專利名稱：無零點交叉電流波紋的雙向負(fù)載驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一個差分負(fù)載驅(qū)動器電路，尤其關(guān)于電流較小時工作在線性模式下無電流波紋和電流較大或高功率效率時工作在脈寬調(diào)制(PWM)模式的差分負(fù)載驅(qū)動器電路。
背景技術(shù)：
PWM(Pulse Width Modulation)技術(shù)因其具有高效率，經(jīng)常用在電源電路中用來驅(qū)動大電流負(fù)載。比較而言，線性電流因其低效率，幾乎不用于大負(fù)載電流。但是在線性電流源中沒有切換信號，輸出電流沒有任何波紋。PWM驅(qū)動負(fù)載電流不可避免地存在電流波紋，波紋的幅度取決于PWM的開關(guān)頻率和濾波電路的衰減。
通常4個功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，簡略為MOSFET)連接成H-橋電路來驅(qū)動差分負(fù)載，圖1和2表示常規(guī)用于驅(qū)動一負(fù)載的H-橋電路。圖中的H-橋電路包括了4個開關(guān)(12，14，16和18)來驅(qū)動負(fù)載19。
圖1中電流流向從左到右定義為“制冷”方向。圖2中，電流流向從右到左定義為“加熱”方向。圖1、圖2示意了在加熱和制冷情況下驅(qū)動4個H-橋連接的功率MOSFET以驅(qū)動一電阻性負(fù)載所需的信號。例如，為驅(qū)動在制冷情況下(圖1)的負(fù)載，PWM信號施加到P1和N1，而P2、N2的柵都接高電平分別被截止和完全導(dǎo)通，其工作方式類似于我們熟悉的BUCK轉(zhuǎn)換器。PWM信號的占空比將控制通過電阻性負(fù)載的電流，由L1、C1、L2和C2組成的濾波器濾除通過負(fù)載的電流波紋。每一個電源開關(guān)都有相應(yīng)的預(yù)驅(qū)動電路(未畫出)以便能以合適的電平驅(qū)動開關(guān)。
這樣的設(shè)計在負(fù)載要求流過小電流時會遇到一些問題。在小電流的情況下，PWM信號的占空比相應(yīng)的會減小。無論如何，預(yù)驅(qū)動電路的驅(qū)動能力是受限于占空比的，而且功率MOSFET的柵極輸入電容是很大的。因此，非常小的占空比信號是不可能驅(qū)動這些功率MOSFET管，導(dǎo)致無法輸出所希望的小的加熱或制冷電流，同時當(dāng)輸出電流減小時，電流波紋相對于輸出直流電流所占百分比會迅速增加。
圖3、圖4是圖1、圖2變化后的另一種電路，它去掉了一側(cè)的濾波電路L2和C2，這樣可以節(jié)省成本和減少體積。但是這種電路在小輸出電流的情況下有和圖1、圖2一樣的波紋等問題。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，這個發(fā)明包含了一個H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，形成H-橋電路的4個電源開關(guān)選擇性地連接負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流；至少一個電流源；其中連接電源開關(guān)或者電流源到所述負(fù)載的所述電路是負(fù)載電流的函數(shù)。
另一方面，本發(fā)明包含一個差分負(fù)載驅(qū)動電路選擇性地連接一負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流的多個電源開關(guān)；多個電源開關(guān)驅(qū)動電路可操作以控制所述電源開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)并選擇地連接所述多個電源開關(guān)的至少一個到PWM信號；以及至少的一個電流源。其中電流源在小輸出電流的情況下給所述負(fù)載提供電流，所述PWM信號在大輸出電流的情況下給所述負(fù)載提供電流。
另外，這個發(fā)明提供一個H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其包括組成的一個H-橋電路的4組電源開關(guān)選擇地連接負(fù)載以為所述負(fù)載提供驅(qū)動電流；可操作多個以控制所述電源開關(guān)狀態(tài)以及選擇地連接所述多個電源開關(guān)中的至少兩個到PWM信號；以及至少一個電流源。在H-橋電路第一模式中，所述電流源連接到所述負(fù)載以為所所述負(fù)載提供電流，在第二模式中所述電源開關(guān)中的至少兩個連接PWM信號以為所述負(fù)載提供電流。
