CN1297070C - 无零点交叉电流波纹的双向负载驱动电路 - Google Patents

无零点交叉电流波纹的双向负载驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种减小波纹电流的差分驱动电路。可操作该差分驱动电路以在低电流模式中提供无电流波纹的线性电流，和高电流模式下提供脉宽调制电流。根据流过负载如TEC电流方向，可以提供加热和制冷。

Description

无零点交叉电流波纹的双向负载驱动电路
技术领域
本发明关于一个差分负载驱动器电路，尤其关于电流较小(低)时工作在线性模式下无电流波纹和电流较大(高)或高功率效率时工作在脉宽调制(PWM)模式的差分负载驱动器电路。
背景技术
PWM(Pulse Width Modulation)技术因其具有高效率，经常用在电源电路中用来驱动大电流负载。比较而言，线性电流因其低效率，几乎不用于大负载电流。但是在线性电流源中没有切换信号，输出电流没有任何波纹。PWM驱动负载电流不可避免地存在电流波纹，波纹的幅度取决于PWM的开关频率和滤波电路的衰减。
通常4个功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，简略为MOSFET)连接成H-桥电路来驱动差分负载，图1和2表示常规用于驱动一负载的H-桥电路。图中的H-桥电路包括了4个开关(12，14，16和18)来驱动负载19。
图1中电流流向从左到右定义为“制冷”方向。图2中，电流流向从右到左定义为“加热”方向。图1、图2示意了在加热和制冷情况下驱动4个H-桥连接的功率MOSFET以驱动一电阻性负载所需的信号。例如，为驱动在制冷情况下(图1)的负载，PWM信号施加到P1和N1，而P2、N2的栅都接高电平分别被截止和完全导通，其工作方式类似于我们熟悉的BUCK转换器。PWM信号的占空比将控制通过电阻性负载的电流，由L1、C1、L2和C2组成的滤波器滤除通过负载的电流波纹。每一个电源开关都有相应的预驱动电路(未画出)以便能以合适的电平驱动开关。
这样的设计在负载要求流过小电流时会遇到一些问题。在小电流的情况下，PWM信号的占空比相应的会减小。无论如何，预驱动电路的驱动能力是受限于占空比的，而且功率MOSFET的栅极输入电容是很大的。因此，非常小的占空比信号是不可能驱动这些功率MOSFET管，导致无法输出所希望的小的加热或制冷电流，同时当输出电流减小时，电流波纹相对于输出直流电流所占百分比会迅速增加。
图3、图4是图1、图2变化后的另一种电路，它去掉了一侧的滤波电路L2和C2，这样可以节省成本和减少体积。但是这种电路在小输出电流的情况下有和图1、图2一样的波纹等问题。
发明内容
一方面，这个发明包含了：一个H-桥负载驱动电路，形成H-桥电路的4个电源开关选择性地连接负载，为所述负载提供电流；至少一个电流源；其中连接电源开关或者电流源到所述负载的所述电路是负载电流的函数。
另一方面，本发明包含一个差分负载驱动电路，其包括：选择性地连接一负载的多个电源开关，所述电源开关为所述负载提供电流；多个电源开关驱动电路，用来控制所述电源开关的导通状态，并选择地连接至少一个所述多个电源开关到一个PWM信号；以及至少一个电流源。当所述负载处于低电流状态时，电流源连接至所述负载给所述负载提供电流，当所述负载处于高电流状态时，所述PWM信号连接至功率金属氧化物半导体场效应晶体管以给所述负载提供电流。
另外，这个发明提供一个H-桥负载驱动电路，其包括：组成的一个H-桥电路的4组电源开关，所述4组电源开关选择地连接负载，为所述负载提供驱动电流；多个电源开关驱动电路，其用来控制所述电源导通状态，并且有选择地连接所述多个电源开关中的至少两个到一个PWM信号；以及至少一个电流源。所述H-桥电路具有第一模式和第二模式，在第一模式下，所述电流源连接到所述负载为所述负载提供电流，在第二模式下，所述多个电源开关中的至少两个连接到PWM信号为所述负载提供电流。
另外，本发明还提供了一种H-桥负载驱动电路，其中，所述H-桥负载驱动电路包括：形成H-桥的四个电源开关，所述电源开关有选择地连接到一个负载为所述负载提供电流；和至少一个电流源；所述H-桥电路适于利用所述电流源在线性模式下工作，适于当所述开关由脉宽调制信号控制的脉宽调制模式下工作。
另外，本发明包含了一个差分驱动热电制冷器(Thermal ElectricCooler，缩略为SET)的电路，其组成为：多个电源开关，所述多个电源开关选择地连接到热电制冷器负载，为所述负载提供电流；多个电源开关驱动电路，用来控制所述电源开关导通状态并有选择地将至少一个所述电源开关连接到一个PWM信号；以及至少一个电流源。该差分驱动电路具有第一模式和第二模式，在第一模式下，所述电流源连接到所述负载为所述负载提供电流，在第二模式下，所述多个电源开关中的至少两个连接到所述PWM信号为所述负载提供电流。
