一種脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置的製作方法

2023-05-02 04:29:21 6

專利名稱：一種脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動裝置，尤其涉及一種依據預設操作模式而輸出脈衝寬度調變 的階梯波及正弦波，以避免系統電源異常時造成整體系統死機或失效。
背景技術：
許多電氣產品或電子裝置需要驅動裝置以進行正常的操作，比如變壓器、馬達、喇 叭、發光二極體照明裝置、發光二極體顯示器、液晶顯示器、變流器，而這類驅動裝置通常需 要具有能避免外界訊幹擾且不受系統電源變動影響而輸出穩定驅動信號的能力。一般，電氣裝置需以交流電信號驅動，可使用由多個功率電晶體所組成的全橋型 驅動級以進行驅動，比如馬達或變流器。功率電晶體的柵極由驅動器控制，使得流過電 氣裝置的電流流向會產生交替變化，而最常用的驅動方式為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)，主要是藉不同寬度的脈衝信號以實現對功率電晶體導通的精確控制，進 而輸出所需的交流電流給電氣裝置。上述現有技術的缺點是，驅動裝置無法主動偵測系統電源的變化以動態調整最佳 的驅動信號，使電氣裝置進一步不受系統電源變動的影響，尤其是在系統電源異常時，比如 頻率過低或過高，驅動裝置可能無法輸出適當的驅動信號，致使電氣裝置失效或永久性損 壞，甚至造成整體應用系統的死機。因此，需要一種能提高對系統電源變動的抗幹擾而維持 輸出穩定驅動信號並在系統電源異常時提供適當驅動信號的驅動裝置。

發明內容
本發明的主要目的在提供一種脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置，適合以 集成電路實現，具階梯波及正弦波操作模式該驅動裝置系包括模擬至數字轉換單元、輸入 處理單元、第一脈衝寬度計算單元、緩存器單元、第一輸出單元、零點偵測單元、第二脈衝寬 度計算單元、第二輸出單元及多任務輸出單元，用以接收輸入信號並視應用系統的需求以 輸出所需的階梯波或正弦波驅動信號，以驅動外部電氣裝置的驅動信號，且可藉零點偵測 單元偵測系統電源的電壓零點，並在如市電的系統電源發生異常時，於階梯波操作模式下 讓第一輸出單元輸出預設的脈衝寬度調變階梯波輸出信號，或於正弦波操作模式下讓第二 輸出單元輸出預設的脈衝寬度調變正弦波輸出信號，最後由多任務輸出單元輸出適當的驅 動信號，使外部電氣裝置仍能獲得適當的驅動信號而維持操作，防止失效或死機。緩存器單元設定階梯波操作模式、正弦波操作模式以及相關操作參數，而模擬至 數字轉換單元及輸入處理單元將輸入信號轉換成控制信號，並依據緩存器單元的設定，經 第一脈衝寬度計算單元及第一輸出單元而產生脈衝寬度調變(PWM)階梯波輸出信號，且該 控制信號經第二脈衝寬度計算單元及第二輸出單元而產生PWM正弦波輸出信號，最後由多 任務輸出單元在於階梯波操作模式時將PWM階梯波輸出信號轉換成驅動信號，或在正弦波 操作模式時將PWM正弦波輸出信號轉換成驅動信號，藉以驅動外部電氣裝置。多任務輸出單元並進一步包含低通濾波單元，可為電容濾波器、電阻電容濾波器或切換電容濾波器，用以去除PWM正弦波輸出信號中的高頻信號，產生平滑的低頻驅動信號。


圖1為本發明脈衝寬度調變階梯波及正弦波驅動裝置的示意圖。圖2為本發明具全橋架構並以PWM階梯波驅動的外部電氣裝置的示意圖。圖3為本發明具推拉式架構並以PWM階梯波驅動的外部電氣裝置的示意圖。圖4為本發明具全橋架構並以PWM正弦波驅動的外部電氣裝置的示意圖。圖5為本發明具半橋架構並以PWM正弦波驅動的外部電氣裝置的示意圖。圖6為本發明PWM階梯波驅動信號的波形圖。圖7為本發明第二脈衝寬度計算示意圖。圖8為本發明PWM正弦波驅動信號的波形圖。
