TWI383565B - 線性調變電源轉換器電路結構 - Google Patents

線性調變電源轉換器電路結構 Download PDF

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Description

線性調變電源轉換器電路結構
本發明係為一種線性調變電源轉換器電路結構，更特別係為一種應用於即時變壓之線性調變電源轉換器電路結構。
電源轉換器的功能是將一輸入電源轉換為一特定規格之輸出電源，例如將輸入電流轉換後調整至特定電壓輸出…等。而常見之類比電源轉換器則是運用兩個分壓電阻來達到降壓至特定電壓的目的。
第1圖係為習知之電源轉換器電路結構示意圖。第2圖係為習知之電源轉換器之閉方塊示意圖。
如第1圖所示，習知電源轉換器10之電路結構具有一功率級單元30，一分壓單元40，一誤差放大器50，及一迴授控制器60，並將迴授控制器60之輸出端串接於功率級單元30。
其中，功率級單元30具有升壓、降壓、及升降壓之功效，以將輸入電源20轉換為特定規格之輸出電源。
分壓單元40係串接於功率級單元30，並且分壓單元40可包括兩個分壓電阻，以藉由不同的分壓電阻來達到輸出不同比例電壓之分壓訊號VR ，進而適用於負載電路之電壓規格需求，並將所輸出之分壓訊號VR 輸送至誤差放大器50。
誤差放大器50包括一第一阻抗51、一第二阻抗52及一放大器53。誤差放大器50係用以接收分壓訊號VR 並與一參考電壓VRef 做比較，可將兩者之電壓差放大，並輸出一誤差增益控制訊號EGS至迴授控制器60，以供功率級單元30升壓、降壓、升降壓之判斷依據。
迴授控制器60可以是一脈波寬度調變器61，並可將誤差增益控制訊號EGS之脈波寬度進行調變，以迴授並適用於功率級電路之增益控制訊號GCS。其中，管制電壓VMag 則是將誤差增益控制訊號EGS進行脈波寬度調變時所需之參數。
如第2圖所示，功率級單元30、分壓單元40、誤差放大器50及迴授控制器60形成一閉迴圈電路，以穩定、持續迴授，並輸出適合特定負載電路需求之特定電壓規格。
目前傳統之電源轉換器10僅適用於特定電壓規格之負載電路，因此若要適用於不同電壓規格的負載電路，必須要改變電源轉換器10輸出之電壓。
常見之方法一便是使用可變電阻作為分壓單元40，然而使用可變電阻的缺點是：必須藉由手動來調整電阻值，且在手動的情形下有可能發生過調整而使電路損毀之顧慮，亦無法達到即時調整之效果。
常見之方法二是改變參考電壓VRef ，來達到改變誤差放大器50輸出之誤差增益控制訊號EGS，然而由於類比電路之參考電壓VRef 已預先內建於電路中，因此無法改變，所以此方法僅適用於數位式電源轉換器，但是在完成燒入IC動作之電路，所有分壓亦已固定，因此無法使用改變參考電壓VRef 之方式來改變輸出電壓。
本發明係為一種線性調變之電源轉換器電路架構，藉由線性調變單元之設置，以適用於不同電壓規格需求之負載電路，可即時調整輸出不同之電壓規格。
本發明係為一種線性調變之電源轉換器電路架構，藉由線性調變單元之設置，可產生線性電壓差訊號來達到輸出線性調變電壓之功效。
為達上述功效，本發明係提供一種線性調變電源轉換器電路結構，其包括：一功率級單元，其係接收一電源並將電源調整後輸出一第一電壓；一分壓單元，電性連接於功率級單元之輸出端，於接收第一電壓後輸出一分壓訊號；一線性調變單元，其係接收分壓訊號及一控制電壓以輸出一誤差電壓訊號；一誤差放大器，其係接收誤差電壓訊號，並以誤差電壓訊號為其參考電壓而與分壓訊號比較，以產生一誤差增益控制訊號；以及一迴授控制器，其係接收誤差增益控制訊號以輸出一增益控制訊號至功率級單元，以調變第一電壓。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、由於具有線性調變單元之線性調變電源轉換器電路結構具有優異之可適性輸出電壓，因此可適用於多種不同電壓規格需求之負載電路。
二、具有線性調變單元之線性調變電源轉換器電路結構，在更換負載電路後，無須更動電路架構即可自行升壓、降壓、升降壓，來即時追隨負載電路所需之電壓規格，以使得可適用之負載電路範圍更為廣泛。
三、應用線性調變單元可使次級換流器電路單一化，無須因負載電路的不同而更換次級換流器電路。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第3圖係為本發明之一種線性調變電源轉換器電路結構之實施例圖。第4圖係為本發明之一種線性調變單元電路之實施例圖。第5圖係為本發明之一種線性調變電源轉換器電路結構之閉方塊實施例圖。
如第3圖所示，本實施例為一種線性調變電源轉換器電路結構100，其包括：一功率級單元30、一分壓單元40、一線性調變單元70、一誤差放大器50，以及一迴授控制器60。
功率級單元30係接收一電源20並將電源20調整後輸出一第一電壓V1 ，而功率級單元30具有升壓、降壓、及升降壓之功效。
分壓單元40係電性連接於功率級單元30之輸出端，於接收第一電壓V1 之後，輸出分壓訊號VR 。分壓單元40可以包括兩個分壓電阻，例如第一電阻R1 及第二電阻R2 ，而第一電阻R1 與第二電阻R2 係串聯於功率級單元30之輸出端與一接地端之間，並且於第一電阻R1 及第二電阻R2 間具有一分壓輸出端以輸出分壓訊號VR 。
線性調變單元70係接收分壓訊號VR 及一控制電壓VCtrl ，以輸出一誤差電壓訊號EVS，其中控制電壓VCtrl 為預先設置之電壓準位。又線性調變單元70內可以包括一阻抗匹配單元71以及一加法器72。
請同時參閱第4圖，阻抗匹配單元71主要用以接收分壓單元40所輸出之分壓訊號VR 及控制電壓VCtrl ，並輸出一第一訊號S1 及一第二訊號S2 。阻抗匹配單元71可包括：一第一射極隨耦器711及一第二射極隨耦器712，其中第一射極隨耦器711係接收分壓訊號VR 並作用輸出第一訊號S1 ，而第二射極隨耦器712則接收控制電壓VCtrl 並作用輸出第二訊號S2 。
加法器72係將第一訊號S1 及第二訊號S2 相加，以產生誤差電壓訊號EVS。加法器72可以是由一運算放大器721所組成，並且運算放大器721的反向輸入端又至少可再進一步串接有一第三電阻R3 及一第四電阻R4 ，用以作為加法器72輸入端之穩壓及追隨之用。
