TWI399027B - 電壓轉換器及其所適用之驅動系統 - Google Patents

Description

電壓轉換器及其所適用之驅動系統

本案係關於一種電壓轉換器，尤指一種電壓轉換器及其所適用之驅動系統。

隨著科技的進步，各類3C產品已被視為推動市場成長的重要力量。無庸置疑的，這樣的發展趨勢仍將持續下去，而且隨著微電子技術的進步，3C產品不但功能日趨複雜，其尺寸亦漸趨於小型化，且可攜性也隨之大幅提高，使用者因此可以方便輕鬆以3C產品處理各項事務。

而電腦、手機、數位相機等商品都可歸類為3C產品，為了因應3C產品體積越做越小的趨勢，產品內部的組件必須跟著小型化，尤其是用來將直流電壓(DC)昇壓並轉換成交流電壓(AC)的電壓轉換器，才能達到產品小型化的目的，以符合市場的需求。

請參閱第一圖，其係為習知電壓轉換器之電路結構示意圖，如圖所示，習知電壓轉換器10係包含時序產生電路11、複數個開關元件12、昇壓電壓器13、電容C1以及電感L1，用以接收一直流電壓Vdc並昇壓轉換成為一交流電壓Vac，至於習知電壓轉換器10的運作方式係為：接收直流電壓Vdc，並利用時序產生電路11所輸出之控制信號來控制複數個開關元件12的關閉及導通，將直流電壓Vdc，可為+5V至+12V之間，於由電感L1、電容C1、昇壓變壓器13(1:20)及開關元件12所組成的迥路中，利用開關元件12間的開閉作用，使得昇壓變壓器13的二次側可得到已昇壓至需求標準之交流電壓Vac。

雖然習知電壓轉換器10確實可達到將直流電壓昇壓並轉換成為一交流電壓，但是在小型化的趨勢下，習知電壓轉換器10使用昇壓變壓器13，將使得此種電路設計無法縮小體積，使得產品無法滿足小型薄型化的目標。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之電壓轉換器及其所適用之驅動系統，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種電壓轉換器及其所適用之驅動系統，俾解決電壓轉換器使用昇壓變壓器，無法縮小體積，使得所製造之產品無法滿足小型薄型化的缺點。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種電壓轉換器，其係接收輸入直流低電壓，用以驅動流體輸送裝置之壓電致動器，其係包含：複數個電容器；電阻器；昇壓晶片，係與複數個電容器及電阻器連接，且具有開關元件及極性切換電路，用以接收輸入直流低電壓，並藉由開關元件之作動對輸入直流低電壓進行昇壓及倍壓處理，以產生直流高電壓，極性切換電路係將直流高電壓轉換成輸出交流電壓，用以驅動壓電致動器；其中，複數個電容器及電阻器係用以控制昇壓晶片之運作頻率。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第二圖A，其係為本案較佳實施例之驅動系統之結構示意圖，如圖所示，本案之驅動系統2主要由機構本體21以及電壓轉換器22所組成，電壓轉換器22係與機構本體21連接，主要利用電壓轉換器22接收一輸入直流低電壓並將其轉換成為輸出交流電壓Vo1、Vo2，以驅動機構本體21運作。

請參閱第二圖B，其係為第二圖A所示之機構本體之實施態樣示意圖，如圖所示，本案之機構本體21可為一流體輸送裝置23，但不以此為限，流體輸送裝置23可適用於醫藥生技、電腦科技、列印或是能源等工業，可輸送氣體或是液體，主要藉由一壓電致動器231將電能轉換成機械能，其中壓電致動器231包含有致動片232及振動薄模233，且分別接收輸出交流電壓Vo1及Vo2，用以因應輸出交流電壓Vo1及Vo2的驅動而使致動片232及振動薄模233產生反覆動作，俾造成壓力腔室234的體積壓縮或是膨脹，使流體輸送裝置23可藉以達到傳送流體之功效。

