CN110224587B - 数字稳压控制系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种数字稳压控制系统及其方法，其系统包括具有多个不连续转换率的可调式切换电容式转换电路、差值产生器、数字控制器以及转换率控制器，且彼此互相连接而形成闭回路系统。可调式切换电容式转换电路包括接收输入电压的输入端、接收转换率信号的转换率控制端以及输出输出电压的输出端，差值产生器则比较输出电压与外部参考电压而得出差值电压，接着传输其至数字控制器，数字控制器则据此输出数字控制信号至转换率控制器。转换率控制器根据数字控制信号输出相应的转换率信号至转换率控制端，可调式切换电容式转换电路据此调整输出电压。

Description

数字稳压控制系统及其方法
技术领域
本发明关于一种稳压系统，特别是关于一种利用数字方式控制的数字稳压控制系统及其方法。
背景技术
各个电子装置皆有特定电压的需求，因此需要设置一稳压器调整电压。常见的稳压器包含降压型稳压器、升压型稳压器以及全桥型稳压器，前述的稳压器皆具有开关元件，并调整开关元件切换的时间，例如利用脉波宽度调变(Pulse Width Modulation)，来产生所需的电压。然而，上述稳压器也受限于开关的切换时间限制，从而限制稳压器的电压调整的范围。
为了解决上述问题，本发明的发明者思索并设计一种数字稳压控制系统及其方法，以期针对现有技术的缺失加以改善，进而增进产业上的实施利用。
发明内容
有鉴于上述现有的问题，本发明的目的在于提供一种数字稳压控制系统及其方法，用以解决现有技术中所面临的问题。
基于上述目的，本发明提供一种数字稳压控制系统，其包括可调式切换电容式转换电路、差值产生器、数字控制器以及转换率控制器，可调式切换电容式转换电路连接差值产生器，差值产生器接着连接数字控制器，数字控制器再接着连接转换率控制器，最后转换率控制器连接可调式切换电容式转换电路而形成闭回路系统，以更稳定地调整电压，且电压的调整范围则由转换率信号控制而非开关的切换时间。可调式切换电容式转换电路具有多个不连续的转换率，并包括输入端、转换率控制端以及输出端，输入端接收输入电压，输出端输出输出电压，转换率控制端接收转换率信号，而可调式切换电容式转换电路系根据转换率信号设定使用多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率将输入电压转换成输出电压。差值产生器连接输出端，并比较输出电压与外部参考电压而得出差值电压，且传输差值电压至数字控制器，数字控制器根据接收的差值电压而输出数字控制信号，接着传输数字控制信号至转换率控制器，最后，转换率控制器根据接受的数字控制信号输出相应的转换率信号至转换率控制端，可调式切换电容式转换电路根据转换率信号选择多个不连续的转换率的其中一个调整输出电压。
较佳地，可调式切换电容式转换电路为高解析度切换电容式转换电路。
较佳地，当差值电压大于零时，数字控制器根据差值电压输出具有降低电压信息的数字控制信号，而转换率控制器依据具有降低电压信息的数字控制信号，输出具有降低倍数的转换率信号。
较佳地，当差值电压小于零时，数字控制器根据差值电压输出具有升高电压信息的数字控制信号，而转换率控制器依据具有升高电压信息的数字控制信号，输出具有放大倍数的转换率信号。
较佳地，当差值电压等于零时，数字控制器输出具有维持固定电压信息的数字控制信号，转换率控制器输出其数值为1的转换率信号。
较佳地，可调式切换电容式转换电路更包括输出取样滤波器，输出取样滤波器连接于输出端和差值产生器之间，且输出取样滤波器替输出电压滤波，从而减少噪声干扰。
较佳地，差值产生器包括模拟数字转换元件和减法元件，模拟数字转换元件连接输出取样滤波器，以将滤波后的输出电压转换成数字输出电压，减法元件连接于模拟数字转换元件和数字控制器之间，并将数字输出电压与外部参考电压相减而得出差值电压。
较佳地，转换率控制器包括转换率选择表和逻辑控制元件，转换率选择表连接数字控制器，并根据接收的数字控制信号选择相应的转换率信号，逻辑控制元件连接于转换率选择表和转换率控制端之间，以将转换率信号传送至转换率控制端。
