TWI670920B - 直流電壓至脈衝電壓轉換的方法 - Google Patents

直流電壓至脈衝電壓轉換的方法 Download PDF

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Abstract

在所揭露的直流(DC)電壓至脈衝電壓轉換的方法中，產生具有可調整脈衝比的方形脈衝的接續性以週期性地控制電感性負載至DC電壓來源的連接，因此在包括電感性負載的電路中產生脈衝電流，並利用電路中的電子控制電阻器限制脈衝電流，以由此將DC電壓轉換成脈衝電壓，由此達到調整放射至環境的電磁雜訊程度。

Description

直流電壓至脈衝電壓轉換的方法
所提出的工程解決方案與電機工程有關，且可在具有降低程度的放射至環境的電磁雜訊的脈衝電源供應器中使用，並作為在直流(DC)電壓至脈衝電壓轉換能力之中的額外技術。
已知類似的設計，見例如於2011年12月15日發表的US 20110305048 A1，包括下述必要特徵的集結：-提供DC電壓；-產生具有可調整脈衝比的控制方波脈衝；-藉由使用控制脈衝的接續性，將電感性負載週期性地連接至DC電壓來源的輸出；-產生流經電感性負載的脈衝電流；以及-將DC電壓轉換成脈衝電壓。
所提出的解決方案以及上述類似物的共同特徵為：-提供DC電壓；-產生具有可調整脈衝比的控制方波脈衝； -藉由使用控制脈衝的接續性，將電感性負載週期性地連接至DC電壓來源的輸出；-產生流經電感性負載的脈衝電流；以及-將DC電壓轉換成脈衝電壓。
也已知發表為應用註解FAN6300«Highly Integrated Quasi-Resonant PWM controller»(見https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-6300.pdf,Rev.1.0.2.of 5/21/10)的設計。其被選為最接近的類似物(原型)，且其包括下述必要特徵的集結：-提供DC電壓；-產生具有可調整脈衝比的控制方波脈衝；-藉由使用控制脈衝的接續性，將電感性負載週期性地連接至DC電壓來源的輸出；-產生流經電感性負載的脈衝電流；-限制流經電感性負載的脈衝電流；以及-將DC電壓轉換成脈衝電壓。
所提出的解決方案以及上述原型的共同特徵為：-提供DC電壓；-產生具有可調整脈衝比的控制方波脈衝；-藉由使用控制脈衝的接續性，將電感性負載週期性地連接至DC電壓來源的輸出；-產生流經電感性負載的脈衝電流； -限制流經電感性負載的脈衝電流；以及-將DC電壓轉換成脈衝電壓。
可藉由非上述技術解決方案達成的技術結果在於獲得具有較低程度的電磁脈衝雜訊的可交換輸出脈衝電壓，因此加至用以執行DC脈衝電壓轉換的能力範圍。
無法達到上述目標的原因是，對於目標在獲得具有不能縮減程度的放射至環境的電磁脈衝雜訊的可交換輸出脈衝電壓的研究沒有付出適當的注意。因此，在改進已知可相容的技術解決方案上已有迫切的需要。
考慮到先前技術設計的特性以及分析，可以斷定，獲得具有跟放射至環境的電磁脈衝雜訊的實際程度一樣低的可控制輸出脈衝電壓是適時的目標。
上述識別的技術結果是在DC電壓至脈衝電壓轉換的先前技術方法中完成，包括下述步驟：提供DC電壓、產生具有可調整脈衝比的控制方波脈衝、藉由使用控制脈衝的接續性以將電感性負載週期性地連接至DC電壓來源的輸出、產生流經電感性負載的脈衝電流以及限制流經電感性負載的脈衝電流，其中流經電感性負載的脈衝電流的限制是由包括在流經電感性負載的脈衝電流之電路中的電子控制電阻器所執行，以由此將DC電壓轉換成脈衝電壓，以使得可能調整放射至環境的電磁雜訊的程度。
提供形成電子控制電阻器的電阻的可控制值，因而施加至電感性負載的DC電壓是週期性地開以及關、並形成具有固定或不顯著改變的可調整脈衝 比的脈衝電流的過程允許了由電子控制電阻器限制脈衝電流，由此將DC電壓轉換成脈衝電壓。當此發生時，且由於在DC電壓至脈衝電壓轉換過程中在環境中放射的脈衝電磁雜訊的功率取決於脈衝電流的值，增加電子控制電阻器的電阻導致減少了在饋送電感性負載的電路中流動的脈衝電流。由於那情況，由用於DC電壓至脈衝電壓轉換的裝置放射於環境中的電磁雜訊的程度減少。因此，所提出技術解決方案的使用改進了由脈衝電源供應器所饋送的各式個樣電子單元的電磁相容性，且因此，使得人類環境中的環境設定變好。這顯示達成上述技術結果的地方。