如第3圖所示，又為了使誤差電壓訊號EVS之相位可適用於誤差放大器50之輸入訊號相位，所以可在線性調變單元70及誤差放大器50間進一步設置一反相器80。請同時參閱第4圖，反相器80可以是由一運算放大器81所組成，用以接收誤差電壓訊號EVS並使其相位反轉，以產生經過反相的誤差電壓訊號NEVS。在沒有設置反相器80的情況下，誤差電壓訊號EVS則會直接輸入誤差放大器50。
如第3圖所示，誤差放大器50係接收經過反相的誤差電壓訊號NEVS及分壓訊號VR ，並以誤差電壓訊號NEVS作為參考電壓VRef ，將其視為線性放大電壓差訊號之參數，並將兩者之電壓差作線性調整，以產生誤差增益控制訊號EGS。其中，第一阻抗51係連接於放大器53的輸入端及輸出端之間，而第二阻抗52則連接於放大器53的輸入端，並且用以穩壓及達到阻抗匹配之功效。
迴授控制器60係接收誤差增益控制訊號EGS及一管制電壓VMag ，以輸出一增益控制訊號GCS至功率級單元30，以調變第一電壓V1 。迴授控制器60可以為一脈波寬度調變器61，增益控制訊號GCS則為一脈波寬度調變訊號。迴授控制器60可將誤差增益控制訊號EGS之脈波寬度進行調變，以輸出適用於迴授至功率級單元30之增益控制訊號GCS，進而作為功率級單元30控制第一電壓V1 升壓、降壓、升降壓之判斷依據。其中，管制電壓VMag 則是將誤差增益控制訊號EGS進行脈波寬度調變時所需之參數。
茲舉例說明控制原理如下：
狀況一：當控制電壓VCtrl 預設為零之時，假設預先配置之負載電路之電壓為2.5伏特，此時分壓單元40所輸出之分壓訊號VR 即為參考電壓VRef (VRef =VR )，參考電壓VRef 會隨著負載電壓的增加(VRef =VR >2.5伏特)而線性上升，並經由誤差放大器50傳遞訊息至迴授控制器60做調節之動作，迫使分壓單元40之分壓訊號VR 降低至正常電位(VRef =VR =2.5伏特)。
若當負載電壓下降時，參考電壓VRef 會隨著負載電壓的減少而線性下降，並經由誤差放大器50傳遞訊息至迴授控制器60做調節之動作，以使分壓單元40之分壓訊號VR 提升至正常電位(VRef =VR =2.5伏特)。因此，當控制電壓VCtrl 為零之時，並不會對線性調變電源轉換器電路結構100之穩定性有所影響。
狀況二：當控制電壓VCtrl 預設為正電位之時，可由狀況一得知分壓單元40所輸出之分壓訊號VR 追隨負載電路之電壓並做出線性的調整，因此可推得VRef =VR +VCtrl 之關係式，意即參考電壓VRef 不僅會隨負載電壓變化，更會增加一幅度為控制電壓VCtrl 的升壓((VRef =2.5伏特+VCtrl )>2.5伏特)，此時將傳送調降電壓的訊號至迴授控制器60，即可線性調降電壓。
狀況三：當控制電壓VCtrl 預設為負電位之時，可由狀況一得知分壓單元40所輸出之分壓訊號VR 可視為追隨負載之電壓並做出線性的調整，因此可推得VRef =VR +(-VCtrl )之關係式，意即參考電壓VRef 不僅會隨負載電壓變化，更會降低一幅度為控制電壓VCtrl 的降壓((VRef =2.5伏特+(-VCtrl ))<2.5伏特)，此時將傳送調昇電壓訊號至迴授控制器60，即可線性調昇電壓。
如第5圖所示，功率級單元30、分壓單元40、線性調變單元70、反相器80、誤差放大器50及迴授控制器60形成一閉迴圈電路，以穩定、持續、且可即時迴授升壓、降壓、升降壓之參數，以輸出適合特定負載電路需求之特定規格電壓。
相較於傳統之電源轉換器，線性調變電源轉換器電路結構100具有極佳之可適性，藉由線性調變單元70之配置，可以適用於多種電壓規格之負載電路，無須串接額外之電壓轉換器即可符合負載電路之電壓需求。另外，更換負載電路時，無須更動電路架構即可即時升壓、降壓、升降壓，來追隨上負載電路所需之電壓規格。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10．．．習知電源轉換器
100．．．線性調變電源轉換器電路結構
20．．．電源
30．．．功率級單元
40．．．分壓單元
50．．．誤差放大器
51．．．第一阻抗
52．．．第二阻抗
53．．．放大器
60．．．迴授控制器
61．．．脈波寬度調變器
70．．．線性調變單元
71．．．阻抗匹配單元
711．．．第一射極隨耦器
712．．．第二射極隨耦器
72．．．加法器
721．．．運算放大器
80．．．反相器
81．．．運算放大器
V1 ．．．第一電壓
VR ．．．分壓訊號
VRef ．．．參考電壓
VMag ．．．管制電壓
VCtrl ．．．控制電壓
R1 ．．．第一電阻
R2 ．．．第二電阻
R3 ．．．第三電阻
R4 ．．．第四電阻
S1 ．．．第一訊號
S2 ．．．第二訊號
EGS．．．誤差增益控制訊號
GCS．．．增益控制訊號
EVS．．．誤差電壓訊號
NEVS．．．反相的誤差電壓訊號
第1圖係為習知之電源轉換器電路結構示意圖。
第2圖係為習知之電源轉換器之閉方塊示意圖。
第3圖係為本發明之一種線性調變電源轉換器電路結構之實施例圖。
第4圖係為本發明之一種線性調變單元電路之實施例圖。
第5圖係為本發明之一種線性調變電源轉換器電路結構之閉方塊實施例圖。
100‧‧‧線性調變電源轉換器電路結構
20‧‧‧電源
30‧‧‧功率級單元
40‧‧‧分壓單元
50‧‧‧誤差放大器
51‧‧‧第一阻抗
52‧‧‧第二阻抗
53‧‧‧放大器
60‧‧‧迴授控制器
61‧‧‧脈波寬度調變器
70‧‧‧線性調變單元
71‧‧‧阻抗匹配單元
72‧‧‧加法器
80‧‧‧反相器
V1‧‧‧第一電壓
VR‧‧‧分壓訊號
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
VCtrl‧‧‧控制電壓
S1‧‧‧第一訊號
S2‧‧‧第二訊號
EVS‧‧‧誤差電壓訊號
NEVS‧‧‧反相誤差電壓訊號
VMag‧‧‧管制電壓
EGS‧‧‧誤差增益控制訊號
GCS‧‧‧增益控制訊號

