CN101210956A - 电子负载装置及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子负载装置及其仿真方法，适用于仿真一电路单元，对一电源装置进行电力拉载测试。此电子负载装置包括一功率消耗单元、一电力检测单元及一数字信号处理器；功率消耗单元连接于该电源装置，其具有一可调变电流的机制，用以对该电源装置进行拉载；电力检测单元耦接于功率消耗单元及电源装置之间，可于第一时间，量测功率消耗单元对电源装置拉载的电压值及电流值，并输出一第一电压值信号及一第一电流值信号；数字信号处理器可接收此第一电压值信号及此第一电流值信号，并依据其内部所储存的该电路单元的等效阻抗参数，演算出第二时间的电压值及电流值，进而输出一阻抗调变信号至功率消耗单元，以调整该可调变电流的机制的电流值。

Description

电子负载装置及其仿真方法

技术领域

本发明关于一种电子负载装置，特别关于一种适用于对电源供应器进行电力拉载测试的电子负载装置及其相关的仿真方法。

背景技术

电源装置在日常生活中被广泛使用，其应用范围涵盖一般信息、通讯、消费性电子、运输设备、工业设备及军事领域，其功能为驱动各个电路单元及维持电压准位，为维持系统正常运作的重要因素。因此，电源装置设计的主要考量因素，除了降低成本之外，首重高可靠度。

电子负载装置为电源装置开发与制造过程中，基本且重要的仪器设备。其可替代实际电阻、电容的组合，协助仿真电源装置输出端的负载状态，以提供相关的研发、品管及生产线测试应用。目前的电子负载装置提供四种仿真电路单元的模式，其中包括定电流模式、定电压模式、定功率模式及定电阻模式。然而，定电流模式、定电压模式及定功率模式难以仿真出一般电路单元激活时对电源装置电力拉载的情形，因此，目前多以定电阻模式仿真电路单元的激活状态。

在定电阻模式下，电子负载装置所拉载的电流值，随着电压值作线性变化，然而，在一般的电路单元中，实际阻抗除了电阻外，还包含了电容与电感的成分，所述成分均会导致拉载电流产生变化，此为定电阻模式无法满足的缺失。

请参阅图1，图1为一电路单元的电压电流波形图。图中第二信道(ch2)为此电路单元的电流波形，在启动时间T_ON至时间T₁之间，电路单元处于激活状态，在图上A点与B点之间，电流呈现曲线状态上升，因此，可明显看出此电路单元中的电容进行充电动作。可见电子负载的定电阻模式无法仿真出此激活状态时，电路单元对电源装置电力的拉载情形，因此，无法保证电源装置的可靠度。另一方面，若因此而提高电源装置的输出功率，也将造成能源浪费及提高产品成本之虞。

本案发明人有鉴于上述现有的电子负载装置的缺失，并思及电子负载装置数字化为提升其可靠度的趋势，且现今信号处理器(Digital SignalProcessor)的运算效率也随半导体制造技术的发展，不断地向上提升，提出本发明，期通过本案的提出，改善现行技术的缺失，以对相关设计制造业者有所裨益。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种电子负载装置，其通过动态仿真出一电路单元的阻抗特性，对一电源装置进行电力拉载测试，可提升电源装置的设计正确性。

本发明的另一目的在于提供一种电子负载装置的仿真方法，通过数字信号处理器的快速运算功能，可正确地仿真出一电路单元对一电源装置的拉载情形。

本发明的又一目的在于提供一种电子负载装置，其可以提升电源装置的设计正确性，并进而降低电源装置的成本及节能。

本发明提供一种电子负载装置，适用于仿真一电路单元，对一电源装置进行电力拉载测试。此电子负载装置包括一功率消耗单元、一电力检测单元及一数字信号处理器。功率消耗单元连接于该电源装置，其具有一可调变电流的机制，用以对该电源装置进行拉载。电力检测单元耦接于功率消耗单元及电源装置之间，可于一第一时间，量测功率消耗单元对电源装置拉载的电压值及电流值，并输出一第一电压值信号及一第一电流值信号。数字信号处理器的内部储存有该电路单元的等效阻抗参数，其可接收此第一电压值信号及此第一电流值信号，并依据该电路单元等效阻抗参数，演算出一第二时间的电压值及电流值，进而输出一阻抗调变信号至功率消耗单元，以调整该可调变电流的机制的电流值，其中该第二时间连续于该第一时间。

