CN101902144A - 电压转换器及其所适用的驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种电压转换器及其所适用的驱动系统，该电压转换器接收输入直流低电压，用以驱动流体输送装置的压电致动器，该电压转换器包含：多个电容器；电阻器；升压芯片，其与多个电容器及电阻器连接，且具有开关元件及极性切换电路，用以接收输入直流低电压，并通过开关元件的作动对输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生直流高电压，极性切换电路将直流高电压转换成输出交流电压，用以驱动压电致动器；其中，多个电容器及电阻器用以控制升压芯片的运作频率。

Description

电压转换器及其所适用的驱动系统
技术领域
本发明是关于一种电压转换器，尤指一种电压转换器及其所适用的驱动系统。
背景技术
随着科技的进步，各类3C产品已被视为推动市场成长的重要力量。无庸置疑的，这样的发展趋势仍将持续下去，而且随着微电子技术的进步，3C产品不但功能日趋复杂，其尺寸亦渐趋于小型化，且可移植性也随之大幅提高，使用者因此可以方便轻松以3C产品处理各项事务。
而电脑、手机、数码相机等商品都可归类为3C产品，为了适应3C产品体积越做越小的趋势，产品内部的元件必须跟着小型化，尤其是用来将直流电压(DC)升压并转换成交流电压(AC)的电压转换器，才能达到产品小型化的目的，以符合市场的需求。
请参阅图1，其是现有的电压转换器的电路结构示意图，如图所示，现有电压转换器10包含时序产生电路11、多个开关元件12、升压电压器13、电容C1以及电感L1，用以接收一直流电压Vdc并升压转换成为一交流电压Vac，至于现有电压转换器10的运作方式是：接收直流电压Vdc，并利用时序产生电路11所输出的控制信号来控制多个开关元件12的关闭及导通，将直流电压Vdc，可为+5V至+12V之间，于由电感L1、电容C1、升压变压器13(1:20)及开关元件12所组成的迥路中，利用开关元件12间的开闭作用，使得升压变压器13的二次侧可得到已升压至需求标准的交流电压Vac。
虽然现有电压转换器10确实可达到将直流电压升压并转换成为一交流电压，但是在小型化的趋势下，现有电压转换器10使用升压变压器13，将使得此种电路设计无法缩小体积，使得产品无法满足小型薄型化的目标。
因此，如何发展一种可改善上述现有技术缺失的电压转换器及其所适用的驱动系统，实为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电压转换器及其所适用的驱动系统，以解决电压转换器使用升压变压器，无法缩小体积，使得所制造的产品无法满足小型薄型化的缺点。
为达上述目的，本发明的一较广义实施态样为提供一种电压转换器，其接收输入直流低电压，用以驱动流体输送装置的压电致动器，其包含：多个电容器；电阻器；升压芯片，其与多个电容器及电阻器连接，且具有开关元件及极性切换电路，用以接收输入直流低电压，并通过开关元件的作动对输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生直流高电压，极性切换电路是将直流高电压转换成输出交流电压，用以驱动压电致动器；其中，多个电容器及电阻器用以控制升压芯片的运作频率。
附图说明
图1是现有电压转换器的电路结构示意图。
图2A是本发明较佳实施例的驱动系统的结构示意图。
图2B是图2A所示的机构本体的实施态样示意图。
图3是图2A所示的电压转换器的第一较佳实施例的电路结构示意图。
图4A是图3所示的极性切换电路的内部电路结构图。
图4B是图4A所示的数字信号fout为低电平时的电路运作示意图。
图5A是图3所示的极性切换电路的另一内部电路结构图。
图5B是图5A所示的数字信号fout为低电平时的电路运作示意图。
图6是本发明图2A所示的电压转换器的第二较佳实施例的电路结构示意图。
图7是本发明图2A所示的电压转换器的第三较佳实施例的电路结构示意图。
图8是本发明图2A所示的电压转换器的第四较佳实施例的电路结构示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图标在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
