CN201328081Y - Pwm直流稳态输出电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型是一种PWM直流稳态输出电路，是包括一电子开关及一RC积分滤波器，前述该电子开关具有一讯号输入端及一高电位端，且一PWM讯号从前述讯号输入端输入，前述RC积分滤波器包含至少一RC滤波单元及一第一保护单元，该RC滤波单元为1+n阶，其中第1阶RC滤波单元连接该电子开关及第一保护单元，其中第n阶RC滤波单元连接前述第1阶RC滤波单元，并且所述n阶RC滤波单元依序由前一阶连接后一阶，前述电子开关的讯号经由前述RC积分滤波器的反馈补偿，输出一稳态直流位准。本新型可以输出稳定直流位准；并可依电路需求增减RC滤波单元的阶数，以调整滤波效果。

Description

PWM直流稳态输出电路
技术领域
本实用新型是有关一种直流稳态输出电路，尤其特别是一种PWM直流稳态输出电路。
背景技术
现今电子元件及产品，在诉求多功能、高速运算或高功率、小型化体积等设计下，由于电子设计的密集度高及元件运作功率大，于实际操作运转时将产生更高且大量的热能，因而，必须利用散热机构即时的散热使电路功能维持正常运作，而在散热机构中，散热风扇起着重要的作用，通过风扇产生的风流增加热交换率，以达到快速散热效果。
而一般为了稳定控制所述散热风扇转速，是利用一脉宽调变(Pulse WidthModulation，以下简称PWM)转直流电压电路来控制风扇的运转。
一并请参阅图1A、1B所示，习知的PWM转直流电压电路，大多数为一阶电子开关RC(电阻电容)积分电路，是由一晶体管Q、一个电容C及5个电阻R所组成，当一PWM讯号输入的状态在关闭(OFF；即低电位0)时，使前述PWM讯号无法触发该晶体管Q，此时，前述晶体管Q则处于截止状态(OFF)，进而一参考电源VCC的电流经电阻R向电容C充电至饱和为止(如图1B所示的T波形)；
当前述PWM讯号输入的状态在导通(ON；即高电位1)时，使前述PWM讯号立即触发该晶体管Q，此时，该晶体管Q则处于导通状态(ON)，使该参考电源VCC的电流迅速流入接地端GND而消耗掉，同时，该电容C储存的电压迅速放电，直至该电容C两端电荷放完为止(如图1B所示的T波形)，因此，经前述PWM讯号触发该晶体管Q以控制RC积分电路做充放电后，可得到一直流位准输出给一控制单元(图中未示)，如风扇驱动芯片(IC)或微控制器(MCU)，使前述控制单元依据接收的直流位准判读风扇转速输出，并且控制风扇的运转。
另外，由于在较高频率(如100KHZ)的PWM讯号输入时，使该晶体管Q控制RC积分电路做充放电后，所得到的直流位准输出尚属稳态无明显浮动链波，但在较低频率(如100HZ以下)的PWM讯号输入时，则该晶体管Q控制RC积分电路做充放电后，得到的直流位准输出是为较大浮动链波输出，进而使得该控制单元于抓取直流位准判定风扇转速时，因浮动链波较大而无法准确抓取直流位准，因此，使得风扇转速输出也随之浮动而不稳定。
以上所述，习知的PWM转直流电压电路，其具有下列的缺点：
1.单阶RC积分电路于充放电路径固定，无法有效作调整。
2.在低频率PWM讯号输入时，该控制单元无法准确抓取直流位准，造成风扇转速输出不稳定。
是以，要如何解决上述习用的问题与缺失，即为本案的发明人与从事此行业的相关厂商所亟欲研究改善的方向所在。
发明内容
因此，为有效解决上述的问题，本实用新型的主要目的，是提供一种通过一RC积分滤波器对一电子开关讯号做反馈补偿，以输出一稳态直流位准的PWM直流稳态输出电路。
为达上述目的，本实用新型提供一种PWM直流稳态输出电路，包括：一电子开关，具有一讯号输入端及一高电位端，且一PWM讯号从前述讯号输入端输入；一RC积分滤波器，具有至少一RC滤波单元及一第一保护单元，前述RC滤波单元为1+n阶，n为非负整数，其中第1阶RC滤波单元连接该电子开关及该第一保护单元，其中第n阶RC滤波单元连接前述第1阶RC滤波单元，并且所述n阶RC滤波单元依序由前一阶连接后一阶，前述电子开关的讯号经由该RC积分滤波器的反馈补偿，以输出一稳态直流位准。
