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电压调整装置
技术领域
本发明有关于一种电压调整装置(voltage adjusting apparatus)，且特别是有关于一种可根据使用状态调整电源转接器(power adaptor)的输出电压的电压调整装置。
背景技术
电源转接器一般是由变压器和整流器所组成，可以改变电压的高低及输出直流或交流电。有些电源转接器是没有变压器的。对一般较大的电器，如音响等，它是藏于电器内，多数位于连接电源的地方。例如，电脑的电源转接器便是在电脑电源线连接的地方。但一些可携式的电器中，如移动电话、笔记本电脑、随身听等，因为要考虑它的体积所以便不可能在电器中加入电源转接器，所以多数可携式电器皆使用外接式的电源转接器。
请参阅图1A。图1A所示为先前技术的电源转接器1将交流电调变成直流电的示意图。一般而言，传统电源转接器1会将交流电经由电压调变技术稳定成一个直流电，如图1A所示。此时的输出电压一般均为定值。以笔记本电脑来说，输出电压一般为19伏特。
请参阅图1B。图1B所示为图1A中电源转接器1的电路示意图。电源转接器1包含三个电阻10、12、14以及稳压器16。输出电压若欲维持19伏特，则三个电阻10、12、14的阻值分别为16.5K奥姆、10K奥姆、3.3K奥姆，并且稳压器16需将节点N1稳压在2.5伏特。亦即，输出电压＝2.5/(3.3K//10K)*16.5K+2.5＝19.1。
然而，笔记本电脑在闲置(idle)状态下所需的输出电压通常会比工作状态下所需的输出电压来得小。如果输出电压没有随着使用状态而调整，则笔记本电脑在闲置状态下仍会造成较多的电源损耗，使得系统温度升高，进而降低电子元件的可靠度。再者，若系统温度升高，势必得对应地提高风扇转速来加速散热。风扇转速一旦提高，噪音也会随之增加，而对使用者造成困扰。
一般而言，电源损耗包含传导损耗(conduction loss)以及切换损耗(switchloss)。
传导损耗为电流流过MOSFET的开电阻(Rd_son)所产生器件的电阻损耗。传导损耗可由下列两个公式来计算。
PCHS＝I_out²*Rd_son*D。
PCLS＝I_out²*Rd_son*(1-D)。
PCHS表示高侧(high side)MOSFET传导损耗，PCLS表示低侧(low side)MOSFET传导损耗，D表示导通率(D＝V_out/V_in)，V_out表示输出电压，V_in表示电源输入电压，I_out表示负载电流，Rd_son表示MOSFET开电阻。因为D与I_out是由实际应用来决定，Rd_son必须选择为尽可能地小。
切换损耗是由高侧和低侧MOSFET开关造成的损耗。切换损耗可由下列两个公式来计算。
PDHS = ( t r + t f ) * V in * I out * f s 2 . ]]>
PDLS = ( t r + t f ) * V d * I out * f s 2 . ]]>
PDHS表示高侧MOSFET切换损耗，PDLS表示低侧MOSFET切换损耗，t_r表示上升时间，t_f表示下降时间，f_s表示DC-DC转换器开关频率，V_d表示体二极管开电压，其它参数与上述参数相同。
以I_out＝15安培，V_d＝1.5伏特，高侧Rd_son＝9毫奥姆，低侧Rd_son＝5毫奥姆，t_r+t_f＝80奈秒，f_s＝200千赫，计算损耗如下表一所示。
表一
 

输出电压(伏特)1516171819PCHS+PDHS2.0032.112.2192.3292.44PCLS+PDLS1.1931.21.2061.2111.216总损耗(瓦特)3.1963.313.4253.543.656
由表一可知，在相同情形下只降低输出电压，至多约可降低15～20％的损耗，可有效达到节能之效。
发明内容
本发明之一范畴在于提供一种电压调整装置，可在不同的负载下调整电源转接器的输出电压，进而有效地减少电源损耗。
根据一具体实施例，本发明的电压调整装置包含电源转接器、第一电阻、电流侦测模块、第二电阻以及电压回授控制模块。第一电阻耦接电源转接器。电流侦测模块耦接第一电阻。第二电阻接地且耦接电流侦测模块。电压回授控制模块耦接电源转接器、电流侦测模块与第二电阻。
