專利名稱：整流性被動式負載仿真裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種整流性被動式負載仿真裝置及方法，特別是關于一種 利用主動式電子負載仿真整流性被動式負載的裝置及方法。
背景技術：
交流電源產(chǎn)品(AC Source),例如不斷電系統(tǒng)(UPS)等所有能產(chǎn)生交流電 的供電設備，在日常生活中被廣泛使用，其應用范圍涵蓋一般信息、通訊、 消費性電子、運輸設備、工業(yè)設備及軍事領域，其功能為驅(qū)動各個電路單元 及維持電壓位準，是為維持系統(tǒng)正常運作的重要因素。因此，電源裝置設計 的主要考慮因素，除了降低成本之外，首重高可靠度。
一般交流電源產(chǎn)品的負載大多是事務設備，要不然就是空載。這些事務 設備的負載特性都是整流性被動式(RLC)負載。因此，交流電源產(chǎn)品的設 計者通常利用整流性被動式負載來測試其性能，所以設計者經(jīng)常需要在設計 階段就要考慮整流性被動式負載的使用情況，設計其系統(tǒng)控制線路以達到穩(wěn) 定動作。
一般的整流性交流負載形式可以利用電阻器(Resister)、電感器 (Inductance)、電容器(Capacitance)、 二極管(Diode)等被動組件所組成網(wǎng)絡來仿 真，因此負責設計交流輸出產(chǎn)品的廠商往往直接使用這些組件來組成負載電 路(如圖1A)，如此使用的缺點是當需求功率較大時，體積將會相當可觀，而 且當需要調(diào)整阻值、容值或感量時也會非常不方便。
請參照圖1A，是為利用整流性被動式負載(Rectified Constant Impedance Load， RECTCZLOAD)來測試交流電源產(chǎn)品的性能時的電路結(jié)構。整流性被 動式負載100包括一橋式整流器102、 一串聯(lián)電阻Rs、 一串聯(lián)電感Ls、 一負載電容C及一負載電阻RL。橋式整流器102通常為四個二極管所組成，用以 將一交流電源產(chǎn)品200所輸入的電壓調(diào)整為全波整流形式。負載電容C與負 載電阻RL并聯(lián)后再與串聯(lián)電阻Rs、串聯(lián)電感Ls及橋式整流器102串接而形 成一整流性被動式負載的負載網(wǎng)絡，用以測試交流電源產(chǎn)品200，當交流電源 產(chǎn)品200接上該負載網(wǎng)絡，然后輸出電壓后即可觀察其輸出的負載電流，并 可觀察負載網(wǎng)絡所造成的電壓變化。
請參照圖1B，是為利用圖1A所示整流性被動式負載IOO進行實測的電 壓/電流變化曲線。其顯示出整流性被動式負載的拉載特性，由于待測物輸出 阻抗特性(一般都是電感性輸出阻抗)的關系，將會在拉載較高CF(例如CF-2.5 or3…)的電流時導致待測物的輸出電壓變形，此時若電流波形愈陡峭(CF愈 大)，電壓變形的幅度就會愈大。
由上述可知，整流性被動式負載的設備需要電阻、電容、電感、橋式整 流器等零件組合而成，且每一種零件還需要許多不同的組件配合，尤其作為
主要消耗功率的零件串聯(lián)電阻Rs、負載電阻Rl的體積大，實際使用也很麻煩， 因而產(chǎn)生了利用電子負載裝置來達到同樣目的的設計。
然而， 一般市面上的交流式電子負載僅提供定電流、定功率的功能。該 等功能是由控制器設定且不考慮待測物電壓變化，而是直接規(guī)劃出所欲拉載 的電流波形就進行拉載。由于拉載信號并沒有參考待測物電壓，因此無法針 對待測物的輸出電壓變化做實時的反應，所以并無法真正的去仿真實際的負 載特性，本發(fā)明即為了改善此問題而來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有整流性被動式負載仿真裝置的設計，其 具有較小的體積，在使用上更省時方便，并可正確地仿真實際由被動組件所 組成的負載電路的特性，以實時反應待測物的輸出電壓。
本發(fā)明的整流性被動式負載的仿真裝置，是用以測試一電源產(chǎn)品的性能。
