TWI821842B - 輸出電壓補償方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種輸出電壓補償方法，適用於具有串聯的定電壓電路與定電流電路的直流電壓源，直流電壓源用以提供輸出電壓至待測元件，所述輸出電壓補償方法包含下列步驟。首先，依據待測元件的拉載電流與增益參數，產生電壓補償值。接著，依據電壓設定值與電壓補償值，產生虛擬電流設定值。接著，依據虛擬電流設定值與拉載電流的拉載電流測量值，產生工作週期指令。以及，依據工作週期指令產生符合電壓設定值的輸出電壓。其中增益參數關聯於定電壓電路的倍率參數。

Description

輸出電壓補償方法

本發明係關於一種輸出電壓補償方法，特別是關於一種用於直流電壓源的輸出電壓補償方法。

一般來說，如果直流電壓源要同時設置有定電壓電路和定電流電路，可以選擇由定電壓電路串聯定電流電路，或者選擇由定電流電路串聯定電壓電路。為了安全考量，在設計此種直流電壓源時，定電壓電路會串聯到定電流電路，並藉由此串聯設計提供輸出電壓。其原因在於，直流電壓源在不同模式切換之下，例如定電流模式轉換到定電壓模式時，容易造成電流突波使得輸出端的電流瞬間過大，除了可能導致待測元件的損壞，也會產生安全性的問題。據此，以定電流電路在輸出端控制電流，可以避免電流失控的情況。

然而，在定電壓電路串聯到定電流電路的架構下，於直流電壓源被待測元件拉載電流時，目前被發現直流電壓源的輸出電壓並不穩定。舉例來說，待測元件拉載電流的電流數值可能是造成直流電壓源輸出電壓不穩定的原因。據此，業界需要一種輸出電壓補償方法，所述輸出電壓補償方法要能夠操作在上述定電壓電路串聯到定電流電路的直流電壓源，以解決直流電壓源的輸出電壓不穩定的問題。

本發明提供了一種輸出電壓補償方法，可以依據測量到的待測元件拉載電流的數值，產生電壓補償值以補償輸出電壓，使得補償後的輸出電壓可以符合預設的電壓設定值。

本發明提出一種輸出電壓補償方法，適用於具有串聯的定電壓電路與定電流電路的直流電壓源，直流電壓源用以提供輸出電壓至待測元件，所述輸出電壓補償方法包含下列步驟。首先，依據待測元件的拉載電流與增益參數，產生電壓補償值。接著，依據電壓設定值與電壓補償值，產生虛擬電流設定值。接著，依據虛擬電流設定值與拉載電流的拉載電流測量值，產生工作週期指令。以及，依據工作週期指令產生符合電壓設定值的輸出電壓。其中增益參數關聯於定電壓電路的倍率參數。

於一些實施例中，增益參數更可以關聯於直流電壓源與待測元件之間的線路阻抗。在此，於依據電壓設定值與電壓補償值，產生虛擬電流設定值的步驟中，更可以包涵：比較修正電壓設定值與輸出電壓的輸出電壓測量值，以取得電壓誤差值。以及，由定電壓補償器轉換電壓誤差值，取得虛擬電流設定值，修正電壓設定值該電壓設定值與電壓補償值的總和。另外，於依據虛擬電流設定值與拉載電流的拉載電流測量值，產生工作週期指令的步驟中，更可以包含：比較虛擬電流設定值與拉載電流測量值，以取得電流誤差值；以及由定電流補償器轉換電流誤差值，取得工作週期指令。接著，將工作週期指令經脈衝寬度調變轉換，產生符該電壓設定值該輸出電壓。

綜上所述，本發明提出的輸出電壓補償方法可以依據測量到的待測元件拉載電流的數值，產生電壓補償值以補償輸出電壓，使得補償後的輸出電壓可以符合預設的電壓設定值。此外，所述輸出電壓補償方法還可以補償直流電壓源與待測元件之間的線路阻抗，使得應用本發明的直流電壓源可以讓待測元件收到補償後的穩定電壓。

