TWI911715B - 調節pwm輸出電壓的處理電路、穩壓處理系統與處理方法 - Google Patents

Abstract

一種調節PWM輸出電壓的處理電路、穩壓處理系統與處理方法，處理電路包括PWM生成單元、可控電感、電感調節單元與監測單元。PWM生成單元產生待測電壓或已調整電壓；可控電感連接PWM生成單元，可控電感根據磁芯與線圈繞組的氣隙距離產生輸出電感；電感調節單元連接於可控電感，電感調節單元根據調節命令調整氣隙距離；監測單元連接PWM生成單元與電感調節單元，預設電壓與待測電壓的差值超過預設閥值，監測單元將產生的調節命令發送電感調節單元；可控電感根據調節命令調整氣隙距離，可控電感產生輸出電感至PWM生成單元，PWM生成單元產生已調整電壓。

Description

調節PWM輸出電壓的處理電路、穩壓處理系統與處理方法

關於一種電子電路、處理系統與處理方法，特別有關一種調節PWM輸出電壓的處理電路、穩壓處理系統與處理方法。

隨著電子產品的多樣化，對電源供應的穩壓能力要求也日益提高。現行常用的穩壓技術是在開關電源中應用脈波寬度調製(Pulse-width modulation，PWM)控制。PWM通過調節脈波訊號的占空比(工作週期/週期)來間歇性切換輸入電壓和功率，對輸出電壓的平均值進行調節。

理想情況下，只需調整PWM的占空比即可獲得穩定的輸出電壓。然而，實際上開關電源中存在諸多非線性因素，如電感飽和、電容器漏電等，加之還受到負載變化的影響，僅依賴調整占空比並不能完全實現理想的穩壓效果。

儘管開關電源通常會結合反饋控制環路動態調整PWM的占空比以抑制輸出電壓波動，但開關電路中電子元件的非線性特性和負載的變化，會導致占空比的調整偏離理想狀態，從而降低穩壓性能。因此需要對現有的穩壓技術進行優化和改進。

有鑑於此，在一實施例中，所述的調節PWM輸出電壓的處理電路包括PWM生成單元、可控電感與監測單元。PWM生成單元接收輸出電感從而產生待測電壓或已調整電壓；可控電感連接於PWM生成單元，可控電感具有磁芯與線圈繞組，可控電感根據磁芯與線圈繞組的氣隙距離產生輸出電感；電感調節單元連接於可控電感，電感調節單元根據所接收調節命令調整磁芯的氣隙距離；監測單元連接於PWM生成單元與電感調節單元，監測單元判斷預設電壓與待測電壓的差值是否超過預設閥值，差值超過預設閥值，監測單元根據差值產生相應的調節命令，監測單元向電感調節單元發送調節命令；其中，可控電感根據調節命令調整氣隙距離，可控電感產生相應的輸出電感至PWM生成單元，使PWM生成單元產生已調整電壓。調節PWM輸出電壓的處理電路提供即時的穩壓調整，藉由調整磁芯與線圈繞組的氣隙距離產生可變的電感值，進而將PWM生成單元的已調整電壓控制在預設的電壓區間內。

在一實施例中，監測單元每經過預設時間，監測單元獲取PWM生成單元的待測電壓。

在一實施例中，根據多個預設時間所獲得的多個待測電壓產生電壓變化趨勢，監測單元根據電壓變化趨勢產生調節命令，可控電感調整氣隙距離，使可控電感產生相應的輸出電感。

在一實施例中，更包括儲存單元，監測單元連接於儲存單元，儲存單元具有查找表，查找表記錄各氣隙距離與對應的輸出電感。

在一實施例中，PWM生成單元輸出已調整電壓至負載電路。

在一實施例中，應用調節PWM輸出電壓的處理電路的穩壓處理系統包括第一處理電路與第二處理電路。第一處理電路串接於第二處理電路。第一處理電路根據第一調節命令將第一待測電壓調整為第一電壓；第二處理電路根據第二調節命令將第一電壓調整為第二電壓。

