TWI736492B

TWI736492B - 延長電池壽命之電源供應系統與方法

Info

Publication number: TWI736492B
Application number: TW109145240A
Authority: TW
Inventors: 周碩嶸; 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2021-08-11
Also published as: TW202226706A

Abstract

一種可延長電池壽命之電源供應系統，包括：一主電路板、一充電器，以及一電池元件。充電器具有一第一溫度，並可提供一第一輸出功率給主電路板。電池元件具有一第二溫度，並可提供一第二輸出功率給主電路板。充電器可根據第一溫度和第二溫度來調整第一輸出功率和第二輸出功率，其中充電器不須透過主電路板即能與電池元件直接作溝通。

Description

延長電池壽命之電源供應系統與方法

本發明係關於一種電源供應系統，特別係關於一種可延長電池壽命之電源供應系統。

一般而言，當行動裝置之電池元件進行放電程序時，其溫度將會逐漸上升。在高溫環境下，電池元件會更容易老化及膨脹，而電池元件之使用壽命亦會縮短。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之困境。

在較佳實施例中，本發明提出一種延長電池壽命之電源供應系統，包括：一主電路板；一充電器，具有一第一溫度，並提供一第一輸出功率給該主電路板；以及一電池元件，具有一第二溫度，並提供一第二輸出功率給該主電路板；其中該充電器係根據該第一溫度和該第二溫度來調整該第一輸出功率和該第二輸出功率；其中該充電器不須透過該主電路板即能與該電池元件直接作溝通。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應系統100之示意圖。電源供應系統100可應用於桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，電源供應系統100包括一主電路板110、一充電器200，以及一電池元件300。例如，主電路板110和電池元件300可為一筆記型電腦之內部元件，而充電器200可為筆記型電腦之外接式元件，但亦不僅限於此。充電器200具有一第一溫度T1，並可提供一第一輸出功率POUT1給主電路板110。電池元件300具有一第二溫度T2，並可提供一第二輸出功率POUT2給主電路板110。必須注意的是，充電器200不須透過主電路板110即能與電池元件300直接作溝通，從而可直接控制電池元件300之操作。充電器200可根據第一溫度T1和第二溫度T2來調整第一輸出功率POUT1和第二輸出功率POUT2，以最大化電池元件300之使用壽命。

以下實施例將介紹電源供應系統100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之充電器200之示意圖。在第2圖之實施例中，充電器200至少包括一橋式整流器210、一變壓器220、一功率切換器230、一輸出級電路240，以及一控制器250。必須注意的是，雖然未顯示於第2圖中，但充電器200更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。

橋式整流器210可根據一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2來產生一整流電位VR。第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2皆可來自一外部輸入電源，其中第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之間可形成具有任意頻率和任意振幅之一交流電壓。例如，交流電壓之頻率可約為50Hz或60Hz，而交流電壓之方均根值可由90V至264V，但亦不僅限於此。變壓器220包括一主線圈221和一副線圈222，其中變壓器220內建一激磁電感器LM。主線圈221可接收整流電位VR，而作為對整流電位VR之回應，副線圈222可產生一感應電位VS。功率切換器230可根據一第一脈衝寬度調變電位VM1來選擇性地將主線圈221和激磁電感器LM耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。例如，若第一脈衝寬度調變電位VM1為高邏輯位準(例如：邏輯「1」)，則功率切換器230即可將主線圈221和激磁電感器LM皆耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器230可近似於一短路路徑)；反之，若第一脈衝寬度調變電位VM1為低邏輯位準(例如：邏輯「0」)，則功率切換器230不會將主線圈221和激磁電感器LM耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器230可近似於一開路路徑)。輸出級電路240可根據感應電位VS和一第二脈衝寬度調變電位VM2來產生與第一輸出功率POUT1相關聯之一第一輸出電位VOUT1。例如，第一輸出電位VOUT1可大致為一直流電位，其位準可約為19V，但亦不僅限於此。控制器250可產生第一脈衝寬度調變電位VM1和第二脈衝寬度調變電位VM2。在一些實施例中，第一脈衝寬度調變電位VM1和第二脈衝寬度調變電位VM2兩者具有相同之頻率及互補之邏輯位準。

詳細而言，充電器200具有一第一輸入節點NIN1、一第二輸入節點NIN2，以及一輸出節點NOUT，其中第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可分別用於接收第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2，而充電器200之輸出節點NOUT可用於輸出第一輸出電位VOUT1至主電路板110。充電器200之詳細電路結構可如下列所述。