同时，本实用新型还提供了另一种PWM直流稳态输出电路，其包括：一电子开关，具有一讯号输入端及一高电位端，且一PWM讯号从所述讯号输入端输入；及一RC积分滤波器，具有至少一RC滤波单元及一第一保护单元，所述RC滤波单元为至少一阶，其中第1阶RC滤波单元连接所述电子开关及第一保护单元，所述电子开关的讯号经由所述RC积分滤波器的反馈补偿，输出一稳态直流位准。
本实用新型是一种PWM直流稳态输出电路，其具有下列的优点：
1.具有输出稳定直流位准。
2.具有依电路需求增减前述RC滤波单元的阶数，以有效作调整。
3.于低频率PWM输入时，使该控制单元能准确抓取稳态直流位准，进而使风扇转速输出稳定。
为了使能更进一步了解本实用新型特征及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而所附图示仅供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。
附图说明
图1A是习知的PWM转直流电压电路示意图；
图1B是习知的PWM、T波形示意图；
图2是本实用新型的PWM直流稳态输出电路方块示意图；
图3是本实用新型的PWM直流稳态输出电路示意图；
图4是本实用新型的RC积分滤波器电路示意图；
图5是本实用新型的RC积分滤波器以2阶RC滤波单元电路示意图；
图6是本实用新型的RC积分滤波器以3阶RC滤波单元电路示意图；
图7A是本实用新型的PWM、T1、T2、T3波形示意图；及
图7B是本实用新型的PWM、T1、T2、T3、T4波形示意图。
附图标记说明：
10-电子开关；S-源极端；101-讯号输入端；D-漏极端；102-高电位端；20-RC积分滤波器；R1-第一电阻元件；R′-电阻元件；R2-第二电阻元件；C′-电容元件；R3-第三电阻元件；D′-二极管元件；R4-第四电阻元件；GND-接地端；R5-第五电阻元件；VCC-参考电源；C1-第一电容元件；220-第一保护单元；Q1-晶体管元件；30-第二保护单元；G-栅极端。
具体实施方式
本实用新型的上述目的及其结构与功能上的特性，将依据所附图式的最佳实施例予以说明。
请一并参阅图2、3、4所示，本实用新型是一种PWM(Pulse Width Modulation)直流稳态输出电路，在本实用新型最佳实施例中，是包括一电子开关10及一RC积分滤波器20，前述电子开关10具有一讯号输入端101及一高电位端102，且一PWM讯号从前述讯号输入端101输入，前述高电位端102为一参考电源VCC，用以供给电压源。
前述RC积分滤波器20是包含至少一RC滤波单元及一第一保护单元220，前述第一保护单元220是为一二极管(Diode)，用以防止逆电流与电压；前述RC滤波单元为1+n阶，其中第1阶RC滤波单元是连接该电子开关10及第一保护单元220，其中第n阶RC滤波单元连接前述第1阶RC滤波单元，并且所述n阶RC滤波单元依序由前一阶连接后一阶；其中n是从0开始的非负整数，如n为0、1、2......。
换言之，也就是说当RC滤波单元为3阶(即1+n阶中，n阶为2代入)时，第1阶RC滤波单元连接该电子开关10及第一保护单元220后，再与第2阶RC滤波单元连接，第2阶RC滤波单元与第3阶RC滤波单元相连；在本最佳实施例，在本实用新型实际实施时，前述1+n阶中，n阶所代入的数值可依实际电路需求增减阶数，特此说明。
该电子开关10的讯号经由该RC滤波单元的1+n阶对前n阶RC滤波单元的电位做反馈补偿，以输出一稳态直流位准，因此，可依电路需求增减前述RC滤波单元的阶数，达到输出一稳态直流位准，进而又提高电路的灵活度。
另一方面而言，前述RC滤波单元为至少一阶，并可在第1阶RC滤波单元之后选择连接或不连接复数阶RC滤波单元，若选择连接复数阶RC滤波单元，则该等复数阶RC滤波单元依序由前一阶连接后一阶，前述选择连接与否是依需求而定并预先在厂制时完成。
