TWI827425B - 電子負載裝置及其阻尼匹配電路 - Google Patents

Abstract

一種電子負載裝置及其阻尼匹配電路中，阻尼匹配電路包含取樣單元及增益控制單元。取樣單元串接在電子負載裝置內的控制電路與功率元件之間，以取得取樣單元兩端之間的電壓狀態。增益控制單元耦接取樣單元，以基於該電壓狀態，產生回授控制訊號至控制電路的控制級。回授控制訊號可使控制電路調控其輸出的功率元件控制訊號，以令取樣單元兩端間的電壓趨近於相同。藉此，可提升電子負載裝置的穩定性與節省電路占用面積，並提高了電子負載裝置之輸入阻抗規格的正確性。

Description

電子負載裝置及其阻尼匹配電路

本揭露係關於一種用於測試電源裝置的電子負載裝置，更特別的是關於一種使用阻尼匹配電路的電子負載裝置。

電子負載裝置可模擬出耗能狀態的設備，以用於對電源裝置進行測試，電源裝置例如充電裝置等可用來提供電源的裝置或儲電設備。

在電源裝置的測試領域裡，電子負載裝置可提供各樣的負載模式以進行測試模式，例如：定電流模式、定電壓模式、定功率模式及定電阻模式等負載模式。電子負載裝置主要是控制內部功率元件的導通量，藉由功率元件去耗散功率進而消耗電能，達到用電環境的模擬。

隨著電源測試之準確度的要求越來越高，電子負載裝置在測試過程中會導致整體測試系統的一些不穩定因素，必須被有效排除。

在本揭露的一些實施例中所使用的阻尼匹配電路，解決了電源裝置連接電子負載裝置之初期，所會引發之測試結果的不穩定現象。

在本揭露的一些實施例中所使用的阻尼匹配電路，提高了電子負載裝置之輸入阻抗規格的正確性。

在本揭露的一些實施例中所使用的阻尼匹配電路，節省了電子負載裝置在電路上的配置空間，進而有助於提升散熱效率與空間利用率。

根據一些實施例，在本揭露的電子負載裝置的阻尼匹配電路中，該電子負載裝置包含一控制電路、一功率元件及一感測電路，該電子負載裝置用於供待測的一電源裝置藉由上迴路及下迴路耦接該電子負載裝置，該阻尼匹配電路包括：一取樣單元及一增益控制單元。該取樣單元係串接在該控制電路與該功率元件之間以取得兩端之間的一電壓狀態。該增益控制單元係耦接該取樣單元以基於該電壓狀態，產生一回授控制訊號至該控制電路的一控制級，其中，該回授控制訊號係用於使該控制電路調控其輸出的一功率元件控制訊號，以令該取樣單元之該兩端間的電壓係趨近於相同。

根據一些實施例，在本揭露的電子負載裝置中，係用於藉由上迴路及下迴路耦接至待測的一電源裝置，該電子負載裝置包含：一功率元件、一感測電路、一控制電路、及一阻尼匹配電路。該功率元件係具有一閘極端、一汲極端及一源極端，該汲極端係耦接該上迴路。該感測電路係耦接在該功率元件的該源極端與該下迴路之間，並用於產生一反饋訊號。該控制電路係用於藉由一控制級接收一負載控制訊號及該反饋訊號，以及用於藉由一輸出級產生一功率元件控制訊號以提供至該功率元件的該閘極端。該阻尼匹配電路係用於基於該控制電路之該輸出級與該功率元件之該閘極端間之路徑上的一電壓狀態，產生一回授控制訊號至該控制級。其中，該控制電路係用於基於該負載控制訊號、該回授控制訊號及該反饋訊號產生該功率元件控制訊號，該回授控 制訊號係用於令該功率元件控制訊號促使該功率元件之該汲極端與該閘極端間的電流趨近於無電流流過。

