專利名稱：?jiǎn)屋斎腈i相壓電變壓器驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及變壓器的電源電路領(lǐng)域，尤其涉及一種鎖相壓電變壓器驅(qū)動(dòng)電路。
通常，壓電變壓器用在電視、影印機(jī)、LCD背照光等的電源中。已有技術(shù)的壓電變壓器設(shè)計(jì)方案基于公知的Rosen設(shè)計(jì)方案(美國(guó)專利US2,830,274)。這些已有技術(shù)高壓變壓器設(shè)計(jì)方案是一種壓電陶瓷片(ceramic plate)型的，包括一驅(qū)動(dòng)部分和一受驅(qū)動(dòng)部分，這兩部分中的每個(gè)部分具有不同的極化強(qiáng)度(polarization)。不同的極化強(qiáng)度提供變壓。
壓電變壓器本來(lái)就是高品質(zhì)因數(shù)(高Q)諧振器，它們必須在一特定諧振頻率下受到驅(qū)動(dòng)，以在一給定輸出負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)最大的能量轉(zhuǎn)換。這有一些缺點(diǎn)，即，壓電變壓器的諧振頻率點(diǎn)取決于外部變量，這些變量包括時(shí)間、溫度、輸出負(fù)載和其他變量。除非驅(qū)動(dòng)頻率可以受到連續(xù)校正之外，這些變量使得變壓器的最佳功率輸出隨著頻移而降低。如果驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法跟蹤諧振頻率，那么將無(wú)法最有效地使壓電變壓器工作。
已有技術(shù)驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)使用具有降低壓電變壓器品質(zhì)因數(shù)(Q)的方法的固定頻率振蕩器。就降低品質(zhì)因數(shù)其本身來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致比最佳工作效率小。另外，由于上述原因，在一固定頻率下工作效率很低。需要一種反饋機(jī)構(gòu)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)頻率?？墒?，使用電壓反饋并不穩(wěn)定，因?yàn)樵陔妷狠敵銮€的峰值處出現(xiàn)峰值功率。在這種情況下，對(duì)于較小的電壓反饋?zhàn)兞縼?lái)說(shuō)，向上調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率就象向下調(diào)整它那樣容易。不希望的是，如果反饋使得頻率沿錯(cuò)誤方向發(fā)展，那么該環(huán)位相相差180°，并且在一低功率點(diǎn)鎖定。
鎖相環(huán)在本領(lǐng)域是公知的，已被用來(lái)控制振蕩頻率。可是，鎖相環(huán)尚未被用來(lái)控制壓電變壓器。由于其高品質(zhì)因數(shù)性質(zhì)，壓電變壓器需要的相位調(diào)節(jié)和靈敏度比可從現(xiàn)有鎖相環(huán)中得到的更嚴(yán)密。通常，鎖相環(huán)比較兩個(gè)AC信號(hào)的相位，并且將-DC校正電壓提供給—振蕩器的AC驅(qū)動(dòng)電路。另外，鎖相環(huán)通常需要用環(huán)路濾波器來(lái)防止DC信號(hào)上的噪聲干擾驅(qū)動(dòng)電路的工作。而且，商用鎖相環(huán)是很復(fù)雜的電路，它們尤其適于用快速鎖定進(jìn)行的頻道轉(zhuǎn)換。對(duì)于驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的窄范圍頻率來(lái)說(shuō)，不需要這些功能。
需要一種壓電變壓器的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，它成本低，使用現(xiàn)成的元件，并且提供嚴(yán)密的相位調(diào)節(jié)和良好的靈敏度。而且，需要一種壓電變壓器的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，它無(wú)需DC變換。另外，需要一種壓電變壓器的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，它需要一參考信號(hào)，并且跟蹤受驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的諧振頻率，以便在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件的最大效率和/或功率輸出下工作。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一壓電變壓器的變壓器簡(jiǎn)化電路方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明用來(lái)驅(qū)動(dòng)一壓電變壓器的電路的第一實(shí)施例示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明用來(lái)驅(qū)動(dòng)一壓電變壓器的電路的優(yōu)選第一實(shí)施例詳細(xì)示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明用來(lái)描述圖3輸入電路工作的波形圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明用來(lái)驅(qū)動(dòng)一壓電變壓器的電路的第二實(shí)施例示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一壓電變壓器和負(fù)載的等效電路示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一壓電變壓器的動(dòng)生(motional)與輸出相位和功率的圖形表示；圖8是根據(jù)本發(fā)明一壓電變壓器的輸入相位和功率的圖形表示；圖9是根據(jù)本發(fā)明一壓電變壓器的動(dòng)生與副抽頭相位和功率的圖形表示。
