專利名稱：壓電變壓器的脈沖位置調(diào)制驅(qū)動(dòng)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，具體涉及采用脈沖位置調(diào)制/相位調(diào)制用于驅(qū)動(dòng)多段壓電變壓器的變壓電路。
一般情況下，壓電變壓器用于電視、影印機(jī)、LCD背光源等的電源中?，F(xiàn)有壓電變壓器是以眾所周知的Rosen設(shè)計(jì)(美國(guó)專利2830274)為基礎(chǔ)的。這些現(xiàn)有高壓變壓器設(shè)計(jì)具有包括驅(qū)動(dòng)部分和被驅(qū)動(dòng)部分的壓電陶瓷板，兩部分具有不同的極化性。不同的極化性為這些設(shè)計(jì)提供了電壓變換。然而，這些設(shè)計(jì)有幾個(gè)缺點(diǎn)。第一，壓電變壓器的輸入和輸出阻抗取決于變壓器的物理構(gòu)形。第二，變壓器的電壓增益取決于輸入和輸出阻抗。第三，變壓器的效率也取決于輸入輸出阻抗。
上述設(shè)計(jì)的所有依賴性導(dǎo)致了不良的變壓器設(shè)計(jì)。例如，用戶一般規(guī)定需要增益用于具有特定負(fù)載阻抗的特殊應(yīng)用。那么，變壓器設(shè)計(jì)者必須設(shè)計(jì)具有要求增益、脈沖大小及變壓器尺寸的變壓器，以提供合適的阻抗，同時(shí)提供最大效率。由于這些參數(shù)具有共同的依賴性，因而不可能提供令人滿意的變壓器設(shè)計(jì)。具體說(shuō)，變壓器的最佳效率一般發(fā)生在窄負(fù)載阻抗范圍內(nèi)，變壓器的最佳增益發(fā)生在該窄范圍外。因此，已證明很難提供具有可調(diào)增益的壓電變壓器。
可調(diào)增益是許多應(yīng)用的共同要求。例如，在手提式電腦的LCD背光源中，要提供恒定的電池電壓(一般為3-5伏)，需要驅(qū)動(dòng)變壓器具有可調(diào)增益，以提供可調(diào)的屏亮度。
現(xiàn)有方法試圖提供可調(diào)增益，以使該參數(shù)獨(dú)立于其它設(shè)計(jì)參數(shù)。提供可調(diào)增益的兩種現(xiàn)有方法包括脈沖頻率調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制。脈沖頻率調(diào)制提供了作為在失諧頻率下驅(qū)動(dòng)變壓器的函數(shù)的可調(diào)增益。變壓器被驅(qū)動(dòng)得非諧越嚴(yán)重，則產(chǎn)生的輸出幅度越小，增益越小。由于壓電變壓器在諧振點(diǎn)不受驅(qū)動(dòng)，所以失諧狀態(tài)的缺點(diǎn)是操作變壓器的效率低于最佳效率。另外，由于變壓器是高Q器件，諧振頻率峰很窄，坡度很陡，所以難以在該坡度上控制工作點(diǎn)或?qū)⒐ぷ鼽c(diǎn)保持在該坡度的同一側(cè)，因此增益受不良影響。此外，變壓器頻率將隨工作溫度的變化而漂移。
脈沖頻率調(diào)制中的驅(qū)動(dòng)電路采用要求的輸出和實(shí)際輸出間的誤差信號(hào)改變?cè)擃l率。所需頻率的改變?nèi)Q于增益與相位曲線的斜率。然而，該斜率的大小和極性都改變，會(huì)導(dǎo)致難以控制的反饋模式。在斜率極性受限的情況下，只可以保持穩(wěn)定性和收斂性。另外，變壓器的高Q性質(zhì)及隨溫度和負(fù)載頻率的改變使這種驅(qū)動(dòng)電路的工作進(jìn)一步復(fù)雜化。
脈沖寬度調(diào)制提供了作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比的函數(shù)的可調(diào)輸出電壓。從標(biāo)準(zhǔn)的50％占空比改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，降低了基本頻率的幅度，減小了該頻率下的輸出電壓。脈沖寬度調(diào)制的缺點(diǎn)是將電源變換到諧波的頻率，降低了效率，引發(fā)了不想要的信號(hào)。
所以，需要一種新壓電變壓器，可以獨(dú)立地提供可調(diào)電壓增益，可以在壓電變壓器的諧振頻率下驅(qū)動(dòng)，可以用標(biāo)準(zhǔn)的50％占空比驅(qū)動(dòng)，以使到諧波頻率的能量變換最小，可以以最大效率工作，可以低成本制造。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例用于壓電變壓器的簡(jiǎn)化變壓電路的框圖；圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明圖1的電路所用的擴(kuò)張模式壓電變壓器的側(cè)視圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明典型特殊極化壓電變壓器的側(cè)視圖，和展示偶次諧波工作模式的曲線圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明典型的改型Rosen型壓電變壓器的側(cè)視圖，和展示奇次諧波工作模式的曲線圖；圖3展示了根據(jù)本發(fā)明用于驅(qū)動(dòng)圖2A和2B的壓電變壓器的輸入的調(diào)制了脈沖位置的波形；圖4是根據(jù)本發(fā)明在相移范圍上用圖3的調(diào)制了脈沖位置的波形驅(qū)動(dòng)時(shí)，圖2A和2B的壓電變壓器的輸出增益的曲線圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q1、Q2、Q3和Q4的圖1所示變壓電路的輸入電路的具體電路圖；圖6是展示根據(jù)本發(fā)明用于驅(qū)動(dòng)圖2所示壓電變壓器的輸入的圖5所示輸入電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的示圖；圖7展示了用于記載根據(jù)本發(fā)明圖5和6的輸入電路的工作情況的波形；
圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例采用已相位調(diào)制的正弦波形驅(qū)動(dòng)圖2A和2B的壓電變壓器輸入的簡(jiǎn)化變壓電路的框圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于驅(qū)動(dòng)壓電變壓的信號(hào)輸入的簡(jiǎn)化變壓電路的框圖，壓電變壓器提供相加的兩個(gè)具有可調(diào)相位關(guān)系的輸出；圖10是根據(jù)本發(fā)明用于圖9的變壓電路的壓電變壓器的側(cè)視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明采用了圖8的脈沖位置調(diào)制電路后輸出電壓理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Vin1和Vin2間相位差的關(guān)系曲線圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明采用了圖8的脈沖位置調(diào)制電路后壓電變壓器的效率與Vin1和Vin2間相位差的關(guān)系曲線圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明采用了圖8的脈沖位置調(diào)制電路后壓電變壓器的輸入阻與Vin1和Vin2間相位差的關(guān)系曲線圖。
本發(fā)明是采用脈沖位置調(diào)制(PPM)或相位調(diào)制(PM)調(diào)制到多段壓電變壓器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變壓電路。術(shù)語(yǔ)多段是指具有一個(gè)以上變壓器耦合輸入或輸出部分的構(gòu)形。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，壓電變壓器構(gòu)成為至少具有兩上獨(dú)立但具有耦合到至少一個(gè)被驅(qū)動(dòng)或輸出部分的干擾驅(qū)動(dòng)或輸入部分。輸入信號(hào)的相關(guān)系決定輸出信號(hào)的增益。
或者，可以采用單個(gè)驅(qū)動(dòng)或輸入部分，以至少驅(qū)動(dòng)兩個(gè)被驅(qū)動(dòng)或輸出部分。這種情況下，輸出部分產(chǎn)生的信號(hào)在外部電路中單獨(dú)相移，然后在例如差分放大器或相比較器電結(jié)合或相加，以提供對(duì)應(yīng)于輸出信號(hào)相位的相對(duì)差的可調(diào)增益輸出。另一實(shí)施例中，電控制該電壓增益，代替通過(guò)干擾壓電振動(dòng)提供電壓增益。該另一實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是輸入電路可以設(shè)計(jì)為獨(dú)立于電路的其余部分與變壓器的輸入部分一起自諧振，同時(shí)相移器獨(dú)立調(diào)節(jié)輸出電壓。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，變壓電路至少產(chǎn)生兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些信號(hào)之間具有可調(diào)的相位滯后，較好是具有基本相同的波形和幅度。這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到壓電變壓器的至少兩個(gè)各自獨(dú)立且干擾的多段輸入。每個(gè)輸入部分產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的受另一輸入部分產(chǎn)生的振動(dòng)干擾的壓電振動(dòng)。由于各驅(qū)動(dòng)部分振動(dòng)間的相位差從基本同相位調(diào)節(jié)到基本反相，所以變壓器驅(qū)動(dòng)部分的壓電振動(dòng)從提供最大增益輸出的基本完全相長(zhǎng)干涉到提供最小增益輸出的基本完全相消干涉。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)壓電變壓器使之以有效的基本恒定的諧振頻率和基本恒定的50％的占空比工作，同時(shí)提供很寬的可調(diào)增益輸出?；蛘?，通過(guò)采用反饋回路中的變壓器特性，驅(qū)動(dòng)電路可以保持諧振。
采用脈沖位置調(diào)制的變壓電路的實(shí)施例包括開關(guān)電路，基本上提供方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采用開關(guān)電路的優(yōu)點(diǎn)在于，開關(guān)電路具有高功效。采用相位調(diào)制的變壓電路的一個(gè)實(shí)施例包括用于基本上提供正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的振蕩電路。在不用方波開關(guān)功能驅(qū)動(dòng)變壓器時(shí)，采用相位調(diào)制特別有益。這是因?yàn)閴弘娮儔浩骼谜也üぷ髯钣行?。另外，壓電變壓器的一個(gè)輸入可以設(shè)計(jì)成采用簡(jiǎn)單且有效的電路自激振蕩，同時(shí)第二信號(hào)可以在分離的相移電路中相移，以驅(qū)動(dòng)第二輸入。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，變壓器功率轉(zhuǎn)換電路中，就包括壓電變壓器、電路的輸入和電路的輸出的所有各元件來(lái)說(shuō)，有一個(gè)折衷。由于電路的輸入和輸入一般比壓電變壓器的效率低，所以優(yōu)選采用輸入電路的脈沖位置調(diào)制開關(guān)電路以便功率轉(zhuǎn)換效率最大。然而，已相位調(diào)制的正弦波實(shí)施例對(duì)于需要最大壓電變壓器效率的應(yīng)用來(lái)說(shuō)更有益。
圖1展示了本發(fā)明第一實(shí)施例簡(jiǎn)化的變壓電路10的框圖，該電路采用了具有壓電干擾多路輸入驅(qū)動(dòng)部分的壓電變壓器12。變壓電路10包括輸入電路14，用于至少提供兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vin1 18和Vin2 20，這兩個(gè)信號(hào)間具有可調(diào)相位關(guān)系。驅(qū)動(dòng)信號(hào)18和20具有壓電變壓器12的基本諧振頻率，它們加于驅(qū)動(dòng)部分上，從而驅(qū)動(dòng)信號(hào)18和20間的相位關(guān)系的調(diào)節(jié)引起壓電變壓器12的輸出Vout 22處增益的相應(yīng)調(diào)節(jié)。
