CN103855928A - 多功能数字脉冲宽度调变控制器 - Google Patents

多功能数字脉冲宽度调变控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多功能数字脉冲宽度调变控制器，包括脉冲宽度调变控制器、选择单元、比较单元以及信号转换单元，且选择单元包括至少一选择器，比较单元包括至少一比较器，而信号转换单元包括至少一数字至模拟转换器，其中数字至模拟转换器产生参考电压及/或电流，比较器接收参考电压及/或电流，并依据回授信号，进行比较而产生比较信号，选择器选取其中某一比较信号输入至脉冲宽度调变控制器，而脉冲宽度调变控制器可同时接收由使用者或系统设定的其它参数，以控制数字脉冲宽度调变信号的特性，藉以改善负载电路的整体电气操作特性。

Description

多功能数字脉冲宽度调变控制器
技术领域
本发明涉及一种多功能数字脉冲宽度调变控制器，尤其是依据先前脉冲宽度调变信号的工作区的改变状态而动态改变目前脉冲宽度调变信号的工作区的分辨率。
背景技术
在现有技术中，脉冲宽度调变((Pulse Width Modulation，PWM)技术主要对具有特定频率的脉冲信号依据特定条件藉改变脉冲宽度以达到信号调变的目的，并以脉冲宽度调变信号驱动电气装置或负载电路，比如发光二极管、马达、电源转换器的切换组件。一般，脉冲宽度的最小可调变单位称为分辨率，比如频率为100KHz的脉冲信号，具有1/100K秒的分辨率。
对用于驱动二切换组件的应用，脉冲宽度调变技术产生二相对应脉冲信号，且脉冲宽度是相互切齐，亦即某一脉冲信号的脉冲为高/低位准时，另一脉冲信号的脉冲为高/低位准，可避免同时导通负载电路的二切换组件造成很大的电流导通而发生短路，导致永久性损坏。
为达成上述功能，传统的作法可包括模拟电路方式及数字电路方式。在模拟电路方式中，PWM频率由内建振荡器(oscillator)产生，因此无法依据实际应用状态而任意改变，尤其是无法更改回授控制中的内部放大器的补偿。此外，对于输出电压、负载范围也都是预先设定而不易更改。
对于目前具数字电源功能的数字电路方式，主要是需要利用非常快速的模拟至数字(ADC)取样以产生所需的模拟回授讯号，再经由数字信号处理器引擎(DSP engine)进行信号控制，比如比例-积分-微分(PID)控制。但是，要达到愈高的PWM分辨率，就需要愈快的操作频率，同时ADC取样率也要非常高，因而导致成本过高，在实际应用上不易达成。
此外，现有技术无法提供动态改变二脉冲信号同时为低位准的时间区段以改善负载的电气特性，比如平均耗电大小。因此，需要一种多功能数字脉冲宽度调变控制器，能动态改变目前脉冲宽度调变信号的工作区的分辨率，藉以解决上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多功能数字脉冲宽度调变控制器，包括脉冲宽度调变控制器、选择单元、比较单元以及信号转换单元，其中脉冲宽度调变控制器产生二数字脉冲宽度调变信号以驱动负载电路，且该二数字脉冲宽度调变信号可不具有或具有盲带区，而盲带区是指该二数字脉冲宽度调变信号同时为低位准时的时间区段。
选择单元包括至少一选择器，比较单元包括至少一比较器，而信号转换单元包括至少一数字至模拟转换器。每个数字至模拟转换器接收具有某一静态位准或是变动的参考信号，并转换成相对应的参考电压及/或参考电流。每个比较器接收参考电压及/或参考电流，且接收来自负载电路的特定回授信号，并进行比较处理以产生相对应的比较信号，具有低位准或高位准的数字信号。每个选择器接收上述的比较信号，并选取其中某一比较信号以当作数入信号而输入至脉冲宽度调变控制器。脉冲宽度调变控制器可同时接收由使用者或系统设定的其它参数，用以控制数字脉冲宽度调变信号的特性，可改善负载电路的整体电气操作特性。
附图说明
图1显示本发明多功能数字脉冲宽度调变控制器的示意图；
图2显示本发明中PWM输出的波形图；以及
图3显示本发明中另一PWM输出的波形图。
其中，附图标记说明如下：
10 PWM控制器
20 选择单元
30 比较单元
40 信号转换单元
50 负载电路
CP1、CP2、CP3、CP4 比较器
DAC1、DAC2 数字至模拟转换器(DAC)
DPWM、nDPWM 数字PWM信号
IFB1、IFB2 电流回授信号
IREF1、IREF2 电流参考信号
R1、R2 负载信号
SEL1、SEL2 选择器
T_Duty 工作区
T_DEAD 盲带区
T_PWM PWM 周期
VFB1、VFB2 电压回授信号
VREF1、VREF2 电压参考信号
具体实施方式
以下配合图式及组件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
参见图1，图1为本发明多功能数字脉冲宽度调变控制器的示意图。如图1所示，本发明的多功能数字脉冲宽度调变控制器包括脉冲宽度调变(PWM)控制器10、选择单元20、比较单元30以及信号转换单元40，其中PWM控制器10产生至少二数字PWM信号，比如DPWM及nDPWM，用以驱动负载电路50，而负载电路50包括二功率晶体管，比如金氧半场效晶体管(MOSFET)，用以接收数字PWM信号DPWM及nDPWM，藉以达成单端输出模式(Single-Ended Output Mode)或推拉输出模式(Push-Pull Output Mode)，且单端输出模式的二数字PWM信号DPWM及nDPWM不具有盲带区(DeadTime Interval)，而推拉输出模式的二数字PWM信号DPWM及nDPWM具有盲带区。要注意的是，本发明的盲带区是指二数字PWM信号DPWM及nDPWM同时为低位准时的时间区段。