下文將進一步揭露本發明之特徵、目的及功能。然而，以下所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明之範圍，即但凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化及修飾，仍將不失為本發明之要意所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故應將視為本發明的進一步實施態樣。

請一併參閱圖1與圖2，圖1係繪示依據本發明一實施例之直流電壓源的功能方塊圖，圖2係繪示依據本發明一實施例之輸出電壓補償方法的運算示意圖。如圖所示，本發明提出的輸出電壓補償方法可以應用於直流電壓源1，直流電壓源1具有串聯的定電壓電路10與定電流電路12。其中，定電流電路12做為直流電壓源1的輸出端，可以經由連接線路14電性連接到待測元件DUT。於一個例子中，待測元件DUT可以看成負載，可以消耗直流電壓源1輸出的電能。實務上，當待測元件DUT工作時，待測元件DUT會向直流電壓源1拉載，即抽取直流電壓源1提供的電流。一般來說，當待測元件DUT向直流電壓源1拉載時，直流電壓源1輸出的輸出電壓Vout可能會些許下降。本實施例的輸出電壓補償方法即是要補償直流電壓源1提供的輸出電壓Vout，以解決輸出電壓Vout下降的問題。

於一個例子中，直流電壓源1要提供給待測元件DUT一個預設輸出電壓，所述預設輸出電壓的數值本實施例稱為電壓設定值Vset。不過，因為直流電壓源1非理想元件，直流電壓源1輸出端測量到的輸出電壓Vout的數值可能不等於電壓設定值Vset。本實施例將輸出端測量到的輸出電壓Vout的數值稱為輸出電壓測量值Vmea，電壓設定值Vset通常會大於等於輸出電壓測量值Vmea。為了補償電壓設定值Vset不等於輸出電壓測量值Vmea的問題，本實施例係在電壓設定值Vset加上電壓補償值，使修正後的電壓設定值可以讓輸出端測量到的輸出電壓Vout的數值(即輸出電壓測量值Vmea)等於電壓設定值Vset。

本實施例提供一種計算修正後的電壓設定值的方式，如圖2所示的運算方式，假設電壓設定值Vset和輸出電壓測量值Vmea之間有一個電壓誤差值，所述電壓誤差值可以由饋入定電壓補償器20(定電壓電路)轉換成虛擬電流設定值。為了方便說明，本實施例係以頻域中的運算表示數學式(1)如下： (Vset(s)-Vmea(s))×CV=Iset’(s)                              (1)

於上述數學式(1)中，Vset(s)代表頻域中的電壓設定值Vset，Vmea(s) 代表頻域中的輸出電壓測量值Vmea，CV表示定電壓補償器20的轉換手段，定電壓補償器20對應前述的定電壓電路10。Iset’(s) 代表頻域中的虛擬電流設定值。在此，定電壓補償器20是一種用於定電壓電路10的轉換函式，例如是一種將電壓換算為電流的數位控制手段。有別於直接設定的電流設定值(Iset)，頻域中經由定電壓補償器20轉換來的電流設定值本實施例表示為虛擬電流設定值Iset’(s)。於一個例子中，所述電壓誤差值為數學式(1)的電壓設定值Vset(s)和輸出電壓測量值Vmea(s)的差值，前述提到的電壓補償值其中一個功能便是補償所述電壓誤差值。

隨後，本實施例將虛擬電流設定值與拉載電流測量值進行比較，以取得電流誤差值。再由定電流補償器22轉換電流誤差值，取得工作週期指令。頻域中的運算表示數學式(2)如下： (Iset’(s)-Imea(s))×CC=D                             (2)

於上述數學式(2)中，Imea(s)代表頻域中的拉載電流測量值Imea。在此，拉載電流測量值Imea關聯待測元件DUT正在的拉載電流，即經過測量拉載電流取得的數值。CC表示定電流補償器22的轉換手段，定電流補償器22對應前述的定電流電路12。在此，定電流補償器22同樣是一種用於定電流電路12的轉換函式，例如是一種將電流換算為脈衝寬度調變(PWM)中工作週期指令D的數位控制手段。接著，工作週期指令D可以經脈衝寬度調變轉換成具有輸出電壓測量值Vmea(s)的輸出電壓Vout，表示數學式(3)如下： D×F= Vmea(s)                            (3)

