TW202308307A - 壓控變頻脈衝寬度調制電路 - Google Patents
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Abstract
一種壓控變頻脈衝寬度調制電路，包括一電壓調控輸出頻率電壓裝置，接收一控頻電壓，並依據該控頻電壓決定一諧振頻率，以輸出具有該諧振頻率之一振盪訊號。一電壓調控輸出佔空比電壓裝置，接收該振盪訊號與一參考電壓訊號，並通過一反相閉迴路決定一佔空比，以調制該振盪訊號具有該佔空比。本發明係通過此壓控變頻脈衝寬度調制電路產生一變頻脈衝寬度調變訊號，使該變頻脈衝寬度調變訊號具有所決定的諧振頻率與佔空比。除此之外，本發明更可結合閘極驅動波形趨勢回饋設計，實現無線電力傳輸系統最佳的功率傳輸效率，優化本發明之發明功效。
Description
本發明係有關於一種壓控訊號的調制技術，特別是一種通過調控輸入電壓，以實現射頻波段訊號之諧振頻率與佔空比調變的壓控變頻脈衝寬度調制電路。
按，脈波寬度調變（Pulse-width modulation，PWM），簡稱脈寬調變，其係為一種可將類比訊號轉換為脈波訊號的技術，一般轉換後脈波的週期固定，但脈波的工作週期會依類比訊號的大小而有所改變。一般而言，脈寬調變的數位電路係可在預先確定的範圍內取值，在任何時刻，其輸出只可能為數位邏輯（digital logic）為”1”和數位邏輯為”0”兩種狀態，因此，電壓或電流可以通過連接、或切斷的方式重複脈波序列，並將其加載到類比負載。然而，在類比電路中，基於類比訊號的值係可以連續地進行變化，在時間和數值的幅度上也都幾乎沒有限制，基本上可以取任何實數值，其輸入與輸出也呈線性變化。因此，在類比電路中，電壓和電流可直接用來進行控制裝置，例如：家用電器設備中的音量開關控制、採用鹵素燈泡燈具的亮度控制等等。不過，類比電路卻仍有其諸多的挑戰，包括例如：控制訊號容易隨時間漂移，難以調節、功率消耗龐大、以及極易受到雜訊和環境干擾等等。
大抵而言，脈波寬度調變（PWM）技術是一種對類比訊號電位的數位編碼方法，通過使用高解析度的計數器（調變頻率）調變方波的佔空比，從而實現對一個類比訊號的電位進行編碼。脈波寬度調變技術其最大的優點，係在於是從處理器到被控裝置之間的所有訊號都是數位形式的，無需再進行數位與類比之間的轉換過程，除此之外，對雜訊的抗干擾能力也大大增強，一般來說，雜訊只有在強到足以將邏輯值改變時，才可能對數位訊號產生實質的影響，這也是PWM技術得以在通訊等訊號傳輸領域得到大量應用的主要原因。
然而，值得注意的是，近年來，由於高頻電子振盪裝置多為數位邏輯（Logic）的電子電路應用，其輸出波形多為佔空比（Duty ratio） 為百分之五十之方波；相較之下，低頻電子振盪裝置使用脈衝寬度調變的技術多應用於類比（Analogy）控制電路，然而，目前已知，現有技藝及相關文獻皆沒有針對脈衝寬度調變技術實踐在射頻（Radio frequency， RF）波段電訊號的振盪器之相關研究，使得該射頻波段的應用大為受限，亦無法廣泛地運用於業界或學術研究中。
有鑒於此，故，綜上所述，基於考量到上述所列之眾多問題點，極需要採納多方面的考量。因此，本發明之發明人係有感於上述缺失之可改善，且依據多年來從事此方面之相關經驗，悉心觀察且研究之，並配合學理之運用，而提出一種設計新穎且有效改善上述缺失之本發明，其係揭露一種實屬新穎，且同時可提供變頻與脈衝寬度調變之設計電路，通過此種創新的電路設計，可以實現射頻波段訊號之頻率與脈衝寬度的調變，提供最佳化之效益，其具體之架構及實施方式，本申請人係公開其詳細說明並詳述於下。
為解決習知技術存在的問題，本發明之一目的係在於提供一種變頻脈衝寬度調制電路，通過本發明所揭露之調制電路，其係藉由簡易的電壓控制機制，便可產生適於射頻波段的振盪訊號。除此之外，因應配合應用之需求，本發明更可通過使用不同的電壓大小分別控制該調制電路所輸出振盪訊號之振盪頻率、以及不同之可調佔空比，實現可調脈衝寬度與可調頻之發明功效。
另一方面而言，本發明之又一目的係在於提供一種創新的壓控變頻脈衝寬度調制電路，其係藉由使用個別輸入電壓值的改變，提供一種針對該調制電路所輸出振盪訊號之諧振頻率以及佔空比之控制策略，達到調整其諧振頻率與佔空比的目的，其中，所需輸入電壓值係可控制於小於或等於五伏特，輸入電壓值的解析度可以達到十個微伏特。
