CN112204864A - 驱动电路、驱动电路板与驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种驱动电路、驱动电路板与驱动器。本发明所提供的驱动电路包括：耦合电感(210)和驱动开关(220)；其中，所述耦合电感(210)包括：第一绕组(211)和第二绕组(212)，所述第一绕组(211)的电感量小于所述第二绕组(212)的电感量，所述第一绕组(211)的第一端为电源连接端，所述第二绕组(212)的第一端为电机连接端；所述驱动开关(220)包括：驱动信号输入端与驱动信号输出端，所述驱动信号输出端连接至所述耦合电感(210)；所述驱动开关(220)用于通过所述耦合电感(210)为外部用电设备(300)提供驱动电压。本发明实施例所提供的技术方案，能够在为电机提供稳定驱动信号的前提下，降低电机驱动器的尺寸，提高应用灵活性。

Description

驱动电路、驱动电路板与驱动器
技术领域
本发明涉及驱动技术领域，尤其涉及一种驱动电路、驱动电路板与驱动器。
背景技术
超声波电机广泛应用于驱动领域，超声波电机一般通过电机驱动器提供的高压驱动信号进行工作。
目前，谐振升压电路作为一种电机驱动器的常用电路，其原理在于将电容和电感以并联或串联的形式被谐振频率电源激励。图1示出了现有技术中一种谐振升压电路的示意图，如图1所示，该谐振升压电路中，电感L、超声电机电容C与电源E构成一个谐振回路，开关管K和二极管D与电容C并联在电感L和电源E之间。当开关管K断开时，LC串联电路中的电感L向超声电机电容C释放能量，超声电机电容C吸收电感能量，使得超声电机被电压源激励。
如图1所示的现有的谐振升压电路中，由于不需要变压器，对谐振升压电路中各半导体器件的耐高电流能力、耐高压能力均有较高要求，这导致各半导体器件的尺寸较大，也就导致电机驱动器的尺寸较大，难以适用于对尺寸要求较高的场景。对电感的感量有较高要求，几百uH到几个mH量级，同时电感还需要承受较大的电流，这样的电感尺寸会比同等功率的变压器驱动方案的变压器还要大，这种驱动方案里面的二极管和开关管需要同时具有一定的耐流和较高的耐压，这样的半导体器件的尺寸通常会很大。因此，如何在为电机提供稳定驱动信号的前提下，进一步缩减电机驱动器的尺寸是本领域重点关注的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种驱动电路、驱动电路板与驱动器，用以在为电机提供稳定驱动信号的前提下，降低电机驱动器的尺寸，提高应用灵活性。
第一方面，本发明实施例提供了一种驱动电路，包括：耦合电感和驱动开关；
所述耦合电感包括：第一绕组和第二绕组，所述第一绕组的电感量小于所述第二绕组的电感量，所述第一绕组的第一端为电源连接端，所述第二绕组的第一端为电机连接端；
所述驱动开关包括：驱动信号输入端与驱动信号输出端，所述驱动信号输出端连接至所述耦合电感；所述驱动开关用于通过所述耦合电感为外部用电设备提供驱动电压。
第二方面，本发明实施例提供了一种驱动电路板，包括：
基板；
如第一方面所述的驱动电路，设置于所述基板上。
第三方面，本发明实施例提供了一种驱动器，包括：
壳体；
如第一方面所述的驱动电路，设置于所述壳体内部。
第四方面，本发明实施例提供了一种驱动电路的驱动方法，包括：
本发明实施例提供的技术方案，通过驱动开关与耦合电感的直接连接，驱动信号自耦合电感中靠近电机侧的第二绕组传递给电机，而第二电阻具备较大的电感量，该大感量的第二绕组可以承受较大电流，因此，开关管和耦合电感等器件无需采用具备高耐压及高耐流能力的大尺寸器件，这可以大幅降低器件的尺寸，从而，降低了驱动电路的整体尺寸，能够提高驱动电路的适用场景，具备较高的应用灵活性。
附图说明
图1为现有技术中一种电机驱动电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种驱动电路的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的另一种驱动电路的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的另一种驱动电路的结构示意图；
图5为本发明实施例所提供的另一种驱动电路的结构示意图；
图6为本发明实施例所提供的另一种驱动电路的结构示意图；
图7为本发明实施例所提供的一种驱动电路板的结构示意图；
图8为本发明实施例所提供的一种驱动器的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明实施例所针对的具体场景为：对外部用电设备进行驱动的场景。本发明实施例对外部用电设备的具体类型无特别限定，其可以包括但不限于：电机、换能器或驱动电源；其中，所述电机包括：超声波电机。为了便于理解，以下，以用电设备为超声波电机为例，对本发明进行具体说明。
