CN101123842A - 灯管驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种灯管驱动电路，包含一微处理单元、一浮动式电源驱动器及一驱动单元，其中该微处理单元及浮动式电源驱动器皆为独立的集成电路(IC)且以常压制程制出，该浮动式电源驱动器是通过至少一独立的高压耦合电容耦接至前述微处理单元，而无与微处理单元共用相同接地；微处理单元与浮动式电源驱动器是分别提供至少一低侧驱动脉冲输出接脚、一高侧驱动脉冲输出接脚以控制驱动单元中的功率晶体管，令功率晶体管适时导通/关闭而使得一连接于该驱动单元的灯管能顺利由一驱动高压点亮。

Description

灯管驱动电路
技术领域
本发明涉及一种灯管驱动电路，特别是涉及一种以常压制程制造出的个别集成电路元件分别控制高、低压侧驱动晶体管的灯管驱动电路。
背景技术
请参阅图7所示，为使用电流互感器的驱动电路，可用于驱动一气体放电灯管60，该电路包含一连接在直流DC输入端的双向触发开关61、一电流互感器62、两金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)构成的功率晶体管63、64。该电流互感器62的一次侧绕组提供与灯管60串联，而其二次侧绕组是与前述两功率晶体管63、64连接，该灯管60是串接一由电感65及电容66、67构成的LC电路，该电容66的另一端则是连接电流互感器62的一次侧绕组。
前述电路是由双向触发开关61导通后提供一脉冲电流使电路开始进入振荡状态，其振荡频率即为电感65与电容66所构成的谐振频率。更具体而言，当功率晶体管64导通后，电路便保持振荡而一高频激发该LC电路。电容67两端的电压由于电路Q谐振而被放大，使电压值足以触发灯管60产生放电。
由于前述驱动电路原是以双极性晶体管构成，再经修改设计而以金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)组成，但其电路架构实际上并不适合MOSFET，原因在于其波形不佳。
请参考图8，鉴于前述电路的缺点，于美国第5,545,955号专利案中是提出一种适用于MOSFET的驱动集成电路(IC)70，该驱动集成电路70具有一高压输出端Ho及一低压输出端Lo，是分别连接两功率晶体管63、64，该驱动集成电路更有一输出端Vs连接两晶体管63、64的串联接点及一LC电路与一气体放电灯管60。
根据气体放电灯管60的工作原理可知当欲点亮灯管时，必须要提供一极高的驱动电压以激发该灯管工作。实际上在该驱动集成电路70内部，于高压输出端Ho与低压输出端的Lo两者之间是具有一高压耦合电容，其耐压程度须高达数百伏特以上，由于该高压耦合电容的存在，该驱动集成电路70从半导体原料挑选、内部元件设计、电路布局等各方面都必须考虑高电压制程，如此一来其制程的复杂度及制造成本都将相对提高。
有鉴于上述现有的灯管驱动电路存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的灯管驱动电路，能够改进一般现有的灯管驱动电路，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
由前述说明可知，现有驱动灯管所用的集成电路需以高电压制程制造，而使成本及复杂度始终居高不下。
