驱动电路的制作方法

专利名称：驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高频振荡(agitation)源的驱动电路。具体地，本发明涉 及用于压电晶体的驱动电路。
背景技术：
压电晶体在本领域公知，并且用于许多目的。压电马达、变压器以及线 性驱动器是常见的。压电晶体的重要使用是雾化(nebulisation)。存在许多情 况，其中要求物质的精细薄雾而不应用加热。这样的一个示例为医用雾化器 (nebuliser),其中药物成分被压电晶体雾化以便由病人吸入。雾化器的另一 使用是在喷水领域，如花园浇水部件。为了有效地喷射喷剂，要求高压、高 频驱动源。典型地，用于雾化的压电晶体以其共振频率被驱动。该频率在各 压电晶体之间变化，然而其通常在1.6- 1.7MHz范围内。
用于压电晶体的驱动电路在本领域所公知。生成这种高频信号的筒单方 法是通过使用晶体管电路。然而，如果这样做，则需要高压放大器或变压器 来生成驱动压电晶体所需的峰峰电压。典型地，这些电压在100 - 150V的范 围内。变压器是用于该目的的最常用的组件。然而，它们通常是体积大的并 且昂贵的。
对于将使用市电电源的电子设备的另外的要求是必须符合电磁兼容性标 准(EMC)。这些标准定义电子设备从市电AC电源汲取的电流中的谐波含量 的可接受水平、以及电压失真的可接收水平。高压方波信号可以包含对于压 电晶体的有效驱动以及对于符合谐波含量的要求的标准不可接收的谐波含量 水平。解决该问题的常用方法是将信号通过低通滤波器。如果低通滤波器被 调整到压电晶体的基本驱动频率，则高阶谐波可以被滤除，只留下基频来驱 动压电晶体。通常，低通滤波器也用于给出电压增益。然而，为了以共振驱 动压电晶体，要求相对高的品质因子。为了利用低通滤波器(如LC电路) 来实现此目的，LC电路所在的系统的电容需要是常数。然而，配线和压电晶 体自身的电容可能随温度、使用年限、条件和使用变化。因此，这通常使得
LC电路不适于以精确的共振频率驱动压电晶体。

发明内容
本发明提供一种用于高频振荡源的驱动电路，该驱动电路包括信号生 成装置，用于以驱动频率生成低压方波脉冲序列；升压装置，包括用于生成 反向EMF的升压电感器，该升压装置被安排为响应于低压方波脉冲序列，产 生高压方波脉沖序列；以及滤波器装置，用于产生具有驱动频率的预定谐波 的驱动信号，该驱动信号被用于驱动该高频振荡源。使用来自电感器的反向
优选地，高频振荡源为压电晶体。
有利地，滤波器装置包括低通滤波器，其包括与高频振荡源串联的电感 器、以及与高频振荡源并联的电容器。
本发明提供一种简单并且划算的电路，其能够生成高压、高频、干净的 正弦波信号来驱动压电晶体。本发明尤其适于驱动用于干手器的雾化器。


现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中 图1是根据本发明的驱动电路的电路图2是显示到升压级的输入信号S2和来自升压级的高压输出信号S3的
图3是显示滤波器级的截止频率的图4a是显示输入滤波器级的高压输出S3和从滤波器级输出的输出波形 S4的图4b是显示作为提供给压电晶体的实际输出波形S4的示波器跟踪； 图5显示图示波形S4的谐波分量的输出波形S4的快速傅立叶变换；以
及
图6显示并入由图1的驱动电路驱动的雾化器的干手器。
具体实施例方式
图1显示根据本发明的驱动电路。该驱动电路由DC电源(未示出)供 电。该DC电源源于由市电电源供电的AC/DC转换器。该驱动电路包括3级
信号生成级l、升压级2和滤波器级3。第一级为信号生成级l。信号生成级 1包括微处理器单元MPl,用于生成比方说在1660 KHz的同步信号。该微处 理器单元MP1以低压(例如3.3 V)供电。该微处理器单元MP1包括锁相环， 用于将该同步信号倍增到要求的驱动频率。微处理器单元MP1的输出连接到 一对互补推^统式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) TR1和TR2。 MOSFET TR1为低功率p沟道MOSFET而MOSFET TR2为低功率n沟道 MOSFET。该对MOSFET TR1和TR2提供推挽式输出驱动。要求MOSFET TR1和TR2的推挽式安排来汇合(sink)并收集(source )栅极电荷以及最小 化开关损失。来自推挽式MOSFET TRl和TR2的输出连接到功率MOSFET TR3的栅极。MOSFETTR3由5 V电源线(powerrail)供电。功率MOSFET TR3的源极和漏极形成升压级2的部分，并且用作升压级2中的开关。