本领域的技术人员应该认识到，虽然结合优选实施例和应用方法进行下面的详细说明，但是本发明并不仅仅只是限制在这些优选实施例和使用方法。相反的，本发明有较广阔的应用范围，其由前附的权利要求书限定。
附图说明
本发明的其它特征和便利参照附图，如下面的详细说明，是显而易见的，其中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是一个传统的H-桥负载驱动电路，用来描述制冷情况下的工作原理；
图2是一个传统的H-桥负载驱动电路，用来描述加热情况下的工作原理；
图3是一个另一种传统的H-桥负载驱动电路，用来描述其制冷情况下的工作原理；
图4是一个另一种传统的H-桥负载驱动电路，用来描述其加热情况下的工作原理；
图5是根据本发明第一实施例的在线性制冷情况下的H-桥驱动电路工作示意图；
图6是根据本发明第一实施例的在PWM制冷情况下的H-桥驱动电路工作示意图；
图7是根据本发明第一实施例的在线性加热情况下的H-桥驱动电路的另一工作示意图；
图8是根据本发明第一实施例的在PWM加热情况下的H-桥驱动电路另一工作示意图；
图9是本发明描述线性电流模式与PWM模式关系的示意图；
图10是根据本发明第二实施例的在PWM加热情况下的H-桥负载驱动电路工作示意图；
图11是根据本发明第三实施例的在线性制冷情况下的H-桥负载驱动电路工作示意图；
图12是根据本发明第三实施例的在PWM制冷情况下的H-桥负载驱动电路工作示意图；
图13是根据本发明第三实施例的在线性加热情况下的另外一种H-桥负载驱动电路工作示意图；
图14是根据本发明第三实施例的在PWM加热情况下的另外一种H-桥负载驱动电路工作示意图；
图15是本发明负载驱动电路控制器的示意图。
具体实施方式
在下面的详细说明中，负载19可以是一个热电制冷器(ThermalElectrical Cooler，缩略为TEC)器件。TEC器件有加热和制冷功能，取决于流经它的电流的方向。TEC通常用作加热/制冷器件来控制精密温度，特别在光通信器件中。当正向电流流过TEC时，TEC将加热需要精密温度控制的器件，当反向电流流过时，TEC将制冷。无论如何，本发明并没有限定用这种TEC负载或其它负载。
下面的细节描述主要集中在差分负载输动电路功率等情况，将不讨论相关的传统的保护电路如过热保护和过流保护电路，但这些电路可以包含在本发明的思想与范围内。本发明是一个工作于线性模式和PWM模式下的差分负载驱动电路(如H-桥电路)。线性模式工作用来克服小电流时的电流波纹。线性模式与PWM模式的输出电流的切换点是可改变或由用户定义。例如，切换点可以根据所期望的/可容忍的通过负载的电流波纹，H-桥的开关电路预驱动能力和/或其它考虑来选择两种工作模式的切换点。换句话说，本发明的差分负载驱动电路可受控工作在线性模式与PWM模式，这是它的一个功能。因此本文提到的流过负载的小电流的“小”是可以有广意的解释的，可以包括任意的电流值。而本文提到的流过负载的大电流只是相对于小电流而言(比小电流大)，可以解释为比预先定义的通过负载的小电流大的任意电流。
另外，下面的细节描述将着重于H-桥差分负载驱动电路的具体实现上，而H-桥的工作原理是大家所熟知的，这里将不再讨论。
图5-8是一个根据本发明示意性实施例的差分负载驱动电路50。这种方法的电路中，开关电路52、54、56和58(分别对应P1、P2、N1、N2的栅极)分别控制功率MOSFET管的开关状态。电流源60和62是在H-桥的两侧为负载提供线性电流。
开关驱动电路52，54，56和58各自包含了多个开关(如图所示)，选择地操作该多个开关以将功率MOSFET的栅极接PWM信号或电源VCC或地。开关64和66用于为电流源到负载提供通路。在这种电路中，开关驱动电路包括了三个开关，分别对应连接功率MOSFET管的栅极到PWM信号/VCC/或地。
这些开关包含在开关驱动电路52、54、56和58中，并且是示意性的。52和54同一时刻只能有一个连接到VCC。P型MOSFET器件P1和P2的栅极在线性工作模式时接至VCC，在加热和制冷情况下N型MOSFET器件(N1和N2)的栅极分别交替地连接到VCC/地。
I.第一种方法