在一實施例中，調節PWM輸出電壓的處理方法包括PWM生成單元根據所接收的輸出電感產生待測電壓；PWM生成單元輸出待測電壓至監測單元；監測單元判斷待測電壓與預設電壓的差值是否超過預設閥值；若差值超過預設閥值，監測單元向電感調節單元發送調節命令，電感調節單元調整可控電感的輸出電感；PWM生成單元根據新的輸出電感產生已調整電壓。

在一實施例中，在PWM生成單元輸出待測電壓至監測單元的步驟包括監測單元每經過預設時間，監測單元獲取PWM生成單元的待測電壓。

在一實施例中，在PWM生成單元輸出待測電壓至監測單元的步驟包括監測單元根據多個待測電壓產生電壓變化趨勢；監測單元根據電壓變化趨勢產生調節命令；可控電感根據調節命令調整氣隙距離。

在一實施例中，在PWM生成單元根據輸出電感產生已調整電壓的步驟包括PWM生成單元輸出已調整電壓至負載電路。

所述的調節PWM輸出電壓的處理電路、穩壓處理系統與處理方法可以動態的調整電感值。處理電路可以應用在任意負載電路，處理電路可以定期的偵測對負載電路的輸出電路是否為穩定，並動態的調整電感值從而改變PWM的輸出電壓。

請參考圖1所示，為一實施例的調節PWM輸出電壓的處理電路示意圖。調節脈波寬度調製(Pulse-width modulation，PWM)輸出電壓的處理電路(以下簡稱處理電路100)包括PWM生成單元110、可控電感120、電感調節單元130與監測單元140。PWM生成單元110對外可以連接負載電路160，對內連接於可控電感120與監測單元140。PWM生成單元110根據所接收的電感從而產生待測電壓181與已調整電壓183。PWM生成單元110將待測電壓181輸出至監測單元140，另將已調整電壓183輸出至負載電路160。基本上，待測電壓181等同於已調整電壓183。

可控電感120連接於PWM生成單元110。可控電感120具有磁芯121與線圈繞組123，請參考圖2A所示。磁芯121可以任意於線圈繞組123中移動。磁芯121在繞組中移動或轉動時，磁芯121與線圈繞組123將產生不同的磁通量，從而改變可控電感120的電感值。在圖2B中將磁芯121與線圈繞組123的相對距離稱其為氣隙距離D。在此實施例是以磁芯121的左側側面與線圈繞組123的左側側面之間的距離為氣隙距離D，但並非僅侷限於此。氣隙距離D也可以採用磁芯121的右側側面與線圈繞組123的左側側面之間的距離。

磁芯121可以在線圈繞組123之間移動。一般而言，磁芯121沒入線圈繞組123的體積越多，則表示氣隙距離D越小，於此同時電感值越大，而使得可輸出的電壓值下降。反之，若磁芯121移出線圈繞組123，代表磁芯121沒入的體積變少，則電感值越小，而使得可輸出的電壓值上升。可控電感120將電感輸出至PWM生成單元110，使PWM生成單元110根據電感產生相應的電壓值。

電感調節單元130連接於可控電感120與磁芯121。電感調節單元130根據所接收的調節命令141調整磁芯121相對於線圈繞組123的位置，從而控制氣隙距離D與電感值。電感調節單元130可以以機械式、電磁式或壓電式等方式實現。舉例來說，機械式的電感調節單元130可以是線性致動器(linear actuator)或蠕動馬達(Peristaltic motor)，用以調整磁芯121的移動位置。電磁式的電感調節單元130可以通過電磁鐵調整磁芯121的移動位置。壓電式的電感調節單元130可以在磁芯121外部設置多組的壓電陶瓷片。電感調節單元130被施加電壓後，將使壓電陶瓷片產生長度變形從而驅動磁芯121改變位置。

