CN100578902C - 一种电源输出电压控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制电源技术，尤其涉及一种通过控制电源参考电压来控制电源输出电压的技术。一种电源输出电压控制装置，包括电源调整单元、第一电阻和第二电阻，还包括：PWM波输出模块，用于在其输出端口输出设定占空比的PWM波；低通滤波单元，连接在所述PWM波输出模块的输出端和电源调整单元的调整端之间，用于对所述PWM波输出模块输出的PWM波进行滤波。本发明通过PWM波输出模块的输出PWM波，再通过低通滤波单元将PWM波滤波整流为直流波，通过改变PWM波的占空比来改变电源的参考电压可以是多级调节，且实现了通过程序调节占空比自动调节电源的输出电压。

Description

一种电源输出电压控制装置

技术领域

本发明涉及控制电源技术，尤其涉及一种通过控制电源参考电压来控制电源输出电压的技术。

背景技术

集成电路的性能与输入电压紧密相关，输入电压的变化影响到集成电路的时序和噪声容限等。为了保证集成电路的性能满足器件手册的规定，一般生产厂家都会规定集成电路输入电压的上下限。而为了验证电路性能在电源变化范围内满足设计要求，需要调整电源的输出电压，使之达到设计的上下限。由于普通电源电路无法自动调整输出电压，一般在测试时都是通过手工调整，如图1所示，将电源调整单元110的输出电压用Vout表示，电源调整单元110调整端的参考电压用Vref表示，则输出电压可以表示为公式1：

Vout＝Vref(1+R1/R2)              (1)

从而手工调整时，可以通过调整第一电阻120和第二电阻130的电阻值(例如用滑动变阻器实现，图中未显示)，达到电压调整的目的，但该手工调整手段的测试效率很低，而且无法在大规模生产时实现自动测试。

在现有技术中，如图2所示，利用CPLD(Complicated Programmable LogicalDevice，复杂可编程逻辑器件)、EPLD(Erasable Programmable Logic Device，电可擦除可编程逻辑器件)或FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)来输出控制电压，其输出包括三种状态，高电平、低电平或三态(高阻态)，分别对应将电压调高，调低和不调整，来改变电源的调整端的参考电压，从而改变电源的输出电压。

具体地，图2中的电路包括：电源调整单元201、第一电阻202、第二电阻203和第三电阻204以及可编程逻辑器件205。

电源调整单元201具有输入端、输出端和调整端，第一电阻202连接在电源调整单元201的调整端与输出端之间，第二电阻203连接在电源调整单元201的调整端与地之间，而第三电阻204连接在电源调整单元201的调整端与可编程逻辑器件205的输出端口之间。

若定义该电路的输出电压为Vout，电源调整单元调整端的参考电压为Vref，可编程逻辑器件输出的控制电压为Vcon，第一电阻、第二电阻和第三电阻的阻值分别为R1、R2以及R3。则Vout可表示为公式2：

Vout＝Vref(1+R1/R2)-(Vcon-Vref)R1/R3        (2)

由上式可得，通过调整、改变控制电压Vcon，就可以达到调整输出电压Vout的目的。

本发明人发现，现有利用可编程逻辑器件控制输出电压时，由于可编程逻辑器件的输出端口输出的电压值有限，一般为3.3V、2.5V、5.0V等，所以使得电源也只能输出几个相应的固定电压值，而无法输出这几个电压值中间的电压值。

发明内容

本发明实施例提供了一种控制电源输出电压的电路，实现多极调节电源输出电压的目的。

一种电源输出电压控制装置，由电源调整单元、第一电阻、第二电阻、PWM波输出模块和低通滤波单元组成，其中：

所述第一电阻连接在所述电源调整单元的调整端与输出端之间，所述第二电阻连接在所述电源调整单元的调整端与地之间；

所述PWM波输出模块，用于在其输出端口输出设定占空比的PWM波；

所述低通滤波单元，连接在所述PWM波输出模块的输出端口和电源调整单元的调整端之间，用于对所述PWM波输出模块输出的PWM波进行滤波。

本发明实施例由于通过PWM波输出模块的输出端口输出PWM波，再通过低通滤波单元将PWM波滤波整流为直流波，用该直流波去调节电源的参考电压，从而调节电源输出电压，而通过程序改变PWM波的占空比来自动改变电源的参考电压可以是多级调节，且实现了通过程序调节占空比自动调节电源的输出电压。

