CN101582649B - 直流对交流变换器 - Google Patents

Abstract

一种直流对交流变换器，其包括信号产生模块、第一开关、第一电容、变压器及触发信号产生模块。信号产生模块为依据触发信号产生脉宽调制信号。第一开关的控制端接收脉宽调制信号，其第一端及第二端分别耦接第一电容的第一端及第二端。变压器的初级线圈耦接第一开关的第二端，以及其次级线圈耦接负载。变压器会依据初级线圈的信号变化产生驱动信号至负载。触发信号产生模块比较第一开关的第二端输出的第一信号及其相位延迟信号，且因此产生触发信号以控制脉宽调制信号的频率。

Description

直流对交流变换器

技术领域

本发明涉及一种直流对交流变换器，且特别涉及一种可动态调整脉宽调制信号以增加切换效率的变换器。

背景技术

近年来，随着光电及半导体设备技术的进步，使得平面显示器迅速且蓬勃的发展，而平面显示器例如为液晶显示器。液晶显示器因具有低功率消耗、无幅射污染及高空间利用的特性，而逐渐地成为市场的主流。液晶显示器包括液晶显示面板及背光模块。由于液晶显示面板不具备发光的能力，故必须在液晶显示面板下方配置背光模块以提供光源，使液晶显示面板能够达到其显示图像的功能。

一般而言，背光模块通常使用冷阴极灯管(cold cathode fluorescentlamp，CCFL)以提供背光源，因而需变换器电路(或称为直流对交流变换器)来产生交流驱动信号以驱动冷阴极灯管。图1为传统变换器的电路图。请参照图1，此直流对交流变换器100包括开关SW1、电容CA1、脉宽调制器110、变压器120及电压检测器140。在此开关SW1的导通状态受控于脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号P1，其中导通状态亦即导通(turn on)或不导通(turn off)。电容CA1会反应导通状态的改变而进行充电或放电，其充电或放电会经由变压器120的初级线圈所提供的电流路径。变压器120的次级线圈会感应初级线圈的电流变化，而产生一交流电压以驱动冷阴极灯管130。由于冷阴极灯管130的亮度依据流经冷阴极灯管130的电流量决定，故电压检测器140会检测流经冷阴极灯管130的电流量，以及将检测到的电流信号转换为电压信号作为反馈信号fb。

当直流对交流变换器100运作于稳定的电源供应电压VCC时，脉宽调制器100能够于最理想的切换效率下，调整脉宽调制信号P1的频率。然而，如果脉宽调制信号P1的频率保持不变的话，电压VCC的变化(例如：电压VCC变高或变低)都会影响开关SW1的切换效率。换句话说，开关SW1的切换效率会变得更差，并且会增加直流对交流变换器100的功率消耗。现在，在背光模块的设计上，各大厂商皆试图解决上述问题以增加直流对交流变换器的切换效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种直流对交流变换器，可以追踪开关中一端点的信号的斜率极性，并藉此调整脉宽调制信号的频率，以控制开关的导通状态。藉此，不只能使直流对交流变换器运作于大幅变动的电压下，除此之外也能增加直流对交流变换器的切换效率，以及减少直流对交流变换器的功率消耗。

本发明提出一种直流对交流变换器，其包括信号产生模块、第一开关、第一电容、变压器及触发信号产生模块。信号产生模块依据触发信号产生脉宽调制信号。第一开关的控制端接收脉宽调制信号，以控制第一开关导通与否，其第一端耦接第一电压。第一电容的第一端及第二端分别耦接第一开关的第一端及第二端。变压器的初级耦接第二电压及第一开关的第二端，以及其次级耦接负载及第一电压，用以依据初级的信号变化产生驱动信号至负载。触发信号产生模块耦接于第一开关的第二端与信号产生模块之间，用以比较第一信号及其相位延迟信号，且因此产生触发信号以控制脉宽调制信号的频率，其中第一信号源自第一开关的第二端的输出。

本发明提出的直流对交流变换器利用触发产生模块比较第一开关中一端点的信号(即第一信号)及其相位延迟信号，用以追踪第一信号的斜率极性，且因此产生触发信号来控制脉宽调制信号的频率，以达到高切换效率，以及使直流对交流变换器能运作于大幅变动的电压下(即第一电压)。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为传统变换器的电路图。