在已知先前技術之中執行的分析顯示，它們沒有一個包括所提出解決方案的必要特徵的完整集結或其可區別的(特徵化的)特徵，因此允許了解決方案的新穎性以及創造性步驟的相關斷定。
所提出DC電壓至脈衝電壓轉換方法的技術精華在於下述：-提供DC電壓；-產生具有可調整脈衝比的控制方形脈衝的接續性；-使用控制方形脈衝的接續性，將電感性負載週期性地連接至此DC電壓來源的輸出；-產生流經電感性負載的脈衝電流；以及-限制脈衝電流，-其中該限制脈衝電流是利用包括在流經電感性負載的脈衝電流的電路的電子控制電阻器來執行，以由此將DC電壓轉換成脈衝電壓，以調整放射至環境的電磁雜訊的程度。
1‧‧‧高DC電壓來源
2‧‧‧電感性負載
3‧‧‧主要繞組
4‧‧‧變壓器
5‧‧‧鐵磁性核心
6‧‧‧次要繞組
7‧‧‧整流器
8、12、13、20、22、24、34、37、38、41、42、43、52、53、74、76、77、79、80‧‧‧端子
9、21、29‧‧‧正端子
10‧‧‧可控制開關
11、39‧‧‧MOS電晶體
14‧‧‧可控制方形脈衝產生器
15、26、35、45、58、59、60、62、63、78‧‧‧輸出
16、27、54、73‧‧‧控制輸入
17‧‧‧第一控制電壓驅動器
18‧‧‧DC電壓來源
19‧‧‧電位計
23、31、32、49‧‧‧負端子
25‧‧‧第三端子(滑件)
28‧‧‧低DC電壓來源
30‧‧‧第一功率輸入
33‧‧‧限制電阻器
36‧‧‧電子控制電阻器(ECR)
40‧‧‧額外電阻器
44‧‧‧操作放大器(OA)
46‧‧‧偏移電壓來源(OVS)
47‧‧‧正輸出
48‧‧‧非反相(「+」)輸入
50、51‧‧‧電阻器
55‧‧‧反相(「-」)輸入
56‧‧‧第二驅動器、第二控制電壓驅動器
57、61、72、75‧‧‧輸入
64‧‧‧第二功率輸入
65、66、67‧‧‧電流設定電阻器
68‧‧‧電壓-穩定電流調節器
69‧‧‧光耦合器
70‧‧‧電阻器
Uctr‧‧‧脈衝
Io max‧‧‧最大值
Io min‧‧‧最小值
Umax、Umin‧‧‧高脈衝電壓
Uo‧‧‧輸出電壓
參照附圖，在下面的說明書中描述了所提出方法的上述以及其他特徵與優勢，其中第1圖是體現本提議的方法的DC電壓至脈衝電壓轉換器的功能性電路的範例，以及第2圖示出了展示轉換器操作的時間圖。
根據第1圖，DC電壓至脈衝電壓轉換器具體包括：-高DC電壓來源1；-電感性負載2，其作為磁導體上的繞組並包括使用鐵磁性核心5的變壓器4的主要繞組3以及連接至具有其負載(未示出)的整流器7的次要繞組6，電感性負載2經由其端子其中之一(第一)8連接至高DC電壓來源1的正端子9；-可控制開關10，包括，例如，經由其第一(主要)端子12(MOS電晶體11的汲極)連接至電感性負載2的另一個(第二)端子13的MOS電晶體11；-可控制方形脈衝產生器14，由其輸出15連接至可控制開關10(其MOS電晶體11的閘極)的控制輸入16；-第一控制電壓驅動器17包括，例如，DC電壓來源18以及電位計19，電位計19的第一端子20連接至DC電壓來源18的正端子21，電位計19的第二端子22連接至DC電壓來源18的負端子23(其端子23是第一控制電壓驅動器17的第一端子24)，連接至可控制方形脈衝產生器14的控制輸入27的電位計19的第三端子(滑件)25(該端子25是第一控制電壓驅動器17的第二輸出26)；-低DC電壓來源28，來源28的正端子29連接至可控制方形脈衝產生器14的第一功率輸入30，來源28的負端子31連接至高DC電壓來源1的負端子32； -限制電阻器33，經由其端子34連接至可控制開關10的輸出35(至MOS電晶體11的來源)；-電子控制電阻器(ECR)36，藉由其第一端子37連接至限制電阻器33的另一個端子38，ECR包括，例如，MOS電晶體39(MOS電晶體39的漏極是ECR 36的第一端子37)、額外電阻器40(額外電阻器40的第一端子41連接至MOS電晶體39的漏極，額外電阻器40的第二端子42連接至MOS電晶體39的來源以及至ECR 