CN108964461A

CN108964461A - 动态调压装置及方法

Info

Publication number: CN108964461A
Application number: CN201811004237.1A
Authority: CN
Inventors: 胡乔朋; 何孔龙; 汪卫华; 史凯运
Original assignee: iFlytek Co Ltd
Current assignee: Xi'an Xunfei Super Brain Information Technology Co Ltd
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: CN108964461B

Abstract

本发明公开了一种动态调压装置及方法，其中装置包括开关电源、调压模块以及取样模块；第一输出端还分别与调压模块及取样模块连接，且取样模块还分别与开关电源的电压采集端及调压模块的第二输出端连接；调压模块根据第一输出端的实际输出电压、用电设备所需电压和取样模块的参数，调节第二输出端的电压；开关电源通过电压采集端从取样模块采集参考电压，并根据参考电压和预设的基准电压，调节第一输出端输出符合用电设备所需电压的电压。本发明借由参考电压与开关电源形成闭环反馈机制，以此实现动态地对开关电源在一定范围内任意调节输出电压的功能，在减少外围电路复杂度、节省成本和资源的同时，还方便了动态调压程序的设计。

Description

动态调压装置及方法

技术领域

本发明涉及电源管理领域，尤其涉及一种动态调压装置及方法。

背景技术

当前，为了延长便携式设备(如手机、智能玩具、多媒体播放器及笔记本电脑等)的电池寿命，芯片厂商们正在投入大量的精力和成本开发节电技术。一般来说，节电技术可以分为两类——动态技术和静态技术。静态技术包括不同的低功耗模式，芯片内部不同组件的时钟或电源按需启闭等。动态技术则是根据芯片所运行的应用程序对计算能力的不同需要，动态调节芯片的运行电压，从而达到节能的目的。

针对开关电源的动态电压调节技术已与数字技术融合在一起，它将处理器与电源转换器连接在一起，通过数字总线动态地调节供电电压，同时调节处理器的频率。目前的电源管理主要有两种方式：

第一种是通过I²C等数字总线动态地调节供电电压，采用该种方式外围电路结构复杂且电路处理器芯片和电源芯片必须具备I²C等数字总线才可以实现，占用了系统的资源；

第二种方式采用专用的电源管理芯片，通过该芯片管脚实现若干固定电压输出，系统会根据自身运行情况选择相应的电压，从而实现动态电压调节。但是该方式的外围电路结构依然复杂，需要专门的电源管理芯片，且输出电压只能从几个固定电压中进行选择，达不到在一定范围内任意电压值的动态调节目的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种动态调压装置及方法，解决了开关电源动态调节过程中外围电路复杂，且输出无法在一定范围任意电压可调的缺点。

本发明采用的技术方案如下：

一种动态调压装置，包括开关电源，所述开关电源的第一输出端用于为用电设备供电，所述装置还包括调压模块以及向开关电源提供参考电压的取样模块；

所述第一输出端还分别与所述调压模块及所述取样模块连接，且所述取样模块还分别与所述开关电源的电压采集端及所述调压模块的第二输出端连接；

所述调压模块用于根据所述第一输出端的实际输出电压、用电设备所需电压和所述取样模块的参数，调节所述第二输出端的电压；

所述开关电源用于通过所述电压采集端从所述取样模块采集参考电压，并根据所述参考电压和预设的基准电压，调节所述第一输出端输出符合用电设备所需电压的电压。

可选地，所述取样模块包括第一电阻、第二电阻以及第三电阻；

所述第一电阻的一端分别与所述第二电阻一端以及所述第三电阻一端连接为公共端；

所述第一电阻的另一端与所述第一输出端连接，所述第二电阻的另一端与所述开关电源共地，所述第三电阻的另一端与所述第二输出端连接；

所述电压采集端与所述公共端连接。

可选地，所述第一输出端用于为所述调压模块供电。

可选地，所述调压模块包括内置PWM信号发生器的处理器，所述处理器用于通过所述第二输出端直接输出PWM信号，并通过调节占空比调节所述第二输出端的电压。

可选地，所述调压模块包括由MOS管组成的驱动单元以及直接输出高/低电平的处理器；

所述驱动单元用于将所述处理器输出的电平信号转化为具有驱动能力的PWM信号，并通过所述第二输出端输出该PWM信号。

可选地，所述驱动单元包括NMOS管和PMOS管；

所述NMOS管的D极与所述第一输出端连接，所述NMOS管的G极与所述处理器的电平输出端连接，所述PMOS管的S极与所述开关电源共地，所述PMOS管的G极与所述电平输出端连接；