本發(fā)明是一種壓電變壓器驅(qū)動(dòng)電路，它被鎖定到來(lái)自壓電變壓器輸出的相位信號(hào)。在第一實(shí)施例中，該相位信號(hào)用來(lái)觸發(fā)一低成本的現(xiàn)成定時(shí)電路，該定時(shí)電路控制耦合到壓電變壓器一輸入上的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)頻率。這無(wú)需使用DC變換就能實(shí)現(xiàn)。有利的是，這種壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)電路跟蹤受驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的諧振頻率，以便在最大的效率和功率輸出下工作。在第二實(shí)施例中，該相位信號(hào)用來(lái)觸發(fā)一改進(jìn)型低成本的現(xiàn)成鎖相環(huán)電路，該電路提供嚴(yán)密的相位調(diào)節(jié)和良好的靈敏度。
對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)頻率的相位控制是單調(diào)的，即，僅在一個(gè)工作點(diǎn)處穩(wěn)定。另外，壓電變壓器的相位控制在壓電變壓器的峰值輸出點(diǎn)處基本上為線性。這導(dǎo)致壓電變壓器有一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓(和頻率)環(huán)路相/頻控制。此外，可以調(diào)整相位控制以另外跟蹤壓電變壓器的峰值輸出點(diǎn)，從而保持動(dòng)態(tài)負(fù)載條件的最佳效率和輸出。
參見圖1，本發(fā)明是一壓電變壓器驅(qū)動(dòng)電路10，該電路10包括一壓電變壓器12和一相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16，壓電變壓器12的輸出信號(hào)20耦合到負(fù)載14上，而相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16耦合到壓電變壓器12的輸入端。另外，壓電變壓器12提供一反饋相位信號(hào)18，該信號(hào)18耦合到相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16上。相位信號(hào)18來(lái)自壓電變壓器12的輸出信號(hào)20。相位信號(hào)18也可來(lái)自壓電變壓器12上的副抽頭(auxiliary tap)24。副抽頭24的優(yōu)點(diǎn)在于可以從壓電變壓器12的輸入電極與輸出電極上電拆除下來(lái)。而且，副抽頭24提供的可用信號(hào)電平比可從高電壓輸出信號(hào)20得到的更低。來(lái)自壓電變壓器12的輸出信號(hào)20的相位用來(lái)控制相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16的驅(qū)動(dòng)頻率22，相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16耦合到壓電變壓器12的輸入端。這樣，相位信號(hào)18觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16，以使壓電變壓器輸入信號(hào)被鎖相至驅(qū)動(dòng)電路16。
本領(lǐng)域公知的一個(gè)Rosen型壓電陶瓷變壓器被用于本發(fā)明中，并且工作在厚度擴(kuò)展模式(thickness extensional mode)下?？墒牵瑧?yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可用來(lái)驅(qū)動(dòng)許多具有不同工作模式的不同壓電變壓器類型。
壓電變壓器12的具體結(jié)構(gòu)(如圖2所示)包括一輸入部分26和一輸出部分28。輸入部分26包括一對(duì)相對(duì)的輸入電極。輸出部分28包括一輸出電極30，該輸出電極30設(shè)置在壓電變壓器12的端部且耦合到負(fù)載14上。該實(shí)施例中，輸出部分28提供一反饋相位信號(hào)18。副抽頭24可以設(shè)置在壓電變壓器12的輸出部分28的接近輸入部分26的位置上。副抽頭24可以利于用來(lái)提供一相位信號(hào)18，相位信號(hào)18的信號(hào)電平比來(lái)自輸出電極30的信號(hào)電平更可用。另外，副抽頭24可從輸入部分26、輸出電極30和負(fù)載14上解耦合。還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即，在用不同的極方向(poling direction)制造壓電變壓器12中預(yù)先需要副抽頭24。在制造這種壓電變壓器12的過(guò)程中，副抽頭24用來(lái)提供輸出部分28的適當(dāng)極方向，這與輸入部分26的極方向不同。通過(guò)利用壓電變壓器12上的副抽頭24，不必在節(jié)省一處理步驟的工藝過(guò)程中消除它。
