TW498611B - Integrated sine wave generating circuit - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498611 A7 _ B7 五、發明説明（1 ) 本發明與爲汽車電氣裝置的天線產生正弦波的電路有 關。 汽車電氣裝置的天線是經由一功率H-電橋以一低失真 的正弦載波驅動。圖1顯示此種天線之習用電路的槪圖。 天線1由功率電橋電路2驅動，其中包括4個安裝在印刷 電路板12上的功率電晶體4、6、8及10。此電路是由獨立 組件構成的功率電橋，在圖1中以方塊所包圍的每一個電 晶體表示。從圖中可知，電晶體4的射極連接到電晶體6 的射極，因此，構成H-電橋的第一條腿。電晶體10的射極 連接到電晶體8的射極，因此，構成H-電橋的第二條腿。 天線連接於H-電橋電路之兩腿的中間段一即，天線的一端 連接於電晶體4、6之間，另一端連接於電晶體8、10之 間。H-電橋之兩腿的上半部一亦即電晶體4及10的集極… 連接到電源16，然而，H-電橋之兩腿的下半部--亦即電晶 體6及8的集極…連接到偵感電阻器18的一端，它的另一 端接地。因此。偵感電阻器1 8接收施加於天線1之電流的 電壓影像（voltage image)。 圖1進一步顯示一積體電路20，它包括穩壓器22及正 弦波產生器24。偵感電阻器1 8的一端連接到積體電路的一 接腳，該接腳輸入到穩壓器22。穩壓器也從積體電路的另 一接腳接收代表施加於天線之信號振幅的參考信號SETP。 穩壓器輸出一代表跨於偵感電阻器18上之電壓與參考信號 SETP間電壓差的SET信號給正弦波產生器。 正弦波產生器接收SET信號以及代表施加於天線之正 本紙張尺度適用中國國家標準（cns ) A4規格（21〇Χ 297公釐） — ll·——！-----批衣------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 4 * 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498611 A7 _B7____ 五、發明説明（2) 弦波頻率的數位輸入DIG-IN。根據SET信號及這些輸入’ 正弦波產生器輸出4個控制信號分別施加於構成H-電橋電 路每一條腿之電晶體4、6、8及10的基極。 圖1之電路的操作如下。如前文中的解釋，偵感電阻 器1 8接收施加於天線1之電流的電壓影像；跨於偵感電阻 器18上之電壓在穩壓器22中與參考電壓SETP比較，以便 控制正弦波產生器24所輸出之正弦波的振幅。正弦波的頻 率是由到穩壓器22的數位輸入控制。圖1中並未顯不調制 施加於天線之正弦載波的電路。 圖1之電路中的典型電壓與功率値如下。電源SUPP 16--汽車電氣裝置的電池…輸出的電壓通常低於16伏。天 線1的電阻介於5到1 5歐姆之間，且它的電流可能到達 0.5安培。H-電橋電路消耗的功率大約6瓦。用以驅動天線 的正弦波需要是低失真的信號。對二次諧波頻率的抑制 (rejection)以高於30分貝較佳，同時，對三次與更高諧波頻 率的抑制以高於 3 5分貝較佳。 圖1的設計有若干問題。首先，需要將功率H-電橋的 各個不同組件組裝到印刷電路板PCB上，接著，需要組合 功率H-電橋與穩壓器及正弦波產生器晶片以及負載。這些 組裝步驟增加了天線電路的成本。第二，安裝在PCB上功 率電晶體是各自獨立的組件，它們之間很難匹配，不匹配 會由於電橋交叉處的靜止電流而使消耗的功率顯著增加。 此外，此等分離的實施，易因電位連接失敗而產生可靠度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- 經濟部智慧財產局工消費合作社印災 498611 A7 87 五、發明说明（3) 的問題。 由於Η -電橋電路中消耗的功率高一大約6瓦，無論如 何高於3瓦…這對於將電路所有組件全都組合到單一晶粒上 甚是不利，更明確地說，此不利於Η-電橋使用集積的組 件。 本發明針對這些問題。它提供一簡單的方法可用於積 體電路。針對上述習知技術所遭遇之組裝成本問題及可靠 度問題，將電路所有組件都安裝在單一的晶粒上。此外， Η-電橋電路使用集積的電晶證也可使電晶體之間匹配。在 交叉點處的靜止電流也能獲得較佳的控制，且電流的振幅 也能設定的更精確。 在本申請案之前提出申請但發行日期在本申請案之後 的歐洲專利申請案9940288 1.9中揭示一種正弦波產生器， 用以提供一高功率及低失真的電流正弦波。