TWI410642B - 電感偵測裝置與方法 - Google Patents

Description

電感偵測裝置與方法

本發明係關於一種電感偵測方法，特別是關於一種電感偵測裝置及其方法。

由於可攜式電子產品近年來的蓬勃發展，可有效管理其電力之電源管理IC(Power management IC)成為重要的關鍵零組件。電源管理IC可將電池電壓轉換成可攜式電子產品當中不同子電路所需求之固定電壓，例如：將3.3伏特轉1.2伏特，或者，將3.3伏特轉2.5伏特等。此類電壓轉換應用範圍的電源管理電路，其設計重心以高效率、高精確度、低雜訊且體積小為目標。一般而言，電源轉換器分為三種：交換式穩壓器(Switching regulator)、線性穩壓器(Liner regulator)及電荷幫浦穩壓器(charge pump regulator)。

其中，交換式穩壓器為一高效率的電壓轉換器，其提供的效率理論值可達100%。現今的電子系統通常為多範圍的電壓供應系統，當系統的外部供給的電壓為單一時，便會由內建許多電壓範圍的交換式穩壓器提供多範圍的電壓給系統使用。此外，為了降低功率的消耗，高效率的交換式穩壓器為最為常用的選擇。

接著，請參考第1圖，其為先前技術的交換式穩壓器之內部設計，其採用PWM訊號控制電晶體的開關而輸出高頻雜訊的輸出電壓(Vout)至外部電感元件與電容元件。接著，經過外部電感元件與電容元件所組合而成的低通濾波器把高頻的雜訊濾除掉後，輸出一平穩且無雜訊之固定電壓(VRout)給予負載。交換式穩壓器一般需要外接電感與電容，以做為電源轉換時濾波。

由先前技術得知，交換式穩壓器之積體電路外部須裝置一電感與一電容。但先前技術有以下的問題點：

1.當被動元件越做越小時，每個被動元件的外觀會越來越相似，以致於常常發生將電阻或其他被動元件誤認為是電感而焊在交換式電源穩壓器之輸出端，此一不謹慎之動作會造成交換式穩壓器的損壞。

2.以往交換式穩壓器因為外部之電感元件之阻抗值有不適當時，會引發過電壓之現象並進而損壞交換式穩壓器。先前技術並沒有適當的保護機制去保護交換式穩壓器，進而造成交換式穩壓器損壞的情形發生。

有鑑於此，所以交換式穩壓器最好主動能夠提供一個檢查外部元件是否正確的機制，以避免因為外部元件之放置疏失而導致交換式穩壓器的本體毀壞。

本發明的目的為提供一種電感偵測裝置，耦接一待測物，包含：控制單元、電流脈衝產生單元、待測物與偵測單元。一電流脈衝產生單元，用以依據一控制訊號以產生一電流脈衝訊號至待測物；一偵測單元，耦接待測物與電流脈衝產生單元，用以量測經由待測物響應該電流脈衝訊號之一反射訊號，並對反射訊號進行計算以產生一判斷訊號；及一控制單元，耦接偵測單元與電流脈衝產生單元，產生控制訊號，並依據判斷訊號致能交換式穩壓器以產生一輸出電壓。

本發明的另一目的為提供一種電感偵測方法，包含以下步驟：產生一控制訊號；依據控制訊號產生一電流脈衝訊號至一待測物；偵測待測物所產生之一反射訊號，並對反射訊號進行計算以產生一判斷訊號；及依據判斷訊號致能交換式穩壓器以產生一輸出電壓。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

由於電感具有在不同頻率下擁有不同阻抗值的特性(亦即，具有頻率響應的特性)，而電阻具有在任何頻率下皆會有相同阻抗值之特性(不具頻率響應的特性)，因此，本發明利用此兩種被動元件之對不同頻率的頻率響應的特性，來做為判斷交換式電源供應器之外部被動元件是否為合適者。具體而言，本發明利用一頻率訊號輸出至交換式穩壓器之輸出端元件，且依據輸出端元件對此頻率訊號所產生的響應來辨識輸出端元件為正確範圍的電感或者為不正確範圍的電感或者電阻。