具體實施例方式以下配合說明書附圖對本發明的實施方式做更詳細的說明，以使本領域技術人員 在研讀本說明書後能據以實施。本發明的脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置適合以集成電路實現，具有階 梯波操作模式及正弦波操作模式，藉以分別產生階梯波驅動信號及正弦波驅動信號，並輸 出驅動信號以驅動外部電氣裝置。參閱圖1，為本發明脈衝寬度調變階梯波及正弦波驅動裝置的示意圖。如圖1 所示，本發明的脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置1包括模擬至數字轉換單元 (ADC) 10、輸入處理單元20、第一脈衝寬度計算單元30、緩存器單元40、第一輸出單元50、第 二脈衝寬度計算單元60、第二輸出單元70、多任務輸出單元80及零點偵測單元90，用以接 收輸入信號並產生驅動信號，且該輸入信號包括輸入電壓信號V、輸入電流信號I及系統電 源頻率信號ACF，而所產生的驅動信號包括第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信 號Q3及第四驅動信號Q4。本發明的操作由緩存器單元40所儲存的多個參數所設定，所述參數至少包括用 以選取正弦波操作模式或階梯波操作模式的操作模式選取參數，以及其它相關參數，該相 關參數可包括第一失效時間參數、第一半周期時間參數、系統電源的均方根電壓參數、第二 失效時間參數、第二半周期時間參數及預設頻率參數，藉以分別設定本發明驅動裝置的第 一失效時間、第一半周期時間、該系統電源的均方根電壓、第二失效時間、第二半周期時間 及預設頻率。上述本發明的脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置1適合驅動不同的外部 電氣裝置，包括全橋架構，半橋或推拉式(Push-Pull)架構的外部電氣裝置，如圖2所示具 全橋架構並以PWM階梯波驅動的外部電氣裝置2、圖3所示具推拉式架構並以PWM階梯波 驅動的外部電氣裝置4、圖4所示具全橋架構並以PWM正弦波驅動的外部電氣裝置6及圖5 所示具半橋架構並以PWM正弦波驅動的外部電氣裝置8。參閱圖2，外部電氣裝置2包括第一驅動電晶體Ml、第二驅動電晶體M2、第三驅動 電晶體M3、第四驅動電晶體M4、變壓器T及動作組件L，適合於本發明的階梯波操作模式下操作，其中第一驅動電晶體Ml、第二驅動電晶體M2、第三驅動電晶體M3及第四驅動電晶體 M4可為功率電晶體，比如金氧半功率電晶體或雙載子功率電晶體，變壓器T包括一次側TA 及二次側TB，且一次側TA及二次側TB分別具有第一端及第二端，而動作組件L可為馬達、 配接器(Adapter)、電源供應器(PowerSupply)、變壓器及應用於液晶顯示器的背光模塊中 的變流器(Inverter)的其中之一。為了清楚說明本發明的特徵，第一驅動電晶體Ml、第二驅動電晶體M2、第三驅動 電晶體M3及第四驅動電晶體M4使用金氧半功率電晶體，而且濾波組件Ll使用濾波電感當 作示範性實例，但並非用以限定本發明的範圍，且要注意的是，第一驅動電晶體Ml、第二驅 動電晶體M2、第三驅動電晶體M3及第四驅動電晶體M4可包括導通二極體(圖中未顯示)， 是連接源極至漏極，用以傳導逆向電流，提供保護作用。如圖2所示，第一驅動電晶體Ml、第二驅動電晶體M2、第三驅動電晶體M3及第四 驅動電晶體M4的柵極分別連接第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第 四驅動信號Q4。第一驅動電晶體Ml及第三驅動電晶體M3的漏極連接高壓電源線VH，該高 壓電源線VH可為系統電源或系統電源經穩壓處理後的穩壓電源，第二驅動電晶體M2及第 四驅動電晶體M4的源極連接低壓電源線VL，該低壓電源線VL為接地及負電壓的其中之一， 第一驅動電晶體Ml的源極連接第第二驅動電晶體M2的漏極以及一次側TA的第一端，第三 驅動電晶體M3的源極連接第四驅動電晶體M4的漏極以及一次側TA的第二端，二次側TB 的第一端及第二端分別連接動作組件L的第一端及第二端，且二次側TB的第一端至第二端 的跨壓為端電壓V0。端電壓VO可經電壓衰減器(圖中未顯示)而形成圖1中的輸入電壓信號V，同時 流過動作組件L的電流可經電流衰減器(圖中未顯示)而形成圖1中的輸入電流信號I，藉 以建立反饋機制，提供穩定的電壓及電流給動作組件L。