TW393858B

TW393858B - Drive circuit for reactive loads

Info

Publication number: TW393858B
Application number: TW087112060A
Authority: TW
Inventors: John H Bowers; Alan Dutcher
Original assignee: Checkpoint Systems Inc
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2000-06-11
Also published as: EP1012803B1; DE69836431D1; WO1999009536A1; DE69836431T2; JP2002509296A; ES2276469T3; US5926093A; KR20010022881A; JP3953734B2; ATE345555T1; EP1012803A1; AU737918B2; KR100628895B1; AU8570398A; CA2300425A1; EP1012803A4; CN1302422A; AR014898A1; CA2300425C; CN1152351C

Description

_ 87__ _ 87__ 經滴部中央榡準局员工消費合作社印^ A7 五、發明説明（/ ) 本發明大致關於一種驅動有抗負載用的電路’並尤其關於一種高效率的共振開關電路，用以在有抗負載內以廣播頻率轉換DC電流成正弦曲線循環電流。本發明能被用於驅動例如供電子物件監管（EAS)系統用的詢問器內所使用之有抗（感應）迴圈天線。具共振電路的驅動電路通常被用以促成能量從DC電源供應器到有抗負載的有效率轉換。第1圖以一般形式展示了一種驅動有抗（感應）負載l〇2(Ls)用的習知技藝驅動電路100。驅動電路100包括了電流開關元件QS、共振電容器（Cs)以及耗能元件（R〇)，後者代表與有抗負載Ls 102及電容器Cs之電阻以及任何可能被連接至電路1〇〇之額外電阻相關的功率損失。電路丨〇〇的設計是爲了傳送功率進入耗能元件（R〇)中而最隹化，而非傳送反作用能量進入感應式負載（Ls)中。因此，電路1〇〇之效率的分析通常是關於傳送至耗能元件（R〇)的功率量。以下的討論提到了這種常見的分析方法。（額外的電阻可以做爲包含例如Ls與Cs之共振電路的一部份，以便增加共振頻寬）^ 第2圖展示了典型地與驅動電路1〇〇相關之電屋及電. 流波形104、106。上方的波形104展示了電流開關元件 Qs所執行的電猗切換所導致之跨過電流開關元件Qs與電容器Cs的電壓（Vs)。下方的波形106展示了流經有抗負載Ls之電流（Us)。以最高的可能效率去操作有抗負載驅動電路是令人期望的。無效率的驅動電路需要較大的電源供應器。無效率本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) > 訂經满部中央標率局員工消費合作社印" A7 B7 五、發明説明（Z ) 的驅動電路亦以熱形式浪費大量的功率，並因而需要大的散熱器及/或冷卻風扇供散熱，並且往往是較不可靠。電流開關元件Qs的本質決定了習知技藝驅動電路100的效率。尤其，開關元件Qs操作於線性模式內的時間百分比，這是一種使電流隨時間的連續函數而非時間的開/關函數去變化的模式，決定了習知技藝驅動電路100所謂的操作類別。在比如驅動電路1〇〇之有抗負載驅動器電路中，功率轉換效率通常是關聯至耗能元件R〇所損耗的功率量（電路的電阻性損失）。因此，功率轉換效率是Ro中損耗的功率除以由驅動電路100消耗的功率所得的百分比（傳送到R〇之功率以及由電流開關元件Qs損耗之功率的總和）。驅動電路1〇〇通常熟知的操作類別是A類、B類及C 類。A類操作是關於100%時間操作Qs於線性模式中。因爲跨過電流開關元件Qs所損耗的功率，A類操作是非常無效率的。這功率損耗是因爲同時的電壓跨過以及電流流經電流開關元件Qs所致，這是Q$的線性操作模式所導致。習知技藝驅動電路1〇〇的A類操作有理論上的最大效. 率 2 5% » 電路100的B類操作是關於大約50 %時間操作電流開關元件Qs於線性模式中。換句話說•在驅動波形每一週期的大杓一半使開關元件Qs線性地操作雖然實際的實現往往達到少於50%的效率，習知技藝電路100之B類操作的理論上最大功率轉換效率是78.65 %。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