請先參考第2圖，其為本發明之電感偵測裝置之功能方塊圖。其中，電感偵測裝置200包含：控制單元100、電流脈衝產生單元70與偵測單元50。控制單元100用以發出一控制訊號，並依據判斷訊號以產生致能訊號至交換式穩壓器20，以致能交換式穩壓器20。電流脈衝產生單元70耦接控制單元100，用以接收控制訊號以產生電流脈衝訊號。待測物30一端耦 接電流脈衝產生單元70，另一端耦接交換式穩壓器20。待測物30接收電流脈衝訊號而響應一反射訊號。偵測單元50，耦接待測物30與電流脈衝產生單元70，用以量測經由待測物30響應之反射訊號，並進行計算以產生判斷訊號。

其中，控制單元100係為系統主控者。測量開始係由控制單元100連續發出至少一步階訊號至電流脈衝產生單元70。電流脈衝產生單元70可為一固定電流源與電晶體之組合，其電晶體之作用係為一開關。當送出步階訊號對電流脈衝產生單元70之開關作進行切換的動作時，電流脈衝產生單元70之固定電流源將產生一電流脈衝訊號至待測物30，當待測物30接收此電流脈衝訊號會響應一反射訊號。此時，偵測單元50可以量測此反射訊號，並利用偵測單元50來判斷此反射訊號係為電感或電阻所產生者，並且，可判斷此反射訊號所代表的電感之電感值是否是符合交換式穩壓器20所預設之外部電感元件之電感值。當偵測單元50判斷外部元件為電感時，且其電感值又符合交換式穩壓器20預設之外部電感元件之阻抗值的範圍內，此時，偵測單元50會產生判斷訊號至控制單元100。當控制單元100接收此判斷訊號時，則會產生一致能訊號至交換式穩壓器20。其中，當交換式穩壓器20接收到致能訊號時，則產生輸出電壓。反之，當交換式穩壓器20未接收到致能訊號時，則不產生輸出電壓(禁能)。

以下，將分別列舉兩個電感偵測裝置之偵測單元之實施例。

請參考第3圖，其為本發明之電感偵測裝置200之偵測單元50之第一實施例。偵測單元50包含：比較器52、計數器54與判斷器56。計數器54，用以計數而產生一計數值。比較器52，耦接該電流脈衝產生單元70與該待測物，設有一上限範圍Range1與一下限範圍Range2，當反射訊號介於上限範圍Range1與下限範圍Range2之間，則計數器54進行計數而產生該計數值。判斷器56耦接計數器54與控制單元100，用以接收計數值並進行判斷，當計數值超過一預設計數值時，則產生判斷訊號。

其中，比較器52通常利用運算放大器OPA來加以設計。例如，比較器52可由二個OPA所組成，其中，一個OPA具有上限範圍，另一個OPA具有下限範圍Range2。當反射訊號與二個OPA之上限範圍Range1與下限範圍Range2進行判斷比較時，可求得一比較訊號。請注意：本發明並未限定僅以上述之OPA架構組成，亦可運用其它架構來實現比較器52。

接著，請參考第4圖，其為當待測物為電感之實施例。一般外部元件電感之電感值L的範圍為2.2uH至4.7uH，而阻抗值為WL，而W為輸入電流脈衝訊號之頻率。比較器52可以設定上限範圍Range1與下限範圍Range2，且比較器52接收反射訊號X並依據上限範圍Range1與下限範圍Range2而產生一比較訊號COMP。接下來，其相關公式的應用如下所述：

比較器之公式如下：

If(X=Range1 and X>Range2)　.........條件1

COMP=0;

Else If(X<Range1 and X>Range2)　.........條件2

COMP=1;

Else If(X<Range2)　.........條件3

COMP=0;

接著，以下列舉三個範例來說明公式之判斷與應用：

範例一：

由第5圖可以得知，當外部元件為電感且阻抗值過大時，控制單元100每次發出一步階訊號時，便會發生第5圖的現象。圖中由電流脈衝產生單元70產生電流脈衝訊號給待測物30並響應之反射訊號。當此反射訊號有振盪過大以致於超過上限範圍Range1與下限範圍Range2之設定範圍，經由條件1的推論可得知每次所響應之反射訊號，將可依據條件1而得到比較訊號為0。當比較訊號為0時，其計數器54之計數值則加以不進行累計。

