數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器的製作方法
2023-06-12 16:02:36 1
專利名稱：數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字式時間鏡射(time-mirrored)脈波寬度調變(PWM)控制器，系電性連接一個轉換器(converter)單元，控制器包含至少一個比較器(comparator)單元，比較器單元輸入輸出電壓(Vo)與設定電壓，並輸出一個具有高位準與低位準兩種位準的相信號(phase signal)，與一個核心數字處理(core digital processing)單元，核心數字處理輸出一個脈波寬度調變(PWM)信號，藉助上述的單元，使得轉換器單元的輸出電壓(Vo)的方均根(root-mean-square)值與設定電壓(Vset)的值恰相等。
背景技術：
於2001年4月3日公開的第6,456,510 B1號的美國專利，其名稱為「於電路降低損耗而使用V2脈波寬度調變控制的獨特方法」，該專利涉及一個受調節之電源供應器，於其中存在一個切換式整流器(switchingrectifier)的方波輸出(square wave output)施用於一個濾波器，濾波器包括一個串聯電感與一個並聯電容，濾波器缺少一個串聯電阻，斜坡信號(ramp signal)於跨越一個第二電容而生成，第二電容與第一電阻係為串聯，並與整流器輸出並聯。一個放大器將斜坡信號加到一個於表示電源供應器直流輸出電壓的誤差信號(error signal)，所產生的輸出系輸入至一個控制電路。控制電路因此相應地產生電壓控制信號，以控制整流器的切換。
於2002年8月8日公開的第2002/0105307 A1號的美國專利，其名稱為「數字控制的直流/直流轉換器」，該專利是關於一種直流/直流轉換器(1；20)，包含電感性電能儲存手段(L)，交換手段(S1-S4)與手段(6；15)，其中該控制手段(6；15)系設置供選擇性地操作該交換手段(S1-S4)，以供自該能量儲存手段(L)轉移一定量的電能到該直流/直流轉換器(1；20)的輸出，以提供所欲輸出電壓，其特徵在於藉由數字控制手段(6；15)，數字控制手段(6；15)系組態為供操作性地控制該交換手段(S1-S4)，以在符合一種包含斜坡向上交換周期與斜坡向下周期的情況下，實質上進行該充電與放電手段以轉移電能。
發明內容
本發明第一個目的，系藉由相信號於時間域的鏡射(mirrored)方式，而達到具有該相信號的高位準與低位準所歷的時間恰好相等的特徵。
本發明第二個目的，系藉由相信號於時間域的鏡射方式，而達到轉換器單元的輸出電壓的方均根值與設定電壓的值恰相等。
本發明第三個目的，繫於使設定電壓的電壓位準系介於轉換器單元的輸出電壓的最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值間，且不包括最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值，以避免輸出電壓的突波。
本發明之上述目的及所具功效再配合下列圖式作進一步說明後將更為明了。
圖1為依據本發明第一實施例的各單元功能方塊圖。
圖2為依據本發明第一實施例的各單元相關信號時序圖。
圖3為依據本發明第二實施例的各單元相關信號與習知控制器的時序圖。
圖4為依據本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器第一實施例的各單元的細部接線圖。
圖5為依據本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器第三實施例的各單元的細部接線圖。
圖6為依據本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器的狀態轉移圖。
圖中1——轉換器單元10——脈波寬度調變信號10a——脈波寬度調變信號10b——脈波寬度調變信號
12——出電壓2——比較器單元20——設定電壓22——相信號3——核心數字處理單元40——突波42——突波60——第零狀態(S0)61——第一狀態(S1)610——脈波寬度調變(PWM)的高側信號61——改變為高相位62——第二狀態(S2)620——脈波寬度調變的高側信號622——定時器的計時相同63——第三狀態(S3)630——脈波寬度調變的低側信號632——改變為低相位64——第四狀態(S4)640——脈波寬度調變的低側信號642——定時器的計時相同具體實施方式
圖1為依據本發明第一實施例的各單元功能方塊圖，本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，本身藉由相信號於時間域的鏡射方式，而達到具有該相信號的高位準與低位準所歷的時間恰好相等的特徵，且會使得該轉換器單元的輸出電壓的方均根值與設定電壓的值恰好相等。
