CN112783244A - 动态电压补偿电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态电压补偿电路，适用于在电子装置及多媒体装置之间进行电压补偿，其包括电流侦测单元、计算模组及电压输出单元。电流侦测单元经配置以从汇流排电源端取得电子装置输出多媒体装置的输出电流。计算模组经配置以接收输出电流及理想参考电压，并执行电压补偿演算法，以依据输出电流、理想参考电压及补偿系数计算预定输出电压，并依据预定输出电压产生控制讯号。电压输出单元经配置以接收控制讯号，并由控制讯号控制以产生补偿输出电压并输出于汇流排电源端。

Description

动态电压补偿电路及其方法

技术领域

本发明涉及一种动态电压补偿电路及其方法，特别是涉及一种能够降低成本的动态电压补偿电路及其方法。

背景技术

USB Type-C规范1.0由USB开发者论坛(USB-IF)发布，并于2014年8月完成。与USB3.1规格大致相同。大部分的USB Type-C装置通常会支持Power Delivery，这也就意味着只要经过协定上的沟通，即可客制化装置对电压及电流的需求，以达到最优化的能源输出效益。但此种便利性将也带出一些延伸的问题。USB Type-C的基本输出为5V 3A，远高于以往USB的输出规格。而高电流所带来的影响便是，只要功率输出路径上的阻值增加，实际上抵达装置的电压值便会更低。

目前的USB Type-C虽然有规范了缆线的长度，但仍可允许到最多4m的长度。若以一个长度4m、23-AWG铜制的缆线来看，其线阻就高达了0.267Ω。因此当传输电流为3A时，即便是不考虑PCB上路径的阻值，光是缆线间便会有0.801V的电压损失。以5V的输出来看，实际到达装置端的便只剩下4.2V。此压降因为远低于规范定义的电压值范围(±5％)，因此对装置而言便无法继续连接。

虽然上述的压降问题可藉由增加缆线的铜线面积来改善，或是使用传导材质更好的连接器，然而，将会导致成本上升，且仍然存在压降问题。另外，若连接器与缆线兼容性不佳，依然可能导致压降提升。

因此，急需一种能够降低成本、达成弹性的电压补偿，同时增加输出电压的可靠度的一种动态电压补偿电路及其方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种能够降低成本、达成弹性的电压补偿，同时增加输出电压的可靠度的一种动态电压补偿电路及其方法。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种动态电压补偿电路，适用于在一电子装置及一多媒体装置之间进行电压补偿，其包括电流侦测单元、计算模组及电压输出单元。电流侦测单元经配置以从一汇流排电源端取得该电子装置输出该多媒体装置的一输出电流。计算模组经配置以接收该输出电流及一理想参考电压，并执行一电压补偿演算法，以依据该输出电流、该理想参考电压及一补偿系数计算一预定输出电压，并依据该预定输出电压产生一控制讯号。电压输出单元经配置以接收该控制讯号，并由该控制讯号控制以产生一补偿输出电压并输出于该汇流排电源端。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的另外一技术方案是，提供一种动态电压补偿方法，适用于在一电子装置及一多媒体装置之间进行电压补偿，该动态电压补偿方法包括下列步骤：配置一电流侦测单元以从一汇流排电源端取得该电子装置输出该多媒体装置的一输出电流；配置一计算模组以接收该输出电流及一理想参考电压，并执行一电压补偿演算法，以依据该输出电流、该理想参考电压及一补偿系数计算一预定输出电压，并依据该预定输出电压产生一控制讯号；以及配置一电压输出单元以接收该控制讯号，并由该控制讯号控制以产生一补偿输出电压并输出于该汇流排电源端。

本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的动态电压补偿电路及其方法能够降低成本、达成弹性的电压补偿，同时增加输出电压的可靠度。

此外，本发明所提供的动态电压补偿电路及其方法仅需简单的电路架构，便能使装置兼容于大部分的缆线。再者，所采用的电压补偿机制可依照使用者的需求，进行的任意调变。除了单纯的线性控制法外，也可以达成非线性的控制。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为依据本发明实施例的动态电压补偿电路绘示的方块图。