所述的该数字信号处理器依照一应变于该第一时间的电压值及电流值的负载模型函数，演算出该第二时间的电压值及电流值。

所述等效阻抗参数包括了该电路单元的等效电阻值，并可进一步包括该电路单元的等效电容值及该电路单元的等效电阻值两者，或两者其中之一。而且，该等效阻抗参数可应变于至少一特定变量，该特定变量可为一时间值、该电子负载装置的电压值或该电子负载装置的电流值。

本发明还揭示一种电子负载装置的仿真方法，适用于一电子负载装置仿真一电路单元，对一电源装置进行拉载测试，该仿真方法的步骤包括：首先，量测该电子负载装置于一第一时间的电压值及电流值。其次，一数字信号处理器依据该第一时间的电压值及电流值，演算出一第二时间的电压值及电流值，其中该第二时间连续于该第一时间。随后，调整该电子负载装置的阻抗值，使该电子负载装置拉载出该第二时间的电流值。

所述的该仿真方法中，在量测该电子负载装置于该第一时间的电压值及电流值的步骤之前，还包括输入该电路单元的等效阻抗参数的步骤。

所述的该仿真方法中，在该数字信号处理器依据该第一时间的电压值及电流值，演算出该第二时间的电压值及电流值的步骤中，该数字信号处理器同时依据该等效阻抗参数，以演算出该第二时间的电压值及电流值。

所述的该数字信号处理器依照一应变于该第一时间的电压值及电流值的负载模型函数，演算出该第二时间的电压值及电流值。

所述的该等效阻抗参数包括了该电路单元的等效电阻值，并可进一步包括该电路单元的等效电容值及该电路单元的等效电阻值两者，或两者其中之一。而且，该等效阻抗参数可应变于至少一特定变量，该特定变量可为一时间值、该电子负载装置的电压值或该电子负载装置的电流值。

可见，通过本发明所揭示的电子负载装置及其仿真方法，利用数字信号处理器，依据该电子负载装置所仿真的电路单元的等效阻抗参数，与第一时间的电压值及电流值，演算出第二时间的电压值及电流值。如此一来，电子负载装置可更准确地仿真出该电路单元对电源装置的电力拉载的阻抗特性，可运用于电源装置的设计过程，使设计者针对负载的电力需求，设计出合乎规格与低成本的产品，并可提升产品品管检测的可靠度。相较于现有技术，因无法正确仿真负载对电源装置拉载的情形，而使用功率较高的电源装置，通过本发明，可达到节约能源，与降低成本的功效。