请参阅图2A，其是本发明较佳实施例的驱动系统的结构示意图，如图所示，本发明的驱动系统2主要由机构本体21以及电压转换器22所组成，电压转换器22与机构本体21连接，主要利用电压转换器22接收一输入直流低电压并将其转换成为输出交流电压Vo1、Vo2，以驱动机构本体21运作。
请参阅图2B，其是图2A所示的机构本体的实施态样示意图，如图所示，本发明的机构本体21可为一流体输送装置23，但不以此为限，流体输送装置23可适用于医药生技、电脑科技、打印或是能源等工业，可输送气体或是液体，主要通过一压电致动器231将电能转换成机械能，其中压电致动器232包含有致动片232及振动薄模233，且可分别接收输出交流电压Vo1及Vo2，用以响应输出交流电压Vo1及Vo2的驱动而使致动片232及振动薄模233产生反复动作，以造成压力腔室234的体积压缩或是膨胀，使流体输送装置23可藉以达到传送流体的功效。
请参阅图3，其是本发明图2A所示的电压转换器的第一较佳实施例的电路结构示意图，如图所示，本实施例的电压转换器3主要用来接收一输入直流低电压Vin并将其转换为输出交流电压Vo1及Vo2输出，电压转换器3可由升压芯片31、多个电容器、多个电阻器以及电感L1、二极管D1所组成。
于本实施例中，多个电容器可包含电容器C11、C12、C13、C14及C15，但不以此为限，多个电阻器则可包含电阻器R11及R12。而升压芯片31其内部包含有一开关元件311及极性切换电路312，开关元件311是一耐高压开关元件。
升压芯片31的运作方式是接收该输入直流低电压Vin，通过开关元件311的关断切换以及电感L1、二极管D1与电容C14、C15的配合而将输入直流低电压Vin升压及倍压处理为一直流高电压V1，接续将直流高电压V1传送至极性切换电路312，主要用来将所接收的直流高电压V1转换成输出交流电压Vo1及Vo2。
举例而言，于一些实施例中，输入直流低电压Vin可介于DC+3V～+12V，开关元件311加上电感L1、二极管D1、电容C14、C15后可将输入直流低电压Vin升压至DC+100V以上的直流高电压V1，并利用极性切换电路312转换后即可输出100V以上的输出交流电压Vo1及Vo2。
请再参阅图3，升压芯片31需通过数字信号En、fout及fsw以及模拟信号Vpp来进行调控，数字信号En主要用以控制输出交流电压Vo1及Vo2输出与否，模拟信号Vpp主要用来决定输出交流电压Vo1及Vo2的振幅，即控制输出电压的大小；数字信号fout及fsw则分别用来控制输出切换频率及决定升压芯片31内部开关元件311运作时升压推进切换频率，于本实施例中，主要通过电容器C11来提供数字信号fout，电容器C12来提供数字信号fsw，电阻器R12来提供模拟信号Vpp。
另外，电感L1用来暂存及传递能量，电容器C13则稳定供给输入直流低电压Vin至升压芯片31内部，电容器C14及C15则主要用来暂存能量，至于电阻器R11则用来决定输出交流电压Vo1及Vo2之上升段斜率，及升压推进切换频率。
请参阅图4A，其是图3所示的极性切换电路的内部电路结构图，如图所示，极性切换电路312主要由多个晶体管开关及电阻器所组成，主要接收直流高电压V1、输入直流低电压Vin及数字信号fout，并转换成输出交流电压Vo1及Vo2，以驱动压电致动器231反复作动，其中，极性切换电路312可由第一电阻器R21、第二电阻器R22及第三电阻器R23，以及第一晶体管开关Q21、第二晶体管开关Q22、第三晶体管开关Q23、第四晶体管开关Q24、第五晶体管开关Q25、第六晶体管开关Q26及第七晶体管开关Q27所组成，于本实施例中，该等晶体管开关Q21、Q22、Q23、Q24、Q25、Q26及Q27可为双极共接面晶体管(BJT)，且第一电阻器R21、第二电阻器R22及第三电阻器R23可为限流电阻器，但不以此为限。
