CN101150282A

CN101150282A - 切换装置、讯号产生装置以及驱动系统

Info

Publication number: CN101150282A
Application number: CNA2006101592115A
Authority: CN
Inventors: 高进发; 李智顺
Original assignee: SHUOJIE TECH Co Ltd
Current assignee: SHUOJIE TECH Co Ltd; Beyond Innovation Technology Co Ltd
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-03-26

Abstract

一种切换装置，用以切换一开关装置的输出状态。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。切换装置包括，一电源、一整流组件、一驱动单元以及一控制单元。整流组件耦接电源。驱动单元具有一图腾电路及一储能组件。图腾电路耦接上臂开关。储能组件与整流组件相耦接。控制单元依据一控制讯号，而控制电源的电力通过整流组件送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，则图腾电路驱动上臂开关，以切换开关装置的输出状态。

Description

切换装置、讯号产生装置以及驱动系统

技术领域

本发明涉及一种驱动系统及其切换装置，特别是涉及一种提供自启式电压以驱动上臂开关的驱动系统及其切换装置。

背景技术

现有的集成电路驱动系统，通常具有一N型场效应晶体管(NMOSFET)和一P型场效应晶体管(PMOSFET)，两者彼此串接且交替地被启动，作为整流开关。其中，P型场效应晶体管被称为一上臂开关，N型场效应晶体管被称为一下臂开关，藉由交替启动上、下臂开关，以提供一交流电流至一负载，例如直流/交流转换器，或是其它现有的转换器。由于上、下臂开关装置所需要的启动电压电平不同，因此通常会使用一切换装置以提供启动电压来驱动上臂开关，使整流开关正常运作。

请参阅图1a，为现有切换装置用来切换一开关装置的输出状态。如图所示，切换装置10依据控制讯号OUTB的电平，来驱动上臂开关121，而下臂开关122依据控制讯号OUTA来驱动，即可使开关装置12可正常运作，以产生输出讯号S_OUT。切换装置10包括多个电阻101～102、一齐纳(zener)二极管104以及一电容105。开关装置12包括一上臂开关121及一下臂开关122，其中上臂开关为一P型场效应晶体管，而下臂开关为一N型场效应晶体管。

请共同参阅图1b所示，为控制讯号OUTA及OUTB的时序图。如图标，在期间P₁时，控制讯号OUTA及OUTB均为高电平，故下臂开关122导通，而上臂开关121不导通，因此，输出讯号S_OUT为低电平。

此外，为了避免上、下臂开关121及122同时导通而造成短路，通常会设定一死区时间(dead time)如期间P₂及P₄，在死区时间内控制讯号OUTA为低电平，而控制讯号OUTB为高电平，使上、下臂开关121及122均不导通，以避免上、下臂开关121及122同时导通而烧毁。

在期间P₃时，控制讯号OUTA及OUTB均为低电平，故上臂开关121导通，而下臂开关122不导通，因此，输出讯号S_OUT为高电平。

然而，由于工艺因素的影响，将使得P型晶体管在导通时的阻抗往往较N型晶体管高，故P型晶体管的效率及温度特性较N型晶体管差。因此，现有的开关装置12中的上臂开关121的特性比下臂开关122差，所以如何提供一种切换装置，以驱动N型场效应晶体管组成的开关装置，乃为现今重要的课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明主要目的是提供一种驱动装置及其切换装置，可稳定驱动开关装置。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种切换装置，用以切换一开关装置的输出状态。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。本发明的切换装置包括，一电源、一整流组件、一驱动单元以及一控制单元。整流组件耦接电源。驱动单元具有一图腾电路及一储能组件。图腾电路耦接上臂开关。储能组件与整流组件相耦接。控制单元依据一控制讯号，而控制电源的电力通过整流组件送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，则图腾电路驱动上臂开关，以切换开关装置的输出状态。

本发明还提供一种切换装置，用以切换一开关装置的输出状态。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。上/下臂开关各为一NMOS晶体管。本发明的切换装置包括，一电源、一驱动单元以及一控制单元。驱动单元耦接电源与上臂开关。控制单元耦接驱动单元，并依据一控制讯号，控制电源的电力传送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，则驱动上臂开关，以切换开关装置的输出状态。

本发明提供一种讯号产生装置，包括一切换装置以及一开关装置。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。上臂开关依据一驱动讯号动作，而产生一输出讯号。切换装置具有一电源、一整流组件、一驱动单元及一控制单元。整流组件耦接电源。驱动单元具有图腾电路及储能组件。图腾电路耦接上臂开关。储能组件与整流组件相耦接。控制单元依据一控制讯号，控制电源的电力通过整流组件传送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，则图腾电路输出驱动讯号。