請參閱第三圖，其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第一較佳實施例之電路結構示意圖，如圖所示，本實施例之電壓轉換器3主要用來接收一輸入直流低電壓Vin並將其轉換為輸出交流電壓Vo1及Vo2輸出，電壓轉換器3可由昇壓晶片31、複數個電容器、複數個電阻器以及電感L1、二極體D1所組成。

於本實施例中，複數個電容器可包含電容器C11、C12、C13、C14及C15，但不以此為限，複數個電阻器則可包含電阻器R11及R12。而昇壓晶片31其內部係包含有一開關元件311及極性切換電路312，開關元件311係為一耐高壓開關元件。

昇壓晶片31的運作方式係接收該輸入直流低電壓Vin，藉由開關元件311的關斷切換以及電感L1、二極體D1與電容C14、C15的配合而將輸入直流低電壓Vin昇壓及倍壓處理為一直流高電壓V1，接續將直流高電壓V1傳送至極性切換電路312，主要用來將所接收之直流高電壓V1轉換成輸出交流電壓Vo1及Vo2。

舉例而言，於一些實施例中，輸入直流低電壓Vin可介於DC+3V～+12V，開關元件311加上電感L1、二極體D1、電容C14、C15後可將輸入直流低電壓Vin昇壓至DC+100V以上的直流高電壓V1，並利用極性切換電路312轉換後即可輸出100V以上的輸出交流電壓Vo1及Vo2。

請再參閱第三圖，昇壓晶片31需藉由數位訊號En、fout及fsw以及類比訊號Vpp來進行調控，數位訊號En主要用以控制輸出交流電壓Vo1及Vo2輸出與否，類比訊號Vpp主要用來決定輸出交流電壓Vo1及Vo2的振幅，即控制輸出電壓的大小；數位訊號fout及fsw則分別用來控制輸出切換頻率及決定昇壓晶片31內部開關元件311運作時昇壓推進切換頻率，於本實施例中，主要藉由電容器C11來提供數位訊號fout，電容器C12來提供數位訊號fsw，電阻器R12來提供類比訊號Vpp。

另外，電感L1用來暫存及傳遞能量，電容器C13則穩定供給輸入直流低電壓Vin至昇壓晶片31內部，電容器C14及C15則主要用來暫存能量，至於電阻器R11則用來決定輸出交流電壓Vo1及Vo2之上升段斜率，及昇壓推進切換頻率。

請參閱第四圖A，其係為第三圖所示之極性切換電路之內部電路結構圖，如圖所示，極性切換電路312主要由複數個電晶體開關及電阻器所組成，主要接收直流高電壓V1、輸入直流低電壓Vin及數位訊號fout，並轉換成輸出交流電壓Vo1及Vo2，以驅動壓電致動器231反覆作動，其中，極性切換電路312可由第一電阻器R21、第二電阻器R22及第三電阻器R23，以及第一電晶體開關Q21、第二電晶體開關Q22、第三電晶體開關Q23、第四電晶體開關Q24、第五電晶體開關Q25、第六電晶體開關Q26及第七電晶體開關Q27所組成，於本實施例中，該等電晶體開關Q21、Q22、Q23、Q24、Q25、Q26及Q27可為雙極共接面電晶體(BJT)，且第一電阻器R21、第二電阻器R22及第三電阻器R23可為限流電阻器，但不以此為限。

於本實施例中，第一電晶體開關Q21具有一基極(B)、與該接地端連接之一射極(E)，以及與該第一電阻器R21連接之一集極(C)；第二電晶體開關Q22具有與第一電晶體開關Q21之集極及第一電阻器R21連接之一基極、與接地端連接之一射極，以及與第二電阻器R22連接之一集極；第三電晶體開關Q23具有與第二電阻器R22及第二電晶體開關Q22之集極連接之一基極、與壓電致動器231連接之一射極，以及與第二電阻器R22連接之一集極；第四電晶體開關Q24具有與第一電阻器R21、第一電晶體開關Q21之集極及第二電晶體開關Q22之基極連接之一基極、與接地端連接之一射極，以及與壓電致動器231及第三電晶體開關Q23之射極連接之一集極；第五電晶體開關Q25具有與第三電阻器R23連接之一基極、與壓電致動器231連接之一射極，以及與第二電阻器R22、第三電晶體開關Q23之該集極及第三電阻器R23連接之一集極；第六電晶體開關Q26具有與第一電晶體開關Q21之基極連接之一基極、與接地端連接之一射極，以及與壓電致動器231連接之一集極；第七電晶體開關Q27具有與該第一電晶體開關Q21之該基極連接之一基極、與該接地端連接之一射極，以及與第三電阻器R23及第五電晶體開關Q25之該基極連接之該一集極。