附图说明

图1为一电路单元的电压电流波形图；

图2为一电路单元连接于一电源装置的等效电路图；

图3为本发明的电子负载装置的系统架构示意图；

图4为本发明的电子负载装置的一实施例的系统架构示意图；

图5为本发明的电子负载装置的仿真方法的步骤流程图；

图6为利用本发明的电子负载装置的仿真方法仿真图1的该电路单元的电压电流波形图。

主要元件符号说明：

1：电子负载装置            3：电力检测单元

2：功率消耗单元            4：数字信号处理器

5：设定接口                8：电路单元

9：电源装置                31：电压计

20：可变阻抗负载           32：电流计

21：数字模拟转换单元       33：模拟数字转换单元

S100～S120：各个步骤流程

A、B：标示点               C_L：负载电容

I_S：输入电流               R_L1、R_L2：负载电阻

V₀：输出电压            T_ON、T₁：时间

L_S：串联电感            R_S：串联电阻

V_S：输入电压

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

首先，请先参阅图2，该图为一电路单元8连接于一电源装置9的等效电路图，此图显示了一典型的交换式电源供应器的负载模型。图2中，电路单元8的等效电路由一负载电容C_L与二负载电阻R_L1、R_L2并联所构成，一般被设计接续于电源装置9的电路单元8，大多会以一或多数个电容来达到稳压的目的，此负载电容C_L即是指其等效电容；负载电阻R_L1、R_L2分别为电路单元8的电阻器与晶体管所构成的功率负载。同时，串联电感L_S与串联电阻R_S于电路单元8接续于电源装置9的电力线所形成。

在此先将图2的负载电容C_L、负载电阻R_L1、R_L2、串联电感L_S与串联电阻R_S定义为电路单元8的等效阻抗参数，以利陈述本发明。

是经由克希荷夫电流及电压定律(KCL、KVL)分析图2的负载模型中的输入电流I_S及输入电压V_S，可分别得到下列(1)、(2)式：

I_S(n)＝C_L[V₀(n)-V₀(n-1)]/Δt+V₀(n)/R_L      ...(1)

V_S(n)-V₀(n)＝L_S[I_S(n)-I_S(n-1)]/Δt+R_SI_S(n) ...(2)

其中，Δt为取样频率，R_L为负载电阻R_L1、R_L2的等效电阻，V_S(n-1)、I_S(n-1)、V₀(n-1)为第一时间的输入电压、电流与输出电压，V_S(n)、I_S(n)、V₀(n)为第二时间的输入电压、电流与输出电压。解以上(1)、(2)式，可得以下负载模型函数(3)、(4)：

I_S(n)＝[Y_{L_CR}×(V_S(n)+Z_LS×I_S(n-1))-Y_CLV₀(n-1)]/[Y_{L_CR}×(Z_LS+R_S)+1]

                                                                   ...(3)

V₀(n)＝V_S(n)-Z_LS×(I_S(n)-I_S(n-1))-R_SI_S(n)         ...(4)

其中，Y_{L_CR}为C_L与R_L并联的电导，Z_LS为L_S的阻抗值，Y_CL为C_L的电导。

Y_{L_CR}＝C_L/Δt+1/R_L

Z_LS＝L_S/Δt

Y_CL＝C_L/Δt

通过以上结果可知，由电路单元8的等效阻抗参数，以及第一时间的输入电压Vs(n-1)、输入电流I_S(n-1)、输出电压V₀(n-1)与第二时间的输入电压Vs(n)，即可推演出在第二时间中，电路单元8对电源装置9拉载的电压值Is(n)及电流值Vo(n)。

其中，第二时间的输入电压Vs(n)可以是利用一电压计直接量测而得知，再代入上述(3)式而求出Is(n)，然后再将Vs(n)以及Is(n)代入上述(4)式而求出Vo(n)。

此外，第二时间的输入电压Vs(n)也可以通过外插法方式计算出，由于第二时间以前的输入电压均为已知，因此可以取其前二笔输入电压Vs(n-1)以及Vs(n-2)，上述二输入电压值均为已知，因此只要再利用外插法就可以计算出Vs(n)，再分别代入上述(3)与(4)式，便可以求出Is(n)与Vo(n)。

接着，请参阅图3，图3为本发明的电子负载装置的系统架构示意图，本案发明人基于上述演算结果，提出此图的电子负载装置1的系统架构，以仿真电路单元8对一电源装置9的拉载情形。如该图所示，一电子负载装置1连接于一电源装置9，仿真电路单元8对电源装置9进行电力拉载测试。此电子负载装置1包括一功率消耗单元2、一电力检测单元3及一数字信号处理器4。