橋式整流器210包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3，以及一第四二極體D4。第一二極體D1之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第一節點N1以輸出整流電位VR。第二二極體D2之陽極係耦接至第二輸入節點NIN2，而第二二極體D2之陰極係耦接至第一節點N1。第三二極體D3之陽極係耦接至接地電位VSS，而第三二極體D3之陰極係耦接至第一輸入節點NIN1。第四二極體D4之陽極係耦接至接地電位VSS，而第四二極體D4之陰極係耦接至第二輸入節點NIN2。

主線圈221和激磁電感器LM皆可位於變壓器220之同一側，而副線圈222可位於變壓器220之相對另一側。激磁電感器LM可為變壓器220製造時所附帶產生之一固有元件，其並非一外部獨立元件。主線圈221之第一端係耦接至第一節點N1以接收整流電位VR，而主線圈221之第二端係耦接至一第二節點N2。激磁電感器LM之第一端係耦接至第一節點N1，而激磁電感器LM之第二端係耦接至第二節點N2。副線圈222之第一端係耦接至一第三節點N3以輸出感應電位VS，而副線圈222之第二端係耦接至一共同節點NCM。共同節點NCM可視為充電器200之另一接地電位，其可與前述之接地電位VSS相同或相異。

功率切換器230包括一第一電晶體M1。第一電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1之控制端係用於接收第一脈衝寬度調變電位VM1，第一電晶體M1之第一端係耦接至接地電位VSS，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第二節點N2。當第一脈衝寬度調變電位VM1為高邏輯位準時，第一電晶體M1將被致能；反之，當第一脈衝寬度調變電位VM1為低邏輯位準時，第一電晶體M1將被禁能。

輸出級電路240包括一第二電晶體M2和一輸出電容器CO。第二電晶體M2可為一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2之控制端係用於接收第二脈衝寬度調變電位VM2，第二電晶體M2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第三節點N3以接收感應電位VS。輸出電容器CO之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而輸出電容器CO之第二端係耦接至共同節點NCM。當第二脈衝寬度調變電位VM2為高邏輯位準時，第二電晶體M2將被致能；反之，當第二脈衝寬度調變電位VM2為低邏輯位準時，第二電晶體M2將被禁能。

在一些實施例中，充電器200更包括一負溫度係數(Negative Temperature Coefficient，NTC)電阻器RN。詳細而言，其中負溫度係數電阻器RN之第一端係耦接至接地電位VSS，而負溫度係數電阻器RN之第二端係耦接至控制器250之一偵測節點ND。控制器250可輸出流經負溫度係數電阻器RN之一偵測電流ID，並可取得偵測節點ND處之一偵測電位VD。根據歐姆定律，偵測電位VD和偵測電流ID之關係可如下列方程式(1)所述：

………………………………………(1) 其中「VD」代表偵測電位VD之電位位準，「ID」代表偵測電流ID之電流值，而「RN」代表負溫度係數電阻器RN之電阻值。

在一些實施例中，偵測電流ID具有一固定電流值，使得偵測電位VD之電位位準與負溫度係數電阻器RN之電阻值兩者會呈正比關係。在此設計下，當充電器200之第一溫度T1升高時，偵測電位VD將會變低(因為負溫度係數電阻器RN之電阻值下降)，而當充電器200之第一溫度T1降低時，偵測電位VD將會變高(因為負溫度係數電阻器RN之電阻值上升)。藉由分析偵測電位VD，控制器250可精確地估算出充電器200之第一溫度T1。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電池元件300之示意圖。在第3圖之實施例中，電池元件300包括複數個電池芯310-1、310-2、…、310-N、一溫度感測器320，以及一電池管理單元(Battery Management Unit，BMU)330。該等電池芯310-1、310-2、…、310-N之數量於本發明中並不特別限制。該等電池芯310-1、310-2、…、310-N可產生與第二輸出功率POUT2相關聯之一第二輸出電位VOUT2。在一些實施例中，主電路板110係同時由充電器200之第一輸出電位VOUT1和電池元件300之第二輸出電位VOUT2來進行供電。溫度感測器320可偵測電池元件300之第二溫度T2。電池管理單元330係耦接至溫度感測器320，以取得第二溫度T2之資訊。另外，電池管理單元330可由充電器200之控制器250進行控制，以調整該等電池芯310-1、310-2、…、310-N之第二輸出電位VOUT2和第二輸出功率POUT2。必須注意的是，電池元件300之電池管理單元330可與充電器200之控制器250直接作溝通，而無須透過主電路板110。在一些實施例中，電池元件300之電池管理單元330係直接電性連接至充電器200之控制器250。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應系統100之操作方式之流程圖。在步驟S410，充電器200之控制器250可取得負溫度係數電阻器RN之偵測電位VD(亦即，控制器250可估算出充電器200之第一溫度T1)。在步驟S420，電池元件300之溫度感測器320可偵測出電池元件300之第二溫度T2。在步驟S430，充電器200之控制器250判斷偵測電位VD是否低於一臨界電位。若偵測電位VD低於前述臨界電位(或第一溫度T1高於一既定溫度)，則在步驟S440，充電器200之控制器250可降低充電器200之第一輸出功率POUT1。接著，在步驟S450，充電器200之控制器250可藉由電池管理單元330來提升電池元件300之第二輸出功率POUT2。反之，若偵測電位VD高於或等於前述臨界電位(或第一溫度T1低於或等於前述既定溫度)，則在步驟S460，充電器200之控制器250可進一步判斷電池元件300之第二溫度T2是否高於一臨界溫度。若第二溫度T2高於前述之臨界溫度，則在步驟S470，充電器200之控制器250可提升充電器200之第一輸出功率POUT1。接著，在步驟S480，充電器200之控制器250可藉由電池管理單元330來降低電池元件300之第二輸出功率POUT2。若第二溫度T2低於或等於前述之臨界溫度，則程序將回到步驟S410。