附图说明

图1为现有技术的电源输出电压控制装置示意图；

图2为现有技术的控制电源改变输出电压的电路示意图；

图3a为本发明实施例的电源输出电压控制装置的原理框图；

图3b为本发明实施例一的控制电源改变输出电压的电路示意图；

图4为本发明实施例一的占空比为33％的PWM波与Vref的波形示意图；

图5为本发明实施例一的占空比为67％的PWM波与Vref的波形示意图；

图6为本发明实施例二的控制电源改变输出电压的电路示意图；

图7为本发明实施例三的控制电源改变输出电压的电路示意图。

具体实施方式

方波的占空比为一个周期内方波的高电平持续时间与方波的周期的比例，PWM波的占空比是可以调整的，也就是说，可以调整PWM波各周期时间内高电平的持续时间。如果PWM波的占空比变大，则意味着波形的一个周期时间内高电平的持续时间变长，相应的，低电平持续时间变短；如果PWM波的占空比变小，则意味着波形的一个周期时间内高电平的持续时间变短，相应的，低电平持续时间变长。

基于此，如图3a所示，本发明实施例通过PWM波输出模块和低通滤波单元对电源输出电压进行控制，PWM波输出模块的输出端口输出PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)波，通过低通滤波单元将PWM波滤波整流为直流电压波，使用该直流电压波去控制电源的参考电压，通过相应程序调整PWM波输出模块输出的PWM波的占空比，可以改变直流电压波的电压平均值，从而达到调节电源输出电压的目的，而通过程序调节PWM波的占空比，实现了电源输出电压的自动调节。

本发明实施例一、二、三分别提供了三种不同的低通滤波单元，并通过PWM波输出模块和低通滤波单元调节电源输出电压的电路。

实施例一

如图3b所示，实施例一提供的一种电源输出电压控制装置包括：电源调整单元301、低通滤波单元308、第一电阻302、第二电阻303、以及PWM波输出模块307。

电源调整单元301包括输入端、输出端和调整端，电源调整单元301的输入端与供电电源相连，给电源调整单元301供电，电源调整单元301根据调整端的输入电压从输出端输出相应的电压作为被供电的电路的供电电压。

第一电阻302和第二电阻303作为电源调整单元301的***电路。第一电阻302连接在电源调整单元301的调整端与输出端之间，第二电阻303连接在电源调整单元301的调整端与地之间。

PWM波输出模块307的输出端口输出PWM波。PWM波输出模块307可以是可编程逻辑器件也可以是处理器或者单片机，所述的可编程逻辑器件可包括CPLD、EPLD或FPGA等。PWM波输出模块307可以通过程序控制输出端口输出占空比可变的PWM波。

低通滤波单元308包括电阻Ry304、电阻Rx306和电容Cx305。低通滤波单元308连接在电源调整单元301的调整端与PWM波输出模块307的输出端口之间，用于将PWM波输出模块307的输出端口输出的PWM波滤波整流为直流波。在该低通滤波单元308中，电阻Ry304与电阻Rx306串连于电源调整单元301的调整端与PWM波输出模块307的输出端口之间，电容Cx305一端与地连接，另一端与电阻Ry304和电阻Rx306的共同连接端相连。

通过改变PWM波输出模块307的输出端口输出的占空比可调的PWM波来控制电源调整单元301的输出端输出的电压变化的过程，如下所述：

先分析当PWM波输出模块307的输出端口输出直流波的情况，假设PWM波输出模块307的输出端口输出直流电压，其有效值为Vcon，改变PWM波输出模块307的输出端口输出的直流电压的有效值Vcon，那么Vout就会随之改变，具体如公式3所示：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Vref}\·(\frac{R1}{R2}+1)-\frac{\mathrm{Vcon}-\mathrm{Vref}}{\mathrm{Rx}+\mathrm{Ry}}\·R1---\left(3\right)$

其中，R1为第一电阻302的电阻值，R2为第二电阻303的电阻值。

那么，当PWM波输出模块307的输出端口输出占空比为50％的PWM波时，该波经过低通滤波单元滤波后，其电压有效值Vcon将会得到效果相当于PWM波高电平一半的直流电压。这时就相当于用PWM波的高电平一半的直流电压Vcon来改变Vout。

具体地，当PWM波输出模块307的输出端口输出PWM波时，向电容Cx305充、放电，通过低通滤波单元308的滤波作用，将输出的PWM波滤为接近PWM波的有效值Vcon的直流波形。当然，该直流波形并非绝对意义上的直流，其还会具有一定的纹波波动，但是在时间域上总体保持为相当于Vcon的电压值。当PWM波输出模块307的输出端口输出的PWM波为高电平(即正向脉冲)时，电容Cx305充电；当PWM波输出模块307的输出端口输出的PWM波为低电平(负向脉冲)时，电容Cx305放电。

如果调节PWM波输出模块307的输出端口输出的PWM波的占空比，比如调到20％的占空比，由于PWM波中的正向脉冲比例减少，负向脉冲比例增加了，电容Cx305的充电时间减少，放电时间增加，Vcon有效值减少，通过低通滤波单元滤波后的电压值会降低，电源调整单元301的调整端的参考电压Vref的电压也会相应的降低，导致电源调整单元301的输出端的输出电压Vout电压也降低。

