TWI418966B - 數位可調恆壓源及數位控制恆壓源的方法 - Google Patents

Description

數位可調恆壓源及數位控制恆壓源的方法

本發明係關於一種恆壓源及控制恆壓源的方法，特別關於一種數位可調恆壓源及數位控制恆壓源的方法。

由於電子產業的快速發展，為了因應市場的多元化需求，現有的恆壓源種類很多。如中國專利公開第101882879號所揭露之一種恆流源轉恆壓源電路，其包括：與交流電流源電連接的開關電路模組，用於將所述開關電路模組輸出的交流電轉換成直流電、並為後級負載提供直流電的整流濾波模組，用於根據所述整流濾波模組的輸出電壓變化狀態輸出控制信號控制所述開關電路模組導通或斷開的比較器遲滯模組，以及為所述比較器遲滯模組提供參考電壓的供電模組。上述恆流源轉恆壓源電路存在有無法利用數位位方式控制恆壓源的缺點。

為了改善上述問題，中國專利公告第201007805號提供一種數位可調恆流恆壓源，數位可調恆流恆壓源包括放大電路、驅動電路、採樣電路、負反饋電路及誤差調整電路；外接的輸入信號經放大電路放大後，再經驅動電路進行功率放大，並輸出供負載；在輸出端串聯採樣電路，經負反電路補償及誤差調整電路自動調整後，輸出精準的電流和電壓。上述數位可調恆流恆壓源於微電流測試時具有高精度且穩定度高，但其電路架構複雜，無法降低製作成本。

鑒於以上問題，本發明提出一種數位可調恆壓源及數位控制恆壓源的方法，一方面可因應市場多元化需求，另一方面可解決先前技術所存在無法降低製作成本的問題。

依據本發明所揭露之數位可調恆壓源的一實施例，數位可調恆壓源包括具有參考電壓的控制晶片、運算單元、緩衝單元與分壓單元。其中，控制晶片包括用以輸出第一電壓的第一數位類比轉換器、用以輸出第二電壓的第二數位類比轉換器與用以接收第三電壓的類比數位轉換器，第一電壓、第二電壓與第三電壓皆小於或等於參考電壓。運算單元用以接收第一電壓與第二電壓，並依據權重值輸出調整電壓，權重值與預設電壓有關。緩衝單元用以接收調整電壓而輸出結果電壓，分壓單元接收結果電壓並依據分壓值輸出第三電壓。控制晶片可依據分壓值、第三電壓與預設電壓調整第二數位類比轉換器所輸出的第二電壓，使結果電壓實質上等於預設電壓。

在一實施例中，數位可調恆壓源更包括開關單元，開關單元配置於控制晶片與運算單元間，使第一數位類比轉換器的輸出端選擇性地連接運算單元或分壓單元。

依據本發明所揭露之數位控制恆壓源的方法的一實施例，數位控制恆壓源的方法包括：輸出第一電壓與第二電壓至運算單元；藉由運算單元進行運算程序而輸出調整電壓至緩衝單元，運算程序與預設電壓有關；藉由分壓單元接收經過緩衝單元的調整電壓，並依據分壓值而輸出第三電壓；以及接收第三電壓並依據分壓值、第三電壓與預設電壓調整第一電壓或第二電壓，使結果電壓實質上等於預設電壓。

在一實施例中，數位控制恆壓源的方法更可包括：輸出第一電壓至分壓單元而獲得第四電壓；以及依據第四電壓與第一電壓獲得分壓值。

依據本發明所揭露之數位可調恆壓源及數位控制恆壓源的方法，可利用數位的方式控制並輸出固定的電壓。可藉由開關單元使第一類比轉換器電性連接於分壓單元，以獲得分壓單元的精確分壓值，進而使得數位可調恆壓源所輸出的電壓不會受運作的溫度與各元件的精準度的影響。當開關單元使第一類比轉換器電性連接於運算單元時，可藉由控制晶片調整第一電壓或第二電壓，以使結果電壓實質上等於預設電壓。再者，由於本發明所揭露之數位可調恆壓源的電路架構簡單，使得製作成本較習知數位可調恆壓源低。

