TWI364168B - Pulse width modulation circuit capable of linearly adjusting duty cycle with voltage and related method - Google Patents

Description

1164168 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係指一種脈波寬度調變電路及其相關方法，尤指一種可 隨電壓線性調整工作週期之脈波寬度調變電路及其相關方法。 【先前技術】

脈波寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM)技術常被用於 輸出功率控制，例如電源管理、音效放大器、馬達控制等。請朱考 第1圖，第1圖為習知一脈波寬度調變電路1〇之示意圖。脈波寬度 調變電路ίο包含一參考電壓產生器102、一三角波振盪器1〇4及一 比較器106,脈波寬度調變電路1〇主要係利用具週期性的三角波訊 號vT (或鋸齒波）作為輸入訊號的電壓準位，來與參考電壓v比 較，以產生脈波寬度週期變化的脈波寬度調變訊號SpwM。 R -般來說’習域術可利用脈波寬度調變職、之工作週期 (DutyCycle)的變化來控制輸出功率的大小。例如，經由變化給 入直流電壓Vin來改變脈波寬度調變訊號s_之I作週期“ 專利公開案第20_2咖號中，脈波寬度調變· iq 、 期性的三角波《 VT (或麵波）之震盪高低辦電壓 ％ 考電壓產生請輸出之參考電壓义與輸入直流電壓^具備^ 1364168 關係’則輸入直流電壓vin便能線性地改變脈波寬度調變訊號SpwM 之工作週期。然而’使用此方式將會受到限制。例如，當欲滿足較 大的工作週義化時，為了赃此雜祕的斜率，賴耗費更多 的凡件來設計參考電麗產生器1〇2才能達成所需目的。

〜另一方面，在習知技術中，透過電壓調整器將參考電壓固 定，並經由輸入直流電壓Vin變化三角波訊號乂之高低位準電壓的 方式’輸入直流電壓Vin將能以較大的程度來調整脈波寬度調變訊 號SP職之工作週期。然而’如第2圖所示’第2圖為習知一輸入直 流電壓I與脈波寬度調變訊號Sp之工作週期之關係示意圖。輸 入直流電壓1與紐寬度婦城SPWM之工作職1仍未達完 =線性關係。因而，在實際應用上，雖可献較大駐作週期變: 若未能使輸人直流輕Vin舰波寬度調變錢s_之間的關係更 趨近線性，料在實際顧上纽鮮。舉例纽，若將脈波寬度 « SPWM 風扇馬叙魏浦均，將導致輸人直流電壓

Vm與轉速間的關係呈現非線性的曲線，因此，並不利於實際上 應用。 ” 【發明内容】 種可隨電壓線性調整工 因此，本發明之主要目的即在於提供一 作週期之脈波寬度調變電路及其相關方法。 1164168 本發明揭露一種可隨電壓線性調整工作週期之脈波寬度調變電 路，包含有一輸入電壓源、一穩壓器、一第一分壓單元、一第二分 鮮元、-第三分壓單元、-電壓加法器、一波形產生器、一比二 器。該輸入電壓源，用來產生-輸入電壓；該麵3，祕於該輸 入電壓源，用來產生-穩壓電壓；該第—分壓單元，_於該穩壓 器及-地端’用來提供-第-分壓；該第二分壓單元，輕接於該穩 壓器及該地端，用來提供-第二分壓；該第三健單元，祕於該 #輸入電壓源及該地端，用來提供一第三分壓；該電壓加法器，用來 將該第-分壓及該第三分壓相加，產生一高位準電壓；該波形產生 器，搞接於該㈣加法器及該第三分壓單元，用來根據該高位準電 壓及該第三分壓，產生一振遭訊號；以及該比較器，包含有一第一 ^入端麵接於該第二分壓單元，一第二輸入端輕接於該波形產生 器，及-輸出端’用來比較該第二分壓與該振盪訊號以透過該 出端輸出一脈波寬度調變訊號。 本發明另揭露-種隨電塵線性調整工作週期的方法，用於 調變電路，包含有根據—輸人電壓產生—穩壓電壓；將該轉 =電2換為—第—分奴—第二雜，並將該輸人電雜換為— 第二Μ ;將該第—分歧該第三練相加，以產生-高位準賴. w槪術分m紐称比較該第 -/刀堅與該嫩訊號，以輸出—脈波寬度調變訊號。 【實施方式】 13.64168 。月參考第3圖，第3圖為本發明實施例一脈波寬度調變電路3〇 之示思圖。脈波寬度調變電路3〇用來根據一輸入電壓線性地調整工 作週期，其包含有一輸人電壓源、P、-穩壓器302、-第-分壓單元 304第一分壓單元306、一第三分壓單元308、一電壓加法器31〇、 一波形產生器312及一比較器314。輸入電壓源p用來產生一輸入 電壓Vcc。穩壓器302搞接於輸入電壓源p，用來產生一穩壓電壓 謇 Vreg。第一分壓單元304耦接於穩壓器3〇2及一地端，用來提供一 第一分壓乂1。第二分壓單元3〇6耦接於穩壓器3〇2及該地端用來 提供第一分麗V2。第三分麗單元308輕接於輸入電壓源p及該地 端，用來提供-第三分壓V3。電壓加法器310ffl來將第一分壓％ 及第三分壓v3相加，以產生一高位準電壓％。波形產生器312耦 接於電壓加法H 310及第三分縣元，絲根據高辦電壓％ 及第一刀壓％產生一振盈讯號OSC。比較器314輕接於第二分壓 % 單元306波形產生器312,用來比較第二分壓V2與振盪訊號〇sc， 以輸出脈波寬度調變机號SpWM，藉此直接控制馬達驅動元件開 關。 在第3财，第—分壓單元304包含有-第-分壓輸出端〇1、 —第一分壓電阻Rl及—第二分壓電阻R2。第—分壓輸出端〇1耦接 於電壓加法器310,用來輸出第—分壓％。第一分壓電阻&之一端 耦接於穩壓器302 ’另-端輕接於第一分壓輸出端〇1。第二分壓電 阻心之-端輕接於第-分壓輪出端。！，另-端轉接於該地端。第 13.64168 單元娜包含有—第二分壓輸出端〇2、-第三分壓電阻R3