極性切換電路312的運作原理係為：請參閱第四圖A，當數位訊號fout為高準位(High)時，電晶體開關Q21、Q26通路，使限流電阻器R21所在的支路接地，因而造成電晶體開關Q22、Q24開路，再使限流電阻器R22所在的支路處於高準位，因而使電晶體開關Q23通路；同時在另一方面，當數位訊號fout為高準位時將使電晶體開關Q27通路，而使限流電阻器R23所在的支路接地，因而造成電晶體開關Q25開路，所以電流將沿箭頭方向進行。請參閱第四圖B，當數位訊號fout為低準位(Low)時，則所有電晶體開關動作相反，即電晶體開關Q21、Q26開路，使限流電阻器R21所在的支路處於高準位，因而造成電晶體開關Q22、Q24通路，再使限流電阻器R22所在的支路接地，因而使電晶體開關Q23開路；同時在另一方面，當數位訊號fout為低準位時將使電晶體開關Q27開路，而使限流電阻器R23所在的支路處於高準位，因而造成電晶體開關Q25通路，使電流行進方向如圖所示之箭頭方向。

於一些實施例中，極性切換電路312內部所使用之電晶體開關亦可選擇以場效電晶體(FET)作為其具體的實施態樣(如第五圖A及B所示)，其中，極性切換電路312可由第一電阻器R21、第二電阻器R22及第三電阻器R23，以及第一電晶體開關Q21、第二電晶體開關Q22、第三電晶體開關Q23、第四電晶體開關Q24、第五電晶體開關Q25、第六電晶體開關Q26及第七電晶體開關Q27所組成。

第一電晶體開關Q21具有一閘極(G)、與該接地端連接之一源極(S)，以及與第一電阻器R21連接之一洩極(D)；第二電晶體開關Q22具有與第一電晶體開關Q21之洩極及第一電阻器R21連接之一閘極、與接地端連接之一源極，以及與第二電阻器R22連接之一洩極；第三電晶體開關Q23具有與第二電阻器R22及第二電晶體開關Q22之洩極連接之一閘極、與壓電致動器231連接之一源極，以及與第二電阻器R22連接之一洩極；第四電晶體開關Q24具有與第一電阻器R21、第一電晶體開關Q21之該洩極及第二電晶體開關Q22之該閘極連接之一閘極、與接地端連接之一源極，以及與壓電致動器231及第三電晶體開關Q23之該源極連接之一洩極；第五電晶體開關Q25具有與第三電阻器R23連接之一閘極、與壓電致動器231連接之一源極，以及與第二電阻器R22、第三電晶體開關Q23之該洩極及第三電阻器R23連接之一洩極；第六電晶體開關Q26具有與第一電晶體開關Q21之閘極連接之一閘極、與接地端連接之一源極，以及與壓電致動器231連接之一洩極；第七電晶體開關Q27具有與第一電晶體開關Q21之閘極連接之一閘極、與接地端連接之一源極，以及與第三電阻器R23及第五電晶體開關Q25之閘極連接之一洩極。