圖2示出本發(fā)明的第一實(shí)施例，包括(例如如上所述)一壓電變壓器12、一相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16和一負(fù)載14。負(fù)載14耦合到壓電變壓器12的輸出信號(hào)20上。該輸出信號(hào)20還耦合到相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16上，該電路16驅(qū)動(dòng)壓電變壓器12的輸入。
負(fù)載可以是各種不同的類型和結(jié)構(gòu)。根據(jù)所要滿足的應(yīng)用條件，幾種公知輸出電路中的一種可以包括這種負(fù)載。在一種類型的負(fù)載中，壓電變壓器的輸出可以用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)一AC裝置，而不用任何特別插入的元件。可是，一般使用某種類型的特殊輸出電路。通常，DC整流電路如半波整流器用來(lái)提供一DC輸出信號(hào)。此外，一阻抗匹配電路可以用來(lái)將壓電變壓器的最佳工作負(fù)載阻抗與一特定的用戶應(yīng)用輸入阻抗相匹配。提供上述各種輸出電路的技術(shù)在本領(lǐng)域是公知的，這里不再介紹。優(yōu)選的是，負(fù)載是例如用于LCD背照光的燈，它由變壓器的AC輸出信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)。
相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16包括一定時(shí)電路(IC1)和一功率元件(Q1)。定時(shí)電路用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)功率元件。功率元件驅(qū)動(dòng)壓電變壓器12的輸入。本發(fā)明利用可買到的低成本現(xiàn)成元件。例如，定時(shí)電路是一種通?？少I到的555定時(shí)IC。所使用的功率元件是一功率FET，如IRF511，它易于買到?？墒?，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明新穎的教導(dǎo)與范圍的情況下，可順利使用各種不同的功率元件。
相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16還包括電感L1，選擇電感L1以使其與壓電變壓器12的輸入電容C1(圖中未示，但通常為50nf～100nf)相諧振。L1和C1構(gòu)成一諧振電路，該電路在比壓電變壓器12的諧振頻率高10％的頻率下產(chǎn)生諧振。諧振頻率通常在Rosen型壓電變壓器的50kHz～100kHz范圍內(nèi)。電阻R1、R2和電容C2耦合到定時(shí)器上，以便使定時(shí)器在非穩(wěn)態(tài)模式下工作，并且預(yù)置定時(shí)IC的頻率。定時(shí)IC以40％占空度工作，以防止功率FET在振蕩環(huán)周期(tank ringperiod)期間導(dǎo)通。可是，由于驅(qū)動(dòng)頻率不是正弦諧波頻率，所以出現(xiàn)可以在壓電變壓器中激發(fā)其他諧振模式的情況。為了使壓電變壓器工作于不希望頻率模式下的可能性最小，選擇各元件以使定時(shí)電路在一個(gè)窄頻帶范圍內(nèi)工作，該窄頻帶位于理想PT諧振范圍的中央。反饋相位信號(hào)18取自壓電變壓器12的輸出部分28，并且用來(lái)將相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路16鎖相至壓電變壓器12的諧振頻率。
相位信號(hào)18取自壓電變壓器12輸出部分28所產(chǎn)生的輸出信號(hào)20。輸出信號(hào)20可以具有非常高的電壓。高電壓相位信號(hào)不能用來(lái)提供反饋，而在未被分壓(divide down)至一更可用信號(hào)電平時(shí)，還可能破壞電路。因此，優(yōu)選使用設(shè)置在壓電變壓器12輸出部分28上的副抽頭24。副抽頭24位于輸出部分上，以便提供約為輸出信號(hào)20電平5％的信號(hào)電平。
有利的是，不必實(shí)際將一副抽頭加到壓電變壓器上。該抽頭已用于制造壓電變壓器中，從而提供壓電變壓器12輸出部分28材料的適當(dāng)壓電的極方向。另外，該抽頭與壓電變壓器的輸入和高電壓輸出之間電隔離，以防止可能的電路損壞。此外，由于該抽頭提供高電流和在約10歐姆～100歐姆合理低阻抗范圍內(nèi)耦合的阻抗，所以該抽頭是比直接耦合到高電壓輸出信號(hào)20的阻性源或容性源更好的相位信號(hào)18的源，該信號(hào)可以反過(guò)來(lái)影響高電壓輸出信號(hào)20。
(如取自副抽頭24的)相位信號(hào)18通過(guò)一電阻網(wǎng)絡(luò)耦合到定時(shí)IC上。R4是一去耦電阻，用來(lái)隔離C3的阻抗。電阻R4將相位信號(hào)18耦合到定時(shí)IC的閾值輸入信號(hào)上。R4與R3的比約為10∶1，以使不穩(wěn)態(tài)模式工作中的正常閾值電壓基本上不減小。電容C3和電阻R5用來(lái)調(diào)整相位信號(hào)18的相角。
用來(lái)將定時(shí)IC鎖定到壓電變壓器的技術(shù)是用來(lái)“過(guò)驅(qū)動(dòng)(overpower)”定時(shí)IC的閾值輸入信號(hào)。工作中，當(dāng)變壓器電路10得電時(shí)，壓電變壓器12的輸出信號(hào)20為零。在不穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器模式下構(gòu)造定時(shí)器，這有利于提供自激振蕩。當(dāng)多諧振蕩器開始振蕩時(shí)，壓電變壓器12由多諧振蕩器經(jīng)功率FET在其諧振頻率附近處(約諧振頻率之上10％)驅(qū)動(dòng)。