本發明數字式時間鏡射(脈波寬度調變控制器，為電性連接一個轉換器單元1，轉換器單元1具有至少一個輸入端與至少一個輸出端，輸入端系脈波寬度調變信號10的輸入管道，經由所輸入的脈波寬度調變信號10的控制，輸出端產生一個輸出電壓12，藉以供給至少一個負載使用，其包括至少一個比較器單元2，比較器單元2具有一個正輸入端，一個負輸入端與一個輸出端，其中正輸入端與負輸入端具有來自轉換器單元1的輸出電壓12與一個設定電壓20，輸出端系提供一個相信號22為輸出，相信號22具有高位準與低位準的兩種位準。及一個核心數字處理單元3，核心數字處理單元3具有至少一個輸入端與至少一個輸出端，輸入端接收相信號22為輸入，並輸出一個脈波寬度調變(PWM)信號10於輸出端。
圖2依據本發明第一實施例的各單元相關信號時序圖。本發明數字式時間鏡射)脈波寬度調變控制器，轉換器單元1，轉換器單元1輸出端產生一個輸出電壓12，藉以供給至少一個負載使用，輸出電壓12具有漣波(ripple)的性質，漣波的峰頂與峰谷的差值為數個毫伏(mV)，以a表示。
於比較器單元2，設定電壓20系輸入至負輸入端，而與轉換器單元1輸出端產生的輸出電壓12，輸出電壓12系輸入至正輸入端，產生相信號22於比較器單元2的輸出端，相信號22具有高位準與低位準的兩種位準。應注意的是設定電壓20的電壓位準系介於轉換器單元1的輸出電壓(Vo)12的最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值之間，且不包括最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值。
核心數字處理單元3輸入端接收相信號22為輸入，並輸出一個脈波寬度調變信號10於輸出端。脈波寬度調變信號10具有一個高側位準與一個低側位準，於高側位準的脈波寬度調變信號10，足以使轉換器單元1的輸出電壓12驅動負載，而於低側位準的脈波寬度調變信號10，足以使轉換器單元1的輸出電壓12不能驅動負載。
依據本發明第一實施例，數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，脈波寬度調變信號10在一個周期的時間內，恰包含有第一時間區間T1，第二時間區間T2，第三時間區間T3，第四時間區間T4，具有第一條件的性質第一時間區間T1與第二時間區間T2，所歷時間長度一樣，第三時間區間T3與該第四時間區間T4，所經歷的時間長度一樣，換言之，第一時間區間T1與第四時間區間T4所經歷時間總和，等於該第二時間區間T2與該第三時間區間T3所經歷時間總和，正好符合相位信號高相位TH與低相位TL，所歷的時間長度一樣，此為第二條件的性質。
脈波寬度調變信號10於最初由內部默認值激活，使該脈波寬度調變信號10由低側位準，跳躍升至高側位準。
第一時間區間的起算時點為該脈波寬度調變信號10，由低側位準，跳躍升至該高側位準的時候，該第一時間區間T1的結束時點為該相信號22由低位準改變為高位準的時候，且該脈波寬度調變信號10於該第一時間區間內，維持該高側位準。
第二時間區間的起算時點為該脈波寬度調變信號10第一時間區間的結束時點，該第二時間區間的結束時點為從該第二時間區間的起算時點開始計算經過該第一時間區間所經歷的時間長度，且該脈波寬度調變信號10，於第二時間區間內，依然維持該高側位準，而於第二時間區間的結束時點，由高側位準墜落至低側位準。
第三時間區間的起算時點為該脈波寬度調變信號10第二時間區間的結束時點，該第三時間區間的結束時點為該相信號22由高位準改變為低位準的時間，且該脈波寬度調變信號10於該第三時間區間內，維持該低側位準。
第四時間區間的起算時間點為脈波寬度調變信號10的第三時間區間的結束時間點，第四時間區間的結束時間點從該第四時間區間的起算時間點開始計算，經過該第三時間區間所經歷的時間長度後的時間點，基本上該時間點亦為下一周期第一時間區間的起算時間點，且該脈波寬度調變信號10，於第四時間區間內，依然維持該低側位準，而於第四時間區間的結束時間點，由低側位準躍升至高側位準。
圖3為依據本發明第二實施例的各單元相關信號與公知控制器的時序圖。本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器電性連接轉換器單元1，轉換器單元1輸出端產生一個輸出電壓12，藉以供給至少一個負載使用，輸出電壓12具有漣波的性質，漣波的峰頂與峰谷的差值為數個毫伏(mV)，以b表示。
公知控制器系以輸出電壓12，分別越過正參考電壓與負參考電壓時，回授決定脈波寬度調變信號10，由低側位準躍升至高側位準，或是由高側位準墜落至低側位準，理論上應該是產生如圖3理想的脈波寬度調變信號10a，但由於實際電路開關時，會造成輸出電壓12產生突波40(如圓圈所示)，以致真實的脈波寬度調變信號10b，會有突波42，本發明第二實施例的特點在於設定電壓20的電壓位準系介於轉換器單元1的輸出電壓12的最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值間，且不包括最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值，因此，可避免輸出電壓12的突波40(如圓圈所示)導致真實的脈波寬度調變信號會有突波42。