一般情況下，變壓電路10還包括一個(gè)輸出電路16，用于給壓電變壓器的輸出提供預(yù)定的負(fù)載阻抗。根據(jù)將滿足的應(yīng)用，可以提供許多已知輸出電路中的一個(gè)。首先，壓電變壓器的輸出可以應(yīng)用于直接驅(qū)動(dòng)AC器件，而不用任何專門的介入元件。然而，一般情況下，需要某種專門的輸出電路160。DC整流電路一般用于提供DC輸出。另外，將需要阻抗匹配電路來(lái)匹配壓電變壓器的最佳工作負(fù)載阻抗與特殊的用戶應(yīng)用輸入阻抗。以上介紹的提供不同輸出電路16的技術(shù)都是現(xiàn)有技術(shù)已知的，這里不再贅述。
圖2A和2B是壓電變壓器12的側(cè)視圖，每個(gè)具有用于圖1所示變壓電路10的擴(kuò)張模式振動(dòng)。展示了每個(gè)壓電變壓器12具有帶兩組限定壓電變壓器12的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)部分26的相對(duì)驅(qū)動(dòng)電極24的壓電板。此外，該板至少具有一個(gè)基本無(wú)電極(non-electroded)部分，該部分由限定壓電變壓器12的輸出22 Vout的至少一個(gè)輸出電極28端接。驅(qū)動(dòng)部分26以厚度擴(kuò)張模式被驅(qū)動(dòng)，而無(wú)電極部分以長(zhǎng)度擴(kuò)張模式被驅(qū)動(dòng)。
圖2A的壓電變壓器以偶次諧波模式工作，如有關(guān)曲線圖所示。這類變壓器一般具有特殊極化的板(例如單晶型鈮酸鋰或特殊極化的陶瓷)。圖2B的壓電變壓器以奇次諧波模式工作，如圖有關(guān)曲線圖所示。這類變壓器的板一般具有相反極化部分(例如現(xiàn)有技術(shù)已知的改型Rosen型)。
關(guān)于偶次諧波模式(擴(kuò)展波長(zhǎng)為1λ的倍數(shù))，在Vin1和Vin2的電連接具有與同相的Vin1和Vin2相同的極性時(shí)，可獲得Vout的最大輸出，如圖2A所示。關(guān)于奇次諧波模式(擴(kuò)展波長(zhǎng)為λ/2的倍數(shù))，在Vin1和Vin2的電連接具有與同相的Vin1和Vin2相反的極性時(shí)，可獲得Vout的最大輸出，如圖2B所示?；蛘撸绻鸙in1和Vin2反相，電連接的極性可以反過(guò)來(lái)，以得到Vout的最大輸出，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以控制板的極性和方向，并且不管Vin1和Vin2是同相還是反相，都可以通過(guò)使電連接的極性為圖2A和2B中表示的一種補(bǔ)償這些改變，但不脫離本發(fā)明的范圍。
此外，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，具有干擾輸入或輸出部分的所有變壓器都可應(yīng)用于本發(fā)明?，F(xiàn)有技術(shù)中已介紹了具有多路輸入和/或輸出的不同壓電變壓器。本發(fā)明第一實(shí)施例可成功地應(yīng)用于特定壓電變壓器設(shè)計(jì)的輸入或輸出部分電氣上獨(dú)立的且彼此振動(dòng)干擾的那些現(xiàn)有設(shè)計(jì)中。
圖3示出了脈沖位置調(diào)制過(guò)的波形，驅(qū)動(dòng)圖2A和2B的壓電變壓器的各驅(qū)動(dòng)部分的Vin1和Vin2。Vin1和Vin2的周期為2To，Vin2相對(duì)于Vin1的相位具有可變的相移，T。較好是周期2To選擇為基本上等于壓電變壓器的諧振頻率的周期。更好是Vin1和Vin2的占空比選擇為約為百分之五十。
圖4示出了用在從零到π(180°)相對(duì)相移的相移范圍內(nèi)脈沖位置調(diào)制過(guò)的波形圖3的Vin1和Vin2驅(qū)動(dòng)時(shí)，圖2A和2B的壓電變壓器的輸出增益Vout的曲線圖。Vout近似為余弦函數(shù)，其周期(2To)響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位差T。在零(或360度的整數(shù)倍時(shí))相對(duì)相移時(shí)，Vin1和Vin2同相，Vout最大。在π(180°)或360度+π(180°)的整數(shù)倍的相對(duì)相移時(shí)，Vin1和Vin2反相，Vout最小。在兩相移之間，Vout近似呈余弦函數(shù)變化，如圖所示。
圖5是圖1的變壓電路10的輸入電路14的優(yōu)選實(shí)施例的具體電路圖。輸入電路14向驅(qū)動(dòng)壓電變壓器(圖6所示)的各輸入的開關(guān)提供原始信號(hào)36和相移信號(hào)38。較好是，信號(hào)36、38為占空比基本上為50％的方波，該波偏移由外相位控制40確定的相對(duì)相移。輸入電路14包括鋸齒波發(fā)生器30，原始信號(hào)發(fā)生器32和相移發(fā)生器34，產(chǎn)生原始信號(hào)36(Q1和Q2)及相移信號(hào)38(Q3和Q4)，這些信號(hào)加到壓電變壓器(圖6所示)的輸入。
鋸齒波發(fā)生器30包括自激振蕩比較電路，輸出斜坡信號(hào)和方波信號(hào)Q0。分壓器耦合到比較器的非反相(non-inverting)輸入，從比較器的輸出受驅(qū)動(dòng)。比較器的輸出耦合到串聯(lián)電阻R和旁路電容C。各信號(hào)的頻率由串聯(lián)電阻和旁路電容的RC時(shí)間常數(shù)確定。R和C的值選擇為產(chǎn)生相當(dāng)于壓電變壓器的諧振頻率的約兩倍的頻率。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，R和C中至少一個(gè)制成可利用所屬領(lǐng)域的已知技術(shù)變化和外部控制。在R和C的結(jié)提供斜坡信號(hào)。斜坡信號(hào)還通過(guò)二極管耦合回比較器的反相輸入和比較器的輸出。
原始信號(hào)發(fā)生器32為JK觸發(fā)器。該觸發(fā)器的J和K引線保持高。從鋸齒波發(fā)生器30的比較器輸出給觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入提供方波信號(hào)Q0。JK觸發(fā)器輸出原始信號(hào)36，其在相當(dāng)于壓電變壓器諧振頻率的頻率Qo的一半時(shí)具有基本上為50％的占空比。