另外，本發(fā)明包含了一個差分驅(qū)動熱電制冷器(Thermal ElectricCooler，縮略為SET)的電路，其組成為多個電源開關(guān)選擇地連接熱電制冷器負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流；可操作多個電源開關(guān)驅(qū)動電路以控制所述電源開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)并選擇地將所述多個電源開關(guān)中的至少一個連接到PWM信號；以及至少的一個電流源。在差分驅(qū)動電路的第一模式中所述電流源連接到所述負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流，在第二種模式下所述電源開關(guān)的至少兩個連接到所述PWM信號以為所述負(fù)載提供電流。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，雖然結(jié)合優(yōu)選實施例和應(yīng)用方法進(jìn)行下面的詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不僅僅只是限制在這些優(yōu)選實施例和使用方法。相反的，本發(fā)明有較廣闊的應(yīng)用范圍，其由前附的權(quán)利要求書限定。


本發(fā)明的其它特征和便利參照附圖，如下面的詳細(xì)說明，是顯而易見的，其中相同的標(biāo)號表示相同的元件，并且其中圖1是一個傳統(tǒng)的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，用來描述制冷情況下的工作原理；圖2是一個傳統(tǒng)的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，用來描述加熱情況下的工作原理；圖3是一個另一種傳統(tǒng)的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，用來描述其制冷情況下的工作原理；圖4是一個另一種傳統(tǒng)的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，用來描述其加熱情況下的工作原理；圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的在線性制冷情況下的H-橋驅(qū)動電路工作示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的在PWM制冷情況下的H-橋驅(qū)動電路工作示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的在線性加熱情況下的H-橋驅(qū)動電路的另一工作示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的在PWM加熱情況下的H-橋驅(qū)動電路另一工作示意圖；圖9是本發(fā)明描述線性電流模式與PWM模式關(guān)系的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的在PWM加熱情況下的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路工作示意圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的在線性制冷情況下的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路工作示意圖；
圖12是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的在PWM制冷情況下的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路工作示意圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的在線性加熱情況下的另外一種H-橋負(fù)載驅(qū)動電路工作示意圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的在PWM加熱情況下的另外一種H-橋負(fù)載驅(qū)動電路工作示意圖；圖15是本發(fā)明負(fù)載驅(qū)動電路控制器的示意圖。
具體實施例方式
在下面的詳細(xì)說明中，負(fù)載19可以是一個熱電制冷器(ThermalElectrical Cooler，縮略為TEC)器件。TEC器件有加熱和制冷功能，取決于流經(jīng)它的電流的方向。TEC通常用作加熱/制冷器件來控制精密溫度，特別在光通信器件中。當(dāng)正向電流流過TEC時，TEC將加熱需要精密溫度控制的器件，當(dāng)反向電流流過時，TEC將制冷。無論如何，本發(fā)明并沒有限定用這種TEC負(fù)載或其它負(fù)載。