在圖2中，第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第四驅動信號 Q4分別控制第一驅動電晶體Ml、第二驅動電晶體M2、第三驅動電晶體M3及第四驅動晶體 管M4的導通及關閉，使得流過動作組件L的電流具有交替出現的第一電流方向Dl及第二 電流方向D2。參閱圖3，具推拉式架構並以PWM階梯波驅動的外部電氣裝置4包括第一驅動晶 體管Ml、第二驅動電晶體M2、變壓器T及動作組件L，適合於本發明的階梯波操作模式下操 作。要注意的是，圖3的外部電氣裝置4類似於圖2的外部電氣裝置2，主要差異為，外部電 氣裝置4不需第三驅動電晶體M3及第四驅動電晶體M4，第一驅動電晶體Ml的漏極連接變 壓器T中一次側TA的第一端，第二驅動電晶體M2的漏極連接變壓器T中一次側TA的第二 端，且變壓器T的一次側TA以中間抽頭方式連接高壓電源線VH，第一驅動電晶體Ml及第二 驅動電晶體M2的源極連接低壓電源線VL，其餘構造與操作如同圖2的外部電氣裝置2，因 此不再贅述。參閱圖4，具全橋架構並以PWM正弦波驅動的外部電氣裝置6包括第一驅動電晶體 Tl、第二驅動電晶體T2、第三驅動電晶體T3、第四驅動電晶體T4、濾波電容C、濾波電感Ll 及動作組件L，適合於本發明的正弦波操作模式下操作，其中第一驅動電晶體Tl、第二驅動 電晶體T2、第三驅動電晶體T3及第四驅動電晶體T4可為功率電晶體，比如金氧半功率晶體 管或雙載子功率電晶體，濾波電容C的跨壓為端電壓V0，而動作組件L可為配接器、電源供應器、變壓器及應用於液晶顯示器的背光模塊中的變流器的其中之一。為了清楚說明本發明的特徵，第一驅動電晶體Tl、第二驅動電晶體T2、第三驅動 電晶體T3及第四驅動電晶體T4使用雙載子功率電晶體當作示範性實例，但並非用以限定 本發明的範圍。如圖4所示，第一驅動電晶體Tl、第二驅動電晶體T2、第三驅動電晶體T3及第四 驅動電晶體T4的基極分別連接第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第 四驅動信號Q4，且第一驅動電晶體Tl、第二驅動電晶體T2、第三驅動電晶體T3及第四驅動 電晶體T4具有傳導二極體，是連接射極至集電極，用以傳導逆向電流，提供保護作用。第一 驅動電晶體Tl及第三驅動電晶體T3的集電極連接高壓電源線VH，第二驅動電晶體T2及第 四驅動電晶體T4的射極連接至低壓電源線VL，第一驅動電晶體Tl的射極連接第二驅動晶 體管T2的集電極、濾波電容C的第一端及動作組件L的第一端。濾波電容C的第二端連接 動作組件L的第二端及濾波電感Ll的第一端。濾波電感Ll的第二端連接第三驅動電晶體 T3的射極及第四驅動電晶體T4的集電極。動作組件L的第一端至第二端的跨壓為端電壓V0，可經電壓衰減器(圖中未顯 示)而形成圖1中的輸入電壓信號V，同時流過動作組件L的電流可經電流衰減器(圖中未 顯示)而形成圖1中的輸入電流信號I，藉以建立反饋機制，提供穩定的電壓及電流給動作 組件L。利用第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第四驅動信號Q4分 別控制第一驅動電晶體Tl、第二驅動電晶體T2、第三驅動電晶體T3及第四驅動電晶體T4 的導通及關閉，使動作組件L流過交流變化的電流。參閱圖5，具半橋架構並以PWM正弦波驅動的外部電氣裝置8包括第一驅動電晶體 Tl、第二驅動電晶體T2、第一電容Cl、第二電容C2、濾波電容C、濾波電感Ll及動作組件L， 適合於本發明的正弦波操作模式下操作。要注意的是，圖5的外部電氣裝置8類似於圖4的外部電氣裝置6，主要差異為，外 部電氣裝置8不需第三驅動電晶體T3及第四驅動電晶體T4而具有額外的第一電容Cl及 第二電容C2，第一電容Cl的第一端連接高壓電源線VH，第一電容Cl的第二端連接第二電 容C2的第一端，第二電容C2的第二端連接低壓電源線VL，第一驅動電晶體Tl的射極連接 第二驅動電晶體T2的集電極及濾波電感Ll的第一端，濾波電感Ll的第二端連接濾波電容 C的第一端及動作組件L的第一端，濾波電容C的第二端連接動作組件L的第二端及第一電 容Cl的第二端，濾波電容C的跨壓為端電壓V0。外部電氣裝置8的其餘構造與操作如同外部電氣裝置6，因此不再贅述。