根據一些實施例，該取樣單元可用於感測該控制電路之該輸出級與該功率元件之該閘極端之間的電流並轉換為電壓變化，以產生該電壓狀態。

根據一些實施例，該增益控制單元可具有一第一電壓輸入端、一第二電壓輸入端及耦接該控制電路之該控制級的一回授輸出端，該第一電壓輸入端係耦接該功率元件之該閘極端與該取樣單元之間的路徑以用於取得該取樣單元之第一端的一第一電壓，該第二電壓輸入端係耦接該控制電路之該輸出級與該取樣單元之間的路徑以用於取得該取樣單元之第二端的一第二電壓，該增益控制單元基於該第一電壓與該第二電壓之間的電壓差異產生該回授控制訊號。

據此，根據一些實施例的電子負載裝置及其阻尼匹配電路，可提升電子負載裝置的穩定性與節省電路占用面積，並提高了電子負載裝置之輸入阻抗規格的正確性。

100:電子負載裝置

110:功率元件

111:閘極端

112:汲極端

113:源極端

120:感測電路

130:控制電路

131:控制級

132:輸出級

140:RC電路

141:電阻

142:電容

150:阻尼匹配電路

151:取樣單元

1511:第一端

1512:第二端

152:增益控制單元

1521:第一電壓輸入端

1522:第二電壓輸入端

1523:回授輸出端

200:電源供應裝置

D1:反饋訊號

D2:回授控制訊號

I1:負載電流

I2:電流

L1:上迴路

L2:下迴路

V1:第一電壓

V2:第二電壓

S1:負載控制訊號

S2:功率元件控制訊號

[圖1]為電子負載裝置在使用時的電路方塊示意圖。

[圖2]為具有RC電路之電子負載裝置的電路方塊示意圖。

[圖3]為根據一些實施例之具有阻尼匹配電路之電子負載裝置的電路方塊示意圖。

[圖4]為根據一些實施例之阻尼匹配電路的電路方塊示意圖。

[圖5]為具有RC電路之電子負載裝置之時間與電流偵測訊號的波形圖。

[圖6]為具有阻尼匹配電路之電子負載裝置之時間與電流偵測訊號的波形圖。

為充分瞭解本文揭露內容之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本文揭露內容做一詳細說明，說明如後： 在本文中，所描述之用語「一」或「一個」來描述要件或特徵。此舉只是為了方便說明，並且對本文之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。

在本文中，所描述之用語「一」或「一個」來描述要件或特徵。此舉只是為了方便說明，並且對本文之範疇提供一般性的意義。因此，除非很明顯地另指他意，否則此種描述應理解為包括一個或至少一個，且單數也同時包括複數。

於本文中，所描述之「第一」或「第二」等類似序數之用語，係用以區分或指關聯於相同或類似的要件或特徵，且不必然隱含此等要件或特徵在空間上的順序。應了解的是，在某些情況或配置下，序數用語係可交換使用而不影響本文揭露的或相關聯的實施例。

在本文中，所描述之「耦接」用語可指二或多個要件或特徵相互直接地作實體接觸，或是相互間接地作實體接觸，亦可指二或多個要件或特徵相互操作或動作，亦可指電性上(電或電信號)之間的直接或者間接的連接。

在本文中，「大約」、「約」、「趨近於」、「實質上」或「基本上」的用語通常應指「給定值的任何近似值」或「給定範圍的任何近似值」。其中，這些近似值會根據所關聯的領域而變化，並且其變化範圍應與本技術領域中具通常知識者所理解的最廣泛的解釋相一致，以涵蓋類似的實施和基於這樣變化下的所有修改。在一些實施例中，通常應指「給定值」或「給定範圍」的百分之二十以內，進一步為百分之十以內，更進一步為百分之五以內。本文給出的數值量是近似的，表示如果未明確說明則可以推斷出這些數量值屬於「大約」、「約」、「趨近於」、「實質上」或「基本上」的範疇，或者意味著包括其他近似值。

請同時參照圖1及圖2，圖1為電子負載裝置在使用時的電路方塊示意圖，圖2為具有RC電路之電子負載裝置的電路方塊示意圖。

當待測的電源供應裝置200配置到電子負載裝置100的測試位置後，電源供應裝置200藉由上迴路L1及下迴路L2與電子負載裝置100相耦接，以供電子負載裝置100對電源供應裝置200進行各種模式的測試，例如：定電流模式、定電壓模式、定功率模式及定電阻模式等。