基于上述目的，本发明提供一种数字稳压控制方法，其包括：(1)利用具有多个不连续的转换率的可调式切换电容式转换电路的输入端接收输入电压，且可调式切换电容式转换电路具有转换率控制端以及输出端，输出端输出输出电压，转换率控制端接收转换率信号。(2)接着利用差值产生器比较输出电压与外部参考电压，以得出差值电压。(3)利用数字控制器接收差值电压，从而输出数字控制信号。(4)最后，利用转换率控制器接受数字控制信号，从而根据数字控制信号输出相应的转换率信号至转换率控制端，可调式切换电容式转换电路依据根据转换率信号设定使用多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率调整输出电压。
较佳地，更包含设置输出取样滤波器于输出端和差值产生器间，以替输出电压滤波，且差值产生器包括模拟数字转换元件和减法元件，连接输出取样滤波器和模拟数字转换元件，以将滤波后的输出电压转换为数字输出电压，接着利用减法元件将数字输出电压与外部参考电压相减而得出差值电压。
较佳地，转换率控制器更包括转换率选择表和逻辑控制元件，连接数字控制器和转换率选择表，以根据数字控制信号选择相应的转换率信号，接着利用逻辑控制元件将转换率信号传送至转换率控制端。
承上所述，本发明的数字稳压控制系统及其方法，其可具有一或多个下述优点：
(1)本发明的数字稳压控制系统及其方法，利用数字控制器和转换率控制器输出转换率信号至可调式切换电容式转换电路，而非调整开关切换的时间，因此，电压的调整范围不受限于开关切换的时间，以更稳定地调整输出电压。
(2)本发明的数字稳压控制系统及其方法，利用数字方式调整转换率，与模拟方式调整电压相比更为简单。
附图说明
图1为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第一实施例的方块图。
图2为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第一实施例的可调式切换电容式转换电路图。
图3为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第一实施例的差值电压的判断流程图。
图4为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的方块图。
图5为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的可调式切换电容式转换电路的小信号分析电路图。
图6为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的可调式切换电容式转换电路的平均信号分析电路图。
图7为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的数字控制器图。
图8为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第三实施例的流程图。
符号说明：
10：可调式切换电容式转换电路
11：输入端
12：输出端
13：转换率控制端
14：输出取样滤波器
20：差值产生器
21：模拟数字转换元件
22：减法元件
30：数字控制器
31：最低有效位校准元件
40：转换率控制器
41：转换率选择表
42：逻辑控制元件
COUT：电容
CR：转换率信号
Gcr(s)、Gio(s)、GPID(z)：转移函数
KD：微分比例参数
KI：积分比例参数
KP：比例增益参数
L：放大倍数
MK：维持固定电压信息
ML：升高电压信息
MS：降低电压信息
RL：负载电阻
ROUT：等效电阻
S：降低倍数
SD：数字控制信号
VD：数字输出电压
VERR：差值电压
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
VREF：外部参考电压
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10：流程
S21、S22、S23、S24：步骤
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达到的技术方法将参照例示性实施例及所附图式进行更详细地描述而更容易理解，且本发明可以不同形式来实现，故不应被理解仅限于此处所陈述的实施例，相反地，对所属技术领域具有通常知识者而言，所提供的实施例将使本揭露更加透彻与全面且完整地传达本发明的范畴，且本发明将仅为所附加的申请专利范围所定义。