依據本發明第二實施例，如圖3所示，數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，脈波寬度調變信號10在一個周期的時間內，包含有第一時間區間T1、第二時間區間T2、第三時間區間T3和第四時間區間T4。具有第一條件的性質第一時間區間T1與第二時間區間T2，所歷時間長度一樣，第三時間區間T3與該第四時間區間T4，所歷的時間長度一樣。換言之，第一時間區間T1與第四時間區間T4所經歷時間總和等於該第二時間區間T2與該第三時間區間T3所經歷時間總和，正好符合相位信號22高相位TH與低相位TL所歷的時間長度一樣，此為第二條件的性質。
脈波寬度調變信號10於最初，系由內部默認值激活，使該脈波寬度調變信號10由低側位準，跳躍升至高側位準。
第一時間區間的起算時點為該脈波寬度調變信號10，由低側位準，跳躍升至該高側位準的時候，該第一時間區間T1的結束時點為該相信號22由低位準改變為高位準的時候，且該脈波寬度調變信號10於該第一時間區間內，維持該高側位準。
第二時間區間的起算時點為該脈波寬度調變信號10於該第一時間區間的結束時點，該第二時間區間的結束時點為從該第二時間區間的起算時點開始計算，經過該第一時間區間所經歷的時間長度後的時點，且該脈波寬度調變信號10，於該第二時間區間內，依然維持該高側位準，而於該第二時間區間的結束時點，由該高側位準墜落至該低側位準。
第三時間區間的起算時點為該脈波寬度調變信號10該第二時間區間的結束時點，該第三時間區間的結束時點為該相信號22由高位準改變為低位準的時候，且該脈波寬度調變信號10於該第三時間區間內，維持該低側位準。
第四時間區間的起算時點為脈波寬度調變信號10於第三時間區間的結束時點，第四時間區間的結束時點系從該第四時間區間的起算時點開始計算，經過該第三時間區間所經歷的時間長度後的時點，原則上，該時點亦為下一周期第一時間區間的起算時點，且該脈波寬度調變信號10，於第四時間區間內，依然維持該低側位準，而於第四時間區間的結束時點，由低側位準躍升至高側位準。
圖4依據本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器第一實施例的各單元的細部接線圖。圖5依據本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器第三實施例的各單元的細部接線圖，差別在於原先每個同步驅動器最大只能輸出10安培時，若要使轉換器單元1輸出端輸出20安培時，就必須並聯這樣的同步驅動器兩個於轉換器單元1。
本發明的第三實施例，也是藉由相信號22於時間域的鏡射方式，而達到具有該相信號22的高位準與低位準所歷的時間恰好相等的特徵，且會使得該轉換器單元1的輸出電壓12的方均根值與設定電壓20的值相等。
圖6依據本發明數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器的狀態轉換圖。
第零狀態(S0)60代表系統重置，一般是將默認值加以設定，使相關裝置能依據默認值而加以運作，當設定完成第一時間區間(T1)的定時器後，即進入第一狀態(S1)。
於第一狀態(S1)61，相位信號為低相位，輸出為脈波寬度調變的高側信號610。
當相位信號由低相位改變為高相位612時，停止第一時間區間(T1)的定時器，並設定第二時間區間(T2)的定時器。稍後進入第二狀態(S2)。於第二狀態(S2)62，相位信號為高相位，輸出為脈波寬度調變的高側信號620。
當第二時間區間的定時器計時所歷時間與第一時間區間定時器的計時相同622時，停止第二時間區間的定時器計時，設定第三時間區間(T3)的定時器計時，並進入第三狀態(S3)。
於第三狀態(S3)63，相位信號為高相位，輸出為脈波寬度調變的低側信號630。
當相位信號由高相位改變為低相位632時，停止第三時間區間(T3)的定時器，並設定第四時間區間(T4)的定時器。稍後進入第四狀態(S4)64。於第四狀態(S4)64，相位信號為低相位，輸出為脈波寬度調變的低側信號640。
當第四時間區間(T4)的定時器計時所歷時間與第三時間區間(T3)定時器的計時相同642時，停止第四時間區間(T4)的定時器計時，設定第一時間區間(T1)的定時器，並進入第一狀態(S1)61。
雖然本申請已應用較佳實施例說明本發明，但熟悉本技術者需了解可對上述實施例加以更改及變更，而不偏離本發明的精神及觀點；以上所述僅為本發明之較佳具體實施例，凡依本發明申請專利範圍所做出的等同變化及改進，皆應屬本發明申請專利的保護範圍。
權利要求