图2为依据本发明实施例的动态电压补偿电路绘示的电路布局图。

图3为依据本发明实施例的动态电压补偿方法绘示的流程图。

图4为依据本发明实施例的动态电压补偿方法绘示的另一流程图。

符号说明

动态电压补偿电路：1

电子装置：2

多媒体装置：3

电流侦测单元：10

计算模组：12

电压输出单元：14

汇流排电源端：Vbus

输出电流：Iout

理想参考电压：Videal

电压补偿演算法：120

预定输出电压：Vout

控制讯号：S1

短路电阻：Rs

放大器：100

第一输入端：IN1

第一电阻：R1

第一节点：N1

第二输入端：IN2

第二电阻：R2

第二节点：N2

输出端：OUT

第三电阻：R3

第四电阻：R4

于接地端：GND

类比数位转换器：124

控制单元：122

数字输出电流讯号：DIout

第三节点：N3

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“动态电压补偿电路及其方法”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种元件或者信号，但这些件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。

一般而言，当一电子装置供应电源给另一电子装置时，其供给路径上会产生损失，例如印刷电路板走线、缆线或连接器等，造成受电端接收到的实际电压不符预期或无法最有效利用。因此本发明提出的动态电压补偿电路的架构主要使用了硬件电流回授装置与软体演算法来进行动态电压补偿，确保受电端装置的电压在最有效利用的范围中。

图1为依据本发明实施例的动态电压补偿电路绘示的方块图。参阅图1所示，本发明实施例提供一种动态电压补偿电路1，适用于在一电子装置2及一多媒体装置3之间进行电压补偿，动态电压补偿电路1可属于电子装置2的一部分并包括电流侦测单元10、计算模组12及电压输出单元14。

电流侦测单元10经配置以从一汇流排电源端Vbus取得电子装置2输出多媒体装置3的输出电流Iout，并输入计算模组12。计算模组12经配置以接收输出电流Iout及一理想参考电压Videal，并执行一电压补偿演算法120。

电压补偿演算法120主要是依据输出电流Iout、理想参考电压Videal及一补偿系数来计算出预定输出电压Vout，并依据预定输出电压Vout产生控制讯号S1。电压输出单元14经配置以接收控制讯号S1，并由控制讯号S1所控制以产生预定输出电压Vout并输出于汇流排电源端Vbus。电压输出单元14可为一电流控制或电压控制的电压源，本发明不限于此。

详细而言，在此电路的控制流程中，首先多媒体装置3经过与电子装置2的沟通后，会得到一组理想上需输出的电压值，亦即理想参考电压Videal。关于此沟通程序，USBType-C的规范中定义了新的通讯协议，称作电源传输(Power Delivery,PD)。而在这沟通程序中，将供电端称为Source，而受电端则称为Sink。供电端会在沟通程序的初始化过程中将所有能提供的电压及电流列举，接着等受电端决定好欲使用的电气资讯后，供电端便可得知应该输出的电压及电流值，藉此，计算模组12可获得理想参考电压Videal。

然而，由于电子装置2与多媒体装置3之间供电路径上具有线阻，实际上多媒体装置3获得的电压值未必会与理想参考电压Videal相同，因此会再使用电流侦测单元10作为电流回授装置，来取得输出电流Iout的电流值。最后再将此电流值提供给计算模组12来执行软体演算法，并经由计算后，便可得出实际上应输出的电压值，即为预定输出电压Vout。

因此，将上述的控制原则整理后，便可将电压补偿演算法简化成下式(1)来计算预定输出电压Vout：

Vout＝Videal+Iout×K…式(1)；

其中，Vout为预定输出电压，Videal为理想参考电压，Iout为输出电流，K为补偿系数。

基于上述基本控制流程与公式，以下将使用实际电路来做范例说明。图2为依据本发明实施例的动态电压补偿电路绘示的电路布局图。如图2所示，电压输出单元14通过短路电阻Rs连接于汇流排电源端，而电流侦测单元10包括放大器100，其第一输入端IN1通过第一电阻R1连接汇流排电源端Vbus及短路电阻Rs之间的第一节点N1，其第二输入端IN2通过第二电阻R2连接短路电阻Rs及电压输出单元14之间的第二节点N2，其输出端OUT通过第三电阻R3及第四电阻R4连接于接地端GND。

放大器100主要用于将第一节点N1的电压及第二节点N2的电压之间的电压差放大，并于第三电阻R3及第四电阻R4之间的第三节点N3产生输出电流Iout以输入计算模组12。