第仏刀[電阻~。第二分壓輸出端〇2输於比較器314之該 _出第二分壓V2。第三分壓電阻^，接 ^壓W02，另-端執接於第二分壓輸出端〇2。第四分麗電阻 ^輪接於第二分壓如端〇2，另—端祕於該地端。第三分壓 包含有—第三分壓輸出端〇3、-第五分壓電阻r5及-第 刀堅電阻R6。第—分麼輸出端〇3輕接於電壓加法器训與波形 =生器312,絲輸㈣三分壓V3。第五分㈣阻&之—職接於 兩入電壓源P，另_輪接於第三分壓輸出端〇3。第六分壓電阻心 之一端输於第三分壓輪出端〇3 ,另—端祕於該地端。 —進-步說明’請輯參考第3 a及第4圖，其中第4圖為本發 月實施例產生-脈波寬度調變訊號SpwM之波形示意圖。在脈波寬度 調變電路30中，輸人電_P所提供之輸入電壓I可視為一外 • 部控制電壓。此外’穩壓器302主要係用來提供並維持-穩定的直 μ輸出電壓’且不隨著貞載電流和輸人電壓之改變而改變（穩壓器 之輸出規格會設定介於-預設值内）。因此，穩壓器3〇2所提供之穩 壓電壓Vreg乃為-固定電壓值，且不會隨輸入電壓Vcc *變。電壓 加法器310將第-分塵Vl及第三分壓％相加，產生一高位準電壓 VH (即VH=V】+V3)。進-步地’如第4圖所示，蛛形產生器312 根據高位準縣VH及第三分壓V3，產生縫喊⑽（假設為一 二角波振盪訊號），其高、低電壓準位分別為高位準電壓與第三 分壓V3。因此，振盪訊號OSC之振幅大小係等於第一分壓％ (即 9 6之工作獅的紐紐調魏號SPWM。 清繼續c q e h /可弟5圖，不同輸入電壓下之假設僅改變脈波寬度調 ，路30中的輪入電壓vcc，如第5圖所示之第一輸入電壓VCC1 ▽第輸入電壓vCC2(其+，第一輸入電壓¥奶大於第二輸入電壓 Vcc2) ’則當輸入電壓Vcc為第一輸入電壓Vcci時振盪訊號為 ’且其高、低位準分別為νΗ1及v3l;當輸入電壓Vcc為第二 ^Λ,ψΜ. ν □* ^ vcc2時，振盪訊號為〇SC2，且其高、低位準分別為Vh2 及ν;2最後’經由比較器314所輸出之脈波寬度調變訊號Spwm分 別為第-脈波寬度調變訊號s_及第二脈波寬度調變訊號 Spwm2。需注意的是，此二情況下之振盪訊號的振幅相同皆為％且 參考電壓皆為v2,因此，可以看出輸人電壓V(x：愈高，其工作週期 愈大。請參考第6圖’第6 ®為本發明實關輸人電壓vGc與脈波 寬度調變訊號SPWM之工作週期之關係示意圖。如第6圖所示，在不 同設定之第一分壓Vi (亦即不同設定之振幅大小）之情況下，輸入 電壓與工作週期係呈現線性關係。如此一來，使用本發明之脈波寬 度調變電路30，將可有效改善脈波寬度調變的應用。舉例來說，當 應用在風扇馬達的轉速控制時，透過上述脈波寬度調變電路，變化 其輸入電壓vcc可線性地控制調整脈波寬度調變訊號SpwM之工作 週期，進而線性地調整風扇馬達的轉速。 因此，透過本發明脈波寬度調變電路30之設計，脈波寬度調變 訊號SpwM之工作週期係與輸入電壓Vcc存在著線性關係，因而可透 11 13.64168 過外部之輸入電壓來控龜盡訊號〇sc高低準位’以線性地控制脈 波寬度調變訊號sPWM的工作週期，並且不須增力0複雜的元件，即可 彈性地調整出所需之線性斜率，以滿足不同程度的工作週期變化。 