此文件所揭示 的產生器包括一負載饋送功率電橋，連接到正弦波產生器 的輸出，以及=穩壓器，插於功率電橋的回授輸出與正弦 波產生器的參考電壓輸入之間。穩壓器包括一調節機構， 提供一功率調節信號給正弦波產生器的參考電壓輸入；調 節信號是來自於功率電橋之回授輸出處的信號與設定點信 號間的比較。在此申請案中’該穩壓器是一比例式積分微 分穩壓器；它包括啓動及/或關閉包跡（envelope)控制機構’ 以及一調節機構，除了嚴密控制啓動斜率與接著的關閉斜 率間的信號包跡之外’還用以得到功率電橋之負載饋送輸 出處之信號的啓動及/或關閉斜率的嚴密控制。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） —--------¾1T& (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -6- 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 498611 A7 B7 五、發明説明（4 ) 本發明提供一高功率的正弦載波電路’包括一連接到 正弦波產生器之輸出的功率電橋’一穩壓器，連接到功率 電橋的回授輸出，以及提供一驅動信號給正弦波產生器， 其中，該功率電橋、該正弦波產生器及該正弦波穩壓器都 集積在單一的晶粒上，且其中該電路還包括一關閉（ shutdown)接腳。 本發明還與這類高功率正弦載波電路有關’其中’該 功率電橋之輸出處的正弦波，對二次諧波頻率的抑制高於 30分貝，對三次或更高諧波頻率的抑制高於35分貝。 該電路的另一特徵是該功率電橋輸出的正弦波功率高 於1瓦。 該電路的又一特徵是該電路的內部功率高於1.5瓦。 該電路還有一特徵是關閉接腳控制該功率電橋、該穩 壓器以及該正弦波產生器的操作。 還有另一特徵是該功率電橋是H-電橋。 該電路的又另一特徵是該功率電橋是電晶體匹配的推 挽式電橋。 此外，本發明還提供一方法，用以將高功率正弦波施 加給連接於先前各電路其中之一之功率電橋之輸出的負 載，包括對該電路供電及關閉的步驟，其中： 該供電及關閉步驟間的工作周期是由晶粒的最高平均 溫度決定； 供電步驟的最長持續時間是由晶粒中任何一點的溫度 決定；以及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） —--------批衣—. 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印災 498611 A7 B7 五、發明説明（5) 在等於該最大持續時間與該工作周期之比的任何時間 周期，施加於該電路的能量小於一上限，該上限是該最長 持續時間之供電步驟施加於電路的能量。 該方法還包括該工作周期等於或小於： Θ max — 9air ^ (j〇 ^"supply ^load * ("^supply ^load ； 其中，I〇是電路內的內部電流，VsuPPly是施加於電路的 電壓，Iuad是供電步驟期間負_中電流的RMS値，乂!。^是 跨於負載之電壓的RMS値，R是晶粒與晶粒四周空氣間的 熱阻，emax是晶粒的最大平均溫度，eak是晶粒四周空氣 的溫度。 該方法還包括決定供電步驟的最長持續時間，因此， 晶粒內任何一點的溫度都小於最大工作溫度。 最後，該方法包括決定供電步驟的最長持續時間，以 使晶粒內電橋處的溫度小於最大工作溫度。 須注意，申請專利範圍中所使用的”包括”一詞不能解釋 成限於其後所列的機構。因此，”一種裝置包括機構A及B” 之陳述，不能將其限於裝置僅是由組件A及B構成。本發 明的意思僅是裝置的相關組件是A及B。 圖形之簡要述敘 當配合附圖閱讀以下對本發明之實施例的描述，將可 對本發明有更佳的瞭解，其中， 圖1顯示習知技術之天線電路的驅動電路槪圖，以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — I.--U-----扣衣------、玎------# (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -8 - 498611 經濟部智慈財產局g(工消費合作社印製 A 7 B7 五、發明説明（6) 及， 圖2顯示按照本發明之電路的槪圖。 本發明根據的認知是，儘管功率是消耗在功率電橋 中，用於高功率正弦載波電路之功率電橋的電晶體還是可 與電路其它組件集積在相同的晶粒上。此認知源自於正弦 波基本上是以脈波串（burst)發射的事實，因此，熱可在連續 的脈波串之間消散掉。正弦波產生器只在部分時間操作， 使得產生器所有的元件都可集積在同一晶粒上。