下面的細(xì)節(jié)描述主要集中在差分負(fù)載輸動電路功率等情況，將不討論相關(guān)的傳統(tǒng)的保護(hù)電路如過熱保護(hù)和過流保護(hù)電路，但這些電路可以包含在本發(fā)明的思想與范圍內(nèi)。本發(fā)明是一個工作于線性模式和PWM模式下的差分負(fù)載驅(qū)動電路(如H-橋電路)。線性模式工作用來克服小電流時的電流波紋。線性模式與PWM模式的輸出電流的切換點是可改變或由用戶定義。例如，切換點可以根據(jù)所期望的/可容忍的通過負(fù)載的電流波紋，H-橋的開關(guān)電路預(yù)驅(qū)動能力和/或其它考慮來選擇兩種工作模式的切換點。換句話說，本發(fā)明的差分負(fù)載驅(qū)動電路可受控工作在線性模式與PWM模式，這是它的一個功能。因此本文提到的流過負(fù)載的小電流的“小”是可以有廣意的解釋的，可以包括任意的電流值。而本文提到的流過負(fù)載的大電流只是相對于小電流而言(比小電流大)，可以解釋為比預(yù)先定義的通過負(fù)載的小電流大的任意電流。
另外，下面的細(xì)節(jié)描述將著重于H-橋差分負(fù)載驅(qū)動電路的具體實現(xiàn)上，而H-橋的工作原理是大家所熟知的，這里將不再討論。
圖5-8是一個根據(jù)本發(fā)明示意性實施例的差分負(fù)載驅(qū)動電路50。這種方法的電路中，開關(guān)電路52、54、56和58(分別對應(yīng)P1、P2、N1、N2的柵極)分別控制功率MOSFET管的開關(guān)狀態(tài)。電流源60和62是在H-橋的兩側(cè)為負(fù)載提供線性電流。
開關(guān)驅(qū)動電路52，54，56和58各自包含了多個開關(guān)(如圖所示)，選擇地操作該多個開關(guān)以將功率MOSFET的柵極接PWM信號或電源VCC或地。開關(guān)64和66用于為電流源到負(fù)載提供通路。在這種電路中，開關(guān)驅(qū)動電路包括了三個開關(guān)，分別對應(yīng)連接功率MOSFET管的柵極到PWM信號/VCC/或地。
這些開關(guān)包含在開關(guān)驅(qū)動電路52、54、56和58中，并且是示意性的。52和54同一時刻只能有一個連接到VCC。P型MOSFET器件P1和P2的柵極在線性工作模式時接至VCC，在加熱和制冷情況下N型MOSFET器件(N1和N2)的柵極分別交替地連接到VCC/地。
I.第一種方法圖5是本發(fā)明第一方法的在線性制冷情況下的H-橋驅(qū)動電路50工作示意圖。在這個示意的方法中，當(dāng)負(fù)載19需要小電流時由電流源60通過開關(guān)64供給。電流源60通常是一個線性電流源，可以包含有PMOS或NMOS器件，這些器件的輸出電流受控于一個輸入電壓或電流反饋信號(沒標(biāo)出，但這樣的負(fù)反饋控制方式是很好理解的)。這時MOSFET器件P1、P2和N1的柵極通過開關(guān)52、54和58接相應(yīng)的固定的信號，且沒有其它的開關(guān)動作，因此消除了負(fù)載電流的波紋。當(dāng)然這里電流源可以驅(qū)動零負(fù)載電流。圖7描述了工作在線性加熱情況下的電路50，電流源62通過開關(guān)66連接到負(fù)載。
然而電流源不能輸出非常大的負(fù)載電流，這時功耗和效率都成了很大的問題。如果需要大的電流，該發(fā)明就切換到PWM(方波調(diào)制)工作模式，如圖6(制冷)和圖8(加熱)所示。
當(dāng)從PWM工作模式切換到線性工作模式或者相反的模式切換時，線性電流源輸出電流的大小需要和PWM模式在負(fù)載上合成的工作電流相匹配。這可以減小PWM和線性工作模式切換電流的不同，提高輸出電流的連續(xù)性(當(dāng)然這點不是必須的)。這個要求可幫助避免電流源或者整個反饋系統(tǒng)潛在的振蕩。圖9中曲線90描述了線性模式和PWM模式的工作區(qū)域。切換點68已被標(biāo)出。如圖所示，這里可能需要(但是不是必要)PWM模式切換點的電流故意稍微小于線性模式切換點的電流。以確保電流控制量可以覆蓋所有的連接的負(fù)載電流。電流控制量可以是負(fù)載的電壓或者電流反饋信號。
II.第二種方法在應(yīng)用中如果只需要比較小的加熱電流，圖5-圖8可以減少電抗性L、C器件，如圖10中電路100所示。圖10是工作在PWM加熱模式的H-橋負(fù)載驅(qū)動的依照本發(fā)明的第二個方法一個實例電路。電路100在較小的線性加熱電流下的操作與以上圖5-圖8的描述相似，包括通過開關(guān)108到負(fù)載19的連接電流源106。在這第二個方法中，開關(guān)驅(qū)動電路102和104同圖5-圖8中驅(qū)動電路52和56相似。開關(guān)P2包括開關(guān)驅(qū)動電路110。在這種情況下電流源可以是由OTA(輸出跨導(dǎo)放大器)偏置的外部功率PMOS P2。依照這些原則可以為較小的制冷電流應(yīng)用搭建相似的電路。
開關(guān)驅(qū)動電路110是PMOS元件P2的偏置電路，可包含一個運算放大器112和電流或電壓反饋信號114，該運算放大器設(shè)置為差分放大器，其中的反饋信號與一個參考電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生一個P2柵極的偏置信號來控制P2的導(dǎo)通狀態(tài)，這樣P2就是一個受控電流源。當(dāng)然，在本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解搭建多種電流源，在本發(fā)明中，它們是等效的。