如图1和图2所示，其为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第一实施例的方块图和本发明的数字稳压控制系统及其方法的第一实施例的可调式切换电容式转换电路图。于此实施例中，本发明的数字稳压控制系统包括可调式切换电容式转换电路10、差值产生器20、数字控制器30以及转换率控制器40。可调式切换电容式转换电路10连接差值产生器20，差值产生器20连接数字控制器30，数字控制器30连接转换率控制器40，转换率控制器40连接可调式切换电容式转换电路10，藉此形成一闭回路系统，以更稳定地调整电压。在此闭回路系统中，电压的调整范围可由转换率信号CR控制。其中，可调式切换电容式转换电路10较佳为高解析度切换电容式转换电路，如图2所示，可调式切换电容式转换电路10由多个开关和多个电容构成，且可串接多个可调式切换电容式转换电路10，并让多个可调式切换电容式转换电路10其中之一的输出端作为输出端12。
需特别说明的是，高解析度为可调式切换电容式转换电路相较于市面上的切换电容式转换电路能接受相对精准的转换率，而对输出电压VOUT作高精准度的调整，并非一般仅能调整百分位的输出电压VOUT，而能调整到例如千分位的输出电压VOUT，进而提高输出电压VOUT的准确率。
可调式切换电容式转换电路10具有多个不连续的转换率，并包括输入端11、转换率控制端13以及输出端12。输入端11接收输入电压VIN，输出端12输出输出电压VOUT，转换率控制端13接收转换率信号CR。可调式切换电容式转换电路10系根据转换率信号CR设定使用多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率将输入电压VIN转换成输出电压VOUT。差值产生器20连接输出端12，并比较输出电压VOUT与外部参考电压VREF而得出差值电压VERR，此时的差值电压VERR为一种数字电压，并传输差值电压VERR至数字控制器30。
数字控制器30根据接收的差值电压VERR而输出数字控制信号SD，接着传输数字控制信号SD至转换率控制器40。转换率控制器40根据接受的数字控制信号SD输出相应的转换率信号CR至可调式切换电容式转换电路10，可调式切换电容式转换电路10根据转换率信号CR设定使用多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率调整输出电压VOUT，透过给定外部参考电压VREF和转换率信号CR的相应调整，调整输出电压VOUT与外部参考电压VREF一致。
请参阅图3，其为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第一实施例的差值电压的判断流程图。如图3所示，根据差值电压VERR的数值进行下列流程。(1)S1流程:差值产生器20运算差值电压VERR大小，根据差值电压VERR的数值状况分别进入S2流程、S3流程、S4流程。S2流程为差值电压VERR大于零的情况下进行，S3流程为差值电压VERR小于零的情况下进行，而S4流程为差值电压VERR等于零的情况下进行。
(2)S2流程：差值电压VERR大于零时，表示输出电压VOUT大于外部参考电压VREF，依据差值电压VERR的数值情况，数字控制器30则相应调整而输出具有降低电压信息MS的数字控制信号SD，并进入S5流程。
(3)S3流程：当差值电压VERR小于零时，表示输出电压VOUT小于外部参考电压VREF，依据差值电压VERR的数值情况，数字控制器30则相应调整而输出具有升高电压信息ML的数字控制信号SD，并进入S6流程。
(4)S4流程：当差值电压VERR等于零时，表示输出电压VOUT等于外部参考电压VREF，依据差值电压VERR的数值情况，数字控制器30则不需调整而输出具有维持固定电压信息MK的数字控制信号SD，并进入S7流程。
(5)S5流程：转换率控制器40依据具有降低电压信息MS的数字控制信号SD，输出具有降低倍数S的转换率信号CR至转换率控制端13，进入S8流程。
