TWI450480B - 半橋驅動裝置 - Google Patents

Description

半橋驅動裝置

本發明是有關於一種半橋驅動裝置，且特別是有關於一種半橋驅動裝置的非零電壓偵測器及其偵測方式。

在半橋驅動裝置中，當其所屬的半橋驅動器，在其輸出電壓未等於零電壓準位並進行切換動作時，會因為半橋驅動器上的功率電晶體直接承受一定的電壓降，並且，導通的功率電晶體在其導通電阻相對很小狀態下，會有一個很大的電流流經被導通的功率電晶體，除了產生很大的能量切換的損失外，還有可能造成功率電晶體或其他相關元件的燒毀，產生安全上的顧慮。

在習知的半橋驅動裝置中，有透過在負載端設置電阻或在半橋驅動器接地的路徑間串接電阻來偵測半橋驅動裝置上的電流變化，並在電流突然上升的瞬間(發生非零電壓切換現象)使半橋驅動裝置啟動保護動作。另外，習知的半橋驅動裝置也提出藉由直接偵測半橋驅動器所產生的輸出電壓來判斷半橋驅動裝置是否有發生非零電壓切換現象，並據以啟動半橋驅動裝置的保護動作。

本發明提供一種半橋驅動裝置，有效偵測非零電壓的切換現象，以確保裝置的安全性。

本發明提出一種半橋驅動裝置，包括控制器、半橋驅動器、非零電壓偵測器以及諧振電路。控制器產生第一控制信號以及第二控制信號。半橋驅動器具有輸出端，且半橋驅動器接收參考電源電壓、參考接地電壓以及第一及第二控制信號，並分別依據第一及第二控制信號使參考電源電壓對輸出端進行充電或使輸出端對參考接地電壓進行放電。非零電壓偵測器耦接輸出端，並依據輸出端上的電壓的下降或上升的斜率來產生非零電壓偵測結果。諧振電路耦接輸出端，並依據輸出端上的電壓來產生驅動輸出電壓。

在本發明之一實施例中，上述之非零電壓偵測器包括電容以及電阻。電容的第一端耦接輸出端，電阻串接在電容的第二端以及參考接地電壓間，其中，電容與電阻耦接的端點產生非零電壓偵測結果。

在本發明之一實施例中，半橋驅動裝置更包括電荷泵電路，電荷泵電路耦接至輸出端，包括電容以及齊納二極體。電容的第一端耦接輸出端。齊納二極體串接在電容的第二端以及參考接地電壓間，其中，電容與齊納二極體耦接的端點上產生輔助電源。

在本發明之一實施例中，上述之電容與齊納二極體耦接的端點更耦接至控制器，並提供輔助電源作為控制器的操作電壓。

在本發明之一實施例中，半橋驅動裝置更包括電荷泵電路。電荷泵電路耦接在輸出端耦接非零電壓偵測器的路徑間。電荷泵電路並耦接至非零電壓偵測器產生非零電壓 偵測結果的端點上，電荷泵電路包括電容以及齊納二極體。電容的第一端耦接輸出端，其第二端耦接至非零電壓偵測器。齊納二極體串接在電容的第二端以及非零電壓偵測器產生非零電壓偵測結果的端點間，其中，電容與齊納二極體耦接的端點產生輔助電源。

在本發明之一實施例中，半橋驅動裝置更包括保護信號產生器。保護信號產生器耦接非零電壓偵測器，依據判斷非零電壓偵測結果來產生保護致能信號。

在本發明之一實施例中，上述之保護信號產生器包括比較器以及閂鎖器。比較器耦接非零電壓偵測器並針對非零電壓偵測結果以及預設臨界值進行比較，以產生比較結果。閂鎖器耦接比較器以閂鎖比較結果，並依據被閂鎖的比較結果來提供保護致能信號。