详细而言，由于动态电压补偿电路1的输出端即为汇流排电源端Vbus，因此在此路径上使用短路电阻Rs，并通过放大器100、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4的配置，藉由短路电阻Rs两端的电压差来推算输出电流Iout。需要说明的是，本发明并不限于使用电阻来获取输出电流Iout，任何可撷取电流讯号的元件皆可。例如在本发明的一可能实施例中，电流侦测单元10可包括一霍尔组件，用于从汇流排电源端Vbus检测磁通密度，并依据磁通密度产生对应的输出电流Iout。

另一方面，由于短路电阻Rs的端电压值除了与计算模组12不共地配置外，亦有解析度不足的问题。因此在回授路径上需通过放大器100将此讯号值放大，之后再将此输出电流Iout的讯号传输给计算模组12进行预定输出电压Vout的计算。需要说明的是，放大器100的放大倍率可根据电压补偿演算法120的解析度需求来调整，因此并不拘限于特定的数值。

续言之，在本实施例中，计算模组12包括类比数位转换器(ADC)124及控制单元122。类比数位转换器(ADC)124经配置以将输出电流Iout转换为数位输出电流讯号DIout，藉此将类比电压转为数位电压，而控制单元122经配置以依据数字输出电流讯号DIout计算输出电流值，并执行电压补偿演算法120，以依据输出电流值、理想参考电压Videal及补偿系数K计算预定输出电压Vout，并依据预定输出电压Vout产生控制讯号S1。须说明的是，此电流侦测电路10并不限定于印刷电路板上设置额外的电路，亦可根据需求在内建于电子装置2或多媒体装置3的晶片上。

请进一步参考图3，其为依据本发明实施例的动态电压补偿方法绘示的流程图。其中，动态电压补偿方法系适用于前述实施例的动态电压补偿电路1，且用于在电子装置2及多媒体装置3之间进行电压补偿，但本发明不限于此。

在本实施例中，动态电压补偿方法至少包括下列步骤：

步骤S100：配置电流侦测单元以从汇流排电源端取得电子装置输出多媒体装置的输出电流。

步骤S101：配置计算模组以接收输出电流及理想参考电压。

步骤S102：配置计算模组执行电压补偿演算法，以依据输出电流、理想参考电压及补偿系数计算预定输出电压，并依据预定输出电压产生控制讯号。

步骤S103：配置电压输出单元以接收控制讯号，并由控制讯号控制以产生补偿输出电压并输出于汇流排电源端。

续言之，当控制单元120获得了输出电流Iout的小讯号电压值后，可进一步进行任何可以软韧体实现的演算法运算。此方法可依照使用者的需求，进行的任意调变。除了单纯的线性控制法外，也可以达成非线性的控制。换言之，补偿值K可依据该输出电流值的大小而改变。在一可能实施例中，补偿值K可与输出电流值的大小有一线性关系。

以下列举一个非线性控制的范例作为说明。请参考图4，其为依据本发明实施例的动态电压补偿方法绘示的另一流程图。

假设有一电压补偿机制在低电流输出时，电压补偿较低，并随着电流输出变得更高时，进行更强烈的电压补偿，因此，基于上述机制，电压补偿演算法120可包括下列步骤：

步骤S200：判断输出电流值的大小是位于第一区间、第二区间或第三区间。

响应于所判断的该输出电流值的大小，以采用分别对应于该第一区间、该第二区间或该第三区间的第一补偿系数、第二补偿系数或第三补偿系数作为补偿系数K。

换言之，若判断输出电流值的大小是位于第一区间，进入步骤S201，以第一补偿系数作为补偿系数K来计算预定输出电压。

若判断输出电流值的大小是位于第二区间，进入步骤S202，以第二补偿系数作为补偿系数K来计算预定输出电压。

若判断输出电流值的大小是位于第三区间，进入步骤S203，以第三补偿系数作为补偿系数K来计算预定输出电压。

假定第一区间为电流小于1A，第二区间为电流介于1A及2A之间，第三区间为电流大于2A，第一补偿系数、第二补偿系数及第三补偿系数分别为0.1V、0.2V及0.3V，则此规则可进一步写成如下所示：