在少數(shù)幾個(gè)周期之后，壓電變壓器12的輸出信號(hào)20增加到一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)，多諧振蕩器閾值輸入處的電壓是C2兩端電壓與R3兩端分壓這二者的一個(gè)分量。在該點(diǎn)，多諧振蕩頻率在變壓器諧振頻率之上。隨著多諧振蕩頻率朝向諧振頻率降低，反饋信號(hào)18的電平將提高，而反饋信號(hào)18頻率的提高將使多諧振蕩頻率進(jìn)一步朝向諧振頻率降低。
最后，反饋相位信號(hào)18的信號(hào)電平增加到一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)，閾值觸發(fā)點(diǎn)只取決于反饋相位信號(hào)18，且總是由反饋相位信號(hào)18所確定。在這一點(diǎn)上，反饋信號(hào)已“過(guò)驅(qū)動(dòng)”了閾值觸發(fā)輸入信號(hào)，而多諧振蕩器只在反饋信號(hào)波形上觸發(fā)，將多諧振蕩頻率鎖相至壓電變壓器頻率。定時(shí)器芯片現(xiàn)在象一鍵控多諧振蕩器一樣工作，其頻率壓到反饋頻率，而占空度通過(guò)選擇元件值來(lái)確定。在每個(gè)周期，隨著相位信號(hào)降低到零，多諧振蕩器的閾值輸入信號(hào)受到觸發(fā)，這使Q1截止，并且使壓電變壓器環(huán)周期(ring period)開始。而且，以40％的占空度工作，以防Q1在振蕩環(huán)周期期間又導(dǎo)通。
有利的是，用一個(gè)簡(jiǎn)單的定時(shí)電路和僅僅單獨(dú)一個(gè)反饋信號(hào)就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖相，而無(wú)需已有技術(shù)鎖相電路中所需的外部參考頻率。
C3和R5的值用實(shí)驗(yàn)的方法確定，以提供來(lái)自壓電變壓器最大輸出功率的約45°相角。雖然來(lái)自壓電變壓器12的輸出信號(hào)20在零相位時(shí)最大，可是壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不是正弦曲線。所以，相角相對(duì)于定時(shí)器周期(timer cycle)不為零，因此有相移。
有利的是，壓電變壓器功率輸出上的3db點(diǎn)距諧振頻率約為±190Hz，這些點(diǎn)中的相位變化約為45°。所以，本發(fā)明提供一種基本反饋增益能力，該能力使操作非常穩(wěn)定。
第一實(shí)施例中，采用具有約75kHz諧振頻率的壓電變壓器。L1為68μHy。C2為0.001μf.C3為220pf。R1為2.7kohm。R2為5.6kohm。R3為10kohm。R4和R5每個(gè)都為100kohm。
圖3示出提供增強(qiáng)穩(wěn)定性的本發(fā)明優(yōu)選第一實(shí)施例。該優(yōu)選第一實(shí)施例包括圖2第一實(shí)施例的電路，該第一實(shí)施例的描述在此引入以作參考。本實(shí)施例通過(guò)改變反饋環(huán)增加了對(duì)相位信號(hào)18的相角誤差校正，以包括有效的相位調(diào)整。當(dāng)動(dòng)態(tài)負(fù)載由壓電變壓器驅(qū)動(dòng)時(shí)，就需要進(jìn)行相位校正。壓電變壓器是一種高阻抗裝置。動(dòng)態(tài)負(fù)載將影響壓電變壓器的諧振頻率，并且還改變輸出信號(hào)與動(dòng)生電流(motionalcurrent)之間的相移，但不會(huì)影響電隔離的副抽頭。由于希望為現(xiàn)實(shí)負(fù)載變化提供最大的壓電變壓器輸出，所以壓電變壓器的輸出信號(hào)收到監(jiān)控，且用來(lái)為反饋相位信號(hào)18提供相位校正。
本優(yōu)選第一實(shí)施例包括一相位校正網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括耦合到壓電變壓器12輸出信號(hào)29上的分壓器R6和R7，分壓器R6和R7用來(lái)將高信號(hào)電平降低到更可用的電平。電阻分壓器R6和R7可以由一等效電抗電容分壓器代替。電容分壓器更易于集成，其集成的成本比高阻值電阻R6和R7低。同樣地，流過(guò)負(fù)載的電流可以通過(guò)插入一個(gè)電阻或電容而受到調(diào)節(jié)，該電阻或電容與負(fù)載的接地端相串聯(lián)。另外，本優(yōu)選第一實(shí)施例提供一個(gè)整流器或等效電路，該整流器耦合到分壓器上。該整流器將一信號(hào)輸出給一比較器，比較器將整流器輸出信號(hào)與一參考信號(hào)相比較。比較器驅(qū)動(dòng)可變電阻元件，該元件優(yōu)選為一FET，它耦合到電容C3上。
可變電阻元件Q2隨后通過(guò)相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)R5和C3更改相位信號(hào)18的相角。在該FET的柵極和源極兩端使用一可選擇的0。001μf電容(圖中未示)有助于使FET在(約75kHz)工作頻率處線性化。這樣，調(diào)整環(huán)路相角，以保持恒定的輸出電壓、電流或功率。
在本優(yōu)選第一實(shí)施例中，R6為24.4Mohm，R7為100kohm，精密的整流器和比較器由Texas Instruments的TPS7133Q IC提供，Q2為MPF111 FET。使用TPS7133Q使得在本發(fā)明中能在約1％的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)線路與負(fù)載這二者。