(6)S6流程：转换率控制器40依据具有升高电压信息ML的数字控制信号SD，输出具有放大倍数L的转换率信号CR至转换率控制端13，进入流程S9。
(7)S7流程：转换率控制器40输出其数值为1的转换率信号CR至转换率控制端13，进入流程S10。
(8)S8流程：可调式切换电容式转换电路10依据降低倍数S的转换率信号CR设定使用其数值小于1的转换率，进而降低输出电压VOUT，并于输出端12输出降低后的输出电压VOUT。
(9)S9流程：可调式切换电容式转换电路10依据放大倍数L的转换率信号CR使用其数值大于1的转换率，进而升高输出电压VOUT，并于输出端12输出升高后的输出电压VOUT。
(10)S10：可调式切换电容式转换电路10依据其数值为1的转换率信号CR而不变动输出电压VOUT的数值，并于输出端12输出原数值的输出电压VOUT。
请参阅图4、图5、图6以及图7，其分别为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的方块图、本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的可调式切换电容式转换电路的小信号分析电路图、本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的可调式切换电容式转换电路的平均信号分析电路图以及本发明的数字稳压控制系统及其方法的第二实施例的数字控制器图。于本实施例中，相同元件符号的元件，其配置与前述类似，其类似处于此便不再加以赘述，部分元件的配置与前图相似，而在本实施例的图中将其省略。
如图4所示，可调式切换电容式转换电路10更包括输出取样滤波器14，差值产生器20包括模拟数字转换元件21和减法元件22，输出取样滤波器14连接于输出端12和差值产生器20之间，连接输出取样滤波器14之后为模拟数字转换元件21，而减法元件22连接于模拟数字转换元件21和数字控制器30之间。输出取样滤波器14替输出电压VOUT滤波，从而减少噪声干扰。
模拟数字转换元件21将滤波后的输出电压VOUT转换成数字输出电压VD，减法元件22把数字输出电压VD与外部参考电压VREF相减而得出差值电压VERR，比较输出电压VOUT与外部参考电压VREF而得出差值电压VERR的方式也可为其他较佳的方式，并未限定于本发明所列举的方式。
在一实施例中，转换率控制器40包括转换率选择表41和逻辑控制元件42，转换率选择表41连接数字控制器30，并根据接收的数字控制信号SD选择相应的转换率信号CR，逻辑控制元件42连接于转换率选择表41和转换率控制端13之间，并统整转换率信号CR及将其传送至转换率控制端13，可调式切换电容式转换电路10据此升高或降低输出电压VOUT。
以下说明本发明的稳定性分析。进行稳定性分析时，可调式切换电容式转换电路10加上负载电阻RL，并如图5所示做小信号电路分析。于整个可调式切换电容式转换电路10稳定时，电容COUT为开路，负载电阻RL与可调式切换电容式转换电路10的等效电阻ROUT串联，从而得出下列输入电压VIN与输出电压VOUT的关系式：
VOUT＝VIN*CR*(RL/(ROUT+RL))
从上式得知，由于负载电阻RL与可调式切换电容式转换电路10的等效电阻ROUT为固定，所以输出电压VOUT会随着转换率信号CR变动而变动。
另外，也如图6所示做平均小信号分析，此时，输入电压VIN＝VIN+vIN(s)，转换率信号CR＝CR+cr(s)，输出电压VOUT＝vout(s)，仅考虑小信号值且较小数值忽略而如下列关系式：
VIN*CR＝VIN*cr(s)+vIN(s)*CR
此时的电路分析则如图5所示，并可得到下列关系式：
Gcr(s)＝(vout/cr)＝VIN*(Z(s)/(Z(s)+ROUT))
Gio(s)＝(vout/vIN)＝CR*(Z(s)/(Z(s)+ROUT))
Z(s)＝(rc+(1/sCOUT))//(RL)
Gcr(s)和Gio(s)皆为转移函数，Gcr(s)为输出电压vout(s)对转换率信号CR的转移函数，Gio(s)为输出电压vout(s)对输入电压的转移函数，且Gcr(s)和Gio(s)的数值皆小于1，可调式切换电容式转换电路10容易稳定，并看出Gcr(s)的极点为COUT*ROUT和零点为rc*COUT。