因此，本 發明建議在電路上提供一關閉-接腳，以便能在脈波串間關 閉電路以消散能量。 本發明也提供一種操作電路的方法；建議考慮不同款 的封裝以及晶粒本身不同位置的熱行爲以決定電路的操 作。此與一般的習知技術相反，一般晶粒在操作時其上的 溫度可考慮成一致。 在本發明的電路中，對二次諧波頻率的抑制高於30分 貝，對三次及更高諧波頻率的抑制高於35分貝。電路輸出 處之正弦波的功率…亦即施加於天線的功率高於1瓦；例如 包括1到5瓦之間。電路的內部功率高於1.5瓦，可以在 1.5到6.5瓦之間。 圖2顯示按照本發明的電路。圖1中討論的所有組件一 除了天線1及偵感電阻器18之外…都位在同一晶粒30上。 電路所集積的晶粒上具有用以連接天線1及偵感電阻器1 8 的接腳，用以接收參考電壓SETP、數位輸入ΟΝ/OFF及 DIG-IN，以及電源供應SUPP的接腳。電路可以在特殊用途 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I--------装------1T------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -9 - 498611 A7 B7 五、發明説明（7 ) 積體電路（ASIC)上實施。 圖2的H-電橋或負載饋送電橋2與圖1的相同；不 過，由於電橋是使用集積的電晶體，因此它們之間可以匹 配。此也允許將電橋配置成AB類放大器：在習知技術中使 用分離的電晶體無法得到此類型的放大器。圖2的H-電橋 不僅包括安裝如圖1的4個電晶體4、6、8、10，還包括安 裝於構成H-電橋每一條腿之電晶體之基極間的另外兩個電 晶體。特別是，電橋的第一條腿是由NPN電晶體4及PNP 電晶體6串聯而成。以第一條·腿4、6而言，NPN電晶體32 的集極與PNP電晶體34的射極連接到電晶體4的基極。電 晶體34的集極連接到它自已的基極，同時連接到電晶體32 的基極。電橋的第二條腿是由NPN電晶體10及PNP電晶 體8串聯而成。NPN電晶體36與PNP電晶體38安裝於電 橋第二條腿的方式與第一條腿的電晶體32及34相同。 天線1連接於每一條腿的中間，即，一端連接於NPN 電晶體4的射極與PNP電晶體6的集極之間，另一端連接 於NPN電晶體10的射極與PNP電晶體8的集極之間。按 照本發明的電橋是一推挽電路，可使H-電橋消耗的的功率 儘量降低。圖2之電路在交叉點處的靜止電流比圖1的電 路受到更多的限制。 圖2中也顯示穩壓器22以及正弦波產生器24。穩壓器 與正弦波產生器的操作與歐洲專利申請案9940288 1.9中所 揭示之穩壓器與正弦波產生器的操作相同。穩壓器與正弦 波產生器的實施可與該文件中討論的相同；穩壓器與正弦 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210X 29<7公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 經濟部智慧財產局工消費合作社印製 -10- 498611 經濟部智慈財4局員工消费合作社印製 DUC max A7 B7 五、發明説明（8) 波產生器也可以是其它的實施例。特別是’正弦波產生器 的兩個輸出OUT 1及0UT2連接到電晶體6及8的基極。 按照本發明，在電路上配置一關閉接腳。不過’以AB 類放大器方式操作的電橋增進了電路的性能’且消散的 熱量也較低。此外，電路可關閉以冷卻° 從以下對電路操作方法的描述將可更瞭解電路的操 作。第一步是決定電路的工作周期DUC。電路的工作周期 DUC是受晶粒上最大平均溫度0max的限制。Qmax視集積晶 粒所使用的技術而定。特別是·，假設 I。是電路內的內部電流，

VsuPPly是施加於電路的電壓，

Iuad是供電步驟期間負載中電流的均方根RMS値’

Vuad是跨於負載中電壓的均方根RMS値’ R是晶粒與晶粒四周空氣間的熱阻，以及 eau是晶粒四周空氣的溫度。