電子負載裝置100包含：功率元件110、感測電路120及控制電路130。功率元件110具有閘極端111、汲極端112及源極端113。汲極端112耦接上迴路L1。源極端113耦接感測電路120。閘極端111耦接控制電路130，以接收 來自控制電路130的功率元件控制訊號S2。感測電路120耦接在功率元件110的源極端113與下迴路L2之間。

控制電路130具有控制級131及輸出級132。控制級131接收基於操作者控制下的負載控制訊號S1以令電子負載裝置100對待測的電源供應裝置200執行對應的測試模式。控制級131同時基於來自感測電路120所反饋的反饋訊號D1，以在輸出級132輸出經調整後的功率元件控制訊號S2至功率元件110的閘極端111，進而對應地控制功率元件110，調整流經功率元件110的負載電流I1。舉例來說，控制電路130的控制級131具有運算放大器或多級放大電路，以於輸入端接收負載控制訊號S1及反饋的反饋訊號D1，控制電路130的輸出級132可具有提升驅動力的驅動電路以驅動後端的功率元件110。

功率元件可以是雙極性電晶體(BJT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT)及相類似之功率元件。感測電路120例如是配置在功率元件110與下迴路L2之間的電阻，藉由電阻兩端的電壓差，形成反饋訊號D1。感測電路120用於在測試過程中對負載電流I1進行採樣，以評估待測電源供應裝置200輸出電壓的穩定性。

在電子負載裝置100這樣的配置下，當待測的電源供應裝置200一啟動而供電時，基於上迴路L1之線路電感、控制電路130與功率元件110之間的線路阻抗、以及功率元件110之汲極端112與閘極端111間之雜散電容所引起的容抗，共同在一個暫態時段內形成一種RLC電路架構，導致供電初期(此暫態時段內)容易在功率元件110之汲極端112與閘極端111至控制電路130之間的路徑上形成不期望的電流I2，造成共振而使系統不穩定。

在圖2的配置中，係在上迴路L1與下迴路L2之間設置的RC電路140。藉由電阻141及電容142所發揮的電源濾波功能，即可在電源供應裝置200一啟動而供電的瞬間，降低瞬間電壓的變動程度，進而使得提供至功率元件110的電壓可在一段時間區間內形成緩慢上升的波形分布(可進一步同時參照圖5)。因此RC電路140改善電源供應裝置200供電初期會使負載電流I1產生大幅波動的情況。然而，RC電路140對電子負載裝置100所額外帶來的等效阻抗，也導致電子負載裝置100的輸入阻抗規格必須被犧牲，無法達到理想的輸入阻抗(高阻值且低容抗)。此外，串並聯架構的RC電路140也犧牲了部分的電路安排空間來配置這些電子元件。

接著請同時參照圖3及圖4，圖3為根據一些實施例之具有阻尼匹配電路之電子負載裝置的電路方塊示意圖，圖4為根據一些實施例之阻尼匹配電路的電路方塊示意圖。

在電子負載裝置100中，配置有阻尼匹配電路150。阻尼匹配電路150可基於控制電路130之輸出級132與功率元件110之閘極端111間之路徑上的電壓狀態，產生回授控制訊號D2至控制電路130的控制級131。控制電路130即可基於負載控制訊號S1、回授控制訊號D2及反饋訊號D1調控該功率元件控制訊號S2。

當功率元件110之汲極端112與閘極端111至控制電路130之間的路徑上形成有不期望的電流I2時，會對應地在阻尼匹配電路150上呈現出電壓差；因此，若將此壓電壓差抵消，使負載系統沒有了共振條件，那麼不期望的電流I2就無從產生，進而達到系統穩定。

阻尼匹配電路150的電路功用在於反饋給控制電路130關於控制電路130之控制級131這一側的電壓與功率元件110之閘極端111這一側的電壓的電壓分布情況，那麼控制電路130就會據此調控輸出的功率元件控制訊號S2。具體而言，在RLC電路架構即將形成時，控制電路130之控制級131這一側的電壓與功率元件110之閘極端111這一側的電壓之間會具有電壓差，此時阻尼匹配電路150反饋此一情況給控制電路130，控制電路130進行調控以消弭這個電壓差。

