CN107040140A - 一种交流信号生成电路和生成方法 - Google Patents

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曾磊
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易子川
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Shenzhen Guohua Optoelectronics Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种交流信号生成电路，包括直流电源电路、MCU控制电路、DC‑DC升压变换电路和全桥逆变电路，MCU控制电路的SPWM信号输出端与DC‑DC升压变换电路的控制端连接；DC‑DC升压变换电路的输出端与全桥逆变电路的输入端连接；MCU控制电路的PWM信号输出端与全桥逆变电路的控制端连接；还公开一种交流信号的生成方法。本发明一种交流信号生成电路和生成方法直接将MCU控制电路的SPWM信号传入到DC‑DC升压转换电路当中对其进行调制，可大大地简化正弦波电源设计，缩小电路体积，降低电源功耗，通过MCU控制电路的SPWM信号控制DC‑DC升压转换电路的输出为正弦半波，再结合后面的全桥逆变电路实现正弦全波交流信号输出。

Description

一种交流信号生成电路和生成方法
技术领域
本发明涉及交流信号生成领域，尤其是一种交流信号生成电路和生成方法。
背景技术
PDLC FILM:polymer dispersed liquid crystal film，聚合物分散液晶膜
PWM:Pulse-Width Modulation,脉冲宽度调制
SPWM:Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制
DC:Direct Current，直流电
HV:High Voltage，高压
L,C:电感，电容
IC:Integrated Circuit，集成电路
MCU:Micro Control Unit，单片机
电信号的两个基本状态：DC(直流),AC(交流)。不改变电信号DC状态，只改变电信号波形的形状和幅值可以通过PWM脉宽调制得以实现，PWM是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获取所需要的波形形状和幅值。
而将电信号的状态由DC变成AC的过程，是SPWM的调制思想，SPWM又称之为正弦脉宽调制技术，它通过对一系列宽窄不一的脉冲进行调制，得到等效正弦波形(幅值，相位，频率)，能实现这一过程，主要依赖于SPWM的基本原理，即面积等效原理，也就是在具有惯性的环节上加上冲量相等而形状不同的窄脉冲，其环节的输出响应波形基本相同，这边冲量指的是窄脉冲的面积，参考图1，图1是SPWM面积等效示意图。基于这一原理，可以将正弦半波的信号按面积等分为若干份，它们就等效于若干个幅度一样，宽度不一的脉冲信号。
聚合物分散液晶膜(PDLC FILM),又称之为智能调光膜，是在两块透明的薄膜材料之间将小分子液晶分散于透明的聚合物基体当中，并形成微米尺寸或纳米尺寸的液晶微滴，并且聚合物为这些液晶微滴提供了稳定的网络结构，介于液晶微滴有强的光学各向异性和介电各向异性，使得这种材料具备显著的电光特性。其中液晶微滴的光轴处于自由取向的状态，它的折射率与聚合物基体并不匹配，当光通过基体时，液晶微滴强烈散射，呈不透明的乳白状态或半透明状态，施加电场可以改变液晶微滴的光轴取向，将无序的液晶材料变换成有序的排列状态，当液晶微滴的折射率和基体的折射率匹配时，呈现透明状态，撤去电场，液晶微滴恢复最初的散光不透明状态，进而达到显示的效果，该材料目前的商业用途主要是调光玻璃。