再一方面而言，本發明之再一目的係在於提供一種可適於無線電力傳輸（wireless power transfer，WPT）系統應用的壓控變頻脈衝寬度調制電路，本發明所公開之壓控變頻脈衝寬度調制電路不僅可微型製作成半導體集成電路，更可通過本發明可調諧振頻率與佔空比的技術方案結合予無線電力傳輸系統。同時，經由閘極驅動波形趨勢回饋設計閘極驅動電路與E類功率放大器的參數，可進一步達成空乏型氮化鎵電晶體（GaN High electron mobility transistor， HEMT）應用於6.78MHz無線電力傳輸的實現，進一步優化本發明之發明效益。
故，為了實現上述發明目的，本發明係旨在提供一種壓控變頻脈衝寬度調制電路，包括：一電壓調控輸出頻率電壓裝置，其係接收一控頻電壓，並依據該控頻電壓決定一諧振頻率，使該電壓調控輸出頻率電壓裝置輸出具有該諧振頻率之一振盪訊號；以及一電壓調控輸出佔空比電壓裝置，其係具有一第一輸入端與一第二輸入端，所述的第一輸入端與第二輸入端係分別接收一參考電壓訊號以及該電壓調控輸出頻率電壓裝置所輸出之振盪訊號。其中，電壓調控輸出佔空比電壓裝置係通過一反相閉迴路決定一佔空比，以調制該振盪訊號具有該佔空比，使該電壓調控輸出佔空比電壓裝置係在其一輸出端輸出一變頻脈衝寬度調變訊號，且該變頻脈衝寬度調變訊號係具有所決定的諧振頻率與佔空比。
根據本發明之一實施例，其中，電壓調控輸出頻率電壓裝置係為一壓控振盪器，且，所述的壓控振盪器係依據：
而輸出該振盪訊號，其中，f
0係為該振盪訊號之該諧振頻率，G
Z0係為該壓控振盪器之一增益常數，g(V
R)係為該壓控振盪器之一非線性回授函數，V
F係為該控頻電壓。藉由此技術方案，本發明係可設計所決定之諧振頻率之頻段範圍係為射頻波段，並且，該頻段範圍係介於數百KHz至30MHz之間。
另一方面而言，根據本發明所公開之電壓調控輸出佔空比電壓裝置，其中，所述的反相閉迴路係包括由一運算放大器、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻、一第四電阻、一第一電容、以及一第二電容所組成。
運算放大器係電性耦接於一正電壓端與一接地端之間，運算放大器係具有一第一輸入接點、一第二輸入接點以及一輸出接點，該輸出接點係電性耦接該電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該輸出端。第一電阻係連接於電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該第一輸入端與該運算放大器之該第一輸入接點之間，該運算放大器之該第一輸入接點更電性耦接於第一電容後連接至接地端。第二電阻係連接於電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該第二輸入端與該運算放大器之該第二輸入接點之間，該運算放大器之該第二輸入接點更電性耦接於第二電容後連接至接地端。第三電阻係連接於運算放大器之第一輸入接點與輸出接點之間。第四電阻係連接於運算放大器之該第二輸入接點與接地端之間，其中，所述的第一電阻、第二電阻、第三電阻及第四電阻係可匹配並具有相等之阻值。
根據本發明之實施例，則該運算放大器係可依據：
而決定所述的佔空比。其中，δ係為該佔空比，V
z係為電壓調控輸出頻率電壓裝置所輸出之振盪訊號，V
ref係為該參考電壓訊號，α係為該運算放大器之一反饋增益，T
cm係為在共模下將所述的第一電容及第二電容進行充電之時間常數，T係為適於一無線功率傳輸之切換週期。
在一較佳的實施例中，其中，參考電壓訊號V
ref之範圍係介於0至2.5伏特之間。所決定之佔空比δ的範圍係介於0至50%之間，較佳地，佔空比δ可控制在10%至50%之間。
更進一步而言，根據本發明所揭露之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，所產生的變頻脈衝寬度調變訊號係可為一電子裝置直接使用或接續處理再應用，該電子裝置例如可包括：一單一集成電路晶片、一組合式電子電路、一電磁波天線、一訊號放大電路、一數位訊號處理電路、一數位邏輯電子電路、一無線功率輸出裝置、以及一光驅動器，使得所述的控頻電壓係可選擇性地整合或集成於該電子裝置中。
根據本發明之其他實施例，則所述的控頻電壓也可以由一微處理器結合一使用者電子指令來提供調控，其中，該使用者電子指令包括可來自於一無人飛行載具電腦、一無人地面載具電腦、一個人電腦、一平板電腦、以及一智慧型行動裝置。總括來說，熟習本技術領域之具備通常知識的技術人士能夠在不脫離本發明精神之前提下，根據本發明所披露之技術方案進行適當的修飾或變化，惟仍應隸屬本發明之發明範疇。本發明並不以該等實施例中所揭之電子電路的裝置、種類、電性耦接方式及其電性特徵為限。