進一步而言，控制電路130之控制級131這一側的電壓大於、等於(趨近於)或小於功率元件110之閘極端111這一側的電壓時，阻尼匹配電路150輸出的回授控制訊號D2均會帶有對應的資訊(例如：採用運算放大器作為實施時，在輸出端所產生之對應的電壓值)，控制電路130即能基於此資訊進行功率元件控制訊號S2的調控，如提高一點電壓或降低一點電壓，進而消弭控制電路130之控制級131這一側的電壓與功率元件110之閘極端111這一側的電壓之間的電壓差。兩側電壓趨近於相等，沒有電流可被形成在功率元件110之汲極端112與閘極端111至控制電路130之間的此一路徑上，亦即，暫態時段內可能會形成的RLC電路架構已被破壞，阻止不期望之電流I2(請同時參照圖1)的生成。

阻尼匹配電路150包括：取樣單元151及增益控制單元152。取樣單元151被串接在控制電路130與功率元件110之間，用以取得取樣單元151之兩端間的電壓狀態。增益控制單元152耦接取樣單元151以基於該電壓狀態，產生回授控制訊號D2至控制電路130的控制級131。

取樣單元151可為可用來感測控制電路130與功率元件110之間之傳輸路徑上的電流，並將其轉換為電壓變化以產生前述之電壓狀態的各種電路，舉例來說，取樣單元151可為電阻、電流互感器或霍爾元件。

增益控制單元152具有第一電壓輸入端1521、第二電壓輸入端1522及耦接控制電路130之控制級131的回授輸出端1523。第一電壓輸入端1521耦接在功率元件110與取樣單元151之間的傳輸路徑上，以用於取得取樣單元151之第一端1511的第一電壓V1。第二電壓輸入端1522耦接在控制電路130與取樣單元151之間的傳輸路徑上，以用於取得取樣單元151之第二端1512的第二電壓V2。

增益控制單元152基於第一電壓V1與第二電壓V2之間的電壓差異程度，產生回授控制訊號D2。增益控制單元152舉例來說可為一種運算放大器，以讓第一電壓V1與第二電壓V2個別輸入不同的輸入端，供運算放大器基於當下的電壓差異產生對應的回授控制訊號D2。

接著請同時參照圖5及圖6，圖5為具有RC電路之電子負載裝置之時間與電流偵測訊號的波形圖，圖6為具有阻尼匹配電路之電子負載裝置之時間與電流偵測訊號的波形圖。

由圖5可了解到透過RC電路可在待測的電源裝置供電初期的暫態情形下，隨著外部線感的不同(10μH~100μH)，均能提供波形平滑的負載電流的變化。

由圖6可了解到透過阻尼匹配電路，可在待測的電源裝置供電初期的暫態情形下，隨著外部線感的不同(10μH~100μH)，同樣能提 供波形平滑的負載電流的變化，且透過阻尼匹配電路，相較於RC電路，還能提供更優異的匹配效果(overshoot程度能夠達到更低)。

綜上所述，實施例中提供的阻尼匹配電路及使用此阻尼匹配電路的電子負載裝置，除了能提升電子負載裝置在執行測試時的穩定性外，更能省去RC電路的使用。此外，基於阻尼匹配電路是配置在控制電路與功率元件之間，無需使用大阻值的電子元件，更節省了電路占用面積，有助於提升散熱效率與空間利用率。以及，匹配效果更比RC電路來得優異，更是提高了電子負載裝置之輸入阻抗規格的正確性。

本文在上述揭露內容中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本文的揭露內容，而不應解讀為範圍的限制。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本文揭露內容之範疇內。因此，本文揭露內容之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

100:電子負載裝置

110:功率元件

111:閘極端

112:汲極端

113:源極端

120:感測電路

130:控制電路

131:控制級

132:輸出級

150:阻尼匹配電路

151:取樣單元

152:增益控制單元

200:電源供應裝置

D1:反饋訊號

D2:回授控制訊號

I1:負載電流

I2:電流

L1:上迴路

L2:下迴路

S1:負載控制訊號

S2:功率元件控制訊號

Claims (11)