監測單元140連接於PWM生成單元110與電感調節單元130。監測單元140接收來自於PWM生成單元110的待測電壓181。監測單元140儲存預設電壓，其中預設電壓係為處理電路100所欲達到的穩定電壓的目標。舉例來說，預設電壓可以是但不限定為12V。而PWM生成單元110可能會輸出10.9V的待測電壓181。

監測單元140計算預設電壓與待測電壓181的差值。監測單元140判斷差值是否超過預設閥值184。為進一步說明處理電路100的運作，請參考圖3。調節PWM輸出電壓的處理方法包括以下步驟： 步驟S310：PWM生成單元根據所接收的輸出電感產生待測電壓； 步驟S320：PWM生成單元輸出待測電壓至監測單元； 步驟S330：監測單元判斷待測電壓與預設電壓的差值是否超過預設閥值； 步驟S340：若差值未超過預設閥值，監測單元執行S330； 步驟S350：若差值超過預設閥值，監測單元向電感調節單元發送調節命令，電感調節單元調整可控電感的輸出電感；以及 步驟S360：PWM生成單元根據新的輸出電感產生已調整電壓。

首先，由PWM生成單元110接收預設的輸出電感I，並根據所接收的輸出電感I產生待測電壓181。如果PWM生成單元110為初始，PWM生成單元110可以以預設的電感值產生對應的待測電壓181。PWM生成單元110輸出待測電壓181至監測單元140。監測單元140計算預設電壓與接收的待測電壓181的差值。

監測單元140判斷所獲得的差值是否超過預設閥值184。若差值超過預設閥值184，監測單元140向電感調節單元130發送調節命令141，用以控制磁芯121與線圈繞組123的氣隙距離D。所述的預設閥值184係為電壓的區間範圍。因此預設閥值184具有電壓的上限值與下限值，而上、下限分別表示電壓過高或電壓不足的臨界數值。檢測單元判斷差值超過預設閥值184的上限或下限，進而判斷待測電壓181是否要降電壓或升電壓。一般而言，檢測單元可以逐次發送調節命令141後並判斷新的差值是否未超過預設閥值184。如果新的差值仍超過預設閥值184，監測單元140將發出新一回的調節命令141，直至次一回的差值落於預設閥值184中。

在一些實施例中，處理電路100更包括儲存單元150，請參考圖4。監測單元140連接於儲存單元150。儲存單元150具有查找表151，查找表151記錄多組氣隙距離D與對應的輸出電感I。監測單元140根據所述的電壓差值查找查找表151，用以獲取相應的氣隙距離D。監測單元140將所獲取的氣隙距離D封裝為調節命令141，並發送至電感調節單元130。電感調節單元130根據調節命令141調整可控電感120的磁芯121與線圈繞組123的氣隙距離D。

在一些實施例中，監測單元140每經過一次預設時間，監測單元140獲取PWM生成單元110的待測電壓181，請參考圖5。監測單元140可以每經過預設時間後，向電感調節單元130發送調節命令141，用以調整可控電感120的電感值使得PWM生成單元110輸出的已調整電壓183可以落於預設閥值184的區間中。在圖5中係以虛線線框表示預設閥值184。

在一些實施例中，監測單元140獲取多個連續的待測電壓181。監測單元140根據該些待測電壓181產生電壓變化趨勢185，請參考圖5。監測單元140根據多個預設時間的總時長與待測電壓181的變化量計算電壓變化趨勢185(意即圖5中的粗黑虛線)。監測單元140根據電壓變化趨勢185產生下一次的預設時間的調節命令141，將其稱為預測命令142。監測單元140於次回的預設時間時直接發送預測命令142至電感調節單元130。

在圖5中，監測單元140獲取預設時間T1、T2、T3的電壓變化趨勢185後，監測單元140根據電壓變化趨勢185產生預測命令142。在預測命令142中增加(或減少)氣隙距離D，使PWM生成單元110所輸出的已調整電壓183可以被控制在預設閥值184內。監測單元140在預設時間T4時向電感調節單元130發送預測命令142，藉以修正已調整電壓183。