Io、VSUPPly ·、Iuad及Vuad實際上視連接到電路的負載及 電源而定，且與電路的特定實施無關。R視封裝的類型而 定。eak視晶粒的操作條件而定。所有這些參數，都是按 照電路意欲的操作條件決定。 在此情況計算工作周期，以允許電路在關閉時能使電 路獲得冷卻。因此，工作周期要低於下式的比率： 0max — Oair R · (I〇 · Vsupp|y + I|0a(i · (Vsuppiy Vload}) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2l〇X297公釐） 1 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智总財產局員工消费合作社印製 498611 A7 _B7___ 五、發明説明（9 ) 此比率中的分母項代表供電時電路中溫度的增加，藉 以 (^•〇 ^supply ^load (^supply ^load)) 代表電路中消耗的功率。 對工作周期的此種限制是爲確保晶粒中機構的溫度保 持低於最大溫度。 電路的工作周期一旦決定·，本發明建議考慮不同封裝 及晶粒的熱行爲，用以決定電路操作的最長持續時間 Tmax。此方法與一般的習知技術不同，習知技術之晶粒的 溫度是考慮成均勻一致的。特別是，本發明建議提供電路 中不同元件的熱模型，且特別是電橋2的電晶體。熱模型 要考慮晶粒之元件的熱阻及熱容。供電給電路時電路的熱 行爲可以模擬，例如使用電氣模擬工具；在此情況，電壓 代表溫度，同時，電流代表功率。使用此等熱模型即可決 定電路中之元件一段時間的熱行爲。此不僅可考慮晶粒的 平均溫度，還考慮到晶粒內部局部的溫度上升；因此，本 發明可以考慮晶粒中溫度較高的功率電橋四周。 第二步是計算某特定設計之晶粒，其電路操作的最長 持續時間tmax。持續時間Tmax是晶粒中任何一點的溫度到 達最大許可溫度的時間。如上所述，此方法與一般習知技 術所使用的方法不同，要將晶粒內局部溫度的增加考慮進 去。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） ---------裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 498611 A7 B7 五、發明説明（1〇) 一*旦完成工作周期與電路持續工作之最長持續時間的 計算，即可決定電路的操作。供電與關閉電路的序列允許 電路在每一個供電步驟之間冷卻，因此，局部溫度不會到 達最高點，同時，平均溫度也保持低於0max° 第一種方法是允許電路在關閉步驟之前，可操作到最 長的持續時接者’電路在T〇ff期間冷卻。以此方 法而言，爲顧及工作周期’應計算持續時間T〇ff以使 xmax xmax+ xoff < DUC max (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝- 經濟部智慧財4局員工消費合作社印製 換言之，以電路的此種操作而言’供電給電路可能持 續的最長時間Tmax及冷卻周期xoff是由工作周期決定。 操作的電路方法並不限於此。例如’供電步驟可以比 可能的最長供電步驟短’在此情況’冷卻電路的時間就不 需要長。更廣義言之’對電路之操作的限制可表示成：等 於該最長持續時間與該工作周期之比率的任何時間周期’ 所施加於電路的能量小於上限’上限是該最長持續時間之 供電步驟施加於電路的能量。此標準確保顧及工作周期’ 同時允許電路得到充分的冷卻，以使晶粒內部決不會到達 最局溫度。 此標準可寫成： J.Pcircuit.dt < Pmean.At t 其中： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 訂 線 -13- 498611 A7 B7 經濟部智慧財產局S工消費合作社印製 五、發明説明（1彳） t是任何瞬時； △ t是連續操作之最長持續時間τιηax與工作周期的比 率； Pmean是在Tmax的連續操作周期期間電路消耗的平均 功率； Pcircuit是電路消耗的功率。 因此，本發明提供集積在單一晶粒上之高功率正弦波 產生器的電路。由於有關閉接腳ON/OFF 40，可使電路只在 部分時間工作，同時也顧及限·制電路內的溫度。 不過，本發明並不受限於以上揭示的實施例，也不受 限於較佳實施例中所使用的特定穩壓器。値得注意的是， 功率電橋的結構可以改變，同時仍是將電路集積在單一的 晶粒上。也可以將關閉接腳ON/OFF 40連接到功率電橋2 而非穩壓器22及正弦波產生器24 ;此雖較爲不利但仍可 行，因爲功率電橋中消耗的功率高於正弦波產生器及穩壓 器中消耗的功率。 最後，値得注意的是，以上是以功能方塊描述本發明 的實施例。從以上對這些方塊的功能描述，熟悉電子裝置 設計技術之人士應瞭解，這些方塊都可使用眾所熟知的® 子組件製造。因此，這些功能方塊的詳細結構就不再描 述。 雖然以上是以特定的裝置描述本發明的原理，但須瞭 解，此描述只是實例，並非限制本發明的範圍’本發明的 範圍定義於所附申請專利範圍。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -14 - 498611 A7 B7 五、發明説明（12) 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 元件對照表 1 天線 2 功率電橋電路 4 功率電晶體 6 功率電晶體 8 功率電晶體 10 功率電晶體 12 印刷電路板 16 電源 18 偵感電阻器 20 積體電路 22 穩壓器 24 正弦波產生器 30 晶粒 32 -NPN電晶體 34 PNP電晶體 36 NPN電晶體 38 PNP電晶體 40 關閉接腳 ---------扣衣------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -15-