第五圖A及B所示之極性切換電路312的架構與運作原理係與第四圖A及第四圖B相似，於此不再贅述。

請參閱第六圖，其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第二較佳實施例之電路結構示意圖，如圖所示，本實施例之電壓轉換器6可由昇壓晶片31、控制單元61、電容器C13、C14及C15、電阻器R11、電感L1以及二極體D1所組成，其中昇壓晶片31所包含之開關元件311及極性切換電路312、電容器C13、C14及C15、電阻器R11、電感L1以及二極體D1的電路設計原理及所能達成之目的及功效係已詳述於第三圖所示之第一較佳實施例中，因此不再贅述。

於本實施例中，控制單元61主要用來接收一調變輸入訊號Rx，以因應該調變輸入訊號Rx同時輸出數位訊號En、fout及fsw以及類比訊號Vpp至昇壓晶片31內，以控制昇壓晶片31的運作，至於，數位訊號En主要用以控制輸出交流電壓Vo1及Vo2輸出與否，而數位訊號En、fout及fsw以及類比訊號Vpp的作用已詳述於第三圖所示之第一較佳實施例中，因此不再贅述。

請參閱第七圖，其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第三較佳實施例之電路結構示意圖，如圖所示，本實施例之電壓轉換器7係將極性切換電路312設置於昇壓晶片71的外部，且控制單元61所輸出之數位訊號fout係直接傳送至極性切換電路312，如此昇壓晶片71則只需將輸入直流低電壓Vin轉換成直流高電壓V1輸出，再透過外置式極性切換電路312將直流高電壓V1轉換成輸出交流電壓Vo1及Vo2。

至於，極性切換電路312的內部組成構件及運作原理，以及開關元件311的運作方式已詳述於第三圖及第四圖A、B之第一較佳實施例中，因此不再贅述。

於本實施例中，主要利用控制單元61來輸出數位訊號En、fout及fsw以及類比訊號Vpp至昇壓晶片71內。

請參閱第八圖，其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第四較佳實施例之電路結構示意圖，如圖所示，本實施例之電壓轉換器8係包含一時序產生電路81，主要輸出一數位訊號fout至該極性切換電路312，用以控制極性切換電路312之切換頻率。

另外，本實施例之極性切換電路312係設置於昇壓晶片71的外部，且接收時序產生電路81所輸出之數位訊號fout，如此昇壓晶片71則只需將輸入直流低電壓Vin轉換成直流高電壓V1輸出，再透過外置式極性切換電路312將直流高電壓V1轉換成輸出交流電壓Vo1及Vo2。

至於，極性切換電路312的內部組成構件及運作原理，以及開關元件311的運作方式已詳述於第三圖及第四圖A、B之第一較佳實施例中，因此不再贅述。

綜上所述，本案之電壓轉換器及其所適用之驅動系統係藉由昇壓晶片之開關元件將輸入直流低電壓昇壓至直流高電壓，並轉換成輸出交流電壓輸出以驅動流體輸送裝置之致動器，本案所提出之小尺寸電路板的電路架構有效減少元件使用量，解決習知電壓轉換電路板無法有效縮小體積，使得所製造之產品無法滿足小型薄型化的缺點。

另外，本案之昇壓晶片之輸出電壓振幅、頻率及昇壓推進切換頻率，可以由外加之電阻器及電容器所產生之震盪頻率所決定，或是由外部控制單元所輸出之數個數位或類比訊號進行調控。

