TWI693784B - 靜電吸附板用驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置 - Google Patents

靜電吸附板用驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置 Download PDF

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Abstract

一種靜電吸附板用驅動電路，使用直流電源來驅動靜電吸附板，該電路包含：N通道功率電晶體，具有大電流及低導通電阻之特性，其源極電性連接於直流電源的地端；變壓器，其一次側電性連接於直流電源的電源電壓端與功率電晶體的汲極之間，接受直流電源的電源電壓端與功率電晶體的汲極之間的電位差作為其一次側電壓，二次側輸出變壓後的二次側電壓；增壓器，其輸入端電性連接至變壓器的二次側的兩個端子之間，接受二次側電壓作為其輸入電壓，將輸入電壓放大後的電壓輸出至靜電吸附板；主控器，電性連接於直流電源的電源電壓端與地端之間，其控制端電性連接於功率電晶體之閘極，藉由控制功率電晶體的導通與斷開，而控制靜電吸附板產生的吸附力；及電容器，電性連接於直流電源的電源電壓端與地端之間，使直流電源的電位差穩定。

Description

靜電吸附板用驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置
本發明係關於一種靜電吸附板用驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置，尤其關於用於高壓靜電吸附板之緊湊型節能驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置。
靜電是物體帶有的電荷不平衡分布所產生的現象，當絕緣體靠近帶有靜電的物體時，絕緣體內部的電荷將會由於庫倫力造成的靜電感應而重新分布，並且產生靜電吸附的現象。因此，目前工業界等已廣泛利用此種靜電吸附的現象，藉由靜電吸盤等裝置來進行暫時性吸附。
其中，在工業領域之外，日常生活中亦有一種具備靜電吸附板的靜電吸附裝置作為公佈欄或留言板使用，同樣藉由靜電吸附的現象來吸附例如名片、告示或海報等各種輕薄的紙製品。
此種靜電吸附裝置，為了產生足夠的靜電吸力，必須於靜電吸附板施加例如3KV以上的高電壓。再者，此種靜電吸附裝置考慮到設置上的方便性，多採用電池供電。因此，此種靜電吸附裝置必須使用提升電壓的驅動電路，將電池提供的電壓，提升為靜電吸附板所使用的高電壓。
以下參照圖4來說明習知技術。
在習知技術中，此種驅動電路係使用4顆乾電池串聯組成的6V直流電源供電，主控晶片IC藉由上拉(PU)下拉(PD)電路PUD，驅動電晶體Q產生電流變化，令電感器L產生例如375V以上之高電壓，並藉由八倍增壓器Vop將電壓提升至3KV以上。
［發明所欲解決之問題］
在此，習知技術係使用電晶體Q搭配電感器L以及八倍增壓器Vop來產生3KV以上的高電壓，電晶體Q必須承受例如375V以上之高電壓，因此需使用耐壓規格600V至800V之電晶體。此種高耐壓的電晶體Q，其臨界電壓Vth較高，故需要較高的電源電壓進行驅動。因此，習知技術中係使用6V的直流電源。
然而，一般主控晶片IC的工作電壓上限多為5.5V，因此使用6V的直流電源時，則須另行使用二極體D1進行降壓，並且搭配電容器C2使降壓後的電壓穩定。
再者，八倍增壓器Vop就結構上而言，需要八個電容器及八個二極體，其元件數量繁多。
因此，習知技術不僅需要使用4個乾電池提供6V電源電壓，且電路元件繁多、結構複雜，必須使用成本較高的表面貼裝元件(SMD)來抑制體積，就結果而言，其成本難以降低。
並且，習知技術係使用電感來產生高電壓，因此電源電路與靜電吸附板之間並無電氣隔離，對於高電壓的電路而言，容易產生漏電，影響到能源效率與可靠性。