在本發明之一實施例中，上述之控制器更耦接至保護信號產生器以接收保護致能信號。控制器依據保護致能信號來終止驅動輸出電壓的產生動作。

在本發明之一實施例中，上述之半橋驅動器包括第一電晶體以及第二電晶體。第一電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收參考電源電壓，其控制端接收第一控制信號，其第二端耦接輸出端。第二電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接輸出端以接收參考電源電壓，其控制端接收第二控制信號，其第二端接收參考接地電壓。

基於上述，本發明藉由偵測半橋驅動器在執行切換動 作時，其輸出端上所產生的電壓的下降或上升的斜率，來產生非零電壓偵測結果。並藉由這個非零電壓偵測結果來得知半橋驅動裝置是否發生非零電壓切換的現象，以有效防止半橋驅動裝置因非零電壓切換現象來產生的元件燒毀的現象。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的半橋驅動裝置100的示意圖。半橋驅動裝置100包括控制器110、半橋驅動器120、非零電壓偵測器130以及諧振電路140。控制器110產生控制信號CTRL1以及CTRL2。半橋驅動器120耦接至控制器110。半橋驅動器120接收控制信號CTRL1以及CTRL2、參考接地電壓GND以及參考電源電壓VBUS。半橋驅動器120並依據控制信號CTRL1以及CTRL2使參考電源電壓VBUS對半橋驅動器120的輸出端OT進行充電或使輸出端OT對參考接地電壓GND進行放電。控制器110則接收電源電壓VCC以作為其操作電壓。

進一步來說明，控制器110可以依據例如是高電壓準位的控制信號CTRL1來使參考電源電壓VBUS對半橋驅動器120的輸出端OT進行充電(此時的控制信號CTRL2等於低電壓準位)，並在一個時間週期後，控制器110可以依據切換為高電壓準位的控制信號CTRL2來使半橋驅動 器120的輸出端OT對參考接地電壓GND進行放電(此時的控制信號CTRL1切換為低電壓準位)。值得注意的是，參考電源電壓VBUS對輸出端OT進行充電動作以及輸出端OT對參考接地電壓GND的放電動作不會同時發生。也就是說，在本實施例中，控制信號CTRL1及CTRL2不會同時等於高電壓準位。

非零電壓偵測器130耦接半橋驅動器120的輸出端OT，並依據半橋驅動器120的輸出端OT上的電壓的下降或上升的斜率來產生非零電壓偵測結果NZR。以半橋驅動器120使輸出端OT對參考接地電壓GND開始進行放電動作為範例，在當半橋驅動裝置100發生非零電壓切換動作時，由於此時輸出端OT上的電壓準位高於參考接地電壓GND的電壓準位，因此，半橋驅動器120的輸出端OT上的電壓會被迫使快速的下降至等於(甚至略低於)參考接地電壓GND的電壓準位。相反的，若半橋驅動裝置100未發生非零電壓切換動作時，由於此時輸出端OT上的電壓準位等於(或幾乎等於)參考接地電壓GND的電壓準位，因此，半橋驅動器120所執行的輸出端OT上的放電動作僅會使輸出端OT上的電壓準位產生小幅度的下降。因此，非零電壓偵測器130則可以透過偵測半橋驅動器120的輸出端OT上的電壓準位的下降速度(也就是電壓的下降斜率)來獲知半橋驅動裝置100是否有產生非零電壓的切換動作。

由上述的範例可以得知，當輸出端OT上的電壓準位 由一個大於零的高準位電壓快速的下降至參考接地電壓GND，或是由一個低於參考電源電壓VBUS的低準位電壓，快速的上升至參考電源電壓VBUS時，非零電壓偵測器130可以透過輸出端OT上的電壓的下降或上升的斜率來得知半橋驅動裝置100產生非零電壓的切換動作並對應產生非零電壓偵測結果NZR。也就是說，當輸出端OT上的電壓的下降或上升的斜率大於一個預設臨界值時，非零電壓偵測器130產生的非零電壓偵測結果NZR指示半橋驅動裝置100發生非零電壓的切換動作。