相移發(fā)生器34包括比較器和JK觸發(fā)器。觸發(fā)器的J和K引線保持高。比較器比較來(lái)自連接到非反相輸入的鋸齒波發(fā)生器30的斜坡信號(hào)與連接到反相輸入的相控制40，從比較器產(chǎn)生可變輸出信號(hào)。比較器輸出耦合到JK觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入，該觸發(fā)器輸出在頻率Qo的約一半時(shí)占空比基本為50％的相移信號(hào)38。
圖6是展示圖5的輸入電路的初極和相移信號(hào)Q1、Q2、Q3和Q4如何用于驅(qū)動(dòng)給圖2A的偶次諧波壓電變壓器的輸入提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vin1和Vin2的開關(guān)，如圖所示。應(yīng)注意，Q3和Q4開關(guān)可以互換，以給圖2B的奇次諧波壓電變壓器的輸入提供正確定極性的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vin1和Vin2。這些開關(guān)較好是晶體管開關(guān)。所屬領(lǐng)域已知有許多開關(guān)結(jié)構(gòu)，其中任何一個(gè)可同樣應(yīng)用于本發(fā)明。
圖7展示了用于描述輸入電路14及圖5和6的壓電變壓器開關(guān)的工作情況的波形。第一和第二波形展示為鋸齒斜坡波形和由鋸齒波發(fā)生器30提供的比較器輸出Qo。在鋸齒波發(fā)生器30的比較器產(chǎn)生高輸出(Qo為高)時(shí)，電容C通過(guò)電阻R充電，形成增大的斜坡電壓。由于斜坡電壓跨越(cross)由比較器的非反相輸入上的分壓器限定的閾值，所以比較器的輸出變低(Qo為低)。這使得電容C通過(guò)二極管快速放電，該周期重新開始。預(yù)先確定R和C的值，以提供基本上等于壓電變壓器諧振頻率周期一半的周期。
比較器輸出Q0加于原始信號(hào)發(fā)生器32的JK觸發(fā)器時(shí)鐘輸入上。原始信號(hào)發(fā)生器32的JK觸發(fā)器的J和K輸入保持高。這使得JK觸發(fā)器的Q輸出在時(shí)鐘信號(hào)Q0的每個(gè)上升沿改變狀態(tài)。實(shí)際上，這產(chǎn)生了一個(gè)方波，為基本上具有50％占空比的信號(hào)，頻率為Q0的大約一半，而Q0基本上等于壓電變壓器的諧振頻率。該信號(hào)Q1加于耦合在壓電變壓器的第一輸入42和Vdd間的開關(guān)上。JK觸發(fā)器還輸出Q2，為對(duì)Q的互補(bǔ)信號(hào)，與Q1的極性相反。該信號(hào)Q2加于耦合在壓電變壓器的第一輸入42與地之間的開關(guān)上。在Q1變高時(shí)，接Vdd的相應(yīng)開關(guān)關(guān)閉(由于Q2變低，接地的開關(guān)打開)，驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的第一輸入42，Vin1，高。所得信號(hào)Vin1具有相當(dāng)于Q1和壓電變壓器的諧振頻率的頻率。
來(lái)自鋸齒波發(fā)生器30的比較器的斜坡信號(hào)加于相移發(fā)生器34的比較器的非反相輸入上，并被比較到耦合到比較器的反相輸入的相控制。比較器的輸出耦合到相移發(fā)生器34的JK觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。相移發(fā)生器34的JK觸發(fā)器的J和K輸入保持高。這使得JK觸發(fā)器的Q輸出在比較器輸出的每個(gè)上升沿改變狀態(tài)。斜坡信號(hào)跨越相位控制的閾值時(shí)，比較器的輸出變高，引起Q輸出變高。實(shí)際上，這產(chǎn)生了一個(gè)方波，為基本上具有50％占空比的信號(hào)，頻率為比較器輸出頻率的大約一半，而后者等于壓電變壓器的諧振頻率。該信號(hào)Q3加于耦合在壓電變壓器的第二輸入44與Vdd間的開關(guān)上。JK觸發(fā)器還輸出Q4，它是Q3的互補(bǔ)信號(hào)，與Q3的極性相反。該信號(hào)Q4加于耦合在壓電變壓器的第二輸入44與地之間的開關(guān)上。在Q3變高時(shí)，對(duì)應(yīng)的接Vdd的開關(guān)關(guān)閉(由于Q4變低，接地開關(guān)打開)，驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的第二輸入44，Vin2，使之變高。所得信號(hào)Vin2具有相當(dāng)于Q3和壓電變壓器的諧振頻率的頻率。
信號(hào)Q1、Q2、Q3和Q4都具有相當(dāng)于壓電變壓器的諧振頻率的頻率。然而，Q3和Q4從Q1和Q2相移等于斜坡信號(hào)跨越相控制閾值所花時(shí)間的時(shí)間周期。在相控制閾值增大時(shí)，斜坡信號(hào)跨越其所花的時(shí)間增多。因此，這相應(yīng)增大了Vin1和Vin2間的相對(duì)相移。圖5和6的特殊電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，已相移的信號(hào)38可以在0度和180度之間相對(duì)于原始信號(hào)36連續(xù)調(diào)節(jié)，提供對(duì)壓電變壓器輸出22的控制，而不改變各開關(guān)的占空比。
圖8是第二實(shí)施例的簡(jiǎn)化變壓電路的框圖，采用了已相位調(diào)制的正弦波形，用于驅(qū)動(dòng)圖2的壓電變壓器的輸入。該實(shí)施例中，輸入電路(圖1中的14所示)被振蕩電路46和相移器48代替。變壓器12的第一輸入端42由振蕩器產(chǎn)生的正弦波50 Vin1在壓電變壓器12的諧振頻率下驅(qū)動(dòng)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所屬領(lǐng)域已知有許多振蕩電路，它們中的任何一個(gè)皆可成功地應(yīng)用于本發(fā)明。正弦波50 Vin1還加于受外部相位控制器控制的可變相移器48上。相移器48提供基本上等于Vin1但具有響應(yīng)于相控制的相對(duì)相移的第二正弦波52 Vin2。該第二正弦波52 Vin1加于壓電變壓器的第二輸入44上。已相移的信號(hào)Vin2在0度和180度間可相對(duì)于振蕩信號(hào)Vin1連續(xù)調(diào)節(jié)，以前述方式提供對(duì)壓電變壓器輸出22的控制。