本发明的主要目的是提供一种以常压制程制造的集成电路来构成灯管的驱动电路，以降低电路的制造成本。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种灯管驱动电路，包含：一微处理单元，是至少具有一低侧驱动脉冲输出接脚及至少一控制信号输出接脚；一浮动式电源驱动器，是通过至少一独立的高压耦合电容耦接至前述微处理单元的至少一控制信号输出接脚，该浮动式电源驱动器是由微处理单元控制但不与微处理单元共用相同接地，具有至少一高侧驱动脉冲输出接脚；一驱动单元，是连接于一驱动高压及一接地之间，受前述微处理单元及浮动式电源驱动器控制而点亮一灯管。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的灯管驱动电路，其中所述的微处理单元具有两支低侧驱动脉冲输出接脚，该浮动式电源驱动器具有两支高侧驱动脉冲输出接脚，其中前述驱动单元为一全桥架构，包含有：两高侧功率晶体管，是分别连接浮动式电源驱动器的两高侧驱动脉冲输出接脚及该驱动高压；两低侧功率晶体管，是分别连接前述两高侧功率晶体管及接地；其中，两高侧功率晶体管与两低侧功率晶体管的两串联节点之间是连接该灯管。
前述的灯管驱动电路，其中所述的驱动单元为一半桥架构，其包含：一高侧功率晶体管，是连接该驱动高压及该浮动式电源驱动器的高侧驱动脉冲输出接脚；一低侧功率晶体管，是串接该高侧功率晶体管与接地之间，该低侧功率晶体管是连接微处理单元的低侧驱动脉冲输出接脚；其中该高侧功率晶体管及低侧功率晶体管的串接节点是连接该灯管的其中一端，灯管另端连接至接地。
前述的灯管驱动电路，其中所述的侧功率晶体管及低侧功率晶体管是为双极型晶体管。
前述的灯管驱动电路，其中所述的高侧功率晶体管及低侧功率晶体管是为金属氧化物半导体场效晶体管。
前述的灯管驱动电路，其中所述的浮动式电源驱动器内部包含一比对及运算放大单元，该浮动式电源驱动器除前述高侧驱动脉冲输出接脚，进一步包含：一电源接脚，是连接一直流电源以提供该浮动式电源驱动器的工作电压；一负电源接脚，是为一高压泵电流的负端；至少一低压信号输入接脚，是分别通过该至少一高压耦合电容与微处理单元连接。
前述的灯管驱动电路，其中所述的浮动式电源驱动器内部包含一比对及运算放大单元，该浮动式电源驱动器除前述高侧驱动脉冲输出接脚，进一步包含：一电源接脚，是连接一直流电源以提供该浮动式电源驱动器的工作电压；一负电源接脚，是为一高压泵电流的负端，连接该高侧功率晶体管及低侧功率晶体管的串接节点；至少一低压信号输入接脚，是分别通过该至少一高压耦合电容与微处理单元连接。
前述的灯管驱动电路，其中所述的微处理单元及浮动式电源驱动器是分别封装成两独立的封装体。
前述的灯管驱动电路，其中所述的微处理单元及浮动式电源驱动器是共同封装成单一独立的封装体。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为了达到上述目的，本发明是包含：
一微处理单元，是为一独立的集成电路元件且至少具有一低侧驱动脉冲输出接脚及至少一控制信号输出接脚；
一浮动式电源驱动器，是为一独立的集成电路元件且通过至少一独立的高压耦合电容耦接至前述微处理单元的至少一控制信号输出接脚，该浮动式电源驱动器不与微处理单元共用相同接地，具有至少一高侧驱动脉冲输出接脚；
一驱动单元，是连接于一驱动高压及一接地之间，受前述微处理单元及浮动式电源驱动器控制而点亮一灯管。
前述驱动单元可为一全桥架构或半桥架构，若为全桥架构则包含两高侧功率晶体管及两低侧功率晶体管，前述微处理单元提供两支低侧驱动脉冲输出接脚连接低侧功率晶体管，该浮动式电源驱动器亦提供两支高侧驱动脉冲输出接脚连接高侧功率晶体管。
若前述驱动单元为一半桥架构，则包含一高侧功率晶体管及一低侧功率晶体管，高侧功率晶体管是连接该驱动高压及该浮动式电源驱动器的高侧驱动脉冲输出接脚；低侧功率晶体管是串接该高侧功率晶体管与接地之间，同时该低侧功率晶体管亦连接微处理单元的低侧驱动脉冲输出接脚。
前述高侧功率晶体管与低侧功率晶体管可由双极型(BIPOLAR)晶体管或金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)构成。
借由上述技术方案，本发明灯管驱动电路至少具有下列优点：