簡單來說，在本發明一實施例中，非零電壓偵測器130可以擷取輸出端OT上的電壓，並偵測輸出端OT上的電壓值，在固定的時間區間中所產生的上升或下降的變化程度，來產生非零電壓偵測結果NZR。也就是說，非零電壓偵測器130可以透過對輸出端OT上的電壓值與預設臨界值進行比對，就可以對應產生非零電壓偵測結果NZR。

諧振電路140耦接輸出端OT，並依據輸出端OT上的電壓來產生驅動輸出電壓ODRV，其中的驅動輸出電壓ODRV用來驅動負載190，在本實施例中，負載190可以是日光燈管，而驅動輸出電壓ODRV則是用來提供日光燈管正弦波高頻電壓及電流，並藉以點亮日光燈管。

以下請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的半橋驅動裝置200的示意圖。半橋驅動裝置200包括控制器210、半橋驅動器220、非零電壓偵測器230、諧振電路240以及電荷泵電路250。在本實施例中，半橋驅動器220包 括電晶體N1以及N2，電晶體N1的第一端(例如汲極)接收參考電源電壓VBUS，其控制端(例如閘極)耦接至控制器210以接收控制信號CTRL1，其第二端(例如源極)耦接至輸出端OT。電晶體N2的第一端(例如汲極)耦接至輸出端OT，電晶體N2的控制端(例如閘極)耦接至控制器210以接收控制信號CTRL2，電晶體N2的第二端(例如源極)接收參考接地電壓GND。

非零電壓偵測器230則串接在輸出端OT以及參考接地電壓GND間，非零電壓偵測器230包括電容C1以及電阻R1。電容C1的第一端耦接輸出端OT，電容C1的第二端耦接至電阻R1，而電阻R1是串接在電容C1的第二端以及參考接地電壓GND間，並由電容C1的第二端上產生非零電壓偵測結果NZR。

值得注意的是，當輸出端OT上的電壓產生快速上升或快速下降的現象時，耦接於輸出端OT的電容C1會因電容的推舉效應而在其第二端產生一個向上或向下的脈衝信號。這個脈衝信號的振幅，會因應輸出端OT上的電壓的下降或上升的斜率以及電容C1和電阻R1所提供的延遲效應來決定。也就是說，在產生非零電壓切換現象時，非零電壓偵測器230所產生的非零電壓偵測結果NZR上將具有週期性的多個向上及向下的脈衝信號。而產生脈衝信號的時間點，會幾乎等於半橋驅動器220發生非零電壓切換現象的時間點。

由上述的說明可以清楚得知，藉由觀察非零電壓偵測 結果NZR上所產生的脈衝信號的振幅，就可以獲知輸出端OT上的電壓的下降或上升的斜率，也就可以得知半橋驅動器220是否發生非零電壓切換現象。並據此啟動半橋驅動裝置200的保護機制。

附帶一提的，在本實施例中，半橋驅動裝置更包括電荷泵電路250。電荷泵電路250耦接至輸出端OT，並藉由接收輸出端OT上的電壓以進行電荷泵(charge pump)的充電動作，並產生輔助電源VAUX。在本實施中，電荷泵電路250包括電容C2以及齊納二極體ZD1。電容C2的第一端耦接輸出端OT，齊納二極體ZD1則串接在電容C2的第二端以及參考接地電壓GND間。其中，電容C2與齊納二極體ZD1耦接的端點產生輔助電源VAUX。

電容C2與齊納二極體ZD1耦接的端點可以耦接至控制器210接收電源電壓VCC的端點，並將輔助電源VAUX透過二極體D1提供至控制器210以作為控制器210的供應電源。另外，電源電壓VBUS可以透過電阻R2提供給電源電壓VCC，以作為控制器210所需的啟動電源。