1. 一種電子負載裝置的阻尼匹配電路，該電子負載裝置包含一控制電路、一功率元件及一感測電路，該電子負載裝置用於供待測的一電源裝置藉由上迴路及下迴路耦接該電子負載裝置，該阻尼匹配電路包括：一取樣單元，係串接在該控制電路與該功率元件之間以取得兩端之間的一電壓狀態；及一增益控制單元，係耦接該取樣單元以基於該電壓狀態，產生一回授控制訊號至該控制電路的一控制級，其中，該回授控制訊號係用於使該控制電路調控其輸出的一功率元件控制訊號，以令該取樣單元之該兩端間的電壓係趨近於相同。
2. 如請求項1所述之阻尼匹配電路，其中該取樣單元係用於感測該控制電路與該功率元件之間的電流並轉換為電壓變化，以產生該電壓狀態。
3. 如請求項2所述之阻尼匹配電路，其中該取樣單元係為一電阻、一電流互感器或一霍爾元件。
4. 如請求項1所述之阻尼匹配電路，其中該增益控制單元係具有一第一電壓輸入端、一第二電壓輸入端及耦接該控制電路之該控制級的一回授輸出端，該第一電壓輸入端係耦接該功率元件與該取樣單元之間的路徑以用於取得該取樣單元之第一端的一第一電壓，該第二電壓輸入端係耦接該控制電路與該取樣單元之間的路徑以用於取得該取樣單元之第二端的一第二電壓，該 增益控制單元基於該第一電壓與該第二電壓之間的電壓差異產生該回授控制訊號。
5. 如請求項4所述之阻尼匹配電路，其中該增益控制單元係為一運算放大器。
6. 一種電子負載裝置，用於藉由上迴路及下迴路耦接至待測的一電源裝置，該電子負載裝置包含：一功率元件，係具有一閘極端、一汲極端及一源極端，該汲極端係耦接該上迴路；一感測電路，係耦接在該功率元件的該源極端與該下迴路之間，並用於產生一反饋訊號；一控制電路，係用於藉由一控制級接收一負載控制訊號及該反饋訊號，以及用於藉由一輸出級產生一功率元件控制訊號以提供至該功率元件的該閘極端；及一阻尼匹配電路，係用於基於該控制電路之該輸出級與該功率元件之該閘極端間之路徑上的一電壓狀態，產生一回授控制訊號至該控制級，其中，該控制電路係用於基於該負載控制訊號、該回授控制訊號及該反饋訊號產生該功率元件控制訊號，該回授控制訊號係用於令該功率元件控制訊號促使該功率元件之該汲極端與該閘極端間的電流趨近於無電流流過。
7. 如請求項6所述之電子負載裝置，其中該阻尼匹配電路包括：一取樣單元及一增益控制單元，該取樣單元係串接在該控制電 路與該功率元件之間以取得該取樣單元兩端之間的該電壓狀態，該增益控制單元係耦接該取樣單元以基於該電壓狀態產生該回授控制訊號，其中，該回授控制訊號係用於使該功率元件控制訊號令該取樣單元之該兩端間的電壓係趨近於相同。
8. 如請求項7所述之電子負載裝置，其中該取樣單元係用於感測該控制電路之該輸出級與該功率元件之該閘極端之間的電流並轉換為電壓變化，以產生該電壓狀態。
9. 如請求項7所述之電子負載裝置，其中該取樣單元係為一電阻、一電流互感器或一霍爾元件。
10. 如請求項7所述之電子負載裝置，其中該增益控制單元係具有一第一電壓輸入端、一第二電壓輸入端及耦接該控制電路之該控制級的一回授輸出端，該第一電壓輸入端係耦接該功率元件之該閘極端與該取樣單元之間的路徑以用於取得該取樣單元之第一端的一第一電壓，該第二電壓輸入端係耦接該控制電路之該輸出級與該取樣單元之間的路徑以用於取得該取樣單元之第二端的一第二電壓，該增益控制單元基於該第一電壓與該第二電壓之間的電壓差異產生該回授控制訊號。
11. 如請求項10所述之電子負載裝置，其中該增益控制單元係為一運算放大器。