专利名称：电源供应系统及便携式电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电源供应系统及便携式电子装置，特别是涉及一种仅需在现有的 设计架构里增加少数的零件，即可大幅改善电源转换效率的电源供应系统及使用该电源供 应系统的便携式电子装置。
背景技术：
随着科技的发展与产业的进步，便携式电子装置，如笔记型计算机、移动电话、相 机、MP3播放器等，在日常生活中被使用的机会也大幅增加。一般而言，现今便携式电子装 置除强调尺寸上的轻薄短小外，也追求系统效能及便携使用时间的增加。然而，当系统效能 增加，系统所消耗的功耗往往也会同步增加，而不利于电池的续航力，因此在产品设计上， 系统效能与电池续航力往往是鱼与熊掌无法兼得。传统上，要增长电池续航力仅有两种方式其一是加大电池容量，但相对会增加产 品成本；其二是更换高效率零件，以降低电源转换过程的能量损失，但同样会增加设计成 本。由此可知，要增长电池续航力必定会大幅增加制造成本，进而增加产品单价，丧失产品 的竞争力。因此，如何在不增加过多制造成本，但又能大幅提升电池续航力已成为业界所努 力的目标的一。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种电源供应系统及便携式电子装置。本发明揭示一种电源供应系统，用于一便携式电子装置中提升便携使用时间，该 电源供应系统包含有一变压器，用来接收一外接交流电源，以将该外接交流电源转换为一 外接直流电源；一电池，用来储存电能，以提供一电池电源；一选择模块，用来根据该外接 交流电源与该变压器的嵌合状态，输出该外接直流电源或该电池电源；一第一级直流转换 模块，耦接于该选择模块，用来将该选择模块所输出至电源转换为一第一直流电源；多个第 二级直流转换模块，每一第二级直流转换模块用来将一输入电源转换为一第二直流电源； 以及一切换模块，耦接于该外接直流电源、该电池电源、该第一级直流转换模块及该多个第 二级直流转换模块，用来根据该外接直流电源，选择输出该电池电源或该第一级直流转换 模块的该第一直流电源为每一第二级直流转换模块的该输入电源。本发明还揭示一种便携式电子装置，可提升电池续航力，包含有一运作电路，包含 有多个运作模块，用来执行多个运作功能；以及一电源供应系统，包含有一变压器，用来接 收一外接交流电源，以将该外接交流电源转换为一外接直流电源；一电池，用来储存电能， 以提供一电池电源；一选择模块，用来根据该外接交流电源与该变压器的嵌合状态，输出该 外接直流电源或该电池电源；一第一级直流转换模块，耦接于该选择模块，用来将该选择模 块所输出至电源转换为一第一直流电源；多个第二级直流转换模块，每一第二级直流转换 模块用来将一输入电源转换为一第二直流电源，以供应至该多个子运作模块；以及一切换模块，耦接于该外接直流电源、该电池电源、该第一级直流转换模块及该多个第二级直流转 换模块，用来根据该外接直流电源，选择输出该电池电源或该第一级直流转换模块的该第 一直流电源为每一第二级直流转换模块的该输入电源。
图1为现有的一电源供应系统的示意图。图2为图1中一第二级直流转换模块的示意图。图3A为本发明实施例一电源供应系统的示意图。图3B为图3A中一切换模块的示意图。附图符号说明10、30电源供应系统V_AD外接直流电源V_BT电池电源VDC_1、VDC_2_1 VDC_2_n、VDC_2_x 直流电源100选择模块IDC_1第一级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n、IDC_2_x 第二级直流转换模块Q1、Q2开关晶体管200控制模块202、204驱动器V_FB回授讯号L电感C电容ND节点300切换模块PMOSP型晶体管D1、D2二极管G栅极D漏极S源极
具体实施例方式本发明是针对「多阶式电源供应架构」的电子装置，主要目的是在现有的设计架构 里，仅增加少数的零件来改善电源转换效率，以降低转换耗损，进而增长电池续航力。首先， 「多阶式电源供应架构」是一种常用于笔记型计算机等高耗能便携式电子装置中的电源供 应架构，其典型的架构可简化为一电源供应系统10，如图1所示。电源供应系统10用来将 一外接直流电源V_AD或一电池电源V_BT转换为适当的直流电源VDC_2_1 VDC_2_n，其 包含有一选择模块100、一第一级直流转换模块IDC_1及第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n。外接直流电源V_AD表示藉由外部电源所产生或转换出的直流电源，以笔记型计算机为例，一般是 通过变压器，将市电(交流电)转换为19V的直流电源。