反之，如果调高PWM波的占空比，比如调到80％，这时，PWM波中的正向脉冲比例增加，负向脉冲比例减少，电容Cx305的充电时间增加，放电时间减少，Vcon有效值增加，通过低通滤波单元308滤波后的电压值会升高，电源调整单元301的调整端的参考电压Vref的电压也会相应的升高，导致电源调整单元301的输出端的输出电压Vout电压也升高。

如此实现了通过改变PWM波输出模块307的输出端口输出的PWM波的占空比来调节Vout输出电压的目的。由于通过可编程逻辑器件、单片机或者处理器的输出端口输出的PWM波，该PWM波的占空比是通过改变可编程逻辑器件、单片机或者处理器的PWM输出单元中的占空比寄存器中保存的值进行调节的，而寄存器通常至少是8位以上的，也就是说占空比的调节数值至少有2⁸＝256个，那么根据至少256个PWM波的占空比，可以调节出至少256个Vcon电压，也就相应的调节出256个Vout输出电压。这比现有技术中通过几个有限的直流电压(如5V、3.3V、2.8V等)进行调节，具有更多级可变的电压值。所以，通过调节PWM波的占空比实现了Vout输出电压的多级可调。这时，Vout输出电压的电压改变值可以远远多于现有技术中通过可编程逻辑器件的输出端口输出直流电压方式进行调节的Vout输出电压的改变值。

如图4所示，为占空比为33％的PWM波与Vref的电压波示意图；图5为占空比为67％的PWM波与Vref的电压波示意图。

可以看出，对于占空比越大的PWM波，Vref的电压则越高；反之，Vref的电压越低。这样，就可以通过调节PWM波的占空比，达到调节直流电压Vcon，进而改变电源调整单元301的调整端的参考电压Vref，使得电源调整单元301的输出端的输出电压Vout发生改变的目的。

其中，低通滤波单元308和PWM波输出模块307组成了参考电源生成装置，用于改变电源调整单元301调整端的参考电压。

本发明实施例通过改变PWM波的占空比，从而改变了对该PWM波滤波整流后得到的直流电压，并用该直流电压改变电源调整单元的参考电压，从而改变电源调整单元的输出电压的技术，使得电源调整单元的输出电压的变化级数大大增加了，可以适应更多的电压供应场合。

本发明实施例由于采用通过PWM波输出模块的输出端口输出占空比可调的PWM波来控制调节电源调整单元的输出电压，所以在需要改变电源调整单元的输出电压时无需手工调整电阻值，只需通过程序的改变来自动完成对输出电压的调整与改变，提高了调整输出电压的效率。

实施例二

本发明实施例提供了一种控制电源电压输出范围的电路如图6所示，包括：电源调整单元601、低通滤波单元607、第一电阻602、第二电阻603以及PWM波输出模块606。

电源调整单元601包括输入端、输出端和调整端，电源调整单元601的输入端与供电电源相连，给电源调整单元601供电，电源调整单元601根据调整端的输入电压从输出端输出相应的电压作为被供电的电路的供电电压。

第一电阻602和第二电阻603作为电源调整单元601的***电路。第一电阻602连接在电源调整单元601的调整端与输出端之间，第二电阻603连接在电源调整单元601的调整端与地之间。

PWM波输出模块606的输出端口输出PWM波，PWM波输出模块606可以控制该输出端口输出的PWM波的占空比。

电阻Rx604、电容Cx605以及电容Cy608组成低通滤波单元607，连接在电源调整单元601的调整端与PWM波输出模块606的输出端口之间，用于将PWM波输出模块606的输出端口输出的PWM波滤波整流为直流波。在该低通滤波单元607中，电阻Rx604连接在电源调整单元601的调整端与PWM波输出模块606的输出端口之间，电容Cx605连接在PWM波输出模块606的输出端口与地之间，电容Cy608连接在电源调整单元601的调整端与地之间。

与实施例一同样地，电阻Rx604和电容Cx605组成的低通滤波单元607可以将PWM波输出模块606的输出端口输出的PWM波滤波整流为直流波后，用以控制Vref的电压，使得电源调整单元改变输出端的输出电压。

其中，低通滤波单元607和PWM波输出模块606组成了参考电源生成装置，用于改变电源调整单元601调整端的参考电压。

本发明实施例通过改变PWM波的占空比，从而改变了对该PWM波滤波整流后得到的直流电压，并用该直流电压改变电源调整单元的参考电压，从而改变电源调整单元的输出电压的技术，使得电源调整单元的输出电压的变化级数大大增加了，可以适应更多的电压供应场合。

本发明实施例由于采用通过PWM波输出模块的输出端口输出占空比可调的PWM波来控制调节电源调整单元的输出电压，所以在需要改变电源调整单元的输出电压时无需手工调整电阻值，只需通过程序的改变来自动完成对输出电压的调整与改变，提高了调整输出电压的效率。