1.由于使用了独立元件的高压耦合电容，而非整合在集成电路内，该浮动式电源驱动器与微处理单元本身不需以高压制程制造，仅须使用现有的常压制程(3V～60V)即可，故其制造成本及难度可大幅降低，常用的常压制程包含互补金属氧化层半导体(CMOS)制程、多晶闸极(POLYGATE)制程、金属闸极(METALGATE)制程、双极性(BIPOLAR)制程、双极互补金属氧化半导体(BICMOS)制程或双扩散金属氧化半导体(DMOS)制程等。另一方面，独立元件型态的高压耦合电容是可轻易取得，且成本极低。
2.使用电源隔离电路设计：即该浮动式电源驱动器与微处理单元两者不共用同一个接地，且利用高压耦合电容达成高低压区块隔离，而使用两个电容可确保从低压端(微处理单元)传送到高压端(浮动式电源驱动器)的控制信号，不会因为杂讯干扰而造成误动作。
3.可适用多种电路架构：无论是全桥式或半桥式的驱动单元，浮动式电源驱动器配合微处理单元均可加以控制，而且无论是双极型(BIPOLAR)或是金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)皆可使用。
综上所述，本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的灯管驱动电路具有增进的突出功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明驱动电路一实施例的电路图。
图2是本发明浮动式电源驱动器的内部电路方块图。
图3是本发明驱动电路另一实施例的电路图。
图4是本发明驱动电路又一实施例的电路图。
图5是本发明驱动电路再一实施例的电路图。
图6是本发明驱动电路封装成单一集成电路(IC)的示意图。
图7是一使用电流互感器的灯管驱动电路。
图8是一使用驱动集成电路的灯管驱动电路。
10：浮动式电源驱动器    20：微处理单元
30：驱动单元            31a～34a：功率晶体管
31b～34b：功率晶体管    31c、32c：功率晶体管
31d、32d：功率晶体管
40：灯管         41：触发器
60：灯管         61：双向触发开关
62：电流互感器   63、64：功率晶体管
65：电感         66、67：电容
70：驱动集成电路 C1、C2：高压耦合电容
HOUT1、HOUT2：高侧驱动脉冲输出接脚
LOUT1、LOUT2：低侧驱动脉冲输出接脚
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的灯管驱动电路其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，本发明的灯管驱动电路中是使用一浮动式电源驱动器10及一耦接该浮动式电源驱动器的微处理单元(MCU)20，由两者共同控制一驱动单元30，该驱动单元30是连接一灯管40的两端。该微处理单元20亦可以为一通用的脉宽调节控制集成电路(pulse width modulation controlcircuits)(例如TL494CD)，为求降低成本可将此微处理单元20设计开发成为一专用IC(ASIC)。
该驱动单元30于本实施例中是由四颗双极型(BIPOLAR)功率晶体管31a～34a构成的全桥架构，连接于一驱动高压(如400V)及接地之间，其中功率晶体管31a、32a连接该驱动高压；其余两晶体管33a、34a则负责低侧驱动，是分别连接功率晶体管31a、32a及接地之间。该灯管40可为任何类型的节能灯或日光灯，是连接在全桥架构的中间，即高侧驱动与低侧驱动之间。