承以上述電子裝置為一無線功率輸出裝置為例，則該無線功率輸出裝置例如可包含有：一閘極驅動電路、一開關元件與一放大器電路，為了更優化本發明之發明功效，在一實施例中，所述的開關元件例如可為一空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體。所述的放大器電路例如可為一E類功率放大器，該E類功率放大器係包括一電容器、一第一電感、一第二電感及一負載電阻，一接點係連接於所述的開關元件、第一電感及電容器之間，該第一電感相對於該接點的另一側係連接並接收一輸入電壓訊號，該電容器相對於該接點的另一側係連接所述的第二電感，該第二電感更連接至該負載電阻，以在該第二電感與負載電阻間的一功率輸出端產生一最小功率輸入。通過此電路配置，本發明係可以通過閘極驅動波形的趨勢回饋響應該諧振頻率f
0為6.78 MHz的無線功率傳輸應用，以響應產生更佳化的最小功率輸入。
綜上所陳，可以顯見，本發明主要係公開了一種以壓控振盪器原理，結合運算放大器之高頻脈衝寬度調制技術，所製作而成的壓控變頻脈衝寬度調制電路，該壓控變頻脈衝寬度調制電路係透過個別的電壓調控，達到可調控輸出頻率與可調控脈衝寬度（佔空比）之發明目的。更進一步而言，通過輸入電壓訊號之最小功率控制策略，本申請人佐以經驗數據結合簡易的查找，便可以快速響應諧振頻率為6.78 MHz諧振無線功率傳輸應用中的操作需求，確保無線電力傳輸系統最佳的功率傳輸效率。
值得說明的是，本發明所揭實施例係以E類功率放大器配載空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體作為一示性例進行說明，其目的係為了使本領域之人士可充分瞭解本發明之技術思想，而並非用以限制本發明之應用。換言之，本發明所公開針對最小功率輸入的控制方法，其係可應用於不限E類功率放大器，亦可及於各種其他的放大器電路；其中，放大器電路中所使用的開關元件亦不以本發明實施例所揭者為限制。
底下係進一步藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
以上有關於本發明的內容說明，與以下的實施方式係用以示範與解釋本發明的精神與原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
其中，參考本發明之優選實施例，其示例係於附圖中示出，並在其附圖與說明書中，本發明係盡可能使用相同的附圖標記指代相同或相似的元件。
大抵而言，本發明主要係針對前述先前技術之可改良缺失所設計的一種可調佔空比之射頻波段電訊號的振盪器，其設計概念係通過使用個別輸入電壓值改變，進而調整此電子振盪器的諧振頻率（Resonant frequency）以及佔空比。因此，為了實現本發明之發明目的，以下本申請人係公開一種壓控變頻脈衝寬度調制電路，針對下揭本發明所公開之實施方式，其係為了闡明本發明主要之技術內容及其技術特點，並為了俾使本領域之技術人員能夠理解、製造、與使用本發明。 然而，應注意的是，下揭該些實施方式並非用以限制本發明之發明範疇。 因此，根據本發明精神的任何均等修改或其變化例，亦應也當涵蓋於本發明之發明範圍內，乃合先敘明。
首先，請參照第1圖所示，其係為根據本發明實施例所揭露一壓控變頻脈衝寬度調制電路（voltage-controlled varied frequency pulse width modulator，VFPWM）之方塊示意圖，所述的壓控變頻脈衝寬度調制電路100係包括一電壓調控輸出頻率電壓裝置11與一電壓調控輸出佔空比電壓裝置13，其中，電壓調控輸出頻率電壓裝置11係接收一控頻電壓V
F，並依據所使用的控頻電壓V
F決定一諧振頻率f
0，使電壓調控輸出頻率電壓裝置11係輸出具有該諧振頻率f
0之一振盪訊號V
Z。
電壓調控輸出佔空比電壓裝置13係具有一第一輸入端N1與一第二輸入端N2，其中，所述的第一輸入端N1係用以接收一參考電壓訊號V
ref，第二輸入端N2係用以接收前述電壓調控輸出頻率電壓裝置11所輸出之該振盪訊號V
Z。緣此，在接收該參考電壓訊號V
ref以及該振盪訊號V
Z之後，電壓調控輸出佔空比電壓裝置13係可通過一反相閉迴路決定一佔空比δ，以利用該佔空比δ調制所述的振盪訊號V
Z具有該佔空比δ，使電壓調控輸出佔空比電壓裝置13可在其輸出端OT輸出一變頻脈衝寬度調變訊號V
OUT，在此情況下，該變頻脈衝寬度調變訊號V
OUT係具有前述所決定之該諧振頻率f
0與該佔空比δ。