諧振電路240則包括電感L1、電容C3以及C4。電感L1以及電容C3依序串接在輸出端OT以及負載290間，電容C4則耦接至電容C3，並與負載290並聯耦接。諧振電路240上的電感L1、電容C3以及C4用以接收輸出端OT上依據半橋驅動器220的切換動作所產生的方波信號，並轉換輸出端OT上的方波信號以產生週期性的正弦波的驅動輸出電壓ODRV以驅動負載290。

以下請參照圖3A，圖3A繪示本發明再一實施例的半橋驅動裝置300的示意圖。半橋驅動裝置300包括控制器310、半橋驅動器320、非零電壓偵測器330、諧振電路340、電荷泵電路350以及保護信號產生器360。半橋驅動裝置300則由電晶體M1以及M2所構成。與前述的實施例不相同的，本實施例的半橋驅動裝置300更包括保護信號產生器360。其中，保護信號產生器360耦接至非零電壓偵測器330並接收非零電壓偵測器330所產生的非零電壓偵測結果NZR來，以依據判斷非零電壓偵測結果NZR的振幅是否有大於預設臨界值VREF來產生保護致能信號PRTEN。

保護信號產生器360包括比較器COMP以及閂鎖器361。比較器COMP耦接非零電壓偵測器330，並針對非零電壓偵測結果NZR以及預設臨界值VREF進行比較，以產生比較結果OUT。閂鎖器361耦接比較器COMP以閂鎖比較結果OUT，並依據被閂鎖的比較結果OUT來提供保護致能信號PRTEN。在本實施例中，閂鎖器361為一個S-R閂鎖器，其中的設定端S接收比較結果OUT，重置端R接收重置信號RESET，輸出端Q則產生保護致能信號PRTEN。

以下請同時參照圖3A、圖3B以及圖3C，其中圖3B以及圖3C繪示本發明實施例的半橋驅動裝置的動作波形圖。其中，在時間區間D2中，半橋驅動器320停止對輸出端OT進行充電的動作，並在時間區間D2結束的瞬間， 開啟輸出端OT對參考接地電壓GND放電的路徑。在此同時，由於輸出端OT上的電壓VOT為一個非零且大於零的電壓準位，因此，發生所謂的非零電壓的切換動作，並使電壓VOT快速的下降。值得注意的是，以時間區間D2結束的瞬間為例，此時電晶體M2依據控制信號CTRL2而導通以在輸出端OT與參考接地電壓GND間提供一個不大的阻抗值，而在輸出端OT與參考接地電壓GND間具有一定程度電壓差的狀態下，電晶體M2的源、汲極間將會對應的電壓差而產生大電流而致使電晶體M2可能被燒毀。

在另一方面，非零電壓偵測器330偵測到電壓VOT的快速下降動作，並產生具有高振幅的負脈衝的非零電壓偵測結果NZR。保護信號產生器360則透過對非零電壓偵測結果NZR與預設臨界值VREF1進行比較，來產生保護致能信號PRTEN。在本實施例中，非零電壓偵測結果NZR中是具有振幅大於預設臨界值VREF1的脈衝信號，因此，保護致能信號PRTEN將被致能，並啟動半橋驅動裝置300的保護機制。

另外，在時間區間D1結束的瞬間，參考電源電壓VBUS對輸出端OT充電的路徑被開啟，而由於輸出端OT上的電壓VOT的電壓準位小於參考電源電壓VBUS，而發生所謂的非零電壓的切換動作，並使電壓VOT快速的上升。非零電壓偵測器330偵測到電壓VOT的快速上升動作，並產生具有高振幅的正脈衝的非零電壓偵測結果NZR。因此，本發明實施例中，保護信號產生器360也可 以透過對非零電壓偵測結果NZR與預設臨界值VREF2進行比較，來產生保護致能信號PRTEN。在本實施例中，非零電壓偵測結果NZR中是具有振幅大於預設臨界值VREF2的脈衝信號，因此，保護致能信號PRTEN將被致能，同樣可以啟動半橋驅動裝置300的保護機制。