本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

10．．．電壓轉換器

11．．．時序產生電路

12．．．開關元件

13．．．昇壓電壓器

Vdc．．．直流電壓

Vac．．．交流電壓

2．．．驅動系統

21．．．機構本體

22、3、6、7、8．．．電壓轉換器

Vin．．．輸入直流低電壓

23．．．流體輸送裝置

231．．．壓電致動器

232．．．致動片

233．．．振動薄模

234．．．壓力腔室

31、71．．．昇壓晶片

311．．．開關元件

312．．．極性切換電路

61．．．控制單元

81．．．時序產生電路

D1．．．二極體

C1．．．電容

L1．．．電感

Vpp．．．類比訊號

En、fout及fsw．．．數位訊號

R11、R12、R21、R22、R23．．．電阻器

Q21、Q22、Q23、Q24、Q25、Q26、Q27．．．電晶體開關

Vo1、Vo2．．．輸出交流電壓

C11、C12、C13、C14、C15．．．電容器

V1．．．直流高電壓

第一圖：其係為習知電壓轉換器之電路結構示意圖。

第二圖A：其係為本案較佳實施例之驅動系統之結構示意圖。

第二圖B：其係為第二圖A所示之機構本體之實施態樣示意圖。

第三圖：其係為第二圖A所示之電壓轉換器之第一較佳實施例之電路結構示意圖。

第四圖A：其係為第三圖所示之極性切換電路之內部電路結構圖。

第四圖B：其係為第四圖A所示之數位訊號fout為低準位時之電路運作示意圖。

第五圖A：其係為第三圖所示之極性切換電路之另一內部電路結構圖。

第五圖B：其係為第五圖A所示之數位訊號fout為低準位時之電路運作示意圖。

第六圖：其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第二較佳實施例之電路結構示意圖。

第七圖：其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第三較佳實施例之電路結構示意圖。

第八圖：其係為本案第二圖A所示之電壓轉換器之第四較佳實施例之電路結構示意圖。

3．．．電壓轉換器

31．．．昇壓晶片

311．．．開關元件

312．．．極性切換電路

Vin．．．輸入直流低電壓

D1．．．二極體

L1．．．電感

Vpp．．．類比訊號

En、fout及fsw．．．數位訊號

R11、R12．．．電阻器

Vo1、Vo2．．．輸出交流電壓

C11、C12、C13、C14、C15．．．電容器

V1．．．直流高電壓

Claims (11)