圖4示出一波形圖，這些波形用于說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選第一實(shí)施例的工作。第一條曲線表示定時(shí)IC的輸出(引腳3)處表現(xiàn)出的信號(hào)，此處，輸出處于導(dǎo)通(高電平)40％的周期。第二條曲線表示定時(shí)IC的觸發(fā)端(引腳2)處的信號(hào)，此處，信號(hào)的轉(zhuǎn)換由定時(shí)元件控制。第三條曲線表示從功率FET Q1向壓電變壓器的輸入信號(hào)。最后一條曲線表示進(jìn)入精密整流器中的分頻輸出信號(hào)。
圖5示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，該實(shí)施例采用一種傳統(tǒng)的鎖相環(huán)(PLL)IC，該鎖相環(huán)IC優(yōu)選為MC14046B?？墒前l(fā)現(xiàn)，PLL的標(biāo)準(zhǔn)配置不會(huì)為本發(fā)明工作。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)高Q裝置如壓電變壓器的嚴(yán)密相位調(diào)節(jié)，對(duì)于1度的相位變化來(lái)說(shuō)，需要改變約100Hz或更多。現(xiàn)有的PLL IC本身不具有這樣的靈敏度。
這種PLL的一種應(yīng)用是跟蹤FM的解調(diào)頻率。對(duì)于這種類型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，PLL環(huán)的跟蹤能力的較重要之處在于，解調(diào)的帶寬由PLL確定。來(lái)自VCO與一參考輸入信號(hào)相位比較的誤差信號(hào)控制VCO頻率。當(dāng)鎖定時(shí)，兩個(gè)頻率相同，誤差信號(hào)(解調(diào))與相對(duì)相位誤差成正比。
本發(fā)明的不同之處在于，不采用外部參考信號(hào)，而是需要振蕩器與壓電變壓器之間有一恒定的相位差。另外，對(duì)于壓電變壓器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)需PLL穩(wěn)定性或帶寬。如圖所示，本發(fā)明把具有高DC增益的積分器耦合到PLL IC上，該積分器在相位比較器與VCO輸入端之間。在這種結(jié)構(gòu)中，僅幾秒鐘的相位差將使振蕩頻率產(chǎn)生很大變化。選擇R8和C4的RC時(shí)間常數(shù)，以使來(lái)自一PT設(shè)計(jì)方案中一定長(zhǎng)度、寬度、厚度和電極組合的其他寄生聲學(xué)諧振模式(parasitic acousticresonance mode)最小。
有利的是，本發(fā)明跟蹤轉(zhuǎn)換為相角的最大輸出功率。若相角保持恒定，則振蕩頻率偏移以保持功率轉(zhuǎn)換(power transfer)恒定。
這種積分器結(jié)構(gòu)使得能夠通過(guò)在運(yùn)算放大器上比較器“+”輸入端施加一相位調(diào)整信號(hào)來(lái)設(shè)定確切的相角，運(yùn)算放大器優(yōu)選是一LM324運(yùn)算放大器。本實(shí)施例中，電容分壓器C5和C6用來(lái)得到相位比較器的反饋相位信號(hào)。該反饋相位信號(hào)通過(guò)一隔離電阻R9耦合到PLL上。優(yōu)選的是，該相位反饋信號(hào)得自副抽頭24。另一方面，該相位反饋信號(hào)也可得自輸出信號(hào)20。這種情況下，C5與C6的電抗比約為1∶100，以便基本上消除輸出信號(hào)20的任何容性載荷，同時(shí)為IC相位比較輸入端提供一足夠的信號(hào)電平。
采用與第一實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)相同或相似的DC調(diào)節(jié)，允許通過(guò)使諧振相位偏移而進(jìn)行嚴(yán)密的電壓調(diào)節(jié)。另外，壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)器可以是一推挽結(jié)構(gòu)中的單端結(jié)構(gòu)(如圖所示)或橋式結(jié)構(gòu)。
第二實(shí)施例中，L1為83μHy，R8和R9為100kohm，C4為0.001μf，C5為1μf，C6為0.01μf。設(shè)定相位調(diào)整量，以得到稍為阻性輸出的90°相角。
本發(fā)明的優(yōu)選第二實(shí)施例提供一種改變的反饋環(huán)，以包括類似圖3實(shí)施例的有源相位調(diào)整，圖3實(shí)施例在此引入以作參考。當(dāng)動(dòng)態(tài)負(fù)載由壓電變壓器驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要進(jìn)行相位校正。當(dāng)壓電變壓器是一高阻抗裝置時(shí)，動(dòng)態(tài)負(fù)載將影響壓電變壓器的諧振頻率，并且還改變輸出信號(hào)與動(dòng)生電流之間的相移，但不會(huì)影響電隔離的副抽頭。由于希望為現(xiàn)實(shí)負(fù)載變化提供最大的壓電變壓器輸出，所以壓電變壓器的輸出信號(hào)20受到監(jiān)控，且用來(lái)提供相位校正。
