CN110581645A - 切换式稳压器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种切换式稳压器控制系统，其包括可调式切换电容式转换电路、差值产生器以及控制模块。可调式切换电容式转换电路具有多个不连续的转换率，并根据转换率信号选择相应的转换率输出输出电压。差值产生器连接于可调式切换电容式转换电路，并比较输出电压与外部参考电压而得出差值电压。控制模块连接于差值产生器和可调式切换电容式转换电路之间，用以储存多个控制参数组合，并根据差值电压选择多个控制参数组合中的一个，再根据所选择的控制参数组合进行计算以输出转换率信号，进而调整输出电压。

Description

切换式稳压器控制系统
技术领域
本发明关于一种稳压器的控制系统，特别是，一种用于切换式稳压器的控制系统。
背景技术
电子科技盛行的时代，各个电子装置皆有特定电压的需求，因此需稳压器调整电压以符合其规格。市面常用的稳压器为切换式稳压器，而切换式稳压器不易发热，并藉由其内的开关元件切换来调整电压，从而稳定输出电压至负载元件，但在切换式稳压器升压时总会伴随着过冲(overshooting)的现象，因而导致电子元件故障，当然也可增添其他电路元件预防过冲发生，但却会让制造成本增高，如何解决前述的症结点，遂成为待解决的问题。
综观前所述，本发明的发明者思索并设计一种切换式稳压器控制系统，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切换式稳压器控制系统，用以解决现有技术中所面临的问题。
基于上述目的，本发明提供一种切换式稳压器控制系统，其包括可调式切换电容式转换电路、差值产生器以及控制模块。可调式切换电容式转换电路具有多个不连续的转换率，并包括电压输入端、电压输出端以及转换率控制端，电压输入端接收输入电压，电压输出端输出输出电压以供给至负载元件，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是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，进而使输出电压落于稳压范围。差值产生器连接于电压输出端，并比较输出电压与外部参考电压而得出差值电压。控制模块连接于差值产生器和切换式稳压器之间，并包括储存单元、选择单元、比例单元、微分单元以及积分单元，储存单元储存多个控制参数组合，选择单元根据差值电压选择多个控制参数组合中的一个，而比例单元、微分单元以及积分单元的至少两个是根据差值电压所选择的控制参数组合进行计算而得出计算结果，并产生用于调整转换率的转换率信号至转换率控制端。
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，当负载元件需要不同的稳压范围而调整可调式切换电容式转换电路的操作频率时，差值电压随之改变，选择单元从而选择多个控制参数组合的至少其一，使输出电压落于不同的稳压范围，不同的差值电压对应不同的多个控制参数组合，以因应不同的负载元件的电压需求。
较佳地，控制模块更包括查表单元，查表单元依据计算结果选取对应转换率信号。
较佳地，选择单元将差值电压分为多组差值电压群，多组差值电压群包括稳定差值电压群和多组非稳定差值电压群，储存单元根据差值电压群将多个控制参数组合分为多组控制参数群，多组控制参数群包括稳定控制参数群和多组非稳定控制参数群。
较佳地，当选择单元判定差值电压落于稳定差值电压群时，选择单元选择稳定控制参数群，比例单元、微分单元以及积分单元根据稳定控制参数群进行计算而得出计算结果。
较佳地，当选择单元判定差值电压落于多组非稳定差值电压群的其中一组时，选择单元选择对应此组非稳定差值电压群的非稳定控制参数群，比例单元、微分单元以及积分单元进行计算而得出计算结果，进而调整转换率信号，直至输出电压落于稳压范围。
较佳地，当负载元件需要高于稳压范围的第一稳压范围时，差值电压随之提高，可调式切换电容式转换电路的操作频率调高，选择单元重新选择相应的控制参数组合，使输出电压落于第一稳压范围，从而避免过冲现象发生。
较佳地，当负载元件需要低于稳压范围的第二稳压范围时，差值电压随之降低，可调式切换电容式转换电路的操作频率降低，选择单元重新选择相应的控制参数组合，使输出电压落于第二稳压范围，从而避免下冲现象发生。