以上關於本發明的內容說明及以下之實施方式的說明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。

請參照「第1圖」，係為依據本發明所揭露之數位可調恆壓源的一實施例電路方塊示意圖。在本實施例中，數位可調恆壓源100包括具有參考電壓V_r 的控制晶片102、運算單元104、緩衝單元106與分壓單元108。其中，控制晶片102包括第一數位類比轉換器110、第二數位類比轉換器112與類比數位轉換器114。運算單元104分別與第一數位類比轉換器110、第二數位類比轉換器112與緩衝單元106電性連接，緩衝單元106與分壓單元108電性連接，分壓單元108與類比數位轉換器114電性連接。其中，控制晶片102可為但不限於MSP430F1611晶片或STM32F103ZC晶片，參考電壓V_r 可為但不限於二點五伏特(Voltage，V)。第一數位類比轉換器110用以輸出第一電壓V₁ ，第二數位類比轉換器112用以輸出第二電壓V₂ ，第一電壓V₁ 可為但不限於2伏特，第二電壓V₂ 可為但不限於1伏特。需注意的是，第一電壓V₁ 與第二電壓V₂ 皆需小於或等於參考電壓V_r 。

在本實施例中，數位可調恆壓源100更可包括開關單元116，開關單元116配置於控制晶片102與運算單元104間，使第一數位類比轉換器110的輸出端(未標示)選擇性地連接運算單元104或分壓單元108，以下先針對開關單元116使第一數位類比轉換器110的輸出端(未標示)連接運算單元104進行說明，關於開關單元116使第一數位類比轉換器110的輸出端(未標示)連接分壓單元108的說明請容後詳述。

請參照「第2圖」，係為應用於「第1圖」之開關單元使第一數位類比轉換與運算單元電性連接之數位控制恆壓源的方法的一實施例流程示意圖。數位控制恆壓源的方法包括：步驟202：輸出第一電壓與第二電壓至運算單元；步驟204：藉由運算單元進行運算程序而輸出調整電壓至緩衝單元，運算程序與預設電壓有關；步驟206：藉由分壓單元接收經過緩衝單元的調整電壓，並依據分壓值而輸出第三電壓；以及步驟208：接收第三電壓並依據分壓值、第三電壓與預設電壓調整第一電壓或第二電壓，使結果電壓實質上等於預設電壓。

上述步驟204所述之運算程序係可為將第一電壓V₁ 與權重值A相乘再加上第二電壓V₂ 而輸出調整電壓V_a 。需注意的是，權重值A係與預定電壓V_p 有關，也就是說，權重值A的大小調整係為了使調整電壓V_a 更接近預定電壓V_p ，但本實施例並非用以限定本發明。換句話說，運算程序亦可固定權重值A，藉由調整第一電壓V₁ ，使調整電壓V_a 更接近預定電壓V_p 。其中，權重值A可為但不限於大於3.5且小於4.5。

請參照「第3圖」，係為依據「第1圖」之運算單元的一實施例電路結構示意圖。運算單元104可包括第一運算放大器117、第一電阻118、第二電阻120、第三電阻122與第四電阻124。第一電阻118的一端與第一數位類比轉換器110電性連接，第一電阻118的另一端連接第一運算放大器117的正輸入端126。第二電阻120的一端與第二數位類比轉換器112電性連接，第二電阻120的另一端連接第一運算放大器117的正輸入端126。第三電阻122的一端接地，第三電阻122的另一端連接第一運算放大器117的負輸入端128。第四電阻124的一端連接第一運算放大器117的負輸入端128，第四電阻124的另一端連接第一運算放大器117的輸出端130。在本實施例中，第一電阻118的電阻值與第三電阻122的電阻值皆可為五萬六千歐姆(Ohm，Ω)，第二電阻120的電阻值與第四電阻124的電阻值皆可為二十二萬歐姆，調整電壓V_a 可為3.94倍的第一電壓V₁ 加上第二電壓V₂ ，但本實施例並非用以限定本發明。