簡單的說，即透過本發明可隨輸入電壓線性地控制調整脈波寬度調 變訊號之工作週期，並可彈性地提供不同程度的工作週期變化。 值得注意的是，第3圖之脈波寬度調變電路3〇係為本發明之一 • 實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同之變化及修飾，凡能 達到相同功能，不論其電路設計原理、方式或數量皆可適用於本發 明。舉例來說，第一分壓單元304、第二分壓單元306及第三分壓 單元308等分壓的提供，可根據需求做不同之設定，經由電阻分壓 方式，由該穩壓電壓或輸入電壓轉換產生，不限於此。波形產生器 312可以用來產生各種振盪訊號，如三角波振盪訊號或斜坡振盪訊 號。此外’除了可透過設定輸入電壓Vcc來線性調整工作周期外， • 尚可藉由設定第一分壓Vi或第二分壓V2來調整。 關於第3圖中脈波寬度調變電路30的運作方式，可歸納為第7 圖之一流程70。流程70包含以下步驟： 步驟700 :開始。 步驟702 :根據輸入電壓Vcc產生穩壓電壓Vre(J。 步驟704 :將穩麼電麼Vreg轉換為第一分愿及第二分麼v , 並將輸入電壓Vcc轉換為第三分壓V3。 步驟706 :將第一分壓％及第三分壓％相加，以產生高位準電 12 竭168 壓vH。 步驟708 :根據高位準電壓％及_三分壓V3，產生振堡訊號 OSC。 步驟710 :比較第二分壓V2與振盪訊號0sc，以輸出脈波寬度 調變訊。 步驟712 :結束。 根據流程70 ’本發明根據輪入電壓Vcc產生穩壓電壓Vreg，再 將穩壓電壓轉換為第-分壓Vi及第二分壓％，並將輸入電壓 cc轉換為-第三分壓V3後。利用電壓加法器31〇將第一分壓' 及第三分壓細加’以產生高鱗傾％後。雜域形產生器 312根據高位準電壓vH及第三分壓％，產生振盪訊號〇sc。最後， 經比較器似比較第二分壓％與振盈訊號〇sc，即可輸出所需的 脈:皮寬度調變訊號SPWM。流程7〇係用以說明脈波寬度調變電路咒 之運作方式，相_化视纟喊行方式可參考紋朗，科資述。 综上所述，透過本發明脈波寬度調變電路之設計，脈波寬度調 變訊號sPWM之工作週期係與入電壓Vcc存在著線性關係，因而可透 過外部之輸人電絲鮮職_ osc高鮮位，赠性地控制脈 波寬度調變爐SPWM的二作_，並且獨增加·的元件，即可 彈性地調整出所需之線性斜率，以滿足不同程度紅作週期變化。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍 13 13.64168 所做之均㈣化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍 【圖式簡單說明】 第1圖為知-脈波寬度調變電路之示意圖。 第2圖為習知輸 示意圖。 入直流電壓與脈波寬度調變訊號之 工作週期之關係 • 第3圖為本發明實施例一脈波寬度調變電路之示音圖。 第4圖為本發明實施例產生—脈波寬度調變訊號二形示意圖。 第5圖為本咖實施例不膽人賴下之脈波寬度峨訊號之波形 示意圖。 第6圖為本發明實施例輸入電壓與脈波寬度調變訊號之工作週期之 關係示意圖。 第7圖本發明實施例一流程之示意圖。

