用于压电设备的软起动驱动器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于压电设备的软起动驱动器，其中，该驱动器包括升压转换器、控制升压转换器的脉宽调制器以及控制脉宽调制器的定时器。诸如数字计数器的定时器使得脉宽调制器产生窄脉冲，除非或者直到到达时期的结束，在时期的结束点，脉宽调制器不受定时器控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及升压电路，并且特别地，涉及限制到诸如压电驱动器的负载的起动电 流的升压电路。
技术介绍
压电致动器(actuator)要求高于1. 5伏到12. 6伏的典型电池电压的高电压。“高” 电压是20-200伏，其中当前100-120伏为典型驱动电压。用于致动器的一些线路驱动电源 提供高达1000伏。从电池产生高电压更困难。如在美国专利7，468，573 (Dai等人)中提到 的那样，“用于驱动压电致动器”所需的高电压“在当今的小电子设备中是不期望的”。’ 573 专利中提出的解决方案是使用两个“较低”电压的脉冲来替代高电压的单个脉冲。“较低” 电压未被公开。单层致动器通常需要比多层致动器更高的电压。多层致动器具有提供比单 层致动器更大的反馈力的优点。因此，需要用于压电设备的电池供电驱动器(即，单片电源)。升压电路可以用于 将来自电池的低电压转换成用于驱动器的较高电压。在升压转换器中，存储在电感器中的 能量被作为高电压的电流脉冲提供到电容器。图1是本领域中公知的基本升压转换器的示意图；例如，参见美国专利 3，913，000 (Cardwell, Jr.)或者美国专利 4，527，096 (Kindlmann)。电感器 11 和晶体管 12 串联连接在供电13和地之间。当晶体管12接通(导通)时，电流流过电感器11，从而将能 量存储在电感器产生的磁场中。通过电感器11的电流取决于电池电压、电感、内电阻以及 晶体管12的导通电阻而快速增加。当晶体管12关断时，磁场以晶体管12的断开特性确定 的速率衰减。衰减的速率是相当迅速的，远远快于场增大的速率。电感器11两端的电压与 场衰减的速率成比例。一百伏或者更高的电压是可能的。因此，低电压被转换成高电压。当晶体管12关断时，接点15处的电压显著高于电容器14上的电压，并且电流流 过正向偏置的二极管16。每个电流脉冲对电容器14少量充电，并且电容器上的电荷逐渐增 加。在某个点，电容器14上的电压将大于供电电压。二极管16防止电流从电容器14流到 {共 13 ο图1中示出的转换器的问题在于，当电容器14没有充电时，二极管16两端的电压 最大，并且电流受电感器的内电阻的限制。增加电阻以减小电流降低了电路正常工作期间 的效率。高电流导致高电压，其可能损坏由转换器供电的压电设备或其它设备。高电流还 对为升压电路供电的低电压电池施加明显负荷。在本领域内已知脉冲宽度(即晶体管12导通的时期)影响电流(只要电感器不 饱和即可)。这些年来，图1的电路已增添有各种反馈环，其中的一些调制脉冲宽度；例如， 美国专利7, 106，036 (Collins)以及7，129，679 (Inaba等人)。，679专利公开了在起动期间 逐渐改变占空因数(dutycycle)逐渐增加了来自转换器的输出电压。逐渐改变是通过闭环 反馈电路来实现的，该闭环反馈电路显著增加了转换器的成本、复杂度以及功耗。考虑到前述，因此，本专利技术的目的是提供一种用于压电设备的软起动、高电压驱动3ο本专利技术的另一目的是使单片电池供电驱动器的功率消耗最小化。本专利技术的又一目的是限制升压转换器中的峰值电流，从而防止电感器饱和、最小 化功耗以及避免对负载的损坏。本专利技术的另一目的是提供一种用于升压转换器的简单软起动机制。本专利技术的又一目的是提供一种开环软起动转换器。
技术实现思路