升压级2包括电感器L1、功率MOSFETTR3的源才及/漏极和电容器Cl。 电容器Cl跨接功率MOSFETTR3的源极/漏极并联。这些组件连接在电源的 24V和接地电源线之间。电感器L1具有15 iaH的电感，而电容器C1具有1 nF的电容。
跨接电感器L1的是滤波器级3。该滤波器级3包括低通滤波器。该低通 滤波器包括与升压级2串联的电感器L2以及与升压级2并联的电容器C2。 选择电感器L2的电感和电容器C2的电容使得低通滤波器的共振频率近似等 于压电晶体的驱动频率。电容器C2具有2.2 nF的电容，而电感器L2具有4.7 pH的电感。图3显示滤波器级的衰减特性。选择这些值以便提供大约1.6 MHz 的3dB截止(rolloff)频率。换种方式来说，滤波器级3的共振频率根据关 系/ =1/2冗7^以压电晶体的驱动频率为中心，其中L是电感器L2的电感， 而C是电容器C2的电容。跨接滤波器级3的输出的是压电晶体Pl。
在操作中，微处理器生成1660KHz的同步信号。锁相环将同步信号乘以 1024以生成接近1.7 MHz的驱动信号Sl。来自微处理器单元MP1的驱动信 号Sl然后提供给互补推挽式晶体管驱动器。推挽式驱动器的MOSFET TRl 和TR2生成提供给功率MOSFET TR3的方波信号S2。
依赖于方波信号S2是高或低，方波信号S2切换功率MOSFETTR3导通 或截止。当方波信号S2为高时，功率MOSFETTR3导通，功率MOSFETTR3 的源极/漏极导通并且形成24 V电线和接地之间的电路。当这个发生时，电 感器L1开始充电。当方波信号S2返回为低状态时，功率MOSFETTR3截止。
这在升压级2中生成大的电流变化率。在功率MOSFETTR3的导通阶段期间， 在电感器L1中建立的磁场试图抵抗电流的变化。这在电感器L1中生成大的 反向(back)EMF,其产生高压输出信号S3。在图2中示出了高压输出信号 S3。高压输出信号S3包括一系列对应由电感器L1生成的反向EMF的尖峰。 尖峰的上升沿的时序对应于方波信号S2的下降沿的时序。高压输出信号S3 具有与方波信号S2相同的占空比。高压输出信号S3的峰值幅度在卯V的范 围内。高压输出信号S3的峰值幅度受电容器Cl限制。电容器C1将由电感 器L1释放的能量在较长的时间段展开，减少了生成的最大峰值电压。这是保 护功率MOSFET TR3不受损坏所要求的。
高压输出信号S3具有高的电压和等于驱动频率的倒数的脉沖周期。然 而，它不是干净的信号。这意味着高压输出信号S3包括除了基频外的许多不 同频率。任何波形或脉冲序列可以表示为不同谐波频率的正弦波形的叠加。 该高压输出信号S3包括大量不想要的谐波频率。这些谐波频率是不期望的， 因为它们可能影响压电晶体的操作并且生成大量不想要的谐波失真。
为了从高压输出信号S3中移除不想要的高谐波频率并且只留下基频，使 用了滤波器级3。滤波器级3移除高压输出信号S3中存在的高阶谐波，并且 来自滤波器级3的输出S4是具有100 - 140 V峰峰电压以及1.7 MHz的驱动 频率的干净正弦波。图4a显示高压输出S3的输入波形和输出波形S4的示意 图。图4b显示如由压电晶体Pl "所见"的从滤波器级3输出的实际输出波 形S4。该波形为大约1.7MHz的基频的正弦波。图5显示该波形的快速傅立 叶变换。X轴显示频率(以MHz为单位)并且Y轴显示谐波分量强度(以 dBVrms为单位)。该示低通滤波器成功移除了大部分不想要的谐波频率。 二次谐波的分量仍然留下了，然而它被衰减使得电路符合EMC要求。输出 S4然后被用于以大约1.7 MHz的频率驱动压电晶体。