在替代的第二實(shí)施例中，變壓器12的第一輸入42在壓電變壓器12的諧振頻率下與振蕩電路46一起自激振蕩。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所屬領(lǐng)域已知有許多晶體振蕩電路，例如Colpitts設(shè)計(jì)，它們可成功地應(yīng)用于本發(fā)明，從而與第一輸入42一起發(fā)生自激振蕩。提供自激振蕩的優(yōu)點(diǎn)在于，振蕩電路46自己調(diào)節(jié)到與壓電變壓器的諧振頻率相符。有利之處是這產(chǎn)生更簡(jiǎn)單更低成本的電路布局。
圖9展示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的簡(jiǎn)化變壓電路110，該變壓電路采用了具有已相位調(diào)制的電干擾多輸出驅(qū)動(dòng)部分的變壓器。變壓電路110包括提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)118 Vin1的驅(qū)動(dòng)電路114，該驅(qū)動(dòng)電路耦合到壓電變壓器112的驅(qū)動(dòng)部分，具有壓電變壓器112的諧振頻率。壓電變壓器112給輸出電路116提供兩個(gè)輸出信號(hào)Vout1 120和Vout2 122。輸出電路116調(diào)節(jié)隨后將相加的Vout1 112和Vout2 122間的相對(duì)相位。Vout1 120和Vout2 122間的相位關(guān)系引起了電路110的輸出124處增益響應(yīng)于相控制信號(hào)的相應(yīng)調(diào)節(jié)。
或者，輸出電路116給壓電變壓器112的輸出提供預(yù)定的負(fù)載阻抗。此外，可采用阻抗匹配電路，用于匹配壓電變壓器的最佳工作負(fù)載阻抗與特殊用戶應(yīng)用?？梢圆捎幂敵鲭娐?16而不用任何介入整流元件直接驅(qū)動(dòng)AC器件?；蛘?，變壓電路110還可以包括耦合到輸出電路116的整流電路，提供DC輸出。根據(jù)要滿足的應(yīng)用，可采用已知的數(shù)個(gè)整流電路中的任一個(gè)。提供整流電路的技術(shù)在所屬領(lǐng)域是眾所周知的，這里不再介紹。
在優(yōu)選實(shí)施例中，輸出電路116包括相移器130和加法電路132，它們都耦合到壓電變壓器112的各輸出Vout1 120和Vout2 122，并給這些輸出提供預(yù)定負(fù)載阻抗。相移器130具有與圖5的相移器48類似的結(jié)構(gòu)。加法電路是所屬領(lǐng)域公知的，可以包括例如差分放大器或相位比較器。相移器130給加法電路132提供相移可調(diào)的Vout2信號(hào)，該信號(hào)將與Vout1 120相加，從而響應(yīng)于相位控制提供可調(diào)增益輸出124。
圖10是具有擴(kuò)展振動(dòng)模式且用于圖9的變壓電路110中的壓電變壓器112的側(cè)視圖。示出了壓電變壓器112具有壓電板，壓電板上有一組限定壓電變壓器112的驅(qū)動(dòng)部分126的相反驅(qū)動(dòng)電極對(duì)125。此外，該壓電板至少基本有兩個(gè)無(wú)電極部分，它們至少由限定壓電變壓器112的兩輸出120、122 Vout1和Vout2的第一和第二輸出電極127、128端接，驅(qū)動(dòng)部分以厚度擴(kuò)張模式被驅(qū)動(dòng)，而無(wú)電極部分以長(zhǎng)度擴(kuò)張模式被驅(qū)動(dòng)。
第三實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，驅(qū)動(dòng)電路114(圖9所示)可以是在壓電變壓器的諧振頻率與輸入部分126一起自激振蕩的振蕩器設(shè)計(jì)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所屬領(lǐng)域已知有許多晶體振蕩器，例如Copitts設(shè)計(jì)，它們皆可成功地用于本發(fā)明，從而與輸入部分126一起自激振蕩。提供自激振蕩的優(yōu)點(diǎn)在于，驅(qū)動(dòng)電路114自調(diào)節(jié)到與壓電變壓器112的諧振頻率相符。好處是這產(chǎn)生與輸入和輸出電路電氣上無(wú)關(guān)的更簡(jiǎn)單更低成本的電路布局。
圖10的壓電變壓器可以用具有任何相位關(guān)系的Vout1和Vout2以偶次或奇次諧波工作。然而，該電路的最簡(jiǎn)單工作發(fā)生在Vout1與Vout2基本上同相或基本上反相時(shí)，從而產(chǎn)生最大或最小輸出124。對(duì)于兩種條件中任一個(gè)來(lái)說(shuō)，輸出電路116在基本上同相到基本上反相的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)Vout1和Vout間的相對(duì)相位。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以控制板的極性和方向，無(wú)論Vout1和Vout2得否基本同相或反相，都可以通過(guò)合適構(gòu)成的電連接極性補(bǔ)償這些改變，而不脫離本發(fā)明的范圍。
此外，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，所有具有多輸出部分的變壓器類型都可用于本發(fā)明。所屬領(lǐng)域中已介紹了具有多輸出的不同的壓電變壓器。本發(fā)明的第三實(shí)施例可成功地應(yīng)用于特殊壓電變壓器設(shè)計(jì)的輸入或輸出部分電獨(dú)立且振動(dòng)性干擾的這些設(shè)計(jì)。
在替代的第三實(shí)施例中，輸出電路包括開關(guān)電路，壓電變壓器的多個(gè)輸出通過(guò)該開關(guān)電路可開關(guān)地連接到負(fù)載上。開關(guān)信號(hào)在諧振、亞諧波或多倍的諧振頻率下驅(qū)動(dòng)該開關(guān)電路，以便輸出信號(hào)間的相對(duì)相位差引起負(fù)載處相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)。較好是輸出信號(hào)基本保持50％的占空比。
在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，壓電變壓器上至少具有兩個(gè)輸入和至少兩個(gè)輸出部分。該實(shí)施例完成了第二和第三實(shí)施例的組合，至少包括兩個(gè)輸入Vin1和Vin2，它們間具有第一可調(diào)相位關(guān)系，和至少兩個(gè)輸出Vout1和Vout2，它們間具有第二可調(diào)相位關(guān)系。第二可調(diào)相位關(guān)系獨(dú)立于第一可調(diào)相位關(guān)系可調(diào)。