PWM控制器10可由微控制器(MCU)、中央处理器(CPU)或多个电电子组件构成的电子电路而实现，并以数字方式操作。
选择单元20包括至少一选择器，比如SEL1及SEL2，比较单元30包括至少一比较器，比如CP1、CP2、CP3及CP4，而信号转换单元40包括至少一数字至模拟转换器(DAC)，比如DAC1及DAC2。
信号转换单元40的数字至模拟转换器DAC1及DAC2分别接收不同的二参考信号R1及R2，并分别转换成相对应的参考电压VREF1及/或参考电流IREF1、参考电压VREF2及/或参考电流IREF2，其中参考信号R1及R2可为具有某一静态位准的信号，比如低位准(逻辑0)或高位准(逻辑1)，或是变动的信号，比如方波或正弦波。
比较单元30的比较器CP1、CP2、CP3及CP4分别接收来自信号转换单元40的参考电压VREF1、参考电流IREF1、参考电压VREF2、参考电流IREF2，且分别接收来自负载电路50的特定回授信号，比如电压回授信号VFB1、电流回授信号IFB1、电压回授信号VFB2及电流回授信号IFB2的至少其中之一，并进行比较处理以产生相对应的比较信号，而每个比较信号是具有低位准或高位准的数字信号。
选择器SEL1及SEL2接收来自比较单元30的比较信号，并依据选择信号(图中未显示)选取其中一比较信号当作输入信号而输入至PWM控制器10，其中选择信号可由使用者设定或直接由系统决定。
此外，PWM控制器10同时接收由使用者或系统设定的其它参数，用以控制数字PWM信号DPWM及nDPWM的特性，如图2及图3中所示的PWM周期(T_PWM)、工作区(T_Duty)、盲带区(T_DEAD)，或图中未显示的PWM输出模式(Output Mode)、软启动时间(Soft Start Period)、运作/停止(Run/Stop)、过电流保护(Over Current Protection)、关闭(Shutdown)。
以上述盲带区(T_DEAD)的设定为例，主要是由PWM控制器10藉改变数字PWM信号DPWM及nDPWM的分辨率数目而达成，亦即加大分辨率而增加工作区大小或降低分辨率而降低工作区大小，其中分辨率是指工作区的最小可变化量单位，而改变分辨率数目的具体作法是由PWM控制器10依据以下四种判断规则而实施。
第一种判断规则包括：如果比较单元30在前一PWM周期内产生的比较信号为连续N1个低位准的逻辑0，则PWM控制器10在本周期对数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区增加N2个分辨率，其中参数N1及N2为任意正整数，且可由使用者或系统设定；以及如果比较信号在前一PWM周期内为连续N1个高位准的逻辑1，则PWM控制器10在本PWM周期对数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区减少N2个分辨率。
第二种判断规则包括：如果在前一PWM周期内比较信号的高位准次数减去低位准次数是大于参数N1，则在本个周期对数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区减少N2个分辨率；以及如果在前一PWM周期内比较信号的低位准次数减去高位准次数是大于参数N1，则在本PWM个周期对数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区增加N2个分辨率。
第三种判断规则包括：如果前二PWM周期为增加工作区、前一PWM周期为增加工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为增加工作区，则本PWM周期中数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区变为增加(N2)*2，亦即加倍增加；以及如果前二PWM周期为减少工作区、前一PWM周期为减少工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为减少工作区，则本周期中数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区变为减少(N2)*2，亦即加倍减少。
第四种判断规则包括：如果前二PWM周期为增加工作区、前一PWM周期减少工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为增加工作区，则本PWM周期中数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区变为增加(N2)/2，亦即减半增加；以及如果前二PWM周期为减少工作区、前一PWM周期为增加工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为减少工作区，则本PWM周期中数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区变为减少(N2)/2，亦即减半减少。