其中F為脈衝寬度調變轉換器具有的預設輸入電壓參數，工作週期指令D饋入脈衝寬度調變轉換器24之後，可以產生輸出電壓測量值Vmea(s)。為了確定如何補償電壓誤差值，本實施例將數學式(1)和數學式(2)代入數學式(3)，表示數學式(4)如下： (((Vset(s)-Vmea(s))×CV)-Imea(s))×CC×F= Vmea(s)       (4)

由數學式(4)整理出輸出電壓測量值Vmea(s)的表示式，可得數學式(5)： Vmea(s)=((Vset(s) ×CV)- Imea(s)) ×CC×F / (1+CV×CC×F)               (5)

依據終值定理當時域t為無限大時頻域s為零，以及一般情況下(CV×CC×F)遠大於1，從而可得數學式(6)以及數學式(7)如下： Vmea(s)=((Vset(s) ×CV)- Imea(s)) / CV               (6) Vmea(s)=Vset(s) - Imea(s)/CV            (7)

由於CV可以表示數學式(8)，當s為零時，CV可以表示為一個倍率參數K代入數學式(7)可得數學式(9)： CV=K(s/ωz+1)/ (s/ωp+1)                   (8) Vmea=Vset - Imea/K              (9)

實務上，於定電壓補償器20的轉換手段中，倍率參數K為已知。本實施例將倍率參數K倒數轉換為增益參數G可以表示為數學式(10)： Vmea=Vset - Imea× G         (10)

本實施例經過上述計算，由數學式(10)可以判斷出電壓設定值Vset和輸出電壓測量值Vmea的差值就是Imea×G。也就是說，假設本實施例補償Imea× G至電壓設定值Vset，讓新的電壓設定值Vset’等於Imea× G和電壓設定值Vset的總和，表示將數學式(10)中的電壓設定值Vset以數學式(11)中電壓設定值Vset’代入。那麼當直流電壓源1設定為電壓設定值Vset’時，輸出電壓測量值Vmea應當會和電壓設定值Vset相符。在此，新的電壓設定值Vset’可以表示為數學式(11)，代入數學式(10)之後輸出電壓測量值Vmea可以表示為數學式(12)： Vset’=Vset + Imea× G         (11) Vmea=(Vset + Imea× G) - Imea× G=Vset             (12)

基於上述，本實施例可推導出電壓補償值關聯於待測元件DUT的拉載電流(拉載電流測量值Imea)與增益參數G。增益參數G的單位是歐姆(V/A)，由於倍率參數K為已知，倍率參數K倒數的增益參數G也應當為已知。本實施例示範了依據不同的拉載電流測量值Imea與已知的增益參數G，補償電壓設定值Vset的方法，而補償後的電壓設定值Vset’可以讓直流電壓源1的輸出電壓符合電壓設定值Vset。然而由於圖1中，連接線路14實際上為非理想元件，從而經過連接線路14之後，待測元件DUT接收到的輸出電壓Vout還可能另外產生誤差。為了解決上述問題，本實施例在此示範還可以藉由進一步調整增益參數G，來校正待測元件DUT接收到的輸出電壓Vout。

以實際的例子來說，連接線路14的線路阻抗可以預先被量測出來，假設為40mΩ。另外假設定電壓補償器20的倍率參數K為80，則增益參數G為倍率參數K的倒數(1/80)，即12.5 mΩ。如果依據數學式(11)，將增益參數G用12.5m代入，則意味著補償後的電壓設定值Vset’可以讓直流電壓源1的輸出電壓Vout符合電壓設定值Vset。然而，如果將增益參數G用52.5m (12.5m+40m)代入，則意味著補償後的電壓設定值Vset’可以讓待測元件DUT接收到的輸出電壓Vout符合電壓設定值Vset。藉此，本實施例實現了一種可以任意設定補償位置的輸出電壓補償方法，如果只要補償在直流電壓源1的輸出端，則不需要考慮連接線路14的線路阻抗。又如果要補償在待測元件DUT的接收端，則再將連接線路14的線路阻抗一起補償進增益參數G即可。

