CN100502219C - 多路复用高电压dc-ac驱动器、转换器及电压转换方法 - Google Patents

多路复用高电压dc-ac驱动器、转换器及电压转换方法 Download PDF

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Abstract

多路复用的高电压DC-AC驱动器包括多个DC-AC开关和解码器逻辑。每个DC-AC开关接收输入DC电压，当使能时，每个DC-AC开关以基于主时钟信号的速率和基于输入DC电压的电压触发其输出。DC-AC开关包括一个或多个高压侧开关和一个低压侧开关。低压侧开关包括时钟逆变器，并相对于高压侧开关异相操作。解码器逻辑使得高压侧开关中的所选择的一个使能，并在任一高压侧开关使能时，使低压侧开关使能。

Description

多路复用高电压DC-AC驱动器
技术领域
本发明涉及高电压驱动器，尤其涉及将DC信号转换成高电压AC信号，并将高电压AC信号多路复用到诸如场致发光灯之类的多个负载。
背景技术
场致发光(EL)灯实际上是具有一个透明电极和电介质中的特殊磷光物质的电容器。当在EL端子上施加适当的AC电压电平时，磷发光。典型的EL灯的亮度是电压的平方乘以频率的函数，它是覆盖大多数灯的有效范围的一种近似。通常的应用包括用于诸如安装在手表、寻呼器、移动电话机、GPS设备等上的数字显示器的背光。手表是EL灯的最初应用，一般要求80-100伏特(V)的峰值-峰值电压以及大约100-200赫兹(Hz)的频率。寻呼器要求稍微较亮的显示器和较高的电压和频率水平(如100-200V和300Hz)。移动电话使峰值电压推进到200V。EL灯的最近的应用包括用于汽车中的告警灯或指示灯。自动告警灯要求足够高的亮度，以使得在日光下可见，这使得电压被推进到大约700V的峰值-峰值电压电平。
用于汽车的要求的AC电压具有较高的大小，大约为数百伏特(V)(如350V)。然而，所要求的AC电压一般在大多数系统中不存在，必须从低电压DC源产生，低电压DC源例如12V的电池。一种推荐的方法是采用原油助推开关转换器(crude boost switching converter)和H桥电路来产生必须的高AC电压。转换器将低DC电压转换成高DC电压，H桥电路将高DC电压转换成由两个异相(out-of-pahse)AC电压信号组成的高AC电压。然后需要将两个高电压异相AC信号多路复用到要被点亮的灯的每对端子上。多路复用功能将要求每个灯的两个端子上的四象限开关。
对于上述推荐的方法来说，存在许多问题。一般它要求2芯片方案，包括设计成将较低的DC电压转换成两个异相AC电压信号的第一驱动芯片，以及用于将AC电压多路复用到所选的多个灯之一的第二芯片。虽然存在用于EL灯的驱动芯片，但是当前不存在能够产生汽车告警灯所要求的亮度的非常高的电压电平的驱动器，并且这可能需要相当高的设计和制造成本。还必须设计和制造第二芯片，并且对于每个灯来说该第二芯片需要包括四象限开关。当激活时，每个四象限开关必须工作于源宿电流的双向方式，而当关断时，每个四象限开关必须阻隔高电压电平(高达大约双极性电压350V)。因此，需要提供一种简单的成本更低的方法。
发明内容
根据本发明的一个实施例的多路复用高电压DC-AC驱动器，包括：多个DC-AC开关和解码器逻辑。每个DC-AC开关接收输入DC电压，当被使能时，每个DC-AC开关以基于主时钟信号的速率以及基于所述输入DC电压的电压来触发其输出。DC-AC开关包括至少一个高压侧开关和一个低压侧开关。低压侧开关包括时钟逆变器，并相对于每个高压侧开关异相操作。解码器逻辑使高压侧开关中的所选择的一个使能，并当任一高压侧开关被使能时，使低压侧开关使能。