5該裝置包括 一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，電性連接至該電源產(chǎn)品以轉(zhuǎn)換該電源產(chǎn)品 的一輸出電壓為一數(shù)字電壓值； 一數(shù)字信號處理器，電性連接至該模擬數(shù)字 轉(zhuǎn)換器，接收該數(shù)字電壓值并代入一被動式負載模型函數(shù)以計算出一負載電 流值； 一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，電性連接至該數(shù)字信號處理器，以轉(zhuǎn)換該負載電 流值為一模擬控制信號；及一主動式電子負載模塊， 一端電性連接至該數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器以接受該模擬控制信號，另一端電性連接至該電源產(chǎn)品以接受一 整流電壓，根據(jù)該模擬控制信號及該整流電壓產(chǎn)生一負載電流。
該電源產(chǎn)品可為一交流電源產(chǎn)品。該被動式負載模型函數(shù)包含一電阻值、 一電容值或一 電感量及一 電壓值及一 電流值的數(shù)值關系。
在一較佳實施方式中，該裝置具有一電壓/電流量測電路，其連接于該模 擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和該電源產(chǎn)品之間，以量測該輸出電壓。該整流電壓是為一橋 式整流器的輸出電壓。該橋式整流器電性連接于該電源產(chǎn)品和該主動式電子 負載模塊之間以產(chǎn)生該整流電壓。該主動式電子負載模塊主要為NPN形式的 BJT所組成的共集極電流放大器。
本發(fā)明的整流性被動式負載的仿真方法包括(Sl)將一整流性被動式 負載中的復數(shù)個被動組件以一數(shù)字控制模塊及一主動式電子負載模塊取代； (S2)建立一被動式負載模型函數(shù)以表示該復數(shù)個被動組件的作動關系；(S3) 以該數(shù)字控制模塊轉(zhuǎn)換該電源產(chǎn)品的輸出電壓為一數(shù)字電壓值；(S4)利用該數(shù) 字控制模塊來執(zhí)行已代入該數(shù)字電壓值的該被動式負載模型函數(shù)的運算，以 獲得一負載電流值，透過數(shù)字控制模塊將該負載電流值轉(zhuǎn)換為模擬控制信號； 以及(S5)根據(jù)該模擬控制信號來控制該主動式電子負載模塊，以對該電源產(chǎn)品 進行一拉載動作。


圖1A是為整流性被動式負載的電路結(jié)構；
圖1B是為利用圖1A所示整流性被動式負載進行實測的電壓變化曲線；圖2是為本發(fā)明的整流性被動式負載仿真裝置方塊圖； 圖3是為利用本發(fā)明的整流性被動式負載仿真裝置的仿真方法仿真圖1A 的該電路單元的電壓電流波形圖；及
圖4是為整流性被動式負載仿真方法流程圖。
附圖標號
100整流性被動式負載
102橋式整流器
200交流電源產(chǎn)品
300整流性被動式負載仿真裝置
302電壓/電流量測電路
304模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
306數(shù)字信號處理器
308數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器
310主動式電子負載模塊
Rs串聯(lián)電阻
Ls串聯(lián)電感
C負載電容
RL負載電阻
具體實施例方式
本發(fā)明主要是利用數(shù)字控制技術搭配主動式電子負載模塊、電壓電流量
測電路及高速的數(shù)字硬件設備，例如數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)等來模擬整流性被動式 負載電路。使用者可依據(jù)需求輸入串聯(lián)電阻Rs、串聯(lián)電感Ls、負載電容C及 負載電阻Ri^的設定值，實時參考目前的待測物電壓，再利用數(shù)字控制技術及 高速的數(shù)字硬件設備來處理計算負載電流，并據(jù)之對待測物進行拉載的動作。如此即可仿真出實際整流性被動組件(RLC)負載的特性，進而達到減少負
載的體積，及操作上更便利的目的。
茲配合圖示詳述本發(fā)明"整流性被動式負載仿真裝置及方法"，并列舉 較佳實施例說明如下-
圖2是為本發(fā)明的整流性被動式負載仿真裝置300，用以測試交流電源產(chǎn) 品200的性能。整流性被動式負載仿真裝置300包括一電壓/電流量測電路302、 —模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器304、 一數(shù)字信號處理器306、 一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器308、 一 主動式電子負載模塊310及橋式整流器102。
