CN104767382B - 电源供应装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电源供应装置及其控制方法，此电源供应装置包括电源产生模块、检测模块与控制模块。电源产生模块用以依据控制信号产生测试电压与负载电流。检测模块用以检测外部负载所接收到的测试电流与测试电压。控制模块用以依据测试电压设定值产生控制信号。其中，当测试电压设定值被转换时，控制模块依据目前时间点的测试电流、测试电流为零时的负载电流以及测试电流为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。

Description

电源供应装置及其控制方法

技术领域

本发明有关于一种电源供应装置及其控制方法，且特别是有关于一种可自动调整测试电压设定值的转换速度(slew rate)的电源供应装置及其控制方法。

背景技术

请参照图1，图1为根据现有的可编程电源供应器于向下调整输出电压时的波形图。如图1所示，现有的可编程电源供应器的提供给外部负载的测试电压于依据可编程电源供应器内部的测试电压设定值而上拉时，测试电压皆可以符合可编程电源供应器内部的测试电压设定值，使得可编程电源供应器所输出的测试电压可以依据测试电压设定值的转换速度(slew rate)而产生对应的变化，例如图1中的时间点t1～时间点t4的时间区间。此时，由于测试电压可以紧追着测试电压设定值的转换速度，使得可编程电源供应器中的控制器会持续地对开关晶体管提供控制信号，使得控制器会持续地在致能状态。

然而，当可编程电源供应器于调降提供给外部负载的测试电压时(即图1中的时间点t4～时间点t5的时间区间)，可编程电源供应器会因为测试电压设定值的转换速度过于快速，使得提供给外部负载的测试电流会快速地变小，导致可编程电源供应器内部的负载电流会随着变小，而当负载电流小于可编程电源供应器中的储能电容的放电电流时，储能电容会开始对外部负载进行放电，但因为储能电容的放电速度较慢的关系，使得测试电压的下降速度慢于测试电压设定值的转换速度。藉此，可编程电源供应器中的控制器于时间点t4～时间点t5的时间区间时会判断出测试电压的电压位准大于测试电压设定值，而停止对开关晶体管提供控制信号，使得控制器会进入禁能状态。同一时间，测试电压的电压位准会随着储能电容的放电时间的增加而逐渐降低。

接着，当可编程电源供应器中的控制器判断出测试电压小于测试电压设定值时(即时间点t5)，控制器会预备进入致能状态，然而，在控制器会进入致能状态之前会需要一段唤醒时间(即时间点t5～时间点t6的时间区间)，但在此段唤醒时间中，测试电压仍然会持续地下降，而导致测试电压产生下冲(undershoot)现象(即时间点t6)。

另外，当可编程电源供应器中的控制器重新进入致能状态时，由于控制器以判断出测试电压小于测试电压设定值，使得控制器会将控制信号的责任周期加大，以使测试电压可以重新追上测试电压设定值，如时间点t6～时间点t7的时间区间所示。当控制器判断出测试电压已趋近于测试电压设定值时，控制器会将控制信号的责任周期降低，以使测试电压可以符合测试电压设定值。

发明内容

有鉴于以上的问题，本发明提出一种电源供应装置及其控制方法，其通过检测提供给外部负载的测试电流而动态地调整测试电压设定值的转换速度，以使提供给外部负载的测试电压的电压位准可以追随的上测试电压设定值的转换速度。

根据本发明一实施例中的一种电源供应装置，此电源供应装置用以对外部负载提供测试电压与测试电流，且此电源供应装置主要包括电源产生模块、检测模块以及控制模块。电源产生模块用以依据控制信号产生测试电压与负载电流。检测模块电性连接外部负载，且此检测模块用以检测外部负载所接收到的测试电流与测试电压。控制模块电性连接于检测模块与电源产生模块的间，且此控制模块用以依据测试电压设定值产生控制信号。其中，当测试电压设定值欲由第一电压位准转换为第二电压位准时，控制模块依据目前时间点的测试电流、测试电流为零时的负载电流以及测试电流为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。

根据本发明一实施例中的一种电源供应装置控制方法，此电源供应装置控制方法用于电源供应装置对外部负载提供测试电压与与测试电流。此电源供应装置控制方法的步骤流程分别如下所述。依据控制信号产生测试电压与负载电流，其中控制信号系依据测试电压设定值而产生，测试电流系为负载电流分流而产生。检测外部负载所接收到的测试电流与测试电压。当测试电压设定值欲由第一电压位准转换为第二电压位准时，电源供应装置依据目前时间点的测试电流、测试电流为零时的负载电流以及测试电流为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。