在本专利技术中实现了上述目的，其中，驱动器包括升压转换器、控制升压转换器的脉 宽调制器以及控制脉宽调制器的定时器。定时器使得脉宽调制器产生窄脉冲，除非或者直 到到达时期的结束，在时期的结束点，脉宽调制器不受定时器控制，而受其它装置控制。定 时器优选地是耦合到驱动器中的时钟信号源的数字计数器。附图说明通过考虑以下结合附图的详细描述，可以获得对本专利技术更完整的理解，其中图1是根据现有技术构造的升压转换器的示意图2是用于说明本专利技术的工作的波形图；以及图3是根据本专利技术的优选实施例构造的驱动器的框图。具体实施方式根据图2中示出的本专利技术的一个方面，当第一次接通转换器时或者在重置之后， 将任意数量的窄脉冲21施加到晶体管12的栅极18(图1)。在电感器11中感应的场完全 在饱和以下的意义上，脉冲是窄的。在任意数量的脉冲之后，将较宽的脉冲22施加到晶体管12的栅极18 (图1)，并且 继续施加直到驱动器被关断或被重置。脉冲21每个脉冲提供比脉冲22少的电荷，从而将 减小的起始电流提供给电容器14(图1)。电容器14两端的电压增加，如曲线23所示，但是 不会到达正常工作电压。仅在增加脉冲宽度之后，来自转换器的输出电压才到达工作电平 24，如曲线25所示。在没有软起动的情况下，峰值电流可能是稳态电流的两倍。在软起动 的情况下，峰值电流小于稳态电流。在本专利技术的一个实施例中，栅极占空因数在起动期间是百分之五十。占空因数保 持在该值达1 个时钟周期，然后占空因数增加到稳态的最优值。使用的特定电路的最优 性能利用百分之七十五到百分之九十的占空因数来实现。时钟速率为130kHz到175kHz。 这对应于0. 985到0. 731毫秒的起动时间。该频率范围中的时钟速率使得能够使用物理上较小并且较便宜的电感器。在本发 明的一个实施例中使用的电感器具有33 μ H和68 μ H的电感。电流随着电感增加并且随着 频率减小。可以使用更小的电感器，但是更难以以商业上可接受的精度或成本实现。图3是根据本专利技术的优选实施例构造的驱动器的框图。寄存器或计数器31具有 均耦合到与非门32的各个级。随着对来自时钟33的脉冲进行计数，寄存器中的位模式最 终将变成全一(11111111)，例如，十六进制记法的7! 或者十进制记法的127，并且门34防止在到达最大计数之后进一步计数，直到系统被重置。接通电源在功能上与重置相同。当来自与非门32的输出为高(逻辑1)时，脉宽调制器35产生窄脉冲21 (图2)。 当寄存器31中的位模式为全一时，来自与非门32的输出将从高切换到低(逻辑0)，使得脉 宽调制器35产生较宽的脉冲22 (图2)。因此，最初，转换器41产生低于正常工作电压的电 压，并且驱动压电设备43的放大器42的供电电压低于正常。因此，防止过电压到达压电设 备43。当达到正常工作电压时，不会发生过电压。当来自与非门32的输出趋于低时，其将脉宽调制器35的控制释放给其它输入，诸 如输入37和38。这些输入可以控制例如频率和脉冲宽度，并且可以耦合到适当的环以用于 电压调节或其它需要。一般地，脉冲宽度将增加，如图2所示，但是这并不意味着对控制输 入37和38的限制，其中，控制输入37和38至少可瞬时地使脉冲宽度小于脉冲21 (图2)。用于脉宽调制的电路在本领域内是公知的。脉冲宽度可以通过多种电路确定。例 如，计数器中的计数可以表示脉冲宽度，并且来自与非门电路32的输出可以控制这样的计 数器的一位。因此，本专利技术提供了一种用于压电设备的软起动驱动器，该压电设备需要用于利 用电池工作的升压转换器。驱动器限制起动电流并且最小化功率消耗。限制了峰值电流， 从而防止电感器饱和或者对负载的损坏。开环控制提供了用于升压转换器的简单软起动机 制。在使用根据本专利技术组合的计数器、逻辑以及脉宽调制电路的现有库的单个集成电路中， 容易地实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一种驱动器中，所述驱动器包括升压转换器和控制所述升压转换器的脉宽调制器，改进包括：耦合到所述脉宽调制器的定时器，所述定时器使得所述脉宽调制器产生窄脉冲，除非预定时期期满。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：哈罗德吉伊，道格拉斯詹姆斯安德森，
申请(专利权)人：环球产权公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]