CN104218943B - 补偿装置及驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种补偿装置及驱动装置，所述补偿装置包括稳压单元和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元，所述零点调节单元包括串联的移相电路和分压电阻，所述移相电路包括并联的移相电容与移相电阻，所述稳压单元包括运算放大单元和反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述运算放大单元的输出端和反相输入端之间，所述运算放大单元的同相输入端接地，所述分压电阻连接在所述移相电路与运算放大单元的反相输入端之间。实施本发明的装置，可抵消MOSFET电路的一阶系统的极点，使补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路的一阶系统的极点，调整其电路的常数，缩短MOSFET的输出电流上升时间，加快输出电流上升速度。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种补偿装置及驱动装置。
背景技术
光机光源设备的驱动电路，通常用功率MOSFET(金氧半场效晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)来做能量转换，在MOSFET的开关切换中，由PWM(脉冲宽度调制)控制IC(集成电路，integrated circuit)输出的驱动电压来控制MOSFET输出的电流大小。
而控制IC输出的驱动电压波形通常为步阶方波型，此时MOSFET输出的电流波形为一近似的步阶波形。此步阶电流波形由于受到MOSFET自身输入电容及配线电感等参数的影响，这一电流波形爬升时间非常缓慢，极大地延长MOSFET的响应时间，会降低驱动效率，进而增加负载损耗。
发明内容
基于此，有必要针对上述驱动电路，会降低驱动效率，进而增加负载损耗的问题，提供一种补偿装置及驱动装置。
一种补偿装置，包括稳压单元和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元，所述零点调节单元包括串联的移相电路和分压电阻，所述移相电路包括并联的移相电容与移相电阻，所述稳压单元包括运算放大单元和反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述运算放大单元的输出端和反相输入端之间，所述运算放大单元的同相输入端接地，所述分压电阻连接在所述移相电路与所述运算放大单元的反相输入端之间，所述移相电路接收控制信号、对所述控制信号进行移相、并将移相后的控制信号传送到所述分压电阻，所述分压电阻将所述控制信号传送到所述运算放大单元的反相输入端，所述运算放大单元的输出端用于将所述控制信号传输至所述金氧半场效晶体管的门级。
上述补偿装置，通过稳压单元和零点调节单元可抵消MOSFET电路的一阶系统的极点，使补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路的一阶系统的极点，调整其电路的常数，进而缩短MOSFET电路的输出电流的上升时间，加快输出电流的上升速度。
一种驱动装置，包括脉冲宽度调制控制电路、金氧半场效晶体管电路、稳压单元和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元，所述金氧半场效晶体管电路包括金氧半场效晶体管，所述零点调节单元包括串联的移相电路和分压电阻，所述移相电路包括并联的移相电容与移相电阻，所述稳压单元包括运算放大单元和反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述运算放大单元的输出端和反相输入端之间，所述运算放大单元的同相输入端接地，所述分压电阻连接在所述移相电路与所述运算放大单元的反相输入端之间，所述运算放大单元的输出端连接所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的门极，所述移相电路接收所述脉冲宽度调制控制电路输出的驱动电压、对所述驱动电压进行移相、并将移相后的驱动电压传送到所述分压电阻，所述分压电阻将所述驱动电压传送至所述运算放大单元的反相输入端，所述运算放大单元的输出端将所述驱动电压传输至所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的门极，以调节所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的输出电流的爬升时间。