续参照图3、4所示，将就各结构详细说明：
前述电子开关10的讯号是包含前述PWM讯号及参考电源VCC的电压源；前述每一阶RC滤波单元是包含两个电阻元件R′、R′、一电容元件C′及一二极管元件D′，该二极管元件D′的阳极端与一电阻元件R′一端相连接，其阴极端则耦接另一电阻元件R′一端，前述另一电阻元件R′另端与前述一电阻元件R′另端及该电容元件C′一端相连接一起，该电容元件C′另端电性连接至一接地端GND。
另外，上述第1阶RC滤波单元的结构及元件间连结关系大致与前述每一阶RC滤波单元相同，其不同处是在于前述一电阻元件R′与上述第一保护单元220串联相接，而该第一保护单元220的阳极端是耦接前述一电阻元件R′一端，其阴极端是与前述二极管元件D′的阳极端电性连接。
复参照第3图所示，前述电子开关10是包含一第一电阻元件R1、第二电阻元件R2、第三电阻元件R3、第四电阻元件R4、第五电阻元件R5、第一电容元件C1及一晶体管元件Q1，前述第一电阻元件R1一端耦接前述参考电源VCC，其另端与该第二电阻元件R2一端电性连接，前述第三电阻元件R3一端耦接于前述第二电阻元件R2一端及第一电阻元件R1另端相接处，其另端与前述接地端GND相连接。
该第四电阻元件R4一端是与前述第一电阻元件R1一端相耦接，其另端与该第五电阻元件R5一端相耦接，前述第五电阻元件R5另端分别耦接至该第一电容元件C1一端及该第一保护单元220的阴极端与前述二极管元件D′的阳极端相接处，该第一电容元件C1另端与该接地端GND相耦接。
前述晶体管(transistor)元件Q 1具有一栅极(Gate)端G、一源极(Source)端S及一漏极(Drain)端D，前述栅极端G耦接前述第二电阻元件R2另端，前述漏极端D耦接于该第四电阻元件R4另端及第五电阻元件R5一端相接处，前述源极端S是与该第三电阻元件R3另端相耦接(即相同于与前述接地端GND相连接)。
前述晶体管元件Q1是为一N通道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(N-Channel Enhancement Mode Field Effect Transistor，简称NMOS晶体管)，用以作开关控制使用；在本最佳实施例是以NMOS晶体管说明表示，但在本实用新型实际实施时，晶体管元件Q1并不局限于NMOS晶体管，凡可作为开关使用的晶体管，如双极性晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)...等，均适用于本实用新型在此所称的晶体管元件Q1，特此说明。
再者，前述PWM直流稳态输出电路进一包含一第二保护单元30，前述第二保护单元30是为一二极管(Diode)，用以限制外部高电压，如一般输入电压范围为0～12V(伏特)，若前述第二保护单元30的电压范围为0～15V(伏特)时，通过前述第二保护单元30使前述输入电压范围可提高至15V(伏特)；另者，前述第二保护单元30一端是耦接于前述第一电阻元件R1另端与第二电阻元件R2一端及第三电阻元件R3一端相接处。
以下具体叙述本最佳实施例，是以PWM讯号在低频率(如10HZ)时作说明：
请参阅图5、图7A所示，图5是为本实用新型的RC积分滤波器以2阶RC滤波单元电路示意图，当前述PWM讯号由第二保护单元30另端输入，且前述PWM讯号的状态在关闭(OFF；即低电位0)时，使前述PWM讯号无法触发该晶体管元件Q1(即该晶体管元件Q1的栅极端G电压低于源极端S电压而关闭)，此时，该晶体管元件Q1是处于截止状态(OFF)，进而使前述参考电源VCC的电流经该第四电阻元件R4及第五电阻元件R5后，同时，再分流向第一电容元件C1及第1、2阶RC滤波单元的电容元件C′、C′至饱和为止(如第7A图所示的T1、T2、T3波形)；