本優(yōu)選第二實(shí)施例包括一相位校正網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括耦合到壓電變壓器12輸出信號(hào)20上的電容分壓器C7和C8，電容分壓器C7和C8用來(lái)將高信號(hào)電平降低到更可用的電平。C7與C8電抗比約為1∶100，以便基本上消除輸出信號(hào)20的任何容性載荷，同時(shí)為整流器提供一足夠的信號(hào)電平。電容分壓器C7和C8可以由一等效電抗電阻分壓器代替?？墒?，電容分壓器集成的成本比高阻值電阻低，還更易于集成。同樣地，流過(guò)負(fù)載的電流可以通過(guò)插入一個(gè)電阻或電容而受到調(diào)節(jié)，該電阻或電容與負(fù)載的接地端相串聯(lián)。另外，本優(yōu)選第二實(shí)施例提供一個(gè)整流器或等效電路，該整流器耦合到分壓器上。該整流器將一信號(hào)輸出給一比較器，比較器將整流器輸出信號(hào)與一參考信號(hào)相比較，參考信號(hào)例如是來(lái)自膝上型計(jì)算機(jī)亮度控制的D/A輸出信號(hào)或另一類似源。然后比較器驅(qū)動(dòng)PLL的相位調(diào)整引腳。該P(yáng)LL可以包括比較器和電壓參考信號(hào)。
第一與第二優(yōu)選實(shí)施例中，圖3和5的電路適于驅(qū)動(dòng)一動(dòng)態(tài)負(fù)載，如一冷陰極LCD背照光裝置。有利的是，本發(fā)明提供一種適合LCD背照光裝置動(dòng)態(tài)負(fù)載特性的裝置。而且，本發(fā)明可以與不同的燈組件一起使用，同時(shí)考慮了不同組件之間的寄生電容差。
用來(lái)驅(qū)動(dòng)的象LCD背照光這樣裝置的壓電變壓器必須工作于一個(gè)寬的(三十或更多個(gè))負(fù)載阻抗范圍，這歸因于燈放電導(dǎo)電(strikeconduction)和最大亮度之間的阻抗差。僅保持頻率恒定無(wú)法使燈放電和最大亮度具有足夠的電壓。寬范圍負(fù)載阻抗使峰值電壓輸出所需的頻率偏移100Hz以上。本發(fā)明使變壓器頻率總是鎖定在一峰值輸出電壓或一可預(yù)測(cè)的值上。
未放電燈與全輸出功率燈之間的阻抗差范圍在1Mohm～50kohm左右內(nèi)。如果壓電變壓器輸出是一恒定電壓，那么跟蹤不會(huì)成問題?？墒?，壓電變壓器必須在諧振狀態(tài)下工作，以實(shí)現(xiàn)最大的輸出電壓(或者可能是最大效率稍有不同的頻率)。還有，動(dòng)態(tài)負(fù)載變化使一阻抗反射(reflection)回到壓電變壓器中，改變了等效動(dòng)生電路諧振，由此改變諧振頻率。
希望將動(dòng)生電流用作反饋，因?yàn)閯?dòng)生電流的相位在峰值輸出電壓處為零?？墒?，動(dòng)生電流一般不易取得。另外，使用反饋的輸出信號(hào)可能會(huì)帶來(lái)一些問題。需要電阻性的耦合或電容性的耦合，以便直接接進(jìn)輸出。這由于包括不希望的相移而影響壓電變壓器的載荷，另外也影響燈的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化。
例如，圖6示出驅(qū)動(dòng)一負(fù)載RL的壓電變壓器等效電路的簡(jiǎn)化模型。C1是壓電變壓器的低頻輸入電容。Lm和Cm分別是諧振機(jī)構(gòu)的等效動(dòng)生電感和動(dòng)生電容。CO是與任意負(fù)載電容相并聯(lián)的低頻輸出電容。RL是動(dòng)態(tài)燈電阻。應(yīng)指出的是，CO和RL由變壓器匝數(shù)比變換。當(dāng)燈關(guān)閉時(shí)，RL基本上斷開，而CO與Cm相串聯(lián)。這種情況下，壓電變壓器在其最高頻率處產(chǎn)生諧振。當(dāng)RL降低時(shí)，它并聯(lián)CO，使諧振點(diǎn)能接近壓電變壓器的最低頻率。
圖7示出兩個(gè)負(fù)載條件的計(jì)算頻率和相位，這兩個(gè)負(fù)載分別是RL＝10kohm和RL＝1Mohm，且CO＝10pf。下部的曲線32、34是進(jìn)入RL的有效功率。如圖所示，10kohm負(fù)載的最大功率在頻率約為78kHz的地方。1Mohm負(fù)載的最大功率在頻率約為80kHz的地方。中間的曲線36、38是兩負(fù)載輸出電壓的相位。上部的曲線40、42是兩負(fù)載動(dòng)生電流的相位。應(yīng)指出的是，對(duì)于兩個(gè)負(fù)載條件來(lái)說(shuō)，動(dòng)生電流的相位為零，但輸出電壓的相位相對(duì)于兩個(gè)負(fù)載條件偏移約90°。
如果一PLL鎖定在燈負(fù)載(高RL)上輸出電壓的-90°相位處，那么當(dāng)該負(fù)載增大(RL更低)時(shí)，鎖定頻率將位于最大功率輸出的不適當(dāng)頻率處。顯然，如果環(huán)路能夠只鎖定在動(dòng)生電流的相位處，那么可以實(shí)現(xiàn)最大的輸出功率跟蹤。
通常，無(wú)法得到動(dòng)生相位的輸出。如上所述，對(duì)輸出電流的鎖相有些困難。對(duì)輸入電流的鎖相也有困難，因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)零相位點(diǎn)。圖8示出10kohm和1Mohm各自的輸入電流相位曲線44、46，以及用于參考的有效功率曲線。任一負(fù)載的兩個(gè)零相位點(diǎn)使PLL不穩(wěn)定，除非該頻率可以限制到只包括一個(gè)相位點(diǎn)的頻率范圍內(nèi)。這對(duì)于壓電變壓器的窄頻帶工作來(lái)說(shuō)是不實(shí)際的。