在預設時間T1、T2、T3，可以從圖5中得到已調整電壓183雖然均被修正至預設閥值184中。但每經過預設時間後，待測電壓181還是會衰減並超出預設閥值184。因此監測單元140可以根據若干次的預設時間獲得所屬的電壓變化趨勢185。在預設時間T4時，監測單元140除了根據電壓變化趨勢185，進一步增加(或減少)氣隙距離D的調整量。

在一些實施例中，多個處理電路100可以進行串接進而形成穩壓處理系統(後文簡稱為處理系統200)，如圖6A與圖6B所示。為清楚說明處理系統200中的多處理電路100串接。因此此實施例的處理系統200以兩處理電路100為例說明。而兩處理電路100分別定義為第一處理電路210與第二處理電路220。第一處理電路210串接於第二處理電路220。第一處理單元具有PWM生成單元230、第一可控電感211、第一電感調節單元212與第一監測單元213。需要注意的是，第一處理電路210與第二處理電路220共用同一PWM生成單元230，但為能方便說明因此於圖6A中仍以兩獨立的處理電路210、220作為表示。

第二處理電路220具有PWM生成單元230、第二可控電感221、第二電感調節單元222與第二監測單元223。PWM生成單元230、第二可控電感221、第二電感調節單元222與第二監測單元223的連接與運作可以參考前文。第二處理電路220係以第一處理電路210輸出的已調整電壓183為輸入的待測電壓181。

第一處理電路210根據第一調節命令621調整相應的氣隙距離D，並產生對應的已調整電感。第一處理電路210根據修改後的已調整電感產生已調整電壓183，並輸出已調整電壓183至第二處理電路220。在此將第一處理電路210所輸出的已調整電壓183稱其為第一電壓611。PWM生成單元230在接收第一電壓611後，第二處理電路220的監測單元140根據第一電壓611與第二調節命令622調整相應的氣隙距離D。第二處理電路220根據新的氣隙距離D產生新的輸出電感I與相應的已調整電壓183(稱其為第二電壓612)。第二處理電路220輸出第二電壓612至次級的負載電路160。隨著多級的處理電路100的穩壓輸出，使得最後的輸出電壓可以被控制在所設定的範圍中。

所述的調節PWM輸出電壓的處理電路100、穩壓處理系統200與處理方法可以動態的調整電感值。處理電路100可以應用在任意負載電路160，處理電路100可以定期的偵測對負載電路160的輸出電路是否為穩定，並動態的調整電感值從而改變PWM的輸出電壓。

100:處理電路 110,230:PWM生成單元 120:可控電感 121:磁芯 123:線圈繞組 130:電感調節單元 140:監測單元 141:調節命令 142:預測命令 150:儲存單元 151:查找表 160:負載電路 181:待測電壓 183:已調整電壓 184:預設閥值 185:電壓變化趨勢 200:處理系統 210:第一處理電路 211:第一可控電感 212:第一電感調節單元 213:第一監測單元 220:第二處理電路 221:第二可控電感 222:第二電感調節單元 223:第二監測單元 611:第一電壓 612:第二電壓 621:第一調節命令 622:第二調節命令 D:氣隙距離 I:輸出電感 T1,T2,T3,T4:預設時間 S310,S320,S330,S340,S350,S360:步驟

圖1為一實施例的調節PWM輸出電壓的處理電路示意圖。 圖2A為一實施例的可控電感的磁芯與線圈繞組的移動前示意圖。 圖2B為一實施例的可控電感的磁芯與線圈繞組的移動後示意圖。 圖3為一實施例的節PWM輸出電壓的處理方法的流程示意圖。 圖4為一實施例的儲存單元與查找表的示意圖。 圖5為一實施例的預設時間與電壓變化趨勢的示意圖。 圖6A為一實施例的處理系統的示意圖。 圖6B為一實施例的處理系統的元件示意圖。