In HI 1^1 an n in ^ HI In m n nn -^ i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央榡率局負工消費合作社印來 A7 B7 五、發明説明（$ ) 電路100的C類操作是關於操作電流開關元件QS於線性模式中維持少於5〇 %的時間。事實上，電路100的C類操作可以操作電流開關元件Qs主要地作爲on/off開闞’ 因此使其不適合真正的線性敢大應用。第2圖中所示傅導時間圖是c類操作。習知技藝電路的c類操作達到最高效率的操作，實際應用中往往在4 0 %及8 0 %之間。此等效率仍然無法滿足本發明之目標。第3圖展示了習知技藝"回升"驅動電路108，通常被作爲CRT顯示器（電視及監視器）中的水平偏向驅動電路。在做爲CRT中的偏向驅動電路時，驅動電路108包括了高電壓變壓器（Ls)、電流開關元件（Qs)、以及共振電容器（Cs)。驅動電路108亦可包括了大數値的耦合電容器（Cc)，以防止DC電流流經偏向線圈（Lo>電感，這將會在CRT顯示器中造成水平定位誤差》驅動電路108其特徵在於共振開關驅動電路，因爲電流開關元件Qs被嚴格地操作於開/關模式中。驅動電路 108的共振部份是由偏向線圈（Lo)與髙電壓變壓器（Ls) 的並聯組合再配合共振電容器（Cs)而形成。當操作爲水. 平偏向電路時，電流開關元件Qs在掃描期間（大約總時_ 長度的80%)被關上，造成底部平坦的電壓波形被施加跨過偏向線圈（Lo)(見第3圖中波形Vs及Vo)。在電流開關元件Qs被導通的期間內，供應電壓（Vsp)被施加跨過電感器（Ls)與（Lo)。如本技藝中所熟知，流經Ls與Lo的電流在這期間內線性地增加。這線性的電流增加是令人滿意本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丁經濟部中央標率局只J-消费合作社印狀 A7 B7 五、發明説明（4 ) 的，因爲它使得CRT之電子大約線性的偏向是時間的函數，因而造成了跨過CRT螢幕的訊息其大約均与的分布》當開關元件Qs在所謂回升時間（大約總週期的2〇 %) 期間內打開時，儲存於電感器Ls與Lo內的能量以共振方式被轉移到共振電容器（Cs)。這導致了產生跨過電容器 (C s)的高電壓半正弦曲線信號，這信號的峰値在振幅上是比電源供應器電壓（Vsp)高出甚多。因此，與電流開關元件Qs被關上時跨過它們的所施電壓相比，跨過電感器 Ls與Lo的電壓被反向，因而使得流經它們的電流反向，這繼而使得電容器（Cs)放電並且轉移所儲存能量回到電感器Ls與Lo的組合。電容器（Cs)的這充電與放電被稱爲回升並且以正弦曲線方式發生，因此導致了表示驅動電路 108之操作.用的半正弦回升脈波。回升驅動電路108以RF頻率非常有效率地轉換DC電源成爲反作用能量。由於電流開關元件（Qs)被當作開關，而非線性元件，與Q s相關的功率損失會非常低。不幸地，回升驅動電路108因爲它產生之信號的高諧波成分而不適於驅動感應迴圈天線。這些諧波會輻射，因而在所期望之輻射的頻率範圍之外生成了高階的發射•這是比如美國聯邦通訊委員會之政府廣播法令當局不准許的。第4圖展示一種驅動感應式負載（Lo)用的習知技藝F 類驅動電路110。電路ΐί〇包括了電流開關元件（Qs)、開關電容器（Cs)、DC饋入電感器（Ls)、共振電容器本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閏讀背面之注意事項再填耗本頁)

、1T 經濟部中央標芈局只工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（Γ) (Co)、輸出電感器（Lo)(這可以是感應迴圈天線 >、以及耗能元件（R〇)，後者代表了功率損失與Ls、Cs、Co ; Lo相關的電阻以及可能被連接至電路110的額外電阻。 (如第1圖之電路1〇〇，額外電阻可被當作包含Lo與Co之共振電路的一部份，以便例如增加共振頻寬）。第5圖展示與E類驅動電路liO相關的電壓及電流波形。在開關元件QS藉由開關電容器（Cs)、輸出電感器 (Lo)與共振電容器（Co)來產生半正弦回升脈波112。E 類驅動電路110的辨識特徵是開關電感器（Ls)內電流 (Ils)114的AC成分比起流經開關電辱器（Ls)的DC電流 1 1 6小了許多。在E類驅動電路110中，電流開關元件QS被择作如同開關，不是導通就是截止。當導通時，電流開關元件Qs 在半正弦波的低電壓部份傳導並因此消耗最小功率。當 off時，無任何電流流經電流開關元件Qs，並因而實質上不消耗任何功率。在E類驅動電路110中，DC饋入電感器Ls相對於輸出電感器Lo有大的數.値，並因此不會影赛電路110的共振操作。輸出電感器Lo與共振電容器Co的共振頻率被選取爲名義上在Fo，電流開關元件Qs的切換頻率。這就是爲何包含Lo與Co的共振電路漉除了跨過開關Qs所產生之半正弦信號的諧波，藉此確保從電感器Lo 輸出的輻射信號幾乎全部免除不想要的諧波。第5圖中所示信號Vs的半正弦部份是Cs、Co與Lo之組合動作的結果。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