本發(fā)明提供這些問題的一種解決方案，這種方案提供一反饋信號(hào)，該反饋信號(hào)跟隨動(dòng)生電流相位，且從與輸出信號(hào)相關(guān)聯(lián)的相位變化上去耦。這通過(guò)利用一個(gè)設(shè)置在壓電變壓器上的副抽頭(在前面圖2和5中表示為24)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了得到跟蹤動(dòng)生電流的電壓輸出值，在輔助輸出(auxiliary output)兩端設(shè)置一電阻，它基本上小于副抽頭的容性電抗，優(yōu)選能產(chǎn)生與動(dòng)生電流成正比且同相的電壓。這樣，有利的是，本發(fā)明提供一反饋信號(hào)，該反饋信號(hào)跟蹤10kohm～1Mohm負(fù)載阻抗極值處的動(dòng)生電流。
圖9示出兩個(gè)負(fù)載條件下來(lái)自副抽頭的反饋信號(hào)的計(jì)算頻率和相位，這兩個(gè)負(fù)載分別是RL＝10kohm和RL＝1Mohm，且CO＝10pf。圖中還包括兩負(fù)載的有效功率曲線和動(dòng)生電流曲線。上部的曲線48、50分別是副抽頭10kohm和1Mohm負(fù)載的相位。應(yīng)指出的是，副抽頭信號(hào)表示對(duì)應(yīng)于最大功率輸出的零相位點(diǎn)。因此，來(lái)自副抽頭的信號(hào)可被成功地用來(lái)跟蹤最大功率輸出。
通過(guò)采用對(duì)應(yīng)于鎖相最大輸出功率的零相位點(diǎn)，本發(fā)明充分利用了副抽頭。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，副抽頭從壓電變壓器中取出的功率不大，因?yàn)槠涑叽缧?，且與輸出信號(hào)沒有明顯的容性耦合。此外，盡管本例中將本發(fā)明模擬為具有5∶1的匝數(shù)比，不過(guò)本發(fā)明也可用于其他壓電變壓器類型，這些類型包括Rosen、3階(3rd order)和多層的類型，但并不限于這些類型。
本發(fā)明提供一種用來(lái)驅(qū)動(dòng)鎖相結(jié)構(gòu)下的壓電變壓器的方法。該方法包括多個(gè)步驟，第一步是提供能在不穩(wěn)定模式下工作且具有一觸發(fā)輸入端和與分壓網(wǎng)絡(luò)相耦合的閾值輸入端的555定時(shí)電路，還提供一相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)和適于驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的輸出信號(hào)。第二步包括向定時(shí)電路供電，以使振蕩輸出信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)壓電變壓器，從而當(dāng)壓電變壓器在諧振頻率處受到驅(qū)動(dòng)時(shí)從壓電變壓器中產(chǎn)生一輸出量。第三步包括把從壓電變壓器上得到的相位信號(hào)施加給定時(shí)電路的觸發(fā)輸入端。最后一步包括通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)將相位信號(hào)耦合到定時(shí)電路的閾值輸入端。當(dāng)該相位信號(hào)升到向壓電變壓器的頻率提供鎖定的閾值之上時(shí)，該相位信號(hào)觸發(fā)閾值輸入端。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，提供的步驟包括響應(yīng)于從壓電變壓器上得到的相位變化而提供一相位校正網(wǎng)絡(luò)的步驟，該網(wǎng)絡(luò)將一相位校正信號(hào)施加到相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)上，以保持壓電變壓器的最大功率和效率。
有利的是，該方法提供一種鎖相壓電變壓器驅(qū)動(dòng)電路，該電路僅用單獨(dú)一個(gè)相位輸入端，而不用傳統(tǒng)的PLL電路。另外，該方法使驅(qū)動(dòng)電路適用于動(dòng)態(tài)負(fù)載條件。此外，該方法需要采用一參考信號(hào)，且該方法對(duì)壓電變壓器的諧振頻率進(jìn)行跟蹤，以便使壓電變壓器工作在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件的最大效率和功率輸出下。
盡管已經(jīng)描述和表示出本發(fā)明的各種實(shí)施例，不過(guò)應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明較寬范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)前述實(shí)施例進(jìn)行各種修改和替換以及重新整理和結(jié)合。
權(quán)利要求
1．一種用來(lái)驅(qū)動(dòng)一動(dòng)態(tài)負(fù)載的鎖相電路，包括一壓電變壓器，它具有一輸入部分和一輸出部分；和一相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，它響應(yīng)于從輸出部分耦合出的反饋相位信號(hào)，該相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路將一驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給壓電變壓器的輸入信號(hào)，將該驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖相至反饋相位信號(hào)，以使壓電變壓器可在最大功率和效率下工作。
2．權(quán)利要求1的鎖相電路，其中輸出部分包括用來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)載的輸出電極，反饋相位信號(hào)從輸出電極耦合到相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路上。