本發(fā)明還包括驅(qū)動(dòng)多輸入變壓器的第一方法，例如圖2A和2B所示的那些方法。第一方法包括以下步驟用第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)在大約壓電板的諧振頻率下驅(qū)動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)部分，并用第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)在約壓電板的諧振頻率下驅(qū)動(dòng)第二驅(qū)動(dòng)部分，但第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)與第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有可調(diào)相位關(guān)系，以便從至少一個(gè)輸出電極得到的輸出信號(hào)顯示相應(yīng)的可調(diào)增益。兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的相位關(guān)系的調(diào)節(jié)引起了變壓器內(nèi)的振動(dòng)干涉，因而在壓電變壓器的輸出產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)于響應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的相位差的余弦函數(shù)的增益調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以是任何波形，包括方波形、正弦波形、三角波形、鋸齒波形和不規(guī)則波形。較好是第一和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有大致為50％的占空比。此外，對(duì)于最有效的工作來(lái)說(shuō)，兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)基本上有相同的波形和幅度。
采用圖2A所示的變壓器例子的電連接，用相同的同相信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一和第二輸入(如18和20所示)，在輸出電極產(chǎn)生了最大增益。用180度的反相信號(hào)驅(qū)動(dòng)這些輸入，在接收電極產(chǎn)生了最小增益。驅(qū)動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)部分與第二驅(qū)動(dòng)部分反相約90度，在輸出電極產(chǎn)生了約最大可能增益的
采用大致諧振頻率驅(qū)動(dòng)兩輸入，具有總使壓電變壓器在其最有效頻率下工作的優(yōu)點(diǎn)。用類似的同相信號(hào)驅(qū)動(dòng)圖2A的各驅(qū)動(dòng)部分，如所預(yù)計(jì)的，產(chǎn)生了最大增益和功率變換。用反相信號(hào)驅(qū)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)部分，產(chǎn)生了最小增益和功率變換。然而，令人吃驚的是，在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)部分反相工作時(shí)，由于變壓器的輸入阻抗隨相對(duì)相位差被最大化而相應(yīng)增大，所以變壓器幾乎沒(méi)有內(nèi)耗散功率作為浪費(fèi)的熱。
本發(fā)明還包括驅(qū)動(dòng)多輸出變壓器的第二方法，例如圖10所示的方法。第二方法包括以下步驟用驅(qū)動(dòng)信號(hào)在大致壓電板的諧振頻率驅(qū)動(dòng)壓電變壓器的輸入部分，相對(duì)于來(lái)自第一輸出部分的第一輸出信號(hào)，相移來(lái)自壓電變壓器的第二輸出部分的第二輸出信號(hào)，把第一和第輸出信號(hào)相加，所得相加的輸出信號(hào)顯示出響應(yīng)于第一和第二輸出信號(hào)間相對(duì)相位的可調(diào)增益。各輸出信號(hào)間的相位關(guān)系的調(diào)節(jié)引起了相加步驟中各輸出信號(hào)間的干涉，因而對(duì)相加的輸出信號(hào)增益的調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)于響應(yīng)各輸出信號(hào)間相位差的余弦函數(shù)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以是包括方波形、正弦波形、三角波形、鋸齒波形和不規(guī)則波形中的任意波形。較好是驅(qū)動(dòng)信號(hào)給輸入部分提供大約為50％的占空比。更好是驅(qū)動(dòng)信號(hào)與輸入部分一起自諧振，以提供更有效的正弦波輸入。
所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，采用圖10所示變壓器例子的電連接，并因變壓器以奇次諧波模式工作，輸出信號(hào)可以基本上同相或反相，取決于變壓器板的初始極化。在任一種情況下，把180度反相的各輸出信號(hào)相加產(chǎn)生了相加輸出的最小的增益，把同相的各輸出信號(hào)相加產(chǎn)生了相加輸出的最大增益。將第二輸出信號(hào)相移到與第一輸出信號(hào)約90度反相，產(chǎn)生大約最大可能增益的
的相加輸出。
采用大約諧振頻率驅(qū)動(dòng)輸入部分，具有總是可以在產(chǎn)生大功率變換的最有效頻率下使壓電變壓器工作的優(yōu)點(diǎn)。該第二方法的優(yōu)點(diǎn)在于，變壓器輸入可以是由自激振蕩電路驅(qū)動(dòng)的正弦波，這種驅(qū)動(dòng)比開關(guān)輸入電路驅(qū)動(dòng)更有效，進(jìn)而由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)自動(dòng)與變壓器的諧振頻率相符，不需要輸入信號(hào)頻率跟蹤或反饋。此外，各輸出信號(hào)在變壓器外干涉，進(jìn)一步減小了變壓器內(nèi)的內(nèi)部發(fā)熱。