T 經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 A7 B7__ 五、發明说明（6 ) 在E類驅動器電路110的實際實現中，Cs、Co與Lo 的共振頻率可以是稍微高於操作頻率Fo。這是爲了確保信號Vs在電流開關Qs被導通之前返回接地電位》這使來自與切換相關的電流開關Qs之功率損失最小化。我們已經確定E類驅動器電路當作迴圈天線驅動器的實際實現是不適合的，因爲實際的開關元件Qs包含了具有大的、非線性的元件電容之FET »當跨過元件（Vs)的電壓爲最小時道元件電容爲最大。實際上，這大的非線性元件電容使得電路的共振頻率在FET被關上之後瞬間的期間內刺烈地降低。這傾向於鎖住電路使得驅動電壓（Vs)在FET被關上之後被保持低電位很久。這栓鎖效果能持續超過一個週期，直到流經DC饋入電感器（Ls)的電流充分地增加以便使FET之大的非線性電容充分地充電而推動電路跳出這狀態爲止。因此，在E類驅動器電路110的貪際實現中，可以由於栓鎖而週期性地（產生副諧砬信號）或隨機地 (產生混亂形式的雜訊）略過驅動信號週期。因此，E類驅動器電路110的實際實現不適於當作.比如迴爵天線之有抗負載用的驅動器。 A類、B類與C類及回升驅動器更免除了此類問題，因爲璋些電路的共振比E類電路更高程度地控制它們的操作。第1圖之A類、B類與C類驅動電路100以及第3圖之回升驅動電路108內的電感器Ls相對地數値上比E類驅動電路1 10的電感器Ls小很多。由於Ls相當小的數値，經由Ls的電流增加量（與當電流開關Qs導通時跨過本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4规格（21〇X297公釐） .....--- = -- I— -- -II I —^1 1 n ........ -I— I 1^1--SJ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經满部中央標芈局贤工消费合作社印裝 A7 B7__ 五、發明説明（7 )