若前述PWM讯号的状态在导通(ON；即高电位1)时，使前述PWM讯号立即触发该晶体管元件Q1(即该晶体管元件Q1的栅极端G电压高于源极端S电压而开启)，此时，该晶体管元件Q1则处于导通状态(ON)，使前述参考电源VCC的电流依序流经第四电阻元件R4及该晶体管元件Q1的漏极端D与源极端S后，并迅速地流入接地端GND而消耗掉，同时，前述第一电容元件C1及第1、2阶RC滤波单元的电容元件C′、C′于放电过程中(如第7A图所示的T1、T2、T3波形)，该第2阶RC滤波单元会对第1阶RC滤波单元的电位做反馈补偿，以输出前述稳态直流位准至一控制单元(图中未示)，如风扇驱动芯片(IC)或微控制器(MCU)，使前述控制单元依据接收的稳态直流位准以准确判读风扇转速输出，并同时控制风扇的运转，因此，有效使风扇转速于PWM讯号低频输入时得到稳态输出(即稳态直流位准)。
接着参照图6、7B所示，图6是为本实用新型的RC积分滤波器以3阶RC滤波单元电路示意图，当前述PWM讯号由第二保护单元30另端输入，且前述PWM讯号的状态在关闭(OFF；即低电位0)时，使前述PWM讯号无法触发该晶体管元件Q1(即该晶体管元件Q1的栅极端G电压低于源极端S电压而关闭)，此时，该晶体管元件Q1是处于截止状态(OFF)，进而使前述参考电源VCC的电流经该第四电阻元件R4及第五电阻元件R5后，同时，再分流向第一电容元件C1及第1、2、3阶RC滤波单元的电容元件C′、C′、C′至饱和为止(如第7B图所示的T1、T2、T3、T4波形)；
若前述PWM讯号的状态在导通(ON；即高电位1)时，使前述PWM讯号立即触发该晶体管元件Q1(即该晶体管元件Q1的栅极端G电压高于源极端S电压而开启)，此时，该晶体管元件Q1则处于导通状态(ON)，使前述参考电源VCC的电流依序流经第四电阻元件R4及该晶体管元件Q1的漏极端D与源极端S后，并迅速地流入接地端GND而消耗掉，同时，前述第一电容元件C1及第1、2、3阶RC滤波单元的电容元件C′、C′、C′于放电过程中(如第7B图所示的T1、T2、T3、T4波形)，依序前述第3阶RC滤波单元会对第2阶RC滤波单元的电位做反馈补偿，嗣第2阶RC滤波单元则会对第1阶滤波单元的电位做反馈补偿，以得到输出前述稳态直流位准后，再传送该控制单元(图中未示)，使前述控制单元依据接收的稳态直流位准以准确判读风扇转速输出，并同时控制风扇的运转，因此，有效使风扇转速于PWM讯号低频输入时得到稳态输出(即稳态直流位准)。
以上所述，本实用新型是一种PWM直流稳态输出电路，其具有下列的优点：
1.具有输出稳定直流位准。
2.具有依电路需求增减前述RC滤波单元的阶数，以有效作调整。
3.于低频率PWM输入时，使该控制单元能准确抓取稳态直流位准，进而使风扇转速输出稳定。
以上所述，仅是本实用新型的较佳可行的实施例而已，举凡利用本实用新型上述的方法、形状、构造、装置所为的变化，皆应包含于本案的权利范围内。

Claims (13)

1.一种PWM直流稳态输出电路，其特征在于，包括：
一电子开关，具有一讯号输入端及一高电位端，且一PWM讯号从前述讯号输入端输入；及
一RC积分滤波器，具有至少一RC滤波单元及一第一保护单元，前述RC滤波单元为1+n阶，n为非负整数，其中第1阶RC滤波单元连接前述电子开关及第一保护单元，其中第n阶RC滤波单元连接前述第1阶RC滤波单元，并且所述n+1阶RC滤波单元依序由前一阶连接后一阶，前述电子开关的讯号经由所述RC积分滤波器的反馈补偿，输出一稳态直流位准。
2.根据权利要求1所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，所述每一阶RC滤波单元包含两个电阻元件、一电容元件及一二极管元件，该二极管元件的阳极端与一电阻元件一端相连接，其阴极端则耦接另一电阻元件一端，该另一电阻元件另端与该一电阻元件另端及该电容元件一端相连接，该电容元件另端耦接至该接地端。
3.根据权利要求1所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，该第一保护单元是为一二极管。