较佳地，差值产生器包括类比数位转换元件和减法元件，类比数位转换元件连接于电压输出端，并将输出电压转换成数位输出电压，减法元件连接于类比数位转换元件和控制模块之间，并将数位输出电压与外部参考电压相减而得出差值电压。
承上所述，本发明的切换式稳压器控制系统，其可具有一或多个下述优点：
(1)当需提高或降低输出电压时，本发明的切换式稳压器控制系统利用控制模块的转换率信号调整转换率，进而控制输出电压稳定地升降，以避免过冲或下冲现象发生。
(2)本发明的切换式稳压器控制系统依据不同的输出电压产生不同的多个控制参数组合，以因应不同的负载元件的电压需求。
附图说明
图1为本发明的切换式稳压器控制系统的第一实施例的方块图。
图2为本发明的切换式稳压器控制系统的第一实施例的电路图。
图3为本发明的切换式稳压器控制系统的第二实施例的差值电压为稳定自变数时的方块图。
图4为本发明的切换式稳压器控制系统的第二实施例的差值电压非稳定自变数时的方块图。
图5为本发明的切换式稳压器控制系统的第二实施例的频率响应图。
图6为本发明的切换式稳压器控制系统的第三实施例的方块图。
图7为本发明的切换式稳压器控制系统的第三实施例的电路配置图。
图8为本发明的切换式稳压器控制系统的第三实施例的电压波形图。
附图标号：
10：可调式切换电容式转换电路
11：电压输入端
12：电压输出端
13：转换率控制端
20：负载元件
30：差值产生器
31：类比数位转换元件
32：减法元件
40：控制模块
41：选择单元
42：储存单元
43：比例单元
44：微分单元
45：积分单元
46：查表单元
COUT：等效电容
CP：电容
CR：转换率信号
CS：控制参数组合
f：操作频率
Gcr(s)、Gio(s)、GPID(z)：转移函数
KD：微分参数
KI：积分参数
KP：比例参数
R：计算结果
RL：负载元件的电阻
ROUT：等效电阻
SCV：稳定控制参数群
SEV：稳定差值电压群
UCV：非稳定控制参数群
UCV1：第一非稳定控制参数群
UCV2：第二非稳定控制参数群
UEV：非稳定差值电压群
UEV1：第一非稳定差值电压群
UEV2：第二非稳定差值电压群
S1：第一开关
S2：第二开关
VD：数位输出电压
VERR：差值电压
VIN：输入电压
VOUT、VORI：输出电压
VREF：外部参考电压
VSEN：平均输出电压
α：系数
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，对本领域技术人员而言，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，且本发明将仅为所申请专利范围所定义。
如图1所示，其为本发明的切换式稳压器控制系统的第一实施例的方块图。于本实施例中，本发明的切换式稳压器控制系统包括可调式切换电容式转换电路10、差值产生器30以及控制模块40。可调式切换电容式转换电路10具有多个不连续的转换率，并包括电压输入端11、电压输出端12以及转换率控制端13，电压输入端11接收输入电压VIN，电压输出端12输出输出电压VOUT以供给至负载元件20，转换率控制端13接收转换率信号CR，而可调式切换电容式转换电路10是根据转换率信号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，进而使输出电压VOUT落于稳压范围。差值产生器30连接于电压输出端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。控制模块40连接于差值产生器30和可调式切换电容式转换电路10之间，并包括储存单元42、选择单元41、比例单元43、微分单元44、积分单元45以及查表单元46，储存单元42储存多个控制参数组合CS，选择单元41根据差值电压VERR选择多个控制参数组合CS中的一个，比例单元43、微分单元44以及积分单元45中的至少二个是根据差值电压VERR所选择的控制参数组合CS进行计算，控制参数组合CS包括微分参数KD、积分参数KI以及比例参数KP，而得出计算结果R。查表单元46依据计算结果R选取对应转换率信号CR，以产生用于调整转换率的转换率信号CR至转换率控制端13。当负载元件20需要不同的稳压范围而调整可调式切换电容式转换电路10的操作频率时，差值电压VERR随之改变，选择单元41从而选择多个控制参数组合CS的至少其一，使输出电压VOUT落于不同的稳压范围，以稳定地输出不同的输出电压VOUT。另外，不同的差值电压VERR对应不同的多个控制参数组合CS，以应不同的负载元件20的电压需求。
