CN101556298B - 整流性被动式负载仿真装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种整流性被动式负载仿真装置及方法，该装置及方法用以测试一电源产品的性能。该仿真装置包括一模拟数字转换器、一数字信号处理器、一数字模拟转换器及一主动式电子负载模块以取代传统整流性被动式负载中的被动组件。该模拟方法包括：(S1)将一整流性被动式负载中的复数个被动器件以一数字控制模块及一主动式电子负载模块取代；(S2)建立一被动式负载模型函数以表示该复数个被动器件的作动关系；(S3)以该数字控制模块来执行该被动式负载模型函数的运算以获得一负载电流值，透过数字控制模块将该负载电流值转换为模拟控制信号；以及(S4)根据该模拟控制信号来控制该主动式电子负载模块，以对该电源产品进行一拉载动作。

Description

整流性被动式负载仿真装置及方法

技术领域

本发明是关于一种整流性被动式负载仿真装置及方法，特别是关于一种利用主动式电子负载仿真整流性被动式负载的装置及方法。

背景技术

交流电源产品(AC Source)，例如：不断电系统(UPS)等所有能产生交流电的供电设备，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位准，是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虑因素，除了降低成本之外，首重高可靠度。

一般交流电源产品的负载大多是事务设备，要不然就是空载。这些事务设备的负载特性都是整流性被动式(RLC)负载。因此，交流电源产品的设计者通常利用整流性被动式负载来测试其性能，所以设计者经常需要在设计阶段就要考虑整流性被动式负载的使用情况，设计其系统控制线路以达到稳定动作。

一般的整流性交流负载形式可以利用电阻器(Resister)、电感器(Inductance)、电容器(Capacitance)、二极管(Diode)等被动组件所组成网络来仿真，因此负责设计交流输出产品的厂商往往直接使用这些组件来组成负载电路(如图1A)，如此使用的缺点是当需求功率较大时，体积将会相当可观，而且当需要调整阻值、容值或感量时也会非常不方便。

请参照图1A，是为利用整流性被动式负载(Rectified Constant ImpedanceLoad，RECTCZLOAD)来测试交流电源产品的性能时的电路结构。整流性被动式负载100包括一桥式整流器102、一串联电阻Rs、一串联电感Ls、一负载电容C及一负载电阻R_L。桥式整流器102通常为四个二极管所组成，用以将一交流电源产品200所输入的电压调整为全波整流形式。负载电容C与负载电阻R_L并联后再与串联电阻Rs、串联电感Ls及桥式整流器102串接而形成一整流性被动式负载的负载网络，用以测试交流电源产品200，当交流电源产品200接上该负载网络，然后输出电压后即可观察其输出的负载电流，并可观察负载网络所造成的电压变化。

请参照图1B，是为利用图1A所示整流性被动式负载100进行实测的电压/电流变化曲线。其显示出整流性被动式负载的拉载特性，由于待测物输出阻抗特性(一般都是电感性输出阻抗)的关系，将会在拉载较高CF(例如CF＝2.5or 3…)的电流时导致待测物的输出电压变形，此时若电流波形愈陡峭(CF愈大)，电压变形的幅度就会愈大。

由上述可知，整流性被动式负载的设备需要电阻、电容、电感、桥式整流器等零件组合而成，且每一种零件还需要许多不同的组件配合，尤其作为主要消耗功率的零件串联电阻Rs、负载电阻R_L的体积大，实际使用也很麻烦，因而产生了利用电子负载装置来达到同样目的的设计。

然而，一般市面上的交流式电子负载仅提供定电流、定功率的功能。该等功能是由控制器设定且不考虑待测物电压变化，而是直接规划出所欲拉载的电流波形就进行拉载。由于拉载信号并没有参考待测物电压，因此无法针对待测物的输出电压变化做实时的反应，所以并无法真正的去仿真实际的负载特性，本发明即为了改善此问题而来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有整流性被动式负载仿真装置的设计，其具有较小的体积，在使用上更省时方便，并可正确地仿真实际由被动组件所组成的负载电路的特性，以实时反应待测物的输出电压。

