CN102005925A - 具有压电变压器的电源和用于功率转换的方法 - Google Patents

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Abstract

提供具有压电变压器的电源。还提供用于功率转换的方法。该电源(20)包括压电变压器(24)和连接到该压电变压器的振荡器电路(30)。该振荡器电路控制在该压电变压器的输入处的正弦电压波形以驱动该压电变压器。

Description

具有压电变压器的电源和用于功率转换的方法
技术领域
本文公开的主旨大体上涉及电源，并且更加具体地涉及升压电压转换器(step-up voltage converter)电源。
背景技术
常规的电压转换器装置，特别地DC-DC转换器装置，一般包括开关电路和/或电荷泵。另外地或备选地，回扫电感器(flyback inductor)可在电压转换器装置中使用。转换器装置中的这些部件产生高的瞬态电流，其产生辐射和传导的电磁干扰(EMI)。由于产生的EMI，这些转换器装置不适合一些应用，例如其中EMI表现可能影响成像操作和成像质量的磁场应用(例如，磁共振成像(MRI)应用)，因而是不可接受的。在其他具有低EMI要求的应用中，该应用包括较低电平信号开关应用(例如低噪声升频器(upconverter)、RF信号路由选择等)，这些常规的电压转换器也可能产生不利的影响。
屏蔽和滤波通常用于减少EMI，例如，其提供与电荷泵连接的屏蔽。然而，屏蔽或滤波通常具有有限的效果并且在一些应用中可能具有不利影响，例如使磁场和RF场均匀性失真。也使用空气芯变压器技术。然而，即使具有共振一次和二次电路，这些变压器具有低效率并且大的电流产生EMI。在噪声敏感区外部发电并且发送电力进入噪声敏感区的其他AC-DC电源是已知的。然而，在这些***中要求高电压接口，其可能具有电隔离和漏电流问题(可能引起患者安全担忧)。
提供升压电压转换的电源也是已知的并且其包括压电变压器(piezoelectric transformer)，例如LCD背光电源。然而，这些电源使用高电流开关和磁装置。这些高电流开关和磁部件在某些应用中可以具有不利影响，例如，磁场应用。
发明内容
根据一个实施例，提供包括压电变压器和连接到该压电变压器的振荡器电路的电源。该振荡器电路控制在压电变压器的输入处的正弦电压波形。
根据另一个实施例，提供低信号模式供电的开关***，其包括压电变压器和连接到该压电变压器的反馈电路，其中该压电变压器形成反馈电路的部分。该低信号模式供电的开关***进一步包括运算放大器和相移网络，其连接到压电变压器的输入并且形成具有反馈电路的自振荡线性DC-DC阶跃转换器(step-converter)，使得压电变压器接收正弦电压波输入。该低信号模式供电的开关***还包括连接到压电变压器的输出的微机电***(MEMS)开关。
根据更另一个实施例，提供用于功率转换的方法。该方法包括从DC输入信号产生压电变压器的正弦驱动信号，以及使用来自压电变压器的反馈信号控制正弦驱动信号的频率。该方法进一步包括从压电变压器的输出产生DC输出信号。
附图说明
图1是根据各种实施例构建的电源的框图。
图2是图1的电源的DC-DC升压转换器的框图。
图3是根据各种实施例构建的电源的示意图。
图4是图示在图3的电源中的电压线号转换的框图。
图5是图示与根据各种实施例构建的电源连接实现的***的框图。
图6是根据各种实施例的电压转换的方法的流程图。
具体实施方式
前面的摘要和某些实施例的下列详细说明当与附图结合阅读时将更好理解。就附图图示各种实施例的功能块的图来说，功能块不必指示硬件电路之间的划分。从而，例如，功能块中的一个或多个可在单件硬件或多件硬件中实现。应该理解各种实施例不限于在图中示出的设置和仪器。
如本文使用的，以单数列举的并且前面具有单词“一”或“一个”的元件或步骤应该理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非这样的排除明确地规定。此外，对“一个实施例”的引用不是要解释为排除也包含列举的特征的另外的实施例的存在。此外，除非相反明确地规定，否则“包括”或“具有”具有特定性质的一元件或多个元件的实施例可包括不具有该性质的另外的这样的元件。
各种实施例提供电源，其具有使用压电变压器装置(例如压电陶瓷变压器装置等)的DC-DC升压电压转换器。具体地，如在图1中示出的电源20一般包括DC-DC升压电压转换器22(下文称为升压转换器22)，其接收可来自外部电压源的DC输入信号。升压转换器22包括压电变压器24并且使用压电变压器24的共振以用于频率控制。接收的DC输入信号，其可以是任何类型的直流电压信号(例如未整流或整流电压信号)，被整流并且放大以提供具有增大的振幅的DC输出信号。电源20能够产生具有降低的或减小的电磁干扰(EMI)的整流和放大的输出信号，例如用以允许在磁环境(例如磁共振成像(MRI)***)中运行。应该注意到，另外的控制部件，用户输入和显示器可提供为电源20的一部分。