于此实施例中，电源转接器先输出第一电流。第一电阻用以将电源转接器输出的第一电流转换成第一电压。电流侦测模块用以将第一电压转换成第二电流。第二电阻用以将第二电流转换成第二电压。电压回授控制模块用以将第二电压转换成第三电压。电源转接器则是用以将第三电压转换成第四电压，并输出第四电压。
于此实施例中，电压回授控制模块利用反相放大器以及两个电阻来将第二电压转换成第三电压。此外，本发明的电源转接器包含三个电阻以及一个稳压器。电源转接器根据三个电阻的阻值，进而将电压回授控制模块输出的第三电压转换成第四电压。
换言之，随着电源转接器输出电流的变化，本发明的电源转接器可透过电压回授控制模块的回授控制来调变输出电压，而不会影响原来的电源转接器的架构。此外，本发明只需修改电阻的阻值，即可调变输出电压的范围。
根据本发明的电压调整装置，在电子产品(如笔记本电脑)的负载较低时，输出电压会跟着调降，而在负载较高时，输出电压便会随之调升。相较于先前技术，本发明可有效地减少电源损耗，进而达到下列优点：1)节能省电；2)降低系统温度，提高电子组件之可靠度；以及3)降低风扇转速，减少噪音。
本发明的有益效果在于，提供一种电压调整装置，可在不同的负载下调整电源转接器的输出电压，进而有效地减少电源损耗。
关于本发明之优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1A所示为先前技术的电源转接器将交流电调变成直流电的示意图。
图1B所示为图1A中电源转接器之电路示意图。
图2所示为根据本发明的一具体实施例的电压调整装置的功能方块图。
图3所示为图2中电压回授控制模块的电路示意图。
图4所示为图2中电源转接器的电路示意图。
图5所示为图2中电源转接器将交流电调变成直流电的示意图。
图6所示为表2中的输出电压与输出电流的关系图。
具体实施方式
请参阅图2。图2所示为根据本发明的一具体实施例的电压调整装置3的功能方块图。如图2所示，电压调整装置3包含电源转接器30、第一电阻32、电流侦测模块34、第二电阻36以及电压回授控制模块38。第一电阻32耦接电源转接器30。电流侦测模块34耦接第一电阻32。第二电阻36接地且耦接电流侦测模块34。电压回授控制模块38耦接电源转接器30、电流侦测模块34与第二电阻36。电压调整装置3用以提供系统端5所需的工作电压。系统端5可为笔记本电脑或其它需要使用电源转接器的电子产品。
首先，本发明利用第一电阻32来侦测从电源转接器30输出之第一电流I1，而得到第一电压V1。于此实施例中，如果第一电阻32的阻值为R1，则V1＝R1*I1。较佳地，第一电阻32的阻值R1可设定为10毫奥姆，但不以此为限。接着，再透过电流侦测模块34将第一电压V1转换成第二电流I2。由于，电流侦测模块34与第二电阻36串接，第二电流I2可由第二电阻36转换得到第二电压V2。于此实施例中，如果第二电阻36的阻值为R2，则V2＝R2*I2。需说明的是，可藉由调整第二电阻36的阻值R2来调整所欲得到的第二电压V2的范围。
之后，电压回授控制模块38再将第二电压V2转换成第三电压V3，并且将第三电压V3送至电源转接器30，以调变电源转接器30之输出电压。请参阅图3。图3所示为图2中电压回授控制模块38的电路示意图。如图3所示，电压回授控制模块38包含反相放大器380、定电压源382、第三电阻384以及第四电阻386。反相放大器380具有第一输入端E1、第二输入端E2以及第一输出端E3。定电压源382耦接第一输入端E1。第三电阻384耦接第二输入端E2，且第二电压V2由第三电阻384之一端输入。第四电阻386则是耦接第二输入端E2与第一输出端E3。此外，电源电压VCC用以提供反相放大器380运作时所需的电源。
藉由示于图3中的电路设计，电压回授控制模块38即可根据下列公式一将第二电压V2转换成第三电压V3。
公式一：V3＝[(R4+R3)/R3]*Vc1-(R4/R3)*V2。
于上述的公式一中，R4表示第四电阻386的阻值，R3表示第三电阻384的阻值，Vc1表示定电压源382所提供的电压值。