最后，在将负载电阻RL的输出电压VOUT连接电阻和电容组成的输出取样滤波器14滤波，将输出电压VOUT的噪声滤掉。
从上述得知，由于转移函数Gcr(s)具有零点和极点，得出的输出电压VOUT也具有零点和极点，再经过模拟数字转换元件21的z转换和减法元件22而得出差值电压VERR，此时的差值电压VERR相当适合使用的数字控制器30为如图7所示比例-积分-微分控制器(proportional–integral–derivative controller,PID controller)，以得出数字控制信号SD，而比例-积分-微分控制器PID的转移函数GPID(z)如下：
GPID(z)＝Kp+KI*(1/(1-z-1))+KD*((1-z-2)/(1-αz-2))
其中，KP为比例增益参数，KI为积分比例参数，KD为微分比例参数，差值电压VERR分别透过比例增益参数KP、积分比例参数KI以及微分比例参数KD的调整而得出三个数值信号，最低有效位校准元件31分别对这三个数值信号的最低有效位进行校准，让这三个数值信号的基准一致，并统合三个数值信号而得出数字控制信号SD，根据数字控制信号SD选择相应的转换率信号CR。
如图8所示，其为本发明的数字稳压控制系统及其方法的第三实施例的流程图。于本实施例中，相同元件符号的元件，其配置与前述类似，其类似处于此便不再加以赘述，部分元件的配置与前图相似，而在本实施例的图中将其省略。
如图8所示，将前述的系统归纳出一种数字稳压控制方法，其包含步骤S21～S24。
(1)步骤S21：利用具有多个不连续的转换率可调式切换电容式转换电路10的输入端11接收输入电压VIN，且可调式切换电容式转换电路10具有转换率控制端13以及输出端12，输出端12输出输出电压VOUT，转换率控制端13接收转换率信号CR。
(2)步骤S22：接着利用差值产生器20比较输出电压VOUT与外部参考电压VREF，从而得出差值电压VERR，此时的差值电压VERR为一种数字电压，得知输出电压VOUT与外部参考电压VREF的相差情况。
(3)步骤S23：利用数字控制器30接收差值电压VERR，则根据接受的差值电压VERR输出相应的数字控制信号SD。(4)步骤S24：利用转换率控制器40接受数字控制信号SD，从而根据数字控制信号SD输出相应的转换率信号CR至转换率控制端13，可调式切换电容式转换电路10根据转换率信号CR设定使用多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率在输出端12输出相应的输出电压VOUT，进而调整输出电压VOUT的数值，较佳的情况为调整后的输出电压VOUT与外部参考电压VREF的数值一致。此外，可将本发明的数字稳压控制方法应用于其他稳压器的设计，以更稳定地提供输出电压。
较佳地，本发明的数字稳压控制系统更可包含输出取样滤波器14设置于输出端12和差值产生器20之间，以对输出电压VOUT滤波。差值产生器20可包括模拟数字转换元件21和减法元件22，而模拟数字转换元件21连接输出取样滤波器14，以将滤波后的输出电压VOUT转换为数字输出电压VD。减法元件22将数字输出电压VD与外部参考电压VREF相减而得出差值电压VERR。另外，转换率控制器40更包括转换率选择表41和逻辑控制元件42，连接数字控制器30和转换率选择表41，以根据数字控制信号SD选择相应的转换率信号CR，接着利用逻辑控制元件42将转换率信号CR传送至转换率控制端13。
综上所述，本发明的数字稳压控制系统，透过差值产生器20、数字控制器30以及转换率控制器40输出转换率信号CR，根据转换率信号CR设定使用可调式切换电容式转换电路10中的多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率来调整输出电压VOUT，而非调控开关切换的时间来升高或降低输出电压VOUT，除此之外，与模拟方式控制转换率相比，用数字方式来控制转换率较为简单，且还有输出取样滤波器14对输出电压VOUT进行滤波，从而减少噪声干扰。总而言之，本发明的数字稳压控制系统具有如上述的优点，不受开关切换的时间所限制，且依据转换率信号CR选择相应的转换率，以控制输出电压VOUT。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本发明权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种数字稳压控制系统，其特征在于，所述的系统包括：