其中，在實務應用時，系統可設定一預設計數值，例如：50。其控制單元100可以重覆送出100次步階訊號至電流脈衝產生單元70並偵測待測物30之反射訊號，每次則利用偵測單元50之比較器52進行公式判斷。若發生條件1的狀況，則計數器54之計數值不進行累計；若發生條件2的狀況，則計數器54之計數值進行累計；若發生條件3的狀況，則計數器54之計數值不進行累計。例如：當電感之阻抗值過大，使得經過100次測試後最後計數值的結果若為20時，則判斷器56判斷計數值為20，且不超過一預設計數值為50(20<50)，此時判斷器56就不會產生判斷訊號至控制單元100。當控制單元100未接收此判斷訊號，則不會產生致能訊號至交換式穩壓器20，此時，交換式穩壓器20將不會產生輸出電壓。

範例二：

由第6圖可以得知，當外部元件為電感時，且電感之阻抗值適當時，當控制單元100每次發出一步階訊號時，便會發生第6圖的現象。圖中由電流脈衝產生單元70產生一電流脈衝訊號給待測物30並響應之一反射訊號。當此反射訊號有振盪適當以致於小於上限範圍Range1，並大過下限範圍Range2之設定範圍，經由條件2的推論可得知每次所響應之反射訊號，將可依據條件2而得到比較訊號為1。當比較訊號為1時，其計數器54之計數值則進行累計。

其中，在實務上的應用，系統可以設定一預設計數值，例如：50。其控制單元100可以重覆送出100次步階訊號至電流脈衝產生單元70並偵測待測物30之反射訊號，每次則利用偵測單元50之比較器52進行公式判斷。若發生條件1的狀況，則計數器54之計數值不進行累計；若發生條件2的狀況，則計數器54之計數值進行累計，若發生條件3的狀況；則計數器54之計數值不進行累計。例如：當電感之阻抗值適當時，經過100次測試後最後計數值的結果若為90時，則判斷器56判斷計數值為90，且超過一預設計數值為50(90>50)，此時判斷器56將產生判斷訊號至控制單元100。當控制單元100接收此判斷訊號，則產生致能訊號至交換式穩壓器20，此時，交換式穩壓器20將會產生輸出電壓。

範例三：

由第7圖可以得知，當外部元件為電感時，且電感之阻抗值過小時，當控制單元100每次發出一步階訊號時，便會發生第7圖的現象。圖中由電流脈衝產生單元70產生一電流脈衝訊號給待測物30並響應之一反射訊號，當此反射訊號有振盪過大以致於超過上限範圍Range1與下限範圍Range2之設定範圍，經由條件3的推論可得知每次所響應之反射訊號，將可依據條件3而得到比較訊號為0。當比較訊號為0時，其計數器54之計數值則加以不進行累計。

其中，在實務上的應用，系統可以設定一預設計數值，例如：50。其控制器可以重覆送出100次步階訊號至電流脈衝產生單元70並偵測待測物30之反射訊號，每次則利用偵測單元50之比較器52進行公式判斷。若發生條件1的狀況，則計數器54之計數值不進行累計；若發生條件2的狀況，則計數器54之計數值進行累計；若發生條件3的狀況，則計數器54之計數值不進行累計。例如：當電感之阻抗值為小時，經過100次測試後最後計數值的結果若為5時，則判斷器56判斷計數值為5，且不超過一預設計數值為50(5<50)，此時判斷器56就不會產生判斷訊號至控制單元100。當控制單元100未接收此判斷訊號，則不產生致能訊號至交換式穩壓器20，此時，交換式穩壓器20將不會產生輸出電壓。

請注意：上述公式與條件的參數及其數值並非特別限定，參數的選用及數值大小的設定當可視系統的實際應用來加以選擇與改變。

請參考第8圖，其說明本發明之電感偵測裝置200之外部電阻實施例。而遇到電阻34時，因為電阻34之阻抗值與輸入電流脈衝訊號之頻率無關，所以在各頻率下的阻抗值都相同，且阻抗值也較低，相關頻率響應請參考第9圖中之電阻波形圖。

由第9圖可以得知，若外部元件為電阻時，當控制單元100發出一步階訊號時，電流脈衝產生單元70接收該步階訊號後會產生響應該步階訊號之電流脈衝訊號而傳給待測物30。由於待測物30為一電阻，其響應之反射訊號將產生一固定電壓，請參考第9圖之反射訊號之現象。當該固定電壓不超過上限範圍Range1與下限範圍Range2，依據條件3則比較訊號輸出為0。