值得注意的是，半橋驅動裝置300的保護機制可以藉由關閉半橋驅動器320的電壓切換動作或是調整控制器310所產生的控制信號CTRL1及CTRL2的切換頻率來完成。因此，保護致能信號PRTEN可以被提供至控制器310中，並使控制器310依據保護致能信號PRTEN來調整所產生的控制信號CTRL1及CTRL2。

另外，請參照圖3C。在時間區間D2結束的瞬間，由於輸出端OT上的電壓VOT非常接近0伏特，因此，此時半橋驅動器320所產生的切換動作為所謂的零電壓的切換動作。非零電壓偵測器330透過偵測到電壓VOT的下降動作以產生具有負脈衝的非零電壓偵測結果NZR。由於電壓VOT的變化斜率不高，因此，非零電壓偵測結果NZR的電壓絕對值並未能高於預設臨界值VREF1或預設臨界值VREF2。由此可以得知，以時間區間D2為範例，電晶體M2在依據控制信號CTRL2而導通的瞬間，電晶體M2的源、汲極將間不會具有一定程度的電壓降而有燒毀的風險。也因此，在此狀態下，保護致能信號PRTEN並不需要被致能。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明更一實施例的半橋 驅動裝置400的示意圖。半橋驅動裝置400包括控制器410、半橋驅動器420、非零電壓偵測器430、諧振電路440以及電荷泵電路450。在本實施例中，非零電壓偵測器430透過電荷泵電路450中的電容C2耦接到輸出端OT，其中，電容C2串接在輸出端OT以及非零電壓偵測器430間。電荷泵電路450的齊納二極體ZD1則是串接在電容C2的第二端以及非零電壓偵測器430產生非零電壓偵測結果NZR的端點間。如此一來，輸出端OT上的電壓可以經過電容C2以及C1的分壓後，再傳送至非零電壓偵測器430。因此，電容C1可以不需要使用承受高電壓的電容來建構，有效降低電路所需的成本。

綜上所述，本發明藉由非零電壓偵測器來偵測半橋驅動器的輸出端上的電壓上升或下降的斜率，並據此獲知半橋驅動裝置是否有發生非零電壓切換的現象。在不增加大量電路元件，且不影響半橋驅動裝置的功率轉換效率的情況下，有效偵測零電壓切換的情形，並確保系統的安全。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300‧‧‧半橋驅動裝置