【主要元件符號說明】 10、30 102 104 106 302 脈波寬度調變電路 參考電壓產生器 三角波振盪器 比較器 穩壓器 第一分壓單元 14 304 13.64168

306 第二分壓單元 308 第三分壓單元 310 電壓加法器 312 波形產生器 314 比較器 P 輸入電壓源 Vcc 輸入電壓 Vreg 穩壓電壓 V! 第一分壓 V2 第二分壓 V3 第三分壓 VH 高位準電壓 Vr 參考電壓 Vt 三角波訊號 osc 振盪訊號 Spwm 脈波寬度調變訊號 700、702、704、706、708 、710、712 步驟 15

Claims (1)

1. U04168 • t' 七、申請專利範圍： 一種可隨電壓線性調整工作週期之脈波寬度調變電路，包含 有： 輸入電壓源，用來產生一輸入電壓； 一穩壓器，耦接於該輸入電壓源，用來產生一穩壓電壓；

   一第一分壓單元，耦接於該穩壓器及一地端，用來提供一第一 分壓； -第二分壓單元’祕於該穩壓器及該地端，用來提供一第二 分壓； 一第二分壓單元，耦接於該輸入電壓源及該地端，用來提供一 第三分壓； 電壓加法器，用來將該第一分壓及該第三分壓相加產生一 高位準電壓； 一波形產生器，耦接於該電壓加法器及該第三分壓單元，用來 調變訊號 根據該高位準賴及該第呈分愿，產生一振鹽訊號；以及 比較器，包含有一第一輸入端耦接於該第二分壓單元，一第 二輸入端轉接於該波形產生器，及一輸出端，用來比較該 第二分顯該振舰號，以透過該輸_輪出—脈波寬度 2.如請求項1所述之脈波寬度調變電路，其中該第一分壓單元勺 含有· 16 1364168 用來輪岭第—分 一苐一分壓輸出端，搞接於該電壓加法器 壓 一第-分壓電阻，其-端_於該穩壓器，另—端_於 —分壓輸出端；以及 一第二分壓電阻，其一端耦接於該第一分壓輸出端，另一端耦 接於該地端。 3. 如請求項1所述之脈波寬度調變電路，其中該第二分壓單元勹 含有： 疋匕 一第二分壓輸出端，耦接於該比較器之該第一輸入端，用來輸 出該第二分壓 ’ J 第一分壓電阻，其一端_接於該穩壓器，另一端輕接於該第 二分壓輸出端；以及 一第四分壓電阻，其一端耦接於該第二分壓輸出端，另一端耦 接於該地端。 4, 如請求項1所述之脈波寬度調變電路，其中該第三分壓單元包 含有： 一第三分壓輸出端，耦接於該電壓加法器與該波形產生器，用 來輸出該第三分壓 一第五分壓電阻，其一端耦接於該輸入電壓源，另一端耦接於 該第三分壓輸出端；以及 一第六分壓電阻，其一端耦接於該第三分壓輸出端，另一端耦 17 接於該地端。 如請求項1所述之脈波寬度調變電路，其中該振盪訊號係為一 二角波振盪訊號。 如請求項1所述之脈波寬度調變電路，其中該振盪訊號之振幅 係為該高位準電壓與該第三分壓之差值。 如請求項6所述之脈波寬度調變電路，其中該振盪訊號之振幅 係為該第一分壓。 如請求項1所述之脈波寬度調變電路，其中該脈波寬度調變訊 號之一工作週期係正比於該輸入電壓。 一種隨電壓線性調整工作週期的方法，用於一脈波寬度調變電 路’包含有： V 根據一輸入電壓產生一穩壓電壓； 將該穩壓電壓轉換為—第—分壓及—第二分壓，並將該輸入電 壓轉換為一第三分壓； 將該第一分壓及該第三分壓相加，以產生一高位準電壓； 根據該南位準電壓及該第三分壓，產生一振盪訊號；以及 比較該第二分壓與該振蓋訊號，以輪出—脈錢度調變訊號。 10. 11. 12. 13. 14. • 15. 16. 八 如响求項9所述之方法，其中 -V , ^ 茨第一分壓係經由電阻分壓方 式’由該穩壓電壓轉換產生。 如請求項9所述之方法，其中 ,丄 第二分壓係經由電阻分壓方 式’由該穩壓電壓轉換產生。 求項9所述之H其巾該第三分壓雜*電阻分壓方 式’由該輸入電壓轉換產生。 綱力波紐訊 如晴求項9所述之方法’其中該振㈣號之振幅係為該高位準 電壓與該第三分壓之差值。 如請求項14所述之方法’其中該振盪訊號之振幅係等於為該 第一分壓之電壓位準。 如請求項9所述之方法，其中該脈波寬度調變訊號之一工作週 期係正比於該輸入電壓。 囷式： 19