上述驱动装置，通过稳压单元和零点调节单元对脉冲宽度调制控制电路的驱动电压进行移相稳压操作，可抵消MOSFET电路的一阶系统的极点，使补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路的一阶系统的极点，调整其电路的常数，进而缩短MOSFET电路的输出电流的上升时间，加快输出电流的上升速度。可减少负载的损耗，延长负载的寿命，增加负载的可靠性。
附图说明
图1是本发明补偿装置第一实施方式的结构示意图；
图2是本发明补偿装置第二实施方式的结构示意图；
图3是本发明驱动装置第一实施方式的结构示意图；
图4是本发明驱动装置第二实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是本发明的补偿装置第一实施方式的结构示意图。
本实施方式所述的补偿装置，包括稳压单元200和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元100，零点调节单元100包括串联的移相电路110和分压电阻120，移相电路110包括并联的移相电容111与移相电阻112，稳压单元200包括运算放大单元210和反馈电阻220，反馈电阻连接在运算放大单元210的输出端1和反相输入端4之间，运算放大单元210的同相输入端3接地，分压电阻120连接在移相电路110与运算放大单元210的反相输入端4之间，移相电路110接收控制信号、对所述控制信号进行移相、并将移相后的控制信号传送到分压电阻120，分压电阻120将所述控制信号传送到运算放大单元210的反相输入端4，运算放大单元的输出端1用于将所述控制信号传输至所述金氧半场效晶体管的门级。
本实施方式所述的补偿装置，通过稳压单元和零点调节单元可抵消MOSFET电路的一阶系统的极点，使补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路的一阶系统的极点，调整其电路的常数，进而缩短MOSFET电路的输出电流的上升时间，加快输出电流的上升速度。
优选地，对于金氧半场效晶体管(MOSFET)，其内部的栅源电阻、各极间的等效电容及外壳封装内的配线电感的存在会极大地影响栅源极爬升时间，当输入步阶信号(驱动电压，波形通常为步阶方波型)时，栅源电压的变化速度取决于栅源电路的时间常数(Rg*Ciss)，而上升时间Trise＝K*Rg*Ciss，K为常数，所以要加快上升速度，减少上升时间，或者减小Rg，或者减小Ciss，但在实际应用中，MOSFET的Rg和Ciss为固定值，导致驱动时MOSFET输出电流的上升时间基本固定，而且由于输入为电容性，使得输出负载线并不是如同阻性负载一样的直线，而是弯曲线。
其中，输出电流上升时间Trise为上述弯曲线的最终值的10％上升到90％所需的时间。这一时间通常值为6us到10us，该上升时间从减小损耗角度，驱动LED或LD的方波电压及电流的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的电压使LED或LD快速开通，可以降低开通损耗，同理，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，使负载发热量降低。这样可以进一步延长LED或LD的使用寿命，提高其可靠性。
在一般的MOSFET驱动电路中，驱动电压u(t)到输出电流y(t)响应关系为如下一阶系统转移函数：
从上述一阶系统转移函数可知，此函数只含一个极点。在这个一阶的转移函数中间加本发明的补偿装置，可使得MOSFET的输出电流的上升时间大大缩短，满足整个系统的设计要求，于是最终的转移函数变为：
其中，s为拉普拉斯变换单位，t为时间，补偿装置的转移函数为：
这样补偿装置的转移函数包含一个极点和一个零点，而补偿装置的零点可以抵消原来MOSFET电路一阶系统的极点，而补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路一阶系统的极点，此时电路的常数由τ变成了τ0，只要τ0＜τ，那么这个补偿后的MOSFET电路就有更短的上升时间，从而加快了输出电流的上升速度。
优选地，根据需要调节MOSFET的输出电流的上升时间的具体数值，可通过调整移相电容111、移相电阻112、分压电阻120、和反馈电阻220的参数值，τ0可以足够很小，补偿后的MOSFET电路的输出电流上升时间就很小。如可使得MOSFET电路的输出电流上升时间缩短到2us左右。
在一个实施例中，移相电容111的电容为200皮法、移相电阻112的电阻为5.1千欧、分压电阻120的电阻为5.1千欧、和反馈电阻220的电容为10千欧。