当前的常见液晶显示面板驱动电源，一般是采用液晶驱动IC集成的电容电荷泵技术，生成正负15V。当需要的驱动电压高于40V时，现在的半导体工艺很难实现，成本高昂。如果需要一个100V/10mA的微功率正弦波交流电源，商用成熟的只有正弦波逆变电源可以配套。采用商用车载车载正弦波逆变器进行驱动，该方法通过单片机MCU控制全桥逆变开关的开启和断开，使DC/DC升压变换器的高电压直流输出通过全桥后，输出变为正弦全波，进而驱动液晶显示。
现有市场上驱动液晶的方案采用纯正的正弦波车载逆变器，通过单片机MCU发出的时序来控制全桥电路开关的开启和断开，进而将SPWM等效的正弦半波转换为低频的正弦全波交流信号，这种方案主要服务于市电220V的设备，并且其功耗大，体积大，电源模块设计复杂，成本高，配套使用不经济。如图2所示。图2为一个车载正弦波逆变器成熟商用设计方案示意图。现有的驱动液晶的成熟方案是商用成熟车载正弦波逆变器方案，它的主要思想是将单片机MCU输出的SPWM信号通过全桥驱动电路去控制全桥逆变电路，将DC直流电压变换成AC正弦波交流电压。整体分为前级和后级两部分；前级电路由直流电源、高频变压器、整流桥、直流高压滤波电路组成，在图2中对应DC/DC升压模块，将12V的直流DC输入转换到至少310V的输出，后级电路由全桥逆变和LC低通滤波器组成，实现将直流高压转换成50HZ/220V的低频正弦信号。其中，SPWM信号由单片机MCU产生，由单片机的PWM口输出，再经过全桥驱动电路，直接驱动全桥逆变电路，实现直流交流逆变和正弦波转换的功能，全桥逆变的输出再经过末路的LC低通滤波器，输出为50HZ/220V的正弦波交流信号。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种功耗低的交流信号生成电路和生成方法。
本发明所采用的技术方案是：一种交流信号生成电路，包括直流电源电路、MCU控制电路、DC-DC升压变换电路和全桥逆变电路，所述直流电源电路的输出端分别与DC-DC升压变换电路的电源输入端、MCU控制电路的电源输入端连接；所述MCU控制电路的SPWM信号输出端与DC-DC升压变换电路的控制端连接；所述DC-DC升压变换电路的输出端与全桥逆变电路的输入端连接；所述MCU控制电路的PWM信号输出端与全桥逆变电路的控制端连接；所述全桥逆变电路的输出端作为交流信号生成电路的输出端输出正弦全波交流信号。
进一步地，所述DC-DC升压变换电路包括DC-DC升压变换芯片、升压变压器、第一电压调节电阻和第二电压调节电阻，所述直流电源电路的输出端分别与DC-DC升压变换芯片的电源端、升压变压器的第一输入端连接；所述DC-DC升压变换芯片的控制端为DC-DC升压变换电路的控制端，所述MCU控制电路的SPWM信号输出端与DC-DC升压变换芯片的控制端连接；所述DC-DC升压变换芯片的第一输出端与升压变压器的第二输入端连接，所述升压变压器的第一输出端与第二电压调节电阻的一端连接，所述升压变压器的第二输入端与第二输出端连接；所述第二电压调节电阻的一端与全桥逆变电路的输入端连接；所述第二电压调节电阻的另一端与第一电压调节电阻的一端连接；所述第一电压调节电阻的另一端与DC-DC升压变换芯片的第二输出端连接；所述第一电压调节电阻的另一端接地。
进一步地，所述全桥逆变电路包括第一光耦、第二光耦、第一开关管、第二开关管、第一电容；所述第一光耦的第一输入端、第二光耦的第一输入端、第一开关管的控制端、第二开关管的控制端为全桥逆变电路的控制端，所述MCU控制电路的PWM信号输出端分别与第一光耦的第一输入端、第二光耦的第一输入端、第一开关管的控制端、第二开关管的控制端连接；所述第一光耦的第二输入端、第二光耦的第二输入端接地；所述DC-DC升压变换电路的输出端与第一光耦的第一输出端、第二光耦的第一输出端连接；所述第一光耦的第二输出端与第一电容的一端连接；所述第一电容的另一端与第二光耦的第二输出端连接；所述第一光耦的第二输出端与第一开关管的正输出端连接；所述第一开关管的负输出端接地；所述第二光耦的第二输出端与第二开关管的正输出端连接；所述第二开关管的负输出端接地；所述第一开关管的正输出端、第二开关管的正输出端分别作为全桥逆变电路的输出端。
进一步地，所述交流信号生成电路还包括LC滤波电路，所述全桥逆变电路的输出端与LC滤波电路的输入端连接。