可包含一助推开关转换器驱动器，以将低电压DC信号(如来自电池等)转换成更高电压的输入DC电压。在一个配置中，DC-AC开关实现为半桥开关。每个DC-AC开关可包括一驱动器电路，根据主时钟信号交替激活第一和第二开关(如FET等)。在一个实施例中，可包含电平移动器驱动器和相应的充电泵，以驱动每个DC-AC开关的高压侧开关。在一个实施例中，解码器逻辑包括解码器，解码器向多个门提供使能信号，每个门接收使能信号和主时钟信号。
根据本发明的一个实施例的多路复用DC-AC转换器，包括：助推DC-DC转换器和DC-AC多路复用器。所述助推DC-DC转换器将第一DC电压助推到具有更高电压电平的第二DC电压。DC-AC多路复用器包括多个DC-AC开关和选择逻辑。每个DC-AC开关当被选择时将第二DC电压转换成多个AC输出电压中的相应的一个。每个AC输出电压根据所述第二DC电压以基于公共时钟信号的速率在第一和第二DC电压电平之间切换。DC-AC开关包括至少一个高压侧开关和一个低压侧开关，所述低压侧开关相对于每个高压侧开关异相操作。选择逻辑在高压侧开关中进行选择，当任一高压侧开关被选择时，选择所述低压侧开关。在一个实施例中，所述第二DC电压电平大约为350伏特，以用于驱动诸如场致发光灯之类的高电压容性负载。
根据本发明的一个实施例的将DC电压转换成多个多路复用的AC电压的方法，包括：将低电压DC信号转换成高电压DC信号；从多个输出中进行选择；对于每个选择的输出，使得多个第一DC-AC转换器中相应的一个使能；通过每个使能的第一DC-AC转换器，在高电压DC信号和地之间切换多个输出中的相应的一个；当任一第一DC-AC转换器被使能时，使第二DC-AC转换器使能；当第二DC-AC转换器使能时，由第二DC-AC转换器在高电压DC信号和地之间切换公共输出；以及相对于每个第一DC-AC转换器异相地切换所述第二DC-AC开关。
附图说明
参考附图和随后的描述，将更理解本发明的好处、特征和优点。附图中：
图1是根据本发明的示例性实施例实现的多路复用高电压DC-AC驱动器的示意图。
具体实施方式
给出下述描述以使得本领域的技术人员能够制作和使用如特定应用及其要求的上下文中所给出的本发明。然而，对于较佳实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里所定义的一般原则适用于其它实施例。因此，本发明不限于这里所示和所述的特定实施例，而是要符合这里所揭示的原理和特征的最宽泛的范围。
图1是根据本发明的示例性实施例实现的多路复用高电压DC-AC驱动器100的示意图。高电压驱动器100包括DC-DC驱动器101、DC-AC多路复用器103以及多个负载105。如所示，有N-1个容性负载105(例如每个以一个电容器示出)，每个分别标以标号CL1、Cl2、…、CLN-1，其中N是正整数并且对于用于驱动适当数量的负载的给定应用来说，N包含了足够数量的输出。例如，典型的汽车应用可能包含多达15个EL灯，这里，N至少是比负载的总数大1以提供一个公共回路或“低”输出，如下文所述。在所示的配置中，N-1个负载CL1、CL2、…、CLN-1中的每一个负载具有耦合到N-1个输出信号01、02、…、0N-1中的各自的一个输出信号的一个端子，以及耦合到DC-AC多路复用器103的公共输出信号0N的第二端子。容性负载105可以是任一类型的容性设备，包括如本领域技术人员所知的场致发光(EL)灯，可以考虑任一类型的高电压AC负载。如先前所述，EL灯要求较高电压AC信号(如350V)来进行发光。
DC-DC驱动器101实现为一个相对简单的助推开关转换器，包括电感器L、开关Q、输出二极管D1以及电容器C。电感器L的一个端子耦合到输入源DC电压VBAT，而电感器L的另一个端子耦合到二极管D1的阳极并耦合到开关Q的漏极，开关Q的源极耦合接地。二极管D1的阴极耦合至电容器C的一端，电容器C的另一端耦合接地。所示的开关Q以N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现，但是可适用任何其它可适用的开关器件。VBAT电压是从任何适当的和/或本地的DC源设备提供的，如电池等。对于汽车应用来说，VBAT是从+12V电池提供的。