上述的緩衝單元106可用以提高數位可調恆壓源100所輸出的功率，同時也可避免數位可調恆壓源100外部的負載對數位可調恆壓源100產生影響。請參照「第4圖」，係為依據「第1圖」之緩衝單元的一實施例電路結構示意圖。在本實施例中，緩衝單元106係可利用第二運算放大器132的正輸入端134與第一運算放大器117的輸出端130電性連接，第二運算放大器132的負輸入端136與第二運算放大器132的輸出端138電性連接，第二運算放大器132的輸出電壓為結果電壓V_o ，但本實施例並非用以限定本發明。

在步驟206中所述之分壓單元108係可包括第五電阻140與第六電阻142(請參照「第5圖」，係為依據「第1圖」之分壓單元的一實施例電路結構示意圖)，其中第五電阻140的一端分別與開關單元116及緩衝單元106的輸出端電性連接(請參照「第1圖」)，第五電阻140的另一端與第六電阻142的一端電性連接，第六電阻142的另一端接地。其中，分壓單元108的輸出端介於第五電阻140與第六電阻142間，分壓單元108所輸出的第三電壓V₃ 係與分壓值B有關，需注意的是，第三電壓V₃ 需小於或等於參考電壓V_r 。分壓值B係實質上可依據第五電阻140的電阻值R₅ 與第六電阻142的電阻值R₆ 而獲得，即B=R₆ /(R₅ +R₆ )。然而，實際上分壓值B會受數位可調恆壓源100的運作溫度與電阻的精確度(即第五電阻140與第六電阻142的精確度)影響而產生誤差。關於如何獲得較精準的分壓值B的描述，請參照「第6圖」，係為應用於「第1圖」之開關單元使第一數位類比轉換器與分壓單元電性連接之數位控制恆壓源的方法的一實施例流程示意圖。

在「第6圖」中，數位控制恆壓源的方法更包括：步驟302：輸出第一電壓至分壓單元而獲得第四電壓；以及步驟304：依據第四電壓與第一電壓獲得分壓值。

當開關單元116使第一數位類比轉換器110與分壓單元108電性連接時，執行步驟302。透過上述步驟302與步驟304可使控制晶片102有效掌握第一電壓V₁ 與第四電壓V₄ ，也可精確的計算出分壓值B，其中B=V₄ /V₁ 。需注意的是，步驟302與步驟304可於執行步驟202前進行，以便獲得較精確的分壓值B。

上述步驟208中，控制晶片102可依據精確的分壓值B、第三電壓V₃ 與預設電壓V_p 調整第二電壓V₂ ，使緩衝單元106所輸出的結果電壓V_o 實質上等於預設電壓V_p (即結果電壓V_o 可能與預設電壓V_p 間具有誤差電壓V_e ，誤差電壓V_e 為數位可調恆壓源100的精準度，誤差電壓V_e 的產生係可與數位可調恆壓源100中所有元件的精確度有關，在本實施例中，誤差電壓V_e 可為但不限於0.00067伏特)。需注意的是，第二電壓V₂ 需小於或等於參考電壓V_r ，當結果電壓V_o 與預設電壓V_p 間的差距太大時可藉由調整權重值A或第一電壓V₁ 而使結果電壓V_o 實質上等於預設電壓V_p 。

依據本發明所揭露之數位可調恆壓源與數位控制恆壓源的方法，可利用數位的方式控制並輸出固定的電壓(即結果電壓V_o )且數位可調恆壓源的精確度可為但不限於0.00067伏特。可藉由開關單元使第一數位類比轉換器電性連接於分壓單元，以獲得分壓單元的精確分壓值，進而使數位可調恆壓源所輸出的結果電壓穩定度高。當開關單元使第一數位類比轉換器電性連接於運算單元時，可藉由調整權重值或第一電壓(即大幅度的調整)或第二電壓(即小幅度的調整)，以使結果電壓實質上等於預設電壓。