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，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电压输出端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10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。
接着做单个可调式切换电容式转换电路10的平均小信号分析，负载元件20的电阻值标示为RL，单个可调式切换电容式转换电路10的等效电阻标示为ROUT，转换率为CR。其中，输入电压VIN＝VIN+vIN(s)，转换率CR＝CR+cr(s)，输出电压VOUT＝vout(s)，而得出下列关系式：
VIN×CR＝VIN×cr(s)+vIN(s)×CR
此时的电路分析则如图2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)
ROUT＝1/(f×CP)
Gcr(s)和Gio(s)皆为转移函数，Gcr(s)为输出电压vout(s)对转换率的转移函数，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，多个可调式切换电容式转换电路10容易趋于稳定；COUT为等效电容。此外，就单个可调式切换电容式转换电路10而言，单个可调式切换电容式转换电路10包括两个第一开关S1、两个第二开关S2以及一个电容CP，f为单个可调式切换电容式转换电路10的操作频率f，且搭配上式得知单个可调式切换电容式转换电路10的ROUT和操作频率f有关，把单个可调式切换电容式转换电路10的等效电阻ROUT代入转移函数Gcr(s)，得知操作频率f越高，转移函数Gcr(s)越大，输出电压vout(s)随之提高。
续言之，输出电压VOUT经过差值产生器30产生差值电压VERR，选择单元41根据差值电压VERR在储存单元42内选取相应的控制参数组合CS，相应的控制参数组合CS的转移函数GPID如下：
GPID(z)＝((KP+KI+KD)+(KP×(1+α)+KI×α+2KD)×z-1+(αKP+KD)×z-2)/(1-(1+α)×z-1+αz-2)
其中，α为系数。多个控制参数组合CS的转移函数GPID则会随着差值电压VERR而变化，差值电压VERR跟输出电压VOUT有关，输出电压VOUT又跟多个可调式切换电容式转换电路10的操作频率f有关，因此，多个控制参数组合CS的转移函数GPID跟多个可调式切换电容式转换电路10的操作频率f有关，当改变多个可调式切换电容式转换电路10的操作频率f时，多个控制参数组合CS的转移函数GPID则需做相应的改变。
如图3、图4和图5所示，其分别为本发明的切换式稳压器控制系统的第二实施例的差值电压为稳定应变数时的方块图、本发明的切换式稳压器控制系统的第二实施例的差值电压非稳定应变数时方块图及本发明的切换式稳压器控制系统的第二实施例的频率响应图。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3和图4所示，选择单元41根据差值电压VERR的数值大小将差值电压VERR分为多组差值电压群，多组差值电压群包括稳定差值电压群SEV和多组非稳定差值电压群UEV，然后，储存单元42根据多组稳定差值电压群SEV将多个控制参数组合CS分为多组控制参数群，多组控制参数群包括稳定控制参数群SCV和非稳定控制参数群UCV。
续言之，将搭配图3和图4说明多组差值电压群和多组控制参数群关系如下：(1)如图3所示，当选择单元41判定差值电压VERR落于稳定差值电压群SEV时，选择单元41选择储存单元42内的稳定控制参数群SCV，比例单元43、微分单元44以及积分单元45根据稳定控制参数群SCV进行计算而得出计算结果R，查表单元46根据新的计算结果R选取相应的转换率信号CR并传送其至转换率控制端13，转换率控制端13选出相应的转换率，进而稳定地供给输出电压VOUT至负载元件20，因而让负载元件20正常运作。(2)如图4所示，当选择单元41判定差值电压VERR多组非稳定差值电压群UEV的其中一组时，选择单元41选择对应此组非稳定差值电压群UEV的非稳定控制参数群UCV，比例单元43、微分单元44以及积分单元45进行计算而得出新的计算结果R，查表单元46根据新的计算结果R选取相应的转换率信号CR并传送其至转换率控制端13，转换率控制端13选出相应的转换率来调整输出电压VOUT，直至输出电压VOUT落于稳压范围。