如DC开关稳压器领域的技术人员所知那样，控制电路(未示出)将开关信号SW提供给开关Q的栅极，以通过电感器L和二极管D1从VBAT汲取电流，并对电容器C充电，以产生高DC电压信号HDCV。HDCV信号通过控制反馈(CFB)路径102反馈给控制逻辑以将HDCV信号调节到所需的电压电平。对于EL灯应用来说，将HDCV信号调节到数百伏特，如大约+350V，但是也可以使用任何适当的电压电平。DC-DC驱动器101的某些部分可在单个芯片上方便地实现，或可在现成器件上找到。电容器C通过输出引脚而片外耦合接地，以使得用户能够选择适当的电容值。可选地，DC-DC驱动器101也可使用如本领域的技术人员所已知的分立器件来简单而方便地实现。
在DC-AC多路复用器103内部，HDCV信号提供给充电泵107，并提供给N个DC-AC半桥开关109-X(其中X从1变化到N)中的每一个，其中各半桥开关分别标以标号109-1、109-2、…、109-N，这些半桥开关产生N个输出信号01至0N。在所例示的实施例中，开关109-X是半桥开关，但是可考虑使用其它类型的DC-AC转换器。前N-1个开关109-1至109-(N-1)(未示出开关109-(N-1))是高压侧开关，而最后一个开关109-N是低压侧开关。充电泵107将大约7-8伏特的驱动电压添加到HDCV信号的电压电平上，以生成电压助推信号V-BOOST(如具有大约357-358V的电压)。仅仅详细描述开关109-1，因为各个开关109-X配置成以基本类似的方式工作。HDCV信号提供给二极管D2的阳极，二极管D2的阴极耦合到第一开关QA的漏极。QA的源极产生输出信号01并耦合到第二开关QB的漏极，第二开关QB的源极耦合接地。开关QA和QB以N沟道MOSFET示出，但是可使用其它适当的开关。电平移动器和上栅极驱动器111接收V-BOOST信号和输入时钟信号CLK1，其输出驱动开关QA的栅极。时钟信号CLK1提供给逆变器/驱动器113，逆变器/驱动器113的输出耦合至开关QB的栅极。
N个二输入NAND门115-1、115-2、…、115-N中每一个具有接收主时钟信号MCLK的第一输入、接收N个使能信号EN-1至EN-N中的各自一个使能信号的第二输入、以及输出(assert)N个时钟信号CLK-1至CLK-N中的各自一个时钟信号的输出。各开关109-X以类似地方式配置，并且每个开关109-X当由对应的使能信号EN-1至EN-N中的一个使能时，被各自的一个时钟信号CLK-1至CLK-N控制。如开关109-1所例示的那样，当EN1信号为高时，CLK1信号触发成MCLK信号的反向。剩下的高电压侧开关109-2至109-(N-1)以基本相同的方式配置，以用于将各自的输出信号02至0N-1输出到各自的负载CL2-CLN-1。最后一个开关是低电压侧开关109-N，它包括一个附加的逆变器117，该逆变器将最后一个时钟信号CLKN转化成反向的时钟信号CLKNB(其中，除非另有规定，信号名后添加“B”表示逻辑非)。如此，该最后一个开关109-N相对于其它开关109-X产生180度相移，以产生0N信号作为公共输出信号，该公共输出信号耦合至负载CL1至CL-N-1的各自的另一端。
振荡器电路119产生提供给每个NAND门115-X的MCLK信号。振荡器电路119接收标记为OCLK的信号(或者连接到外部连接点或引脚)。在所示的配置中，用户或者提供外部时钟信号或者对振荡器电路119编程以产生所选的频率水平。特别地，用户通过OCLK信号提供外部时钟信号，该时钟信号被振荡器电路119缓冲并输出作为MCLK信号。可选地，用户将一振荡器耦合在OCLK信号和地之间，以将振荡器电路119编程为以所需的频率工作。在所示的用于驱动EL灯的配置中，MCLK信号是具有编程频率100赫兹(Hz)至3千赫兹(KHz)的方波信号。这些时钟电路对于本领域的技术人员来说是已知的，因此不再详述。