4.根据权利要求1所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，所述电子开关包含：
一第一电阻元件，其一端耦接一参考电源；
一第二电阻元件，其一端耦接该第一电阻元件另端；
一第三电阻元件，其一端分别耦接于该第二电阻元件一端与该第一电阻元件另端，其另端则耦接一接地端；
一第四电阻元件，其一端与该第一电阻元件一端相耦接；
一第五电阻元件，其一端耦接该第四电阻元件另端；
一第一电容元件，其一端耦接该第五电阻元件另端，其另端耦接该接地端；及
一晶体管元件，该晶体管元件的一栅极端耦接该第二电阻元件另端，其一源极端则耦接该第三电阻另端，其一漏极端耦接于该第四电阻元件另端与该第五电阻元件一端相接处。
5.根据权利要求4所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，进一包含一第二保护单元，该第二保护单元一端是耦接于该第一电阻元件另端与该第二电阻元件一端及该第三电阻元件一端相接处，用以限制外部高电压。
6.根据权利要求5所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，该第二保护单元是为一二极管。
7.一种PWM直流稳态输出电路，其特征在于，包括：
一电子开关，具有一讯号输入端及一高电位端，且一PWM讯号从所述讯号输入端输入；及
一RC积分滤波器，具有至少一RC滤波单元及一第一保护单元，所述RC滤波单元为至少一阶，其中第1阶RC滤波单元连接所述电子开关及第一保护单元，所述电子开关的讯号经由所述RC积分滤波器的反馈补偿，输出一稳态直流位准。
8.根据权利要求7所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，所述第1阶RC滤波单元之后依序连接复数阶RC滤波单元，并且所述复数阶RC滤波单元则依序由前一阶连接后一阶。
9.根据权利要求8所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，该第一保护单元是为一二极管。
10.根据权利要求8所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，所述每一阶RC滤波单元包含两个电阻元件、一电容元件及一二极管元件，该二极管元件的阳极端与一电阻元件一端相连接，其阴极端则耦接另一电阻元件一端，该另一电阻元件另端与该一电阻元件另端及该电容元件一端相连接，该电容元件另端耦接至该接地端。
11.根据权利要求8所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，所述电子开关包含：
一第一电阻元件，其一端耦接一参考电源；
一第二电阻元件，其一端耦接该第一电阻元件另端；
一第三电阻元件，其一端分别耦接于该第二电阻元件一端与该第一电阻元件另端，其另端则耦接一接地端；
一第四电阻元件，其一端与该第一电阻元件一端相耦接；
一第五电阻元件，其一端耦接该第四电阻元件另端；
一第一电容元件，其一端耦接该第五电阻元件另端，其另端耦接该接地端；及
一晶体管元件，该晶体管元件的一栅极端耦接该第二电阻元件另端，其一源极端则耦接该第三电阻另端，其一漏极端耦接于该第四电阻元件另端与该第五电阻元件一端相接处。
12.根据权利要求11所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，进一包含一第二保护单元，该第二保护单元一端是耦接于该第一电阻元件另端与该第二电阻元件一端及该第三电阻元件一端相接处，用以限制外部高电压。
13.根据权利要求12所述的PWM直流稳态输出电路，其特征在于，该第二保护单元是为一二极管。
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