图2为依据本发明的一实施例的直流对交流变换器的电路图。

图3为依据实施例图2中触发信号产生模块230的电路图。

图4A为依据实施例图2中第一信号F1及相位延迟信号F2的曲线图。

图4B为依据实施例图3中方波信号F3的曲线图。

图4C为依据实施例图3中触发信号TG的电压曲线图。

图5为依据实施例图2中触发信号产生模块230的电路图。

【主要元件符号说明】

100、200：直流对交流变换器

110：脉宽调制器

120、220：变压器

130、240：冷阴极灯管

140：电压检测器

210：信号产生模块

211：斜率信号产生单元

212：脉宽调制信号产生单元

221：变压器初级线圈

222：变压器次级线圈

230：触发信号产生模块

231、531：延迟单元

232、532：比较器

233、533：微分单元

401、402、403：曲线

534：限制单元

CA1、C1、C2：电容

D1：二极管

DR：驱动信号

fb：反馈信号

F1：第一信号

F2：相位延迟信号

F3：方波信号

GND：接地电压

P1、PWM1：脉宽调制信号

R1、R2：电阻

RA：斜率信号

SW1、S1、S2：开关

TG：触发信号

VCC：电压

Vref：参考电压

具体实施方式

图2为依据本发明的一实施例的直流对交流变换器的电路图。请参照图2，直流对交流变换器200包括信号产生模块210、开关S1、电容C1、变压器220及触发信号产生模块230，其中开关S1例如为晶体管或其他半导体开关装置以实现，在此假设本实施例所提的直流对交流变换器200为应用在驱动冷阴极灯管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)240，藉以提供背光至显示面板，但本发明不以此为限。请参照图2，信号产生模块210依据触发信号TG产生脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号PWM1，以控制开关S1的导通与否，其中触发(trigger)信号TG由触发信号产生模块230所提供。开关S1的控制端接收脉宽调制信号PWM1，其第一端耦接电容C1的第一端，其第二端耦接电容C1的第二端。另外，开关S1的第一端也耦接接地电压GND。

变压器220的初级线圈耦接直流电压VCC及开关S1的第二端，其次级线圈耦接冷阴极灯管240及接地电压GND。变压器220的次级线圈依据其初级线圈的信号变化，以产生驱动信号DR至冷阴极灯管240。触发信号产生模块230耦接于开关S1的第二端与信号产生模块210之间。触发信号产生模块230比较第一信号F1及其相位延迟信号(未绘示于图2)，并且产生触发信号TG以控制脉宽调制信号PWM1的频率，其中第一信号F1为输出于开关S1的第二端。

请参照图2，电容C1会依据开关S1的导通状态而进行充电或放电，其中导通状态亦即导通或不导通。在此假设本实施例所提的开关S1是采用N型晶体管实现。当脉宽调制信号PWM1为逻辑低电位时，此时开关S1为不导通并且电容会经由电流路径进行充电，其中电流路径由变压器220的初级线圈221所提供。当脉宽调制信号PWM1为逻辑高电位时，此时开关S1为导通并且电容会经由导通的开关S1进行放电。变压器220的次级线圈222会感应其初级线圈221的交流电流变化，且将直流电压VCC转换为交流电压信号(亦即驱动信号DR)，以驱动冷阴极灯管240。

信号产生模块210包括斜率信号(ramp signal)产生单元211及脉宽调制信号产生单元212。斜率信号产生单元211可以利用简单的RC并联电路来实现，用以依据触发信号TG产生斜率信号RA。脉宽调制信号产生单元212依据斜率信号RA产生脉宽调制信号PWM1。本领域技术人员具有足够能力理解关于依据斜率信号RA以产生脉宽调制信号PWM1，以及脉宽调制信号PWM1的频率亦受控于斜率信号RA的频率，故不再赘述。在本实施例中，脉宽调制信号PWM1的频率可以经由触发信号产生模块230来调整，且此会在稍后说明。