以下將說明本發明的脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置1中模擬至數字 轉換單元10、輸入處理單元20、第一脈衝寬度計算單元30、緩存器單元40、第一輸出單元 50、第二脈衝寬度計算單元60、第二輸出單元70、多任務輸出單元80及零點偵測單元90的 操作與功能。模擬至數字轉換單元10接收輸入電壓信號V及輸入電流信號I，並依據轉換啟始 信號EG0，以進行模擬至數字轉換操作，並在完成模擬至數字轉換操作後，產生轉換完成信 號EOC及轉換輸入信號ADI，該轉換輸入信號ADI可為多位的數位訊號，比如10位數字信 號。模擬至數字轉換單元10可依序接收輸入電壓信號V及輸入電流信號I，再依序輸出對應於輸入電壓信號V及輸入電流信號I的轉換輸入信號ADI，亦即轉換輸入信號ADI包含與 過動作組件L的電流及端電壓VO有關的信息。輸入處理單元20在適當時間產生並輸出轉換啟始信號EG0，用以通知模擬至數字 轉換單元10開始進行模擬至數字轉換操作，並在接到模擬至數字轉換單元10的轉換完成 信號EOC後，將轉換輸入信號ADI輸出至轉換輸出信號ADO。第一脈衝寬度計算單元30接收輸入處理單元20的轉換輸出信號AD0，並依據緩存 器單元40的設定，以產生第一脈衝寬度W1、第一失效時間(Dead Time)Dtl及第一低位準 時間Ltl，並經第一輸出單元50處理後產生第一階梯波驅動信號IQ1、第二階梯波驅動信號 IQ2、第三階梯波驅動信號IQ3及第四階梯波驅動信號IQ4，如圖6所示，為本發明PWM階梯 波驅動信號的波形圖。當緩存器單元40設定階梯波操作模式時，多任務輸出單元80會將 第一階梯波驅動信號IQ1、第二階梯波驅動信號IQ2、第三階梯波驅動信號IQ3及第四階梯 波驅動信號IQ4分別輸出至第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第四驅 動信號Q4，藉以實現圖2中流過動作組件L的電流的第一電流方向Dl及第二電流方向D2。 要注意的是，可只利用圖6中的第一階梯波驅動信號IQl及第二階梯波驅動信號IQ2以驅 動圖3的外部電氣裝置4。在前半周期，第一階梯波驅動信號IQl及第四階梯波驅動信號IQ4經多任務輸出 單元80後會使第一驅動電晶體Ml及第四驅動電晶體M4導通，造成動作組件L的電流方向 為第一電流方向D1。在後半周期，第二階梯波驅動信號IQ2及第三階梯波驅動信號IQ3經 多任務輸出單元80後會使第二驅動電晶體M2及第三驅動電晶體M3導通，造成動作組件L 的電流方向為第二電流方向D2。第一脈衝寬度Wl的計算方式如下W1 = Th*(Vrms/Vp)2，其中Th為階梯波操作模 式時的第一半周期時間，Vrms為系統電源的均方根(Root-Mean-Square)電壓，Vp為輸入電 壓信號V的峰值電壓，且第一半周期時間Th及均方根電壓Vrms為緩存器單元40所設定。 例如，在系統電源為交流頻率50Hz且電壓IlOV的市電時，第一半周期時間Th為0. 02秒而 均方根電壓Vrms為155V。第一失效時間Dtl亦由緩存器單元40設定，而第一低位準時間 Ltl的計算方式如下Ltl = (Th-Wl-2*DtlV2。第一失效時間Dtl用以防止第一驅動晶體 管Ml及第二驅動電晶體M2同時導通，避免大電流貫穿串接的第一驅動電晶體Ml與第二驅 動電晶體M2而造成損壞，藉以提供保護作用。同理，在後半周期，可防止串接的第三驅動晶 體管M3及第四驅動電晶體M4同時導通。要注意的是，本發明的緩存器單元40可針對前半周期及後半周期分別設定不同 的參數，比如第一半周期時間、均方根電壓、峰值電壓及第一失效時間，因此第一脈衝寬度 計算單元30可在後半周期產生不同於前半周期的第一脈衝寬度W1』、第一失效時間Dtl』及 第一低位準時間Ltl』，如圖3的後半周期的波形所示。第二脈衝寬度計算單元60接收輸入處理單元20的轉換輸出信號AD0，並依據緩存 器單元40的設定，以產生第二脈衝寬度W2、第二失效時間Dt2及第二低位準時間Lt2，再經 第二輸出單元70處理後產生第一正弦波驅動信號SQ1、第二正弦波驅動信號SQ2、第三正弦 波驅動信號SQ3及第四正弦波驅動信號SQ4，如圖7及圖8所示，分別為本發明第二脈衝寬 度計算示意圖及PWM正弦波驅動信號的波形圖。要注意的是，可只利用圖8中的第一正弦 波驅動信號SQl及第二正弦波驅動信號SQ2以驅動圖5的4外部電氣裝置8。