综合以上所述，本发明提供一种电源供应装置及其控制方法，此电源供应装置及其控制方法于测试电压设定值欲由第一电压位准转换为第二电压位准时，电源供应装置会依据目前时间点提供给外部负载的测试电流，计算出目前时间点的外部负载的测试电压的瞬间变化量，而动态地调整下一个时间点的测试电压设定值，以使提供给外部负载的测试电压的电压位准可以随时地符合测试电压设定值。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明系用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1为根据现有的可编程电源供应器于向下调整输出电压时的波形图。

图2为根据本发明一实施例的电源供应装置的功能方块图。

图3为根据图2的电源产生模块的电路示意图。

图4为根据本发明一实施例的电源供应装置于向下调整输出电压时的波形图。

图5为根据本发明一实施例的电源供应装置控制方法的步骤流程图。

其中，附图标记：

1电源供应装置

10电源产生模块

100虚拟负载

M1开关晶体管

D1二极管

L电感

C储能电容

12检测模块

14控制模块

2输入电压

3外部负载

I_A负载电流

I_D虚拟电流

I_O测试电流

V_O测试电压

V1第一电压位准

V2第二电压位准

t1～t7时间点

S500～S504步骤流程

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求保护范围及附图，任何本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

〔电源供应装置的一实施例〕

请一并参照图2与图3，图2为根据本发明一实施例的电源供应装置的功能方块图；图3为根据图2的电源产生模块的电路示意图。如图2所示，此电源供应装置1用以接收输入电压2以对外部负载3提供测试电压以及测试电流。此电源供应装置1主要包括电源产生模块10、检测模块12以及控制模块14。其中，检测模块12电性连接于外部负载3、电源产生模块10以及控制模块14之间，且控制模块14电性连接于电源产生模块10与检测模块12之间。于实务上，电源供应装置1为一种可编程电源供应器(programmable power supply)。以下将分别就电源供应装置1中的各部功能模块作详细的说明。

电源产生模块10用以接收输入电压2，并依据控制模块14所产生的控制信号产生上述的测试电压与负载电流。为了更清楚地说明电源产生模块10产生测试电压与负载电流的过程，请参照图3。如图3所示，电源产生模块10包括有开关晶体管M1、电感L、二极管D1、虚拟负载100以及储能电容C。

开关晶体管M1的第一端接收输入电压2，开关晶体管M1的第二端电性连接二极管D1的阴极以及电感L的一端，开关晶体管M1的控制端接收控制模块14所产生的控制信号，此控制信号用以控制开关晶体管M1的导通状态。电感L的另一端电性连接检测模块12，亦即电感L电性连接于开关晶体管M1的第二端与检测模块12之间。虚拟负载100的一端与储能电容C的一端皆分别电性连接于电感L与检测模块12之间，且虚拟负载100的另一端、储能电容C的另一端与二极管D1的阳极皆分别电性连接接地电位。

在实际的操作中，开关晶体管M1的第一端会持续地接收输入电压2，当开关晶体管M1的控制端接收控制模块14所产生的控制信号时，开关晶体管M1会依据控制信号的责任周期(duty cycle，亦称占空比)而选择性地导通，进而使得开关晶体管M1可以依据控制信号的责任周期而对外部负载3提供不同电压位准的测试电压V_O以及不同电流大小的测试电流I_O。此外，虚拟负载100用以对由电感L所输出的负载电流I_A进行分流，亦即虚拟负载100用以接收由负载电流I_A所分流出的虚拟电流I_D，测试电流I_O为负载电流I_A经分流而产生的电流。本发明在此不加以限制虚拟负载100的阻抗值，于所属技术领域的技术人员可以依据电源供应装置1的实际供电需求而径行设计出合理的参数，换句话说，于本发明实施例中虚拟电流I_D的实际电流大小为已知的设计值。一般来说，虚拟电流I_D与测试电流I_O的总合实质上会等于负载电流I_A。

于本发明实施例中，开关晶体管M1为一种金属氧化物半导体场效晶体管(metaloxide semiconductor field effect transistor，MOSFET，亦称金氧半场效晶体管)，且开关晶体管M1的第一端即为金氧半场效晶体管的漏极(drain)，开关晶体管M1的第二端即为金氧半场效晶体管的源极(source)，开关晶体管M1的控制端即为金氧半场效晶体管的栅极(gate)。然而，本发明在此不加以限制开关晶体管M1的类型，亦即于所属领域的技术人员亦可将金氧半场效晶体管替换为双极性接面型晶体管(bipolar junction transistor，BJT，亦称双极性晶体管、三极体)或是绝缘闸双极性晶体管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)。