本发明还提供一种讯号产生装置，包括一切换装置以及一开关装置。切换装置具有一电源、一驱动单元及一控制单元。驱动单元耦接电源。控制单元依据一控制讯号，控制电源的电力传送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，输出一驱动讯号。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。上/下臂开关各为一NMOS晶体管。上臂开关依据驱动讯号动作，而产生一输出讯号。

本发明提供一种驱动系统，用以驱动一负载，并包括一控制装置、一开关装置、一切换装置以及一电源转换装置。控制装置产生一第一控制讯号与一第二控制讯号。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。上臂开关依据一驱动讯号动作。下臂开关依据第二控制讯号动作，使开关装置产生一输出讯号。切换装置具有一电源、一整流组件、一驱动单元及一控制单元。驱动单元具有一图腾电路及一储能组件。图腾电路耦接上臂开关。储能组件与整流组件相耦接。控制单元依据第一控制讯号，控制电源的电力通过整流组件传送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，图腾电路输出驱动讯号。电源转换装置依据输出讯号，而驱动负载。

本发明还提供一种驱动系统，用以驱动一负载，并包括一控制装置、一切换装置、一开关装置以及一电源转换装置。控制装置产生一第一控制讯号与一第二控制讯号。切换装置具有一电源、一驱动单元及一控制单元。驱动单元耦接电源。控制单元依据第一控制讯号，控制电源的电力传送至驱动单元。当驱动单元接收电源后，输出一驱动讯号。开关装置具有一上臂开关及一下臂开关。上/下臂开关各为一NMOS晶体管。上臂开关依据驱动讯号动作，而产生一输出讯号。电源转换装置依据输出讯号，而驱动负载。

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1a为现有切换装置。

图1b为控制讯号OUTA及OUTB的时序图。

图2a为本发明的驱动系统的一较佳实施例的方块图。

图2b为图2a中的控制讯号S_C1及S_C2的时序图。

图3a为本发明的讯号产生装置的一较佳实施例。

图3b为图3a中的讯号产生装置中的保护单元的示意图。

图3c为图3a中的讯号产生装置中的保护单元的另一示意图。

图3d为本发明的讯号产生装置的另一较佳实施例。

图3e为第3b中的控制讯号S_C1及S_C2的时序图。

图4a为电源转换装置的一较佳实施例。

图4b为电源转换装置的另一较佳实施例。

图5为电源切换电路的一较佳实施例。

附图符号说明

121、122、31、33：上、下臂开关

20：驱动系统 22：负载

210：控制装置 220：讯号产生装置

230：电源转换装置 240：回授装置

221、10：切换装置 222、12：开关装置

30：整流组件 32：驱动单元

34：控制单元 36：节点

104、38：齐纳二极管 322：储能组件

40：电容器 41：变压器

42：转换器 411：初级

412：次级 420：桥式整流器

421：电源切换电路 51：二极管

52：电感器 53、105：电容器

R1～R5、101～103：电阻 SW1、SW2：开关

T1、A：第一端 T_C1～T_C3：控制端

T_I1、T_I2：输入端 T_O1、T_O2：输出端

T2、B：第二端 P₁～P₄：期间

V_S、VIN：电源 S_OUT：输出讯号

S_FB：回授讯号 S_D：驱动讯号

S_AC1、S_AC2：交流讯号 S_DC：直流讯号

S_C1、S_C2、OUTA、OUTB：控制讯号 S_REC：整流讯号

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的驱动系统及其切换装置，其中相同的组件将以相同的标号加以说明。

请参阅图2a所示，其为本发明的驱动系统的一较佳实施例。如图2所示，本实施例的驱动系统20用以驱动负载22。驱动系统20包括一控制装置210、一讯号产生装置220以及一电源转换装置230。其中，控制装置210产生控制讯号S_C1与S_C2。讯号产生装置220根据控制讯号S_C1与S_C2而产生输出讯号S_OUT。电源转换装置230依据输出讯号S_OUT，而驱动负载22。负载22可为一发光二极管或是一荧光灯。

控制讯号S_C1、S_C2与输出讯号S_OUT均为一脉宽调制(PWM)讯号(如图2b所示)。

另外，本实施例的驱动系统20还包括一回授装置240。回授装置240依据负载22的操作状态，以产生回授讯号S_FB至控制装置210，使得控制装置210依据回授讯号S_FB，调整控制讯号S_C1与S_C2。然而，为了节省成本，在其它实施例中，回授装置240可被省略。

