TWI489743B - 電源取樣裝置及其取樣方法 - Google Patents

Description

電源取樣裝置及其取樣方法

本發明是有關於一種電源取樣裝置及其取樣方法，且特別是有關於利用脈衝寬度調變訊號來取樣感應電壓訊號的電源取樣裝置及其取樣方法。

由於太陽能發電之輸出功率會受到外界環境因素，如溫度、照度變化之影響，因此針對太陽能發電找出其輸出功率的最大值的方法被提出，如圖1所示，圖1是說明習知最大功率追蹤方法的輸出功率與輸出電壓之間的關係的示意圖。擾動觀察法為目前實現最大功率追蹤的一種方法，其是以太陽能發電之輸出功率與電壓間之特性曲線為考量，以最大輸出功率點為中心，可將操作區域劃分為兩種，分別為正斜率區RP與負斜率區RN，當太陽能板的功率輸出操作於正斜率時，可增加其輸出電壓以使操作點趨近最大功率點MPP(Max Power Point,MPP)，當太陽能板的功率輸出操作於負斜率時，可降低其輸出電壓以使操作點趨近最大功率點MPP。

由於太陽能的功率曲線並非為線性，故通常需要最大功率追蹤器來使得太陽能電池能夠輸出其最大功率。然而，在使用一般定時取樣的方式下，會取樣到不精確的訊號，進而可能讓太陽能系統內的變頻器的最大功率點追蹤(Max Power Point Tracking,MPPT)單元做出錯誤的判讀，進而影響結果，而這也將成為一個重要的課題。

本發明提供一種電源取樣裝置及其取樣方法，能夠更精確地進行訊號取樣，並且能夠濾除感應電壓訊號的高頻雜訊，以達到最大功率。

本發明提出一種電源取樣裝置，包括切換式電源電路、感應器以及微控制器。其中，切換式電源電路會依據脈衝寬度調變訊號將電源訊號轉換為輸出訊號，並且，將輸出訊號提供至負載。而感應器則耦接至切換式電源電路，用來偵測輸出訊號並且輸出感應電壓訊號。微控制器則是耦接至切換式電源電路以及感應器，輸出脈衝寬度調變訊號，並依據脈衝寬度調變訊號來取樣感應電壓訊號。

本發明又提出一種電源取樣裝置的取樣方法，其步驟如下，輸出時脈寬度調變訊號；依據脈衝寬度調變訊號，來將電源訊號轉換為輸出訊號，以將輸出訊號提供至負載；偵測輸出訊號而輸出感應電壓訊號；以及依據脈衝寬度調變訊號取樣感應電壓訊號。

在本發明之一實施例中，上述之電源取樣裝置，所述的輸出訊號為交流或直流的電壓訊號或電流訊號。

在本發明之一實施例中，上述之微控制器，包括類比數位轉換單元、最大功率追蹤單元以及脈衝寬度調變訊號產生單元。其中，類比數位轉換單元是耦接到感應器，依據脈衝寬度調變訊號來取樣感應電壓訊號，並且會輸出取樣訊號。而最大功率追蹤單元則是耦接至類比數位轉換單元，依據取樣訊號來執行最大功率演算法，藉此來輸出週期性控制訊號。脈衝寬度調變訊號產生單元則是依據週期性控制訊號來輸出脈衝寬度調變訊號。

在本發明之一實施例中，電源取樣裝置更包括延遲單元，而此延遲單元是耦接到類比數位轉換單元與脈衝寬度調變訊號產生單元之間，是用來延遲脈衝寬度調變訊號。因此，可以延遲類比數位轉換單元取樣感應電壓訊號的時間點。

在本發明之一實施例中，上述之延遲單元更分別在感應電壓訊號的連續N個週期中(N為自然數)，延遲類比數位轉換單元在取樣感應電壓訊號的時間點，因此，可以獲得N個取樣位置不同的取樣訊號。而最大功率追蹤單元會依據取樣訊號的平均值來執行最大功率追蹤演算法，藉此來輸出週期性控制訊號。

在本發明之一實施例中，電源取樣裝置更包括低通濾波器，而此低通濾波器耦接在感應器與類比數位轉換單元之間，可以濾除掉感應電壓訊號的高頻雜訊。

基於上述，本發明所提出的電源取樣裝置及其取樣方法，依據脈衝寬度調變訊號產生單元所產生的訊號來取樣感應器所輸出的感應電壓訊號，以達到更精確的取樣時機。並且，利用低通濾波器來濾除感應電壓訊號的高頻雜訊，提高最大功率追蹤的效能，以達到最大功率點。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