Ls所施的電壓相關）使得實際開關元件Qs(比如FET)的非線性電容非常快速地充電，所以不會出現先前所述的栓鎖。然而，使用這些操作類別（A、B、C)的電路是無效率的或者產生不可接受的諧波。儘管有許多不同形式的驅動器電路可供選擇，能然需要一種能有效率地驅動有抗負載而不會引入過度雜訊或諧波並且適於驅動感應迴圈天線之驅動器電路。本發明滿足此類需求。大略地說，本發明包含一種以高效率驅動比如感應式負載或電容式負載之有抗負華用的電路。該電路包含驅動器電路及耦合電抗，該耦合電抗是電容器或電感器。驅動器電路轉換DC輸入電流成爲RF輸出電流。電抗被串聯地連接在顆動器電路的RF輸出以及輸出共振電路之間。有抗負載是输出共振電路的一個元件》耦合電抗執行了從驅動器電路到輸出共振電路的串聯至並聯阻抗匹配。本發明另一實施例包含了以高效率驅動有抗負載用的電路，具有驅動器電路、輸出共振*路、以及耦合電抗，输出共振電路的一個元件是有抗負載，耦合電抗是電容器. 或電感器*驅動器電路轉換DC輸入電流成爲RF輪出電流。输出共振電路有一個接收RF輸出電流用的輸入。耦合電抗被串聯地連接在驅動器電路的RF電流輸出以及共振電路的輸入之間，用以執行從驅動器電路到共振電路;^ 串聯至並聯阻抗匹配。本發明又另一實施例包含一種以高效率驅動有抗負載本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 經濟部中央標準局B工消費合作社印" A7 B7__ 五、發明説明（8 ) 用的電路，有一驅動器電路包含了電流開關、被規劃去產生RF輸出電流用的回升電感器及回升電容器、輸出共振電路、以及耦合電抗，輸出共振電路的一元件是有抗負載，耦合電抗是電容器或電感器。驅動器電路藉由以RF 操作頻率週期性地打開及關上開關而產生RF輸出電流，使得在開關被關上的期間內 > 跨過開關的電壓趨近於零，並且在開關被打開的期間內，由於回升電感器與回升電容器的共振行爲而生成半正弦波形。輸出共振電路有一輸入供接收RF輪出電流。耦合電抗被串聯地連接在驅動器電路的RF電流輸出以及共振電路的輸入之間，用以執行從驅動器電路到共振電路的串聯至並聯阻抗匹配。本發明另一實施例包含電子物件監管系統，具有一詢問器用以藉著傳送詢問信號到檢測區中而監控檢測區並且檢測因檢測區內共振標籤的出現所致之擾動。詢問器包含傳送詢問信號用的迴圈天線、被連揆跨過天線的共振電容器、以及驅動所形成之共振電路用的電路。驅動器電路有一 RF電流輸出以及一耦合電抗被串.聯地連接在驅動器電路的RF電流輸出與天線共振電路之間。電感器執行從驅、動器電路到天線共振電路的串聯至並聯阻抗匹配。前述的結論，還有以下本發明諸較佳實施例的詳細說明，在配合所附諸圖閱讀時將被更深入地瞭解。爲了舉例說明本發明，在諸圖中展示了目前較佳的實旆例。然而應該瞭解本發明不限制於所示的精確配置及設備。在諸圖中：本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I.--K---；---一裝------訂------二· '、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部中央標芈局興工消費合作社印^ —---：-^-- i、發明説明（p ) 第1圖是驅動有抗負載用的習知技藝驅動電路其電路槪要圖；第2圖展示與第1圖之驅動電路相關的電壓與電流波形；第3圖是習知技藝回升驅動器電路的電路槪要圖；第4圖是驅動有抗負載用的習知技藝P類功率放大器 .其電路槪要圖；第5圖展示與第4圖電路相關的電屋與電流波形；釋6圖是依據本發明而驅動有抗負載用的電路其功能槪要方塊圖；第7A圖是第6圖的電路在單端架構中一較佳的實現其等效、電子電路圓；苐7B圖是第7A圖的電路在推挽式架構中的等效電子電路圖；第8圖展示與第7A電路圖相關的電屋與電流波形；以及第9圖是適合搭K本發明使用之.軋問器的功能槪要方塊圖》在本文中僅僅爲了方便而使用某些術語，並且它們不會被當作本發明之限制》在諸圖中，相同的參考數字被用以在數張圖中標示相同的元件。第6圖展示依據本發明驅動有抗負載用的電路10其槪要方塊圖。在第6圖內所示發明實施例中，輸出共振電路 12被顯示爲包含至少一電感器及一電容器，它們之一是本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） L- — ——„——^裝------訂------分 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局員工消費合竹社印^ A7 B7 五、發明説明（μ) 有抗負載。電感器可以是感應迴圈天線。有抗負載可包含感應式負載或電容式負載。第7Α圖展示電路10及丨2其較佳實現的電路圖。參看第6圖，電路10包括了驅動器電路14、耦合或匹配電抗（Lm)16、以及非必要的耦合電容器（Cc)18。驅動器電路14轉換pC供應電流（Vsp)成爲RF輸出電流。匹配電抗（Lm)l6被串聯地連接在驅動器電路14的RF輪出I5以及共振電路12的輸入之間。依據本發明，匹配電抗16可包含一電容器或一電感器。匹配電抗（Lm)16執行從驅動器電路14之輸出到共振電路12的串聯至並聯阻抗匹配。非必要的耦合電容器18被串聯地連接在驅動器電路14的RF輪出15以及匹配電抗（Lm) 16之間，並且防止與驅動器電路14相關的平均DC電壓出現在輸出共振電路 12° 參看第7A圖，電路10包含了，以等效電路形式展示的驅動器電路14、耦合電容器（Cc)18、匹配電抗 (Lm)16、以及身爲部份的輸出共振電路12之有抗負載 Co或L〇。驅動器電路14有某些與E類功率放大器相關的. 元件’包括開關元件（Qs)、開關電感器（Ls)以及開關電容器（Cs) »驅動器電路14的共振器等效電阻被表示爲 Rs。開關元件（QS)最好是功率金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET)，但亦可包含任何適當的電子開關元件’比如功率雙載子接面電晶體（BJT)、絕緣閘極雙載子電晶體（IGBT)、MOS控制型閘流體（MCT)、或真空本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） I.--K--J---: ί 裝------訂-----'β (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經漓部中央榡率局员工消費合竹社印來 A7 B7_ 五、發明説明（"）管。第7A圖展示被實現爲軍端架構的驅動器電路14，其中主動元件持續性地傳導》然而，驅動器電路14亦可被賁現爲推挽式架構，如第7B圖中所示（亦即不同的實現），其中有圭少兩個丰動元件交替地放大輸入波形之負向及正向週期。現在參看第7B圖，展示驅動有杭負載12*用的電路 10’的推挽式架構。電路10’包含以等效電路形式展示的驅動器電路14’，包括一對耦合電容器（C〇18,、一對匹配電抗（Ln〇16’、以及身爲部份的輸出共振電路12’之有抗負載。依據推挽式架構，驅動器電路14}包括了一對開關元件（Qs).' —對開關電感器（Ls)以及一對開關電容器 (Cs)。驅動器電路14’的等效輸出霉阻被表示爲Rs。如熟習此技藝者所瞭解地，推挽式架構能夠比單端架構有I? 高的功率轉換效率以及更大的輸出電流。推挽式架構亦有其它優點，比如抵消掉偶次項諧波成分。也就是說，從驅動器電路14輸出的半正弦回升開'關波形（以下針對第8圖予以詳細討論）只產生了偶次項諧波成分而無任何奇次項. 諧波成分9在推挽式架構中，偶次項成分實質上彼此抵消，所μ實質上未生成任何諧波成分。實際上’很難產生完美的半正弦回升波形，所以只能趨近於完全挺消。再次參看第7Α圖（並與第7Β圖相比），耦合電容器 (Cc) 18阻止了與驅動器電路14相關的平均DC電壓出現在輸出共振電路12。電容器18的値是非常的大，所以它本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） L——k---„---^,ί 裝------訂------' % (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經消部中央標準局Μ工消費合作社印" A7 _____'_B7_ 五、發明説明（/2 ) 不會影響電路10的操作。匹配電抗（Lm) 16執行從驅動器電路14(它有一電阻 (Ro)到負載（它有一並聯等效電阻（Rp)，代表共振電路 12的輸出電阻）之串聯至並聯阻抗匹配。驅動器電路14電阻（Rs)是低於輸出或負載電阻（RP)。共振電路12不是無損失的。於是，某些功率量必須被傳送至共振電路12供給定的循環電流用。在共振時，功率耗損可以由並聯等效電阻Rp表示，該電阻通常高得（例如3K到10K歐姆）無法允許共振電路12被直接地連接至驅動器電路14的輸出。如果完成此種連接，功率轉移將是非常無效率的並且將會轉移不足量的功率。故期望去轉換這高電阻成爲較低的電阻（例如5到20歐姆〇以便使開關元件（Qs)的電阻與其共振更佳地匹配，這允許了足夠的功率被傳送到共振電路 12以准許電路12驅動有抗負載。第8圖展示與第7A圖驅動器電路14相關的電壓與電流波形。上方波形20展示了輸入開關電壓波形（Vs)，下方波形22展示了經過開關電感器（L?)的電流（Ils)。輸入開關電壓波形20是半正弦波》當開關元件（Qs)被致能或關上時，较形2〇降至地 (0V)維持大約操作週期的一半。開關電感器（Ls)在跨過它的供應電壓（Vsp)下降時以渐增的電流充電。當流經電感器（Ls)的電流增加，能量的增加量被儲存在電感器（Ls) 中。當開關元件（Qs)維持週期的另一半被除能或打開時，波形（Vs)以弦波方式上升至峰値電壓，並且電感器本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 裝·