簡而言之，若偵測電位VD低於前述臨界電位(或第一溫度T1高於前述既定溫度)，則控制器250可降低充電器200之第一輸出功率POUT1並可提升電池元件300之第二輸出功率POUT2；若偵測電位VD高於或等於前述臨界電位(或第一溫度T1低於或等於前述既定溫度)且第二溫度T2高於前述臨界溫度，則控制器250可提升充電器200之第一輸出功率POUT1並可降低電池元件300之第二輸出功率POUT2；而在其他情況下，控制器250皆不採取進一步動作。在此負回授之設計下，由於充電器200之第一溫度T1和電池元件300之第二溫度T2皆能動態地維持於一可接受區間內，故充電器200和電池元件300之使用壽命均可明顯提升。

在一些實施例中，控制器250係藉由縮短第一脈衝寬度調變電位VM1之責任週期來降低充電器200之第一輸出功率POUT1，並藉由增長第一脈衝寬度調變電位VM1之責任週期來提升充電器200之第一輸出功率POUT1。在一些實施例中，對應於前述臨界電位之前述既定溫度約等於攝氏100度，而前述臨界溫度約等於攝氏70度，但亦不僅限於此。

第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應方法之流程圖。在第5圖之實施例中，電源供應方法包括下列步驟。在步驟S510，藉由一充電器，提供一第一輸出功率給一主電路板，其中充電器具有一第一溫度。在步驟S520，藉由一電池元件，提供一第二輸出功率給主電路板，其中電池元件具有一第二溫度。在步驟S530，根據第一溫度和第二溫度來調整第一輸出功率和第二輸出功率，其中充電器不須透過主電路板即能與電池元件直接作溝通。必須注意的是，以上步驟無須依次序執行，且第1-4圖之實施例中所有電源供應系統100之特徵均可套用至第5圖之電源供應方法當中。

本發明提出一種新穎之電源供應系統。根據實際量測結果，使用前述設計之電源供應系統可同時有效延長充電器及電池元件之使用壽命，故其很適合應用於各種各式之裝置當中。

值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之電源供應系統與方法並不僅限於第1-5圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-5圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之電源供應系統與方法當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。

本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程式碼的型態存在。程式碼可以包含於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，亦或不限於外在形式之電腦程式產品，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。程式碼也可以透過一些傳送媒體，如電線或電纜、光纖、或是任何傳輸型態進行傳送，其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。當在一般用途處理單元實作時，程式碼結合處理單元提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此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。

100:電源供應系統 110:主電路板 200:充電器 210:橋式整流器 220:變壓器 221:主線圈 222:副線圈 230:功率切換器 240:輸出級電路 250:控制器 300:電池元件 310-1,310-2,310-N:電池芯 320:溫度感測器 330:電池管理單元 CO:輸出電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 D3:第三二極體 D4:第四二極體 ID:偵測電流 LM:激磁電感器 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 NCM:共同節點 NIN1:第一輸入節點 NIN2:第二輸入節點 NOUT:輸出節點 POUT1:第一輸出功率 POUT2:第二輸出功率 RN:負溫度係數電阻器 T1:第一溫度 T2:第二溫度 VD:偵測電位 VIN1:第一輸入電位 VIN2:第二輸入電位 VM1:第一脈衝寬度調變電位 VM2:第二脈衝寬度調變電位 VOUT1:第一輸出電位 VOUT2:第二輸出電位 VR:整流電位 VS:感應電位 VSS:接地電位

