本公开大体上涉及功率放大，并且更具体地涉及驱动电容性负载的可变输出电源，所述电容器性负载例如具有梯形或相似的电压波形的喷墨打印头的电容器性负载。
背景技术：
现代喷墨打印机能够精确地在纸、织物、陶瓷和其它材料上设置数百万的微小的墨滴，以产生图像。喷墨打印具有许多应用，其中的一些包括：食品、饮料和医疗包装，例如广告牌和旗帜的大幅面应用。在喷墨打印机的设计和供电中功率运算放大器发挥重要作用。
针对喷墨打印的压电技术通常使用当电压脉冲施加到压电转换器时弯曲的晶体，从而迫使墨水滴从喷嘴出来。当电压脉冲施加到压电材料时，压电材料变形，迫使微小的墨滴滴到待打印的表面上。当电压返回零时，材料恢复其原始形状，将墨水吸入储存器中，因此准备好施加下一滴。此周期每秒重复许多次，通常每次打印头穿过打印区域。
代表性的打印头配置可使用放大器驱动许多喷嘴。放大器可在任何一个时刻连接至喷嘴的任何数目的端口。在任何时刻，承载所有喷嘴的打印头正从任何地方发射或多或少0到1024个的墨滴，如由打印程序指令管理的。对于喷墨打印机应用，除其它之外，梯形波形轮廓使得墨水从墨水盒流到喷嘴腔室以供应墨水用于待分配的下一滴。
放大器用在现代电子学的各种设置中，其中只有一个用在驱动喷墨打印机的打印头中。期望功率放大器的设计与对特定应用或打印解决方案期望的任何任意的波形兼容。可再现梯形波形的一个功率放大器是线性功率放大器，通常是b类或ab类配置。图1示出具有其电源和电容性负载的基本线性功率放大器的简化框图。图2示出b类功率放大器的简化的示范性输出级。
然而，基本线性功率放大器方法的潜在缺陷是相对高的功耗。图3示出根据图2中示出的b类放大器的配置驱动电容性负载中涉及的波形的各个方面。通常，在频率为f，最大电压为vmax的梯形信号和压电负载可模拟为电容器c时，功耗可近似模拟为：
plosses＝cfvpositive_constantvmax
在上面的等式中，vpositive_constant是线性功率放大器的正电压源(图2中的vpositive)。出于计算方便，可假设负供电vnegative_constant为零，即负载通过图2中的t2对地放电。在图3中示出的“outputvoltage(输出电压)”301的上升沿307中的功耗通常归因于图2中示出的晶体管t1201上的电压降，而在下降沿308中的功耗通常归因于晶体管t2202上的电压降，并通常归因于电容器对地或者对某个负电压放电。
技术实现要素：
在本公开的一些方面，变换器被配置成生成变换器电压。所述变换器电压在多个电压电平之间变化。多路复用器由至少四个开关组成，所述多路复用器被配置成根据所述至少四个开关的配置生成正输出电压和负输出电压。所述正输出电压在所述变换器电压和正供电轨之间变化，所述负输出电压在所述变换器电压和负供电轨之间变化。由所述多路复用器对放大器供电，所述放大器生成在所述正输出电压和所述负输出电压之间变化的输出电压。控制模块被配置成控制所述多路复用器的所述至少四个开关的配置和所述变换器电压的多个电压电平，使所述变换器电压与所述输出电压同步。
在本公开的其它方面，一种方法包括：使用变换器生成变换器电压，所述变换器电压在多个电压电平之间变化。所述方法还包括根据至少四个开关的配置多路复用正输出电压和负输出电压，所述正输出电压在所述变换器电压和正供电轨之间变化，所述负输出电压在所述变换器电压和负供电轨之间变化。所述方法还包括由所述多路复用器对放大器供电，所述放大器生成在所述正输出电压和所述负输出电压之间变化的输出电压。所述方法还包括通过控制所述多路复用器的所述至少四个开关的配置和所述变换器电压的多个电压电平，使所述变换器电压与所述输出电压同步。
在一些方面，所述变换器由两电平堆叠电压单元组成。在其它方面，所述变换器由三电平堆叠电压单元组成。在其它方面，所述放大器驱动电容性负载。在其它方面，所述电容性负载包括喷墨打印头，并且所述输出电压包括梯形波形。。在另外的其它方面，所述控制模块还包括被配置成将所述变换器电压与所述输出电压同步的触发器逻辑和至少一个延迟滤波器，并且所述控制模块还包括d/a转换器，所述d/a转换器被配置成对于所述放大器将数字输出参考转换成模拟输入参考。在其它方面，在所述输出电压的上升斜坡中，所述多路复用器的正输出电压根据参考变化，在所述输出电压的负斜坡中，所述多路复用器的负输出电压根据所述参考变化。
附图说明
通过附图的元素以下描述将变得显然，附图是出于图示目的提供的，不是限制性的，不一定是按比例的或者是完全的。
图1是由驱动电容性负载的两个恒定电压源(vpositive_constant和vnegative_constant)供电的线性功率放大器的简化示意(现有技术)。
图2是驱动电容性负载的b类功率放大器的输出级的简化示意(现有技术)。
图3示出当根据图2的线性放大器由两个轨上的恒定电压供电时的电容性负载和梯形输出电压的波形(现有技术)。
图4示出根据本公开的一些方面驱动电容性负载的线性放大器的简化示意，电容性负载由为多路复用的多电平变换器供电。
图5示出以根据本公开的一些方面配置的堆叠的电压单元实现的多电平变换器的简化示意。