、1T 經¾部中央標準局—工消费合作社印梨 A7 — ·_B7__ 五、發明説明（/$ ) (Ls)內所儲存的電流放電，同時使得開關電容器（Cs)充電直到電感器（Ls)內所儲存能量被轉移到電容器（Cs)爲止。此刻的峰値電壓是直接地關於現在被儲存於電容器 (Cs)內的能量，這是與過去被儲存於電感器（Ls)內之能量相同。峰値電壓造成反向電流開始在電感器（Ls)中流動。反向電流以弦波方式使電容器（Cs)放電直到波形（Vs) 返回至地爲止*依據本發明，電感器（Ls)與電容器（C〇的大小被選爲使得因而$成之半正弦脈波在操作週期的四分之一到一半內完成。這部份的波形在本文中稱之爲”回升脈波"，並且在某些地方類似於以上討論之CRT掃瞄電路的波形。半正弦或回升脈波有一上升速率限制，這在電屋（Vs)正上升時給予開關元件（QS)時間去截止並且減少了開關元件（Qs)內的切換轉態損失。當開關元件（Qs)導通時，在電流流經它期間有少量或無任何電壓降跨過它。因此，浪費了很少功率。相反地，當開關元件（Qs)截止時，無任何真實電流流經它（除了電容性）而有電壓跨過它。因此，.即使有電廑降跨竭開關元件（QO，只浪費了很少功率。理論上，電路10能夠. 爲100%效率。實際上，由於開關元件（Qs)有限的導通電阻，以及與開關元件（Qs)從導通轉變到截止所需的有限時間相關的損失，因而產生了損失。典型的效率爲大約 80 Μ 90% 〇理想上，開關共振器的電感器（Ls)與電容器（Cs)其大小被選取爲使得當由負載（輸出共振電路12)耗能時，本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂 * 16 - 經濟部中央標率局員工消費合作社印來 A7 _B7__ 五、發明说明（> ) 它們將會在半正弦脈波完成時失去所有它們被儲存的能量。這狀況發生持續開關共振器之共振頻率（Fs)的大約 3/4週期。在目前較佳的實施例中，開關電感器（Ls)與開關電容器（Cs)產生開關共振頻率（Fs)在從電路10之操作頻率（Fo)的一到兩倍之間。由開關元件（Qs)所見在完美的半正弦回升波形中峰値電壓是大約供應電壓（Vsp)的2.5 7倍。這是由於跨過電感器（Ls)的平均電壓必須等於零之事實所致。因此，導通或低部份的電壓-時間乘積必須等於截止或高部份波形的電壓-時間乘積。如果回升脈波不是真的半正弦，則所達之峰値電壓將是比供應電壓（Vsp)高出它的τί/2或大約1.57倍，或大約供應電壓相對於地的2.57倍。由於開關共振器的自然週期Ι/Fs是比操作頻率（Fo)的一個週期更短，峰値電壓通常是較高的。峰値電屋典型上是供應電壓（Vsp)的三倍。如第8圖之下方波形22所示，驅動器電路14可分辨的特徵是電感器（Ls)內電流的AC.成分是大於DC電流 (Idc)。電感器（Ls)內電流的AC成分造成電流（Ils)週期. 性埤變成負向。這負向電流在理想驅動器電路I4中糨近於零。同時，電感器（Ls)中電流不是正弦曲線。電感器 (Ls)與電容器（Cs)的電抗是比開關元件（QS)導通時的電阻大許多。開關共振器的Q在開關元件（Qs)導通時是小於一，並且在開關元件Qs不導竭時是大於或等於二。在驅動器電路14與習知技藝E類放大器之間的本質差本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 一裝.