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應系統之示意圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之充電器之示意圖。第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之電池元件之示意圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應系統之操作方式之流程圖。第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之電源供應方法之流程圖。

100:電源供應系統

110:主電路板

200:充電器

300:電池元件

POUT1:第一輸出功率

POUT2:第二輸出功率

T1:第一溫度

T2:第二溫度

Claims

一種延長電池壽命之電源供應系統，包括：一主電路板；一充電器，具有一第一溫度，並提供一第一輸出功率給該主電路板；以及一電池元件，具有一第二溫度，並提供一第二輸出功率給該主電路板；其中該充電器係根據該第一溫度和該第二溫度來調整該第一輸出功率和該第二輸出功率；其中該充電器不須透過該主電路板即能與該電池元件直接作溝通。
如請求項1所述之電源供應系統，其中該充電器包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該變壓器內建一激磁電感器，該主線圈係用於接收該整流電位，而該副線圈係用於產生一感應電位；一功率切換器，根據一第一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該主線圈和該激磁電感器耦接至一接地電位；一輸出級電路，根據該感應電位和一第二脈衝寬度調變電位來產生與該第一輸出功率相關聯之一第一輸出電位；以及一控制器，產生該第一脈衝寬度調變電位和該第二脈衝寬度調變電位。
如請求項2所述之電源供應系統，其中該充電器更包括：一負溫度係數電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該負溫度係數電阻器之該第一端係耦接至該接地電位，而該負溫度係數電阻器之該第二端係耦接至該控制器之一偵測節點；其中該控制器輸出流經該負溫度係數電阻器之一偵測電流，並取得該偵測節點處之一偵測電位。
如請求項3所述之電源供應系統，其中該電池元件包括：複數個電池芯，產生與該第二輸出功率相關聯之一第二輸出電位；一溫度感測器，偵測該第二溫度；以及一電池管理單元，耦接至該溫度感測器，並控制該等電池芯，其中該電池管理單元係與該控制器直接作溝通。
如請求項4所述之電源供應系統，其中：若該偵測電位低於一臨界電位，則該控制器降低該充電器之該第一輸出功率並提升該電池元件之該第二輸出功率；若該偵測電位高於或等於該臨界電位且該第二溫度高於一臨界溫度，則該控制器提升該充電器之該第一輸出功率並降低該電池元件之該第二輸出功率。
如請求項2所述之電源供應系統，其中該橋式整流器包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點以輸出該整流電位；一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位，而該第二二極體之該陰極係耦接至該第一節點；一第三二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第三二極體之該陽極係耦接至該接地電位，而該第三二極體之該陰極係耦接至該第一輸入節點；以及一第四二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第四二極體之該陽極係耦接至該接地電位，而該第四二極體之該陰極係耦接至該第二輸入節點。
如請求項6所述之電源供應系統，其中該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至該第一節點以接收該整流電位，該主線圈之該第二端係耦接至一第二節點，該激磁電感器具有一第一端和一第二端，該激磁電感器之該第一端係耦接至該第一節點，該激磁電感器之該第二端係耦接至該第二節點，該副線圈具有一第一端和一第二端，該副線圈之該第一端係耦接至一第三節點以輸出該感應電位，而該副線圈之該第二端係耦接至一共同節點。
如請求項7所述之電源供應系統，其中該功率切換器包括：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係用於接收該第一脈衝寬度調變電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
如請求項8所述之電源供應系統，其中該輸出級電路包括：一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該第二脈衝寬度調變電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至一輸出節點以輸出該第一輸出電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第三節點以接收該感應電位；以及一輸出電容器，具有一第一端和一第二端，其中該輸出電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該輸出電容器之該第二端係耦接至該共同節點。
一種電源供應方法，包括下列步驟：藉由一充電器，提供一第一輸出功率給一主電路板，其中該充電器具有一第一溫度；藉由一電池元件，提供一第二輸出功率給該主電路板，其中該電池元件具有一第二溫度；以及根據該第一溫度和該第二溫度來調整該第一輸出功率和該第二輸出功率，其中該充電器不須透過該主電路板即能與該電池元件直接作溝通。