使能信号EN1至ENN由串行外围接口(SPI)解码器121产生。SPI解码器121是从设备，它由对应的SPI主设备(未示出)通过SPI接口进行编程，SPI接口包括时钟信号SCLK、从选择(SS)信号、以及包含主数据输出、从输入(MOSI)信号和主数据输入、从输出(MISO)信号的两个数据信号。SPI接口对于本领域的技术人员来说是已知的一种工业标准，因此不再详述。当被编程时，SPI解码器121生成EN1至ENN-1信号中的任何一个，以从输出信号01至0N-1中选择一个以激活CL1至CLN-1中所选的一个负载。当任何EN-1至ENN-1信号为高时，SPI解码器121还工作以生成ENN信号高，以使能公共输出信号0N。
在工作中，如前所述，MCLK的频率被编程为所需的频率，SPI主设备控制SPI解码器121以激活所选的负载。描述第一开关109-1和最后一个开关109-N的操作，以例示说明出对负载CL1的激活，其中要理解到其它的开关109-X以类似于开关109-1的方式工作。SPI解码器121生成EN1和ENN信号以激活负载CL1，使得CLK1信号变为MCLK信号的反向。当CLK1信号由NAND门115-1输出为高时，电平移动器和上栅极驱动器111激活开关QA，逆变器/缓冲器113关闭开关QB。HDCV信号的电压通过二极管D2和开关QA按照01输出信号而施加给负载CL1。由于开关QA以高电压电平工作，并且由于CLK1信号是相对较低的数字信号(如5V等)，因此电平移动器和上栅极驱动器111将V-BOOST信号施加给开关QA的栅极以使之导通。当CLK1信号由NAND门115-1输出为低时，电平移动器和上栅极驱动器111关断开关QA，逆变器/驱动器113导通QB以有效地将01信号接地。
当开关109-1(或任一其它开关)由SPI解码器121使能时，最后一个开关109-N使能。该最后一个开关109-N以与开关109-1基本类似的方式工作，不同在于逆变器117使得0N公共输出信号相对于01信号有180度相移。一般来说，当使能时，每个开关109-X以MCLK信号的速率触发。前N-1个开关109-1至109-(N-1)分别根据时钟信号CLK1至CLKN-1触发，这些时钟信号相对于MCLK信号有180度相移，这是由于NAND门115-X的操作。最后一个开关109-N根据CLKNB信号触发，CLKNB信号一般与MCLK信号同相，从而与所有其它时钟信号CLK-1至CLKN-1异相。
如此，01和0N信号都是方波AC信号，在约350V和0V之间交替，其交替速率由MCLK信号确定，彼此异相。从而，01信号为高时，0N信号为低，反之亦然。一般来说，0N信号相对于所有其它输出信号01至0N-1来说是异相工作的，这是由于逆变器117的作用。提供给每个负载的AC信号的有效的峰值-峰值电压是700V。从而，负载CL1接收到适当的AC信号以使其打开。当EN1信号为低时，DC-AC开关109-1禁用，负载CL1关断，NAND门115-1输出为高，且逆变器/缓冲器113输出为低，使得开关QB关断。在此情况下，在一短时间段之后，电平移动器和上栅极驱动器111关断开关QA，输出01为三态。在一个实施例中，电平移动器和上栅极驱动器111配置成感测CLK1信号不是交替变化的，并时期输出为低以使QA关断。可选地，把EN1信号提供给电平移动器和上栅极驱动器111，电平移动器和上栅极驱动器111配置成当EN1信号为低时将其输出拉至低以关断QA。在任何情况下，当不选择01至0N输出中的任何一个输出时，通过对每一级关断开关QA和QB，使得这些输出成为三态。
理解到根据本发明的一个示例性实施例实现的多路复用高电压DC-AC驱动器提供了一种从信号低电压DC源多路复用多个高电压AC负载的有效方法。前端DC转换器101的复杂程度被显著地简化，因此比配置成将VBAT信号转换成一对AC信号的器件和芯片更小型且便宜。DC转换器101可用离散逻辑或现有的组件来实现。多路复用器103得到了简化，其中单个DC信号被转换成AC信号，而不是接收和多路复用一对AC信号。选择逻辑在两种情况下是类似的，并且仅使用非常简单的可编程的时钟逻辑来产生MCLK信号，以控制输出的切换。消除了现有技术中所必须的且更为复杂的H桥驱动和时钟电路。