、1T 經漓部中央標率局Μ工消費合作社印來 A7 ___________'_B7__ 五、發明説明（/5-) 異是驅動器電路14藉由保持電感器（Ls)的値相當小而在開關元件（Qs)維持相當大的共振電流，以便消除E類放大器先前所討論的栓鎖趨勢。因禽開關共振器的Q當電流開關Qs導通時是小於！，驅動器所產生的波形主要地是由開關決定，但是在A類、B類及C類驅動器中，波形主要是由共振器決定。依這論點，驅動器電路14是類似於前面討論的CRT掃瞄電路，除了輸出匹配電路（匹配電抗16) 不同。開關控制之操作是高效率的》如上所述，匹配電抗（Lm)16轉換輸出共振電路 12(它是包含天線輸出電容器（Co)與輸出天線電感器（Lo) 的共振天線）的並聯等效電阻成爲從驅動器電路14之輸出消耗掉功率修正量所需的等效串聯電阻。當匹配電抗（Lm) 是電感器時，附加的利益是它形成了一個具输出電容器 (Co)的雙極點低通濾波器。這提供了驅動器電路14所產生之諧波能量的減少。有效率的電路由於電路的開關特性而自然地產生了足量的諧波能量。因此，對於大多數期望單一頻率輸出的應用，這諧波能量必須被濾除並且防止其到達輸出端。輸出天線電感器（Lo)的値由於天線比如容許尺寸、輻射樣式等的已知實際限制而通常是固定的。輸出共振電容器（Co)的値被選取爲使輸出電感（Lo) 共振在操作頻率（F〇) ’並且可調整以允許電路12被精確地調校至操作頻率（F〇)，並且可由下列方程式決定： C 〇 =1/(4 n2Fo2Lo) ° 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 装. 訂經濟部中央標率局貝工消費合作社印^ A7 ____ ' B7 五、發明説明（) 並聯等效電阻（Rp)主要是由輸出共振電路12的Qo決定’並且較少程度犟由匹配電感器16決定，並且可由下列方程式決定：

Rp=Q〇XLo 其中 X L 〇一 2 π L 〇 F 〇〇爲了驅動預定的電流經過此例中的有抗負載Lo *必須跨過負載施加相對應的電壓Vo，並且從驅動器電路14 傳送相對應的功率Po。所需的功率量是依輪出共振電路 12的Q而定，這與共振電路12的損失成反向關係》對於給定的電流：

Vo = IoXLo ;以及 P o = V〇2/Rp 其中P〇是將由驅動器電路14傳送的功率，並且Χίο 是所驅動之電抗的阻抗。驅動電阻（Rs)是由根據供應電壓（Vsp)而傳送給驅動器電路14之輸出的功率量來決定。由於來自驅動器電路14的信號經常在輸出之前被濾波.，只有驅動信號的基本頻率成分傳送足量的功率。同時，由於賭關元件（Qs) 波形通常在其底部爲方形，驅動信號之基本頻率成分的峰値電壓通常是等於供應電壓（Vsp)。驅動信號之基本頻率成分的RMS電屋爲：

Rs=0.51/2Vsp 或 Vd = 0.7071Vsp» 然後能夠藉由下列方程式計算驅動電阻（Rs): R s = 0.5 Vsp2 / Po 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 OX297公釐） —=---„-----— yrttx (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-、1T

A7 i、發日月説明（V ) 匹配電抗（Lm)被選取大小使得其電抗於操作頻率是在所欲驅動電阻（Rs)以及輸出共振電路12的等效並聯電阻（Rp)之間的幾何平均。在這狀況中，並聯電阻（Rp)對電感器（Lm)產生某一（Qm)爲電抗相對於操作頻率時所測電阻的比値。所反射的串聯電阻（Rs)亦產生相同的 (Qm)。這關係被定義如下：