一可调式切换电容式转换电路，具有多个不连续的转换率，并包括一输入端、一转换率控制端以及一输出端，所述输入端接收一输入电压，所述输出端输出一输出电压，所述转换率控制端接收一转换率信号，而所述可调式切换电容式转换电路根据所述转换率信号设定使用所述多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率将所述输入电压转换成所述输出电压；
一差值产生器，连接所述输出端，并比较所述输出电压与一外部参考电压而得出一差值电压；
一数字控制器，连接所述差值产生器以接收所述差值电压，从而输出一数字控制信号；以及
一转换率控制器，连接于所述可调式切换电容式转换电路和所述数字控制器之间，并接收所述数字控制信号，并根据所述数字控制信号输出相应的所述转换率信号至所述可调式切换电容式转换电路，以调整上述输入电压与上述输出电压的比例关系。
2.如权利要求1所述的数字稳压控制系统，其特征在于，所述可调式切换电容式转换电路为高解析度切换电容式转换电路。
3.如权利要求1所述的数字稳压控制系统，其特征在于，当所述差值电压大于零时，所述数字控制器根据所述差值电压输出具有一降低电压信息的所述数字控制信号，而所述转换率控制器依据具有所述降低电压信息的所述数字控制信号，输出具有一降低倍数的所述转换率信号。
4.如权利要求1所述的数字稳压控制系统，其特征在于，当所述差值电压小于零时，所述数字控制器根据所述差值电压输出具有一升高电压信息的所述数字控制信号，而所述转换率控制器依据具有所述升高电压信息的所述数字控制信号，输出具有一放大倍数的所述转换率信号。
5.如权利要求1所述的数字稳压控制系统，其特征在于，当所述差值电压等于零时，所述数字控制器输出具有一维持固定电压信息的所述数字控制信号，所述转换率控制器输出其数值为1的所述转换率信号。
6.如权利要求1所述的数字稳压控制系统，其特征在于，所述可调式切换电容式转换电路更包括一输出取样滤波器，所述输出取样滤波器连接于所述输出端和所述差值产生器之间用以滤波所述输出电压。
7.如权利要求6所述的数字稳压控制系统，其特征在于，所述差值产生器包括一模拟数字转换元件和一减法元件，所述模拟数字转换元件连接所述输出取样滤波器，以将滤波后的所述输出电压转换成一数字输出电压，所述减法元件连接于所述模拟数字转换元件和所述数字控制器之间，并将所述数字输出电压与所述外部参考电压相减而得出所述差值电压。
8.如权利要求1所述的数字稳压控制系统，其特征在于，所述转换率控制器更包括一转换率选择表和一逻辑控制元件，所述转换率选择表连接所述数字控制器，并根据所接收的所述数字控制信号选择相应的所述转换率信号，所述逻辑控制元件连接于所述转换率选择表和所述转换率控制端之间，以将所述转换率信号传送至所述转换率控制端。
9.一种数字稳压控制方法，其特征在于，所述的数字稳压控制方法包括：
利用具有多个不连续的转换率的一可调式切换电容式转换电路的一输入端接收一输入电压，且所述可调式切换电容式转换电路具有一转换率控制端以及一输出端，所述输出端输出一输出电压，所述转换率控制端接收一转换率信号；
利用一差值产生器比较所述输出电压与一外部参考电压，以得出一差值电压；
利用一数字控制器接收所述差值电压，从而输出一数字控制信号；以及
利用一转换率控制器接受所述数字控制信号，从而根据所述数字控制信号输出相应的一转换率信号至所述转换率控制端，所述可调式切换电容式转换电路根据所述转换率信号设定使用所述多个不连续的转换率的其中一个，并根据所使用的转换率在所述输出端输出相应的所述输出电压。
10.如权利要求9所述的数字稳压控制方法，其特征在于，所述转换率控制器更包括一转换率选择表和一逻辑控制元件，所述数字稳压控制方法包含:
根据所述数字控制信号从该转换率选择表选择相应的所述转换率信号；以及
利用所述逻辑控制元件将所述转换率信号传送至所述转换率控制端。
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