例子除圖2A、2B和10所示的變壓器結(jié)構(gòu)外，本申請(qǐng)可以采用的其它可能變壓器實(shí)施例見Kawai等人的美國(guó)專利5365141、Ohnishi等人的美國(guó)專利5440195、Fukuoka等人的美國(guó)專利5463266，所有這些變壓器例如皆是具有兩個(gè)輸入的壓電變壓器。關(guān)于本發(fā)明，壓電變壓器所采用的電極精確結(jié)構(gòu)或壓電材料并不重要，只要至少采用兩個(gè)獨(dú)立且相干的輸入或輸出便可。
該例子試驗(yàn)的變壓器設(shè)計(jì)包括細(xì)長(zhǎng)的特殊極化的壓電晶體板135度Y切向的鈮酸鋰，其尺寸大約為長(zhǎng)20mm，寬4mm，厚0.4mm。板的壓電振蕩模式在板的長(zhǎng)度方向?yàn)閿U(kuò)張模式振蕩的大約一半諧振波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。板具有靠近板的第一端設(shè)置且限定第一驅(qū)動(dòng)部分的第一基本相對(duì)驅(qū)動(dòng)電極對(duì)，和靠近板的第二端部設(shè)置且限定第二驅(qū)動(dòng)部分的第二基本相對(duì)驅(qū)動(dòng)電極對(duì)，如圖2A所示。輸入電極對(duì)寬約4mm，長(zhǎng)約5mm(約波長(zhǎng)的一半)。
板在板的中間部分具有基本無(wú)電極區(qū)，限定輸出部分，并至少由按帶狀淀積在板中間部分附近寬約1mm的一個(gè)輸出電極端接。盡管可以在任何偶次諧波頻率下工作，但板選擇在590KHz的四次諧波頻率(兩個(gè)波長(zhǎng))下工作。板的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)和安裝支撐件位于從板的任一端算起四分之一波長(zhǎng)處。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在安裝支撐件位于振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以使板的壓電振動(dòng)的任何阻尼最小時(shí)，該變壓器的性能最佳。
圖11展示了采用圖8的電路時(shí)，壓電變壓器輸出電壓Vout的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Vin1和Vin2間相位差的關(guān)系曲線圖。虛線表示對(duì)于Vin1和Vin2間給定的相位差計(jì)算得到的余弦輸出電壓Vout。各數(shù)據(jù)點(diǎn)表示對(duì)于Vin1和Vin2間的給定相位差的實(shí)際輸出電壓。如可以看到的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算曲線十分吻合。
圖12展示了采用圖8的電路時(shí)，壓電變壓器的效率與Vin1和Vin2間相位差的關(guān)系曲線圖。該圖展示了本發(fā)明能夠在整個(gè)有用的相調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持效率。因而，效率保持在圖11所示的可用增益調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。
圖13展示了采用圖8的電路時(shí)，壓電變壓器的輸入阻抗與Vin1和Vin2間相位差的關(guān)系曲線。該圖展示了在通過(guò)從壓電變壓器的兩個(gè)輸入干擾壓電振動(dòng)減小增益(圖11所示)時(shí)，變壓器的輸入阻抗Zin有利地增大，減小了變壓器內(nèi)的電流和功率消耗。因此，使可能產(chǎn)生于變壓器內(nèi)的任何廢熱最少。
表1展示了對(duì)于壓電變壓器的同相相長(zhǎng)(最大增益)和反相相消(最小增益)驅(qū)動(dòng)條件的功耗。對(duì)于表1所示的相長(zhǎng)和相消驅(qū)動(dòng)兩種情況，驅(qū)動(dòng)輸入電壓為6伏峰到峰，輸出電路是13千歐的負(fù)載電阻。Pin為給變壓器的輸入功率，Pout是由變壓器引出的輸出功率。Vout是變壓器提供的輸出電壓。
表1在0度和180度之間相移間時(shí)增益的變化模式Pin Pout Vout相長(zhǎng)87.6mW38.8mW 63.5V相消9.0mW 0.4mW6.6V可以看到，輸出功率Pout在兩個(gè)增益極限間極大地改變(約100倍)。另外，在全相消干涉時(shí)，即使在該電路和變壓器設(shè)計(jì)不是最佳或與該試驗(yàn)的輸入或輸出電路阻抗不匹配時(shí)，壓電變壓器內(nèi)耗散的功率為8.6mW也很小。
盡管已展示和介紹了本發(fā)明的不同實(shí)施例，但應(yīng)理解，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)前述實(shí)施例進(jìn)行各種改形和替換及再設(shè)計(jì)和組合，而不脫離本發(fā)明的主要范圍。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)壓電變壓器(12)的變壓電路(10)，具有壓電干擾多輸入驅(qū)動(dòng)部分(26)，含有輸入電路(14)的變壓電路(10)包括其間具有可調(diào)相位關(guān)系的至少第一和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)，各驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)大致具有壓電變壓器(12)的諧振頻率，并被加到輸入驅(qū)動(dòng)部分(26)，從而各驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)間相位關(guān)系的調(diào)節(jié)引起壓電變壓器(12)的輸出(22)處增益的相應(yīng)調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)具有大約為50％的占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中輸入電路(14)是開關(guān)電路，用于給壓電變壓器(12)的驅(qū)動(dòng