如在图2中更详细示出的升压转换器22包括在压电变压器24的输入处由正弦波26驱动的压电变压器24。在各种实施例中，压电变压器24是压电陶瓷变压器，即由压电陶瓷材料形成的压电变压器。压电变压器24连接到功率源28，其连接到振荡器电路30。振荡器电路30控制驱动压电变压器24的正弦波26的波形形状。功率源28还连接到具有相移网络的反馈电路32。压电变压器24的输出形成反馈电路32的一部分使得电源20以压电变压器24(代替独立的振荡器)的频率运行。因此，自振荡线性电压转换可使用具有用于频率控制的反馈电路32的压电变压器24提供。例如，电源20可以低频率运行，例如150kHz或180kHz。然而，其他的运行频率可预想高于或低于这些值(例如基于特定应用或运行要求等)。
压电变压器24的输出还连接到倍压器电路34。输出电压控制器36连接到倍压器电路34的输出。在运行中，来自压电变压器24的输出信号在整流和稳压前是正弦的。特别地，倍压器电路34增加电压，例如当配置为二倍压电路或三倍压电路时分别将电压增至两倍或三倍，并且整流来自压电变压器24的输出信号。倍压器电路34实质上使AC电压变成更高或增加的DC电压。在一些实施例中，倍压器电路34是不要求额外功率的无源网络。之后，在运行中，整流和放大的信号由输出电压控制器36进行电压控制或限制，例如用以基于连接装置的特定应用、要求或特性限制来输出电压电平等。从而，电源20使用自振荡配置(其使用正弦驱动波)提供输入DC信号到恒定DC输出信号的电压升压转换。
电源20的示意图在图3中示出。电源20包括压电变压器24，其在该实施例中由压电陶瓷材料形成。因此，提供压电陶瓷变压器元件，其具有由压电陶瓷材料的几何形状确定的共振频率。例如，压电变压器24可以是从日本东京的Tamura公司获得的压电陶瓷变压器。压电变压器24包括输入40和输出42，其可以是电极。压电陶瓷材料传送来自输入40的机械能到输出44，其如已知那样转换成放大的电能。
连接到压电变压器24的电源20的功率源28一般包括运算放大器44，其连接到电压源46(例如电压轨)，例如如在图3中图示的+10伏特电压源。然而，应该注意到，不同的电压源可如期望或需要的那样提供以具有不同的电压和电流水平。一对去耦电容器48和50(C1和C2)在电压源46和运算放大器44之间连接以提供DC电压到运算放大器44的耦合。功率源28还包括电阻器(R1)52和电容器(C4)54的串联组合，其将运算放大器44的负输入接地。电阻器52和电容器54的串联组合的值选为近似等于运算放大器44的负输入的阻抗。
应该注意到，在图3中示出的部件的值仅仅是示范性的并且可如期望或需要的那样修改，例如基于驱动运算放大器44的期望的电压电平、输出电压要求、压电变压器运行参数等来修改。例如，电阻器52可具有7K的值来代替1K。
运算放大器44的负输入还连接到振荡器电路30。振荡器电路30包括电阻器(R3)56、一对二极管58和60(D1和D2)和电阻器62(R4)的并联连接组合。该并联连接组合与电容器(C3)64串联连接，它们一起通过功率源28的电阻器(R2)66与运算放大器44的负输入连接。
在运行中，振荡器电路30提供二极管削波(diode clipping)以控制运算放大器44的增益，以及保持功率源28产生正弦波26以驱动压电变压器24。振荡器电路30维持功率源28的运行的正弦模式，以及控制由功率源28和压电变压器24构成的放大器级的带宽/增益。在各种实施例中，振荡器电路30确保功率源28的输出不被驱动为方波输出，其中采用功率源28的电阻器66和振荡器电路30的电阻器62的组合来控制功率源28的波形为正弦。在图示的实施例中，功率源28从10伏特电压源46在运算放大器44(其通过电阻器(R5)68驱动压电变压器24)的输出处产生+/-5伏特(或可选地+/-4伏特)的正弦波形。
应该注意到，对振荡器电路30的变化和修改是可预想的。例如，振荡器电路30可包括与整流二极管和电阻器-电容器(RC)网络一起的场效应晶体管(FET)以提供自动增益控制电路以维持正弦波以驱动压电变压器24。一般而言，不同的电路或电路配置可如期望或需要的那样提供使得维持正弦运行。
包括正弦电流的压电变压器24的输出连接到包括相移网络70的反馈电路32。特别地，在反馈电路32中，分压器由通过电容器(C7)78(其作为隔直流电容器运行)连接到电阻器(R8)74和电阻器(R9)76的并联组合的电阻器(R9)72构成。电阻器74连接到电压源46(图示为10伏特电压源)并且电阻器76接地。在运行中，分压器以约5伏特来偏置运算放大器44的正输入。