所述NMOS管的S极与所述PMOS管的D极连接并形成所述第二输出端。

可选地，所述调压模块还包括第一储能单元，所述第一储能单元的输入端与所述第二输出端连接，所述第一储能单元的输出端与所述取样模块连接。

可选地，在所述第一输出端与所述开关电源的PWM信号输出单元之间连接有第二储能单元。

一种动态调压方法，所述方法用于上述动态调压装置，所述方法包括：

调压模块获取开关电源的实际输出电压、用电设备所需电压以及取样模块的参数；

调压模块根据实际输出电压、用电设备所需电压以及取样模块的参数，调节电压输出，以使取样模块的参考电压变化；

开关电源采集取样模块的参考电压；

开关电源将参考电压与预设的基准电压进行比较，并根据比较结果调节开关电源的实际输出电压，以符合用电设备所需电压。

可选地，调节所述调压模块的输出电压方式具体包括：

通过调节占空比使调压模块输出不同电压；或者

通过调节高/低电平值使调压模块输出不同电压。

本发明通过将开关电源的第一输出端与调压模块及取样模块连接，且取样模块还分别与开关电源的电压采集端及调压模块的第二输出端连接，从而借由参考电压与开关电源形成闭环反馈机制，以此实现动态地对开关电源在一定范围内任意调节输出电压的功能。本发明相较现有技术，大大减少外围电路的复杂度，在节省成本和资源的同时，还能便于动态调压程序的设计。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为本发明提供的动态调压装置的实施例的示意图；

图2为本发明提供的取样模块的实施例的示意图；

图3为本发明提供的动态调压装置的较佳实施例的示意图；

图4为本发明提供的动态调压方法的实施例的流程图。

附图标记说明：

R1第一电阻 R2第二电阻 R3第三电阻 Q1 NMOS管 Q2 PMOS管

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一种动态调压装置的实施例，如图1所示，包括开关电源，该开关电源的第一输出端用于为用电设备供电，具体地，所述装置还包括调压模块以及向开关电源提供参考电压的取样模块。其中，所述参考电压可以不由取样模块主动产生，可以是由于第一输出端及调压模块的综合作用产生(具体见下文说明)；接着，第一输出端还分别与调压模块及取样模块的第一输入端连接，并且取样模块的参考输出端与开关电源的电压采集端连接，取样模块的第二输入端则与调压模块的第二输出端连接。调压模块的作用是根据第一输出端的实际输出电压、用电设备所需电压和所述取样模块的参数，调节所述第二输出端的电压。用电设备所需电压可以是指根据节电需要提前设定或动态检测的目标电压。再有，虽然开关电源的输出电压是本发明的调节客体，但本系统实施例中同样包含有作为调节客体的开关电源，原因在于开关电源也是本闭环调节系统中的必不可少的调节环节之一，具体来说，本系统实施例实质上是双调压系统，一方面由调压模块对其自身的输出电压的调节(调压模块的输出会影响取样模块的参考电压)，另一方面开关电源可以通过电压采集端从取样模块采集到参考电压，并根据参考电压和预设的基准电压，调节其第一输出端的输出电压，以最终符合用电设备所需电压范围需求。

需指出的是，在本实施例中开关电源的第一输出端还与调压模块的连接，其作用主要是向调压模块提供开关电源的实际输出电压，但并不排除还有其他用途，例如，可将调压模块视为用电设备之一，即开关电源还可以通过第一输出端为调压模块提供电能。基于此，本发明不对调压模块与第一输出端的连接端口作名称上的定义，并且上述各端口的命名只是为了表明其具体的功能，而没有数量、位置上的限定含义；同时需说明的是，上述第一、第二等序号不表示顺序、数量及主次等，仅作为特征表述区分。

在具体实施时，上述取样模块及调压模块皆可由常规元器件及其他成品化的硬件予以实现。图2以取样模块为例，在实际操作中可以由第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3构建而成，其中第一电阻R1的一端分别与第二电阻R2一端以及第三电阻R3一端连接为公共端；第一电阻R1的另一端(作为前述第一输入端)与开关电源的第一输出端连接，第二电阻的另一端与开关电源共地，即可以连接在设备的公共地线上并与开关电源的负极形成等电势，而第三电阻R3的另一端(作为前述第二输入端)则与调压模块的第二输出端连接；开关电源的电压采集端与前述三个电阻的公共端连接，可见所称公共端可以视作前述参考输出端。本领域技术人员可以理解的是，在该取样模块的实施例中，三个电阻皆为分压电阻，目的是综合第一输出端提供的实际输出电压以及调压模块通过第二输出端输出的用于调节的电压信号，以向开关电源提供用于调节参考的参考电压。此外需指明，图2所示电路中R1、R2和R3不只局限于图示一个电阻，实际操作中可由若干电阻串联组成，并且可根据设计参数具体选型，例如针对前文背景技术中提及的便携式用电设备，R1和R2可选200k欧姆以下，而R3的阻值范围可以是510k欧姆以上。