对于运算放大单元210，优选地可为一个运算放大器，即第二运算放大器。可提高控制信号的抗干扰性。运算放大单元210的接地端2接地，电源端5可接5V电压。
请参阅图2，图2是本发明的补偿装置的第二实施方式的结构示意图。
本实施方式的所述补偿装置，包括稳压单元200和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元100，零点调节单元100包括串联的移相电路110和分压电阻120，移相电路110包括并联的移相电容111与移相电阻112，稳压单元200包括运算放大单元210和反馈电阻220，反馈电阻连接在运算放大单元210的输出端1和反相输入端4之间，运算放大单元210的同相输入端3接地，分压电阻120连接在移相电路110与运算放大单元210的反相输入端4之间，移相电路110接收控制信号、对所述控制信号进行移相、并将移相后的控制信号传送到分压电阻120，分压电阻120将所述控制信号传送到运算放大单元210的反相输入端4，运算放大单元的输出端1用于将所述控制信号传输至所述金氧半场效晶体管的门级。
本实施方式的补偿装置进一步还可包括与移相电路110连接的运放电路300，运放电路300对所述控制信号进行幅值放大，并将幅值放大后的控制信号传送至移相电路110。
本实施方式，通过稳压单元和零点调节单元可抵消MOSFET电路的一阶系统的极点，使补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路的一阶系统的极点，调整其电路的常数，进而缩短MOSFET电路的输出电流的上升时间，加快输出电流的上升速度。还可通过运放电路300放大控制信号，使其能够达驱动MOSFET电路。
进一步地，所述运放电路包括第一运算放大器310、第一放大电阻320和第二放大电阻330，第一放大电阻320的一端连接第一运算放大器310的反相输入端9，另一端接地，第二放大电阻330连接在第一运算放大器310的输出端6与反相输入端9之间，第一运算放大器310的同相输入端8接收所述控制信号，第一运算放大器的输出端6将所述控制信号传送至移相电路110。
优选地，第一运算放大器310的接地端2接地，电源端5可接5V电压。
请参阅图3，图3是本发明的驱动装置第一实施方式的结构示意图。
本实施方式所述的驱动装置，包括脉冲宽度调制控制电路400、金氧半场效晶体管电路500和以上任意一实施方式或实施例所述的补偿装置1000，金氧半场效晶体管电路500包括金氧半场效晶体管，补偿装置1000的输入端接收脉冲宽度调制控制电路输出的驱动电压，补偿装置1000的输出端接金氧半场效晶体管电路500的金氧半场效晶体管的门极，移相电路110或运放电路300接收所述脉冲宽度调制控制电路400输出的驱动电压，移相电路110对所述驱动电压进行移相、并将移相后的驱动电压传送到分压电阻120，分压电阻120将所述驱动电压传送至运算放大单元210的反相输入端4，运算放大单元210的输出端1将所述驱动电压传输至所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的门极，以调节金氧半场效晶体管电路500的金氧半场效晶体管的输出电流的爬升时间。
本实施方式所述的驱动装置，通过补偿装置中的稳压单元和零点调节单元对脉冲宽度调制控制电路的驱动电压进行移相稳压操作，可抵消MOSFET电路的一阶系统的极点，使补偿装置的极点成为补偿后的MOSFET电路的一阶系统的极点，调整其电路的常数，进而缩短MOSFET电路的输出电流的上升时间，加快输出电流的上升速度。可减少负载的损耗，延长负载的寿命，增加负载的可靠性。
优选地，补偿装置1000包括图1或图2中所示的电路器件和单元。
优选地，脉冲宽度调制控制电路400包括光机光源设备驱动电路。
请参阅图4，图4是本发明的驱动装置的第二实施方式的结构示意图。
本实施方式的所述驱动装置与第一实施方式的区别在于：金氧半场效晶体管电路500包括DC输入升压电路510和与DC输入升压电路510连接的输出同步整流电路520，DC输入升压电路510包括第一金氧半场效晶体管，输出同步整流电路520包括第二金氧半场效晶体管，运算放大单元210的输出端4分别连接所述第一金氧半场效晶体管的门级和所述第二金氧半场效晶体管的门级。
本实施方式，可缩短所述第一金氧半场效晶体管的电流爬升时间和所述第二金氧半场效晶体管的电流爬升时间，进而提高整个驱动装置的驱动效率。
在一个实施例中，本实施方式的驱动装置还包括负载设备600，负载设备600与输出同步整流电路420的输出端连接。