3．權(quán)利要求l的鎖相電路，其中輸出部分包括一個(gè)副抽頭和用來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)載的輸出電極，該副抽頭提供反饋相位信號(hào)，并且與輸入電極和輸出電極相互電隔離，來(lái)自副抽頭的反饋相位信號(hào)具有比來(lái)自輸出電極的電平低的信號(hào)電平。
4．權(quán)利要求1的鎖相電路，其中相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路包括555定時(shí)電路定時(shí)電路的輸出信號(hào)所控制的功率元件；電感，它可通過(guò)該功率元件被變換耦合，以與壓電變壓器的輸入電容相諧振；相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)一電阻網(wǎng)絡(luò)耦合到定時(shí)電路的閾值輸入端；和外部元件，它們耦合到定時(shí)電路上，以便定時(shí)電路作為一個(gè)不穩(wěn)多諧振蕩器工作，施加由壓電變壓器的輸出部分提供的反饋相位信號(hào)，以過(guò)驅(qū)動(dòng)定時(shí)電路的閾值輸入信號(hào)，以便將定時(shí)頻率鎖定給反饋相位信號(hào)。
5．權(quán)利要求4的鎖相電路，還包括一相位校正網(wǎng)絡(luò)，其中反饋相位信號(hào)由一副抽頭提供，該副抽頭設(shè)置在輸出部分上，該相位校正網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)于動(dòng)態(tài)負(fù)載所引起的相位變化，將一相位校正信號(hào)施加給相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，以保持壓電變壓器的功率和效率最大。
6．權(quán)利要求5的鎖相電路，其中相位校正網(wǎng)絡(luò)包括一分壓網(wǎng)絡(luò)、一精密整流器、一比較器和一可變電阻元件，該分壓網(wǎng)絡(luò)將壓電變壓器的輸出信號(hào)耦合到精密整流器上，精密整流器將一整流信號(hào)輸出給比較器，比較器將該整流信號(hào)與一參考信號(hào)相比較，且比較器驅(qū)動(dòng)可變電阻元件以改變相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)中的電阻，以便調(diào)整反饋相位信號(hào)的相位，從而基本上防止動(dòng)態(tài)負(fù)載降低壓電變壓器的最大功率和效率。
7.權(quán)利要求1的鎖相電路，其中相位觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路包括一鎖相環(huán)(PLL)電路，它包括具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的相位比較器和具有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的壓控振蕩器(VCO)；一功率元件，它由VCO的輸出端控制；一電感，它可通過(guò)功率元件被變換耦合，以與壓電變壓器的輸入電容相諧振；一相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，它耦合在相位比較器一個(gè)輸出端和VCO輸入端之間，一反饋相位信號(hào)由壓電變壓器的輸出部分提供，該反饋相位信號(hào)被施加給相位比較器的一個(gè)輸入端，VCO的輸出信號(hào)施加給相位比較器的第二個(gè)輸入端，以便將VCO的頻率鎖定給反饋相位信號(hào)。
8.權(quán)利要求7的鎖相電路，其中相位調(diào)整網(wǎng)絡(luò)包括具有一輸出端、一反相輸入端和一同相輸入端的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器的輸出端耦合到VCO的一個(gè)輸入端，一電容從運(yùn)算放大器的輸出端接至反相輸入端，一電阻將相位比較器的輸出端耦合到反相輸入端，一相位調(diào)整信號(hào)耦合到同相輸入端，該運(yùn)算放大器構(gòu)造成一個(gè)積分器，以使PLL工作在一窄相位范圍上，且PLL的增益基本上被增大。
9.權(quán)利要求1的鎖相電路，其中動(dòng)態(tài)負(fù)載是一個(gè)熒光燈。
全文摘要
一種用來(lái)以一鎖相模式驅(qū)動(dòng)壓電變壓器(12)的電路(10),它不用外部參考信號(hào)。該電路(10)采用工作在穩(wěn)定模式下的555定時(shí)電路,該電路響應(yīng)于從壓電變壓器(12)的輸出信號(hào)(20)耦合來(lái)的反饋相位信號(hào)(18)。反饋相位信號(hào)(18)過(guò)驅(qū)動(dòng)定時(shí)器的觸發(fā)電路,從而在壓電變壓器(12)的諧振頻率處將定時(shí)器鎖相至壓電變壓器(12)的輸出信號(hào)。該電路(10)提供一個(gè)簡(jiǎn)化的鎖相電路而無(wú)需普通的PLL結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L41/04GK1261986SQ98806902
公開日2000年8月2日 申請(qǐng)日期1998年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月7日
發(fā)明者H·W·梅克 申請(qǐng)人:Cts公司