詳細而言，根據本發明之實施例，其中，所述的電壓調控輸出頻率電壓裝置11例如可為一壓控振盪器（voltage-controlled oscillator， VCO），舉例而言，該壓控振盪器係可通過使用一變容二極體的電容（Capacitor）與電感（Inductor），並將該電容與電感電性耦接所形成一種LC諧振電路。當提高該變容二極體的逆向偏壓的時候，則可使二極體內的空乏區加大，而當兩導體面之間的間距變大時，則其電容值係可降低，在此情況之下，此LC諧振電路的諧振頻率就會被提高；反之，當操作該逆向偏壓降低時，二極體內的電容變大，則LC諧振電路的諧振頻率就會降低；至於未施加電壓時，則是該LC諧振電路之諧振頻率的最小值，因此，通過此原理，本發明所揭露之電壓調控輸出頻率電壓裝置11（該壓控振盪器）之晶片設計便可根據所設計之二極體的電容值與電感值，得到該LC諧振電路之諧振頻率的最小值，並且，電壓調控輸出頻率電壓裝置11（該壓控振盪器）係可依據一操作者所施加的逆向偏壓往上增加，而逐漸增加該諧振頻率的範圍。
在本發明之一較佳實施例中，該壓控振盪器（電壓調控輸出頻率電壓裝置11）係可依據下列公式（1）而輸出前述的振盪訊號V
Z。
…（1）
其中，f
0係為該壓控振盪器所決定之諧振頻率，也就是振盪訊號V
Z之諧振頻率，G
Z0係為該壓控振盪器之一增益常數，g(V
R)係為該壓控振盪器之一非線性回授函數，V
F係為前述的該控頻電壓。一般而言，當控頻電壓V
F上升時，則同時可控制使得電壓調控輸出頻率電壓裝置11所決定之諧振頻率f
0上升。更進一步而言，根據本發明所公開之示性例，本領域具通常知識之技術人士係可根據不同晶片設計所得非線性回授函數g(V
R)，並可在僅需結合簡單的表查詢（look up table），就可以產生快速響應無線功率傳輸應用中操作需求的諧振頻率。
在本發明之較佳實施例中，其中，所產生諧振頻率f
0之一頻段範
圍係屬為射頻（RF）波段，且該頻段範圍係可控制在介於數百KHz至30MHz之間。緣此，通過此壓控振盪器之設計，本發明係可依據所選用的控頻電壓V
F決定其對應之諧振頻率f
0，並且使得電壓調控輸出頻率電壓裝置11輸出具有該諧振頻率f
0之振盪訊號V
Z。
另一方面而言，請同時參閱本發明第2圖所示，其係為根據本發
明實施例所公開電壓調控輸出佔空比電壓裝置之詳細電路示意圖。如前所述，在接收該參考電壓訊號V
ref以及該振盪訊號V
Z之後，電壓調控輸出佔空比電壓裝置13係可通過一反相閉迴路決定一佔空比δ，並且調制所述的振盪訊號V
Z具有該佔空比δ。
其中，所述的電壓調控輸出佔空比電壓裝置13係包括一運算放
大器（Operational Amplifier，op-amp）151、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4、一第一電容C1、以及一第二電容C2。如第2圖所示，該運算放大器151係電性耦接於一正電壓端VCC與一接地端VSS之間，且該運算放大器151係具有一第一輸入接點P1、一第二輸入接點P2以及一輸出接點P3，其中，所述的輸出接點P3係電性耦接第1圖中所示電壓調控輸出佔空比電壓裝置13之該輸出端OT。
第一電阻R1係連接於電壓調控輸出佔空比電壓裝置13之該第一
輸入端N1與運算放大器151之第一輸入接點P1之間，以接收前述的參考電壓訊號V
ref。運算放大器151之第一輸入接點P1更電性耦接於該第一電容C1後連接至該接地端VSS。
第二電阻R2係連接於電壓調控輸出佔空比電壓裝置13之該第二
輸入端N2與運算放大器151之第二輸入接點P2之間，以接收前述的振盪訊號V
Z。運算放大器151之第二輸入接點P2更電性耦接於該第二電容C2後連接至該接地端VSS。
第三電阻R3係連接於運算放大器151之第一輸入接點P1與輸出
接點P3之間。第四電阻R4係連接於運算放大器151之第二輸入接點P2與接地端VSS之間，根據本發明之一實施例，其中，所述的第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3及第四電阻R4係可匹配並具有相等之阻值（resistance）。大抵而言，本發明主要係採用該運算放大器151組合該等第一、第二、第三以及第四電阻R1、R2、R3、R4並匹配第一、第二電容C1～C2作為高頻脈衝寬度調制，通過調整如第2圖所示放大器電路的反相閉迴路，實現本發明所設計之電壓調控輸出佔空比電壓裝置13。
根據本發明之一較佳實施例，其中，所施給的參考電壓訊號V
ref之範圍係介於0至2.5伏特之間，使得本發明所揭露之運算放大器151係可依據下列公式（2）而決定所述的佔空比δ。
…（2）
其中，δ係為所決定之佔空比，V
z係為前述電壓調控輸出頻率電壓裝置11所輸出之該振盪訊號，V