检测模块12用以检测外部负载3所接收到的测试电压V_O以及测试电流I_O，其主要包括有一个电流检测单元与一个电压检测单元。控制模块14用以依据测试电压设定值而产生上述的控制信号，此测试电压设定值为电源供应装置1所欲对外部负载3提供测试电压V_O时的期望电压值，换句话说，此测试电压设定值用以使外部负载3所接收到的测试电压V_O可以符合测试电压设定值中的电压位准，使得测试电压V_O可以追随着测试电压设定值的变化而变化。于实务上，控制模块14更包括有一个驱动器与一个控制器，控制器用以对驱动器进行控制，以使驱动器可以驱动开关晶体管M1。其中，控制器更可以包括有模拟/数字转换器(analog/digital converter)、场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)以及补偿器(compensator)。由于上述的电路元件已被本技术领域的技术人员所知悉，故不再特别赘述。

值得注意的是，当测试电压设定值欲由第一电压位准V1转换为第二电压位准V2时，控制模块14会依据目前时间点的测试电流I_O、测试电流I_O为零时的负载电流I_A以及测试电流I_O为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。于本发明实施例中，测试电压设定值的瞬间变化量可视为测试电压设定值的转换速度(slew rate)，其单位一般为伏特/毫秒(volt/msec)。

更详细来说，当测试电压设定值欲由第一电压位准V1转换为第二电压位准V2时，控制模块14会依据下列的数学式，而计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量：

其中，表示目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，I_OX表示目前时间点的测试电流I_O，表示测试电流I_O为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，m系为一个定值。此外，X系用以表示测试电压设定值欲由第一电压位准V1转换为第二电压位准V2时的其中一个时间点。

藉此，当测试电压设定值欲由第一电压位准V1转换为第二电压位准V2时，控制模块14可以依据检测模块12于目前时间点所检测到的测试电流I_O(即I_OX)、测试电流I_O为零时的负载电流I_A(即虚拟电流I_D)、测试电流I_O为零时的测试电压设定值的瞬间变化量以及已知的定值(即m)，而计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，进而使得控制模块14可以依据所计算出的目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，来对下一个时间点的测试电压设定值进行调整，据以使得下一个时间点的测试电压设定值会等于目前时间点的测试电压设定值与目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量的总合。

此外，上述的已知的定值m更可以下列的数学式而获得：

其中，表示测试电压设定值的最大瞬间变化量，I_O2表示测试电压设定值在最大瞬间变化量时的测试电流I_O。系由测试电流I_O为零时的负载电流I_A(即虚拟电流I_D)除以储能电容C的电容值而获得，由I_O2除以储能电容C的电容值而获得。

请参照图4，图4为根据本发明一实施例的电源供应装置于向下调整输出电压时的波形图。如图4所示，当电源供应装置1于时间点t1～时间点t2时，测试电压设定值欲固定为第二电压位准V2，此时控制模块14会依据此时段的测试电压设定值(即第二电压位准V2)而产生对应的控制信号，举例来说，此时控制信号的责任周期可以为四分之一，使得电源产生模块10可以依据此时控制信号的责任周期产生电压位准为第二电压位准V2的测试电压V_O，据以使得时间点t1～时间点t2的时间区间的测试电压V_O可以符合当时的测试电压设定值。

当电源供应装置1于时间点t2～时间点t3时，测试电压设定值欲由第二电压位准V2上拉至第一电压位准V1，此时控制模块14会依据此时段的测试电压设定值的转换速度而产生对应的控制信号，举例来说，此时控制信号的责任周期可以由四分之一逐渐递增至二分之一，使得电源产生模块10可以依据此时控制信号的责任周期而对应地产生逐渐上拉的测试电压V_O，据以使得时间点t2～时间点t3的时间区间的测试电压V_O可以符合当时的测试电压设定值。

当电源供应装置1于时间点t3～时间点t4时，由于测试电压设定值已上拉至第一电压位准V1，此时控制模块14会依据此时段的测试电压设定值(即第一电压位准V1)而产生对应的控制信号，举例来说，此时控制信号的责任周期可以为二分之一，使得电源产生模块10可以依据此时控制信号的责任周期而对应地产生电压位准为第一电压位准V1的测试电压V_O，据以使得时间点t3～时间点t4的时间区间的测试电压V_O可以符合当时的测试电压设定值。

