带保护的推挽驱动装置及方法与流程

本发明涉及超声技术领域，特别是涉及一种带保护的推挽驱动装置及方法。

背景技术：

超声换能器是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置。其工作原理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会随所加信号频率变化的机械形变，继而在周围介质中产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围，这种机械波就是超声波。接收时，利用正压电效应把来自探测物的声信号变成电信号输出。

超声换能器是超声测试系统中产生并接收超声的部件，其驱动电路的性能对整个测试系统有着至关重要的作用。而现有的超声换能器的驱动方法多采用推挽功率驱动方式。推挽驱动是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器。是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。优点是：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小；然而，现有的推挽电路在对外输出时缺乏保护措施，当驱动信号发生异常时，即输出的高电平波形超过1毫秒时，导致开关管不能够正常工作，将会烧坏开关管。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带保护的推挽驱动装置及方法，用于解决现有技术中当驱动信号发生异常时，无法保证开关管正常工作的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带保护的推挽驱动装置，包括：方波产生单元，适于根据脉宽调制信号源产生两路周期相同相位相反的脉冲信号；驱动信号产生单元，适于分别调制两路周期相同相位相反的脉冲信号，生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

优选地，所述方波产生单元包括分频器与第一反相器，所述分频器的输入端连接脉宽调制信号源，所述分频器的输出端输出第一脉冲信号，所述分频器的输出端与第一反相器相连，输出第二脉冲信号。

优选地，所述驱动信号产生单元包括两个相同的驱动信号产生模块，两个驱动信号产生模块分别对应连接两路周期相同相位相反的脉冲信号各自产生一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

优选地，所述驱动信号产生模块包括：

第一调制子单元，与所述方波产生单元的输出端相连，对所述脉宽调制信号源和其中一路脉冲信号进行与门处理，输出导通一三极管得到第一调制信号；所述第二调制子单元，与第一调制子单元的输出端相连，对所述第一调制信号进行充电，输出经反相处理得到第二调制信号；第三调制子单元，分别与第一调制子单元、第二调制子单元的输出端相连，对第一调制信号和第二调制信号进行与门处理，得到一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

优选地，所述第一调制子单元包括第一与门和三极管；所述第一与门的输入端分别连接脉宽调制信号源和脉冲信号；其输出端连接三极管的基极，导通所述三极管，其集电极与发射极之间输出第一调制信号。

优选地，所述第二调制子单元包括RC充电电路与第二反相器，所述RC充电电路连接于所述三极管的集电极与发射极之间，所述RC充电电路中间连接第二反相器，得到经反相处理的第二调制信号。

优选地，所述第三调制子单元包括第二与门，所述第二与门的输入端连接脉宽调制信号源和第二调制信号进行与门处理，得到一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

优选地，所述带保护的推挽驱动装置还包括：驱动输出单元，与所述驱动信号产生单元的输出端相连，适于根据两路脉宽调制驱动信号产生驱动开关管工作的开关管驱动信号，所述开关管连接变压器驱动负载工作。

优选地，所述驱动输出单元包括开关管驱动芯片、开关管、变压器与负载，所述开关管驱动芯片的输入端连接两路脉宽调制驱动信号，其输出端连接所述开关管，所述开关管连接变压器的输入端，所述变压器的输出端连接负载。

本发明的另一目的提供一种带保护的推挽驱动方法，包括：

产生两路周期相同且相位相反的脉冲信号；

以脉宽调制信号源为基础，分别调制两路周期相同且相位相反的脉冲信号，生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

优选地，所述产生两路周期相同且相位相反的脉冲信号的步骤，包括：

利用分频器将脉宽调制信号源分解成两路周期相同的脉冲信号；

利用第一反相器将其中一路脉冲信号生成周期相同相位相反的脉冲信号。

优选地，所述生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号的步骤，包括：

利用两个相同的驱动信号产生模块，分别对应连接两路周期相同相位相反的脉冲信号各自产生一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

优选地，利用驱动信号产生模块产生一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号的步骤，包括：

将所述脉宽调制信号源和其中一路脉冲信号进行与门处理，输出导通一三极管得到第一调制信号；

对所述第一调制信号进行充电，输出经反相处理得到第二调制信号；

对第一调制信号和第二调制信号进行与门处理，得到一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

如上所述，本发明的带保护的推挽驱动装置及方法，具有以下有益效果：

采用脉宽调制信号源为输入，将其分频为两路占空比相同且相位相反的脉冲信号；分别对两路脉冲信号进行调制，生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。该脉宽调制驱动信号可应用于驱动推挽电路、全桥电路等相位相反的功率驱动电路，当脉宽调制驱动信号处于异常情况，也能确保开关管正常工作，达到保护开关管的目的。