第二脈衝寬度W2的計算方式表示成W2 = W2max*Sin θ，其中W2max為第二脈衝 寬度的最大值，而θ為相角，而第二脈衝寬度的最大值W2maX表示成W2maX = ThS*(VrmS/ Vp) 2，其中Ths為正弦波操作模式時的第二半周期時間，均方根電壓Vrms及峰值電壓Vp的 定義及產生方式同上。第二失效時間Dt2由緩存單元40的第二失效時間參數所設定，而第 二低位準時間Lt2的計算方式如同上述第一低位準時間Ltl的的計算方式，其中第二低位 準時間 Lt2 表示成Lt2 = (Ths-W2-2*Dt2)/2。在圖5的波形中，第二輸出單元70所產生的第一正弦波驅動信號SQ1、第二正弦波 驅動信號SQ2、第三正弦波驅動信號SQ3及第四正弦波驅動信號SQ4具有第二失效時間及第 二低位準時間，藉以防止串接的第一驅動電晶體Ml與第二驅動電晶體M2同時導通，並防止 串接的第三驅動電晶體M3及第四驅動電晶體M4同時導通，以提供保護作用，如同上述圖3 的波形，在此不作贅述。多任務輸出單元80包含低通濾波單元(圖中未顯示)，用以去除包括第一正弦波 驅動信號SQ1、第二正弦波驅動信號SQ2、第三正弦波驅動信號SQ3及第四正弦波驅動信號 SQ4的PWM正弦波驅動信號中的高頻成分，進而產生平滑且低頻的驅動信號，亦即第一驅動 信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第四驅動信號Q4皆為低頻信號，使得動作組 件L的端電壓VO為正弦波，如圖4所示。多任務輸出單元80的低通濾波單元可為電容濾 波器、電阻電容濾波器或切換電容濾波器。上述的多任務輸出單元80可進一步包括輸出驅動級(圖中未顯示)，能依據該緩 存器單元的設定而調整第一驅動信號Q1、第二驅動信號Q2、第三驅動信號Q3及第四驅動信 號Q4的電壓位準及電流大小，藉以提供適當的驅動能力使圖2中外部電氣裝置2的第一驅 動電晶體Ml、第二驅動電晶體M2、第三驅動電晶體M3、第四驅動電晶體M4能正確動作，進而 產生動作組件L所需的電壓及電流。零點偵測單元90接收由外部輸入的系統電源頻率信號ACF，是代表系統電源經降 壓後的波形，比如由IlOV降壓至5V或3V，因此系統電源頻率信號ACF的頻率與交流的系 統電源的頻率相同，而在系統電源頻率信號ACF的電壓值由正電壓經零電壓轉變成負電壓 時，或在系統電源頻率信號ACF的電壓值由負電壓經零電壓轉變成正電壓時，由零點偵測 單元90產生脈衝波形的零點偵測信號ZP，藉以表示系統電源的電壓為零的時間點。零點 偵測單元90可利用史密特觸發器(Schmitt Trigger)而實現。要注意的是，零點偵測單元 90也可利用其它電路實現，比如單擊電路。第一輸出單元50及第二輸出單元70在接受零點偵測單元90的零點偵測信號ZP 後判斷外部輸入的系統電源是否發生異常，比如可在臨界時間內對零點偵測信號ZP計數 以得到頻率計數值，如果頻率計數值落在所需範圍內，則系統電源為正常，如果頻率計數值 不在所需範圍內，則認定系統電源發生異常。第一輸出單元50及第二輸出單元70在系統 電源為正常時，依據上述方式分別產生所需的PWM階梯波驅動信號及PWM正弦波驅動信號， 並在系統電源為異常時，主動產生預設的階梯波驅動信號及正弦波驅動信號，再由多任務 輸出單元80產生相對應的驅動信號，以提供給外部電氣裝置。上述預設的階梯波驅動信號及正弦波驅動信號可為依據預設頻率所產生的相對 應階梯波驅動信號及正弦波驅動信號，比如預設頻率為市電的50Hz及60Hz的其中之一，是 由緩存器單元40的預設頻率參數所設定。
緩存器單元40儲存多個參數，用以設定本發明驅動裝置的操作，比如階梯波及正 弦波操作模式的選取、系統電源均方根電壓、系統電源峰值電壓、系統電源異常時的預設頻 率、半周期時間、失效時間，而緩存器單元40所儲存的參數可由外部單元藉系統總線(圖中 未顯示)以進行設定，該外部單元可為中央處理單元(CPU)、微處理器(MCU)或邏輯電路。本發明驅動裝置的特點在於，適合以集成電路實現，能依據系統電源的頻率進行 動態調整，藉以輸出較佳的驅動信號給外部電氣裝置，降低系統電源頻率的變動對外部電 氣裝置的影響，同時能依據外部電氣裝置中動作組件的回饋信號以動態調整PWM階梯波驅 動信號或PWM正弦波驅動信號，使外部電氣裝置正確工作，與目前現有技術中利用內部或 外掛軔體(Firmware)實現的方式具相當明顯的差異性。