ref係為該參考電壓訊號，α係為運算放大器151之一反饋增益，T
cm係為在共模下將該第一電容C1及該第二電容C2進行充電之時間常數，T係為適於一無線功率傳輸之切換週期。
因此，在接收參考電壓訊號V
ref以及振盪訊號V
Z之後，本發明所
公開之電壓調控輸出佔空比電壓裝置13便可通過第2圖所揭露之反相閉迴路與上列公式（2）決定出對應的佔空比δ，並且，利用該佔空比δ調制該振盪訊號V
Z具有該佔空比δ，使得電壓調控輸出佔空比電壓裝置13可在其輸出端OT輸出變頻脈衝寬度調變訊號V
OUT，在此情況下，本發明所輸出之該變頻脈衝寬度調變訊號V
OUT便可具有通過本發明設計所決定之一特定的諧振頻率f
0與一特定之佔空比δ。較佳地，在本發明之實施例中，該諧振頻率f
0係可符合射頻波段之頻段範圍使用，例如：數百KHz至30MHz之間，並且，該佔空比δ之範圍係介於0至50%之間。
以下，本申請人係更進一步地提供相關模擬數據驗證，在分別
固定電阻值與固定電容值的條件下，匹配電容值與匹配電阻值對壓控輸出佔空比的影響，請依序參閱本發明第3圖與第4圖所示。在第3圖中，其中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3及第四電阻R4的阻值係為固定的，本申請人係各自以第一、第二電容C1、C2為15pF、15pF；第一、第二電容C1、C2為15pF、10pF；以及第一、第二電容C1、C2為10pF、15pF進行個別的模擬測試，從第3圖的結果圖中，我們可以看出：當所施給的參考電壓訊號V
ref增加時，會使得對應之佔空比δ下降。
至於，在第4圖中，本發明則改將第一電容C1與第二電容C2之
電容值係為固定的，本申請人續各自以第一、第二、第三及第四電阻R1、R2、R3、R4為8.2kΩ；R1、R2、R3、R4=10kΩ；R1、R2、R3、R4=12kΩ；R1、R2、R3、R4=15kΩ；以及R1、R2、R3、R4=20kΩ進行模擬測試，同樣地，從第4圖的結果圖中，可以看出當所施給的參考電壓訊號V
ref增加時，會使得對應之佔空比δ下降。一般而言，該佔空比δ的範圍係可控制在介於0至50%之間，較佳地，佔空比δ可調控在10%至50%之間。
是以，綜上所述，本發明係可依據上述兩個技術（包括電壓調
控輸出頻率電壓裝置以及電壓調控輸出佔空比電壓裝置）的結合，佐以數個匹配之電阻值與電容值，實現一種可依據輸入電壓得以分別調控頻率以及輸出佔空比的變頻脈衝寬度調制電路。請參閱第5圖所示，其係為根據本發明實施例所揭露之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中各節點之波形示意圖，其中，V
Z係為電壓調控輸出頻率電壓裝置11所輸出之振盪訊號、V
d係為運算放大器151之第一輸入接點P1與第二輸入接點P2之間的壓差，V
OUT係為本發明壓控變頻脈衝寬度調制電路所產生之變頻脈衝寬度調變訊號，從第5圖中之波形可以明顯看出，本發明係可成功實現控制其輸出訊號V
OUT具有可調的諧振頻率與佔空比。因此，本領域之從業人士係可在本發明所教示之技術思想的啟示下，配合實際電路應用之需求，選擇使用不同的電壓分別控制此變頻脈衝寬度調制電路所輸出之頻率以及不同之可調佔空比，惟在本發明所教示技術方案之均等範圍內，應皆隸屬於本發明所保護之範圍內。其中，請參見下表一，其係為本發明在一實施例中所設計使用壓控變頻脈衝寬度調制電路之電性特性，茲提供如下，以供查照。
表一
| 參數 | 單位 | 數值 |
 | ns | 250 |
 |  | 10k |
 | pF | 15 |
 | ns | 100 |
 | 100 | |
 | degree | 60 |
 | 3 |
其中，T係為適於無線功率傳輸之一切換週期，R係為差動放大器之基本阻值，C
cm係為差動放大器之共模電容，T
cm係為用以將該共模電容進行充電的時間常數，A
dm係為運算放大器之差模增益，Ɵ
dm係為運算放大器之差模相位延遲，α係為運算放大器之反饋增益。
更進一步而言，為了符合實際應用層面，根據本發明所揭露之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其所輸出之變頻脈衝寬度調變訊號係可為一電子裝置直接使用或接續處理再應用，如本發明圖示第6圖所示，電子裝置60係電性耦接於所述的壓控變頻脈衝寬度調制電路100並接收其變頻脈衝寬度調變訊號V
OUT。電子裝置60係可直接使用該變頻脈衝寬度調變訊號V