本发明的整流性被动式负载的仿真装置，是用以测试一电源产品的性能。该装置包括：一模拟数字转换器，电性连接至该电源产品以转换该电源产品的一输出电压为一数字电压值；一数字信号处理器，电性连接至该模拟数字转换器，接收该数字电压值并代入一被动式负载模型函数以计算出一负载电流值；一数字模拟转换器，电性连接至该数字信号处理器，以转换该负载电流值为一模拟控制信号；及一主动式电子负载模块，一端电性连接至该数字模拟转换器以接受该模拟控制信号，另一端电性连接至该电源产品以接受一整流电压，根据该模拟控制信号及该整流电压产生一负载电流。

该电源产品可为一交流电源产品。该被动式负载模型函数包含一电阻值、一电容值或一电感量及一电压值及一电流值的数值关系。

在一较佳实施方式中，该装置具有一电压/电流量测电路，其连接于该模拟数字转换器和该电源产品之间，以量测该输出电压。该整流电压是为一桥式整流器的输出电压。该桥式整流器电性连接于该电源产品和该主动式电子负载模块之间以产生该整流电压。该主动式电子负载模块主要为NPN形式的BJT所组成的共集极电流放大器。

本发明的整流性被动式负载的仿真方法包括：(S1)将一整流性被动式负载中的复数个被动组件以一数字控制模块及一主动式电子负载模块取代；(S2)建立一被动式负载模型函数以表示该复数个被动组件的作动关系；(S3)以该数字控制模块转换该电源产品的输出电压为一数字电压值；(S4)利用该数字控制模块来执行已代入该数字电压值的该被动式负载模型函数的运算，以获得一负载电流值，透过数字控制模块将该负载电流值转换为模拟控制信号；以及(S5)根据该模拟控制信号来控制该主动式电子负载模块，以对该电源产品进行一拉载动作。

附图说明

图1A是为整流性被动式负载的电路结构；

图1B是为利用图1A所示整流性被动式负载进行实测的电压变化曲线；

图2是为本发明的整流性被动式负载仿真装置方块图；

图3是为利用本发明的整流性被动式负载仿真装置的仿真方法仿真图1A的该电路单元的电压电流波形图；及

图4是为整流性被动式负载仿真方法流程图。

附图标号：

100        整流性被动式负载

102        桥式整流器

200        交流电源产品

300        整流性被动式负载仿真装置

302        电压/电流量测电路

304        模拟数字转换器

306        数字信号处理器

308        数字模拟转换器

310        主动式电子负载模块

Rs         串联电阻

Ls         串联电感

C          负载电容

R_L         负载电阻

具体实施方式

本发明主要是利用数字控制技术搭配主动式电子负载模块、电压电流量测电路及高速的数字硬件设备，例如：数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)等来模拟整流性被动式负载电路。使用者可依据需求输入串联电阻Rs、串联电感Ls、负载电容C及负载电阻R_L的设定值，实时参考目前的待测物电压，再利用数字控制技术及高速的数字硬件设备来处理计算负载电流，并据之对待测物进行拉载的动作。如此即可仿真出实际整流性被动组件(RLC)负载的特性，进而达到减少负载的体积，及操作上更便利的目的。

兹配合图示详述本发明“整流性被动式负载仿真装置及方法”，并列举较佳实施例说明如下：

图2是为本发明的整流性被动式负载仿真装置300，用以测试交流电源产品200的性能。整流性被动式负载仿真装置300包括一电压/电流量测电路302、一模拟数字转换器304、一数字信号处理器306、一数字模拟转换器308、一主动式电子负载模块310及桥式整流器102。

电路结构说明如下。电压/电流量测电路302并联于桥式整流器102，并且电性连接至模拟数字转换器304。模拟数字转换器304电性连接至数字信号处理器306。数字信号处理器再电性连接至数字模拟转换器308。数字模拟转换器308电性连接至主动式电子负载模块310。主动式电子负载模块310的另一端电性连接至桥式整流器102。