电池电源乂_8丁 表示充电电池所输出的直流电源，通常低于外接直流电源^^^，为12V 16V。而直流电源 VDC_2_1 VDC_2_n则表示运作电路中不同运作模块执行对应运作功能所需的电源，其电 压值可能相同或相异，视系统需求而定。此外，需注意的是，图1仅用来说明多阶式电源供 应架构的概念，故省略了与本发明所欲实现的目的无关的电路组件，如充电电路等，此应本 领域的技术人员参考现有技术所能获知的技术，故不详述。在图1中，选择模块100用来由外接直流电源V_AD与电池电源V_BT中选择输出其 中的一电源至第一级直流转换模块IDC_1，其选择的逻辑是当外接直流电源V_AD大于一默 认值时(表示有外接电源)，输出外接直流电源V_AD，反之，输出电池电源V_BT。第一级直 流转换模块IDC_1电性连接于选择模块100，用来将选择模块100所输出的电源转换为5V 的直流电源VDC_1，然后将直流电源VDC_1提供予第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_ η使用。第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n连接于第一级直流转换模块IDC_1及选 择模块100，可由直流电源VDC_1驱动，将选择模块100所输出的直流电源V_AD或是电池电 源V_BT转换为直流电源VDC_2_1 VDC_2_n，以供应运作电路中的不同运作模块。一般而 言，第一级直流转换模块IDC_1及第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的运作方式大 同小异，常见的技术是以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)方式，进行直流电 源转换(降压)。请参考图2，图2为任一第二级直流转换模块IDC_2_x的示意图。在第二 级直流转换模块IDC_2_x中，一控制模块200为一脉冲宽度调制控制器，用来根据一回授讯 号V_FB，经由驱动器202、204，控制开关晶体管Q1、Q2的工作周期(Duty Cycle)，以利用一 电感L及一电容C所产生的电容电感效应，将直流电源V_AD或是电池电源V_BT转换为适 当大小的直流电源VDC_2_x。就电路架构而言，不论直流电源VDC_1的大小为何，只要直流电源VDC_1的电压值 足以驱动控制模块200运作，则第二级直流转换模块IDC_2_x皆可将直流电源V_AD或是电 池电源V_BT转换为直流电源VDC_2_x。然而，在实际电路上，开关晶体管Ql、Q2的耐压性 有其限制，若将过大的电源灌入开关晶体管Ql、Q2的栅极，会因瞬间栅极至源极压差过大 而导致开关晶体管Ql、Q2烧毁。在此情形下，晶体管的制造商皆会提供晶体管耐压能力的 参考数据，供设计者参考之用；当然，耐压能力越高的晶体管，售价也越高。一般而言，第二 级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n所使用的开关晶体管Ql、Q2其栅极至源极的耐压为 20V。换言之，若直接将高电压的外接直流电源V_AD(约19V)输出至第二级直流转换模块 IDC_2_1 IDC_2_n，很容易导致第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n烧毁，这也是电 源供应系统10需要两级直流转换模块的原因。输入电源的大小除了影响第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n是否烧毁外， 还会影响其电源转换效率。电源转换效率受电路中非理想因子的影响，其中之一就是开关 晶体管Ql、Q2的漏极至源极的导通电阻，而导通电阻又与栅极至源极的电压差有关。一般 而言，当开关晶体管Ql、Q2的漏极至源极的电压差相同时，栅极至源极的电压差越高，导通 电阻越小，则电源转换效率越好，亦即转换损失越少。因此，为了提高电池续航力，本发明是提高系统使用电池电源V_BT时驱动第二级 直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的电压，以降低开关晶体管Q1、Q2的导通电阻，进而提高 电源转换效率。请参考图3A，图3A为本发明实施例一电源供应系统30的示意图。为清楚说明本发明的概念，电源供应系统30中与电源供应系统10中相同功能的组件采用相同符 号及名称。