本发明提供的技术方案，旨在解决现有技术的如上技术问题，并提出如下解决思路：利用超声波电机等外部用电设备与耦合电感构成谐振回路，通过该谐振回路来抑制高次谐波，如此，耦合电感也无需在大感量绕组中承受较大电流，降低了驱动器的尺寸。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。
本发明实施例提供了一种驱动电路，该驱动电路可用于驱动外部用电设备。
图2示出了本发明实施例提供的一种驱动电路的结构示意图，如图2所示，该驱动电路包括：耦合电感210和驱动开关220；
如图2所示，所述耦合电感210包括：第一绕组211和第二绕组212，所述第一绕组211的电感量小于所述第二绕组212的电感量，所述第一绕组211的第一端为电源连接端，所述第二绕组212的第一端为电机连接端；
所述驱动开关220包括：驱动信号输入端与驱动信号输出端，所述驱动信号输出端连接至所述耦合电感210；所述驱动开关220用于通过所述耦合电感为外部用电设备300提供驱动电压。具体地，所述驱动开关220通过激励所述耦合电感，从而使得耦合电感产生驱动外部用电设备300工作的驱动电压。
如图2所示的驱动电路中未示出驱动信号生成器。本发明实施例中，驱动信号生成器可以用于生成驱动信号，并输入该驱动电路，从而，由驱动电路谐振升压后输入至外部用电设备。可以理解，在如图2所示的驱动电路中，驱动信号生成器的输出端与驱动开关220的驱动信号输入端相连接。
在实际实现场景中，驱动信号生成器可以是一个独立的信号生成器，如微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)。驱动信号生成器可以是该驱动电路的一部分，也可以不属于该驱动电路，不作赘述。
示例性的，该驱动开关220可以为绝缘栅极场效应管(MOS管)。具体的，所述MOS管的栅极为所述驱动信号输入端，所述MOS管的漏极为所述驱动信号输出端，所述MOS管的源极接地。这种设计中，MOS管能够在较小的尺寸下具备较高的耐流能力，且具备较低的导通电阻；而且，以MOS管作为开关器件，在高频下工作开关管损耗较双极型晶体管更小。
需要说明的是，本发明实施例对于驱动开关220的开关类型无特别限定，在实际实现场景中，既可以采用如前所述的MOS管作为驱动开关220，也可以采用其他类型的开关管。例如，还可以采用零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)作为驱动开关220。
以下对图2所示的驱动电路中耦合电感210的结构设计进行说明。具体而言，主要涉及耦合电感210所包含的第一绕组211和第二绕组212的设计方案。
具体而言，第一绕组211与第二绕组212至少可以具备如下两种关系：
第一绕组211与所述第二绕组212连接；
或者，
第一绕组211与第二绕组212相耦合。
首先，对第一绕组211与第二绕组212连接的情况进行说明。
当第一绕组211与第二绕组212连接时，第一绕组211与第二绕组212的连接端为所述耦合电感210的中间抽头。此时，第一绕组211与第二绕组212、与驱动开关220之间至少可以有如下设计：
请参考图3，图3示出了另一种驱动电路的结构示意图。如图3所示，所述第一绕组211的第二端与所述第二绕组212的第二端、驱动开关220的所述驱动信号输出端连接。换言之，在如图3所示的设计中，驱动开关220的驱动信号输出端连接于耦合电感210的中间抽头处。
如图3所示，驱动开关220为MOS管，并且，该MOS管的漏极为驱动信号输出端，连接于耦合电感210的中间抽头处，MOS管的栅极为驱动信号输入端，MOS管的源极接地。
从而，在图3所示驱动电路中，驱动信号从驱动开关220流入耦合电感210中的第二绕组212，并最终流入外部用电设备300，由于第二绕组212的感量远大于第一绕组211的感量，第二绕组212所用的线径也远小于第一绕组211的线径。如此，驱动信号就可以激励第一绕组211，并在第二绕组212侧中耦合出一个较高的驱动电压，从而，实现对外部用电设备300的驱动。如此，就在驱动开关220处于导通状态和截止状态时，接入外部用电设备300的谐振回路的等效电感近似不变，同时大电流仅存在于小感量的第一绕组211，而不会流过大感量的第二绕组212，大感量的第二绕组212在本方案中仅需承受驱动信号的额定输入电流，而额定输入电流通常非常小，例如在一种实施方式中，额定输入电流为几十毫安到一两百毫安。