于本实施例中，第一晶体管开关Q21具有一基极(B)、与该接地端连接的一射极(E)，以及与该第一电阻器R21连接的一集极(C)；第二晶体管开关Q22具有与第一晶体管开关Q21的集极及第一电阻器R21连接的一基极、与接地端连接的一射极，以及与第二电阻器R22连接的一集极；第三晶体管开关Q23具有与第二电阻器R22及第二晶体管开关Q22的集极连接的一基极、与压电致动器231连接的一射极，以及与第二电阻器R22连接的一集极；第四晶体管开关Q24具有与第一电阻器R21、第一晶体管开关Q21的集极及第二晶体管开关Q22的基极连接的一基极、与接地端连接的一射极，以及与压电致动器231及第三晶体管开关Q23的射极连接的一集极；第五晶体管开关Q25具有与第三电阻器R23连接的一基极、与压电致动器231连接的一射极，以及与第二电阻器R22、第三晶体管开关Q23的该集极及第三电阻器R23连接的一集极；第六晶体管开关Q26具有与第一晶体管开关Q21的基极连接的一基极、与接地端连接的一射极，以及与压电致动器231连接的一集极；第七晶体管开关Q27具有与该第一晶体管开关Q21的该基极连接的一基极、与该接地端连接的一射极，以及与第三电阻器R23及第五晶体管开关Q25的该基极连接的该一集极。
极性切换电路312的运作原理是：请参阅图4A，当数字信号fout为高电平(High)时，晶体管开关Q21、Q26通路，使限流电阻器R21所在的支路接地，因而造成晶体管开关Q22、Q24开路，再使限流电阻器R22所在的支路处于高电平，因而使晶体管开关Q23通路；同时在另一方面，当数字信号fout为高电平时将使晶体管开关Q27通路，而使限流电阻器R23所在的支路接地，因而造成晶体管开关Q25开路，所以电流将沿箭头方向进行。请参阅图4B，当数字信号fout为低电平(Low)时，则所有晶体管开关动作相反，即晶体管开关Q21、Q26开路，使限流电阻器R21所在的支路处于高电平，因而造成晶体管开关Q22、Q24通路，再使限流电阻器R22所在的支路接地，因而使晶体管开关Q23开路；同时在另一方面，当数字信号fsw为低电平时将使晶体管开关Q27开路，而使限流电阻器R23所在的支路处于高电平，因而造成晶体管开关Q25通路，使电流行进方向如图所示的箭头方向。
于一些实施例中，极性切换电路312内部所使用的晶体管开关亦可选择以场效晶体管(FET)作为其具体的实施态样(如图5A及图5B所示)，其中，极性切换电路312可由第一电阻器R21、第二电阻器R22及第三电阻器R23，以及第一晶体管开关Q21、第二晶体管开关Q22、第三晶体管开关Q23、第四晶体管开关Q24、第五晶体管开关Q25、第六晶体管开关Q26及第七晶体管开关Q27所组成。
第一晶体管开关Q21具有一栅极(G)、与该接地端连接的一源极(S)，以及与第一电阻器R21连接的一漏极(D)；第二晶体管开关Q22具有与第一晶体管开关Q21的漏极及第一电阻器R21连接的一栅极、与接地端连接的一源极，以及与第二电阻器R22连接的一漏极；第三晶体管开关Q23具有与第二电阻器R22及第二晶体管开关Q22的漏极连接的一栅极、与压电致动器231连接的一源极，以及与第二电阻器R22连接的一漏极；第四晶体管开关Q24具有与第一电阻器R21、第一晶体管开关Q21的该漏极及第二晶体管开关Q22的该栅极连接的一栅极、与接地端连接的一源极，以及与压电致动器231及第三晶体管开关Q23的该源极连接的一漏极；第五晶体管开关Q25具有与第三电阻器R23连接的一栅极、与压电致动器231连接的一源极，以及与第二电阻器R22、第三晶体管开关Q23的该漏极及第三电阻器R23连接的一漏极；第六晶体管开关Q26具有与第一晶体管开关Q21的栅极连接的一栅极、与接地端连接的一源极，以及与压电致动器231连接的一漏极；第七晶体管开关Q27具有与第一晶体管开关Q21的栅极连接的一栅极、与接地端连接的一源极，以及与第三电阻器R23及第五晶体管开关Q25的栅极连接的一漏极。
图5A及图5B所示的极性切换电路312的架构与运作原理是与图4A及图4B相似，于此不再赘述。
请参阅图6，其是本发明图2A所示的电压转换器的第二较佳实施例的电路结构示意图，如图所示，本实施例的电压转换器6可由升压芯片31、控制单元61、电容器C13、C14及C15、电阻器R11、电感L1以及二极管D1所组成，其中升压芯片31所包含的开关元件311及极性切换电路312、电容器C13、C14及C15、电阻器R11、电感L1以及二极管D1的电路设计原理及所能达成的目的及功效是已详述于图3所示的第一较佳实施例中，因此不再赘述。