QmRs = Rp/Qm = Xlm ； ^

Xlm = (RsRpf2 ;以及 Lm = Xlm/('2nFo) 〇因此，決定了電抗（Lm)的這値，它是與傳送給輸出之功率的平方根成反比。藉由對於所傳送功率在預期的驅動電阻產生大約爲2 的Q而選取開關電容器（Cs)最小的較隹値。這Q値使得開關元仵（Qs)的共振能量在開關元件（Qs)大約3/4的共振週期中被完全地使用。在這期間結束時，開關波形的回升部份剛好已返回到零，備妥供下一次準時地開關用。由於開關共振是並聯的：

XcsSRs/2 ;並且 Cs=l/(2wFsXc5)，其中Xcs是開關電容器（Cs)的阻抗。實際上，開關電容器（Cs)被選取大小以使得開關元件之非槔性輸出電容（Qs)的影響最小化。如果這些非線性影響未被處理，它們會引發如先前所述之副諧波及/或混亂振盪b (Cs)的最大較佳値是等於電流開關（Qs)的最大電容。在這些條本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） L——L---^---^ 裝------訂------.^ (讀先閲讀背面之注項再填寫本頁) ^濟部中央標芈局员工消费合作社印^ 經濟部中央標準局MS:工消費合作社印來 A7 B7__ 五、發明説明（/〇件下，開關電容器（Cs)通常是比產生先前所述之有阻尼回升波形所需的更大。這在開關共振器中導致了更高的電流。在回升脈波結束時所剩下的任何末受阻尼之能量（反向Ils)嘗試著把開關元件（Qs)波形送到低於地電位以便使正弦波繼續。這是由通常與開關元件（Qs)相關或在Λ 關元件（Qs)本身的導通電阻中的反向二極體（未繪示出）來完成。結果造成這被儲存的反向開關電感器電流被流回到電源供應器中，因此使過量的被儲存能量返回到電源供應器。就此而論，對開關電容器（Cs)的大小沒有上限。然而，因爲與包含開關共振器（Qs)之元件相關的損失，過大的電容器（Cs)會不必要地浪費能量。開關電感器（Ls)被選取大小以便產生開關從操作頻率一倍到兩倍的共振頻率，如下：

Fo<Fs<(2Fo);並且 L s = 1 / ( 4ti2Fs2Cs) 〇第9圖是適合與本發明使用之詢崗器24的槪要方塊圖。詢問器24與共振標籤26如該技,藝中所熟知地藉由感應耦合而連絡。詢問器24包括了傳送器10’’、接收器、 28、天線組件12’’、以及資料處理與控制電路30，各自具有輸入與輸出。傳送器10’’的输出被連接至接收器28 的第一输入，並連接到天線組件12’’的輸入。天線組件 12’’的輸出被連接至接收器28的第二輸入。資料處理與控制電路30的第一及第二輸出分別地被連接至傳送器 10’’的輸入以及接收器28的第三輸入。而且，接收器2 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） L——K---：---一裝------訂------冰 (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 經漓部t决標率局員工消費合作社印" A7 B7 五、發明説明（β) 的输出被連接至資料處理與控制電路30的輪入。具有這常見架構的詢問器可以使用頒佈給Walton的美國專利案號3,752,960 、 3,816,708 、 4,223,830與4,580,041 中所述之電路構成，並將其內容納入本文爲參考。然而，傳送器10’’與天線組件12’’包括了本文中所述電路10與輸出共振電路12的性質及特徵。也就是說，傳送器10’’ 是依據本發明的驅動電路10，並且天線組件12’’是依據本發明之部份的輸出共振電路I2。詢問器24可以具有一對臺座結構的實際外型，然而詢問器24其它的實際外型仍在本發明之範疇中。詢問器24可被使用於EAS系統中，它與傳統的共振標籤或廣播頻率辨識（RFID)標籤互相作用。由於驅動電路10的高效率，它在被實現成使用表面黏著元件之小型印刷電路板時是特別有用的，但熱發散是困難的。本發明的驅動電路能夠用大約20瓦特功率於 13.5MHZ控制2 00 0伏特-安培的循環天線能暈，同時保持諧波大約比載波頻率低50分貝，這個量的天線能量是足以使用一天線在間隙的每一側產生六呎間隙用的詢問、區域》熟悉此技藝者將瞭解，在不背離本發明之槪念的前提下，可對以上所述實施例進行變化。因此可知本發明不限制於所揭示的諸特定實施例，而是期望包含了如諸附加申請專利範圍所定義之本發明其精神與範疇內的所有修正。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本萸) 裝· 訂