优选地，负载设备600可包括LED或LD。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种补偿装置，其特征在于，包括稳压单元和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元，所述零点调节单元包括串联的移相电路和分压电阻，所述移相电路包括并联的移相电容与移相电阻，所述稳压单元包括运算放大单元和反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述运算放大单元的输出端和反相输入端之间，所述运算放大单元的同相输入端接地，所述分压电阻连接在所述移相电路与所述运算放大单元的反相输入端之间，所述移相电路接收控制信号、对所述控制信号进行移相、并将移相后的控制信号传送到所述分压电阻，所述分压电阻将所述控制信号传送到所述运算放大单元的反相输入端，所述运算放大单元的输出端用于将所述控制信号传输至所述金氧半场效晶体管的门极，通过调整所述移相电容、所述移相电阻、所述分压电阻及所述反馈电阻的参数值调节所述控制信号的输出；
还包括与所述移相电路连接的运放电路，所述运放电路对所述控制信号进行幅值放大，并将幅值放大后的控制信号传送至所述移相电路；
所述运放电路包括第一运算放大器、第一放大电阻和第二放大电阻，所述第一放大电阻的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，另一端接地，所述第二放大电阻连接在所述第一运算放大器的输出端与反相输入端之间，所述第一运算放大器的同相输入端接收所述控制信号，所述第一运算放大器的输出端将所述控制信号传送至所述移相电路；
所述补偿装置的转移函数包含一个极点和一个零点，所述补偿装置的极点成为补偿后电路系统的极点。
2.根据权利要求1所述的补偿装置，其特征在于，所述运算放大单元包括第二运算放大器。
3.一种驱动装置，其特征在于，包括脉冲宽度调制控制电路、金氧半场效晶体管电路、稳压单元和用于抵消金氧半场效晶体管的一阶系统极点的零点调节单元，所述金氧半场效晶体管电路包括金氧半场效晶体管，所述零点调节单元包括串联的移相电路和分压电阻，所述移相电路包括并联的移相电容与移相电阻，所述稳压单元包括运算放大单元和反馈电阻，所述反馈电阻连接在所述运算放大单元的输出端和反相输入端之间，所述运算放大单元的同相输入端接地，所述分压电阻连接在所述移相电路与所述运算放大单元的反相输入端之间，所述运算放大单元的输出端连接所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的门极，所述移相电路接收所述脉冲宽度调制控制电路输出的驱动电压、对所述驱动电压进行移相、并将移相后的驱动电压传送到所述分压电阻，所述分压电阻将所述驱动电压传送至所述运算放大单元的反相输入端，所述运算放大单元的输出端将所述驱动电压传输至所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的门极，以调节所述金氧半场效晶体管电路的金氧半场效晶体管的输出电流的爬升时间，通过调整所述移相电容、所述移相电阻、所述分压电阻及所述反馈电阻的参数值调节所述驱动电压的输出；
还包括与所述移相电路连接的运放电路，所述运放电路对控制信号进行幅值放大，并将幅值放大后的控制信号传送至所述移相电路；
所述运放电路包括第一运算放大器、第一放大电阻和第二放大电阻，所述第一放大电阻的一端连接所述第一运算放大器的反相输入端，另一端接地，所述第二放大电阻连接在所述第一运算放大器的输出端与反相输入端之间，所述第一运算放大器的同相输入端接收所述控制信号，所述第一运算放大器的输出端将所述控制信号传送至所述移相电路；
所述稳压单元和所述零点调节单元组成的补偿装置的转移函数包含一个极点和一个零点，所述补偿装置的极点成为补偿后电路系统的极点。
4.根据权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，所述运算放大单元包括第二运算放大器。
5.根据权利要求3至4中任意一项所述的驱动装置，其特征在于，所述金氧半场效晶体管电路包括DC输入升压电路和与所述DC输入升压电路连接的输出同步整流电路，所述DC输入升压电路包括第一金氧半场效晶体管，所述输出同步整流电路包括第二金氧半场效晶体管，所述运算放大单元的输出端分别连接所述第一金氧半场效晶体管的门极和所述第二金氧半场效晶体管的门极。
6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，还包括负载设备，所述负载设备与所述输出同步整流电路的输出端连接。
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