100:處理電路

110:PWM生成單元

120:可控電感

130:電感調節單元

140:監測單元

141:調節命令

160:負載電路

181:待測電壓

183:已調整電壓

I:輸出電感

Claims (10)

1. 一種調節PWM輸出電壓的處理電路，調整電感的一磁芯的位置，該處理電路包括： 一PWM生成單元，接收一輸出電感從而產生一待測電壓或一已調整電壓； 一可控電感，連接於該PWM生成單元，該可控電感具有一磁芯與一線圈繞組，該可控電感根據該磁芯與該線圈繞組的一氣隙距離產生該輸出電感； 一電感調節單元，連接於該可控電感，該電感調節單元根據所接收一調節命令調整該磁芯的該氣隙距離；以及 一監測單元，連接於該PWM生成單元與該電感調節單元，該監測單元判斷一預設電壓與該待測電壓的一差值是否超過一預設閥值，該差值超過該預設閥值，該監測單元根據該差值產生相應的該調節命令，該監測單元向該電感調節單元發送該調節命令； 其中，該可控電感根據該調節命令調整該氣隙距離，該可控電感產生相應的該輸出電感至該PWM生成單元，使該PWM生成單元產生該已調整電壓。
2. 如請求項1所述的調節PWM輸出電壓的處理電路，其中該監測單元每經過一預設時間，該監測單元獲取該PWM生成單元的該待測電壓。
3. 如請求項1所述的調節PWM輸出電壓的處理電路，其中根據多個預設時間所獲得的多個該待測電壓產生一電壓變化趨勢，該監測單元根據該電壓變化趨勢產生該調節命令，該可控電感調整該氣隙距離，使該可控電感產生相應的該輸出電感。
4. 如請求項1所述的調節PWM輸出電壓的處理電路，其中更包括一儲存單元，該監測單元連接於該儲存單元，該儲存單元具有一查找表，該查找表記錄各該氣隙距離與對應的該輸出電感。
5. 如請求項4所述的調節PWM輸出電壓的處理電路，其中該PWM生成單元輸出該已調整電壓至一負載電路。
6. 一種應用請求項1的調節PWM輸出電壓的處理電路的穩壓處理系統，該穩壓處理系統包括： 一第一處理電路，根據一第一調節命令將一第一待測電壓調整為一第一電壓；以及 一第二處理電路，連接於該第一處理電路，該第二處理電路根據一第二調節命令將該第一電壓調整為一第二電壓。
7. 一種調節PWM輸出電壓的處理方法，包括： 一PWM生成單元根據所接收的一輸出電感產生一待測電壓； 該PWM生成單元輸出該待測電壓至一監測單元； 該監測單元判斷該待測電壓與一預設電壓的一差值是否超過一預設閥值； 若該差值超過該預設閥值，該監測單元向一電感調節單元發送一調節命令，該電感調節單元調整一可控電感的該輸出電感；以及 該PWM生成單元根據新的該輸出電感產生一已調整電壓。
8. 如請求項7所述的調節PWM輸出電壓的處理方法，其中在該PWM生成單元輸出該待測電壓至該監測單元的步驟包括： 該監測單元每經過一預設時間，該監測單元獲取該PWM生成單元的該待測電壓。
9. 如請求項8所述的調節PWM輸出電壓的處理方法，其中在該PWM生成單元輸出該待測電壓至該監測單元的步驟包括： 該監測單元根據多個該待測電壓產生一電壓變化趨勢； 該監測單元根據該電壓變化趨勢產生該調節命令；以及 該可控電感根據該調節命令調整一氣隙距離。
10. 如請求項8所述的調節PWM輸出電壓的處理方法，其中在該PWM生成單元根據該輸出電感產生該已調整電壓的步驟包括： 該PWM生成單元輸出該已調整電壓至一負載電路。