本發明驅動裝置的另一特點在於，可依據緩存器單元的設定而輸出階梯波驅動信 號或正弦波驅動信號，以符合不同外部電氣裝置的實際需求，藉以擴展應用領域。本發明驅動裝置的再一特點在於，即使系統電源因異常而突然斷電，本發明的驅 動裝置仍可輸出能讓外部電器裝置正常操作的驅動信號，藉以保護外部電器裝置，並進而 提高整體系統的操作穩定性與可靠度。本發明驅動裝置的又一特點在於，緩存器單元所儲存的參數可由外部單元設定， 藉以增加系統應用上的彈性，比如選取階梯波及正弦波操作模式的其中之一、選取多任務 輸出單元中驅動級的電壓位準及電流大小。以上所述僅為用以解釋本發明的較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式 上的限制，因此，凡有在相同的創作精神下所作有關本發明的任何修飾或變更，皆仍應包括 在本發明意圖保護的範疇。
權利要求
1. 一種脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置，其特徵在於，用以接收輸入信號、產 生驅動信號並驅動外部電氣裝置，該輸入信號包括輸入電壓信號、輸入電流信號及系統電 源頻率信號，該輸入電壓信號及該輸入電流信號由該外部電氣裝置產生，該系統電源頻率 信號代表系統電源的頻率，該驅動信號包括第一驅動信號、第二驅動信號、第三驅動信號及 第四驅動信號，該驅動裝置具有階梯波操作模式及正弦波操作模式，且該驅動裝置包括一緩存器單元，儲存多個參數，用以設定該驅動裝置的操作，所述參數至少包括操作模 式選取參數、第一失效時間參數、第一半周期時間參數、該系統電源的均方根電壓參數、第 二失效時間參數、第二半周期時間參數及預設頻率參數，藉以分別設定選取正弦波操作模 式及階梯波操作模式的其中之一、第一失效時間、第一半周期時間、該系統電源的均方根電 壓、第二失效時間、第二半周期時間及預設頻率；一模擬至數字轉換單元，接收該輸入電壓信號及該輸入電流信號，並依據轉換啟始信 號以進行模擬至數字轉換操作，且在完成模擬至數字轉換操作後，產生轉換完成信號及轉 換輸入信號；一輸入處理單元，產生並輸出該轉換啟始信號，用以通知該模擬至數字轉換單元開始 進行該模擬至數字轉換操作，並在接到該模擬至數字轉換單元的轉換完成信號後，將該轉 換輸入信號輸出至轉換輸出信號；一第一脈衝寬度計算單元，接收該輸入處理單元的轉換輸出信號，並依據該緩存器單 元中該第一脈衝寬度參數、該第一失效時間參數、該第一半周期時間參數、該系統電源的均 方根電壓參數，以產生第一脈衝寬度、第一失效時間及第一低位準時間；一第一輸出單元，接收該第一脈衝寬度計算單元的第一脈衝寬度、第一失效時間及第 一低位準時間，以產生第一階梯波驅動信號、第二階梯波驅動信號、第三階梯波驅動信號及 第四階梯波驅動信號；一第二脈衝寬度計算單元，接收該輸入處理單元的轉換輸出信號，並依據該緩存器單 元中該第二脈衝寬度參數、該第二失效時間參數、該第二半周期時間參數、該系統電源的均 方根電壓參數，以產生第二脈衝寬度、第二失效時間及第二低位準時間；一第二輸出單元，接收該第二脈衝寬度計算單元的第二脈衝寬度、第二失效時間及第 二低位準時間，以產生第一正弦波驅動信號、第二正弦波驅動信號、第三正弦波驅動信號及 第四正弦波驅動信號；一多任務輸出單元，包括低通濾波單元，接收該第一輸出單元的第一階梯波驅動信號、 第二階梯波驅動信號、第三階梯波驅動信號及第四階梯波驅動信號，並接收該第二輸出單 元的第一正弦波驅動信號、第二正弦波驅動信號、第三正弦波驅動信號及第四正弦波驅動 信號，且依據該緩存器單元中的所述參數以產生該第一驅動信號、該第二驅動信號、該第三 驅動信號及該第四驅動信號；以及一零點偵測單元，接收該系統電源頻率信號，產生脈衝波形的零點偵測信號，藉以表示 系統電源的電壓為零的時間點；其中該第一輸出單元及該第二輸出單元接收該零點偵測單元的零點偵測信號，藉以判 斷該系統電源是否異常，並在該系統電源為異常時，該第一輸出單元及該第二輸出單元依 據該緩存單元的預設頻率參數設定預設頻率，該第一輸出單元進而產生對應於該預設頻率 的預設的第一階梯波驅動信號、第二階梯波驅動信號、第三階梯波驅動信號及第四階梯波驅動信號，而該第二輸出單元產生對應於該預設頻率的預設的第一正弦波驅動信號、第二 正弦波驅動信號、第三正弦波驅動信號及第四正弦波驅動信號。