因此，比较图1及图3A可知，电源供应系统30是于电源供应系统10中第一级 直流转换模块IDC_1与一节点ND间增加一切换模块300，其目的是用来于电源供应系统30 使用电池电源V_BT时，以电池电源V_BT作为第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的 输入电源。电源供应系统30中其余组件的运作方式，如选择模块100、第一级直流转换模块 IDC_1及第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n等，则与前述相同，故不予赘述。电池电源V_BT的电压值为12V 16V，远低于开关晶体管Q1、Q2的栅极至源极的 耐压上限，故适合当作第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的输入电源，同时可提升电 源转换效率，降低使用电池电源V_BT时的能量损耗，进而增长电池续航力。详细来说，请继续参考图3B，图3B为图3A中切换模块300的示意图。切换模块 300包含有一 P型晶体管PMOS及二极管Dl、D2。P型晶体管PMOS的漏极D耦接于二极管 D2的一端，栅极G耦接于外接直流电源V_AD，源极S耦接于电池电源V_BT。因此，当系统 未接有外接电源时，外接直流电源V_AD为0，而电池电源V_BT为12V 16V，使得P型晶 体管PMOS导通，以将电池电源V_BT经由二极管D2传送至第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n。此时，节点ND的电压值(约为电池电源V_BT的电压减二极管D2的临限电压) 大于5V的直流电源VDC_1，因此二极管Dl关闭，可避免电池电源V_BT灌入第一级直流转换 模块IDC_1。因此，通过切换模块300，当系统接有外接电源时，电源供应系统30是以直流电源 VDC_1作为第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的输入电源；而当系统未接有外接电 源时，电源供应系统30则以电池电源V_BT作为第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的 输入电源。如此一来，当便携式电子装置使用电池时，本发明可有效降低第二级 直流转换模 块IDC_2_1 IDC_2_n的导通电阻，进而提高第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的 电源转换效率。如此一来，电源转换过程的能量损失得以降低，换言之，可减少电池电量的 消耗，以延长电池续航力。需注意的是，图3A及图3B是用以说明本发明的精神，其它能适时将电池电源乂_8丁 切换为第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_n的输入电源的电路皆可用于本发明，而不 限于此。此外，电源供应系统30中省略了与本发明所欲实现的目的无关的其它组件，本领 域的技术人员可根据所需，做适当的变化。例如，前述说明是以两级架构为例，实际上，其它 多级电源供应系统亦可适用本发明；同时，每一级的直流转换模块的数量亦未有任何限制， 端视系统需求而定。此外，在图3A中，第一级直流转换模块IDC_1及第二级直流转换模块 IDC_2_1 IDC_2_n亦可使用其它常见的直流转换技术，不限于脉冲宽度调制技术。再者， 切换模块300是用以适时将电池电源V_BT切换为第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_ η的输入电源，并避免电池电源V_BT倒灌至第一级直流转换模块IDC_1或第一级直流转换 模块IDC_1输出的直流电源VDC_1灌入至充电电池中，凡是能实现此目的者，皆可用来实现 切换模块300，而不限于图3B的例。通过切换模块300，便携式电子装置可有效提高使用电池时的电源转换效率，以降 低能量损失，进而延长电池续航力。由实测可知，当第二级直流转换模块IDC_2_1 IDC_2_ η的输入电源由5V的直流电源VDC_1改为12V 16V的电池电源时，开关晶体管Q1、Q2的 导通电阻会降低约17 40%，因而可有效减少电源转换损失。更重要的是，如图3B所示的切换模块300，其所增加的制造成本低于台币3块钱。换言之，只需增加些许制造成本，即可 明显提升电源转换效率，进而延长电池使用时间。综上所述，针对「多阶式电源供应架构」的电子装置，本发明仅需在现有的设计架 构里增加少数的零件，即可大幅改善电源转换效率，进而降低转换耗损，增长电池续航力 ， 以提升便携式电子装置的产品竞争力。