在本实施例中，讯号产生装置220包括一切换装置221及一开关装置222。其中，切换装置221根据控制讯号S_C1而输出驱动讯号S_D。开关装置222依据驱动讯号S_D动作，而产生输出讯号S_OUT。在其它实施例中，开关装置222还可依据驱动讯号S_D及控制讯号S_C2而产生输出讯号S_OUT。

请参阅图3a所示，其为本实施例的讯号产生装置的一较佳实施例。其中，讯号产生装置220的切换装置221具有一电源V_S、一整流组件30、一驱动单元32及一控制单元34。驱动单元32通过整流组件30与电源V_S耦接。控制单元34依据控制讯号S_C1控制电源V_S的电力传送至驱动单元32。当驱动单元32接收电源V_S后，输出驱动讯号S_D。在本实施例中，整流组件30可为二极管。驱动单元32具有两开关SW1及SW2，以及一储能组件322。其中，两开关SW1及SW2组成一图腾电路(totem pole circuit)，以耦接上臂开关31。储能组件322可为一电容器，并与整流组件30相耦接。在本实施例中，整流组件30的阳极接收电源V_S，其阴极耦接储能组件322的第一端T1。

开关SW1可为npn双载流子晶体管，并具有一控制端T_C1、一输入端T_I1以及一输出端T_O1。其中，控制端T_C1耦接控制单元34，输入端T_I1耦接整流组件30及储能组件322的第一端T1，输出端T_O1耦接上臂开关31，于本实施例中，控制端T_C1为基极，输入端T_I1为集电极以及输出端T_O1为发射极。

开关SW2可为pnp双载流子晶体管，并具有一控制端T_C2、一输入端T_I2以及一输出端T_O2。其中，控制端T_C2耦接控制单元34，输入端T_I2耦接上臂开关31，输出端T_O2耦接储能组件322的第二端T2，于本实施例中，控制端T_C2为基极，输入端T_I2为发射极以及输出端T_O2为集电极。

控制单元34为一开关，其具有一控制端T_C3，用以接收控制讯号S_C1。在本实施例中，控制单元34为NMOS晶体管，其栅极接收控制讯号S_C1。

另外，讯号产生装置220的开关装置222具有上臂开关31及下臂开关32。上臂开关31依据驱动讯号S_D动作，而产生输出讯号S_OUT。在本实施例中，上臂开关31及下臂开关32均为NMOS晶体管。而在其它实施例中，上臂开关31与下臂开关32可分别为NMOS晶体管、NPN双载流子晶体管、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)晶体管或是其它本技术所熟悉的现有的开关组件。另外，下臂开关32可依据控制讯号S_C2动作，如上述，依据控制讯号S_C1及S_C2来驱动上、下臂开关31及32动作，以控制输出讯号S_OUT的电平。另外，讯号产生器220还具有多个电阻器R1～R5。

再请参阅图2a、图2b及图3a，本实施例的讯号产生装置220方式如下，在期间P1，控制讯号S_C1及S_C2为高电平(节点36为低电平)，此时控制单元34导通，使上臂开关31不导通而下臂开关33导通，则电源V_S通过整流组件30、电阻器R1及下臂开关33的导通路径对储能组件322充电，以提供后续所需的电力。在期间P2(死区时间)时，上、下臂开关31及32皆不导通。

接着，在期间P3，控制讯号S_C1及S_C2为低电平，此时控制单元34不导通，而电源V_S通过整流组件30、电阻器R1及R2的导通路径触发图腾电路的开关SW1，使其导通，此时储能组件322提供电力以驱动上臂开关31，使其导通，而下臂开关33则不导通。而当期间P4(死区时间)时，上、下臂开关31及32皆不导通，如上述方式，交替驱动上、下臂开关31及33，以产生一交流的输出讯号S_OUT至电源转换装置230，使其依据输出讯号S_OUT，而驱动负载22。

此外，有时候电源V_S的电压可能过高，容易造成开关装置222损毁，为了解决此项问题，本实施例的讯号产生装置还可具有一保护单元38(如图3b)，其设置于整流组件30与驱动单元32之间。保护单元38具有一齐纳二极管，利用齐纳二极管的特性，使得送入开关装置222的电压电平受到箝制，防止送入开关装置222的电压电平过高，以达到保护的功效。须注意的是，在其它实施例中，保护单元38还可以与驱动电路32及上臂开关31相耦接，亦可达到相同的功效(如图3c)。