于本实施例中，控制单元61主要用来接收一调变输入信号Rx，以响应该调变输入信号Rx同时输出数字信号En、fout及fsw以及模拟信号Vpp至升压芯片31内，以控制升压芯片31的运作，至于，数字信号En主要用以控制输出交流电压Vo1及Vo2输出与否，而数字信号En、fout及fsw以及模拟信号Vpp的作用已详述于图3所示的第一较佳实施例中，因此不再赘述。
请参阅图7，其是本发明图2A所示的电压转换器的第三较佳实施例的电路结构示意图，如图所示，本实施例的电压转换器7是将极性切换电路312设置于升压芯片71之外部，且控制单元61所输出的数字信号fout是直接传送至极性切换电路312，如此升压芯片71则只需将输入直流低电压Vin转换成直流高电压V1输出，再通过外置式极性切换电路312将直流高电压V1转换成输出交流电压Vo1及Vo2。
至于，极性切换电路312的内部组成构件及运作原理，以及开关元件311的运作方式已详述于图3及图4A、图4B的第一较佳实施例中，因此不再赘述。
于本实施例中，主要利用控制单元61来输出数字信号En、fout及fsw以及模拟信号Vpp至升压芯片31内。
请参阅图8，其是本发明图2A所示的电压转换器的第四较佳实施例的电路结构示意图，如图所示，本实施例的电压转换器8包含一时序产生电路81，主要输出一数字信号fout至该极性切换电路312，用以控制极性切换电路312的切换频率。
另外，本实施例的极性切换电路312是设置于升压芯片71的外部，且接收时序产生电路81所输出的数字信号fout，如此升压芯片71则只需将输入直流低电压Vin转换成直流高电压V1输出，再通过外置式极性切换电路312将直流高电压V1转换成输出交流电压Vo1及Vo2。
至于，极性切换电路312的内部组成构件及运作原理，以及开关元件311的运作方式已详述于图3及图4A、图4B的第一较佳实施例中，因此不再赘述。
综上所述，本发明的电压转换器及其所适用的驱动系统是通过升压芯片的开关元件将输入直流低电压升压至直流高电压，并转换成输出交流电压输出以驱动流体输送装置的致动器，本发明所提出的小尺寸电路板的电路架构有效减少元件使用量，解决现有电压转换电路板无法有效缩小体积，使得所制造的产品无法满足小型薄型化的缺点。
另外，本发明的升压芯片的输出电压振幅、频率及升压推进切换频率，可以由外加的电阻器及电容器所产生的震荡频率所决定，或是由外部控制单元所输出的数个数字或模拟信号进行调控。
本发明得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然而皆不脱离如附本申请权利要求所欲保护的范围。

Claims (11)

1.一种电压转换器，其接收一输入直流低电压，用以驱动一流体输送装置的一压电致动器，其包含：
多个电容器；
一电阻器；
一升压芯片，其与该多个电容器及该电阻器连接，且具有一开关元件及一极性切换电路，用以接收该输入直流低电压，并通过该开关元件的作动对该输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生一直流高电压，该极性切换电路将该直流高电压转换成一输出交流电压，用以驱动该压电致动器；
其中，该多个电容器及该电阻器用以控制该升压芯片的运作频率。
2.根据权利要求1所述的电压转换器，其特征在于该极性切换电路是由多个晶体管开关及多个电阻器所组成。
3.根据权利要求2所述的电压转换器，其特征在于该多个晶体管开关是双极共接面晶体管。
4.根据权利要求3所述的电压转换器，其特征在于该极性切换电路包含：
一接地端；
一第一电阻器；
一第二电阻器；
一第三电阻器；
一第一晶体管开关，具有一基极、与该接地端连接的一射极，以及与该第一电阻器连接的一集极；
一第二晶体管开关，具有与该第一晶体管开关的该集极及该第一电阻器连接的一基极、与该接地端连接的一射极，以及与该第二电阻器连接的一集极；
一第三晶体管开关，具有与该第二电阻器及该第二晶体管开关的该集极连接的一基极、与该压电致动器连接的一射极，以及与该第二电阻器连接的一集极；
一第四晶体管开关，具有与该第一电阻器、该第一晶体管开关的该集极及该第二晶体管开关的该基极连接的一基极、与该接地端连接的一射极，以及与该压电致动器及该第三晶体管开关的该射极连接的一集极；
一第五晶体管开关，具有与该第三电阻器连接的一基极、与该压电致动器连接的一射极，以及与该第二电阻器、该第三晶体管开关的该集极及第三电阻器连接的一集极；