图5是本发明第一方法的在线性制冷情况下的H-桥驱动电路50工作示意图。在这个示意的方法中，当负载19需要小电流时由电流源60通过开关64供给。电流源60通常是一个线性电流源，可以包含有PMOS或NMOS器件，这些器件的输出电流受控于一个输入电压或电流反馈信号(没标出，但这样的负反馈控制方式是很好理解的)。这时MOSFET器件P1、P2和N1的栅极通过开关52、54和58接相应的固定的信号，且没有其它的开关动作，因此消除了负载电流的波纹。当然这里电流源可以驱动零负载电流。图7描述了工作在线性加热情况下的电路50，电流源62通过开关66连接到负载。
然而电流源不能输出非常大的负载电流，这时功耗和效率都成了很大的问题。如果需要大的电流，该发明就切换到PWM(方波调制)工作模式，如图6(制冷)和图8(加热)所示。
当从PWM工作模式切换到线性工作模式或者相反的模式切换时，线性电流源输出电流的大小需要和PWM模式在负载上合成的工作电流相匹配。这可以减小PWM和线性工作模式切换电流的不同，提高输出电流的连续性(当然这点不是必须的)。这个要求可帮助避免电流源或者整个反馈系统潜在的振荡。图9中曲线90描述了线性模式和PWM模式的工作区域。切换点68已被标出。如图所示，这里可能需要(但是不是必要)PWM模式切换点的电流故意稍微小于线性模式切换点的电流。以确保电流控制量可以覆盖所有的连接的负载电流。电流控制量可以是负载的电压或者电流反馈信号。
II.第二种方法
在应用中如果只需要比较小的加热电流，图5-图8可以减少电抗性L、C器件，如图10中电路100所示。图10是工作在PWM加热模式的H-桥负载驱动的依照本发明的第二个方法一个实例电路。电路100在较小的线性加热电流下的操作与以上图5-图8的描述相似，包括通过开关108到负载19的连接电流源106。在这第二个方法中，开关驱动电路102和104同图5-图8中驱动电路52和56相似。开关P2包括开关驱动电路110。在这种情况下电流源可以是由OTA(输出跨导放大器)偏置的外部功率PMOS P2。依照这些原则可以为较小的制冷电流应用搭建相似的电路。
开关驱动电路110是PMOS元件P2的偏置电路，可包含一个运算放大器112和电流或电压反馈信号114，该运算放大器设置为差分放大器，其中的反馈信号与一个参考电压进行比较产生一个P2栅极的偏置信号来控制P2的导通状态，这样P2就是一个受控电流源。当然，在本领域的技术人员可以理解搭建多种电流源，在本发明中，它们是等效的。
III.第三种方法
在本方法中图11-14中的一个LC滤波器被去掉。跟以前的结构相比，这个结构可以输出较大的加热或制冷电流。图11是H-桥负载驱动电路200工作在线性制冷模式下的本发明的第三实施例的一个实例电路。在第二方法中用到了210和212两个电流源。电流源210是电源，并且电流源212工作以耗散电流。当工作在线性制冷模式时，如图11，210通过开关214连接到负载，N2完全导通，P2完全截止。P1和N1也完全截止。开关电路202，204，206和208把功率MOSFET的栅极连接到合适的电源(PWM信号，VCC或者地)，如图11-图14所示。
当工作在线性加热模式，如图13所示，电流源212连接到负载，P2完全导通，N2完全截止，P1和N1也完全截止。
图12和图14分别是PWM加热和制冷情况下的电路200工作示意图。此时电流源210和212与负载19断开，P1和N1由PWM信号驱动(通过开关驱动电路202和204)。P2和N2交替接VCC和地。
当然，本领域的技术人员知道这一部分实质上是一个控制器，如图15所示，其可用来控制描述的开关驱动电路和电流源的开关的导通状态。控制器300的输出可以是互补的PWM信号，PWM P和PWMN，分别用于驱动差分负载驱动电路的PMOS和NMOS。该控制器300可输出开关控制信号302-308以控制开关驱动电路内(如图5-图8中的52，54，56，58)的开关操作；控制器300也可以产生开关控制信号312和314以控制与电流源相连的开关(如图5-图8中与电流源60和62相连的开关64和66)。
在这里，控制器可以采用本领域熟知的电压和/或电流反馈信号以控制在PWM和线性模式下的负载的电流。当然，这里描述的一些内容可以不需要控制器产生所有的信号，并且这样，控制器可以被修改去产生适当的一些信号。可以包含低电流检测器电路310以控制PWM电流模式和线性电流模式之间的切换点。这个检测器电路可以进一步包含一个用户定义的输入阈(threshold)，其设置低电流到PWM模式之间的阈值电流。当然，可以一输入到控制器内的预定输入以省略检测器电路310，其中该预定输入代表该切换电源电流(可由用户定义)。这个控制器可以一个由定制和/或非定制的元件构成。