OUT或接續處理再應用，根據不同的應用領域，所述的電子裝置60例如可包括：一單一集成電路晶片（Integrated Circuit，IC）、一組合式電子電路（Electric Circuit）、一電磁波天線（antenna）、一訊號放大電路、一數位訊號處理電路（Digital Signal Processing Circuit）、一數位邏輯電子電路（Digital Logic Circuit）、一無線功率輸出（Wireless Power Transfer，WPT）裝置、以及一光驅動器。所述的光驅動器例如可為一脈衝雷射驅動器（Pulsed Laser Driver）裝置、一雷射二極體驅動器（Laser Diode Driver）、或一發光二極體驅動器（Light-Emitting Diode, LED Driver）。在此等實施例中，電壓調控輸出頻率電壓裝置（壓控振盪器）之控頻電壓係可選擇性地直接整合或集成於該電子裝置中。
根據本發明之其他實施態樣，則所述的控頻電壓亦可以由一微處理器（Microcontroller Unit，MCU）結合一使用者電子指令來提供調控，該使用者電子指令包括可來自於一無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）電腦、一無人地面載具（Unmanned Ground Vehicle，UGV）電腦、一個人電腦、一平板電腦、以及一智慧型行動裝置。
緣此，綜上所述，本申請案主要係利用個別輸入電壓值的改變，進而調整電子振盪器的諧振頻率以及佔空比。其中，所需輸入電壓值係可調控於小於或等於五伏特，輸入電壓值之解析度為十個微伏特。本發明係以專用在電路上輸出射頻（RF）波段電訊號的振盪器為目的，提供一種分別可進行電壓可調頻之振盪裝置、以及電壓可調脈衝寬度之調制電路，藉由此等技術方案，本發明可輸出可調頻率在射頻波段，可調佔空比自百分之五十至百分之十的變頻脈衝寬度調變訊號。
除此之外，本發明所揭露之壓控變頻脈衝寬度調制電路，更可微型製作成半導體集成電路，配合應用之需求，使用不同電壓分別控制其輸出之諧振頻率以及不同之可調佔空比。
以下，本申請人係更進一步提供將本發明所公開之技術方案應用於無線功率輸出裝置，以實現最小功率輸入控制（minimum power input control）之應用需求。請配合參閱第7圖所示，其係揭露一無線功率輸出裝置之系統架構圖，包括：一最小功率輸入控制裝置181、一零階轉換矩陣（Zero Transfer Matrix）183、壓控變頻脈衝寬度調制電路100、一閘極驅動電路171、一開關元件173、以及一放大器電路175，其中，所使用之壓控變頻脈衝寬度調制電路100係如本發明所公開者，係為一個以壓控振盪器原理以及高頻脈衝寬度調制技術所製作而成的變頻脈衝寬度調制器；在此系統架構中，本發明係可進一步地通過閘極驅動電路171之閘極驅動波形，結合開關元件173與放大器電路175的趨勢回饋響應該諧振頻率f
0為6.78 MHz的無線功率傳輸應用。
在本發明一較佳的實施例中，則所述的開關元件173例如可為一空乏型（D-mode）氮化鎵高電子遷移率電晶體（GaN HEMT）。根據本發明之一實施例，本發明係透過以放大器電路175為一E類功率放大器（class E amplifier）作為一示性例之說明。請參見下表二，其係為本發明實施例中所使用E類功率放大器之等效參數。
表二
| 單位 | 數值 | |
| RL | kΩ | 5 |
| C DS | pF | 75 |
| C3 | pF | 75 |
| L1 | µH | 47 |
| L2 | µH | 8 |
其中，所述的E類功率放大器係包括一電容器C3、一第一電感L1、一第二電感L2及一負載電阻RL，接點VX係連接於開關元件173、該第一電感L1及該電容器C3之間，第一電感L1相對於該接點VX的另一側係連接並接收一輸入電壓訊號VDD，該電容器C3相對於該接點VX的另一側係連接該第二電感L2，該第二電感L2更連接至該負載電阻RL，以在該第二電感L2與該負載電阻RL間的一功率輸出端產生對應的功率。如本發明先前所揭露之技術方案，本申請案係可通過壓控變頻脈衝寬度調制電路100調控與產生一變頻脈衝寬度調變訊號，使該訊號具有特定之一諧振頻率f
0與佔空比δ，緣此，通過開關元件173（較佳地可為一GaN HEMT）的開啟與關閉，放大器電路175係可在其功率輸出端響應產生有對應的功率，由此，便可對該無線功率輸出裝置之功率進行最小化的調控，使其響應產生一最小功率輸入（P
in,min），實現本發明一更為優化之發明功效。
換言之，在本發明之一實際應用層面中，本發明係可將具有一特定諧振頻率f