综上所述，本发明的特点在于可依据先前PWM周期中PWM信号的工作区是否为增加或减少而动态改变本周期中工作区的分辨率数目，藉以产生具最佳化盲带区的PWM信号，用以驱动负载电路，改善负载电路的整体电气操作特性。
以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (10)

1.一种多功能数字脉冲宽度调变控制器，用以产生至少二数字脉冲宽度调变信号以驱动一负载电路，其特征在于，该多功能数字脉冲宽度调变控制器包括：
一信号转换单元，包括至少一数字至模拟转换器，每个数字至模拟转换器接收不同的参考信号并产生相对应的参考电压及/或参考电流；
一比较单元，包括至少一比较器，每个比较器接收来自该信号转换单元中相对应数字至模拟转换器的参考电压及/或参考电流，并依据来自该负载电路的一回授信号，进行比较处理而产生具有低位准或高位准的比较信号；
一选择单元，包括至少一选择器，接收一选择信号以及来自该比较单元的比较信号，且每个选择器依据该选择信号以选取其中一比较信号当作一输入信号；以及
一脉冲宽度调变(PWM)控制器，接收来自该选择单元的输入信号及/或由使用者或系统设定的参数，并依据至少一判断规则以控制所述数字脉冲宽度调变信号的工作区的分辨率的数目，进而改变所述数字脉冲宽度调变信号的盲带区，其中该分辨率为该工作区的最小可变化量单位，而该盲带区为所述数字脉冲宽度调变信号同时为低位准时的时间区段。
2.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该参考信号为具有某一静态位准的信号，或是变动的信号，而该静态位准包括低位准(逻辑0)或高位准(逻辑1)，该变动的信号包括方波或正弦波。
3.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该负载电路的回授信号包括电压回授信号、电流回授信号、电压回授信号及电流回授信的至少其中之一。
4.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该选择信号是由使用者设定或直接由系统决定。
5.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该脉冲宽度调变控制器是由微控制器(MCU)、中央处理器(CPU)或多个电电子组件构成的电子电路而实现。
6.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该判断规则包括：
如果该比较单元在前一PWM周期内产生的比较信号为连续N1个低位准的逻辑0，则该PWM控制器在本周期对所述数字PWM信号的工作区增加N2个分辨率；以及
如果该比较信号在前一PWM周期内为连续N1个高位准的逻辑1，则该PWM控制器在本个周期对数字PWM信号的工作区减少N2个分辨率，且所述参数N1及N2为任意正整数，并由使用者或系统设定。
7.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该判断规则包括：
如果在前一PWM周期内该比较信号的高位准的次数减去低位准的次数是大于参数N1，则在本个周期对所述数字PWM信号的工作区减少N2个分辨率；以及
如果在前一PWM周期内该比较信号的低位准的次数减去高位准的次数是大于参数N1，则在本个周期对所述数字PWM信号的工作区增加N2个分辨率，且所述参数N1及N2为任意正整数，并由使用者或系统设定。
8.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该判断规则包括：
如果前二PWM周期为增加工作区、前一PWM周期为增加工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为增加工作区，则本PWM周期中所述数字PWM信号的工作区变为增加(N2)*2；以及
如果前二PWM周期为减少工作区、前一PWM周期为减少工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为减少工作区，则本PWM周期中所述数字PWM信号DPWM及nDPWM的工作区变为减少(N2)*2，且所述参数N1及N2为任意正整数，并由使用者或系统设定。
9.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该判断规则包括：
如果前二PWM周期为增加工作区、前一PWM周期减少工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为增加工作区，则本PWM周期中呆等数字PWM信号的工作区变为增加(N2)/2；以及
如果前二PWM周期为减少工作区、前一PWM周期为增加工作区N2个分辨率且本PWM周期被判定为减少工作区，则本PWM周期中所述数字PWM信号的工作区变为减少(N2)/2，且所述参数N1及N2为任意正整数，并由使用者或系统设定。
10.如权利要求1所述的多功能数字脉冲宽度调变控制器，其特征在于，该PWM控制器进一步接收由使用者或系统设定的参数，用以控制所述数字PWM信号的PWM周期、PWM输出模式、软启动时间、运作/停止、过电流保护或关闭，而该PWM输出模式包括该二数字PWM信号不具有盲带区的单端输出模式及该二数字PWM信号具有盲带区的推拉输出模式。
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