有鑒於此，本發明提供一種電源取樣裝置及其取樣方法，可利用訊號的週期性與同步性的特性，來使類比數位轉換單元在取樣感應器所轉換輸出的感應電壓訊號時，能獲得最佳的取樣時間點。藉此，最大功率追蹤單元則可以依據取樣訊號來計算出能提供最大功率的週期性控制訊號。為使本發明之內容更為明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。

首先請參照圖2，圖2繪示本發明之一實施例的電源取樣裝置200的架構圖。在本實施例中的電源取樣裝置200包括切換式電源電路210、感應器230以及微控制器220。其中，感應器230是耦接到切換式電源電路210與微控制器220，而微控制器220更耦接到切換式電源電路210，此外切換式電源電路210還耦接到電源240以及負載250。其中，切換式電源電路210可以是將直流輸入訊號切換成直流輸出訊號OUT(直流/直流)或是將直流輸入訊號切換成交流輸出訊號OUT(直流/交流)的切換式電源電路。

關於電源取樣裝置的相關動作，請同時參照圖2及圖3，其中，圖3繪示圖2擾動脈衝寬度調變訊號的責任週期以調整輸出功率方法的流程圖。其步驟包括，初始化脈衝寬度調變的設定(步驟S310)，亦即設定脈衝寬度調變訊號P1之責任週期的初始值，以初始化切換式電源電路210的輸出電壓振幅或輸出電流振幅的輸出訊號。接著，擾動脈衝寬度調變訊號P1的責任週期(步驟S320)，亦即改變脈衝寬度調變訊號P1的責任週期來進一步地使輸出電壓大小或輸出電流大小產生變化。然後，進行功率變化感測(步驟S330)，藉由感測切換式電源電路210的輸出訊號OUT的振幅變化量來得知其功率的變化量。最後，執行最大功率點追蹤(Max power point tracking,MPPT)計算(步驟S340)。如此藉由重複上述步驟S310～S330，將感應器230所感測到的輸出訊號OUT轉換成感應電壓訊號VS傳送至微控制器進行分析，以調整脈衝寬度調變訊號P1的責任週期，便可使輸出功率往最大功率點移動。

進一步言，如果擾動脈衝寬度調變訊號P1的責任週期後，導致輸出端所產生的輸出功率增加，則表示操作點正移向最大功率點(Max power point,MPP)。因此，必須再次以相同趨勢改變脈衝寬度調變訊號P1的責任週期。然而，如果輸出功率降低則表示操作點已經通過MPP，且必須以相反趨勢改變脈衝寬度調變訊號P1的責任週期，如此，持續重複步驟S310～S340，即可將輸出功率則調整至最大功率點。

另外，在本實施例中，切換式電源電路210會依據微控制器220所輸出的脈衝寬度調變訊號P1，來控制調整其所包含之開關(未繪示)的責任週期比例(Duty Ratio)，以將來自電源240所輸出的電源訊號IN轉換為微控制器220所計算出的最佳化輸出訊號OUT，並將其提供到負載250。

此外，感應器230將所偵測到的輸出訊號OUT轉換為感應電壓訊號VS，且將感應電壓訊號VS傳送到微控制器220。微控制器220會依據脈衝寬度調變訊號P1來取樣感應器230所傳送過來的感應電壓訊號VS。如此藉由使切換式電源電路210及類比數位轉換單元226兩者皆依據共用脈衝寬度調變訊號P1來作動，可使切換式電源電路210及類比數位轉換單元226間具有較佳的同步性，進而獲得較佳的取樣時機。

接著，請再參照圖2，詳細來說，電源取樣裝置200中的微控制器220可包括脈衝寬度調變訊號產生單元224、類比數位轉換單元226以及最大功率追蹤單元222。其中，類比數位轉換單元226耦接到感應器230，最大功率追蹤單元222則是耦接到類比數位轉換單元226，而脈衝寬度調變訊號產生單元224則是耦接至切換式電源電路210以及類比數位轉換單元226。

在圖2的實施例中，電源取樣裝置200利用脈衝寬度調變訊號P1來控制切換式電源電路210內開關(未繪示)的責任週期比例。因此，輸出訊號OUT的週期性變化會與脈衝寬度調變訊號P1的週期性變化做出相對應的動作。也就是說，當脈衝寬度調變訊號P1在上升緣或下降緣的時間區域時，輸出訊號OUT也會對應地在此時間區域有所動作，例如輸出訊號OUT從高電位逐漸下降到低電位或是從低電位上升到高電位。