)部分(26)提供脈沖位置調(diào)制過(guò)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中輸入電路(14)是振蕩電路(46)，利用大致為正弦波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(50，52)給壓電變壓器(12)的驅(qū)動(dòng)部分(26)提供相位調(diào)制過(guò)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(50，52)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的變壓電路(10)，其中輸入電路(14)包括振蕩電路(46)，壓電變壓器的第一驅(qū)動(dòng)部分(42)可以與該振蕩電路(46)在大約諧振頻率自激振蕩，還包括一種響應(yīng)于相控制的可調(diào)相移電路(48)，該相位移電路(48)可調(diào)地相移來(lái)自振蕩電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(50)，并將已相移的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(52)加于壓電變壓器(12)的第二驅(qū)動(dòng)部分(44)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中壓電變壓器(12)的輸出(22)對(duì)應(yīng)于響應(yīng)各驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)間的相位差的余弦函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中壓電變壓器(12)的輸入阻抗響應(yīng)于輸入電路(14)的各驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)間的相位差。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中輸入電路(114)在大致變壓器(112)的諧振頻率下，給變壓器(112)的一個(gè)輸入部分提供約50％占空比的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)(118)，還包括具有與輸出信號(hào)(120，122)有關(guān)的多個(gè)輸出部分的壓電變壓器(112)和輸出電路(116)，輸出電路(116)提供來(lái)自變壓器(112)的第二輸出信號(hào)(122)相對(duì)于來(lái)自變壓器(112)的第一輸出信號(hào)(120)的可調(diào)相移，輸出電路(116)還包括加法電路(132)，用于把第一輸出信號(hào)(120)和已相移的第二輸出信號(hào)(122)相加，從而所得相加輸出信號(hào)(124)顯示具有響應(yīng)于第一輸出信號(hào)(120)和第二已相移的輸出信號(hào)(122)間相對(duì)相位的余弦函數(shù)的可調(diào)增益。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的變壓電路(10)，其中輸入電路(114)是振蕩電路，用于給壓電變壓器(112)的一個(gè)輸入部分提供大約為正弦波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(118)，使該輸入部分在大約諧振頻率與振蕩電路一起自激振蕩，其中輸出電路(116)包括響應(yīng)于相位控制的可調(diào)相移電路(130)，相移電路(130)可調(diào)地相對(duì)于第一輸出信號(hào)(120)相移壓電變壓器(112)的第二輸輸出信號(hào)(122)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的變壓電路(10)，其中輸入電路(114)至少提供兩個(gè)大約為正弦波的相位調(diào)制過(guò)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)，這些信號(hào)具有大約50％占空比，且其間具有可調(diào)的相位關(guān)系，驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)的頻率大約為壓電變壓器(12)的諧振頻率，這些信號(hào)(18，20)加于驅(qū)動(dòng)部分上，從而各驅(qū)動(dòng)信號(hào)間相位關(guān)系的調(diào)節(jié)引起變壓器(12)內(nèi)振動(dòng)干涉，由此在壓電變壓器(12)的輸出(22)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于響應(yīng)于各驅(qū)動(dòng)信號(hào)(18，20)間相位差的余弦函數(shù)的增益調(diào)節(jié)。
全文摘要
本壓電變壓器(12)的變壓電路(10)具有可以彼此壓電干涉的兩個(gè)輸入,以提供可調(diào)輸出增益。變壓電路(10)提供兩個(gè)脈沖位置調(diào)制過(guò)的輸入信號(hào)(18,20),它們具有基本相同波形,但彼此有相移。在各信號(hào)(18,20)相長(zhǎng)干涉時(shí),可得到最大增益。在兩個(gè)信號(hào)(18,20)相消干涉時(shí),得到最小增益。波形可以是包括方、正弦、三角、鋸齒或不規(guī)則中的任意一種。兩個(gè)輸入信號(hào)(18,20)的頻率為壓電變壓器(12)的諧振頻率,具有50%的占空比,以便總是在變壓器(12)中提供最高效率。此外,在兩個(gè)輸入信號(hào)(18,20)彼此壓電相消干涉時(shí),變壓器(12)的輸入阻抗升高,從而降低變壓器(12)內(nèi)的功耗,進(jìn)而降低不良的發(fā)熱效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L41/107GK1249068SQ97182086
公開日2000年3月29日 申請(qǐng)日期1997年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月5日
發(fā)明者J·黃, P·米德雅, B·M·曼奇尼 申請(qǐng)人:Cts公司