号Vref,图7绘示依照本发明一实施例的控制电路206与参考电压电路200连接关系示意图。参考电压电路200包括内参考电压电路212以及电平转换电路214。内参考电压电路212用以产生内部参考电压Vref_int,控制单元206可通过致能信号VCV控制开启或关闭内参考电压电路212。电平转换电路214可依据控制电路206的状态控制信号VST(指示目前为高精确度、休眠、节能模式)而改变参考电压信号Vref。当操作在该高精确度模式时,电平转换电路214将内部参考电压Vref_int直接输出产生参考电压信号Vref,当操作在休眠模式时,电平转换电路214将内部参考电压Vref_int降压以产生参考电压信号Vref(例如降压为电压下界Vlow),当操作在节能模式时,电平转换电路214将内部参考电压Vref_int升压以产生参考电压信号Vref(例如升压为电压上界Vup)。

图8绘示依照本发明一实施例的高精确度模式驱动电路202的示意图,高精确度模式驱动电路202包括误差放大器220以及自消除偏移电路222。误差放大器220用以放大电源供应信号Vsupply以及参考电压信号Vref之间的电压差。自消除偏移电路222耦接误差放大器220的输入端以及输出端,用以消除误差放大器的偏移(offset)。高精确度模式驱动电路202根据误差放大器220的输出产生第一驱动信号D1。相较于低功率模式驱动电路204使用比较器240输出正饱和电压VP或负饱和电压VN,仅能得知电源供应信号Vsupply以及参考电压信号Vref之间的大小关系,由于高精确度模式驱动电路202使 用误差放大器220,更能够精确掌握电源供应信号Vsupply以及参考电压信号Vref之间的电压差值。此外,由于使用自消除偏移电路222,能够降低误差放大器220(例如由运算放大器实现)输入端的偏移,更能够达到精确控制电压的效果。

在一实施例中,高精确度模式驱动电路202产生的第一驱动信号D1是一脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)驱动信号,而低功率模式驱动电路204产生的第二驱动信号D2是一脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)驱动信号信号。PWM的控制方式,可以在输出频率不变的情况下,通过反馈的电压调整占空比(duty ratio),从而达到稳定输出电压的目的。由于高精确度模式驱动电路202有误差放大器220的配置,其闭回路的增益值较高,电压准确度能有较好的表现。而搭配了自消除偏移电路222,使得高精确度模式驱动电路202的消耗功率较高,因此当操作在低功率模式时,可关闭高精确度模式驱动电路202。另一方面,PFM控制方式可以使得信号的频率随反馈的电压而变化,而不改变占空比。与PWM控制方式相比,PFM控制输出电流小,可直接利用输出纹波做控制,并且无需配置误差放大器,使得PFM控制方式有较快的响应速度与较为简单的实现架构,消耗功率也较低。

图9绘示依照本发明一实施例的电源供应装置2及其应用的示意图。在此实施例中,电源供应装置2输出的电源供应信号Vsupply被供应至一车辆巡航系统3,控制电路206包括模式决定电路262、控制逻辑电路264、以及输出级电路266。模式决定电路262根据车辆巡航系统3反馈的车速信号Vspeed决定模式选择信号Vmode,举例而言,当车速信号Vspeed指示为高速行驶时(例如当车速信号Vspeed高于临界速度Vlim时),则模式选择信号Vmode指示为高精确度操作模式,当车速信号Vspeed指示为低速行驶时(例如当车速信号Vspeed低于临界速度Vlim时),则模式选择信号Vmode指示为低功率操作模式。如前所述,低功率模式驱动电路204也可以使用反相比较器242(将反馈的电源供应信号Vsupply接至比较器242的反相输入端),其输出输入的磁滞转换曲线可以与图6所示的极性相反,并不会影响整体电路的操作,只要控制逻辑电路264作对应的设计,即可维持整体电路的原有功能。