類比數位轉換單元226依據脈衝寬度調變訊號P1取樣感應器230傳送過來的感應電壓訊號VS，以獲得精確的取樣時間點，並依據取樣結果輸出取樣訊號SS到最大功率追蹤單元222。最大功率追蹤單元222則依據所接收到的取樣訊號SS執行最大功率追蹤演算法。進一步言，最大功率追蹤單元222會依照輸出電壓大小或輸出電流大小的變化量而輸出週期性控制訊號PCS。脈衝寬度調變訊號產生單元224則依據週期性控制訊號PCS調整脈衝寬度調變訊號P1的責任週期比例，以將輸出功率調整至最大功率點。

請同時參照圖4及圖5，圖4為本發明之另一實施例的電源取樣裝置400架構圖。與上述實施例不同的是，本實施例的電源取樣裝置400更包括了延遲單元470，其耦接於類比數位轉換單元426與脈衝寬度調變訊號產生單元424之間。圖5繪示圖4擾動脈衝寬度調變訊號的週期以調整輸出功率方法的流程圖，與圖3實施例之輸出功率調整方法的不同之處在於，本實施例之輸出功率調整方法在脈衝寬度調變週期擾動(步驟S520)的步驟後更包括取樣延遲控制及平均計算(步驟S530)。

微控制器420可控制延遲單元470的延遲時間，使得延遲單元470延遲脈衝寬度調變訊號P1，藉以延遲類比數位轉換單元426取樣感應電壓訊號VS的時間點，進而避開雜訊密集區域對較為乾淨的感應電壓訊號VS取樣，使得最大功率追蹤單元422能夠更精確地調整脈衝寬度調變訊號P1，以使輸出功率達到最大功率點。

舉例來說，當利用脈衝寬度調變訊號P1的上升緣(當然，也可以選擇下降緣)來觸發類比數位轉換單元426時，脈衝寬度調變訊號P1會同步地切換切換式電源電路410內的開關(未繪示)以產生輸出訊號OUT。如同在本領域具有通常知識者所知，在切換式電源電路410內的開關在做切換的瞬間時會產生不可避免的雜訊。此時便可利用延遲單元470來延遲脈衝寬度調變訊號P1以避開雜訊密集區域。其中關於延遲單元470的延遲時間，在本實施例中可以利用微控制器420內的計算結果來設定一些預設值，以避開雜訊密集區域。然而，在其他實施例中，也可以利用外部電路來達到控制延遲單元470的延遲時間值，以便使延遲單元470的延遲時間值能有更彈性的設計空間。

另外，關於平均計算的部份，可利用延遲單元470來延遲類比數位轉換單元426取樣具有連續N個週期的感應電壓訊號VS，其中N為自然數。而在此所取得的N個取樣點會相當於在一個週期下的感應電壓訊號VS所取得的N個取樣點。接著，透過類比數位轉換單元426可以獲得N個取樣位置不同的取樣訊號SS。之後，最大功率追蹤單元422會依據這些N個取樣位置不同的取樣訊號SS的平均值執行最大功率追蹤演算法，以輸出週期性控制訊號PCS來調整脈衝寬度調變訊號P1。如此藉由將不同位置的取樣點進行平均計算，並據以調整脈衝寬度調變訊號P1，便可以將來自轉換過程中所產生的誤差或是因為雜訊所造成的誤差降低，進而提高達到最大功率點的準確度。

舉例來說，在此請同時參照圖6，圖6繪示利用延遲單元於週期訊號下取樣600之示意圖。利用延遲單元470在一個連續的8個週期的週期訊號中改變類比數位轉換單元426取樣的時間點(圖6的上圖)，會相當於得到在一個週期中的8個不同取樣位置的取樣點(圖6的下圖)。接著，透過類比數位轉換單元426可以獲得8個取樣位置不同的取樣訊號SS。之後，傳送到最大功率追蹤單元422中作平均計算且執行最大功率演算法。最大功率追蹤單元422依據計算結果輸出週期性控制訊號PCS到脈衝寬度調變訊號產生單元424，以調整出能達到最大功率點的脈衝寬度調變訊號P1。

接下來，請參照圖7，圖7為本發明之另一實施例的電源取樣裝置700架構圖。與圖4實施例的電源取樣裝置400不同的是，本實施例的電源取樣裝置700更包括了低通濾波器780。此低通濾波器780是耦接至感應器730與類比數位轉換單元726之間。因為感應器730在接收回授的輸出訊號OUT時，由於切換式電源電路710內的開關在切換瞬間會產生不可避免的高頻雜訊而污染輸出電壓或輸出電流的輸出訊號OUT，而當感應器730在偵測輸出訊號OUT並將其輸出訊號OUT轉換為感應電壓訊號VS時，此時的感應電壓訊號VS仍然會存在高頻雜訊。