36的第二端子43)、操作放大器(OA)44(OA44的輸出45連接至MOS電晶體39的閘極)、偏移電壓來源(OVS)46(OVS 46的正端子連接至OA44的非反相(「+」)輸入48，OVS 46的負端子49連接至ECR 36的第二端子43)、第一電阻器50以及第二電阻器51(第一電阻器50以及第二電阻器51彼此連接並共同定義OA 44的傳輸效率，第一電阻器50的端子52連接至OA 44的輸出45，第二電阻器51的端子53是ECR 36的控制輸入54，第一電阻器50以及第二電阻器51的連接點連接至OA44的反相(「-」)輸入55；-控制電壓的第二驅動器56(下面進一步稱為第二控制電壓驅動器56)，第二控制電壓驅動器56的第一輸入57連接至整流器7的第一輸出58，第二控制電壓驅動器56的第一輸出59連接至整流器7的第二輸出60，第二控制電壓驅動器56的第二輸入61連接至低DC電壓來源28的正端子29，第二控制電壓驅動器56的第二輸出62連接至ECR 36的控制輸入，以及第二控制電壓驅動器56的第三輸出63連接至第一控制電壓驅動器17的第一端子24、至可控制方形脈衝產生器14的第二功率輸入64、至ECR 36的第二端子43、以及至高電壓DC電壓來源1的負端子32。
當此發生時，第二控制電壓驅動器56可包括第一電流設定電阻器65、第二電流設定電阻器66、第三電流設定電阻器67、電壓-穩定電流調節器68、光耦合器69以及電阻器70，第一電流設定電阻器65連接至第二電流設定電阻器66，第二電流設定電阻器66連接至第三電流設定電阻器67，第一電流設定電阻器65的第一端子連接至光耦合器69的第一輸入72，第一電流設定電阻器65以及第二電流設定電阻器66的連接點是第二控制電壓驅動器56的第一輸入57，第二電流設定電阻器66以及第三電流設定電阻器67的連接點連接至電壓-穩定電流調節器68的控制輸入73，電壓-穩定電流調節器68的第一端子74連接至光耦合器69的第二輸入75，第三電流設定電阻器67的第二端子76連接至電壓-穩定電流調節器68的第二端子77且是第二控制電壓驅動器56的第一輸出59。同時，光耦合器69的第一輸出78連接至電阻器70的第一端子79且是第二控制電壓驅動器56的第二輸出62，而電阻器70的第二端子80是第二控制電壓驅動器56的第二輸入61。
第2圖中所呈現的時間圖示出：2a)-高電壓DC電壓來源1的輸出電壓Uo；2b)-在可控制開關10的控制輸入16的脈衝Uctr；2c)-以ECR 36的最大電阻流經電感性負載2供應電路並在Uctr的脈衝結束之前到達最小值Io min的上升電流；2d)-以ECR 36的最大電阻在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓Umin；2e)-以ECR 36的最小電阻流經電感性負載2供應電路並在Uctr脈衝結束前達最大值Io max的上升電流； 2f)-以ECR 36的最小電阻在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓Umax。
在下面如在體現方法的第1圖的轉換器操作中所示範的來討論實施所提出方法的方式。
隨著將來自低DC電壓來源28的端子的DC電壓施加至可控制方形脈衝產生器14的功率輸入30以及64，後者開始產生方形脈衝(第2b)圖)，方形脈衝的脈衝比由從第一控制電壓驅動器17的輸出26至可控制方形脈衝產生器14的控制輸入27所施加的控制電壓值定義。
例如，藉由將由其端子20以及22連接的電位計19的滑件25分別移動至DC電壓來源18的正21以及負23端子，可實現在第一控制電壓驅動器17的輸出26改變控制電壓。以此方式，發生產生具有調節脈衝比的控制方形脈衝的接續性。
來自可控制方形脈衝產生器14的輸出15的方形脈衝抵達可控制開關10的控制輸入16(在MOS電晶體11的閘極)，導致打開可控制開關10。脈衝電流開始流經電路中的可控制開關10：高DC電壓來源1的正端子9(第2a)圖)-電感性負載2的第一端子8-電感性負載2的第二端子13-可控制開關10-限制電阻器33-ECR 36-ECR 36的第二端子43-高DC電壓來源1的負端子32。