前述浮动式电源驱动器10是具有两支高侧驱动脉冲输出接脚HOUT1、HOUT2，分别通过电阻R1、R2连接全桥架构中的高侧功率晶体管31a、32a的基极端。而微处理单元20则提供两支低侧驱动脉冲输出接脚LOUT1、LOUT2以连接该低侧的功率晶体管33a、34a。
浮动式电源驱动器10是具有至少一支低压信号输入接脚，该低压信号输入接脚可藉由一高压耦合电容连接至微处理单元20至少一控制信号输出接脚。在以下实施例中，该浮动式电源驱动器10是设计成具有两支低压信号输入接脚，两接脚是分别连接到两高压耦合电容C1、C2，通过该高压耦合电容C1、C2连接到微处理单元20的两控制信号输出接脚，高压耦合电容C1、C2可选用耐压400V以上的电容器以提供高压隔离效果。
请参考图2，该浮动式电源驱动器10是以互补金属氧化层半导体CMOS制程制为一集成电路，亦可由其它常压制程制造，其内部逻辑元件设计如图所示，包含一比较及运算放大电路，该浮动式电源驱动器10主要接脚包括有：
一电源接脚VDD，是连接一直流电源以提供该浮动式电源驱动器10的工作电压，例如DC8～15V；
一负电源接脚VS，是为一高压泵电流的负端，在驱动单元30采用一半桥结构时，是连接至半桥结构的中间接点；
至少一高侧驱动脉冲输出接脚HOUT1，是用于驱动一高侧场效晶体管，图中是显示两输出接脚HOUT1、HOUT2以适用于全桥架构；
一第一低压信号输入接脚IN1，是通过该高压耦合电容C1与微处理单元20连接；
一第二低压信号输入接脚IN2是通过该高压耦合电容C2与微处理单元20连接。
上述驱动电路的工作原理如下：该微处理单元20本身是有自振荡功能，而其振荡信号亦通过两高压耦合电容C1、C2传递给浮动式电源驱动器10，如此一来，该微处理单元20及浮动式电源驱动器10可依据振荡信号适当地输出控制信号予该功率晶体管31a～34a，令高侧功率晶体管31a、32a与低侧功率晶体管33a、4a呈交替导通，使该驱动高压能顺利激发灯管40点亮。
除使用图1的双极型功率晶体管31a～34a之外，本发明的全桥电路架构亦可以由图3所示的金属氧化物半导体型MOS的功率晶体管31b～32b组成，其动作原理如同图1实施例。
请参考图4所示，该驱动单元30是利用两双极型BIPOLAR功率晶体管31c、32c构成一半桥架构，其中一功率晶体管31c是由该浮动式电源驱动器10的高侧驱动脉冲输出接脚HOUT1所控制，另一功率晶体管32c则由微处理单元20的一低侧驱动脉冲输出接脚LOUT2控制，其中两功率晶体管31c、32c的串联节点是连接该浮动式电源驱动器10的负电源接脚VS，该串联节点亦通过一触发器41连接至灯管40的一端，而灯管40另端是接地。
该半桥架构的驱动单元40亦是设在一驱动高压(如310V)与接地之间。该浮动式电源驱动器10与微处理单元20亦是交互送出驱动信号，令功率晶体管31c、32c呈交替导通，使该驱动高压通过触发器41启动灯管40。
前述半桥电路中的双极型功率晶体管31c、32c是可以改由金属氧化物半导体型MOS的功率晶体管31d、32d所取代，如图5的实施例所绘。
在前述各实施例当中，浮动式电源驱动器10及微处理单元20均是制成为独立的封装体(package)。然而为求合理降低加工制程及成本，请参考图6所示，该浮动式电源驱动器10及微处理单元20以常压制程先制造为个别独立的晶片组(chip set)后，再用一种具有双衬底(dual substrate)的导线架(leadframe)封装成单一封装体(package)形式的集成电路，如此仍保有常压制程的优点。
由以上各种不同实施例来看，本发明具有如下优点：
1.由于使用了独立元件的高压耦合电容，而非整合在集成电路内，该浮动式电源驱动器与微处理单元本身不需以高压制程制造，仅须使用现有的常压制程(3V～60V)即可，故其制造成本及难度可大幅降低，常用的常压制程包含互补金属氧化层半导体(CMOS)制程、多晶闸极(POLYGATE)制程、金属闸极(METALGATE)制程、双极性(BIPOLAR)制程、双极互补金属氧化半导体(BICMOS)制程或双扩散金属氧化半导体(DMOS)制程等。另一方面，独立元件型态的高压耦合电容是可轻易取得，且成本极低。