图6示出以根据本公开的一些方面配置实现多电平变换器可使用的示范性两电平单元和三电平单元。
图7是示出根据本公开的各方面用于多路复用器的控制信号的表。
图8示出根据本公开的一些方面波形的示范性时间图。
图9示出根据本公开的一些方面的控制模块的各个方面的简化示意。
具体实施方式
对本公开的示范性方面的此描述旨在结合附图阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。
本公开的各方面包括有效地驱动带负载的放大器的方法和设备。在各个方面，多路复用器多路复用在正供电轨和负供电轨之间的多电平电压变换器的输出，以驱动放大器，控制模块使多电平变换器输出与放大器的输出电压同步。在其它方面，放大器提供梯形电压波形的输出以驱动电容性负载，例如喷射打印头。
图4示出根据本公开的某些方面的功率放大器400的简化示意，其通过多路复用器402驱动由多电平变换器401供电的电容性负载404。根据本公开的此方面，多电平变换器401生成在地和最大电压之间并小于vconstant_positive405的n电平电压(vmultilevel403)。多电平变换器401耦连到多路复用器402，可使用四个或更多个开关(例如swa406,swb407,swc406,swa406)实现多路复用器。开关406-409可以是mosfet晶体管或者本领域已知的任何其它开关器件，例如，双极晶体管或绝缘栅双极晶体管(igbt)。
多路复用器402耦连到线性功率放大器411，线性功率放大器提供用于驱动负载404的输出voutput412。在闭合时，多路复用器402的开关a(swa)406将恒定正供电轨vconstant_positive405耦连到放大器的正供电轨vpositive413。在闭合时，多路复用器402的开关b(swb)407将多电平变换器输出电压vmultilevel403耦连到放大器的正供电轨vpositive413。在闭合时，多路复用器402的开关c(swc)408将多电平变换器输出电压vmultilevel403耦连到放大器的负供电轨vnegative414。在闭合时，多路复用器402的开关d(swd)409将恒定负供电轨vconstant_negative410耦连到放大器的负供电轨vnegative414。控制模块415耦连到输出参考电压voutput_ref416，例如voutput412的数字化形式或者可以与负载404两端的电压有关的任何其它信号。如还详细地描述的，控制模块415生成用于控制多电平变换器402的电压输出(vmultilevel401)的控制信号417和用于多路复用器402的开关swa-swd406-409的配置的控制信号418。本公开考虑其它开关配置以实现类似结果。
图8示出根据在图4中实现的本公开的各方面的波形800。根据此方面，功率放大器400在操作中根据图7的表中示出的配置使用单个多路复用的多电平变换器402和开关406-409。在本公开的此方面，在输出电压412的上升沿806，多电平变换器402给线性放大器411供电，同时输出电压412低于最大多电平电压403(开关swa406打开，swb407闭合)。当多电平变换器401应当一次只连接至线性功率放大器411的一个供电轨(413,414)时，开关swc408打开，同时swd409闭合。在输出电压412的上升沿806，负载电流419来自vpositive供电轨413。根据此方面，施加的多电平电压403可降低输出功率级的传输晶体管中的功耗(图2中的晶体管t1201)，原因是与由恒定电压供电相比，在此晶体管上的电压降降低。在此上升沿806，来自第二供电轨(图2中的晶体管t2202)vnegative414的传输晶体管并不传导任何电流(因此呈现最小功耗)，其漏极可通过多路复用器402连接至恒定供电电压vconstant_negative410。
在此实施例中，当输出电压412达到最大多电平输出电压vmultilevel_max809时，线性放大器直接由恒定电压源vconstant_positive405，801供电(其中，vconstant_positive>vmultilevel_max)开关swa406闭合，同时swb407打开。为了避免限幅，输出电压vconstant_positive405优选高于最大输出电压。一旦输出电压412已经上升到期望值，在期望的时间内它将保持相对恒定的电压电平807(取决于应用的类型，例如取决于墨水、喷墨头的类型等)。在这方面，从多电平变换器401汲取的能量近似等于在传输元件(晶体管t1201)中丢失的能量和在电容性负载404中积累的能量。在输出电压412相对恒定的时间中，负载不需要任何电流，可使用此时间来将多电平变换器移动到负供电轨414，开关swc408闭合，swd409打开。同样在此方面，当多电平变换器401连接至负供电轨414时，其输出电压403优选低于放大器412的输出电压，以便避免通过线性放大器输出级411的晶体管t2202的寄生二极管短路。