以這樣的方式，控制脈衝的接續性將電感性負載2週期性地連接至高DC電壓來源1的端子，具有所產生流經電感性負載2的脈衝電流，並利用限制電阻器33限制同者。
隨此發生在電感性負載2中引起的自感電動勢防止電路中的電流立即改變。因此，電流在方形脈衝期間線性地上升(第2c)圖以及第2e)圖)，並 在方形脈衝結束之前到達Io的預設值(第2c)圖的Io min或第2e)圖的Io max)。在此，在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的值與Io的值成比例。然而，Io的值是由上述電路的所有元件的電阻所定義，即：Io=K1/(Rl+Rtr+Rlim+RECR) (1)，其中K1是比例係數，Rl-電感性負載2的有效電阻，Rtr-打開可控制開關10的電阻(打開MOS電晶體11的電阻)，Rlim-限制電阻器33的電阻，RECR-ECR 36的電阻。
由於小的值Rl<<Rlim以及Rtr<<Rlim，方程式(1)可簡化成Io=K1/(Rlim+RECR) (2)
因此，Io的值以及因此電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的值可藉由改變ECR 36的電阻來設定。
利用改變其第一58以及第二60輸出之間的整流器7的輸出電壓(例如，由於整流器7負載電阻的改變)來達到這樣的改變。此改變電壓被施加至第二控制電壓驅動器56的第一輸入57並經由第一電流設定電阻器65轉移至光耦合器69的第一輸入72。因此，改變電流經由光耦合器69流動，電流的值取決於在光耦合器69的第一輸入72的電壓以及第二電流設定電阻器66、第三電流設定電阻器67以及電壓-穩定電流調節器68的參數。因此，改變電壓也在光耦合器69的輸出78以及電阻器70的第一端子79出現，電阻器70的第二端子80經由第二控制電壓驅動器56的第二輸入61連接至低DC電壓來源28的正端子29。此改變電壓被施加至第二控制電壓驅動器56的第二輸出62。
隨著在第二控制電壓驅動器56的第二輸出62的電壓改變，經由第二電阻器51將控制電壓(從第二控制電壓驅動器56的第二輸出62到達至ECR 36的控制輸入54)施加至作為DC電壓放大器的OA44的反相(「-」)輸入55。因為，OA 44的操作模式是由在偏移電壓來源46的正輸出47的電壓所設定，該電壓被施加至OA 44的非反相(「+」)輸入48。因此，控制訊號(其值是由設定OA 44的傳輸比的第一50以及第二51電阻器的電阻相關性所定義)在OA 44的輸出45被產生、並引導至MOS電晶體39的閘極。當控制訊號是零時，MOS電晶體39被關閉、並對於額外電阻器40的電阻Radd沒有作用。因此，ECR 36電阻是最大的且總計為RECR=Radd (3)，而Io是最小的且等於Io min=K1/(Rlim+Radd) (4)
在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的最小值(第2d)圖)以及放射至環境的最小程度的脈衝電磁雜訊相對應於以RECR=Radd流經電感性負載2的最小電流Io min(第2c)圖)。
當第二控制電壓驅動器56的輸出電壓改變時(其可為，例如，當降低整流器7的輸出電壓的情況)，到達MOS電晶體39的閘極的控制訊號增加並打開了MOS電晶體39。電流開始流經MOS電晶體39，且MOS電晶體的通電阻(through resistance)開始減少並分流額外電阻器40的Radd。因此，所產生的ECR 36的電阻開始減少。在極端情況下，當到達MOS電晶體39的閘極的訊號大到MOS電晶體39完全打開時，其完全分流額外電阻器40，ECR 36的電阻接近零，且Io變成最大並等於 Io max=K1/Rlim (5)。
在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的最大值(第2f)圖)以及放射至環境的最大程度的脈衝電磁雜訊相對應於以RECR=0流經電感性負載2的最大電流Io max(第2e)圖)。