当整流性被动式负载仿真装置300接上交流电源产品200时，以电压/电流量测电路302对交流电源产品的输出电压Vs进行电压量测，并且以桥式整流器102对交流电源产品的输出电压Vs进行全波整流。量测电压之后，输出电压Vs被模拟数字转换器304转换为一数字电压值。接着，数字信号处理器306将该数字电压值代入一被动式负载模型函数，并执行浮点运算以计算出一负载电流值I。数字模拟转换器308再把该负载电流值I转换成为一模拟控制信号Sn，并将该模拟控制信号Sn传递至主动式电子负载模块310。

被动式负载模型函数的演算流程如下。由图1A的整流性被动组件负载电路，并依据克希荷夫电压定律与克希荷夫电流定律计算取得下列的联立方程式。

$V_s-2V_D-\mathrm{Ls}\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}-\mathrm{IRs}=\mathrm{Vc}$

$C\frac{\mathrm{dVc}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{Vc}}{R_L}=I$

该被动式负载模型函数包含一电阻值Rs/R_L、一电容值C或一电感量Ls及一电压值Vs/Vc及一电流值I的数值关系。V_D为二极管全波整流的压降、Vs为电源输出电压、Vc为电容器电压。数字信号处理器306根据上述的方程式，即可算出期望的负载电流值I。

上述电阻值、电容值或电感量的运算关系可模拟先前技术图1A所示的整流性被动组件负载100的各种电路组件的关联性。电阻值即为一或多个串联电阻Rs及/或负载电阻R_L的等效电阻值；电感值即模拟串联电感Ls；而电容值即仿真一或多个负载电容C的等效电容。

在一较佳实施方式中，主动式电子负载模块310可以是一BJT组成的电流放大器。以一个NPN型式双载子接面晶体管组成的共集极放大器为例，其集极和射极电阻接地端(RE接地端)是接受桥式整流器102的输出电压，下称整流电压Vb。在主动模式下，集极端如同一个理想的定电流源，电流值是由基极电压(VB)所决定。依据上述特性，若以模拟控制信号Sn作为基极的控制电压信号，则可控制集极端的电流值等于所设定的负载电流值I。

根据上述说明，此负载电流即为依据数字信号处理器根据R、L、C参数计算出仿真的被动式负载的负载电流，亦即与实际被动组件所组成的负载(如图1A)的负载电流相同。与实际负载的特性一样，此负载电流会随着时间和输入电压而改变，而电流变化大小则可如同实际被动组件负载的值变动一般，由使用者任意改变所输入的Rs、Ls、C、R_L设定值及待测交流电源产品的输入电压来决定，因此其特性即为一个定阻抗。

上述模拟数字转换器304负责撷取电压信号、数字信号处理器306负责依据所得到的电压信号进行该被动式负载模型函数的计算并且应用计算所得的负载电流值来让数字模拟转换器308发送控制命令，控制主动式电子负载模块310，因此该三个组件的组合可视为一个数字控制模块301。

概括来说，本发明的整流性被动式负载的仿真装置300是以数字控制模块301接受交流电源产品200的输出电压Vs，经过计算后，输出模拟控制信号Sn。再根据模拟控制信号Sn控制主动式电子负载模块310，使其产生期望的负载电流。由于是以数字的方式来进行运算与模拟，所以对于此“数字控制模块”的稳定度而言，模拟数字转换器、数字信号处理器及数字模拟转换器的反应速度，以及算法最佳化的运算速度均是相当重要的关键。

请参照图3，本案发明人为确认本发明的可行性，更依据图2的系统架构进行实际仿真。图3即为利用本发明的整流性被动式负载仿真装置仿真图1A的该电路单元的电压(Vs)电流(Io)波形图，我们可从图1B及图3观察得知两者的电压电流特性相似，请参考时间t0至时间t1之间的Vs曲线变化。

请参照图4，上述整流性被动式负载仿真装置300包含了一种整流性被动式负载仿真方法。该方法基本步骤包括：(S1)将一整流性被动式负载中的复数个被动组件以一数字控制模块及一主动式电子负载模块取代；(S2)建立一被动式负载模型函数以表示该复数个被动组件的作动关系；(S3)以该数字控制模块转换该电源产品的输出电压为一数字电压值；(S4)利用该数字控制模块来执行已代入该数字电压值的该被动式负载模型函数的运算，以获得一负载电流值，透过数字控制模块将负载电流值转换为模拟控制信号；以及(S5)根据该模拟控制信号来控制该主动式电子负载模块，以对该电源产品进行一拉载动作，而产生一拉载电流，由于电源产品的输出阻抗的缘故，其输出电压将会因此拉载电流而产生变化。