功率消耗单元2连接于电源装置9，其具有一可调变电流的机制，用以对电源装置9进行拉载。电力检测单元3耦接于功率消耗单元2及电源装置9之间，可于一第一时间，量测功率消耗单元2对电源装置9拉载的电压值及电流值，并输出一第一电压值信号及一第一电流值信号。数字信号处理器4的内部储存有该电路单元8的等效阻抗参数，数字信号处理器4可接收此第一电压值信号及此第一电流值信号，并依据该电路单元8的等效阻抗参数，演算出一第二时间的电压值及电流值，进而输出一阻抗调变信号至功率消耗单元2，以调整该可调变电流的机制的电流值，其中该第二时间连续于该第一时间。

数字信号处理器4依照负载模型函数(3)、(4)，依据第一时间的输入电压、电流与输出电压，以及电路单元8的等效阻抗参数，推演出在第二时间中，电路单元8对电源装置9拉载的电压值Vo(n)及电流值Is(n)。

电路单元8的等效阻抗参数包括了该电路单元8的等效电阻值，并可进一步包括该电路单元8的等效电容值及该电路单元8的等效电阻值两者，或两者其中之一。此外，该等效阻抗参数可非一定值，其可为应变于至少一特定变量的函数。另外，该特定变量可为一时间值、该电子负载装置1的电压值或电流值。

请参阅图4，图4为本发明的电子负载装置的一实施例的系统架构示意图。该图中，电子负载装置1还包括一设定接口5，电力检测单元3包括了一电压计31、一电流计32及一模拟数字转换单元33，功率消耗单元2包括了一数字模拟转换单元21及一可变阻抗负载20。

设定接口5用以输入该等效阻抗参数，此设定接口5可为一按键组或一触控式面板等输入接口，也可为一有线或无线的连接端口，以与一计算机等运算控制设备相连接。

电力检测单元3的电压计31及电流计32分别连接于该电子负载装置及该电源装置之间的电力线，以量测该第一时间的电压值及电流值，并将结果输入模拟数字转换单元33，模拟数字转换单元33再将该第一时间的电压值及电流值转换为数字化的第一电压值信号及该第一电流值信号，并将此二信号输出至数字信号处理器4。

如前所述，数字信号处理器4在接收此第一电压值信号及此第一电流值信号后，将依据该电路单元8的等效阻抗参数，演算出一第二时间的电压值及电流值，进而输出一阻抗调变信号至功率消耗单元2的数字模拟转换单元21，以控制该可变阻抗负载20的阻抗值，使该可变阻抗负载20将电源装置9的电力拉载为该第二时间的电压值Vo(n)及电流值Is(n)。此处的可变阻抗负载20为现有，在此便不再作赘述。

接着，请参阅图5，该图为本发明的电子负载装置的仿真方法的步骤流程图，适用于电子负载装置1仿真一电路单元8，对电源装置9进行电力拉载测试，相关的系统架构请同时参阅图3。该仿真方法的步骤包括：首先，量测该电子负载装置1于一第一时间的电压值及电流值(见步骤S100)。其次，数字信号处理器4依据该第一时间的电压值及电流值，演算出一第二时间的电压值及电流值，其中该第二时间连续于该第一时间(见步骤S110)。随后，调整该电子负载装置1中功率消耗单元2的阻抗值，使该电子负载装置1将电源装置9的电力拉载为该第二时间的电流值(见步骤S120)。

上述的仿真方法中，在步骤S100之前，还包括输入该电路单元8的等效阻抗参数的步骤。

上述的仿真方法中，在步骤S120中，数字信号处理器4依照应变于该第一时间的电压值及电流值的负载模型函数(3)、(4)，及等效阻抗参数，演算出该第二时间的电压值及电流值。

本案发明人为确认本发明的可行性，还依据图3的系统架构进行实际仿真。请参阅图6，该图为利用本发明的电子负载装置的仿真方法仿真图1的该电路单元的电压电流波形图。发明人已预先对图1的电路单元的等效阻抗参数进行估算，以代入负载函数，此估算电路单元的等效阻抗参数的方法及结果并非本发明的重点，因此，在此便不再作赘述。由图6可看出，本发明可仿真出激活时(图1标示点A、B)电容对电力的拉载情形，此为现有的定电流模式、定电阻模式、定电压模式及定功率模式的电子负载均无法达成。