基于上述实施例，本发明为调压模块提供了两种实施参考：

其一、通过内置PWM信号发生器的处理器作为调压模块的主体，由前述第二输出端直接输出PWM信号直接作用于上述取样模块，在进行调压时则通过调节第二输出端输出的PWM占空比，以此调实现第二输出端输出不同的电压。需进一步说明的是，所述处理器可以是基于ARM核且内置脉宽调制功能的处理器，也可以是实现等效功能的单片机、DSP及FPGA等。

其二、如图3所示，在另一个实施例中调压模块具体包括了由MOS管组成的驱动单元以及直接输出一定频率的高/低电平的处理器；其中，驱动单元的作用是根据处理器输出的不同的高低电平使MOS产生状态变化，从而便将处理器输出的电平信号转化为具有驱动能力的PWM波信号，并且通过前述第二输出端输出该PWM信号。在实际操作中，可参考图3给出的示例，该驱动单元具体可以包括NMOS管Q1和PMOS管Q2。其连接方式是：Q1的D极与开关电源的第一输出端连接，Q1的G极与处理器的电平输出端(例如I/O端口)连接，Q2的S极则与开关电源共地，而Q2的G极也同样与处理器的电平输出端连接，即两个G极相连；Q1的S极与Q2的D极相连，以此形成前述第二输出端。需进一步说明的是，所述处理器可以是针对背景技术中提及的便携式用电设备，选用IMX6Q系列处理器，但并不局限于此，其他具有I/O输出功能且能够实现等同效果的处理器皆可。

进一步地，图3实施例中还示出了用于将调压模块输出转化为直流电压并参与电压调节的第一储能单元。连接方式可参考为第一储能单元的输入端与第二输出端连接，而第一储能单元的输出端则与取样模块连接。其目的是当调压模块输出PWM信号为1时进行储能，当调压模块输出PWM信号为0时，进行放电，以此形成较为平滑稳定的直流电压，这样，本系统可利用该直流电压进行反馈调节，而非将调压模块的PWM波信号直接作用于取样模块。在实际操作中，该第一储能单元可以是但不限于采用储能电感。同理地，在前述第一输出端与开关电源的PWM信号输出单元之间也可以设置具有同等作用的第二储能单元，连接方式与原理可参考前文，此处不再赘述，只需补充图3中所示第二储能单元仅为示意，在实际中其可以设置在开关电源内部。需说明的是，本领域技术人员知晓，开关电源的常规部件中即包含上述PWM信号输出单元，通常是指脉冲宽度调制控制集成电路，现有技术中已有多种成熟的芯片型号，对此本发明不作赘述。

因此，开关电源与调压模块均具有PWM信号输出功能，而调压模块输入的PWM信号与开关电源的PWM信号输出相关联，从而形成双PWM信号控制实现开关电源的动态电压调节。

综上各实施例及其优选方案，本发明还提供了一种可应用于上述动态调压装置的动态调压方法，如图4所示，具体包括如下步骤：

步骤S1、调压模块获取开关电源的实际输出电压、用电设备所需电压以及取样模块的参数。这里需说明的是调压模块获取用电设备所需电压以及取样模块的参数的方式，本领域技术人员可以理解的是，在实际操作中可以根据实际硬件电路预先设定取样模块的参数，并且调压模块还可以具有动态获取用电设备所需电压的功能。这在背景技术中提及的便携用电设备(如手机、智能玩具、多媒体播放器及笔记本电脑等)中已属常规技术，例如采用IMX6Q系列处理器作为调压模块，该开发板本身已具备自动检测所需电压的功能，因而，本领域技术人员在实施本发明时不会遇到阻碍；当然，在其他的实施方式中，调压模块也可以从用电设备的其他模块间接获取到所需电压，此与各用电设备的节电需求相关，不在本发明关注范围，因而未作限定。

步骤S2、调压模块根据实际输出电压、用电设备所需电压以及取样模块的参数，调节电压输出，以使取样模块的参考电压变化。具体来说，调节所述调压模块的输出电压方式可以包括：通过调节占空比使调压模块输出不同电压(针对支持PWM输出的处理器)；或者通过调节高/低电平值使调压模块输出不同电压(针对支持I/O输出的处理器)。