图3为依据实施例图2中触发信号产生模块230的电路图。请参照图3，触发信号产生模块230包括延迟单元231、比较器232及微分单元233。延迟单元231耦接开关S1的第二端。延迟单元231会延迟第一信号F1并藉此产生相位延迟信号F2。图4A为依据实施例图2中第一信号F1及相位延迟信号F2的曲线图。请参照图4A，曲线401及402分别表示第一信号F1及相位延迟信号F2。依据上述说明，图2中电容C1进行充电或放电会依据开关S1的导通状态而改变，因此自开关S1的第二端输出的第一信号F1(即曲线401)会是交流信号。相位延迟信号F2(即曲线402)为延迟单元232延迟第一信号F1而产生。在本实施例中，延迟单元231可以采用间隙相位延迟电路(backlash phase delay circuit)实现。

比较器232的第一输入端及第二输入端分别接收第一信号F1及相位延迟信号F2，其输出端产生方波信号F3。图4B为依据实施例图3中方波信号F3的曲线图。曲线403表示方波信号F3。请参照图4A及图4B，比较器232比较相位延迟信号F2及第一信号F1，并藉此产生方波信号F3。在本实施例中，当相位延迟信F2的电压大于第一信号F1的电压时，此时从比较器232输出的方波信号F3为逻辑高电位。当相位延迟信F2的电压小于第一信号F1的电压时，此时从比较器232输出的方波信号F3为逻辑低电位。因此，经由控制延迟单元231的延迟时间，比较器232可以检测第一信号F1的波峰及波谷。

请参照图2及图3，微分单元233耦接于比较器232的输出端与信号产生模块210之间。微分单元233将方波信号F3微分，并藉此产生触发信号TG。图4C为依据实施例图3中触发信号TG的电压曲线图。请参照图4B及图4C，当方波信号F3显示为上升边缘时(亦即第一信号F1的波峰)，由微分单元233产生的触发信号TG具有正电压脉冲。当方波信号F3显示为下降边缘时(亦即第一信号F1的波谷)，由微分单元233产生的触发信号TG具有负电压脉冲。在本实施例中，触发信号TG可以被视为第一信号F1波峰及波谷的信号指标。触发信号TG会反馈至信号产生模块210，以调整斜率信号RA及脉宽调制信号PWM1的频率，以便进一步调整切换效率。

为使本领域技术人员可以依据本发明实施例的教示，轻易地施行本发明，以下将另举一实施例加以说明。图5为依据实施例图2中触发信号产生模块230的电路图。请参照图5，触发信号产生模块230包括延迟单元531、比较器532、微分单元533、开关S2及限制单元534。因为第一信号F1的电压可以达到一高电压(例如为直流电压VCC)，此限制单元534则用来限制第一信号F1不会超过参考电压Vref，以及传送第一信号F1至延迟单元531及比较器532的第一输入端，其中限制单元534由二极管D1及电阻R1所组成。二极管D1的阴极耦接第一开关S1的第二端，用以接收第一信号F1，其阳极耦接延迟单元531。电阻R1的第一端及第二端分别耦接参考电压Vref及二极管D1的阳极。限制单元534可以避免第一信号F1的电压超过作为电压上限的参考电压Vref。

延迟单元531及比较单元532是用来检测第一信号F1的波峰及波谷，且它们的运作方式与图3所示实施例相同，故不再赘述。微分单元533包括电容C2及电阻R2，用以将方波信号F3微分，并产生触发信号TG。电容C2的第一端耦接比较器532的输出端，其第二端输出触发信号TG。电阻R2的第一端耦接电容C2的第二端，其第二端耦接接地电压GND。在本实施例中，开关S2采用PNP双载子接面晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)实现，但本发明不此为限。PNP双载子接面晶体管的基极、射极及集极分别作为开关S2的控制端、第一端及第二端。开关S2的控制端接收触发信号TG，其第二端及第二端分别耦接信号产生模块210及接地电压GND。下述再举出关于依据触发信号TG调整斜率信号RA的频率的例子。

如上述图2所述，斜率信号产生单元211可以采用并联RC电路实现。请参照图4A及图4C，当第一信号F1显示为波谷时，触发信号TG具有负电压脉冲，并且开关S2会被触发而导通。同时，由于并联RC电路经由导通的开关S2进行放电，使得斜率信号RA会降低至接地电压GND。在负电压脉冲保持一段非常短的时间后，由于并联的RC电路已充电完毕，使得开关S2不导通，且斜率信号RA增加以导通开关S1。在此方式中，斜率信号RA及脉宽调制信号PWM1的频率可以被调整以增加切换效率。