控制逻辑电路264接收第一驱动信号D1以及第二驱动信号D2,响应于模式选择信号Vmode产生对应的输出驱动信号Dout,如前所述,可产生对应的 PFM或是PWM驱动信号以驱动输出级电路266。控制逻辑电路264并根据模式选择信号Vmode而输出致能信号VCV,决定是否开启参考电压电路200。输出级电路266根据输出驱动信号Dout产生电源供应信号Vsupply,此处的输出级电路266仅为例示性说明,例如包括电感L、电容C以及两个NMOS晶体管,输出级电路266可有其他多种实现方式,晶体管数量以及种类并不限制,如此例中也可以是一个PMOS晶体管与一个NMOS晶体管,另外也可使用运算放大器搭配其他主被动元件实现输出级电路266。当操作在休眠模式时,控制电路206不仅可关闭高精确度模式驱动电路202以及参考电压电路200,控制电路206同时也可以关闭输出级电路266,例如可藉由控制逻辑电路264产生的输出驱动信号Dout,将输出级电路266当中的晶体管维持在关闭状态,不会从供应电源汲取导通电流,即不会有功率消耗,如此电源供应信号Vsupply的电压将会随时间下降。如上所述,由于休眠模式时多个电路单元皆被关闭而不会消耗功率,可以有效降低整体电路的功率消耗。

在上述的实施例中,电源供应装置2应用于车辆巡航系统3,因此当车辆在高速行驶时,可通过高精确度模式驱动电路202产生的第一驱动信号D1驱动,由于第一驱动信号D1可以是PWM驱动信号,因此能够达到良好的电压准确度,使得巡航系统在高速时控制精准,维持车辆的安全性。另一方面,当车辆在低速行驶时,可通过低功率模式驱动电路204产生的第二驱动信号D2驱动,由于第二驱动信号D2可以是PFM驱动信号,因此能够以较为单纯的电路达到较低的消耗功率,使得车辆在低速行驶中可节省能源消耗。

使用本公开的电源供应装置及电源供应方法,由于可切换在高精确度模式以及低功率模式,因此能够因应实际使用情况动态调整操作模式,兼顾准确程度以及降低功耗的需求。此外,由于在低功率模式中还包括有休眠模式以及节能模式,能够自动监测目前的电源供应信号,而进一步关闭不需使用的电路,以节省不必要的功率消耗,同时在电源供应信号过低时,亦能自动启动相关电路以将电源供应信号拉回适当的电平,使得系统可以动态监测的方式,在休眠模式与节能模式之间循环切换,更能降低系统的功率消耗。

如图9所示的实施例,电源供应装置被利用于一车辆巡航系统,然而本公开并不限于此,电源供应装置及其相关的电源供应方法更可利用于移动装置、穿戴式装置、以及物联网中的感测节点(sensor node),使用者通常希望这些装置的电池可以长时间使用。而本公开的电源供应装置在低功率模式中可 切换在休眠模式以及节能模式之间,特别适用于间歇性检测的感测电路。举例而言,植入式的生医产品因换电池不易,需要能够长时间的使用,本公开的节能效果就显出重要性,且生医产品通常是性命相关,高精确度的供电可以确保医疗行为的稳定性。

以监测心跳的生医产品为例,人体心跳的频率约为每分60到100次,亦即心跳脉冲的频率约在2Hz以下,对于电路的采样操作而言是很低的频率,例如以1kHz作采样,大部分时间点的采样皆是较不重要的信号,如此具有间歇性特性的感测电路,即可利用如本公开的电源供应装置,在重要的采样点时以高精确度模式操作,在其他采样点则以低功率模式操作,可兼顾测量的准确性以及产品的使用寿命。此外,在汽车工业的应用中,对于无人驾驶模式,轮子转速可通过电压控制,而轮子转速的准确度非常重要,因此通过高精确度操作模式供电使得转速准确,可以避免转速不均造成的危险,而在无人驾驶模式下,只要驾驶者踩下刹车,就会回到手动驾驶,此时无人驾驶的系统可在待命状态,此时由于供电质量较不需有精准的要求,便可切换到低功率操作模式,维持系统待命即可。

综上所述,虽然本发明已以优选实施例公开如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

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