1.一種數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，系電性連接一轉換器單元，該轉換器單元具有至少一個輸入端與至少一個輸出端，該輸入端系一脈波寬度調變信號的輸入管道，經由所輸入的該脈波寬度調變信號的控制，該輸出端產生一輸出電壓，藉以供給至少一負載使用，而該控制器包含至少一比較器單元，該比較器單元具有一正輸入端，一負輸入端與一輸出端，其中該正輸入端與該負輸入端具有來自該轉換器單元的該輸出電壓與一設定電壓，該輸出端系提供一相信號為輸出，該相信號具有高位準與低位準的兩種位準；及一核心數字處理單元，該核心數字處理單元具有至少一輸入端與至少一輸出端，該輸入端接收該相信號為輸入，並輸出一脈波寬度調變(PWM)信號於該輸出端；藉由上述的單元，具有該相信號的高位準與低位準所經歷的時間恰好相等的特徵，且會使得該轉換器單元的該輸出電壓的方均根值與該設定電壓的值恰相等。
2.如權利要求1所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該設定電壓的電壓位準介於該轉換器單元的該輸出電壓的最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值之間，且不包括最高峰之電壓位準值與最低峰之電壓位準值。
3.如權利要求1所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該脈波寬度調變信號具有一高側位準與一低側位準，於該高側位準的該脈波寬度調變信號，足以使該轉換器單元的該輸出電壓驅動該負載，而於該低側位準的該脈波寬度調變信號，足以使該轉換器單元的該輸出電壓不能驅動該負載。
4.如權利要求3所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該脈波寬度調變信號在一個周期的時間內，具有一連續的高側位準與一連續的低側位準。
5.如權利要求4所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該脈波寬度調變信號，最初由內部默認值激活，使該脈波寬度調變信號由該低側位準跳躍升至該高側位準。
6.如權利要求5所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該脈波寬度調變信號在一個周期的時間內，包含有第一時間區間，第二時間區間，第三時間區間，第四時間區間，該第一時間區間與該第二時間區間所經歷的時間長度一樣，該第三時間區間與該第四時間區間所經歷的時間長度一樣，即該第一時間區間與該第四時間區間所經歷時間總和等於該第二時間區間與該第三時間區間所經歷時間總和。
7.如權利要求6所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該第一時間區間的結束時間點為該相信號由低位準改變為高位準的時間，且該脈波寬度調變信號於該第一時間區間內，維持該高側位準。
8.如權利要求7所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該第二時間區間的起算時間點為該脈波寬度調變信號於的第一時間區間的結束時間點，該第二時間區間的結束時間點為從該第二時間區間的起算時間點開始計算經過該第一時間區間所經歷的時間長度，且該脈波寬度調變信號，於該第二時間區間內，依然維持該高側位準，而於該第二時間區間的結束時間點，由該高側位準墜落至該低側位準。
9.如權利要求8所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該第三時間區間的起算時間點為該脈波寬度調變信號的第二時間區間的結束時間點，該第三時間區間的結束時間點為該相信號由高位準改變為低位準的時間點，且該脈波寬度調變信號於該第三時間區間內，維持該低側位準。
10.如權利要求8所述的數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，其中該第四時間區間的起算時間點為該脈波寬度調變信號的第三時間區間的結束時點，該第四時間區間的結束時間點是從該第四時間區間的起算時間點開始計算，經過該第三時間區間所經歷的時間長度後的時間點，通常該時間點亦為下一周期第一時間區間的起算時間點，且該脈波寬度調變信號於該第四時間區間內，依然維持該低側位準，而於該第四時間區間的結束時間點，由該低側位準躍升至該高側位準。
全文摘要
本發明涉及一種數字式時間鏡射脈波寬度調變控制器，控制器電性連接一個轉換器單元。其包含至少一個比較器單元，比較器單元輸入輸出電壓與設定電壓，並輸出一個相信號，相信號具有高位準與低位準的兩種位準，與一個核心數字處理單元，核心數字處理單元；輸出一個脈波寬度調變信號，藉助上述的單元，會具有相信號的高位準與低位準所歷的時間恰好相等的特徵，且會使得轉換器單元的輸出電壓的方均根值與設定電壓的值恰相等。
文檔編號H02M1/08GK1521926SQ0310256
公開日2004年8月18日 申請日期2003年2月9日 優先權日2003年2月9日
發明者洪清財, 周重甫, 彭道文, 盧俊廷 申請人:豐昱科技股份有限公司