一第六晶体管开关，具有与该第一晶体管开关的该基极连接的一基极、与该接地端连接的一射极，以及与该压电致动器连接的一集极；
一第七晶体管开关，具有与该第一晶体管开关的该基极连接的一基极、与该接地端连接的一射极，以及与该第三电阻器及该第五晶体管开关的该基极连接的一集极。
5.根据权利要求3所述的电压转换器，其特征在于该多个晶体管开关是场效晶体管。
6.根据权利要求5所述的电压转换器，其特征在于该极性切换电路包含：
一接地端；
一第一电阻器；
一第二电阻器；
一第三电阻器；
一第一晶体管开关，具有一栅极、与该接地端连接的一源极，以及与该第一电阻器连接的一漏极；
一第二晶体管开关，具有与该第一晶体管开关的该漏极及该第一电阻器连接的一栅极、与该接地端连接的一源极，以及与该第二电阻器连接的一漏极；
一第三晶体管开关，具有与该第二电阻器及该第二晶体管开关的该漏极连接的一栅极、与该压电致动器连接的一源极，以及与该第二电阻器连接的一漏极；
一第四晶体管开关，具有与该第一电阻器、该第一晶体管开关的该漏极及该第二晶体管开关的该栅极连接的一栅极、与该接地端连接的一源极，以及与该压电致动器及该第三晶体管开关的该源极连接的一漏极；
一第五晶体管开关，具有与该第三电阻器连接的一栅极、与该压电致动器连接的一源极，以及与该第二电阻器、该第三晶体管开关的该漏极及第三电阻器连接的一漏极；
一第六晶体管开关，具有与该第一晶体管开关的该栅极连接的一栅极、与该接地端连接的一源极，以及与该压电致动器连接的一漏极；
一第七晶体管开关，具有与该第一晶体管开关的该栅极连接的一栅极、与该接地端连接的一源极，以及与该第三电阻器及该第五晶体管开关的该栅极连接的一漏极。
7.一种电压转换器，其接收一输入直流低电压，用以驱动一流体输送装置的一压电致动器，其包含：
一升压芯片，其具有一开关元件及一极性切换电路，用以接收该输入直流低电压，并通过该开关元件的作动对该输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生一直流高电压，该极性切换电路是将该直流高电压转换成一输出交流电压，用以驱动该压电致动器；以及
一控制单元，其与该控制单元连接，用以控制该升压芯片的运作频率。
8.根据权利要求7所述的电压转换器，其特征在于该控制单元是一微控制器。
9.一种电压转换器，其接收一输入直流低电压，用以驱动一流体输送装置的一压电致动器，其包含：
一升压芯片，其具有一开关元件，用以接收该输入直流低电压，并通过该开关元件的作动对该输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生一直流高电压；
一极性切换电路，其与该升压芯片连接，用以将该直流高电压转换成一输出交流电压，用以驱动该压电致动器；
一控制单元，其与该升压芯片及该极性切换电路连接，用以控制该升压芯片及该极性切换电路的运作频率。
10.一种电压转换器，其接收一输入直流低电压，用以驱动一流体输送装置的一压电致动器，其包含：
一升压芯片，其具有一开关元件，用以接收该输入直流低电压，并通过该开关元件的作动对该输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生一直流高电压；
一极性切换电路，其与该升压芯片连接，用以将该直流高电压转换成一输出交流电压，用以驱动该压电致动器；
一时序产生电路，其与该极性切换电路连接，用以控制该极性切换电路的运作频率；
一电阻器及一电容器，其与该升压芯片连接，用以控制该升压芯片的运作频率。
11.一种驱动系统，至少包含；
一流体输送装置，具有一压电致动器；以及
一电压转换器，其与该压电致动器连接，且接收一输入直流低电压，其包含：
多个电容器；
一电阻器；
一升压芯片，是与该多个电容器及该电阻器连接，且具有一开关元件及一极性切换电路，用以接收该输入直流低电压，并通过该开关元件的作动对该输入直流低电压进行升压及倍压处理，以产生一直流高电压，该极性切换电路是将该直流高电压转换成一输出交流电压，用以驱动该压电致动器；
其中，该多个电容器及该电阻器用以控制该升压芯片的运作频率。
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