进一步地，所述MCU控制电路包括STM8S003F3型号的单片机及其外围电路。
进一步地，所述DC-DC升压变换芯片包括ETA1617型号的DC-DC升压变换芯片。
进一步地，所述升压变压器为自抽头变压器。
进一步地，所述第一开关管、第二开关管为NMOS管，所述NMOS管的栅极为开关管的控制端，所述NMOS管的漏极为开关管的正输出端，所述NMOS管的源极为开关管的负输出端。
进一步地，所述LC滤波电路包括第一电感和第二电容，所述全桥逆变电路的输出端与第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与全桥逆变电路的输出端连接，所述第二电容的两端作为交流信号生成电路的输出端。
本发明所采用的另一技术方案是：一种交流信号生成方法，包括以下步骤：
MCU控制电路输入SPWM信号至DC-DC升压变换电路以控制其生成正弦半波信号；
MCU控制电路输入PWM信号至全桥逆变电路以控制其将所述正弦半波信号转换成正弦全波交流信号。
本发明的有益效果是：本发明一种交流信号生成电路和生成方法直接将MCU控制电路的SPWM信号传入到DC-DC升压转换电路当中对其进行调制，可大大地简化正弦波电源设计，缩小电路体积，降低电源功耗，通过MCU控制电路的SPWM信号控制DC-DC升压转换电路的输出为正弦半波，再结合后面的全桥逆变电路实现正弦全波交流信号输出。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是SPWM面积等效示意图；
图2是车载正弦波逆变器成熟商用设计方案示意图；
图3是本发明一种交流信号生成电路的结构示意图；
图4是本发明一种交流信号生成电路的直流电源电路的一具体实施例示意图；
图5是本发明一种交流信号生成电路的MCU控制电路的一具体实施例示意图；
图6是本发明一种交流信号生成电路的DC-DC升压变换电路的一具体实施例示意图；
图7是本发明一种交流信号生成电路的全桥逆变电路的一具体实施例示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种交流信号生成方法，包括以下步骤：
MCU控制电路输入SPWM信号至DC-DC升压变换电路以控制其生成正弦半波信号；
MCU控制电路输入PWM信号至全桥逆变电路以控制其将所述正弦半波信号转换成正弦全波交流信号。
一种交流信号生成电路，参考图3，图3是本发明一种交流信号生成电路的结构示意图，包括直流电源电路、MCU控制电路、DC-DC升压变换电路和全桥逆变电路，直流电源电路的输出端分别与DC-DC升压变换电路的电源输入端、MCU控制电路的电源输入端连接；MCU控制电路的SPWM信号输出端与DC-DC升压变换电路的控制端连接；DC-DC升压变换电路的输出端与全桥逆变电路的输入端连接；MCU控制电路的PWM信号输出端与全桥逆变电路的控制端连接；全桥逆变电路的输出端作为交流信号生成电路的输出端输出正弦全波交流信号。
一种交流信号生成电路和生成方法直接将MCU控制电路的SPWM信号传入到DC-DC升压转换电路当中对其进行调制，可大大地简化正弦波电源设计，缩小电路体积，降低电源功耗，通过MCU控制电路的SPWM信号控制DC-DC升压转换电路的输出为正弦半波，再结合后面的全桥逆变电路实现正弦全波交流信号输出。
进一步地，参考图4，图4是本发明一种交流信号生成电路的直流电源电路的一具体实施例示意图，直流电源电路包括直流电源和电源转换电路，电源转换电路用于将电源电压转换成其他电压，本实施例中，直流电源采用5V的直流电源，电源转换电路包括电源转换芯片U5及其外围电路，电源转换芯片U5采用ME6206A33M3型号的，将5V直流电转换成3.3V直流电，为MCU控制电路、DC-DC升压变换电路供电。参考图5，图5是本发明一种交流信号生成电路的MCU控制电路的一具体实施例示意图，MCU控制电路包括STM8S003F3型号的单片机U3及其外围电路；其中，单片机U3还包括输出SPWM信号的SPWM信号输出端SPWM1以及输出PWM信号的PWM信号输出端PWM_HB1A、PWM_HB1B、PWM_HB2A、PWM_HB2B；另外，单片机选取的晶振的频率为100KHZ，并选用单极性调制法，使得DC-DC升压变换电路输出等效于幅值为3.3V正弦半波的一系列宽度不一的窄带脉冲。