0與佔空比δ的控制電壓訊號提供予一無線功率輸出（WPT）系統之功率發送端，便可有效地通過其內部電路，包含閘極驅動電路、開關元件（GaN HEMT）與放大器電路（E類功率放大器）等的作用，使E類功率放大器響應產生一最小功率輸入，並足夠供一個或一個以上的功率接收器單元接收及使用，使響應產生所述的最小功率輸入達到最佳化。
是以，由上揭所舉之諸多實施例觀之，本發明係公開一種可產生射頻波段輸出、並且可調其脈衝寬度與可調其諧振頻率之調制電路，其係通過壓控振盪器與操作放大器的結合來實現之。除此之外，應用本發明所公開之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其係可更進一步地與開關元件之閘極驅動波形趨勢結合，來回饋設計閘極驅動電路的參數，並有效達成空乏型氮化鎵功率電晶體於無線電力傳輸功能的實現，同時確保其最佳的功率傳輸效率，並且，只需通過簡易的查找法，便可以快速響應6.78 MHz諧振無線功率傳輸應用中的操作需求。基於空乏型氮化鎵閘極驅動參數的設計，該設計對諧振無線電力傳輸系統的可靠度與應用實現亦具有優化的影響力。
值得提醒的是，本發明並不以上揭實施例中所使用之數個內部電路為限。換言之，本領域具通常知識之技術人士，當可在不脫離本發明之精神前提下，基於本發明之發明意旨與其精神思想進行均等之修改和變化，惟在其均等範圍內，仍應隸屬於本發明之發明範疇。
鑒於以上，與現有技術相較之下，可以確信的是通過本發明所公開之實施例及其電路架構，其係可有效地解決現有技術中尚存之缺失。並且，基於本發明兼容閘極驅動電路與放大器電路等之參數，不僅可產生快速響應並優化E類功率放大器的效率，同時更可廣泛應用於半導體產業、積體電路產業、或電力電子等各類無線充電或電源轉換器裝置中。顯見本申請人在此案所請求之技術方案的確具有極佳之產業利用性及競爭力。同時，本申請人也通過各項實驗數據及經驗數據等等，驗證本發明所揭露之技術特徵、方法手段與達成之功效係顯著地不同於現行方案，實非為熟悉該項技術者能輕易完成者，而應具有專利要件。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
11:電壓調控輸出頻率電壓裝置
13:電壓調控輸出佔空比電壓裝置
60:電子裝置
100:壓控變頻脈衝寬度調制電路
151:運算放大器
171:閘極驅動電路
173:開關元件
175:放大器電路
181:最小功率輸入控制裝置
183:零階轉換矩陣
V
F:控頻電壓
V
Z:振盪訊號
V
ref:參考電壓訊號
V
OUT:變頻脈衝寬度調變訊號
N1:第一輸入端
N2:第二輸入端
OT:輸出端
P1:第一輸入接點
P2:第二輸入接點
P3:輸出接點
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
C1:第一電容
C2:第二電容
VDD:輸入電壓訊號
VCC:正電壓端
VSS:接地端
VX:接點
C3:電容器
L1:第一電感
L2:第二電感
RL:負載電阻
第1圖係為根據本發明實施例所揭露一壓控變頻脈衝寬度調制電路之方塊示意圖。
第2圖係為根據本發明實施例所公開電壓調控輸出佔空比電壓裝置之詳細電路示意圖。
第3圖係為根據本發明之實施例在固定電阻值的條件下，匹配電容值對壓控輸出佔空比影響之示意圖。
第4圖係為根據本發明之實施例在固定電容值的條件下，匹配電阻值對壓控輸出佔空比影響之示意圖。
第5圖係為根據本發明實施例所揭露之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中各節點之波形示意圖。
第6圖係為根據本發明一實施例當通過一電子裝置電性耦接於壓控變頻脈衝寬度調制電路以接收其變頻脈衝寬度調變訊號之示意圖。
第7圖係為根據本發明一實施例當應用本發明所公開之壓控變頻脈衝寬度調制電路於一無線功率輸出裝置之系統架構示意圖。
11:電壓調控輸出頻率電壓裝置
13:電壓調控輸出佔空比電壓裝置
100:壓控變頻脈衝寬度調制電路
VF:控頻電壓
VZ:振盪訊號
Vref:參考電壓訊號
VOUT:變頻脈衝寬度調變訊號
N1:第一輸入端
N2:第二輸入端
OT:輸出端
Claims (13)