所以，本案發明人尋求一種靜電吸附板用驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置，能在減少元件數量、降低電路複雜度、抑制成本的同時，亦達到提高能源效率、降低耗電的功效，並且安全可靠。 ［解決問題之方式］ ［發明之功效］
依據本發明，則可提供一種靜電吸附板用驅動電路及使用該驅動電路之靜電吸附裝置，其在減少元件數量、降低電路複雜度、抑制成本的同時，亦達到提高能源效率、降低耗電的功效。
［實施發明之較佳形態］
以下參照圖式說明本發明一實施形態之靜電吸附裝置。
如圖1所示，在本實施形態中，係使用直流電源2來供應靜電吸附板用驅動電路1與靜電吸附板3所構成的靜電吸附裝置。
如圖1所示，靜電吸附板用驅動電路1包含：功率電晶體PQ；變壓器T；四倍增壓器Vqp；主控器MCU；及電容器C1。
直流電源2，包含：電源電壓端VCC；以及地端GND。在本實施形態中，直流電源定為提供3V直流電壓，意即電源電壓端VCC與地端GND之間的電位差係3V。直流電源的構成並無特別限定，只要是能提供3V直流電壓之任何電源均可使用，但考量到設置便利性，宜定為電池供電，例如由2顆鹼性電池串連連接組成。
靜電吸附板3，其具有交錯分布的成對之電極及包覆於電極外部的絕緣層(未圖示)。
功率電晶體PQ係用於產生流經變壓器Ｔ的電流，宜為具有低導通電阻的N通道功率電晶體，例如 NMOS(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor field-effect transistor，N通道金屬氧化物半導體場效電晶體)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極電晶體)。功率電晶體PQ宜具有20A以上的大電流驅動性能，以及60V以上的耐壓規格。
功率電晶體PQ具有三極，若為NMOS之情形，則具有源極、汲極、閘極，且源極電性連接至直流電源2的地端GND；若為IGBT之情形，則為集極、射極、閘極，且射極電性連接至直流電源2的地端GND。
變壓器T，具有提升電壓與電性隔離之功能。在本實施形態中，係使用返馳式(Flyback)變壓器。變壓器T具有一次側與二次側，從一次側輸入電壓，並加以轉換，而在二次側輸出電壓。並且，一次側與二次側之間係電氣隔離，藉此可提高電路的安全性，減少漏電以及由漏電造成的副作用。
變壓器T的一次側，其中一端電性連接於直流電源2的電源電壓端VCC，另一端電性連接於功率電晶體PQ。換言之，變壓器電性連接於直流電源2的電源電壓端VCC與功率電晶體PQ之間。具體而言，若為NMOS，則變壓器T的另一端電性連接於汲極；若為IGBT，則變壓器T的另一端電性連接於集極。
變壓器T將輸入的一次側電壓，亦即將電源電壓端VCC與功率電晶體PQ之間的電位差，變壓成為輸出的二次側電壓。
四倍增壓器Vqp係由電容器與二極體組成的電壓倍增電路，在本實施形態中，係使用兩個二倍增壓器組合而成的電壓倍增電路。具體而言，本實施形態之四倍增壓器Vqp如圖2所示，係使用兩組極性相反的格賴納赫(Greinacher)電路組合而成，具有電容器VC1~VC4及二極體VD1~VD4。二極體宜使用耐壓4KV以上者，而電容器宜使用耐壓3KV以上者，其容量例如可為470pF。
四倍增壓器Vqp的輸入側電性連接於變壓器T的二次側，輸出側電性連接於靜電吸附板3。換言之，四倍增壓器Vqp的輸入側兩端自變壓器T輸入二次側電壓，並增壓至四倍而自輸出側兩端輸出至靜電吸附板3。在本實施形態中，變壓器T輸出的二次側電壓定為約800V，因此四倍增壓器Vqp的輸入電壓亦為約800V，而輸出電壓為約3.2KV。
主控器MCU係一種單晶片微控制器，其具有：電源輸入端VDD；電源接地端VSS；及控制端G。主控器MCU電性連接於直流電源2以及功率電晶體PQ。具體而言，主控器MCU的電源輸入端VDD電性連接於直流電源2的電源電壓端VCC，電源接地端VSS電性連接於直流電源2的地端GND，且控制端G電性連接於功率電晶體PQ的閘極。