下列将举例说明多组自变数IV和多组应变数DV的关系如下：(A)差值电压群为二组，控制参数群为二组。(B)差值电压群为三组，控制参数群为三组。
A例
表1
表2
B例
表3
表4
由表1至表4且搭配图5得知，稳压范围为0.68伏特至0.72伏特。输出电压VOUT离稳压范围越远，需要让比例参数KP、积分参数KI以及微分参数KD的调整幅度加大，以让输出电压VOUT落至0.68伏特至0.72伏特的范围内，而能稳定供给输出电压VOUT至负载元件20，不会让负载元件20接收过高的电压而故障。另外，根据输出电压VOUT的范围适当地增加多组差值电压群和多组控制参数群，并未局限于本发明所列举的两组或三组的差值电压群和控制参数群的范围。
如图6、图7和图8所示，其分别为本发明的切换式稳压器控制系统的第三实施例的方块图、本发明的切换式稳压器控制系统的第三实施例的电路配置图和本发明的切换式稳压器控制系统的第三实施例的电压波形图。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。
值得一提的是，差值产生器30包括类比数位转换元件31和减法元件32，类比数位转换元件31连接于电压输出端12，并将输出电压VOUT转换成数位输出电压VD，减法元件32连接于类比数位转换元件31和控制模块40之间，并将数位输出电压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。
除此之外，另说明不同负载元件20需不同的电压状况如下：(1)当负载元件20需要高于稳压范围的第一稳压范围而时，差值电压VERR随之提高，可调式切换电容式转换电路10的操作频率f提高，选择单元41重新选择相应的控制参数组合CS，使输出电压VOUT落于第一稳压范围，从而避免过冲现象发生。(2)当负载元件20需要低于稳压范围的第二稳压范围时，差值电压VERR随之降低，可调式切换电容式转换电路10的操作频率f降低，选择单元41重新选择相应的控制参数组合CS，使输出电压VOUT落于第二稳压范围，从而避免下冲现象发生。
因此，本发明根据不同负载元件20的不同电压的需求而提供不同的输出电压VOUT至负载元件20，不论高电压或低电压，本发明皆能提供相应的输出电压VOUT，让负载元件20的运作更为流畅。此外，如图6所示，可透过二组多个可调式切换电容式转换电路10增加稳压范围的精准度，可调式切换电容式转换电路10的数量越多，则输出电压VOUT的精准度越高，亦即，透过可调式切换电容式转换电路10的数量控制来达成不同精准度的输出电压VOUT，以配合负载元件20的不同精准度的输出电压VOUT。
例如可将本发明如图7所示应用于电动载具，图7为电动载具的原本供给的输出电压VORI波形和本发明供给的输出电压VOUT波形的比较，电动载具的原本供给的输出电压VORI波形于输出电压VORI升高时会有过冲现象，利用本发明供给的输出电压VOUT于输出电压VOUT升高时则不会有过冲现象，并能稳定地供应输出电压VOUT至电动载具，且让电动载具不会故障，另外，也把输出电压VOUT做平均而得出平均输出电压VSEN，平均输出电压VSEN的电压波形相当平滑，得知输出电压VOUT能平稳地升压；同理，利用本发明供给的输出电压VOUT于输出电压VOUT降低时则不会有下冲现象发生，让电动载具正常运行。因此，本发明的切换式稳压器控制系统相当适合于电动载具，不论升高或降低输出电压VOUT，皆能供应输出电压VOUT至电动载具，让电动载具能正常行驶。
综上所述，本发明的切换式稳压器控制系统，利用控制模块40来因应不同输出电压VOUT需求的不同负载元件20，让负载元件20的运作更为流畅，并藉由多个可调式切换电容式转换电路10的操作频率f的控制，让输出电压VOUT提高或降低，以因应负载元件20于不同时候的电压需求，让负载元件20不论何时皆能运行。总而言之，本发明的切换式稳压器控制系统具有如上述的优点，不论需求为高电压或低电压，本发明皆能供应至负载元件20，让负载元件20能正常运作。
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，均应包含于本专利保护范围中。

Claims (11)