作为技术方案的进一步改进，参考图4、图5和图6，图4是本发明一种交流信号生成电路的直流电源电路的一具体实施例示意图，图5是本发明一种交流信号生成电路的MCU控制电路的一具体实施例示意图，图6是本发明一种交流信号生成电路的DC-DC升压变换电路的一具体实施例示意图，DC-DC升压变换电路包括DC-DC升压变换芯片U1、升压变压器T1、第一电压调节电阻R1和第二电压调节电阻R2，本实施例中，DC-DC升压变换芯片U1采用ETA1617型号的DC-DC升压变换芯片，升压变压器T1为自抽头变压器，本实施例选择了钰泰科技(上海)有限公司研发的ETA1617芯片；ETA1617是一款40V异步升压，可驱动单串10颗LED，主要用于智能手机和7-10寸平板电脑的TFT屏背光LED驱动。ETA1617采用了内部补偿构架，输出OVP保护则采用了内部控制，与其他厂商类似芯片比较省去了一个引脚。ETA1617在3.6V输入时驱动6颗LED，效率可达91％，同时，其EN脚可直接实现PWM调光，无需外围电路。ETA1617采用SOT23-6封装，800KHz开关频率，200mV反馈电压，恒流精度3％。直流电源电路的输出端分别与DC-DC升压变换芯片U1的电源端VIN、升压变压器T1的第一输入端1连接；DC-DC升压变换芯片U1的控制端即使能端EN为DC-DC升压变换电路的控制端，MCU控制电路的SPWM信号输出端SPWM1与DC-DC升压变换芯片的控制端EN连接；DC-DC升压变换芯片U1的第一输出端SW与升压变压器T1的第二输入端2连接，升压变压器T1的第一输出端3与第二电压调节电阻R2的一端连接，升压变压器T1的第二输入端2与第二输出端4连接；第二电压调节电阻R2的一端与全桥逆变电路的输入端连接；第二电压调节电阻R2的另一端与第一电压调节电阻R1的一端连接；第一电压调节电阻R1的另一端与DC-DC升压变换芯片U1的第二输出端FB连接，DC-DC升压变换芯片U1的接地端接地；第一电压调节电阻R1的另一端接地。单片机输出的SPWM信号直接连接DC-DC升压转换电路，其可以实现高压正弦波输出，在DC-DC升压变换电路里，选取了ETA1617芯片，它里面的EN引脚可直接实现PWM调光，同样可以实现PWM调压。在该例子中，将ETA1617芯片作为开关升压输出转换器，通过SPWM1信号来控制EN脚，使之得到高压交流信号(正弦半波，并且含直流信号)。
作为技术方案的进一步改进，参考图3，图3是本发明一种交流信号生成电路的结构示意图，交流信号生成电路还包括第三电容C3，第三电容C3的一端与DC-DC升压变换电路的输出端连接，第三电容C3的另一端接地；本实施例中，第三电容C3采用极性电容实现，起通交流，隔直流的作用。
作为技术方案的进一步改进，参考图5、图6和图7，图5是本发明一种交流信号生成电路的MCU控制电路的一具体实施例示意图，图6是本发明一种交流信号生成电路的DC-DC升压变换电路的一具体实施例示意图，图7是本发明一种交流信号生成电路的全桥逆变电路的一具体实施例示意图，全桥逆变电路包括第一光耦Q1-A、第二光耦Q1-B、第一开关管Q2、第二开关管Q3、第一电容C14；第一光耦Q1-A的第一输入端1、第二光耦Q1-B的第一输入端3、第一开关管Q2的控制端、第二开关管Q3的控制端为全桥逆变电路的控制端，本实施例中，第一开关管Q2、第二开关管Q3为NMOS管，NMOS管的栅极为开关管的控制端，NMOS管的漏极为开关管的正输出端，NMOS管的源极为开关管的负输出端；MCU控制电路的PWM信号输出端分别与第一光耦Q1-A的第一输入端1、第二光耦Q1-B的第一输入端3、第一开关管Q2的控制端、第二开关管Q3的控制端连接，即PWM_HB1A端与第一光耦Q1-A的第一输入端1连接，PWM_HB2A端与第二光耦Q1-B的第一输入端3连接，PWM_HB2B端与第一开关管Q2的控制端连接，PWM_HB1B端与第二开关管Q3的控制端连接；第一光耦Q1-A的第二输入端2、第二光耦Q1-B的第二输入端4接地；DC-DC升压变换电路的输出端V_POS与第一光耦Q1-A的第一输出端8、第二光耦Q1-B的第一输出端6连接；第一光耦Q1-A的第二输出端7与第一电容C14的一端连接；第一电容C14的另一端与第二光耦Q1-B的第二输出端5连接；第一光耦Q1-A的第二输出端7与第一开关管Q2的正输出端连接；第一开关管Q2的负输出端接地；第二光耦Q1-B的第二输出端5与第二开关管Q3的正输出端连接；第二开关管Q3的负输出端接地；第一开关管Q2的正输出端、第二开关管Q3的正输出端分别作为全桥逆变电路的输出端LOAD+、LOAD-连接负载。
将低频高压的正弦半波信号(含直流信号)转换为正弦全波信号使用的是全桥逆变电路，参考图3和图7，图3是本发明一种交流信号生成电路的结构示意图，图7是本发明一种交流信号生成电路的全桥逆变电路的一具体实施例示意图，全桥逆变电路包括四个开关K1、K2、K3、K4，全桥逆变电路中K1和K2采用两个光控开关来实现，本发明采用光耦，控制输出为纯正的正弦波，分别为第一光耦Q1-A和第二光耦Q1-B，它们由内部的发光二极管对输出端实现隔离的断开和闭合；K3和K4采用MOS开关，分别为第一开关管Q2和第二开关管Q3，通过控制MOS管栅极的电压，可以调控这两个开关的关断，使用这种方法，可以精确的控制全桥逆变电路的输出，并且全桥逆变电路的四个开关间的电容起到了通交流，阻直流的效果，最后可以得到纯正的低频正弦全波电压(50HZ/60V)。全桥逆变电路里面的四个开关分别由之前由单片机MCU产生的PWM_HB1A、PWM_HB1B、PWM_HB2A、PWM_HB2B四个PWM信号进行调制，其中PWM_HB1A和PWM_HB2A通过控制发光二极管进而控制K1，K2开关的开启和断开(即第一光耦Q1-A和第二光耦Q1-B的通断)；PWM_HB1B和PWM_HB2B通过调节MOS管栅极的电压，进而控制K3,K4开关的开启和关断(即第一开关管Q2和第二开关管Q3的通断)，通过调节单片机的时序，使开关K1、K4同时开启，使开关K2、K3同时开启，在正弦半波的第一个周期内，控制PWM_HB1A和PWM_HB1B的输出电平为高电平，即使发光二极管点亮，第一光耦Q1-A合上，同时第二开关管Q3开启，等效于开关K4合上，此时V0＝V_POS,而在正弦半波的第二个周期内，控制PWM_HB2A和PWM_HB2B的输出电平为高电平，即使发光二极管点亮，第二光耦Q1-B合上，同时第一开关管Q2开启，等效于开关K3合上，此时V0＝-V_POS。其中电容C14的作用是通交流，隔直流，用以去除在DC/DC模块中生成的直流信号，最后输出的是50HZ/60V的全波正弦波交流信号。
作为技术方案的进一步改进，参考图3，图3是本发明一种交流信号生成电路的结构示意图，交流信号生成电路还包括LC滤波电路，全桥逆变电路的输出端与LC滤波电路的输入端连接；具体地，LC滤波电路包括第一电感L1和第二电容C2，全桥逆变电路的输出端与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与全桥逆变电路的输出端连接，第二电容C2的两端作为交流信号生成电路的输出端。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种交流信号生成电路，其特征在于，包括直流电源电路、MCU控制电路、DC-DC升压变换电路和全桥逆变电路，所述直流电源电路的输出端分别与DC-DC升压变换电路的电源输入端、MCU控制电路的电源输入端连接；所述MCU控制电路的SPWM信号输出端与DC-DC升压变换电路的控制端连接；所述DC-DC升压变换电路的输出端与全桥逆变电路的输入端连接；所述MCU控制电路的PWM信号输出端与全桥逆变电路的控制端连接；所述全桥逆变电路的输出端作为交流信号生成电路的输出端输出正弦全波交流信号。