電路結(jié)構說明如下。電壓/電流量測電路302并聯(lián)于橋式整流器102，并 且電性連接至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器304。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器304電性連接至數(shù)字信號 處理器306。數(shù)字信號處理器再電性連接至數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器308。數(shù)字模擬轉(zhuǎn) 換器308電性連接至主動式電子負載模塊310。主動式電子負載模塊310的另 一端電性連接至橋式整流器102。
當整流性被動式負載仿真裝置300接上交流電源產(chǎn)品200時，以電壓/電 流量測電路302對交流電源產(chǎn)品的輸出電壓Vs進行電壓量測，并且以橋式整 流器102對交流電源產(chǎn)品的輸出電壓Vs進行全波整流。量測電壓之后，輸出 電壓Vs被模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器304轉(zhuǎn)換為一數(shù)字電壓值。接著，數(shù)字信號處理器 306將該數(shù)字電壓值代入一被動式負載模型函數(shù)，并執(zhí)行浮點運算以計算出一 負載電流值I。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器308再把該負載電流值I轉(zhuǎn)換成為一模擬控制 信號Sn，并將該模擬控制信號Sn傳遞至主動式電子負載模塊310。
被動式負載模型函數(shù)的演算流程如下。由圖1A的整流性被動組件負載電 路，并依據(jù)克希荷夫電壓定律與克希荷夫電流定律計算取得下列的聯(lián)立方程 式。該被動式負載模型函數(shù)包含一電阻值Rs/Rl、 一電容值C或一電感量Ls 及一電壓值Vs/Vc及一電流值I的數(shù)值關系。VD為二極管全波整流的壓降、 Vs為電源輸出電壓、Vc為電容器電壓。數(shù)字信號處理器306根據(jù)上述的方程 式，即可算出期望的負載電流值I。
上述電阻值、電容值或電感量的運算關系可模擬先前技術圖1A所示的整 流性被動組件負載100的各種電路組件的關聯(lián)性。電阻值即為一或多個串聯(lián) 電阻Rs及/或負載電阻RL的等效電阻值；電感值即模擬串聯(lián)電感Ls;而電容 值即仿真一或多個負載電容C的等效電容。
在一較佳實施方式中，主動式電子負載模塊310可以是一 BJT組成的電 流放大器。以一個NPN型式雙載子接面晶體管組成的共集極放大器為例，其 集極和射極電阻接地端(RE接地端)是接受橋式整流器102的輸出電壓，下稱 整流電壓Vb。在主動模式下，集極端如同一個理想的定電流源，電流值是由 基極電壓(VB)所決定。依據(jù)上述特性，若以模擬控制信號Sn作為基極的控制 電壓信號，則可控制集極端的電流值等于所設定的負載電流值I。
根據(jù)上述說明，此負載電流即為依據(jù)數(shù)字信號處理器根據(jù)R、 L、 C參數(shù) 計算出仿真的被動式負載的負載電流，亦即與實際被動組件所組成的負載(如 圖1A)的負載電流相同。與實際負載的特性一樣，此負載電流會隨著時間和輸 入電壓而改變，而電流變化大小則可如同實際被動組件負載的值變動一般， 由使用者任意改變所輸入的Rs、 Ls、 C、 Rt設定值及待測交流電源產(chǎn)品的輸 入電壓來決定，因此其特性即為一個定阻抗。
上述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器304負責擷取電壓信號、數(shù)字信號處理器306負責 依據(jù)所得到的電壓信號進行該被動式負載模型函數(shù)的計算并且應用計算所得 的負載電流值來讓數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器308發(fā)送控制命令，控制主動式電子負載 模塊310,因此該三個組件的組合可視為一個數(shù)字控制模塊301。
概括來說，本發(fā)明的整流性被動式負載的仿真裝置300是以數(shù)字控制模 塊301接受交流電源產(chǎn)品200的輸出電壓Vs，經(jīng)過計算后，輸出模擬控制信號Sn。再根據(jù)模擬控制信號Sn控制主動式電子負載模塊310，使其產(chǎn)生期望 的負載電流。由于是以數(shù)字的方式來進行運算與模擬，所以對于此"數(shù)字控 制模塊"的穩(wěn)定度而言，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換 器的反應速度，以及算法最佳化的運算速度均是相當重要的關鍵。