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498611 A8 B8 C8 D8 —_ 六、申請專利範圍 1 . 一種商功率正弦載波電路，包括一功率電橋（2)連 接於正弦波產生器（24)的輸出，一穩壓器（22)，連接於功率 電橋的回授輸出，並提供一驅動信號給正弦波產生器，其 中，該功率電橋、該正弦波產生器及該正弦波穩壓器都集 積在單一晶粒上，且其中該電路還包括一關閉接腳。 2 .如申請專利範圍第1項的電路，其中，該功率電橋 輸出之正弦波對二次諧波頻率的抑制高於30分貝，對三次 及更高諧波頻率的抑制高於35分貝。 3 .如申請專利範圍第-1項的電路，其中該功率電橋輸 出之正弦波的功率高於1瓦。 4 .如申請專利範圍第2項的電路，其中該功率電橋輸 出之正弦波的功率高於1瓦。 5 .如申請專利範圍第1項的電路，其中電路的內部功 率高於1.5瓦。 .6 .如申請專利範圍第2項的電路，其中電路的內部功 率高於1.5瓦.。 7 .如申請專利範圍第1項的電路，其中的關閉接腳控 制該功率電橋、該穩壓器及該正弦波產生器的操作。 8 ·如申請專利範圍第2項的電路，其中的關閉接腳控 制該功率電橋、該穩壓器及該正弦波產生器的操作。 9 ·如申請專利範圍第1項的電路，其中的電橋是η-電 橋（2)。 1〇·如申請專利範圍第2項的電路，其中的電橋是η -電橋（2)。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -16 - ---^---^-----裝^------訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498611 A8 B8 C8 D8 __ 六、申請專利範圍 1 1 ·如申請專利範圍第7項的電路，其中的功率電橋 是推挽式電橋’具有匹配的電晶體。 1 2 . —種將高功率正弦波施加到連接於申請專利範 圍第1項之電路之功率電橋之輸出之負載的方法’包括對該 .電路供電及關閉的步驟，其中： 該供電及關閉步驟間的工作周期是由晶粒之最大平均 溫度決定； 供電步驟的最大持續時間是由晶粒中任何一點的溫度 決定；以及 - 在等於該最大持續時間與該工作周期之比的任何時間 周期，施加於該電路的能量小於一上限’該上限是該最大 持續時間之供電步驟施加於電路的能量。 ]_ 3 .如申請專利範圍第1 2項的方法，其中，該工作 周期等於或小於： _9max—9air_ R ♦ (I〇 · VSUp.piy + ί load (Vsupply ^load )) 其中，I。是電路內的內部電流，V s u p p i y是施加於電路的 電壓，l·。“是供電步驟期間負載中電流的RMS値，V1(uld是跨 於負載之電壓的RMS値，R是晶粒與晶粒四周空氣間的熱阻 ，0ma;(是晶粒的最大平均溫度，Qair是晶粒四周空氣的溫度 〇 1 4 ·如申請專利範圍第12項的方法’其中，供電步 驟的最長持續時間被決定，因此，晶粒內任何一點的溫度 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 17 - 一' --J---1----^------tr------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 498611 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 都小於最大工作溫度。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項的方法，其中，供電步 驟的最長持續時間被決定，以使晶粒內電橋處的溫度小於 最大工作溫度。 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4说格（210 X 297公釐）