- 一種壓控變頻脈衝寬度調制電路，包括： 一電壓調控輸出頻率電壓裝置，其係接收一控頻電壓，並依據該控頻電壓決定一諧振頻率（f 0），使該電壓調控輸出頻率電壓裝置輸出具有該諧振頻率之一振盪訊號；以及 一電壓調控輸出佔空比電壓裝置，係具有一第一輸入端與一第二輸入端分別接收一參考電壓訊號以及該電壓調控輸出頻率電壓裝置之該振盪訊號，並通過一反相閉迴路決定一佔空比（δ），以調制該振盪訊號具有該佔空比，使該電壓調控輸出佔空比電壓裝置係在其一輸出端輸出一變頻脈衝寬度調變訊號，且該變頻脈衝寬度調變訊號係具有該諧振頻率與該佔空比。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該電壓調控輸出頻率電壓裝置係為一壓控振盪器，該壓控振盪器係依據：而輸出該振盪訊號，其中，f 0係為該振盪訊號之該諧振頻率，G Z0係為該壓控振盪器之一增益常數，g(V R)係為該壓控振盪器之一非線性回授函數，V F係為該控頻電壓。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該諧振頻率之一頻段範圍係為射頻波段，該頻段範圍係介於數百KHz至30MHz之間。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該反相閉迴路係包括： 一運算放大器，係電性耦接於一正電壓端與一接地端之間，該運算放大器係具有一第一輸入接點、一第二輸入接點以及一輸出接點，該輸出接點係電性耦接該電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該輸出端； 一第一電阻，係連接於該電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該第一輸入端與該運算放大器之該第一輸入接點之間，該運算放大器之該第一輸入接點更電性耦接於一第一電容後連接至該接地端； 一第二電阻，係連接於該電壓調控輸出佔空比電壓裝置之該第二輸入端與該運算放大器之該第二輸入接點之間，該運算放大器之該第二輸入接點更電性耦接於一第二電容後連接至該接地端； 一第三電阻，係連接於該運算放大器之該第一輸入接點與該輸出接點之間；以及 一第四電阻，係連接於該運算放大器之該第二輸入接點與該接地端之間，其中，該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻及該第四電阻係可匹配並具有相等之阻值。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該佔空比之範圍係介於0至50%之間。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該參考電壓訊號之範圍係介於0至2.5伏特之間。
- 如請求項4所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該運算放大器係依據：而決定該佔空比，其中，δ係為該佔空比，V z係為該電壓調控輸出頻率電壓裝置所輸出之該振盪訊號，V ref係為該參考電壓訊號，α係為該運算放大器之一反饋增益，T cm係為在共模下將該第一電容及該第二電容進行充電之時間常數，T係為適於一無線功率傳輸之切換週期。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該變頻脈衝寬度調變訊號係可為一電子裝置直接使用或接續處理再應用，該電子裝置包括：一單一集成電路晶片、一組合式電子電路、一電磁波天線、一訊號放大電路、一數位訊號處理電路、一數位邏輯電子電路、一無線功率輸出裝置、以及一光驅動器。
- 如請求項8所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該控頻電壓係可整合或集成於該電子裝置中。
- 如請求項1所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該控頻電壓係由一微處理器結合一使用者電子指令來提供調控，該使用者電子指令包括可來自於一無人飛行載具電腦、一無人地面載具電腦、一個人電腦、一平板電腦、以及一智慧型行動裝置。
- 如請求項8所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該無線功率輸出裝置更包括一閘極驅動電路、一開關元件與一放大器電路，以通過閘極驅動波形的趨勢回饋響應該諧振頻率為6.78 MHz的無線功率傳輸應用。
- 如請求項11所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該放大器電路係為一E類功率放大器。
- 如請求項11所述之壓控變頻脈衝寬度調制電路，其中，該開關元件係為一空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體。
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