综上所述，本发明实施例中，所述耦合电感210可以为一个尺寸非常小的器件，大大减小驱动器的体积。
请参考图4，图4示出了另一种驱动电路的结构示意图。如图4所示，所述第一绕组211的第一端与所述第二绕组212的第二端、驱动开关220的所述驱动信号输出端连接，所述第一绕组211的第二端接地。
在这种实现场景中，仍以驱动开关220为MOS管为例，其连接关系如图4所示。该MOS管的栅极为驱动信号输入端，漏极为驱动信号输出端，连接于耦合电感210的中间抽头，源极为电源连接端。
需要注意的是，在如图4所示驱动电路中，第一绕组211的第一端为耦合电感210的中间抽头处，此时，第一绕组211的第一端通过驱动开关220连接至电源，因此，其第一绕组211的第一端可作为电源连接端。
由于第一绕组211为感量较小且耐流能力较大的绕组，第二绕组212为感量较大且耐流能力较小的绕组，与图3所示场景类似的是，在如图4所示的驱动电路中，在驱动开关220处于导通状态和截止状态时，接入外部用电设备300的谐振回路的等效电感近似不变，同时大电流仅存在于小感量的第一绕组211，而不会流过大感量的第二绕组212，大感量的第二绕组212在本方案中仅需承受驱动信号的额定输入电流，而额定输入电流通常为几十毫安到一两百毫安，非常小。因此，耦合电感210的尺寸可以较小。
请参考图5，图5示出了另一种驱动电路的结构示意图。如图5所示，所述第一绕组211的第二端与所述第二绕组212的第二端连接且接地，所述第一绕组211的第一端与所述驱动开关220的驱动信号输出端连接。
也就是，耦合电感210的中间抽头接地，耦合电感210串联连接于驱动开关220与外部用电设备300之间。
此时，仍以驱动开关220为MOS管为例，如图5所示，该MOS管的栅极为驱动信号输入端，漏极为驱动信号输出端，连接于耦合电感210的一端，也就是，连接于第一绕组211的远离第二绕组212的一端，MOS管的源极为电源连接端。如此，也可以将第一绕组211的第一端作为电源连接端。
其次，对第一绕组211与第二绕组212相耦合的情况进行说明。图6示出了这种情况。
如图6所示，该驱动电路中，耦合电感210并未设置中间抽头，所述第一绕组211与所述第二绕组212相耦合，其中，所述第二绕组212的第二端接地，第二绕组212的第一端连接至外部用电设备300；所述第一绕组211的第一端为电源连接端，第一绕组211的第二端与驱动开关220的所述驱动信号输出端连接。
仍以驱动开关220为MOS管为例，如图6所示，该MOS管的栅极为驱动信号输入端，漏极为驱动信号输出端，连接于耦合电感210中第一绕组211的第二端，MOS管的源极接地。
如前所述，耦合电感210中，连接于驱动开关220的第一绕组211感量较小且耐流性能较好，而连接于外部用电设备的第二绕组感量较大但耐流较差。
除前述设计之外，本发明实施例中，还在驱动电路中设计了电感能量吸收装置。其中，所述电感能量吸收装置的第一端连接于所述第一绕组211的第二端，所述电感能量吸收装置的第二端接地，所述电感能量吸收装置用于吸收所述耦合电感210的电感量。
其中，本发明实施例所涉及到的所述电感能量吸收装置可以包括但不限于：电容。后续简称为吸收电容。如图3～图6也示出了这种情况。
如图3所示，该驱动电路中设计有吸收电容230，吸收电容230连接于驱动开关220的源极与漏极之间。具体的，吸收电容230的第一端连接于驱动开关220的漏极、耦合电感210的中间抽头，吸收电容230的第二端接地。
如图4所示，该驱动电路中设计有吸收电容230，吸收电容230连接于驱动开关220的源极与漏极之间。具体的，吸收电容230的第一端连接于驱动开关220的漏极、耦合电感210的中间抽头，吸收电容230的第二端连接于开关管的源极与电源端。
如图5所示，该驱动电路中设计有吸收电容230，吸收电容230连接于驱动开关220的源极与漏极之间。具体的，吸收电容230的第一端连接于驱动开关220的漏极、耦合电感210中第一绕组211的远离第二绕组212的一端，吸收电容230的第二端连接于开关管的源极与电源端。
如图6所示，该驱动电路中设计有吸收电容230，吸收电容230连接于驱动开关220的源极与漏极之间。具体的，吸收电容230的第一端连接于驱动开关220的漏极、耦合电感210的中间抽头，吸收电容230的第二端接地。
需要说明的是，本发明实施例中，电感能量吸收装置用于吸收一定的电感能量实现驱动开关220的软开关。所谓实现驱动开关220的软开关，是指该电感能量吸收装置(吸收电容230)可用于吸收耦合电感中的部分感量，并以无损的形式对这部分感量进行回收。如此，在驱动开关220的开闭过程中，电感能量吸收装置的存在，能够使得驱动开关220在导通前电压先降到零，在断开前电流先降到零，这样就可以消除驱动开关220在开闭过程中产生电压与电流重叠现象的发生几率，这能够降低驱动开关220的变化率，能够有效降低甚至消除开该案损耗。同时，谐振过程也限制了电压与电流的变化率，有利于降低开关噪声。