因此，在改變第二控制電壓驅動器56的輸出電壓時改變ECR 36的電阻使得在所提出的方法中在Io min至Io max的限制內改變在上面討論的電路中流動的電流為可能。以此方式，設定了在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的值。
在先前技術中，原型包括，改變脈衝比(例如利用第一控制電壓驅動器17以及可控制方形脈衝產生器14)。然而，隨著脈衝比改變，Io維持不變並等於Io max。因此，在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的值維持不變。
隨之發生的是，在脈衝存在期間，一部分的脈衝功率放射到環境中Prad=K2Io max 2 (6)，其中K2是第二比例係數。
放射一部分的脈衝功率至環境中引起干擾緊密鄰近的無線電的電子裝置之操作並負面影響它們效率的脈衝電磁雜訊。此外，電磁放射至環境導致人類環境中的惡化生態。
相反地，在所提出的技術解決方案中，建議利用ECR 36的控制電阻在Io min以及Io max之間的限制內改變Io。因此，最大值Prad=K2Io max 2的電磁雜訊只在電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓的標稱值處發生。隨著Io減少，脈衝電磁雜訊的功率如Io的方形掉落，且由於此，雜 訊在緊密鄰近的無線電的電子裝置之效率以及人類環境中的生態上的影響降低。
因此，當與體現先前技術方法的轉換器相比時，實施所提出方法的轉換器執行了相同的功能。藉由使得可能不僅改變控制方形脈衝的脈衝比，也改變電感性負載2的端子13以及ECR 36的端子43之間的高脈衝電壓值，其電路系統與先前技術轉換器中使用的不同，由此達到所聲稱的技術結果。
可以各種方式實現製造上述轉換器的功能性單元。
例如，控制方形脈衝產生器14可包括作為脈衝寬度調變器的微晶片(例如，德州儀器(TI)的UCC2813QDR-5Q1)或滿足脈衝-頻率調變器功能的微晶片(例如ON半導體的FAN-6300H)或在方形脈衝的接續性中提供脈衝定額改變的任何其他電路系統。
可如第1圖中所示或使用任何將控制動作轉換成控制電壓(包括回饋迴路)的其他方式來實現第一控制電壓驅動器17。
可如第1圖中所示或使用參考電壓以及操作放大器之傳統來源，或藉由使用任何將控制動作轉換成控制ECR之電壓之其他方式來實現第二控制電壓驅動器56。
TI的微晶片TL431或其類似物可用以作為第1圖中所示的電壓-穩定電流調節器。
可控制開關10的電晶體可為雙極性或MOS，或IGBT類型。開關本身可包括改進其性能的額外電路系統。
低電壓來源18、28以及46-在轉換器中作為整體以及在第一控制電壓驅動器17以及ECR 36中可被實現為設有相關電阻分壓器的低電壓來源。
ECR 36可如第1圖中被使用，或使用ABC of transistor circuitry by A.Petrov,RL,1994(http://zpostbox.ru/az0.htm,Ch.11,Synchronous rectifiers)中所揭露的電路系統，或使用使得可能將一部分電路的電阻從接近零改變成可與電阻R1im相當的值的任何其他電路系統。
轉換器的所有其他組件是熟知的並揭露於處理脈衝技術以及無線電的電子裝置的各種來源中。
在任何上述實施中，改變流經電感性負載的電流並因此改變輸出脈衝電壓變得可能，以由此減少放射至環境的脈衝電磁雜訊程度，並以此方式達到本方法的DC電壓至脈衝電壓轉換的技術結果。

Claims (1)

  1. 一種直流(DC)電壓至脈衝電壓轉換的方法，包括下述步驟：提供DC電壓；產生具有可調整脈衝比的控制方形脈衝的一接續性；使用控制方形脈衝的該接續性，將一電感性負載週期性地連接至此DC電壓的一來源的輸出；產生流經該電感性負載的脈衝電流；以及限制該脈衝電流，其中該限制該脈衝電流是利用包括在流經該電感性負載的該脈衝電流中的一電路中的一電子控制電阻器執行，以由此將該DC電壓轉換成該脈衝電壓，由此達成調整放射至環境的電磁雜訊程度。
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