附图说明

图1显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置的结构框图；

图2显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置中方波产生单元的结构框图；

图3显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置中驱动信号产生单元的结构框图；

图4显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置的完整结构框图；

图5显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置中驱动输出单元的结构框图；

图6显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置的电路图；

图7显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动方法流程图；

图8显示为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置的电路时序图。

元件标号说明

1 方波产生单元

2 驱动信号产生单元

3 驱动输出单元

11 分频器

12 第一反相器

21 驱动信号产生模块

211 第一调制子单元

212 第二调制子单元

213 第三调制子单元

31 开关管驱动芯片

32 开关管

33 变压器

34 负载

S1～S2 步骤1至步骤2

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置结构框图，包括：

方波产生单元1，适于根据脉宽调制信号源产生两路周期相同相位相反的脉冲信号；驱动信号产生单元2，适于分别调制两路周期相同相位相反的脉冲信号，生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

在本实施例中，产生的脉宽调制驱动信号具有超时保护功能，对于开关管的正常工作具有保护作用，避免了开关管因驱动信号异常出现烧坏开关管的现象。

请参阅图2，为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置中方波产生单元的结构框图，包括：

所述方波产生单元1包括分频器与第一反相器，所述分频器11的输入端连接脉宽调制信号源，所述分频器11的输出端输出第一脉冲信号，所述分频器11的输出端与第一反相器12相连，输出第二脉冲信号。

在本实施例中，所述第一脉冲信号与第二脉冲信号为周期相同、占空比相同且相位相反的脉宽调制信号，其中，分频器11输出两个大小、方向完全相同的周期信号，选择一个输出端连接第一反相器12，即可得到上述的第一脉冲信号与第二脉冲信号，其中，分频器11和第一反相器12对应附图6中U3A和U2B，分频器11优选为型号为74HC393D_Z的芯片。

请参阅图3，为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置中驱动信号产生单元的结构框图，包括：

所述驱动信号产生单元2包括两个相同的驱动信号产生模块21，两个驱动信号产生模块21分别对应连接两路相位相反的脉冲信号各自产生一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

具体地，两个驱动信号产生模块包含的电子器件完全相同，只不过分别接入第一脉冲信号与第二脉冲信号，使得输出的两路脉宽调制驱动信号在波形图上相互间隔，一个周期内，两路脉宽调制驱动信号的分别显示半个周期，即相位偏差半个周期。

请参阅图6，为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置的电路图，包括：

所述驱动信号产生模块21包括：

第一调制子单元211，与所述方波产生单元1的输出端相连，对所述脉宽调制信号源和其中一路脉冲信号进行与门处理，输出导通一三极管得到第一调制信号；所述第二调制子单元212，与第一调制子单元211的输出端相连，对所述第一调制信号进行充电，输出经反相处理得到第二调制信号；第三调制子单元213，分别与第一调制子单元211、第二调制子单元212的输出端相连，对第一调制信号和第二调制信号进行与门处理，得到一路具有超时保护功能脉宽调制驱动信号。

具体地，所述第一调制子单元211包括第一与门和三极管；所述第一与门的输入端分别连接脉宽调制信号源和脉冲信号；其输出端连接三极管的基极，导通所述三极管，其集电极与发射极之间输出第一调制信号。其中，第一与门和三极管可对应附图6中的U1A和Q1，或者，U1C和Q2。

在本实施例中，所述三极管的基极、集电极上设置有负载电阻，其中，三极管的发射极与基极之间设有保护电阻，当三极管导通，其发射极接地，当三极管处于截止时，基极上负载电阻与保护电阻分压，为了确保三极管没有输入时其处于截状态，同时稳定输出的第一脉冲信号的波形，其中，该三极管可替换为场效应晶体管。

具体地，所述第二调制子单元212包括RC充电电路与第二反相器，所述RC充电电路连接于所述三极管的集电极与发射极之间，所述RC充电电路中间连接第二反相器，得到经反相处理的第二调制信号，其中，RC充电电路与第二反相器可对应附图6中的R3、C1和U2A，或者，R8、C2和U2C。

在本实施例中，三极管的集电极与发射极之间输出第一调制信号，RC充电电路对第一调制信号进行充电，其中，如图6内的第三电阻与第一电容，或者，第八电阻与第二电容，通过调节RC参数即可控制超时保护的具体时间，当RC充电时，其电阻值越大，电流越小，充电时间越久，或，其电阻值越小，电流越大，充电时间越短，当充电电压大于第二反相器的阈值(0.7V)时，该反相器开始工作，通过第二反相器进行反相处理，得到与第一调制信号相位完全相反的第二调制信号。

具体地，所述第三调制子单元213包括第二与门，所述第二与门的输入端连接脉宽调制信号源和第二调制信号进行与门处理，得到一路脉宽调制驱动信号，其中，第二与门可为附图6中的U1B或U1D。

在本实施例中，通过对第一调制信号和第二调制信号进行与门处理，得到一路脉宽调制驱动信号，其中，由于包含两路相位相反的脉冲信号，驱动信号产生模块21接入的脉冲信号不同，导致其输出的脉宽调制驱动信号相位与波形不同，即脉宽调制驱动信号(推挽输出驱动信号)具有超时保护功能。