Claims (8)

  1. 一種線性調變電源轉換器電路結構，其包括：一功率級單元，其係接收一電源並將該電源調整後輸出一第一電壓；一分壓單元，電性連接於該功率級單元之輸出端，於接收該第一電壓後輸出一分壓訊號；一線性調變單元，其係接收該分壓訊號及一控制電壓以輸出一誤差電壓訊號；一誤差放大器，其係接收該誤差電壓訊號，並以該誤差電壓訊號為其參考電壓而與該分壓訊號比較，以產生一誤差增益控制訊號；以及一迴授控制器，其係接收該誤差增益控制訊號以輸出一增益控制訊號至該功率級單元，以調變該第一電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該線性調變單元及該誤差放大器間進一步具有一反相器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該反相器係由一運算放大器所組成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該分壓單元具有：一第一電阻及一第二電阻，其串聯於該功率級單元之輸出端與一接地端之間，並且於該第一電阻及該第二電阻間具有一分壓輸出端以輸出該分壓訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該線性調變單元具有：一阻抗匹配單元，其係接收該分壓訊號及該控制電壓，並輸出一第一訊號及一第二訊號；以及一加法器，其係接收該第一訊號及該第二訊號以產生該誤差電壓訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該阻抗匹配單元係包括：一第一射極隨耦器，其係接收該分壓訊號並輸出該第一訊號；以及一第二射極隨耦器，其係接收該控制電壓並輸出該第二訊號。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該加法器係由一運算放大器所組成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之線性調變電源轉換器電路結構，其中該迴授控制器係為一脈波寬度調變器且該增益控制訊號係為一脈波寬度調變訊號。
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