因此，在本實施例中，低通濾波器730可以濾除掉依附在感應電壓訊號VS上的高頻雜訊，並配合延遲單元770來避開雜訊的區段。如此的對雜訊做雙重的處理措施，在脈衝寬度調變訊號P1對此較乾淨的感應電壓訊號VS取樣時，可以更有效率且更精確地取得取樣點，而且經由此方式的取樣點也較具有代表性，使最大功率追蹤單元722的分析與計算結果更為精確。

請參照圖8，圖8繪示電源取樣裝置的取樣方法的流程圖，歸納上述電源取樣裝置的取樣方法可包括下列步驟。首先，輸出脈衝寬度調變訊號(步驟S810)。接著，依據脈衝寬度調變訊號將電源訊號轉換為輸出訊號，以把輸出訊號提供至負載(步驟S820)。其中輸出訊號可以為交流/直流的電壓訊號/電流訊號。然後，偵測輸出訊號而輸出感應電壓訊號(步驟S830)。在部分實施例中，可利用低通濾波器將此感應電壓訊號上所依附的高頻雜訊予以濾除，以取得較為乾淨的感應電壓訊號。

接著，依據脈衝寬度調變訊號取樣感應電壓訊號(步驟S840)。在部分實施例中可延遲脈衝寬度調變訊號來改變取樣時間點，舉例來說，可將取樣時間點延遲，以避開雜訊密集的區域而對較為乾淨的感應電壓訊號VS取樣，使得最大功率追蹤單元422能夠更精確地調整脈衝寬度調變訊號P1，以使輸出功率達到最大功率點。又例如，可分別於感應電壓訊號的連續N個週期中(N為自然數)延遲脈衝寬度調變訊號，以延遲取樣感應電壓訊號的時間點，以得到N個取樣位置不同的取樣訊號，然後再依據這些取樣訊號的平均值執行最大功率追蹤演算法，並依據運算結果調整脈衝寬度調變訊號的週期，以將輸出功率調整至最大功率點。

綜上所述，本發明實施例所提出電源取樣裝置及其取樣方法至少具有下列優點：

1.　以脈衝寬度調變訊號為依據，使切換式電源電路及類比數位轉換單元兩者的動作具有同步性，進而獲得較精確的取樣時間點。如此最大功率追蹤單元便可依據取樣訊號輸出週期性控制訊號，進而調整出能達到最大功率點的脈衝寬度調變訊號。

2.利用延遲單元來延遲脈衝寬度調變訊號，以調整脈衝寬度調變訊號對感應電壓訊號取樣的時間點，以避開雜訊密集的區段，以獲得較精確的取樣結果。

3.藉由將不同位置的取樣點進行平均計算，並據以調整脈衝寬度調變訊號，便可以將來自轉換過程中所產生的誤差或是因為雜訊所造成的誤差降低，進而提高達到最大功率點的準確度。

4.利用低通濾波器來濾除掉依附在感應電壓訊號上的高頻雜訊，藉此，可以降低高頻雜訊對輸出訊號的汙染，以取得較為乾淨的感應電壓訊號，進而有助於取樣到較具精確的取樣結果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．輸出功率與輸出電壓之間的關係