本发明实施例中，除可以如图3～图6所示的那样，利用独立的外部电容器，也即吸收电容实现之外，还可以利用开关管自身的电容实现，此时，可以省略图3～图6所示的吸收电容230。
在如图3～图6所示的驱动电路中，当所述驱动开关两侧的电压为0时，所述驱动开关导通。
基于此，在驱动开关220导通时，参与外部用电设备静态电容串联谐振的电感量由第二绕组212与第一绕组211之间的互感系数、第二绕组的感量构成，如此，激励串联谐振电路的激励电压与前述互感系数、磁通量随时间变化率相关，具体的，激励电压随着前述变化率的增大而降低。而电源电压则与第一绕组211的感量、磁通量随时间变化率相关，电源电压等于该变化率与第一绕组211的感量之积。从而，激励电压与第一绕组211的感量之积，与电源电压与互感系数之积的相反数相等。由此可知，电源的能量一部分存储在耦合电感210中，另一部分则参与外部用电设备300的串联谐振激励。
当驱动开关220断开时，将在吸收电容230上激励起一个半波正弦。此时，该驱动电路中，互感系数与第一绕组211的感量之和与电源电压之积，与串联谐振回路的激励电压与第一绕组211的感量之积相等。
由此可知，在驱动开关220处于导通或截止的两个状态下时，第一绕组211的感量是决定激励电压的值，而本发明实施例中，第一绕组211的感量较小，远小于第二绕组212的感量，也远小于第一绕组211与第二绕组212的互感系数，从而，在驱动开关220处于导通或截止的两个状态下，对该驱动电路施加一个驱动信号，对串联谐振回路的激励电压近似不变。因此，本发明实施例通过一个驱动开关220，就能够在驱动开关220处于导通或截止的两个状态下，均实现激励，并输出失真度极小的正弦波。
此外，本发明实施例中，所述电感能量吸收装置的取值关联于所述第一绕组211的自感系数和所述耦合电感210的谐振频率。可以理解，当电感能量吸收装置取值合适时，电感能量吸收装置用于实现软开关，电感能量吸收装置上的电压相对激励串联谐振的等效电压要小得多，在计算激励串联谐振的等效电压时可以忽略不计。
仍以图3～图6所示的吸收电容230为例，吸收电容230的取值范围可以近似由谐振频率和第一绕组211的自感系数L1确定。在一种实施例中，通过调整吸收电容230的值使MOS管栅极驱动波形和漏源电压波形尽可能没有重叠，以便减小损耗。优选地，通过调整吸收电容230的值，使得开关管的损耗为零。
这样，尽管驱动开关220处最大会有几安培的电流流过，损耗也只有导通损耗，开关损耗接近0。这种情况下，对驱动开关220的耐压要求较小，例如，可以选择耐压40V左右MOS管即可，此时，这个耐压等级的MOS管内阻通常比较小，在相同耐流下比高压MOS管封装小得多。
除前述设计之外，本发明实施例中，还进一步设计了滤波电容，以滤除杂波信号。
如图3～图6所示，该驱动电路中，还包括：
滤波电容240，所述滤波电容240的第一端连接于所述第一绕组211的第一端，所述滤波电容240的第二端接地。进一步地，滤波电容240为去耦电容，设置在电源端两侧，用以提供稳定的电源，同时降低元件耦合到电源端的噪声，使得该驱动电路的性能更稳定。
具体的，如图3所示，滤波电容240的第一端与电压源、第一绕组211的第一端连接，滤波电容240的第二端接地。
如图4所示，滤波电容240的第一端与电压源、驱动开关220的源极连接，如此，滤波电容240通过驱动开关220与第一绕组211的第一端间接连接；而滤波电容240的第二端接地。
如图5所示，滤波电容240的第一端与电压源、驱动开关220的源极连接，如此，滤波电容240通过驱动开关220与第一绕组211的第一端间接连接；而滤波电容240的第二端接地。
如图6所示，滤波电容240的第一端与电压源、第一绕组211的第一端连接，滤波电容240的第二端接地。
本发明实施例中，通过驱动开关220通过激励所述耦合电感，从而使得耦合电感产生驱动外部用电设备300工作的驱动电压，能够获得失真度较低的正弦波信号，进一步地，本发明实施例采用MOS管作为驱动开关，实现了零电压软开关，从而使得MOS管的损耗较低。
综上所述，本发明中所用耦合电感无需在大感量绕组中承受较大电流，且除了耦合电感无需其他磁性器件(如变压器)，所以可以大幅度降低驱动器尺寸。而且，驱动电路中所用开关管无需同时具备高耐压和高耐流的能力，所以可以使用封装尺寸很小的低压开关管进而降低驱动器尺寸。再则，驱动电路无需同时具备高耐压和高耐流的二极管即可实现谐振升压，所以可以降低驱动器尺寸。以及，通过超声波电机等外部用电设备与耦合电感是构成谐振回路，对高次谐波抑制能力较强，从而获得失真度较低的正弦波驱动信号。进一步地，在其他实施例中，也可以通过设置滤波装置，对其他高次谐波进行进一步抑制，在此不作限定。