其中，在實務應用時，系統可設定一預設計數值，例如50。控制器可以重覆送出100次步階訊號至待測物30，再分別利用比較器52的公式統計而產生一計數值。本實施例之外部元件為電阻，每次步階訊號所響應之反射訊號經由比較器52比較的結果會使得比較訊號COMP為0，所以每次計數值都不會計數。經過100次測試後最後計數值的結果為0時，則判斷器56判斷計數值為0，且不超過一預設計數值為(0<50)，此時將不會產生判斷訊號至控制單元100。當控制單元100未接收此判斷訊號，則不會產生致能訊號至交換式穩壓器20，此時，交換式穩壓器20將不會產生輸出電壓。

請注意：當外部元件是電感時，藉由第5圖、第6圖、第7圖的電感波形圖與當外部元件是電阻時，藉由第9圖的電阻波形圖，可以查看不同的外部元件確實有不同的波形，可以達到偵測其外部元件是否為電感或是被誤接為電阻。如果想要偵測電感的感值是否為預設之合理值，依據比較器52的上限範圍Range1與下限範圍Range2來決定外部電感是第5圖或第6圖或第7圖的電感波形圖，藉由該些波形可以得知外部元件為電感時，由第6圖確實可得知其為最合適的電感元件。所以藉由波形圖可對應外部電感之阻抗值，且該阻抗值如果沒有在預設的範圍內，便關閉交換式穩壓器20的輸出電壓，藉以保護交換式穩壓器20不會因為被動元件的誤置而毀壞。

接著，請參考第10圖，其說明本發明之電感偵測裝置之偵測單元50之第二實施例。偵測單元50包含：類比數位轉換器58、波形計算器60、計數器54與判斷器56。類比數位轉換器58用以接收反射訊號，並轉換為一數位訊號。波形計算器60耦接類比數位轉換器58並具有設定一上限範圍Range1與一下限範圍Range2，用以接收數位訊號並依據上限範圍Range1與下限範圍Range2進行波形運算以產生一比較訊號。計數器54耦接波形計算器60，用以接收比較訊號並進行計數以產生一計數值。判斷器56耦接計數器54與控制器10，用以接收計數值並進行判斷，當計數值超過一預設計數值時，則產生判斷訊號。

其中，類比數位轉換器58係用以將類比訊號並轉換成數位訊號，且數位訊號可輸入至波形計算器60，來加以分析反射訊號的波形。波形計算器60可由系統預設一上限範圍Range1與一下限範圍Range2，藉由波形計算器60可分析經由數位訊號可得到一比較訊號。

當波形計算器60分析數位訊號小於上限範圍Range1，且大於下限範圍Range2時，則比較訊號輸出為1，計數器54之計數值則進行累計。反之，當波形計算器60分析數位訊號大於上限範圍Range1且超過下限範圍Range2或小於下限範圍Range2時，則比較訊號輸出為0，此時計數器54之計數值將不進行累計。

請注意：上述偵測單元50之設計並非特別限定，偵測單元50之架構當可視系統的實際應用來加以選擇與改變。

請參考第11圖，本發明之電感偵測方法之實施例，包含以下的步驟：

步驟110：產生一控制訊號。

步驟120：依據控制訊號產生一電流脈衝訊號至一待測物。

步驟130：偵測待測物所產生之一反射訊號，並對反射訊號進行計算以產生一判斷訊號。

步驟140：依據判斷訊號致能交換式穩壓器以產生一輸出電壓。

其中控制訊號係為至少一個步階訊號，例如，可預連續送出100個步階訊號至待測物。

其中，更包含以下之步驟：當反射訊號介於一上限範圍與一下限範圍之間，產生一計數值；及當計數值超過一預設計數值時，產生該判斷訊號。

其中，更包含以下之步驟：將反射訊號轉換為一數位訊號；當數位訊號介於一上限範圍與一下限範圍之間，產生一計數值；及當計數值超過一預設計數值時，則產生該判斷訊號。

請注意，本發明之裝置與方法，確實能夠改善先前技術之問題點。

1. 電感的保護機制

當被動元件越做越小時，且每一被動元件會越來越相似，若不慎將電阻或是其他被動元件焊在交換式電源穩壓器電路之輸出端時，進而造成交換式穩壓器之損壞。本發明加入新的保護機制，確實能夠保護到當錯誤零件焊在的交換式電源穩壓器電路的輸出端情形。

2. 過電壓的保護機制

以往交換式穩壓因外接之電感元件之阻抗值過大而發生過電壓情形時，先前並沒有加入保護機制而導致發生交換式穩壓器損壞的情形。針對此問題點，本發明亦有判斷過電壓之保護機制，實務上也確實能夠保護到過電壓的情形。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此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。