在接收第三电压V3后，电源转接器30即根据第三电压V3输出第四电压V4。请参阅图4。图4所示为图2中电源转接器30的电路示意图。如图4所示，电源转接器30具有第二输出端E4、第三输入端E5以及节点N2，且第三输入端E5耦接图3中反相放大器380的第一输出端E3。电源转接器30包含第五电阻300、第六电阻302、第七电阻304以及稳压器306。第五电阻300耦接第三输入端E5与节点N2，第六电阻302耦接节点N2与第二输出端E4，而第七电阻304接地且耦接节点N2。稳压器306接地且耦接节点N2与第七电阻304。稳压器306用以将节点N2稳压在一定值。
藉由示于图4中的电路设计，电源转接器30即可根据下列公式二将第三电压V3转换成第四电压V4。
公式二：V4＝{(Vc2/R7)+[(Vc2-V3)/R5]}*R6+Vc2。
于上述之公式二中，R5表示第五电阻300的阻值，R6表示第六电阻302的阻值，R7表示第七电阻304的阻值，Vc2表示节点N2的电压值。第四电压V4即为电源转接器30的输出电压。
藉此，本发明的电压调整装置3即可透过输出电流的侦测来调变电源转接器30的输出电压。请参阅图5。图五所示为图2中电源转接器30将交流电调变成直流电的示意图。当输出电流为轻载时，电源转接器30的输出电压较低。随着负载的加重，电源转接器30的输出电压也会自动调升。
以下举一实际的实验范例来说明本发明如何调变电源转接器30的输出电压。
首先，如果设定电源转接器30的输出电压介于15伏特至19伏特之间，则第二电阻36的阻值R2需设定为8.2K奥姆。因此，V2＝8.2K*I2。
接着，设定第三电阻384的阻值R3为10K奥姆，第四电阻386的阻值R4为10K奥姆，且电压源382所提供的电压值Vc1为1.25伏特。则根据公式一，V3＝[(10K+10K)/10K]*1.25-(10K/10K)*V2。经计算后，V3会介于0至2.5伏特之间。
之后，设定第五电阻300的阻值R5为10K奥姆，第六电阻302的阻值R6为16.5K奥姆，第七电阻304的阻值R7为3.3K奥姆，且稳压器306将节点N2稳压在定值2.5伏特(Vc2)。则根据公式二，V4＝{(2.5/3.3K)+[(2.5-V3)/10K]}*16.5K+2.5。经计算后，V4即会介于15至19伏特之间。V4会受V3调变，且只需修改第五电阻300、第六电阻302及/或第七电阻304的阻值，即可调变电源转接器30的输出电压的范围。根据上述的参数设定，详细的实验数据如下表二所示。
表二

请参阅图6。图6所示为表二中的输出电压V4与输出电流I1的关系图。于0安培负载时，设计输出电压为15伏特；于3安培负载时，设计输出电压为19伏特。图6显示在不同负载下输出电压的变化。
在不同输出电压时，使用本发明的电压调整装置3实际量测笔记本电脑在闲置状态下交流电源输入(AC power in)的耗电数据做比较，如下表三所示。在电源转接器30的输出电压为15伏特时，约可比输出电压为19V时省电约4％左右。因此，可知本发明的确可有效降低系统输入的耗电，达到节能之效。
表三
 输出电压(伏特)交流电源输出(瓦特)19.031.0018.130.5017.030.2016.030.0015.029.80
随着电源转接器30输出电流的变化，本发明的电源转接器30可通过电压回授控制模块38的回授控制来调变输出电压，而不会影响原来的电源转接器的架构。此外，本发明只需修改电阻的阻值，即可调变输出电压的范围。
根据本发明的电压调整装置，在电子产品(如笔记本电脑)的负载较低时，输出电压会跟着调降，而在负载较高时，输出电压便会随之调升。相较于先前技术，本发明可有效地减少电源损耗，进而达到下列优点：1)节能省电；2)降低系统温度，提高电子组件的可靠度；以及3)降低风扇转速，减少噪音。
藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求范围的范畴内。因此，本发明所申请的权利要求书的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。