虽然，以参考较佳的实施例详细描述了本发明，但是其它实施例和变型也是可能的。本领域的技术人员将理解到他们能够容易地使用在此所揭示的概念和具体实施例，作为设计或修改其它用于提供与本发明相同目的的结构的基础，而不用背离本发明的要旨和范围。

Claims (20)

1.一种多路复用高电压DC-AC驱动器，用于驱动多个负载，其特征在于，包括：
多个DC-AC开关，每个DC-AC开关接收输入DC电压，当被使能时，每个DC-AC开关以基于主时钟信号的速率以及基于所述输入DC电压的电压来触发其输出；
所述多个DC-AC开关包括多个高压侧开关和一个低压侧开关，其中所述多个高压侧开关的每一个具有用于耦合所述多个负载中相应一个的一端的输出端，并且所述低压侧开关具有用于耦合所述多个负载的每一个的另一端的输出端；
所述低压侧开关包括时钟逆变器，并所述低压侧开关相对于每个被使能的高压侧开关异相操作；以及
解码器逻辑，解码器逻辑使所述多个高压侧开关中的所选择的高压侧开关使能，并当任一高压侧开关被使能时，使所述低压侧开关使能。
2.如权利要求1所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述多路复用高电压DC-AC驱动器还包括将低电压DC信号转换成具有更高电压电平的所述输入DC电压的助推开关转换器驱动器。
3.如权利要求1所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述多个DC-AC开关中的每一个包括一半桥开关。
4.如权利要求1所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述多个DC-AC开关中的每一个包括：
具有在所述输入DC电压和地之间耦合的电流通路、具有中间输出节点、并具有第一和第二控制输入端的第一和第二开关；以及
根据所述主时钟信号交替激活所述第一和第二开关的驱动器电路。
5.如权利要求4所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述驱动器电路包括：
具有接收多个使能时钟信号中的相应的一个的输入端和耦合至所述第一控制输入端的输出端的电平移动器驱动器；以及
具有接收所述相应的一个使能时钟信号的输入端和耦合至所述第二控制输入端的输出端的驱动器；
其中，所述解码器逻辑提供所述多个使能时钟信号中的所选择的使能时钟信号，所述多个使能信号基于所述主时钟信号。
6.如权利要求5所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述多路复用高电压DC-AC驱动器还包括：具有接收所述输入DC电压的输入端和向所述电平移动器驱动器提供助推电压信号的输出端的充电泵。
7.如权利要求4所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述第一和第二开关中的每一个包括场效应晶体管。
8.如权利要求4所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述多路复用高电压DC-AC驱动器还包括串联耦合在所述输入DC电压和所述第一和第二开关的所述电流通路之间的二极管。
9.如权利要求1所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述解码器逻辑包括：
多个门，每个门具有接收所述主时钟信号的第一输入端、接收多个使能信号中的相应的一个的第二输入端、以及提供多个使能时钟信号中的相应的一个到所述多个DC-AC开关中相应的一个的输入端的输出端；以及