步骤S3、开关电源采集取样模块的参考电压；

步骤S4、开关电源将参考电压与预设的基准电压进行比较；

步骤S5、开关电源根据比较结果调节实际输出电压，以符合用电设备所需电压。具体可以是根据比较结果控制开关电源的PWM信号输出单元以不同的占空比输出用电设备所需电压。并且此处需说明的是，本领域技术人员可以理解，开关电源本身在进行调节电压时必然还需依赖于开关电源的输入电压，由于此为现有技术，在本发明的装置和方法实施例中均不再对此进行赘述。

最后，对本发明的双PWM调节设计原理做如下说明：

一方面，假定暂不考虑由调压模块及R3参与调节的部分(暂忽略图3中R3及其右侧器件)，开关电源PWM调节的方式可采取当采集到的参考电压大于基准电压时，需减小开关电源所产生的占空比(为便于区分，称为第一占空比)；而当采集到的参考电压小于基准电压时，需增大开关电源所产生的第一占空比；直至，采集到的参考电压等于基准电压时，则以固定的第一占空比输出，具体结合图3并参考如下公式：

当则减小第一占空比；

当则增大第一占空比；

直到则固定第一占空比；

其中，在上述公式中Vf为基准电压，Vo为第一输出端电压。

另一方面，结合图3和图4并基于上述调节原理，引入调压模块及R3参与调节的部分。从便于观察规律的电流角度，流经R2的电流是由流经R1和R3的电流汇总而来，因此得到如下公式

在本公式中，Vf视为参考电压(为便于总结规律，假设参考电压与基准电压相等)，Vo为第一输出端电压，Vp为第二输出端电压。

通过对该公式进行推导，可得第一输出端电压的调节范围介于和之间，也即是根据不同的调压模块(支持PWM信号输出或支持I/O电平输出的处理器)，取处理器输出的极值代入公式所得(即，使第二输出端输出的第二占空比取0或1)。

举例来说，对于某设备需要输出0.9V～1.1V的可调电压，并预设开关电源的基准电压是0.6V、R1＝100KΩ、R2＝120KΩ、R3＝1MΩ，且假定调压模块输出的PWM信号波幅值为3.3V(前述Vp可由幅值与第二占空比计算获得)，则根据上述公式得出，本例中第二占空比的调节范围在0～0.606之间。当然，当采集到的参考电压不等于基准电压时，还需进一步由前述调节第一占空比的原理进行调节；总之，本发明通过建立反馈控制机制，通过双端PWM的调节，以实现开关电源在一定范围内任意且动态调节输出电压的功能，以此满足用电设备对于节电的需求。

本申请所提供的双PWM动态调压装置及方法相比于现有技术，解决了外围电路结构复杂的问题，并且无需配置具备I²C功能的高成本电源管理芯片，即可以使输出电压在一定范围内进行动态调节，而不受固定电压输出的限制。由此而言，本发明具备简便、经济及有效的显著效果，适合在开关电源及相近领域普及应用。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上所述仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种动态调压装置，包括开关电源，所述开关电源的第一输出端用于为用电设备供电，其特征在于，所述装置还包括调压模块以及向开关电源提供参考电压的取样模块；

2.根据权利要求1所述的动态调压装置，其特征在于，所述取样模块包括第一电阻、第二电阻以及第三电阻；

所述电压采集端与所述公共端连接。

3.根据权利要求1所述的动态调压装置，其特征在于，所述调压模块包括内置PWM信号发生器的处理器，所述处理器用于通过所述第二输出端直接输出PWM信号，并通过调节占空比调节所述第二输出端的电压。

4.根据权利要求1所述的动态调压装置，其特征在于，所述第一输出端用于为所述调压模块供电。

5.根据权利要求4所述的动态调压装置，其特征在于，所述调压模块包括由MOS管组成的驱动单元以及直接输出高/低电平的处理器；

6.根据权利要求5所述的动态调压装置，其特征在于，所述驱动单元包括NMOS管和PMOS管；

7.根据权利要求3～6任一项所述的动态调压装置，其特征在于，所述调压模块还包括第一储能单元，所述第一储能单元的输入端与所述第二输出端连接，所述第一储能单元的输出端与所述取样模块连接。

8.根据权利要求1所述的动态调压装置，其特征在于，在所述第一输出端与所述开关电源的PWM信号输出单元之间连接有第二储能单元。

9.一种动态调压方法，其特征在于，所述方法用于权利要求1～8任一项所述的动态调压装置，所述方法包括：

开关电源采集取样模块的参考电压；

10.根据权利要求9所述的动态调压方法，其特征在于，调节所述调压模块的输出电压方式具体包括：

通过调节占空比使调压模块输出不同电压；或者

通过调节高/低电平值使调压模块输出不同电压。