1. 一種電壓轉換器，其係接收一輸入直流低電壓，用以驅動一流體輸送裝置之一壓電致動器，其係包含：複數個電容器；一電阻器；一昇壓晶片，係與該複數個電容器及該電阻器連接，且具有一開關元件及一極性切換電路，用以接收該輸入直流低電壓，並藉由該開關元件之作動對該輸入直流低電壓進行昇壓及倍壓處理，以產生一直流高電壓，該極性切換電路係將該直流高電壓轉換成一輸出交流電壓，用以驅動該壓電致動器；其中，該複數個電容器及該電阻器係用以控制該昇壓晶片之運作頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中該極性切換電路係由複數個電晶體開關及複數個電阻器所組成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換器，其中該複數個電晶體開關係為雙極共接面電晶體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓轉換器，其中該極性切換電路係包含：一接地端；一第一電阻器；一第二電阻器；一第三電阻器；一第一電晶體開關，具有一基極、與該接地端連接之一射極，以及與該第一電阻器連接之一集極；一第二電晶體開關，具有與該第一電晶體開關之該集極及該第一電阻器連接之一基極、與該接地端連接之一射極，以及與該第二電阻器連接之一集極；一第三電晶體開關，具有與該第二電阻器及該第二電晶體開關之該集極連接之一基極、與該壓電致動器連接之一射極，以及與該第二電阻器連接之一集極；一第四電晶體開關，具有與該第一電阻器、該第一電晶體開關之該集極及該第二電晶體開關之該基極連接之一基極、與該接地端連接之一射極，以及與該壓電致動器及該第三電晶體開關之該射極連接之一集極；一第五電晶體開關，具有與該第三電阻器連接之一基極、與該壓電致動器連接之一射極，以及與該第二電阻器、該第三電晶體開關之該集極及第三電阻器連接之一集極；一第六電晶體開關，具有與該第一電晶體開關之該基極連接之一基極、與該接地端連接之一射極，以及與該壓電致動器連接之一集極；一第七電晶體開關，具有與該第一電晶體開關之該基極連接之一基極、與該接地端連接之一射極，以及與該第三電阻器及該第五電晶體開關之該基極連接之一集極。
5. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換器，其中該複數個電晶體開關係為場效電晶體。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓轉換器，其中該極性切換電路係包含：一接地端；一第一電阻器；一第二電阻器；一第三電阻器；一第一電晶體開關，具有一閘極、與該接地端連接之一源極，以及與該第一電阻器連接之一洩極；一第二電晶體開關，具有與該第一電晶體開關之該洩極及該第一電阻器連接之一閘極、與該接地端連接之一源極，以及與該第二電阻器連接之一洩極；一第三電晶體開關，具有與該第二電阻器及該第二電晶體開關之該洩極連接之一閘極、與該壓電致動器連接之一源極，以及與該第二電阻器連接之一洩極；一第四電晶體開關，具有與該第一電阻器、該第一電晶體開關之該洩極及該第二電晶體開關之該閘極連接之一閘極、與該接地端連接之一源極，以及與該壓電致動器及該第三電晶體開關之該源極連接之一洩極；一第五電晶體開關，具有與該第三電阻器連接之一閘極、與該壓電致動器連接之一源極，以及與該第二電阻器、該第三電晶體開關之該洩極及第三電阻器連接之一洩極；一第六電晶體開關，具有與該第一電晶體開關之該閘極連接之一閘極、與該接地端連接之一源極，以及與該壓電致動器連接之一洩極；一第七電晶體開關，具有與該第一電晶體開關之該閘極連接之一閘極、與該接地端連接之一源極，以及與該第三電阻器及該第五電晶體開關之該閘極連接之一洩極。
7. 一種電壓轉換器，其係接收一輸入直流低電壓，用以驅動一流體輸送裝置之一壓電致動器，其係包含：一昇壓晶片，係具有一開關元件及一極性切換電路，用以接收該輸入直流低電壓，並藉由該開關元件之作動對該輸入直流低電壓進行昇壓及倍壓處理，以產生一直流高電壓，該極性切換電路係將該直流高電壓轉換成一輸出交流電壓，用以驅動該壓電致動器；以及一控制單元，其係與該昇壓晶片連接，用以控制該昇壓晶片之運作頻率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓轉換器，其中該控制單元係為一微控制器。
9. 一種電壓轉換器，其係接收一輸入直流低電壓，用以驅動一流體輸送裝置之一壓電致動器，其係包含：一昇壓晶片，係具有一開關元件，用以接收該輸入直流低電壓，並藉由該開關元件之作動對該輸入直流低電壓進行昇壓及倍壓處理，以產生一直流高電壓；一極性切換電路，係與該昇壓晶片連接，用以將該直流高電壓轉換成一輸出交流電壓，用以驅動該壓電致動器；一控制單元，其係與該昇壓晶片及該極性切換電路連接，用以控制該昇壓晶片及該極性切換電路之運作頻率。
10. 一種電壓轉換器，其係接收一輸入直流低電壓，用以驅動一流體輸送裝置之一壓電致動器，其係包含：一昇壓晶片，係具有一開關元件，用以接收該輸入直流 低電壓，並藉由該開關元件之作動對該輸入直流低電壓進行昇壓及倍壓處理，以產生一直流高電壓；一極性切換電路，係與該昇壓晶片連接，用以將該直流高電壓轉換成一輸出交流電壓，用以驅動該壓電致動器；一時序產生電路，係與該極性切換電路連接，用以控制該極性切換電路之運作頻率；一電阻器及一電容器，係與該昇壓晶片連接，用以控制該昇壓晶片之運作頻率。
11. 一種驅動系統，至少包含；一流體輸送裝置，具有一壓電致動器；以及一電壓轉換器，係與該壓電致動器連接，且接收一輸入直流低電壓，係包含：複數個電容器；一電阻器；一昇壓晶片，係與該複數個電容器及該電阻器連接，且具有一開關元件及一極性切換電路，用以接收該輸入直流低電壓，並藉由該開關元件之作動對該輸入直流低電壓進行昇壓及倍壓處理，以產生一直流高電壓，該極性切換電路係將該直流高電壓轉換成一輸出交流電壓，用以驅動該壓電致動器；其中，該複數個電容器及該電阻器係用以控制該昇壓晶片之運作頻率。