请参照图1，如果直流电压VCC变大，变压器220的次级线圈会提供驱动信号DR过大的电压，所以无法避免额外的功率消耗。除此之外，在先前技术中，脉宽调制信号P1的脉宽取决于通过冷阴极管130的流动电流(亦即反馈信号fb)，但是脉宽调制信号P1的频率并没有调整。在本发明的实施例中，由开关S1的第二端输出的第一信号F1的斜率极性为连续曲线。借由触发信号TG调整斜率信号RA，使直流对交流变换器200的切换效率能够增加，且直流对交流变换器200能够运作于大幅变动的电压。

综上所述，直流对交流变换器200经由控制单一开关S1的导通状态，以产生交流驱动信号DR。触发信号产生模块230比较由开关S1的第二端输出的第一信号F1及其相位延迟信号F2，以追踪第一信号F1的斜率极性，并接着产生触发信号TG至信号产生模块210，用以调整斜率信号RA的频率。藉此，也能对脉宽调制信号PWM1的频率作调整。在上述实施例中直流对交流变换器200的切换效率已增加，并且功率消耗的问题也已有效的改善。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种直流对交流变换器，包括：

一信号产生模块，依据一触发信号以产生一脉宽调制信号；

一第一开关，具有一控制端、一第一端及一第二端，其中该控制端接收该脉宽调制信号以控制该第一开关导通与否，而该第一开关的第一端耦接一第一电压；

一第一电容，其第一端及第二端分别耦接该第一开关的第一端及第二端；

一变压器，具有一初级线圈及一次级线圈，该初级线圈耦接于一第二电压及该第一开关的第二端之间，该次级线圈耦接于一负载及该第一电压之间，用以依据该初级线圈的信号变化产生一驱动信号至该负载；以及

一触发信号产生模块，耦接于该第一开关的第二端与该信号产生模块之间，用以比较一第一信号及其一相位延迟信号，且因此产生该触发信号以控制该脉宽调制信号的频率，其中该第一信号源自该第一开关的第二端的输出。

2.如权利要求1所述的直流对交流变换器，其中该触发信号产生模块包括：

一延迟单元，耦接该第一开关的第二端，用以依据该第一信号产生该相位延迟信号；

一第一比较器，具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，该第一输入端接收该第一信号，该第二输入端接收该相位延迟信号，以及该第一比较器的输出端产生一方波信号；以及

一微分单元，耦接于该第一比较器的输出端与该信号产生模块之间，用以将该方波信号微分及因此产生该触发信号。

3.如权利要求2所述的直流对交流变换器，其中该触发信号产生模块还包括：

一第二开关，具有一控制端、一第一端及一第二端，该第二开关的控制端接收该触发信号，该第二开关的第一端耦接该信号产生模块，以及该第二端耦接该第一电压。

4.如权利要求2所述的直流对交流变换器，其中该触发信号产生模块还包括：

一限制单元，将该第一信号限制于一参考电压之下，且将该第一信号传送到该相位延迟单元及该第一比较器的第一输入端。

5.如权利要求4所述的直流对交流变换器，其中该限制单元包括：

一二极管，耦接于该第一开关的第二端与该延迟单元之间；以及

一第一电阻，具有一第一端及一第二端，该第一端耦接该参考电压，以及该第二端耦接该二极管。

6.如权利要求2所述的直流对交流变换器，其中该微分单元包括：

一第二电容，具有一第一端及一第二端，该第一端耦接该第一比较器的输出端，以及该第二端输出该触发信号；以及

一第二电阻，具有一第一端及一第二端，该第一端耦接该第二电容的该第二端，以及该第二端耦接该第一电压。

7.如权利要求1所述的直流对交流变换器，其中该信号产生模块包括：

一斜率信号产生单元，依据该触发信号产生一斜率信号。

8.如权利要求7所述的直流对交流变换器，其中该信号产生模块还包括：

一脉宽调制信号产生单元，依据该斜率信号产生该脉宽调制信号。

9.如权利要求1所述的直流对交流变换器，其中该第一电压为一接地电压。

10.如权利要求1所述的直流对交流变换器，其中该第二电压为一直流电压。

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