在另一个实施例中，如图4所示，所述带保护的推挽驱动装置还包括：驱动输出单元3，与所述驱动信号产生单元2的输出端相连，适于根据两路脉宽调制驱动信号产生驱动开关管32工作的开关管32驱动信号，所述开关管32连接变压器驱动负载34工作。

具体地，请参照图5，所述驱动输出单元3包括开关管驱动芯片31、开关管32、变压器33与负载34，所述开关管驱动芯片31的输入端连接两路脉宽调制驱动信号，其输出端连接所述开关管32，所述开关管32连接变压器33的输入端，所述变压器33的输出端连接负载34。

在本实施例中，所述开关管驱动芯片31的两个输入端分别连接两路脉宽调制驱动信号，其两个输出端分别产生两个半个周期相交叉的开关管驱动信号，每个输出端均连接有对应的开关管2，其中，所述开关管驱动芯片31优选型号为IR2110S的芯片，两个开关管32优选为NMOS管，它们的漏极之间连接有变压器33的输入端，该输入端中间设有电源，使得NMOS管任意导通一个即可驱动变压器33进行放大，负载34开始工作，其中，开关管驱动芯片31为图中U6，开关管Q3与Q4，变压器T1与负载RL。

具体地，所述开关管驱动芯片的输出端与开关管之间还有RC吸收回路，防止输出的波形震荡。

请参阅图7，为本发明提供一种带保护的推挽驱动方法，包括：

步骤S1，产生两路占空比相同且相位相反的脉冲信号；

其中，在脉宽调制信号源激励下，通过分频器与反相器即可得到两路占空比相同且相位相反的脉冲信号。

具体地，步骤S1包括：利用分频器将脉宽调制信号源分解成两路周期相同的脉冲信号；利用第一反相器将其中一路脉冲信号生成周期相同相位相反的脉冲信号。

步骤S2，以脉宽调制信号源为基础，分别调制两路相位相反的脉冲信号，生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

具体地，通过设置RC充电电路的电阻与电容的参数，可调节超时保护的时间；其中，通过驱动信号产生模块21调制脉冲信号即可生成具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号，详述如下：

利用两个相同的驱动信号产生模块，分别对应连接两路周期相同相位相反的脉冲信号各自产生一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号；其中，通过驱动信号产生模块具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号的步骤，具体为：

将所述脉宽调制信号源和其中一路脉冲信号进行与门处理，输出导通一三极管得到第一调制信号；

对所述第一调制信号进行充电，输出经反相处理得到第二调制信号；

对第一调制信号和第二调制信号进行与门处理，得到一路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。

请参阅图8，为本发明提供一种带保护的推挽驱动装置的电路时序图，包括：

在本实施例中，脉宽调制信号源为PWM，第一脉冲信号与第二脉冲信号分别对应period、period’，第一调制信号为PWM1或PWM2，第二调制信号为PWM1_BF或PWM2_BF，脉宽调制驱动信号为PWM1OUT或PWM2OUT，其中，当第一脉冲信号为period，对应的第一调制信号为PWM1，第二调制信号为PWM1_BF，脉宽调制驱动信号为PWM1OUT，在此不一一赘述。

按周期划分，分频器输出的一端通过反相器得到的周期信号为period或period’，当第一脉冲信号为period时，第一调制信号PWM1通过对脉宽调制信号源PWM和周期信号period进行与门运算即可得到，第一调制信号PWM1进行第二反相运算即可得到第二调制信号为PWM1_BF，通过对第一调制信号PWM1和第二调制信号为PWM1_BF进行与门运算，得到脉宽调制驱动信号PWM1OUT。

同理，当第一脉冲信号为period’时，第一调制信号PWM2通过对脉宽调制信号源PWM和周期信号period’进行与门运算即可得到，第一调制信号PWM2进行第二反相运算即可得到第二调制信号为PWM2_BF，通过对第一调制信号PWM2和第二调制信号为PWM2_BF进行与门运算，得到脉宽调制驱动信号PWM2OUT。

相对于脉宽调制信号源PWM直接驱动，在时序图中，当PWM中高电平持续时间过长，大于1毫秒，如时序图中间高电平持续时间，采用输出的脉宽调制驱动信号PWM2OUT或PWM1OUT直接作为驱动电路的驱动信号，使得开关管不会因异常情况，停止工作，达到保护开关管的目的。

综上所述，采用脉宽调制信号源为输入，将其分频为两路占空比相同且相位相反的脉冲信号；分别对两路脉冲信号进行调制，生成两路具有超时保护功能的脉宽调制驱动信号。该脉宽调制驱动信号驱动推挽电路、全桥电路等相位相反的功率驱动电路，当脉宽调制驱动信号处于异常情况，也能确保开关管正常工作。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。