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修 饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种电源供应系统，用于一便携式电子装置中提升便携使用时间，该电源供应系统 包含有一变压器，用来接收一外接交流电源，以将该外接交流电源转换为一外接直流电源； 一电池，用来储存电能，以提供一电池电源；一选择模块，用来根据该外接交流电源与该变压器的电性连接状态，输出该外接直流 电源或该电池电源；一第一级直流转换模块，耦接于该选择模块，用来将该选择模块所输出的电源转换为一第一直流电源；多个第二级直流转换模块，每一第二级直流转换模块用来将一输入电源转换为一第二 直流电源；以及一切换模块，耦接于该外接直流电源、该电池电源、该第一级直流转换模块及该多个第 二级直流转换模块，用来根据该外接直流电源，选择输出该电池电源或该第一直流电源为 每一第二级直流转换模块的该输入电源。
2.如权利要求1所述的电源供应系统，其中该选择模块是于该外接交流电源电性连接 于该变压器时，输出该外接直流电源至该第一级直流转换模块。
3.如权利要求1所述的电源供应系统，其中该选择模块是于该外接交流电源未电性连 接于该变压器时，输出该电池电源至该第一级直流转换模块。
4.如权利要求1所述的电源供应系统，其中该切换模块包含有一晶体管，包含有一第一端耦接于该外接直流电源，一第二端耦接于该电池电源，及一 第三端，用来根据该第一端的该外接直流电源的电压值，导通该第二端至该第三端的讯号 连结；一第一二极管，耦接于该第一级直流转换模块与该多个第二级直流转换模块之间；以及一第二二极管，耦接于该晶体管的该第三端与该多个第二级直流转换模块之间。
5.如权利要求4所述的电源供应系统，其中该晶体管是一P型金属氧化物半导体晶体 管，该第一端是一栅极，该第二端是一源极，以及该第三端是一漏极。
6.如权利要求4所述的电源供应系统，其中该第一直流电源的电压值小于该电池电源 的电压值。
7.一种便携式电子装置，可提升电池续航力，包含有一运作电路，包含有多个运作模块，用来执行多个运作功能；以及 一电源供应系统，包含有一变压器，用来接收一外接交流电源，以将该外接交流电源转换为一外接直流电源； 一电池，用来储存电能，以提供一电池电源；一选择模块，用来根据该外接交流电源与该变压器的电性连接状态，输出该外接直流 电源或该电池电源；一第一级直流转换模块，耦接于该选择模块，用来将该选择模块所输出的电源转换为一第一直流电源；多个第二级直流转换模块，每一第二级直流转换模块用来将一输入电源转换为一第二 直流电源，以供应至该多个运作模块；以及一切换模块，耦接于该外接直流电源、该电池电源、该第一级直流转换模块及该多个第 二级直流转换模块，用来根据该外接直流电源，选择输出该电池电源或该第一直流电源为 每一第二级直流转换模块的该输入电源。
8.如权利要求7所述的便携式电子装置，其中该选择模块是于该外接交流电源电性连 接于该变压器时，输出该外接直流电源至该第一级直流转换模块。
9.如权利要求7所述的便携式电子装置，其中该选择模块是于该外接交流电源未电性 连接于该变压器时，输出该电池电源至该第一级直流转换模块。
10.如权利要求7所述的便携式电子装置，其中该切换模块包含有一晶体管，包含有一第一端耦接于该外接直流电源，一第二端耦接于该电池电源，及一 第三端，用来根据该第一端的该外接直流电源的电压值，导通该第二端至该第三端的讯号 连结；一第一二极管，耦接于该第一级直流转换模块与该多个第二级直流转换模块之间；以及一第二二极管，耦接于该晶体管的该第三端与该多个第二级直流转换模块之间。
11.如权利要求10所述的便携式电子装置，其中该晶体管是一P型金属氧化物半导体 晶体管，该第一端是一栅极，该第二端是一源极，以及该第三端是一漏极。
12.如权利要求10所述的便携式电子装置，其中该第一直流电源的电压值小于该电池 电源的电压值。
全文摘要
本发明涉及一种电源供应系统及便携式电子装置。该电源供应系统，包含有一变压器，用来将一外接交流电源转换为一外接直流电源；一电池，用来提供一电池电源；一选择模块，用来输出该外接直流电源或该电池电源；一第一级直流转换模块，用来将该选择模块所输出至电源转换为一第一直流电源；多个第二级直流转换模块，每一第二级直流转换模块用来将一输入电源转换为一第二直流电源；以及一切换模块，用来根据该外接直流电源，选择输出该电池电源或该第一级直流转换模块的该第一直流电源为每一第二级直流转换模块的该输入电源。
文档编号H02J9/00GK102130491SQ201010000869
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者吴德隆 申请人:纬创资通股份有限公司