請參照圖3，本案發(fā)明人為確認本發(fā)明的可行性，更依據(jù)圖2的系統(tǒng)架構 進行實際仿真。圖3即為利用本發(fā)明的整流性被動式負載仿真裝置仿真圖1A 的該電路單元的電壓(Vs)電流(Io)波形圖，我們可從圖1B及圖3觀察得知兩 者的電壓電流特性相似，請參考時間t0至時間tl之間的Vs曲線變化。
請參照圖4，上述整流性被動式負載仿真裝置300包含了一種整流性被動 式負載仿真方法。該方法基本步驟包括(Sl)將一整流性被動式負載中的復數(shù) 個被動組件以一數(shù)字控制模塊及一主動式電子負載模塊取代；(S2)建立一被動 式負載模型函數(shù)以表示該復數(shù)個被動組件的作動關系；(S3)以該數(shù)字控制模塊 轉(zhuǎn)換該電源產(chǎn)品的輸出電壓為一數(shù)字電壓值;(S4)利用該數(shù)字控制模塊來執(zhí)行 已代入該數(shù)字電壓值的該被動式負載模型函數(shù)的運算，以獲得一負載電流值， 透過數(shù)字控制模塊將負載電流值轉(zhuǎn)換為模擬控制信號；以及(S5)根據(jù)該模擬控 制信號來控制該主動式電子負載模塊，以對該電源產(chǎn)品進行一拉載動作，而 產(chǎn)生一拉載電流，由于電源產(chǎn)品的輸出阻抗的緣故，其輸出電壓將會因此拉 載電流而產(chǎn)生變化。
而使用者可于使用時或任何時候調(diào)整被動式負載模型函數(shù)的復數(shù)個參數(shù) (S7)，例如，輸入Rs、 Ls、 C、 R^的設定值，系統(tǒng)便會依照所設定的參數(shù)代 入負載模型，實時參考目前的待測物電壓，然后利用數(shù)字控制技術及高速的 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器來計算負載電流并據(jù)之 對待測物進行拉載的動作。如此即可仿真出實際整流性被動組件負載的特性。 其中該等參數(shù)包括包含一電阻值、 一電容值或一電感量及一電壓值或一電流 值。
是以，藉由上述本發(fā)明所揭示的電子負載裝置及其仿真方法的說明實例
10及驗證，本案所述的整流性被動式負載仿真裝置300可準確地仿真出整流性 被動式負載100對電源裝置200的電力拉載的阻抗特性，因此對電源產(chǎn)品的 設計、品管實均有所裨益，可達到提高電源產(chǎn)品的可靠度與降低產(chǎn)品成本等 諸多功效。
上列詳細說明是針對本發(fā)明較佳實施例的具體說明，惟上述實施例并非 用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所為的等效實施或變 更，均應包含于本案的專利范圍中。
權利要求
1.一種整流性被動式負載的仿真裝置，其特征在于，該仿真裝置用以測試一電源產(chǎn)品的性能，該裝置包括一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，電性連接至所述的電源產(chǎn)品以轉(zhuǎn)換所述的電源產(chǎn)品的一輸出電壓為一數(shù)字電壓值；一數(shù)字信號處理器，電性連接至所述的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將所述的數(shù)字電壓值代入一被動式負載模型函數(shù)以計算出一負載電流值；一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，電性連接至所述的數(shù)字信號處理器，以轉(zhuǎn)換所述的負載電流值為一模擬控制信號；及一主動式電子負載模塊，一端電性連接至所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器以接受所述的模擬控制信號，另一端電性連接至所述的電源產(chǎn)品以接受一整流電壓，根據(jù)所述的模擬控制信號及所述的整流電壓產(chǎn)生一負載電流。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的電源產(chǎn)品是為一交流 電源產(chǎn)品。
3. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的被動式負載模型函數(shù) 包含一電阻值、 一電容值或一電感量及一電壓值及一電流值的數(shù)值關系。
4. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置更包括一電壓/電流量 測電路，其連接于所述的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所述的電源產(chǎn)品之間，以量測所 述的輸出電壓。
5. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置更包括一橋式整流器 電性連接于所述的電源產(chǎn)品和所述的主動式電子負載模塊之間以產(chǎn)生所述的 整流電壓。
6. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的主動式電子負載模塊 是為一 NPN型式的雙載子接面晶體管(BJT)所組成的電流放大器。
7. —種整流性被動式負載的仿真裝置，其特征在于，該裝置用以測試一電源產(chǎn)品的性能，該裝置包括一數(shù)字控制模塊，接受所述的電源產(chǎn)品的一輸出電壓，并輸出一模擬控 制信號；一主動式電子負載模塊，電性連接至所述的數(shù)字控制模塊，并根據(jù)所述 的模擬控制信號以產(chǎn)生一負載電流。
8. 如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述的數(shù)字控制模塊包括一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、 一數(shù)字信號處理器電性連接所述的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及一數(shù)字 模擬轉(zhuǎn)換器電性連接所述的數(shù)字信號處理器及所述的主動式電子負載模塊。
9. 一種整流性被動式負載的仿真方法，用以測試一電源產(chǎn)品的性能，該方法包括(51) 將一整流性被動式負載中的復數(shù)個被動組件以一數(shù)字控制模塊及一 主動式電子負載模塊取代；(52) 建立一被動式負載模型函數(shù)以表示所述的復數(shù)個被動組件的作動關系；(53) 以所述的數(shù)字控制模塊來執(zhí)行所述的被動式負載模型函數(shù)的運算以 獲得一負載電流值，透過數(shù)字控制模塊將所述的負載電流值轉(zhuǎn)換為模擬控制 信號；以及(54) 根據(jù)所述的模擬控制信號來控制所述的主動式電子負載模塊，以對所 述的源產(chǎn)品進行一拉載動作。
10. 如權利要求9所述的方法，在步驟(S2)與步驟(S3)之間更可加入一步 驟(S2，)以所述的數(shù)字控制模塊轉(zhuǎn)換所述的電源產(chǎn)品的輸出電壓為一數(shù)字電壓值。
11. 如權利要求9所述的方法，該方法更包括-調(diào)整被動式負載模型函數(shù)的復數(shù)個參數(shù)，其中所述的這些參數(shù)包括一電 阻值、 一電容值或一電感量及一電壓值及一電流值。
全文摘要
一種整流性被動式負載仿真裝置及方法，該裝置及方法用以測試一電源產(chǎn)品的性能。該仿真裝置包括一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、一數(shù)字信號處理器、一數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器及一主動式電子負載模塊以取代傳統(tǒng)整流性被動式負載中的被動組件。該模擬方法包括(S1)將一整流性被動式負載中的復數(shù)個被動器件以一數(shù)字控制模塊及一主動式電子負載模塊取代；(S2)建立一被動式負載模型函數(shù)以表示該復數(shù)個被動器件的作動關系；(S3)以該數(shù)字控制模塊來執(zhí)行該被動式負載模型函數(shù)的運算以獲得一負載電流值，透過數(shù)字控制模塊將該負載電流值轉(zhuǎn)換為模擬控制信號；以及(S4)根據(jù)該模擬控制信號來控制該主動式電子負載模塊，以對該電源產(chǎn)品進行一拉載動作。
文檔編號G01R31/00GK101556298SQ20081009217
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月10日 優(yōu)先權日2008年4月10日
發(fā)明者劉國成, 鄒明穎, 陳文鐘, 高宏祥 申請人:中茂電子(深圳)有限公司