200、400、700．．．電源取樣裝置

210、410、710．．．切換式電源電路

220、420、720．．．微控制器

222、422、722．．．最大功率追蹤單元

224、424、724．．．脈衝寬度調變訊號產生單元

226、426、726．．．類比數位轉換單元

230、430、730．．．感應器

470、770．．．延遲單元

780．．．低通濾波器

240、440、740．．．電源

250、450、750．．．負載

MPP．．．最大功率點

RP．．．正斜率區

RN．．．負斜率區

IN．．．輸入訊號

OUT．．．輸出訊號

VS．．．感應電壓訊號

SS．．．取樣訊號

PCS．．．週期性控制訊號

P1．．．脈衝寬度調變訊號

ROUT1、ROUT2．．．阻抗

S310～S340、S510～S550、S810～S840．．．步驟

圖1是說明習知最大功率追蹤方法的輸出功率與輸出電壓之間的關係的示意圖。

圖2繪示本發明之一實施例的電源取樣裝置200的架構圖。

圖3繪示圖2擾動脈衝寬度調變訊號的週期以調整輸出功率方法的流程圖。

圖4為本發明之另一實施例的電源取樣裝置400架構圖。

圖5繪示圖4擾動脈衝寬度調變訊號的週期以調整輸出功率方法的流程圖。

圖6繪示利用延遲單元於週期訊號下取樣600之示意圖。

圖7為本發明之另一實施例的電源取樣裝置700架構圖。

圖8繪示電源取樣裝置的取樣方法的流程圖。

200．．．電源取樣裝置

210．．．切換式電源電路

220．．．微控制器

222．．．最大功率追蹤單元

224．．．脈衝寬度調變訊號產生單元

226．．．類比數位轉換單元

230．．．感應器

240．．．電源

250．．．負載

IN．．．輸入訊號

OUT．．．輸出訊號

VS．．．感應電壓訊號

SS．．．取樣訊號

PCS．．．週期性控制訊號

P1．．．脈衝寬度調變訊號

ROUT1、ROUT2．．．阻抗

Claims (15)

1. 一種電源取樣裝置，包括：一切換式電源電路，依據一脈衝寬度調變訊號將一電源訊號轉換為一輸出訊號，以將該輸出訊號提供至一負載；一感應器，耦接該切換式電源電路，偵測該輸出訊號而輸出一感應電壓訊號；以及一微控制器，耦接該切換式電源電路以及該感應器，輸出該脈衝寬度調變訊號，並依據該脈衝寬度調變訊號取樣該感應電壓訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源取樣裝置，其中該輸出訊號為交流或直流的電壓訊號或電流訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源取樣裝置，其中該微控制器包括：一類比數位轉換單元，耦接該感應器，依據該脈衝寬度調變訊號取樣該感應電壓訊號，以輸出一取樣訊號；一最大功率追蹤單元，耦接該類比數位轉換單元，依據該取樣訊號執行一最大功率追蹤演算法，以輸出一週期性控制訊號；以及一脈衝寬度調變訊號產生單元，依據該週期性控制訊號輸出該脈衝寬度調變訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電源取樣裝置，更包括：一延遲單元，耦接於該類比數位轉換單元與該脈衝寬度調變訊號產生單元之間，延遲該脈衝寬度調變訊號，以延遲該類比數位轉換單元取樣該感應電壓訊號的時間點。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電源取樣裝置，其中該延遲單元更分別於該感應電壓訊號的連續N個週期中，延遲該類比數位轉換單元取樣該感應電壓訊號的時間點，以獲得N個取樣位置不同的取樣訊號，該最大功率追蹤單元依據該些取樣訊號的平均值執行該最大功率追蹤演算法，以輸出該週期性控制訊號，其中N為自然數。
6. 如申請專利範圍第3項所述之電源取樣裝置，更包括：一低通濾波器，耦接於該感應器與該類比數位轉換單元之間，濾除該感應電壓訊號的高頻雜訊。
7. 一種電源取樣裝置的取樣方法，包括：輸出一脈衝寬度調變訊號；依據該脈衝寬度調變訊號將一電源訊號轉換為一輸出訊號，以將該輸出訊號提供至一負載；偵測該輸出訊號而輸出一感應電壓訊號；以及依據該脈衝寬度調變訊號取樣該感應電壓訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電源取樣裝置的取樣方法，其中該輸出訊號為交流或直流的電壓訊號或電流訊號。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電源取樣裝置的取樣方法，更包括：依據該取樣訊號執行一最大功率追蹤演算法，以輸出一週期性控制訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電源取樣裝置的取樣方法，其中輸出該脈衝寬度調變訊號的步驟包括：依據該週期性控制訊號輸出該脈衝寬度調變訊號。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電源取樣裝置的取樣方法，更包括：延遲該脈衝寬度調變訊號。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電源取樣裝置的取樣方法，其中依據該脈衝寬度調變訊號取樣該感應電壓訊號的步驟包括：分別於該感應電壓訊號的連續N個週期中，延遲該脈衝寬度調變訊號，以延遲取樣該感應電壓訊號的時間點，其中N為自然數；以及依據延遲的該些脈衝寬度調變訊號取樣該感應電壓訊號，以獲得N個取樣位置不同的取樣訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電源取樣裝置的取樣方法，更包括：依據該些取樣訊號的平均值執行該最大功率追蹤演算法，以輸出一週期性控制訊號。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電源取樣裝置的取樣方法，其中輸出該脈衝寬度調變訊號的步驟包括：依據該週期性控制訊號輸出該脈衝寬度調變訊號。
15. 如申請專利範圍第7項所述之電源取樣裝置的取樣方法，更包括：對該感應電壓訊號進行低通濾波。