对于本领域的技术人员，这里显然可以有多种修改方案。例如，本发明采用使用功率MOSFET的差分负载驱动器电路，也可以采用其他本领域公知的电源开关，比如BJT器件和/或其他的开关装置。所有的这些修改或者添加都被认为是本发明的精神和原理范围之内，并得到本发明的专利保护。

Claims (16)

1.一种差分负载驱动电路，其特征在于：所述差分负载驱动电路包括：
选择性地连接到负载的多个电源开关，所述电源开关为所述负载提供电流；
多个电源开关驱动电路，所述电源开关驱动电路用来控制所述电源开关的导通状态，并且有选择地连接至少一个所述电源开关至一个脉宽调制信号；以及
至少一个电流源；
当所述负载处于低电流状态时，所述电流源连接至所述负载为所述负载提供电流；当所述负载处于高电流状态时，所述脉宽调制信号连接至功率金属氧化物半导体场效应晶体管以向负载提供电流。
2.如权利要求1所述的差分负载驱动电路，其特征在于：所述多个电源开关形成一个H-桥差分负载驱动电路。
3.如权利要求1所述的差分负载驱动电路，其特征在于：所述差分负载驱动电路包括两个电流源，其中一个电流源在第一低电流期间连接到所述负载，另一个电流源在第二低电流期间连接到所述负载。
4.一个H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述H-桥负载驱动电路包括：
形成H-桥电路的四个电源开关，所述电源开关有选择地连接到负载，为所述负载提供电流；
多个电源开关驱动电路，所述电源开关驱动电路用来控制所述电源开关的导通状态，并且有选择地连接所述多个电源开关中的至少两个到一个脉宽调制信号；以及
至少一个电流源；
其中所述H-桥电路具有第一模式和第二模式，在第一模式下，所述电流源连接到所述负载为所述负载提供电流，在第二个模式下，所述多个电源开关中的至少两个连接到所述脉宽调制信号为所述负载提供负载电流。
5.如权利要求4所述的H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述第一模式是低电流模式并且所述电流源为所述负载提供一个线性的电流。
6.如权利要求4所述的H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述第二模式是高电流模式。
7.一种H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述H-桥负载驱动电路包括：形成H-桥的四个电源开关，所述电源开关有选择地连接到一个负载为所述负载提供电流；和至少一个电流源；所述H-桥电路适于利用所述电流源在线性模式下工作，适于当所述开关由脉宽调制信号控制的脉宽调制模式下工作。
8.如权利要求7所述的H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述H-桥负载驱动电路进一步包括多个电源开关驱动电路，所述多个电源开关驱动电路用来控制所述开关的导通状态以及有选择地连接所述多个电源开关中的至少两个至脉宽调制信号。
9.如权利要求7所述的H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述H-桥负载驱动电路更进一步包括至少一个滤波电路，所述滤波电路用来连接所述四个电源开关中的至少两个和所述负载。
10.如权利要求7所述的H-桥负载驱动电路，其特征在于：所述负载包括热电制冷器。
11.一种驱动热电制冷器的差分驱动电路，其特征在于：所述差分驱动电路包括：
多个电源开关，所述多个电源开关有选择地连接到热电制冷器负载，为所述负载提供电流；
多个电源开关驱动电路，所述电源开关驱动电路用来控制所述电源开关的导通状态，并且有选择地连接至少一个所述电源开关到一个脉宽调制信号；
和至少一个电流源；
其中，在所述差分驱动电路具有第一模式和第二模式，在第一个模式下，所述电流源连接到所述负载为所述负载提供电流，在第二个模式下，所述多个电源开关中的至少两个连接到所述脉宽调制信号为所述负载提供电流。
12.如权利要求11所述的差分驱动电路，其特征在于：所述多个电源开关形成一个H-桥差分负载驱动电路。
13.如权利要求11所述的差分驱动电路，所述第一模式包括通过负载的电流方向定义制冷模式的低电流模式。
14.如权利要求11所述的差分驱动电路，其特征在于：所述第二模式包括通过负载的电流方向定义加热模式的低电流模式。
15.如权利要求11所述的差分驱动电路，其特征在于：所述第一模式包括通过负载的电流方向定义制冷模式的高电流模式。
16.如权利要求11所述的差分驱动电路，其特征在于：所述第二模式包括通过负载的电流方向定义加热模式的高电流模式。
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