在此实施例中，在输出电压412的负沿808中，有很少(如果有的话)的电流通过晶体管t1201，因此通过器件有很少或基本没有功耗。在这方面，电容性负载404通过晶体管t2202放电，当多电平变换器401施加在此晶体管的漏极上时，与恒定电压源被施加的情况相比，功耗降低。根据此方面，当输出电压412低于最小多电平输出403时，线性功率放大器411的负轨414直接从恒定电压源(vconstant_negative410)供电，开关swc408打开且swd409闭合。在本公开的某些方面，此配置供应负电压，使得负载电压412可放电为零。本公开的一个方面是在输出电压412的下降沿808，在电容性负载404中积累的能量可部分地丢失，因为晶体管t2202上的热部分地由多电平变换器401弥补。
在此实施例中，可使用堆叠的电压单元500例如图5中所示的那些实现多电平变换器401。根据图6中所示的本公开的各方面，电压单元可包括两电平单元601或三电平单元602。两电平单元601可再现输入电压(s1闭合，s2打开)和零(s1打开，s2闭合)，而三电平单元602可产生输入电压(s1、s4闭合，s2、s3打开)、零(s1、s2闭合，s3、s4打开，或者s1、s2打开，s3、s4闭合)或负输入电压(s2、s3打开，s1、s4打开)。可使用mosfet或任何其它开关器件例如双极晶体管或绝缘栅双极晶体管(igbt)实现单元中的开关。期望单元由电流隔离的电压源供电。在有n个两电平单元601和m个三电平单元602时，可产生的电压电平的总数是(2m+1)+n。在本公开的那方面，多电平变换器401的晶体管的数目是4m+2n，而晶体管驱动器的数目是2m+n。有这种关系，本领域技术人员会认识到设计中包括的多电平变换器401越多，复杂性越高的设计折衷，原因是晶体管和驱动器的数目，且原因是将生成2(m+n)个相互隔离的电压源的电源。
变换器401的电压电平403的数目越多，线性放大器411中功耗越低。对于任何特定数目的电压电平，期望找到电压电平的最佳分布。这可使用本领域已知的试探技术或遗传算法方法进行。通过增加电压电压电平403的数目，当线性放大器部分中的功率损耗降低时，总效率大体上首先提高。然而，通过增加电平403的数目，多路复用器402的驱动损耗也大体上增加。另外，使用的电压电平403越多，第一级的效率越低。这意味着在一个时刻，随系统的复杂性增大的附加功率损耗将用功率节省来补偿。电压电平403的数目的任何进一步递增可在总体效率方面产生更少的益处。从效率的观点看，这是最佳电压电平数目。然而，从系统的复杂性观点看，需要分析电压电平的每次递增，效率的递增。电压电平的每次递增意味着有更多的部件，意味着通常更低的可靠性。必须通过分析复杂性和总体效率，对电平的最佳数目做出决策。此数目取决于负载404的类型，电压电平403，脉冲的频率等，将因情况而不同。
转向图9，在另一实施例中，控制模块415包括触发器逻辑901，一个或多个d/a转换器903和一个或多个延迟滤波器902。在这方面，触发器逻辑901将输出信号参考416与阈值比较，以便生成用于多电平变换器417的控制信号。根据这方面多电平变换器401的两电平单元配置601可由单个信号控制，同时三电平单元配置可由至少两个控制信号控制。触发器逻辑901可实现为任何类型的逻辑电路，例如，具有一组比较器的模拟电路或者以数字信号处理器(dsp)或现场可编程门阵列(fpga)实现为一件控制软件。输出电压参考416可被记录在存储器中。
多电平变换器401和多路复用器402的控制信号417,418应当确保在任何特定的时刻，输出电压低于vpositive413并高于vnegative414，否则输出电压可能被限幅。由于多电平电压403和输出电压412之间的不良同步，至少部分地由于多电平变换器401的有限时间响应，输出电压412可能发生限幅(clipping)，因此发送至功率放大器411的模拟参考420优选被延迟。可使用任何类型的延迟机制，例如，具有线性相延迟的模拟滤波器或通过使用寄存器链用数字方式延迟参考，实施延迟块902。在本公开的其它方面，延迟的数字参考416通过数模(d/a)转换器传输，使得线性放大器411可放大模拟参考420。在一些方面，从数字参考416到模拟参考420的路径可包含比对于多电平变换器供电的路径更多的时间延迟。在这些方面，延迟优选加入到电压单元控制信号417，其可在控制块900内通过各个寄存器以数字方式实施。
尽管本文中图示和描述了实例，但实施例不局限于所示出的细节，原因是在权利要求的等同物的范围内本领域技术人员可做出各种变形和结构变化。例如，尽管将理想开关作为实例公开，但将认识到这不旨在表示不可替代使用其它开关。本领域技术人员还会认识到在不偏离本公开的操作下，各个部件可内置在图中示出的部件之间，例如，在开关和放大器输入之间插入电流限制电阻器或其它电路部件或模块。另外，以示意形式描述了设备，以使得其能容易地被本领域技术人员理解，不过要认识到如果需要在设备中可利用其它部件和器件。并且，尽管已经将输入电压波形描述为对称的梯形，但要认识到可使用各种波形，包括倾斜率可在上升速率和下降速率变化。