反馈电路32还包括相移网络70，其包括一对并联连接的电容器78和80(C6和C5)，其每个接地，并且具有连接在二者之间的电阻器(R6)82。因此，该对电容器78和80与该对电阻器74和76并联组合。相移网络70使适当的相位反馈(proper phase feedback)维持在运算放大器44的正输入，其从压电变压器24的输出产生，即维持相同的相位。因此，在运行中，在压电变压器24的输入40处的信号的相位是固定的。在运行中，压电变压器24的输出是振幅增大的正弦波形。例如，在一些实施例中，在压电变压器24的输入40处的+/-5伏特正弦电压波传播通过那里并且在压电变压器24的输出处42产生+/-50伏特或+/-100伏特正弦电压波。电压增加由如已知的压电变压器24的几何形状确定。
压电变压器24的输出还连接到倍压器电路34。在图示的实施例中倍压器电路34配置为电压二倍器，其使正弦电压波的振幅增加为二倍并且整流该正弦电压波。倍压器电路34包括连接到二极管(D3)84和电容器(C8)86的并联组合的二极管(D4)82。在运行中，并且继续上文的示例，在压电变压器24的输出42处的+/-50伏特或+/-100伏特正弦电压波分别加倍到+/-100伏特或+/-200伏特，并且然后整流，例如被半波或全波整流以产生正的正弦波形，例如0至+100伏特或0至+200伏特的整流信号。倍压器电路34可在其他实施例中修改以产生具有不同放大水平的信号，例如差不多两倍。
应该注意到，尽管在图3中图示的部件示为特定的类型，但可使用不同类型的部件。例如，尽管二极管82和84图示为肖特基二极管，但可使用不同的非肖特基类型的二极管。而且，例如，压电变压器24可以是任何类型的提供期望的和/或要求的传播和增益特性的压电变压器元件。
倍压器电路34的输出连接到输出电压控制器36，其包括连接到二极管(D5)90的电阻器(R10)88。该电阻器88连接在倍压器电路34的电容器86和二极管90的并联组合之间。应该注意到，尽管二极管90图示为齐纳二极管，但可使用其他类型的非齐纳二极管。在运行中，输出电压控制器36限制来自电源20的DC电压电平输出。例如，继续上文的示例，来自倍压器电路34的0至+100伏特或0至+200伏特的整流信号可限制到约70伏特。然而，分量的值可修改以产生更高或更低的电压输出信号，例如100伏特输出。输出电压控制器36实质上对输出电压分流或者削波并且设置电流限制。
在电源20的运行中，并且在各种实施例中，压电变压器24提供270度的相位滞后，和十倍的电压增加。电阻器82(R6)、76(R7)、74(R8)和72(R9)和电容器80(C5)、78(C6)和78(C7)的组合提供额外的90度相位滞后。此外，电阻器52(R1)、66(R2)和62(R4)设置运算放大器44的初始增益，其在图示的实施例中设成11。一旦振荡开始，电容器64(C3)、二极管58(D1)和60(D2)以及电阻器56(R3)(稍稍)减小增益以减小对于二极管84(D3)、82(D4)和90(D5)以及提供如上文描述的另外的整流和稳压的关联部件的失真。
图4图示在电源20中的电压信号转换。具体地，电源20从功率源28(例如，外部电压源)接收恒定DC电压，例如，如在100处示出的+10伏特的恒定DC电压。然后如在102处示出的产生正弦电压波用于驱动压电变压器24(在图3中示出)。例如，如在104处示出的产生并且然后放大+/-5伏特自振荡正弦电压波形。由于在102处示出的波形传播通过压电变压器24，电压波形放大到+/-100伏特正弦波形。如在106处示出的，该波形然后整流并且放大。例如，+/-100伏特正弦波形被半波整流或全波整流并且振幅加倍到0伏特至200伏特电压波形。如在108处示出的，然后限制来自电源20的输出信号。例如，0伏特至200伏特电压波形限制到+70伏特的恒定DC电压。应该注意到，在图4中图示的波形的频率和振幅仅仅是示范性的。
在各种实施例中，当执行功率转换时电源20运行以提供低噪声运行。例如，如在图5中示出的，电源20可连接到微机电***(MEMS)开关110，其用于产生低的噪声功率信号以开关MEMS开关110。MEMS开关110可形成MRI***112的部分，例如，配置为MRI***112的表面线圈中的去耦开关，如在同在审批中的美国专利申请序列号_________(具有代理机构卷号(230547(5531523)))中描述的，其题名为“用于磁共振线圈去耦的开关装置和开关方法”并且为共同人所有。电源20能够在MRI***112的磁场环境中运行并且由电源20产生的任何的EMI对MRI***112的运行具有最小的影响(如果有的话)。然而，电源20可在不同的应用中使用，例如，在其中期望或需要低的噪声运行的应用中使用。
从而，各种实施例提供电源，其耐受高的磁场并且产生低发射，并且特别地产生低的EMI发射。方法110还可提供以使用电源对电压进行升压转换，如在图6中图示的。具体地，在112处，产生用于驱动压电变压器的正弦驱动信号。特别地，使用来自压电变压器(其可以是压电陶瓷变压器)的反馈，正弦电压波信号使用压电变压器的共振频率而被控制，由此形成自振荡配置。控制正弦电压波信号的形状使得波形不被驱动为方波。