V 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -22 - 經濟部中央標率局貝工消费合作社印繁 A7 B7 五、發明説明（& ) 元件標號對照 10,10’......驅動電路 10’’……傳送器 12……輸出共振電路 12’……有抗負載 12’’……天線組件 14,14’……驅動器電路 15……RF輸出 16,16’……匹配電抗 18,18'……耦合電容器 2 0, 1 04……電壓波形 2 2,1 06......電流波形 2 4 ......詢問器 26……共振標_ 28.. ....接收器 3〇……資料處理與挫制電路 1〇〇……冒知技藝驅動電路 1〇2……有抗（感應）負載 1〇8……習知技藝"回升"驅動電路 1 10……習知技藝F類驅動電路 112.. ....回升脈波 114……內電流 116……DC電流本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I.---^---r——V 裝------訂------，# (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims

D8 六、申請專利範圍 1. 一種以高效率驅動有抗負載之電路，該電路包含：驅動器電路，用以轉換I>c輸入電流成RF輸出電流；輸出共振電路，包括有抗負載在內；以及耦合電抗，串聯地連接在該驅動器電路的RF電流輸出以及該輸出共振電路的一輸入之間，該耦合電抗執行從該驅動器電路到該輸出共振電路的串聯至並聯阻抗匹配。 2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該有抗負載包含感應式負載。 ,3.如申請專利範圍第1項之電路，其中該有抗負載包含隼容式負載。 4. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該耦合電抗包含電容器。經濟部中央標準局貝工消费合作社印策 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 5. 如申請專利範圍第4項之電路，其中.該電容器在該電路操作頻率的阻抗是在該驅動器電路的所欲驅動電阻以及該輸. 出共振電路的等效並聯電阻之間的幾何平均。 6. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該耦合電抗包含電感器》 7. 如申請專利範圍第6項之電路，其中該電感器被選取爲使本纸張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐）-24 - D8 六、申請專利範圍 1. 一種以高效率驅動有抗負載之電路，該電路包含：驅動器電路，用以轉換I>c輸入電流成RF輸出電流；輸出共振電路，包括有抗負載在內；以及耦合電抗，串聯地連接在該驅動器電路的RF電流輸出以及該輸出共振電路的一輸入之間，該耦合電抗執行從該驅動器電路到該輸出共振電路的串聯至並聯阻抗匹配。 2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該有抗負載包含感應式負載。 ,3.如申請專利範圍第1項之電路，其中該有抗負載包含隼容式負載。 4. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該耦合電抗包含電容器。經濟部中央標準局貝工消费合作社印策 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 5. 如申請專利範圍第4項之電路，其中.該電容器在該電路操作頻率的阻抗是在該驅動器電路的所欲驅動電阻以及該輸. 出共振電路的等效並聯電阻之間的幾何平均。 6. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該耦合電抗包含電感器》 7. 如申請專利範圍第6項之電路，其中該電感器被選取爲使本纸張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐）-24 - 經濟部中央橾準局肩工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍得它在電路操作頻率的阻抗是在該驅動器電路的所欲驅動電阻以及該輸出两振電路的等效並聯電阻之間的幾何平均。 8.如申請專利範圍第1項之電路，其中該驅動器電路|括了開關、開關電容器以及開關電感器。 ~~·、 9 .如申請專利範圍第8項之電路，其中該開關具有非線性輸出電容，並且該開胃關電查1 被選取爲使得該開關之非線性輸出電容的影響最小化。 10. 如申請專利範圍第9項之電路，其中該開關電容器是等於該開關輸出電容的最大値。 11. 如申請專利範_第10項之電路，其中,該開關電容器其値爲（l/(2TtFsXcs))，其中XcsSRs/2，Fs是該開關的共振頻率，Xcs是該開關電答器的阻抗，並且Rs是該驅動器電路的串聯輸出電阻。 12. 如申請專利範圍第1〇項之電路，其中該開關雷感器與開關電容器產生一個從電路之操作頻率一倍到兩倍的開關共振頻率。 13. 如申請專利範圍第10項之電路，其中該開關電感器被選本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4現格（210X297公釐）.25 - K-----.--1 裝------訂----1., !線 ra /-. (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍取爲具有値（l/(4^2Fs2Cs))，其中Fo<Fs<2Fo，Fs是開關共振癀率，Cs是開關電容器的値，並且Fo是該電路的操作頻率》 .14.如申請專利範圍第10項之電路，其中該開關、開關電感器與開關電容器的値被選取爲使得該開關共振的Q在開關，被關上時是少於1，並且當開關被打開時是大於或等於 2 ° 15. 如申請專利範圍第1項之電路，更包含被電性連接在該驅動器電路與該耦合電抗之間的耦合電容器。 16. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該驅動器電路有單端架構。 17. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該驅動器電路有推 .挽式架構。經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1S.如申請專利範圍第1項之電路，其中該有抗負載包^含迴圈天線。 19· —種以高效率驅動有抗負載之電路，包含：驅動器電路，用以轉換DC輸入電流成RF輸出電流；輸出共振電路，包括有抗負載以及供接收該RF輸出本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐）-26 -