If

Iout<1A,

Then

Vout＝Videal+Iout×0.1

Else If

1A≤Iout<2A,

Then

Vout＝Videal+Iout×0.2

Else If

2A<Iout,

Then

Vout＝Videal+Iout×0.3

由上述规则可知，电压补偿值K被输出电流值切为三个不同的区间。也就是说，当输出电流小于1A时，补偿系数K为0.1V，当电流大于1A且小于2A时，补偿系数K为0.2V，电流大于2A时，补偿系数K为0.3V。如此一来只要输出电流愈高，输出电压补偿值也将呈非线性的增加。

[实施例的有益效果]

本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的动态电压补偿电路及其方法能够降低成本、达成弹性的电压补偿，同时增加输出电压的可靠度。

此外，本发明所提供的动态电压补偿电路及其方法仅需简单的电路架构，便能使装置相容于大部分的缆线。再者，所采用的电压补偿机制可依照用户的需求，进行的任意调变。除了单纯的线性控制法外，也可以达成非线性的控制。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的申请专利范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种动态电压补偿电路，适用于在一电子装置及一多媒体装置之间进行电压补偿，其包括：

一电流侦测单元，经配置以从一汇流排电源端取得该电子装置输出至该多媒体装置的一输出电流；

一计算模组，经配置以接收该输出电流及一理想参考电压，并执行一电压补偿演算法，以依据该输出电流、该理想参考电压及一补偿系数计算一预定输出电压，并依据该预定输出电压产生一控制讯号；以及

一电压输出单元，经配置以接收该控制讯号，并由该控制讯号控制以产生该预定输出电压并输出于该汇流排电源端。

2.根据权利要求1所述的动态电压补偿电路，其中该理想参考电压是由该电子装置及该多媒体装置进行一沟通程序后产生。

3.根据权利要求1所述的动态电压补偿电路，其中该电压输出单元通过一短路电阻连接于该汇流排电源端。

4.根据权利要求3所述的动态电压补偿电路，其中该电流侦测单元包括一放大器，其第一输入端通过一第一电阻连接该汇流排电源端及该短路电阻之间的一第一节点，其第二输入端通过一第二电阻连接该短路电阻及该电压输出单元之间的一第二节点，其输出端通过一第三电阻及一第四电阻连接于一接地端，该放大器经配置以将该第一节点的电压及该第二节点的电压之间的电压差放大，并于该第三电阻及该第四电阻之间的一第三节点产生该输出电流以输入该计算模组。

5.根据权利要求1所述的动态电压补偿电路，其中该电流侦测单元包括一霍尔组件，经配置以从该汇流排电源端检测一磁通密度，并依据该磁通密度产生对应的该输出电流。

6.根据权利要求1所述的动态电压补偿电路，其中该计算模组包括：

一类比数位转换器(ADC)，经配置以将该输出电流转换为一数位输出电流讯号；以及

一控制单元，经配置以依据该输出电流讯号计算一输出电流值，并执行该电压补偿演算法，以依据该输出电流值、该理想参考电压及该补偿系数计算该预定输出电压，并依据该预定输出电压产生该控制讯号。

7.根据权利要求6所述的动态电压补偿电路，其中该电压补偿演算法包括将该预定输出电压由下式计算：

Vout＝Videal+Iout×K；

其中Vout为该预定输出电压，Videal为该理想参考电压，Iout为该输出电流值，K为该补偿系数。

8.根据权利要求7所述的动态电压补偿电路，其中该补偿值是依据该输出电流值的大小而改变。

9.根据权利要求8所述的动态电压补偿电路，其中该电压补偿演算法更包括判断该输出电流值的大小是位于一第一区间、一第二区间或一第三区间，响应于所判断的该输出电流值的大小，以采用分别对应于该第一区间、该第二区间或该第三区间的一第一补偿系数、一第二补偿系数或一第三补偿系数作为该补偿系数来计算该预定输出电压。

10.一种动态电压补偿方法，适用于在一电子装置及一多媒体装置之间进行电压补偿，该动态电压补偿方法包括下列步骤：

配置一电流侦测单元以从一汇流排电源端取得该电子装置输出至该多媒体装置的一输出电流；

配置一计算模组以接收该输出电流及一理想参考电压，并执行一电压补偿演算法，以依据该输出电流、该理想参考电压及一补偿系数计算一预定输出电压，并依据该预定输出电压产生一控制讯号；以及

配置一电压输出单元以接收该控制讯号，并由该控制讯号控制以产生一补偿输出电压并输出于该汇流排电源端。

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