10‧‧‧控制器

20‧‧‧交換式穩壓器

30‧‧‧待測物

32‧‧‧電感

34‧‧‧電阻

40‧‧‧電容

50‧‧‧偵測單元

52‧‧‧比較器

54‧‧‧計數器

56‧‧‧判斷器

58‧‧‧類比數位轉換器

60‧‧‧波形計算器

70‧‧‧電流脈衝產生單元

100‧‧‧控制單元

200‧‧‧電感偵測裝置

P1‧‧‧點

第1圖係為先前技術交換式穩壓器電路圖；第2圖係為本發明之電感偵測裝置之實施例；第3圖係為本發明之電感偵測裝置之偵測單元之第一實施例；第4圖係為本發明之電感偵測裝置之外部電感實施例；第5圖係為本發明之外部電感波形圖之第一實施例；第6圖係為本發明之外部電感波形圖之第二實施例；第7圖係為本發明之外部電感波形圖之第三實施例；第8圖係為本發明之電感偵測裝置之外部電阻實施例；第9圖係為本發明之外部電阻波形圖之實施例；第10圖係為本發明之電感偵測裝置之偵測單元之第二實施例；及第11圖係為本發明之電感偵測方法之實施例。

20‧‧‧交換式穩壓器

30‧‧‧待測物

40‧‧‧電容

50‧‧‧偵測單元

70‧‧‧電流脈衝產生單元

100‧‧‧控制單元

200‧‧‧電感偵測裝置

P1‧‧‧點

Claims (10)

1. 一種電感偵測裝置，耦接一待測物與一交換式穩壓器，包含：一電流脈衝產生單元，依據一控制訊號產生一電流脈衝訊號至該待測物；一偵測單元，耦接該待測物與該電流脈衝產生單元，用以量測該待測物響應該電流脈衝訊號之一反射訊號，並對該反射訊號進行計算以產生一判斷訊號；及一控制單元，耦接該偵測單元與該電流脈衝產生單元，產生該控制訊號，並依據該判斷訊號致能該交換式穩壓器以產生一輸出電壓。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該控制單元之該控制訊號係為至少一個步階訊號。
3. 如請求項1所述之裝置，其中該偵測單元包含：一計數器，用以計數而產生一計數值，一比較器，耦接該電流脈衝產生單元與該待測物，設有一上限範圍與一下限範圍，當該反射訊號介於該上限範圍與該下限範圍之間，致能該計數器以產生該計數值；及一判斷器，耦接該計數器與該控制單元，接收該計數值，當該計數值超過一預設計數值時產生該判斷訊號。
4. 如請求項1所述之裝置，其中該偵測單元包含：一計數器，用以計數而產生一計數值；一類比數位轉換器，用以接收該反射訊號，並轉換為一數位訊號；一波形計算器，耦接該類比數位轉換器，設有一上限範圍與一下限範圍，當該數位訊號介於該上限範圍與該下限範圍之間，致能該計數器以產生該計數值；及一判斷器，耦接該計數器與該控制單元，接收該計數值，當該計數值超過一預設計數值時產生該判斷訊號。
5. 如請求項1所述之裝置，其中當該控制單元未接收到該判斷訊號時，禁能該交換式穩壓器的該輸出電壓之輸出。
6. 一種電感偵測方法，包含以下步驟：產生一控制訊號；依據該控制訊號產生一電流脈衝訊號至一待測物；偵測該待測物所產生之一反射訊號，並對該反射訊號進行計算以產生一判斷訊號；及依據該判斷訊號致能一交換式穩壓器以產生一輸出電壓。
7. 如請求項6所述之方法，其中該控制訊號係為至少一個步階訊號。
8. 如請求項6所述之方法，更包含以下之步驟：當該反射訊號介於一上限範圍與一下限範圍之間，產生一計數值；及當該計數值超過一預設計數值時，產生該判斷訊號。
9. 如請求項6所述之方法，更包含以下之步驟：轉換該反射訊號為一數位訊號；當該數位訊號介於一上限範圍與一下限範圍之間，產生一計數值；及當該計數值超過一預設計數值時，產生該判斷訊號。
10. 如請求項6所述之方法，更包含以下步驟：當未接收到該判斷訊號時，禁能該交換式穩壓器的該輸出電壓之輸出。