另外，图3d所示，为本发明的讯号产生装置的另一较佳实施例。本实施例的讯号产生装置220’与图3a中的讯号产生装置20，不同之处在于，图3b的控制装置34为一NMOS晶体管，其栅极接收电源VDD，其漏极或源极接收控制讯号S_C1。

还请参阅图3e所示，为图3b中的控制讯号S_C1及S_C2的时序图。于本实施例中，控制讯号S_C1与S_C2的相位差约为180度。

在期间P₁时，控制讯号S_C1为低电平，故节点36为低电平，使得驱动讯号S_D为低电平，上臂开关31不导通。此时，由于控制讯号S_C2为高电平，故下臂开关32导通，使得输出讯号S_OUT为低电平，并使储能组件322开始充电。

为了避免同时导通上臂开关31及下臂开关32而形成短路，因此控制讯号S_C2具有一死区时间(dead time)，即为期间P₂及P₄。在期间P₂或P₄时，控制讯号S_C1及S_C2均为低电平，以不导通上臂开关31及下臂开关32。

在期间P₃时，控制讯号S_C1为高电平，故节点36为高电平，使得上臂开关31因储能组件322所储存的电荷而被导通，因此，输出讯号S_OUT为高电平。此时，由于控制讯号S_C2为低电平，故不导通下臂开关32，如上述以交替驱动上、下开关31及33。

图4a为电源转换装置的一较佳实施例。如图所示，电源转换装置230包括电容器40以及变压器41。电容器40用以滤除开关装置222的输出讯号S_OUT的直流成分，以产生交流讯号S_AC1。变压器41将交流讯号S_AC1转换成可驱动负载22的交流讯号S_AC2。在本实施例中，负载22为荧光灯。

图4b为电源转换装置的另一较佳实施例。如图所示，电源转换装置230包括，电容器40、变压器41以及转换器42。电容器40滤除开关装置222的输出讯号S_OUT的直流成分，以产生交流讯号S_AC1。变压器41具有初级411以及次级412，其中初级411接收交流讯号S_AC1，次级412根据交流讯号S_AC1而产生交流讯号S_AC2。

转换器42将交流讯号S_AC2转换成直流讯号S_DC，以驱动负载22。在本实施例中，负载22为发光二极管。如图所示，转换器42包括桥式整流器420以及电源切换电路421。

桥式整流器420耦接次级412的第一端A，用以将交流讯号S_AC2转换成整流讯号S_REC。电源切换电路421耦接于桥式整流器420与次级412的第二端B之间，用以将整流讯号S_REC切换成直流讯号S_DC。

图5为电源切换电路的一较佳实施例。如图所示，电源切换电路421包括二极管51、电感器52以及电容器53。二极管51的阴极接收整流讯号S_REC，其阳极耦接次级412的第二端B。电感器42的一端耦接二极管51的阴极，电感器42的另一端耦接电容器53的一端。电容器53的另一端耦接次级412的第二端B。

综上所述，本发明的驱动系统是藉由驱动单元来驱动上臂开关，并且依据控制讯号，使上、下臂开关交替导通，以产生一交流讯号来驱动负载。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims

1.一种切换装置，用以切换一开关装置的输出状态，该开关装置具有一上臂开关及一下臂开关，该切换装置包括：

一电源；

一整流组件，耦接该电源；

一驱动单元，具有一图腾电路及一储能组件，该图腾电路耦接该上臂开关，该储能组件与该整流组件相耦接；以及

一控制单元，依据一控制讯号，而控制该电源的电力通过该整流组件送至该驱动单元，其中当该驱动单元接收该电源后，则该图腾电路驱动该上臂开关，以切换该开关装置的输出状态。

2.如权利要求1所述的切换装置，其中该储能组件为一电容器。

3.如权利要求1所述的切换装置，其中该整流组件为一二极管，其阳极端耦接该电源，阴极端耦接该储能组件。

4.如权利要求1所述的切换装置，其中该图腾电路包括：

一第一开关，具有一第一控制端、一第一输入端以及一第一输出端，该第一控制端耦接该控制单元，该第一输入端耦接该整流组件及该储能组件的一第一端，该第一输出端耦接该上臂开关；以及