当测试电压设定值欲由第一电压位准V1下拉至第二电压位准V2(即时间点t4～时间点t5的时间区间)时，此时原本储存于储能电容C的电能会通过外部负载3进行放电，使得控制模块14会依据检测模块12于时间点t4～时间点t5中的其中一个时间点所检测到的测试电流I_O，而动态地调整测试电压设定值于下一个时间点的设定值，进而使得控制模块14可以依据下一个时间点的测试电压设定值而产生对应的控制信号，据以使得下一个时间点的测试电压设定值趋近于电源产生模块10实际所能产生的测试电压V_O。

值得注意的是，由于控制模块14会依据检测模块12于时间点t4～时间点t5中的其中一个时间点所检测到的测试电流I_O，而动态地调整测试电压设定值于下一个时间点的设定值，使得控制信号的责任周期会由第一数值逐渐递减为第二数值，且第二数值不等于零(亦即时间点t4～时间点t5的时间区间的控制信号不会被禁能)。举例来说，于时间点t4～时间点t5的时间区间中，控制信号的责任周期会由二分之一逐渐递减为四分之一。

当电源供应装置1于时间点t5之后，由于测试电压设定值已下拉至第二电压位准V2，此时控制模块14会依据此时段的测试电压设定值(即第二电压位准V2)而产生具有固定责任周期的控制信号，使得电源产生模块10可以依据此时控制信号的责任周期而对应地产生电压位准为第二电压位准V2的测试电压V_O，据以使得时间点t5之后的时间区间的测试电压V_O可以固定在电压位准为第二电压位准V2的测试电压设定值。

〔电源供应装置控制方法的一实施例〕

请一并参照图2～图5，图5为根据本发明一实施例的电源供应装置控制方法的步骤流程图。如图5所示，此电源供应装置控制方法适用于图2的电源供应装置1，以使电源供应装置1可以对外部负载3提供测试电压V_O与测试电流I_O。所述的电源供应装置控制方法的步骤流程依序如下所述。

在步骤S500中，电源供应装置1会依据控制信号产生测试电压V_O与负载电流I_A，其中控制信号依据电源供应装置1的测试电压设定值而产生，而测试电流I_O由负载电流I_A分流而产生(如图3所示)。在步骤S502中，电源供应装置1会检测外部负载3所接收到的测试电压V_O与测试电流I_O。在步骤S504中，当测试电压设定值欲由第一电压位准V1转换为第二电压位准V2时，电源供应装置1会依据目前时间点的测试电流I_O、测试电流I_O为零时的负载电流IA以及测试电流I_O为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。

于其中一个实施例中，第一电压位准V1大于第二电压位准V2，且当测试电压设定值欲由第一电压位准V1转换为第二电压位准V2时，控制信号的责任周期由第一数值逐渐递减为第二数值，第二数值不等于零。

此外，在步骤S504中，电源供应装置1以下列的数学式，而计算出目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量：

其中，表示目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，I_OX表示目前时间点的测试电流I_O，表示测试电流I_O为零时的测试电压设定值的瞬间变化量，m系为一个定值。

此外，上述的已知的定值m更可以下列的数学式而获得：

其中，表示测试电压设定值的最大瞬间变化量，I_O2表示测试电压设定值在最大瞬间变化量时的测试电流I_O。由测试电流I_O为零时的负载电流I_A(即虚拟电流I_D)除以储能电容C的电容值而获得，系由I_O2除以储能电容C的电容值而获得。

〔实施例的可能功效〕

综合以上所述，本发明实施例提供一种电源供应装置及其控制方法，此电源供应装置及其控制方法于测试电压设定值欲由第一电压位准转换为第二电压位准时，电源供应装置会依据目前时间点提供给外部负载的测试电流，计算出目前时间点的外部负载的测试电压的瞬间变化量，而动态地调整下一个时间点的测试电压设定值，以使提供给外部负载的测试电压的电压位准可以随时地符合测试电压设定值。藉此，本发明实施例的电源供应装置及其控制方法由于不需增加额外的硬体线路，即可使电源供应装置在调降测试电压时的同一个时间点的测试电压设定值与测试电压之间的差值在一个预设阀值内，使得电源供应装置中的控制模块可以持续地对电源产生模块提供控制信号，而使得测试电压不会产生下冲(undershoot)现象，十分具有实用性。

Claims (10)