主控器MCU自控制端G輸出信號，藉以驅動功率電晶體PQ。具體而言，主控器MCU自控制端G輸出方波，使功率電晶體PQ持續切換導通與斷開狀態。
電容器C1電性連接於直流電源2，用於使直流電源2提供的電壓穩定。具體而言，電容器C1係電性連接於直流電源2的電源電壓端VCC與地端GND之間，使電源電壓端VCC與地端GND之間的電位差穩定。
當靜電吸附板用驅動電路1電性連接於直流電源2時，主控器MCU接受直流電源2提供的電力而運作，從控制端G輸出方波訊號至功率電晶體PQ的閘極，驅動功率電晶體PQ導通或斷開，而使電流通過變壓器T的一次側，產生一次側電壓，經由變壓器T變壓後輸出二次側電壓，再經由四倍增壓器Vqp增壓為四倍後輸出至靜電吸附板3，產生靜電吸附力。
靜電吸附板用驅動電路1亦可如圖3所示，更包含：稽納(Zener)二極體ZD，電性連接於該直流電源2，用於避免變壓器T的一次側漏電感造成的高壓。具體而言，稽納二極體ZD的陰極端電性連接於直流電源2的電源電壓端VCC，陽極端電性連接於直流電源2的地端GND，換言之，稽納二極體ZD係與電容器C1並聯。在本實施形態中，稽納二極體ZD的稽納電壓宜為5.5V~6.8V。
主控器MCU亦可更包含：類比數位轉換電路ADC，用於量測直流電源2的電壓。當直流電源2提供的電壓隨著使用而降低時，靜電吸附板用驅動電路1有可能無法輸出足夠的高電壓，結果降低靜電吸附板3的靜電吸附力。
因此，主控器MCU可以依據類比數位轉換電路ADC的量測結果，改變控制端G輸出的方波之頻率與佔空比(Duty cycle)，來調整變壓器T的平均輸出電流及電壓，進而穩定靜電吸附板用驅動電路1所輸出的高電壓，維持靜電吸附板3的靜電吸附力。
再者，主控器MCU亦可更包含溫度偵測器TC，偵測溫度。
當環境溫度升高時，靜電吸附板3與靜電吸附板用驅動電路1的漏電會變多，結果降低靜電吸附板3的靜電吸附力。
因此，主控器MCU可依據溫度偵測器TC的溫度偵測結果，改變控制端G輸出的方波之頻率與佔空比，來調整變壓器T的平均輸出電流及電壓，補償溫度造成的漏電，維持靜電吸附板3的靜電吸附力。
另一方面，當溫度降低時，漏電減少，主控器MCU同樣可依據溫度偵測器TC的溫度偵測結果，改變控制端G輸出的方波之頻率與佔空比，來調整變壓器T的平均輸出電流及電壓，節省電力的消耗。
再者，靜電吸附板用驅動電路1亦可更包含：緩和電阻器R1及R2，插設於四倍增壓器Vqp與靜電吸附板3之間，用於緩和四倍增壓器Vqp輸出的高壓流出。具體而言，緩和電阻器R1與R2係分別設於四倍增壓器Vqp的輸出側兩端。換言之，緩和電阻器R1、靜電吸附板3、緩和電阻器R2係依序串聯連接。緩和電阻器R1、R2例如可為10MΩ。
本實施形態之靜電吸附板用驅動電路1，其平均電流大小為0.11mA，若使用1200mAh之鹼性電池作為直流電源時，約可使用454日。相較於此，習知技術約可使用270日，且須使用兩倍數量之乾電池，因此本實施形態相較於習知技術而言，約具有3.36倍之能源效率，具有優異之功效。
1:靜電吸附板用驅動電路
2:直流電源
3:靜電吸附板
PQ:功率電晶體
Q:電晶體
MCU:主控器
T:變壓器
ADC:類比數位轉換電路
C1、C2、VC1~VC4:電容器
D1、VD1~VD4:二極體
G:控制端
GND:地端
IC:主控晶片
L:電感器
R1、R2:電阻器
TC:溫度偵測器
VCC:電源電壓端
VDD:電源輸入端
VSS:電源接地端
Vqp:四倍增壓器
Vop:八倍增壓器
ZD:稽納二極體
PU:上拉
PD:下拉
PUD:上拉下拉電路
圖1係本發明一實施形態之靜電吸附裝置的電路圖 圖2係本發明一實施形態之靜電吸附裝置的四倍增壓器之電路圖 圖3係本發明另一實施形態之靜電吸附裝置的電路圖 圖4係習知技術之靜電吸附裝置的電路圖
1:靜電吸附板用驅動電路
2:直流電源
3:靜電吸附板
PQ:功率電晶體
MCU:主控器
T:變壓器
Vqp:四倍增壓器
C1:電容器
VCC:電源電壓端
GND:地端
VDD:電源輸入端
VSS:電源接地端
G:控制端