实施例三

本发明实施例提供了一种控制电源电压输出范围的电路如图7所示，包括：电源调整单元701、低通滤波单元707、第一电阻702、第二电阻703以及PWM波输出模块706。

电源调整单元701包括输入端、输出端和调整端，电源调整单元701的输入端与供电电源相连，给电源调整单元701供电，电源调整单元701根据调整端的输入电压从输出端输出相应的电压作为被供电的电路的供电电压。

第一电阻702连接在电源调整单元701的调整端与输出端之间，第二电阻703连接在电源调整单元701的调整端与地之间。

PWM波输出模块706的输出端口输出PWM波，PWM波输出模块706可以控制该输出端口输出的PWM波的占空比。

电阻Rx704和电容Cx705组成低通滤波单元707，连接在电源调整单元701与PWM波输出模块706的输出端口之间，用于将PWM波输出模块706的输出端口输出的PWM波滤波整流为直流波。在该低通滤波单元707中，电阻Rx704连接在电源调整单元701的调整端与PWM波输出模块706的输出端口之间，电容Cx705连接在电源调整单元701的调整端与地之间。

与实施例一同样地，电阻Rx704和电容Cx705组成的低通滤波单元707可以将PWM波输出模块706的输出端口输出的PWM波滤波整流为直流波，用以控制Vref的电压，使得电源调整单元改变输出端的输出电压。

其中，低通滤波单元707和PWM波输出模块706组成了参考电源生成装置，用于改变电源调整单元701调整端的参考电压。

本发明实施例通过改变PWM波的占空比，从而改变了对该PWM波滤波整流后得到的直流的电压，并用该电压改变电源调整单元的参考电压，从而改变电源调整单元的输出电压的技术，使得电源调整单元的输出电压的变化级数大大增加了，可以适应更多的电压供应场合。

本发明实施例由于采用通过PWM波输出模块的输出端口输出占空比可调的PWM波来控制调节电源调整单元的输出电压，所以在需要改变电源调整单元的输出电压时无需手工调整电阻值，只需通过程序的改变来自动完成对输出电压的调整与改变，提高了调整输出电压的效率。

以上实施例的PWM波输出模块可以在电路板中已有的逻辑器件或者处理器中添加一个PWM波输出功能实现，而低通滤波单元主要是由电阻、电容构成，是一个成本十分低廉的电源调节方案，相对于其它实现多级电压调节的方法，如采用数模转换器输出可调电压的方法而言，成本较低。

以上的实施例在不同的应用场合还可以具有如下的有益效果：

当现场单板出现故障时，而该故障主要是由于供电电压不合适引起的，则可以通过在现场升级版本改变程序，微调PWM波的占空比，进而微调了电源调整单元的输出电压，从而给单板提供合适的电压，这样提高了***的稳定性和可靠性，并避免了返回单板进行维修，节约了返回维修的成本。

在大批量生产与测试单板的过程中，可以通过软件自动调节PWM波的占空比，从而调节了电源调整单元的输出电压，可以使得单板的供电电压自动调整到电压极值范围内的任意值，观察与检测单板的集成电路的性能是否满足要求，提高了大批量生产过程中对单板产品的测试效率。

在对单板进行调试时，可以通过软件调节PWM波的占空比，从而改变电源调整单元的输出电压，也就是改变了单板的供电电压，增加了调试手段。

本领域技术人员可以根据本发明实施例公开的技术轻易实现其它变化种类的低通滤波单元，来实现对PWM波的滤波整流，从而调节电源的参考电压，达到调节电源输出电压的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种电源输出电压控制装置，其特征在于，由电源调整单元、第一电阻、第二电阻、PWM波输出模块和低通滤波单元组成，其中：

所述第一电阻连接在所述电源调整单元的调整端与输出端之间，所述第二电阻连接在所述电源调整单元的调整端与地之间；

所述PWM波输出模块，用于在其输出端口输出设定占空比的PWM波；

所述低通滤波单元，连接在所述PWM波输出模块的输出端口和电源调整单元的调整端之间，用于对所述PWM波输出模块输出的PWM波进行滤波；

所述低通滤波单元包括：

第五电阻，连接于所述电源调整单元的调整端与所述PWM波输出模块的输出端口之间；

第二电容，连接于所述电源调整单元的调整端与地之间。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低通滤波单元还包括：

第三电阻，一端连接所述第一电阻和所述第二电阻的连接点，另一端连接所述第五电阻和所述第二电容的连接点。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低通滤波单元还包括：

第三电容，连接于所述PWM波输出模块的输出端口与地之间。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PWM波输出模块为复杂可编程逻辑器件CPLD、电可擦除可编程逻辑器件EPLD、现场可编程门阵列FPGA或者单片机。

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