可见，通过上述本发明所揭示的电子负载装置及其仿真方法的说明实例及验证，本案所述的电子负载装置1可准确地仿真出电路单元8对电源装置9的电力拉载的阻抗特性，因此对电源装置产品的设计、品管实均有所裨益，可达到提高电源装置产品的可靠度与降低产品成本等诸多功效。

本发明虽以较佳实例阐明如上，然而其并非用以限定本发明的精神与发明实体仅止于上述实施例。而是，在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改，均应包括在下述申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种电子负载装置，适用于仿真一电路单元，对一电源装置进行电力拉载测试，其特征在于，所述电子负载装置包括：

一功率消耗单元，连接于所述电源装置，其具有一可调变电流的机制，用以对所述电源装置进行拉载；

一电力检测单元，耦接于所述功率消耗单元及所述电源装置之间，可于一第一时间，量测所述功率消耗单元对所述电源装置拉载的电压值及电流值，并输出一第一电压值信号及一第一电流值信号；以及

一数字信号处理器，储存有所述电路单元的等效阻抗参数，所述数字信号处理器可接收所述第一电压值信号及第一电流值信号，并依据所述等效阻抗参数，演算出一第二时间的电压值及电流值，进而输出一阻抗调变信号至所述功率消耗单元，以调整所述可调变电流的机制的电流值。

2.根据权利要求1所述的电子负载装置，其特征在于，所述等效阻抗参数可应变于至少一特定变量，所述特定变量可为一时间值、所述电子负载装置的电压值或所述电子负载装置的电流值。

3.根据权利要求1所述的电子负载装置，其特征在于，所述数字信号处理器依照一应变于所述第一时间的电压值及电流值的负载模型函数，演算出所述第二时间的电压值及电流值。

4.根据权利要求1所述的电子负载装置，其特征在于，所述电力检测单元包括了一电压计及一电流计，所述电压计连接于所述电子负载装置及所述电源装置之间，而所述电流计串连于所述电子负载装置及所述电源装置的回路中，以量测所述第一时间的电压值及电流值。

5.根据权利要求1所述的电子负载装置，其特征在于，所述功率消耗单元包括了一数字模拟转换单元及一可变阻抗负载，所述数字模拟转换单元可接收所述阻抗调变信号，以控制所述可变阻抗负载的电流值，使所述可变阻抗负载拉载出所述第二时间的电流值。

6.一种电子负载装置的仿真方法，适用于一电子负载装置仿真一电路单元，对一电源装置进行拉载测试，其特征在于，所述仿真方法包括以下步骤：

量测所述电子负载装置于一第一时间的电压值及电流值；

一数字信号处理器依据所述第一时间的电压值及电流值，演算出一第二时间的电压值及电流值，其中所述第二时间连续于所述第一时间；以及

调整所述电子负载装置的阻抗值，使所述电子负载装置依照所设定的阻抗拉载出所述第二时间的电流值。

7.根据权利要求6所述的仿真方法，其特征在于，在量测所述电子负载装置于所述第一时间的电压值及电流值的步骤之前，还包括以下步骤：

输入所述电路单元的等效阻抗参数。

8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，在所述数字信号处理器依据所述第一时间的电压值及电流值，演算出所述第二时间的电压值及电流值的步骤中，所述数字信号处理器同时依据所述等效阻抗参数，以演算出所述第二时间的电压值及电流值。

9.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述等效阻抗参数可应变于至少一特定变量，所述特定变量可为一时间值、所述电子负载装置的电压值或所述电子负载装置的电流值。

10.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，在所述数字信号处理器依据所述第一时间的电压值及电流值，演算出所述第二时间的电压值及电流值的步骤中，所述数字信号处理器依照一应变于所述第一时间的电压值及电流值的负载模型函数，演算出所述第二时间的电压值及电流值。

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