2.根据权利要求1所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述DC-DC升压变换电路包括DC-DC升压变换芯片、升压变压器、第一电压调节电阻和第二电压调节电阻，所述直流电源电路的输出端分别与DC-DC升压变换芯片的电源端、升压变压器的第一输入端连接；所述DC-DC升压变换芯片的控制端为DC-DC升压变换电路的控制端，所述MCU控制电路的SPWM信号输出端与DC-DC升压变换芯片的控制端连接；所述DC-DC升压变换芯片的第一输出端与升压变压器的第二输入端连接，所述升压变压器的第一输出端与第二电压调节电阻的一端连接，所述升压变压器的第二输入端与第二输出端连接；所述第二电压调节电阻的一端与全桥逆变电路的输入端连接；所述第二电压调节电阻的另一端与第一电压调节电阻的一端连接；所述第一电压调节电阻的另一端与DC-DC升压变换芯片的第二输出端连接；所述第一电压调节电阻的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述全桥逆变电路包括第一光耦、第二光耦、第一开关管、第二开关管、第一电容；所述第一光耦的第一输入端、第二光耦的第一输入端、第一开关管的控制端、第二开关管的控制端为全桥逆变电路的控制端，所述MCU控制电路的PWM信号输出端分别与第一光耦的第一输入端、第二光耦的第一输入端、第一开关管的控制端、第二开关管的控制端连接；所述第一光耦的第二输入端、第二光耦的第二输入端接地；所述DC-DC升压变换电路的输出端与第一光耦的第一输出端、第二光耦的第一输出端连接；所述第一光耦的第二输出端与第一电容的一端连接；所述第一电容的另一端与第二光耦的第二输出端连接；所述第一光耦的第二输出端与第一开关管的正输出端连接；所述第一开关管的负输出端接地；所述第二光耦的第二输出端与第二开关管的正输出端连接；所述第二开关管的负输出端接地；所述第一开关管的正输出端、第二开关管的正输出端分别作为全桥逆变电路的输出端。
4.根据权利要求1至3任一项所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述交流信号生成电路还包括LC滤波电路，所述全桥逆变电路的输出端与LC滤波电路的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述MCU控制电路包括STM8S003F3型号的单片机及其外围电路。
6.根据权利要求2所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述DC-DC升压变换芯片包括ETA1617型号的DC-DC升压变换芯片。
7.根据权利要求2或6所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述升压变压器为自抽头变压器。
8.根据权利要求3所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管为NMOS管，所述NMOS管的栅极为开关管的控制端，所述NMOS管的漏极为开关管的正输出端，所述NMOS管的源极为开关管的负输出端。
9.根据权利要求4所述的交流信号生成电路，其特征在于，所述LC滤波电路包括第一电感和第二电容，所述全桥逆变电路的输出端与第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与全桥逆变电路的输出端连接，所述第二电容的两端作为交流信号生成电路的输出端。
10.一种交流信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
MCU控制电路输入SPWM信号至DC-DC升压变换电路以控制其生成正弦半波信号；
MCU控制电路输入PWM信号至全桥逆变电路以控制其将所述正弦半波信号转换成正弦全波交流信号。
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