110、210、310‧‧‧控制器

120、220、320‧‧‧半橋驅動器

130、230、330‧‧‧非零電壓偵測器

140、240、340‧‧‧諧振電路

250、350‧‧‧電荷泵電路

360‧‧‧保護信號產生器

361‧‧‧閂鎖器

190、290‧‧‧負載

COMP‧‧‧比較器

D1、D2‧‧‧時間區間

VOT‧‧‧電壓

R、S、Q‧‧‧端點

RESET‧‧‧重置信號

N1、N2‧‧‧電晶體

CTRL1、CTRL2‧‧‧控制信號

VREF、VREF1、VREF2‧‧‧預設臨界值

PRTEN‧‧‧保護致能信號

R1、R2‧‧‧電阻

C1~C4‧‧‧電容

ZD1‧‧‧齊納二極體

D1‧‧‧二極體

OT‧‧‧輸出端

VAUX‧‧‧輔助電源

GND‧‧‧參考接地電壓

VCC‧‧‧電源電壓

VBUS‧‧‧參考電源電壓

NZR‧‧‧非零電壓偵測結果

ODRV‧‧‧驅動輸出電壓ODRV

圖1繪示本發明一實施例的半橋驅動裝置100的示意圖。

圖2繪示本發明另一實施例的半橋驅動裝置200的示意圖。

圖3A繪示本發明再一實施例的半橋驅動裝置300的示意圖。

圖3B及圖3C繪示本發明實施例的半橋驅動裝置的動作波形圖。

圖4繪示本發明更一實施例的半橋驅動裝置400的示意圖。

100‧‧‧半橋驅動裝置

110‧‧‧控制器

120‧‧‧半橋驅動器

130‧‧‧非零電壓偵測器

140‧‧‧諧振電路

190‧‧‧負載

CTRL1、CTRL2‧‧‧控制信號

OT‧‧‧輸出端

GND‧‧‧參考接地電壓

VCC‧‧‧電源電壓

VBUS‧‧‧參考電源電壓

NZR‧‧‧非零電壓偵測結果

ODRV‧‧‧驅動輸出電壓ODRV

Claims (10)

1. 一種半橋驅動裝置，包括：一控制器，產生一第一控制信號以及一第二控制信號；一半橋驅動器，具有一輸出端，該半橋驅動器接收一參考電源電壓、一參考接地電壓以及該第一及該第二控制信號，並分別依據該第一及該第二控制信號使該參考電源電壓對該輸出端進行充電或使該輸出端對該參考接地電壓進行放電；一非零電壓偵測器，耦接該輸出端，並依據該輸出端上的電壓的下降或上升的斜率來產生一非零電壓偵測結果；以及一諧振電路，耦接該輸出端，並依據該輸出端上的電壓來產生一驅動輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半橋驅動裝置，其中該非零電壓偵測器包括：一電容，其第一端耦接該輸出端；以及一電阻，串接在該電容的第二端以及該參考接地電壓間，其中，該電容與該電阻耦接的端點產生該非零電壓偵測結果。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半橋驅動裝置，其中更包括：一電荷泵電路，耦接至該輸出端，包括： 一電容，其第一端耦接該輸出端；以及一齊納二極體，串接在該電容的第二端以及該參考接地電壓間，其中，該電容與該齊納二極體耦接的端點產生一輔助電源。
4. 如申請專利範圍第3項所述之半橋驅動裝置，其中該電容與該齊納二極體耦接的端點更耦接至該控制器，並提供該輔助電源作為該控制器的操作電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之半橋驅動裝置，其中更包括：一電荷泵電路，耦接在該輸出端耦接該非零電壓偵測器的路徑間，該電荷泵電路並耦接至該非零電壓偵測器產生該非零電壓偵測結果的端點上，該電荷泵電路包括：一電容，其第一端耦接該輸出端，其第二端耦接至該非零電壓偵測器；以及一齊納二極體，串接在該電容的第二端以及該非零電壓偵測器產生該非零電壓偵測結果的端點間，其中，該電容與該齊納二極體耦接的端點產生一輔助電源。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半橋驅動裝置，其中該電容與該齊納二極體耦接的端點更耦接至該控制器，並提供該輔助電源作為該控制器的操作電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之半橋驅動裝置，其中更包括： 一保護信號產生器，耦接該非零電壓偵測器，依據判斷該非零電壓偵測結果來產生一保護致能信號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之半橋驅動裝置，其中該保護信號產生器包括：一比較器，耦接該非零電壓偵測器，針對該非零電壓偵測結果以及一預設臨界值進行比較，以產生一比較結果；以及一閂鎖器，耦接該比較器以閂鎖該比較結果，並依據被閂鎖的該比較結果來提供該保護致能信號。
9. 如申請專利範圍第7項所述之半橋驅動裝置，其中該控制器更耦接至該保護信號產生器以接收該保護致能信號，該控制器依據該保護致能信號來終止該驅動輸出電壓的產生動作，或調整該第一及該第二控制信號的頻率。
10. 如申請專利範圍第1項所述之半橋驅動裝置，其中該半橋驅動器包括：一第一電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收該參考電源電壓，其控制端接收該第一控制信號，其第二端耦接該輸出端；以及一第二電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接該輸出端以接收該參考電源電壓，其控制端接收該第二控制信號，其第二端接收該參考接地電壓。