一第二开关，具有一第二控制端、一第二输入端以及一第二输出端，该第二控制端耦接该控制单元，该第二输入端耦接该上臂开关，该第二输出端耦接该储能组件的一第二端。

5.如权利要求4所述的切换装置，其中该第一开关为一npn双载流子晶体管，该第二开关为一pnp双载流子晶体管。

6.如权利要求1所述的切换装置，其中该控制单元为一开关，具有一控制端以接收该控制讯号。

7.如权利要求6所述的切换装置，其中该控制单元为一NMOS晶体管，其栅极接收该控制讯号。

8.如权利要求6所述的切换装置，其中该控制单元为一NMOS晶体管，其漏极或源极接收该控制讯号。

9.如权利要求1所述的切换装置，其中该上臂开关与该下臂开关分别可为一NMOS晶体管、一NPN双载流子晶体管或一IGBT晶体管。

10.如权利要求1所述的切换装置，还包括一保护单元，其设置于该整流组件与该驱动单元之间，且该保护单元具有一齐纳二极管。

11.如权利要求1所述的切换装置，还包括一保护单元，其与该图腾电路及上臂开关相耦接，且该保护单元具有一齐纳二极管。

12.一种切换装置，用以切换一开关装置的输出状态，该开关装置具有一上臂开关及一下臂开关，该上/下臂开关各为一NMOS晶体管，该切换装置包括：

一电源；

一整流组件；

一驱动单元，耦接该上臂开关，并通过该整流组件与该电源耦接；以及

一控制单元，耦接该驱动单元，并依据一控制讯号，控制该电源的电力传送至该驱动单元，其中当该驱动单元接收该电源后，则驱动该上臂开关，以切换该开关装置的输出状态。

13.如权利要求12所述的切换装置，其中该驱动单元具有一图腾电路以及一储能组件，该图腾电路耦接该上臂开关，该储能组件与该整流组件相耦接，其中该储能组件为一电容器。

14.如权利要求13所述的切换装置，其中该图腾电路包括：

一第一开关，具有一第一控制端、一第一输入端以及一第一输出端，该第一控制端耦接该控制单元，该第一输入端耦接该整流组件以及该储能组件的一第一端，该第一输出端耦接该上臂开关；以及

15.如权利要求12所述的切换装置，其中该控制单元为一NMOS晶体管，其栅极接收该控制讯号。

16.如权利要求12所述的切换装置，其中该控制单元为一NMOS晶体管，其漏极或源极接收该控制讯号。

17.如权利要求12所述的切换装置，还包括一保护单元，其设置于该电源与该驱动单元之间，且该保护单元具有一齐纳二极管。

18.如权利要求12所述的切换装置，还包括一保护单元，其与该驱动单元及该上臂开关相耦接，且该保护单元具有一齐纳二极管。

19.一种驱动系统，用以驱动一负载，包括：

一控制装置，其系产生一第一控制讯号与一第二控制讯号；

一开关装置，具有一上臂开关及一下臂开关，该上臂开关依据一驱动讯号动作，该下臂开关依据该第二控制讯号动作，使该开关装置产生一输出讯号；

一切换装置，具有一电源、一整流组件、一驱动单元及一控制单元，该驱动单元具有一图腾电路及一储能组件，其中该图腾电路耦接该上臂开关，该储能组件与该整流组件相耦接，及该控制单元依据该第一控制讯号，控制该电源的电力通过该整流组件传送至该驱动单元，其中当该驱动单元接收该电源后，该图腾电路输出该驱动讯号；以及

一电源转换装置，依据该输出讯号，而驱动该负载。

20.如权利要求19所述的驱动系统，其中该整流组件为一二极管，其阳极端耦接该电源，阴极端耦接该储能组件。

21.如权利要求19所述的驱动系统，其中该图腾电路包括：

22.如权利要求21所述的驱动系统，其中该第一开关为一npn双载流子晶体管，该第二开关为一pnp双载流子晶体管。

23.如权利要求19所述的驱动系统，其中该控制单元为一开关，具有一控制端以接收该控制讯号。

24.如权利要求19所述的驱动系统，其中该上臂开关与该下臂开关分别可为一NMOS晶体管、一NPN双载流子晶体管或一IGBT晶体管。

25.如权利要求19所述的驱动系统，其中该负载为一发光二极管。

26.如权利要求19所述的驱动系统，其中该负载为一荧光灯。

27.如权利要求19所述的驱动系统，其中该切换装置更具有一保护单元，其系设置于该整流组件与该驱动单元之间，且该保护单元具有一齐纳二极管。

28.如权利要求19所述的驱动系统，其中该切换装置还具有一保护单元，其与该图腾电路及上臂开关相耦接，且该保护单元具有一齐纳二极管。