而使用者可于使用时或任何时候调整被动式负载模型函数的复数个参数(S7)，例如，输入Rs、Ls、C、R_L的设定值，系统便会依照所设定的参数代入负载模型，实时参考目前的待测物电压，然后利用数字控制技术及高速的模拟数字转换器、数字信号处理器、数字模拟转换器来计算负载电流并据之对待测物进行拉载的动作。如此即可仿真出实际整流性被动组件负载的特性。其中该等参数包括包含一电阻值、一电容值或一电感量及一电压值或一电流值。

是以，藉由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，本案所述的整流性被动式负载仿真装置300可准确地仿真出整流性被动式负载100对电源装置200的电力拉载的阻抗特性，因此对电源产品的设计、品管实均有所裨益，可达到提高电源产品的可靠度与降低产品成本等诸多功效。

上列详细说明是针对本发明较佳实施例的具体说明，惟上述实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种整流性被动式负载的仿真装置，其特征在于，该仿真装置用以测试一电源产品的性能，该装置包括：电压/电流量测电路、模拟数字转换器、数字信号处理器、数字模拟转换器、主动式电子负载模块及桥式整流器，其中，

所述的电压/电流量测电路，连接于所述的模拟数字转换器和所述的电源产品之间，以量测所述的电源产品的输出电压；

所述的模拟数字转换器，电性连接至所述的电源产品以将所述的电源产品的一输出电压转换为一数字电压值；

所述的数字信号处理器，电性连接至所述的模拟数字转换器，将所述的数字电压值代入一被动式负载模型函数以计算出一负载电流值；

所述的数字模拟转换器，电性连接至所述的数字信号处理器，以转换所述的负载电流值为一模拟控制信号；及

所述的桥式整流器，电性连接于所述的电源产品和所述的主动式电子负载模块之间以产生所述的整流电压；

所述的主动式电子负载模块，一端电性连接至所述的数字模拟转换器以接受所述的模拟控制信号，另一端电性连接至所述的电源产品以接受一整流电压，根据所述的模拟控制信号及所述的整流电压产生一负载电流。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的电源产品是为一交流电源产品。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的被动式负载模型函数为一克希荷夫电压定律与一克希荷夫电流定律的联立方程式，所述的联立方程可用于计算一电路包含至少一电阻、一电容、一电感及一桥式整流器的电压电流值，可将量测到的该数位电压值代入所述的被动式负载模型函数，得到所述的模拟的被动式负载电流值。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的主动式电子负载模块是为一NPN型式的双载子接面晶体管(BJT)所组成。

5.一种整流性被动式负载的仿真方法，用以测试一电源产品的性能，该方法包括：

(S1)将一整流性被动式负载中的复数个被动组件以一数字控制模块及一主动式电子负载模块取代；

(S2)建立一被动式负载模型函数以表示所述的复数个被动组件的电压电流关系；

(S3)以所述的数字控制模块转换所述的电源产品的输出电压为一数字电压值；

(S4)以所述的数字控制模块将所述的数字电压值带入所述的被动式负载模型函数的运算以获得一模拟的被动式负载电流值，透过数字控制模块将所述的被动式负载电流值转换为模拟控制信号；

(S5)根据所述的模拟控制信号来控制所述的主动式电子负载模块，产生一大小等同于所述的模拟的被动式负载电流值的负载电流，以对所述的电源产品进行一拉载动作；

(S6)记录所述的数字电压值及所述的负载电流值；以及

(S7)重复步骤(S3)、(S4)、(S5)及(S6)直到量测试结束。

6.如权利要求5所述的方法，在步骤(S2)与步骤(S3)之间更加入一步骤(S2’)：

调整被动式负载模型函数的复数个参数，其中所述的这些参数至少包括一电阻值、一电容值及一电感值。

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