III.第三種方法在本方法中圖11-14中的一個LC濾波器被去掉。跟以前的結(jié)構(gòu)相比，這個結(jié)構(gòu)可以輸出較大的加熱或制冷電流。圖11是H-橋負(fù)載驅(qū)動電路200工作在線性制冷模式下的本發(fā)明的第三實施例的一個實例電路。在第二方法中用到了210和212兩個電流源。電流源210是電源，并且電流源212工作以耗散電流。當(dāng)工作在線性制冷模式時，如圖11，210通過開關(guān)214連接到負(fù)載，N2完全導(dǎo)通，P2完全截止。P1和N1也完全截止。開關(guān)電路202，204，206和208把功率MOSFET的柵極連接到合適的電源(PWM信號，VCC或者地)，如圖11-圖14所示。
當(dāng)工作在線性加熱模式，如圖13所示，電流源212連接到負(fù)載，P2完全導(dǎo)通，N2完全截止，P1和N1也完全截止。
圖12和圖14分別是PWM加熱和制冷情況下的電路200工作示意圖。此時電流源210和212與負(fù)載19斷開，P1和N1由PWM信號驅(qū)動(通過開關(guān)驅(qū)動電路202和204)。P2和N2交替接VCC和地。
當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道這一部分實質(zhì)上是一個控制器，如圖15所示，其可用來控制描述的開關(guān)驅(qū)動電路和電流源的開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。控制器300的輸出可以是互補的PWM信號，PWM P和PWMN，分別用于驅(qū)動差分負(fù)載驅(qū)動電路的PMOS和NMOS。該控制器300可輸出開關(guān)控制信號302-308以控制開關(guān)驅(qū)動電路內(nèi)(如圖5-圖8中的52，54，56，58)的開關(guān)操作；控制器300也可以產(chǎn)生開關(guān)控制信號312和314以控制與電流源相連的開關(guān)(如圖5-圖8中與電流源60和62相連的開關(guān)64和66)。
在這里，控制器可以采用本領(lǐng)域熟知的電壓和/或電流反饋信號以控制在PWM和線性模式下的負(fù)載的電流。當(dāng)然，這里描述的一些內(nèi)容可以不需要控制器產(chǎn)生所有的信號，并且這樣，控制器可以被修改去產(chǎn)生適當(dāng)?shù)囊恍┬盘?。可以包含低電流檢測器電路310以控制PWM電流模式和線性電流模式之間的切換點。這個檢測器電路可以進(jìn)一步包含一個用戶定義的輸入閾(threshold)，其設(shè)置低電流到PWM模式之間的閾值電流。當(dāng)然，可以一輸入到控制器內(nèi)的預(yù)定輸入以省略檢測器電路310，其中該預(yù)定輸入代表該切換電源電流(可由用戶定義)。這個控制器可以一個由定制和/或非定制的元件構(gòu)成。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，這里顯然可以有多種修改方案。例如，本發(fā)明采用使用功率MOSFET的差分負(fù)載驅(qū)動器電路，也可以采用其他本領(lǐng)域公知的電源開關(guān)，比如BJT器件和/或其他的開關(guān)裝置。所有的這些修改或者添加都被認(rèn)為是本發(fā)明的精神和原理范圍之內(nèi)，并得到本發(fā)明的專利保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一差分負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述電路包括選擇性地連接到負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流的多個電源開關(guān)；可操作多個電源開關(guān)驅(qū)動電路以控制所述電源開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，以及有選擇地連接至少一個所述電源開關(guān)至脈寬調(diào)制信號；以及至少一個電流源；其中所述電流源是連接負(fù)載以在通過負(fù)載較小的電流時為所說的負(fù)載提供電流；以及所述脈寬調(diào)制信號是在較大電流的情況下連接到功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管以向負(fù)載提供電流。
2.如權(quán)利要求1所述的差分負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述的多個電源開關(guān)形成一個H-橋差分負(fù)載驅(qū)動電路。
3.如權(quán)利要求1所述的差分負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于更進(jìn)一步，包括兩個電流源，其中一個所述在第一小電流期間連接到所述負(fù)載，另一個所述電流源在第二小電流期間連接到所述負(fù)載。