一旦被驱动，压电变压器传播正弦输入波并且输出放大的正弦波信号，其然后在114处整流和放大。例如，来自压电变压器的正弦波输出信号的振幅增加为一定倍数(例如2倍)并且然后整流，例如全波整流或半波整流以产生正的电压变化信号。然后控制整流的和放大的信号，并且特别地，控制输出信号的电平，例如，将其分流或削波到恒定的电压信号。例如，电压可限制到70伏特DC并且电流限制例如到几个纳安培(例如小于5纳安培)。低电流恒定DC电压然后作为电压信号在118处输出。
从而，在各种实施例的电源中，正弦电压波驱动压电变压器以产生线性DC-DC升压转换。压电变压器包括反馈以提供自振荡频率控制使得自优化振荡以压电变压器的共振频率产生。因此，可提供采用具有减小或最小EMI的小信号模式运行的电源。
要理解上文描述意在说明性而非限制性的。例如，上文描述的实施例(和/或其的方面)可互相结合使用。另外，可做出许多修改以使特定情况或材料适应各种实施例的讲授而没有偏离它们的范围。然而本文描述的材料的尺度和类型意在限定各种实施例的参数，它们绝不是限制性的并且仅仅是示范性的。当回顾上文的说明时，许多其他的实施例对于本领域内技术人员将是明显的。各种实施例的范围因此应该参照附上的权利要求与这样的权利要求拥有的等同物的全范围确定。在附上的权利要求中，术语“包括”和“其中”用作各自的术语“包括”和“其中”的易懂英语的等同语。此外，在下列权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标记，并且不意在对它们的对象施加数值要求。此外，下列权利要求的限制没有以采用装置+功能的格式撰写并且不意在基于35U.S.C§112的第六段解释，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用装置加功能陈述而无需其他结构的语句。
该书面说明使用示例以公开各种实施例，其包括最佳模式，以及也以使本领域任何技术人员能够实践各种实施例，其包括制作和使用任何装置或***和执行任何包含的方法。各种实施例的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。如果示例具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果示例包括具有与权利要求的书面语言无实质的区别的等同结构元件，这样的其他示例规定为在权利要求的范围内。
部件列表
  20   电源   22   升压转换器

Claims (10)

1.一种电源(20)，其包括：
压电变压器(24)；以及
连接到所述压电变压器的振荡器电路(30)，所述振荡器电路控制所述压电变压器的输入处的正弦电压波形。
2.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括运算放大器(44)和相移网络(70)，其连接到所述振荡器电路(30)以形成自振荡线性DC-DC升压转换器。
3.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括具有移相器的反馈网络(32)，所述压电变压器(24)形成所述反馈网络的一部分。
4.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括在所述压电变压器(24)的输出处的倍压器电路(34)，其从所述压电变压器的输出产生整流和放大的DC信号。
5.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括连接到所述压电变压器(24)的输入的运算放大器(44)以提供在恒定电压并且在所述压电变压器的频率振荡的正弦电压波形。
6.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括配置成以设置的电平产生恒定电压输出信号的输出电压控制器(36)。
7.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括连接到所述压电变压器(24)的输出的分压器(72、74、76、78)，其用于产生反馈信号以控制所述正弦电压波形的振荡。
8.如权利要求1所述的电源(20)，进一步包括连接到所述压电变压器的输出的微机电***(MEMS)开关(110)。
9.如权利要求1所述的电源(20)，其中所述压电变压器(24)包括压电陶瓷材料。
10.一种用于功率转换的方法(110)，所述方法包括：
从DC输入信号产生(112)压电变压器的正弦驱动信号；
使用来自所述压电变压器的反馈信号控制(116)所述正弦驱动信号的频率；以及
从所述压电变压器的输出产生(118)DC输出信号。
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