解码器，所述解码器提供所述多个使能信号。
10.如权利要求9所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述多个门中的每一个包括NAND门。
11.如权利要求9所述的多路复用高电压DC-AC驱动器，其特征在于，所述解码器包括串行外围接口。
12.一种多路复用DC-AC转换器，用于驱动多个负载，其特征在于，包括：
将第一DC电压助推到具有更高电压电平的第二DC电压的助推DC-DC转换器；以及
耦合所述助推DC-DC转换器的DC-AC多路复用器，所述DC-AC多路复用器包括：
多个DC-AC开关，每个DC-AC开关当被选择时将所述第二DC电压转换成多个AC输出电压中的相应的一个，每个AC输出电压根据所述第二DC电压以基于公共时钟信号的速率在第一和第二DC电压电平之间切换；
所述多个DC-AC开关包括多个高压侧开关和一个低压侧开关，所述低压侧开关相对于每个高压侧开关异相操作；以及
选择逻辑，在所述多个高压侧开关中进行选择，当任一高压侧开关被选择时，选择所述低压侧开关。
13.如权利要求12所述的多路复用DC-AC转换器，其特征在于，所述第二DC电压电平大约为350伏特。
14.如权利要求12所述的多路复用DC-AC转换器，其特征在于，当被选择时，每个AC输出电压在大约0伏特和大约350伏特之间切换。
15.如权利要求12所述的多路复用DC-AC转换器，其特征在于，所述多路复用DC-AC驱动器还包括耦合在高压侧开关的AC输出电压和所述低压侧开关的AC输出电压之间的负载。
16.如权利要求15所述的多路复用DC-AC转换器，其特征在于，所述负载包括场致发光灯。
17.如权利要求12所述的多路复用DC-AC转换器，其特征在于，所述多个DC-AC开关中的每一个包括：
具有耦合在所述第二DC电压和相应的AC输出电压之间的电流通路，并具有第一控制输入端的第一开关；
具有耦合在所述相应的AC输出电压和地之间的电流通路，并具有第二控制输入端的第二开关；
具有接收多个使能时钟信号中相应的一个的输入端和耦合到所述第一控制输入端的输出端的电平移动器驱动器；以及
具有接收所述相应的使能时钟信号的输入端和耦合到所述第二控制输入端的输出端的驱动器；
其中所述低压侧开关还包括反转所述多个使能时钟信号中的相应的一个的逆变器。
18.如权利要求17所述的多路复用DC-AC转换器，其特征在于，所述选择逻辑包括：
使能逻辑，当提供了多个使能信号中的相应的一个时，所述使能逻辑根据所述公共时钟信号提供所述多个使能时钟信号中的相应的一个；以及
解码器，所述解码器提供所述多个使能信号以在所述高压侧开关中进行选择，并在任一所述高压侧开关被选择时选择所述低压侧开关。
19.一种将DC电压转换成多个多路复用的AC电压的方法，用于驱动多个负载，其特征在于，包括：
将低电压DC信号转换成高电压DC信号；
从多个输出端中进行选择；
对于每个选择的输出端，使得多个第一DC-AC转换器中相应的一个使能以驱动所述多个负载中的相应一个；
通过每个使能的第一DC-AC转换器，在高电压DC信号和地之间切换所述多个输出端中的相应的一个；
当任一第一DC-AC转换器被使能时，使耦合到所述多个负载中每一个的第二DC-AC转换器使能；
当第二DC-AC转换器使能时，由第二DC-AC转换器在高电压DC信号和地之间切换公共输出端；以及
相对于每个第一DC-AC转换器异相地切换所述第二DC-AC转换器。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述切换多个输出端中的相应的一个和所述切换公共输出端各自包括：
在第一和第二开关之间交替激活；
当第一开关激活时，将相应的输出端耦合至所述高电压DC信号；以及
当第二开关激活时，将所述相应的输出端耦合至地。
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