4.一個H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述電路包括形成H-橋電路的四個電源開關(guān)有選擇地連接到負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流；可操作多個電源開關(guān)驅(qū)動電路以控制所述電源開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，并且有選擇地連接至少所述多個電源開關(guān)的兩個到一脈寬調(diào)制信號；以及至少一個電流源；其中所述H-橋電路具有的第一個模式是在所述電流源連接到所述負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流，以及具有的第二個模式是所述電源開關(guān)的至少兩個連接到所述脈寬調(diào)制信號以為所述負(fù)載提供負(fù)載電流。
5.如權(quán)利要求4所述的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述第一個模式是小電流模式并且所述電流源提供所述負(fù)載一個線性的電流。
6.如權(quán)利要求4所述的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于第二個模式是大電流模式。
7.一H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述電路包括形成H-橋的四個功率管有選擇地連接到一負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流；和至少一個電流源；其中所述H-橋電路適于工作在利用所述電流源的線性模式以及其開關(guān)由脈寬調(diào)制信號控制的脈寬調(diào)制模式。
8.如權(quán)利要求7所述的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述電路進(jìn)一步包括可操作的電源開關(guān)驅(qū)動電路以控制所述開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)以及選擇地連接所述多個電源開關(guān)中的至少兩個到脈寬調(diào)制信號。
9.如權(quán)利要求7所述的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于更進(jìn)一步包括至少一個連接所述四個電源開關(guān)中的至少兩個和所述負(fù)載的濾波電路。
10.如權(quán)利要求7所述的H-橋負(fù)載驅(qū)動電路，其特征在于所述負(fù)載包括熱電制冷器。
11.一種驅(qū)動熱電制冷器的差分驅(qū)動電路，其特征在于所述電路包括多個電源開關(guān)，其選擇地連接到熱電制冷器負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流；多個電源開關(guān)驅(qū)動電路控制，其可操作以控制所述電源開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，并且選擇地連接至少一個所述的多個電源開關(guān)到脈寬調(diào)制信號；和至少一個電流源；其中，在所述差分驅(qū)動電路具有的第一個模式中，所述電流源連接到所述負(fù)載以為所述負(fù)載提供電流，在具有第二個模式中所述的多個電源開關(guān)中的至少兩個連接到脈寬調(diào)制信號以為所述負(fù)載提供電流。
12.如權(quán)利要求11所述的差分驅(qū)動電路，其特征在于所述的多個電源開關(guān)形成H-橋差分負(fù)載驅(qū)動電路。
13.如權(quán)利要求11所述的差分驅(qū)動電路，所述第一模式包括通過負(fù)載的電流方向定義制冷模式的低電流模式。
14.如權(quán)利要求11所述的差分驅(qū)動電路，其特征在于所述第二模式包括通過負(fù)載的電流方向定義加熱模式的低電流模式。
15.如權(quán)利要求11所述的差分驅(qū)動電路，其特征在于所述第一模式包括通過負(fù)載的電流方向定義制冷模式的高電流模式。
16.如權(quán)利要求11所述的差分驅(qū)動電路，其特征在于所述第二模式包括通過負(fù)載的電流方向定義加熱模式的高電流模式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種減小波紋電流的差分驅(qū)動電路。可操作該差分驅(qū)動電路以在低電流模式中提供無電流波紋的線性電流，和高電流模式下提供脈寬調(diào)制電流。根據(jù)流過負(fù)載如TEC電流方向，可以提供加熱和制冷。
文檔編號H02M7/5387GK1553573SQ03123949
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者王佛賢, 陳海軍, 李明攀 申請人:凹凸電子(武漢)有限公司