本发明实施例所提供的驱动电路中，耦合电感无需同时承受高电压和具备高感量，开关管无需同时具备高耐压和高耐流，又无需高压高耐流二极管与额外的信号调制器来降低驱动信号高次谐波，驱动器在确保优良的特性的基础上，还可以降低成本。
此外，本发明实施例还进一步提供了一种驱动电路板。请参考图7，该驱动电路板包括：
基板；
前述任一实现方式所述的驱动电路，设置于所述基板上。
此外，本发明实施例还进一步提供了一种驱动器。请参考图8，包括：
壳体；
前述任一实现方式所述的驱动电路，设置于所述壳体内部。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种驱动电路，其特征在于，包括：耦合电感和驱动开关；
所述耦合电感包括：第一绕组和第二绕组，所述第一绕组的电感量小于所述第二绕组的电感量，所述第一绕组的第一端为电源连接端，所述第二绕组的第一端为电机连接端；
所述驱动开关包括：驱动信号输入端与驱动信号输出端，所述驱动信号输出端连接至所述耦合电感；所述驱动开关用于通过所述耦合电感为外部用电设备提供驱动电压。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一绕组与所述第二绕组连接，所述第一绕组与所述第二绕组的连接端为所述耦合电感的中间抽头。
3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第一绕组的第二端与所述第二绕组的第二端、所述驱动信号输出端连接。
4.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第一绕组的第一端与所述第二绕组的第二端、所述驱动信号输出端连接，所述第一绕组的第二端接地。
5.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第一绕组的第二端与所述第二绕组的第二端连接且接地，所述第一绕组的第一端与所述驱动信号输出端连接。
6.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一绕组与所述第二绕组相耦合，所述第二绕组的第二端接地，所述第一绕组的第二端与所述驱动信号输出端连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的驱动电路，其特征在于，当所述驱动开关两侧的电压为0时，所述驱动开关导通。
8.根据权利要求1-6任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动开关包括：绝缘栅极场效应MOS管；
所述MOS管的栅极为所述驱动信号输入端，所述MOS管的漏极为所述驱动信号输出端，所述MOS管的源极接地。
9.根据权利要求1-6任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路，还包括：
电感能量吸收装置，所述电感能量吸收装置的第一端连接于所述第一绕组的第二端，所述电感能量吸收装置的第二端接地，所述电感能量吸收装置用于吸收所述耦合电感的电感量。
10.根据权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，所述电感能量吸收装置包括：电容。
11.根据权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，所述电感能量吸收装置的取值关联于所述第一绕组的自感系数和所述耦合电感的谐振频率。
12.根据权利要求1-6任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路，还包括：
滤波电容，所述滤波电容的第一端连接于所述第一绕组的第一端，所述滤波电容的第二端接地。
13.根据权利要求1-6任一项所述的驱动电路，其特征在于，所述外部用电设备包括：电机、环能器或驱动电源；其中，所述电机包括：超声波电机。
14.一种驱动电路板，其特征在于，包括：
基板；
如权利要求1-13任一项所述的驱动电路，设置于所述基板上。
15.一种驱动器，其特征在于，包括：
壳体；
如权利要求1-13任一项所述的驱动电路，设置于所述壳体内部。
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