雖然本發明以前述的較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。

100．．．數位可調恆壓源

102．．．控制晶片

104．．．運算單元

106．．．緩衝單元

108．．．分壓單元

110．．．第一數位類比轉換器

112．．．第二數位類比轉換器

114．．．類比數位轉換器

116．．．開關單元

117．．．第一運算放大器

118．．．第一電阻

120．．．第二電阻

122．．．第三電阻

124．．．第四電阻

126、134．．．正輸入端

128、136．．．負輸入端

130、138．．．輸出端

132．．．第二運算放大器

140．．．第五電阻

142．．．第六電阻

第1圖係為依據本發明所揭露之數位可調恆壓源的一實施例電路方塊示意圖。

第2圖係為應用於第1圖之開關單元使第一數位類比轉換器與運算單元電性連接之數位控制恆壓源的方法的一實施例流程示意圖。

第3圖係為依據第1圖之運算單元的一實施例電路結構示意圖。

第4圖係為依據第1圖之緩衝單元的一實施例電路結構示意圖。

第5圖係為依據第1圖之分壓單元的一實施例電路結構示意圖。

第6圖係為應用於第1圖之開關單元使第一數位類比轉換器與分壓單元電性連接之數位控制恆壓源的方法的一實施例流程示意圖。

100．．．數位可調恆壓源

102．．．控制晶片

104．．．運算單元

106．．．緩衝單元

108．．．分壓單元

110．．．第一數位類比轉換器

112．．．第二數位類比轉換器

114．．．類比數位轉換器

116．．．開關單元

Claims (7)

1. 一種數位可調恆壓源，包括：一控制晶片，具有一參考電壓，該控制晶片包括：一第一數位類比轉換器，用以輸出一第一電壓，該第一電壓小於或等於該參考電壓；一第二數位類比轉換器，用以輸出一第二電壓，該第二電壓小於或等於該參考電壓；以及一類比數位轉換器，用以接收一第三電壓，該第三電壓小於或等於該參考電壓；一運算單元，接收該第一電壓與該第二電壓，並依據一權重值輸出一調整電壓，該權重值與一預設電壓有關；一緩衝單元，用以接收該調整電壓而輸出一結果電壓；以及一分壓單元，接收該結果電壓並依據一分壓值輸出該第三電壓，其中該控制晶片依據該分壓值、該第三電壓與該預設電壓調整該第一電壓或該第二電壓，使該結果電壓實質上等於該預設電壓。
2. 如請求項1所述之數位可調恆壓源，其中該數位可調恆壓源更包括一開關單元，該開關單元配置於該控制晶片與該運算單元間，使該第一數位類比轉換器的一輸出端選擇性地連接該運算單元或該分壓單元。
3. 如請求項2所述之數位可調恆壓源，其中當該輸出端與該分壓單元連接時，該分壓單元輸出一第四電壓至該類比數位轉換器，該控制晶片依據該第四電壓與該第一電壓獲得該分壓值。
4. 如請求項1所述之數位可調恆壓源，其中該運算單元包括一第一運算放大器、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻與一第四電阻，該第一電阻的一端用以接收該第一電壓，該第一電阻的另一端連接該第一運算放大器的一正輸入端，該第二電阻的一端用以接收該第二電壓，該第二電阻的另一端連接該正輸入端，該第三電阻的一端接地，該第三電阻的另一端連接該第一運算放大器的一負輸入端，該第四電阻的一端連接該負輸入端，該第四電阻的另一端連接該第一運算放大器的一輸出端。
5. 如請求項1所述之數位可調恆壓源，其中該控制晶片為一MSP430F1611晶片或一STM32F103ZC晶片。
6. 一種數位控制恆壓源的方法，其包括：輸出一第一電壓與一第二電壓至一運算單元；藉由該運算單元進行一運算程序而輸出一調整電壓至一緩衝單元，該運算程序與一預設電壓有關；藉由一分壓單元接收經過該緩衝單元的該調整電壓，並依據一分壓值而輸出一第三電壓；以及接收該第三電壓並依據該分壓值、該第三電壓與該預設電壓調整該第一電壓或該第二電壓，使一結果電壓實質上等於該預設電壓。
7. 如請求項6所述之數位控制恆壓源的方法，其中在輸出該第一電壓與該第二電壓至該運算單元的步驟前，該數位控制恆壓源的方法包括： 輸出該第一電壓至該分壓單元而獲得一第四電壓；以及依據該第四電壓與該第一電壓獲得該分壓值。