本发明的上述实施例是用于从DC源生成干净的、高压、高频的正弦曲 线波形的低成本电路。本发明可以用于其中要求便宜并有效地驱动高频振荡 源的任何情形。电路的低组件数以及不存在变压器也减少电路的物理大小。 这对其中大小是关键因素的应用(例如，家用电器或医疗设备)是有利的。
本发明的上述实施例尤其适于在干手器(如图6所示的干手器)中使用。 干手器100包括腔110。腔110在其上端120开口 ，并且开口的尺寸足以允许 用户的手(未示出)容易地插入腔110中用于干燥。高速气流由具有风扇(未
示出)的马达单元生成。该高速气流通过位于腔110的上端120的两个像插 槽的开口 130排出以便干燥用户的手。用于将从用户的手上移除的水排出腔 110的排水沟(未示出)位于腔110的下端。雾化器140位于排水沟的下游。 雾化器140显示为从图6的干手器100部分移除。雾化器140被部分切开以 显示上述驱动电路150的位置。雾化器140包括用于收集废水的收集器(未 示出)和用于雾化废水的压电晶体(未示出)。该压电晶体由驱动电路150驱 动。驱动电路的低组件数和低成本意味着它更小、更便宜用于制造，并且更 不容易出故障。这意味着干手器的大小可以减小，干手器的可靠性可以改善 而制造成本减少。
将理解的是，本发明不限于附图中所示的实施例。驱动源的幅度和频率 可以依赖于要求的应用而变化。例如，以一个频率范围驱动压电晶体是常见 的。然而，更常见的是以或接近其共振频率驱动压电晶体。对于大多数压电 晶体，该频率位于1.5到2MHz的范围内。
此外，描述的电子组件的物理数量也可以在数值上变化。这可以用来例 如改变滤波器级的共振点、或增加或减少由升压电感器生成的反向EMF。然 而，期望由升压电感器生成的反向EMF大于50 V。
不需要仅有一个低通LC滤波器。滤波器级3可以包括2个串联的LC滤 波器以更好地衰减高谐波频率。此外，可以使用其它形式的信号发生器。重 要的是电感器被用于生成反向EMF以放大脉冲序列，然后使用滤波器将该信 号转换为单频率的正弦波。
权利要求
1.一种用于高频振荡源的驱动电路，该驱动电路包括信号生成装置，用于以驱动频率生成低压方波脉冲序列；升压装置，包括用于生成反向EMF的升压电感器，该升压装置被安排为响应于低压方波脉冲序列，产生高压脉冲序列；以及滤波器装置，用于产生具有驱动频率的预定谐波的驱动信号，该驱动信号被用于驱动该高频振荡源。
2. 如权利要求1所述的驱动电路，其中高频振荡源为压电晶体。
3. 如权利要求1或2所述的驱动电路，其中滤波器装置包括低通滤波器。
4. 如权利要求3所述的驱动电路，其中滤波器装置包括与高频振荡源串 联的电感器、以及与高频振荡源并联的电容器。
5. 如之前的任一权利要求所述的驱动电路，还包括DC电源和由该DC 电源供电的电线。
6. 如权利要求5所述的驱动电路，其中升压电感器并联连接在DC电源 的电线和4妻地之间。
7. 如权利要求5或6所述的驱动电路，其中升压装置还包括开关装置， 用于响应于低压方波脉冲序列将电线接通或断开。
8. 如之前的任一权利要求所述的驱动电路，其中驱动频率在1.5 -2 MHz 的范围内。
9. 如之前的任一权利要求所述的驱动电路，其中升压电感器生成大于 50 V的反向EMF。
10. —种参照附图描述的驱动电路。
11. 一种并入如之前的任一权利要求所述的驱动电路的雾化器。
12. —种并入如权利要求11所述的雾化器的干手器。
全文摘要
提供了一种用于高频振荡源(P1)的驱动电路，该驱动电路包括信号生成装置(1)，用于以驱动频率生成低压方波脉冲序列(S2)；升压装置(2)，包括用于生成反向EMF的升压电感器(L1)，该升压装置(2)被安排为响应于低压方波脉冲序列(S2)，产生高压脉冲序列(S3)；以及滤波器装置(3)，用于产生具有驱动频率的预定谐波的驱动信号(S4)，该驱动信号(S4)被用于驱动该高频振荡源(P1)。该驱动电路尤其适于压电晶体使用。
文档编号H02M7/48GK101361255SQ200680051238
公开日2009年2月4日 申请日期2006年12月11日 优先权日2006年1月17日
发明者斯蒂芬·J·考西尔 申请人:戴森技术有限公司