2.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該外部電氣裝置包括第一驅動電晶體、 第二驅動電晶體、第三驅動電晶體、第四驅動電晶體、變壓器及動作組件，用以在階梯波操 作模式下操作，該變壓器包括一次側及二次側，該動作組件、該一次側及該二次側分別具有 第一端及第二端，該第一驅動電晶體、該第二驅動電晶體、該第三驅動電晶體及該第四驅動 電晶體的柵極分別連接該第一驅動信號、該第二驅動信號、該第三驅動信號及該第四驅動 信號，該第一驅動電晶體及該第三驅動電晶體的漏極連接高壓電源線，該高壓電源線可為 系統電源及系統電源經穩壓處理後的穩壓電源的其中之一，該第二驅動電晶體及該第四驅 動電晶體的源極連接至低壓電源線，該低壓電源線為接地及負電壓的其中之一，該第一驅 動電晶體的源極連接該第二驅動電晶體的漏極以及該一次側的第一端，該第三驅動電晶體 的源極連接該第四驅動電晶體的漏極以及該一次側的第二端，該二次側的第一端及第二端 分別連接該動作組件的第一端及第二端，且該二次側的第一端至第二端的跨壓為端電壓， 該端電壓可經電壓衰減器而形成該輸入電壓信號，流過該動作組件的電流可經電流衰減器 而形成該輸入電流信號。
3.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該外部電氣裝置包括第一驅動電晶體、 第二驅動電晶體、變壓器及動作組件，用以在階梯波操作模式下操作，該變壓器包括一次側 及二次側，該動作組件、該一次側及該二次側分別具有第一端及第二端，該第一驅動電晶體 及該第二驅動電晶體的柵極分別連接該第一驅動信號及該第二驅動信號，該第一驅動晶體 管的漏極連接該一次側的第一端，該第二驅動電晶體的漏極連接該一次側的第二端，該一 次側以中間抽頭方式連接高壓電源線，該高壓電源線可為系統電源及系統電源經穩壓處理 後的穩壓電源的其中之一，該第一驅動電晶體及該第二驅動電晶體的源極連接低壓電源 線，該低壓電源線為接地及負電壓的其中之一，該二次側的第一端及第二端分別連接該動 作組件的第一端及第二端，且該二次側的第一端至第二端的跨壓為端電壓，該端電壓可經 電壓衰減器而形成該輸入電壓信號，流過該動作組件的電流可經電流衰減器而形成該輸入 電流信號。
4.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該外部電氣裝置包括第一驅動晶體 管、第二驅動電晶體、第三驅動電晶體、第四驅動電晶體、濾波電容、濾波電感及動作組件， 用以在正弦波操作模式下操作，該第一驅動電晶體、該第二驅動電晶體、該第三驅動電晶體 及該第四驅動電晶體的基極分別連接該第一驅動信號、該第二驅動信號、該第三驅動信號 及該第四驅動信號，該第一驅動電晶體及該第三驅動電晶體的集電極連接高壓電源線，該 高壓電源線可為系統電源及系統電源經穩壓處理後的穩壓電源的其中之一，該第二驅動晶 體管及該第四驅動電晶體的射極連接至低壓電源線，該低壓電源線為接地及負電壓的其中 之一，該第一驅動電晶體的射極連接該第二驅動電晶體的集電極、該濾波電容的第一端及 該動作組件的第一端，該濾波電容的第二端連接該動作組件的第二端及該濾波電感的第一 端，該濾波電感的第二端連接該第三驅動電晶體的射極及該第四驅動電晶體的集電極，該 動作組件的第一端至第二端的跨壓為端電壓，該端電壓可經電壓衰減器而形成該輸入電壓 信號，流過該動作組件的電流可經電流衰減器而形成該輸入電流信號。
5.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該外部電氣裝置包括第一驅動電晶體、第二驅動電晶體、第一電容、第二電容、濾波電容、濾波電感及動作組件，用以在正弦波操作 模式下操作，該第一電容的第一端連接高壓電源線，該高壓電源線可為系統電源及系統電 源經穩壓處理後的穩壓電源的其中之一，該第一電容的第二端連接該第二電容的第一端， 該第二電容的第二端連接低壓電源線，該低壓電源線為接地及負電壓的其中之一，該第一 驅動電晶體的射極連接該第二驅動電晶體的集電極及該濾波電感的第一端，該濾波電感的 第二端連接該濾波電容的第一端及該動作組件的第一端，該濾波電容的第二端連接該動作 組件的第二端及第一電容的第二端，該濾波電容的跨壓為端電壓，該端電壓可經電壓衰減 器而形成該輸入電壓信號，流過該動作組件的電流可經電流衰減器而形成該輸入電流信 號。