1.一种电源供应装置，用以对一外部负载提供一测试电压与一测试电流，其特征在于，该电源供应装置包括：

一电源产生模块，用以依据一控制信号产生该测试电压与一负载电流；

一检测模块，电性连接该外部负载，用以检测该外部负载所接收到的该测试电流与该测试电压；以及

一控制模块，电性连接于该检测模块与该电源产生模块之间，用以依据一测试电压设定值产生该控制信号；

其中，当该测试电压设定值欲由一第一电压位准转换为一第二电压位准时，该控制模块依据目前时间点的测试电流、测试电流为零时的测试电压设定值的瞬间变化量、测试电压设定值在最大瞬间变化量时的测试电流、以及测试电压设定值的最大瞬间变化量，计算目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。

2.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，该第一电压位准大于该第二电压位准，且当该测试电压设定值欲由该第一电压位准转换为该第二电压位准时，该控制信号的责任周期由一第一数值逐渐递减为一第二数值，该第二数值不等于零。

3.如权利要求1所述的电源供应装置，其特征在于，该电源产生模块还包括：

一开关晶体管，该开关晶体管的第一端接收一输入电压，该开关晶体管的第二端电性连接该检测模块，该开关晶体管的控制端接收该控制信号，该控制信号用以控制该开关晶体管的导通状态；

一电感，电性连接于该开关晶体管的第二端与该检测模块之间；

一二极管，该二极管的阴极电性连接于该开关晶体管的第二端与该电感之间，该二极管的阳极电性连接一接地电位；

一虚拟负载，该虚拟负载的一端电性连接于该电感与该检测模块之间，该虚拟负载的另一端电性连接该接地电位，该虚拟负载用以接收由该负载电流分流出的一虚拟电流；以及

一储能电容，该储能电容的一端电性连接于该电感与该检测模块之间，该储能电容的另一端电性连接该接地电位。

4.如权利要求3所述的电源供应装置，其特征在于，该控制模块依据下列数学式来调整下一个时间点的该测试电压设定值：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{SX}}{dt}=m*I_{OX}+\frac{{\mathrm{dV}}_{S1}}{dt}$

其中，表示目前时间点的该测试电压设定值的瞬间变化量，I_OX表示目前时间点的该测试电流，表示该测试电流为零时的该测试电压设定值的瞬间变化量，m为定值。

5.如权利要求4所述的电源供应装置，其特征在于，且表示该测试电压设定值的最大瞬间变化量，I_O2表示该测试电压设定值在最大瞬间变化量时的该测试电流。

6.如权利要求5所述的电源供应装置，其特征在于，由该测试电流为零时的负载电流除以该储能电容的电容值而获得，由I_O2除以该储能电容的电容值而获得。

7.一种电源供应装置控制方法，用于一电源供应装置对一外部负载提供一测试电压与与一测试电流，其特征在于，该电源供应装置控制方法包括：

依据一控制信号产生该测试电压与一负载电流，其中该控制信号依据一测试电压设定值而产生，该测试电流为该负载电流分流而产生；

检测该外部负载所接收到的该测试电流与该测试电压；以及

当该测试电压设定值欲由一第一电压位准转换为一第二电压位准时，该电源供应装置依据目前时间点的测试电流、测试电流为零时的测试电压设定值的瞬间变化量、测试电压设定值在最大瞬间变化量时的测试电流、以及测试电压设定值的最大瞬间变化量，计算目前时间点的测试电压设定值的瞬间变化量，以调整下一个时间点的测试电压设定值。

8.如权利要求7所述的电源供应装置控制方法，其特征在于，该第一电压位准大于该第二电压位准，且当该测试电压设定值欲由该第一电压位准转换为该第二电压位准时，该控制信号的责任周期由一第一数值逐渐递减为一第二数值，该第二数值不等于零。

9.如权利要求7所述的电源供应装置控制方法，其特征在于，该电源供应装置控制方法依据下列数学式来调整下一个时间点的该测试电压设定值：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{SX}}{dt}=m*I_{OX}+\frac{{\mathrm{dV}}_{S1}}{dt}$

其中，表示目前时间点的该测试电压设定值的瞬间变化量，I_OX表示目前时间点的该测试电流，表示该测试电流为零时的该测试电压设定值的瞬间变化量，m为定值。

10.如权利要求9所述的电源供应装置控制方法，其特征在于，且表示该测试电压设定值的最大瞬间变化量，I_O2表示该测试电压设定值在最大瞬间变化量时的该测试电流，且由该测试电流为零时的负载电流除以该电源供应装置中的储能电容的电容值而获得，由I_O2除以该电源供应装置中的储能电容的电容值而获得。