1.一种切换式稳压器控制系统，其特征在于，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，并包括一电压输入端、一电压输出端以及一转换率控制端，该电压输入端接收一输入电压，该电压输出端输出一输出电压以供给至一负载元件，该转换率控制端接收一转换率信号，而该可调式切换电容式转换电路是根据该转换率信号使用该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该输入电压转换成该输出电压，进而使该输出电压落于一稳压范围；
一差值产生器，连接于该电压输出端，并比较该输出电压与一外部参考电压而得出一差值电压；以及
一控制模块，连接于该差值产生器和该可调式切换电容式转换电路之间，并包括一储存单元、一选择单元、一比例单元、一微分单元以及一积分单元，该储存单元储存多个控制参数组合，该选择单元根据该差值电压选择该多个控制参数组合中的一个，该比例单元、该微分单元以及该积分单元中的至少两个是根据所选择的控制参数组合进行计算而得出一计算结果，并产生用于调整该可调式切换电容式转换电路的转换率的一转换率信号至该转换率控制端。
2.如权利要求1所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，该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所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，当该差值电压改变，该选择单元选择该多个控制参数组合的至少其一，以调整该可调式切换电容式转换电路的该输出电压。
4.如权利要求1所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，不同的该差值电压对应不同的该多个控制参数组合。
5.如权利要求1所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，该控制模块更包括一查表单元，该查表单元依据该计算结果决定该转换率信号。
6.如权利要求1所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，该选择单元将该差值电压分为多组差值电压群，该多组差值电压群包括一稳定差值电压群和多组非稳定差值电压群，该储存单元根据该多组差值电压群将该多个控制参数组合分为多组控制参数群，该多组控制参数群包括一稳定控制参数群和多组非稳定控制参数群。
7.如权利要求6所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，当该选择单元判定该差值电压落于该稳定差值电压群时，该选择单元选择该稳定控制参数群，该比例单元、该微分单元以及该积分单元中的至少二个是根据该稳定控制参数群进行计算而得出该计算结果。
8.如权利要求6所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，当该选择单元判定该差值电压落于该多组非稳定差值电压群的其中一组时，该选择单元选择对应该组非稳定差值电压群的该组非稳定控制参数群，该比例单元、该微分单元以及该积分单元中的至少二个是进行计算而得出该计算结果。
9.如权利要求3所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，当该负载元件需要高于该稳压范围的一第一稳压范围时，该差值电压随之提高，该可调式切换电容式转换电路的操作频率调高，该选择单元重新选择相应的该控制参数组合，使该输出电压落于该第一稳压范围。
10.如权利要求3所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，当该负载元件需要低于该稳压范围的一第二稳压范围时，该差值电压随之降低，该可调式切换电容式转换电路的操作频率降低，该选择单元重新选择相应的该控制参数组合，使该输出电压落于该第二稳压范围。
11.如权利要求1所述的切换式稳压器控制系统，其特征在于，该差值产生器包括一类比数位转换元件和一减法元件，该类比数位转换元件连接于该电压输出端，并将该输出电压转换成一数位输出电压，该减法元件连接于该类比数位转换元件和该控制模块之间，并将该数位输出电压与该外部参考电压相减而得出该差值电压。
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