6.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該緩存器單元所儲存的所述參數可由 一外部單元經一系統總線而設定，該外部單元包括中央處理單元、微處理器及邏輯電路的 其中之一。
7.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該轉換輸入信號為多位的數位訊號，該 數位訊號包括十位數位訊號。
8.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該第一脈衝寬度表示成W1= Th*(Vrms/Vp)2，Wl為該第一脈衝寬度，Th為該第一半周期時間，Vrms為該系統電源 的均方根電壓，Vp為該輸入電壓信號的峰值電壓，且該第一低位準時間表示成Ltl = (Th-ffl-2*Dtl)/2, Ltl為該第一低位準時間，Dtl為該第一失效時間。
9.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該第二脈衝寬度表示成W2= W2maX*Sin θ，W2maX為第二脈衝寬度的最大值，θ為相角，而第二脈衝寬度的最大值表示 成W2maX = Ths*(VrmS/Vp)2，ThS為該第二半周期時間，Vrms為該系統電源的均方根電壓， Vp為該輸入電壓信號的峰值電壓，且該第二低位準時間表示成Lt2 = (Ths-W2-2*Dt2)/2， Lt2為該第二低位準時間，Dt2為該第二失效時間。
10.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該多任務輸出單元在該緩存單元的操 作模式選取參數為階梯波操作模式時，將該第一輸出單元的第一階梯波驅動信號、第二階 梯波驅動信號、第三階梯波驅動信號及第四階梯波驅動信號分別輸出至第一驅動信號、第 二驅動信號、第三驅動信號及第四驅動信號。
11.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該多任務輸出單元在該緩存單元的操 作模式選取參數為正弦波操作模式時，將該第二輸出單元的第一正弦波驅動信號、第二正 弦波驅動信號、第三正弦波驅動信號及第四正弦波驅動信號經該低通濾波單元後，分別輸 出至第一驅動信號、第二驅動信號、第三驅動信號及第四驅動信號。
12.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該多任務輸出單元進一步包括輸出驅 動級，藉以依據該緩存器單元的設定而調整該第一驅動信號、該第二驅動信號、該第三驅動 信號及該第四驅動信號的電壓位準及電流大小。
13.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該零點偵測單元包括史密特觸發器。
14.如權利要求1所述的驅動裝置，其特徵在於，該緩存單元的預設頻率參數包括50Hz 及60Hz的其中之一。
全文摘要
本發明公開了一種脈衝寬度調變階梯波及正弦波的驅動裝置，包括模擬至數字轉換單元、輸入處理單元、第一脈衝寬度計算單元、緩存器單元、第一輸出單元、零點偵測單元、第二脈衝寬度計算單元、第二輸出單元及多任務輸出單元，用以接收輸入信號而產生用以驅動外部電氣裝置的驅動信號，且可藉零點偵測單元偵測系統電源的電壓零點，並在如市電的系統電源發生異常時，讓第一輸出單元輸出預設的脈衝寬度調變階梯波輸出信號，或讓第二輸出單元輸出預設的脈衝寬度調變正弦波輸出信號，使外部電氣裝置仍能獲得適當的驅動信號而維持操作，防止失效或死機。
文檔編號H03K7/08GK102111134SQ20091025974
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者曾定欽, 林樹嘉, 謝文嶽 申請人:產晶集成電路股份有限公司