為了再次說明本發明的輸出電壓補償方法，請一併參閱圖1至圖3，圖3係繪示依據本發明一實施例之輸出電壓補償方法的步驟流程圖。如圖所示，於步驟S30中，依據待測元件DUT的拉載電流與增益參數G，產生電壓補償值，所述電壓補償值即為數學式(11)中的(Imea× G)。於步驟S32中，依據電壓設定值Vset與電壓補償值(Imea× G)，產生虛擬電流設定值。如數學式(11)，補償後的電壓設定值Vset’為電壓設定值Vset與電壓補償值(Imea× G)的總和，此時再將補償後的電壓設定值Vset’轉換頻域並代入數學式(1)，計算出對應的虛擬電流設定值Iset’(s)。於步驟S34中，依據虛擬電流設定值Iset’(s)與拉載電流的拉載電流測量值Imea，產生工作週期指令D。接著，於步驟S36中，依據工作週期指令D產生符合電壓設定值Vset的輸出電壓Vout。由上述可知，因為虛擬電流設定值Iset’(s)已經對應補償後的電壓設定值Vset’，從而工作週期指令D以及經脈衝寬度調變(PWM)轉換的輸出電壓Vout，都應當已經消除電壓誤差值，使得輸出電壓Vout會符合電壓設定值Vset。

綜上所述，本發明提供的輸出電壓補償方法可以依據測量到的待測元件拉載電流的數值，產生電壓補償值以補償輸出電壓，使得補償後的輸出電壓可以符合預設的電壓設定值。此外，所述輸出電壓補償方法還可以補償直流電壓源與待測元件之間的線路阻抗，使得應用本發明的直流電壓源可以讓待測元件收到補償後的穩定電壓。

1                        直流電壓源 10                     定電壓電路 12                     定電流電路 14                     連接線路 20                     定電壓補償器 22                     定電流補償器 24                     脈衝寬度調變器 DUT                 待測元件 S30~S36           步驟流程

圖1係繪示依據本發明一實施例之直流電壓源的功能方塊圖。

圖2係繪示依據本發明一實施例之輸出電壓補償方法的運算示意圖。

圖3係繪示依據本發明一實施例之輸出電壓補償方法的步驟流程圖。

S30~S36           步驟流程

Claims (5)

1. 一種輸出電壓補償方法，適用於至少串聯的一定電壓電路與一定電流電路的一直流電壓源，該直流電壓源用以提供一輸出電壓至一待測元件，所述輸出電壓補償方法包含：依據該待測元件的一拉載電流與一增益參數，產生一電壓補償值；依據一電壓設定值與該電壓補償值，產生一虛擬電流設定值；依據該虛擬電流設定值與該拉載電流的一拉載電流測量值，產生一工作週期指令；以及依據該工作週期指令產生符合該電壓設定值的該輸出電壓；其中該增益參數關聯於該定電壓電路的一倍率參數。
2. 如請求項1所述之輸出電壓補償方法，其中該增益參數更關聯於該直流電壓源與該待測元件之間的一線路阻抗。
3. 如請求項1所述之輸出電壓補償方法，其中於依據該電壓設定值與該電壓補償值，產生該虛擬電流設定值的步驟中，更包含：比較一修正電壓設定值與該輸出電壓的一輸出電壓測量值，以取得一電壓誤差值；以及由一定電壓補償器轉換該電壓誤差值，取得該虛擬電流設定值；其中該修正電壓設定值為該電壓設定值與該電壓補償值的總和。
4. 如請求項1所述之輸出電壓補償方法，其中於依據該虛擬電流設定值與該拉載電流的該拉載電流測量值，產生該工作週期指令的步驟中，更包含： 比較該虛擬電流設定值與該拉載電流測量值，以取得一電流誤差值；以及由一定電流補償器轉換該電流誤差值，取得該工作週期指令。
5. 如請求項1所述之輸出電壓補償方法，更包含將該工作週期指令經脈衝寬度調變轉換，產生符合該電壓設定值的該輸出電壓。