Claims (5)

  1. 一種靜電吸附板用驅動電路，使用直流電源來驅動靜電吸附板，該電路包含：N通道金屬氧化物半導體場效電晶體之功率電晶體，具有大電流及低導通電阻之特性，其源極電性連接於該直流電源的地端；變壓器，其一次側電性連接於該直流電源的電源電壓端與該功率電晶體的汲極之間，接受該電源電壓端與該汲極之間的電位差作為其一次側電壓，其二次側輸出變壓後的二次側電壓；增壓器，其輸入端電性連接至該變壓器的該二次側的兩個端子之間，接受該二次側電壓作為其輸入電壓，將該輸入電壓放大後的電壓輸出至該靜電吸附板；主控器，電性連接於該電源電壓端與該地端之間，其控制端電性連接於該功率電晶體之閘極，藉由輸出方波控制該功率電晶體的導通與斷開，而控制該靜電吸附板產生的吸附力；稽納二極體，電性連接於該電源電壓端與該地端之間；及電容器，電性連接於該電源電壓端與該地端之間，使該直流電源的電位差穩定。
  2. 一種靜電吸附板用驅動電路，使用直流電源來驅動靜電吸附板，該電路包含：N通道絕緣閘雙極電晶體之功率電晶體，具有大電流及低導通電阻之特性，其射極電性連接於該直流電源的地端； 變壓器，其一次側電性連接於該直流電源的電源電壓端與該功率電晶體的集極之間，接受該電源電壓端與該集極之間的電位差作為其一次側電壓，其二次側輸出變壓後的二次側電壓；增壓器，其輸入端電性連接至該變壓器的該二次側的兩個端子之間，接受該二次側電壓作為其輸入電壓，將該輸入電壓放大後的電壓輸出至該靜電吸附板；主控器，電性連接於該電源電壓端與該地端之間，其控制端電性連接於該功率電晶體之閘極，藉由輸出方波控制該功率電晶體的導通與斷開，而控制該靜電吸附板產生的吸附力；稽納二極體，電性連接於該電源電壓端與該地端之間；及電容器，電性連接於該電源電壓端與該地端之間，使該直流電源的電位差穩定。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之靜電吸附板用驅動電路，尚包含：第1電阻與第2電阻，該第1電阻與該第2電阻的第一端分別電性連接於該增壓器的正輸出端與負輸出端，該第1電阻與該第2電阻的第二端電性連接於該靜電吸附板。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之靜電吸附板用驅動電路，其中，該主控器偵測溫度或偵測該直流電源的電壓，並因應於偵測結果，藉由調整該控制端輸出的方波之頻率與佔空比來調整該靜電吸附板產生的吸附力。
  5. 一種靜電吸附裝置，其特徵在於包含：如申請專利範圍第1至4項中任一項之靜電吸附板用驅動電路；及 該靜電吸附板。
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