2.使用电源隔离电路设计：即该浮动式电源驱动器与微处理单元两者不共用同一个接地，且利用高压耦合电容达成高低压区块隔离，而使用两个电容可确保从低压端(微处理单元)传送到高压端(浮动式电源驱动器)的控制信号，不会因为杂讯干扰而造成误动作。
3.可适用多种电路架构：无论是全桥式或半桥式的驱动单元，浮动式电源驱动器配合微处理单元均可加以控制，而且无论是双极型(BIPOLAR)或是金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)皆可使用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种灯管驱动电路，其特征在于包含：
一微处理单元，是至少具有一低侧驱动脉冲输出接脚及至少一控制信号输出接脚；
一浮动式电源驱动器，是通过至少一独立的高压耦合电容耦接至前述微处理单元的至少一控制信号输出接脚，该浮动式电源驱动器是由微处理单元控制但不与微处理单元共用相同接地，具有至少一高侧驱动脉冲输出接脚；
一驱动单元，是连接于一驱动高压及一接地之间，受前述微处理单元及浮动式电源驱动器控制而点亮一灯管。
2.根据权利要求1所述的灯管驱动电路，其特征在于所述微处理单元具有两支低侧驱动脉冲输出接脚，该浮动式电源驱动器具有两支高侧驱动脉冲输出接脚，其中前述驱动单元为一全桥架构，其特征在于包含有：
两高侧功率晶体管，是分别连接浮动式电源驱动器的两高侧驱动脉冲输出接脚及该驱动高压；
两低侧功率晶体管，是分别连接前述两高侧功率晶体管及接地；
其中，两高侧功率晶体管与两低侧功率晶体管的两串联节点之间是连接该灯管。
3.根据权利要求1所述的灯管驱动电路，其特征在于所述驱动单元为一半桥架构，其特征在于其包含：
一高侧功率晶体管，是连接该驱动高压及该浮动式电源驱动器的高侧驱动脉冲输出接脚；
一低侧功率晶体管，是串接该高侧功率晶体管与接地之间，该低侧功率晶体管是连接微处理单元的低侧驱动脉冲输出接脚；
其中该高侧功率晶体管及低侧功率晶体管的串接节点是连接该灯管的其中一端，灯管另端连接至接地。
4.根据权利要求2或3所述的灯管驱动电路，其特征在于所述高侧功率晶体管及低侧功率晶体管是为双极型晶体管。
5.根据权利要求2或3所述的灯管驱动电路，其特征在于所述高侧功率晶体管及低侧功率晶体管是为金属氧化物半导体场效晶体管。
6.根据权利要求1所述的灯管驱动电路，其特征在于所述浮动式电源驱动器内部包含一比对及运算放大单元，该浮动式电源驱动器除前述高侧驱动脉冲输出接脚，进一步包含：
一电源接脚，是连接一直流电源以提供该浮动式电源驱动器的工作电压；
一负电源接脚，是为一高压泵电流的负端；
至少一低压信号输入接脚，是分别通过该至少一高压耦合电容与微处理单元连接。
7.根据权利要求3所述的灯管驱动电路，其特征在于所述浮动式电源驱动器内部包含一比对及运算放大单元，该浮动式电源驱动器除前述高侧驱动脉冲输出接脚，进一步包含：
一电源接脚，是连接一直流电源以提供该浮动式电源驱动器的工作电压；
一负电源接脚，是为一高压泵电流的负端，连接该高侧功率晶体管及低侧功率晶体管的串接节点；
至少一低压信号输入接脚，是分别通过该至少一高压耦合电容与微处理单元连接。
8.根据权利要求7所述的灯管驱动电路，其特征在于所述微处理单元及浮动式电源驱动器是分别封装成两独立的封装体。
9.根据权利要求7所述的灯管驱动电路，其特征在于所述微处理单元及浮动式电源驱动器是共同封装成单一独立的封装体。
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