专利名称：利用电容性负载的软切换来产生矩形电压信号的放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种放大器，其被设计用来利用电容性负载的软切换来产生矩形电压信号，该放大器包括包括两个开关的半桥式结构，所述结构连接在电源端和参考端之间，所述结构的中点连接到所述电容性负载；和具有能量恢复的软切换电路。本发明具体涉及被设计用来在等离子显示面板中产生高电压矩形维持或寻址信号的放大器。
背景技术：
通常，等离子显示面板包括按行和列组织的多个放电室。在当前采用的共面(coplanar)技术中，每个放电室具有三个电极一个列电极，主要用于寻址放电室；面板的所有放电室的列电极连接到列驱动器；和两个行电极，一个称为行扫描电极，用于个别地寻址每行放电室，另一个称为行公共电极；在面板的一侧所有行扫描电极连接到行驱动器，而在面板的另一侧行公共电极连接在一起。
在这种类型的面板中，每个放电室通过在其行扫描电极和其列电极之间施加特定的高电压信号来寻址，以便修改其电荷状态。在寻址操作之后，放电室可能具有两种电荷状态，即称为“激发状态”的第一状态(其将在放电室接下来的维持阶段期间接通放电室)和其中放电室仍然保持断开的第二状态。跟随着寻址阶段的放电室维持阶段是将高电压矩形信号施加到行扫描电极和行公共电极上的时间段。在该阶段期间，先前激发的放电室接通。
为了产生这样的电压信号，显示面板具有功率放大器。面板特别包括用于产生要施加到放电室的列电极上的寻址信号的列放大器，和用于产生要施加到放电室的行扫描电极和行公共电极上的维持信号的维持放大器。
这些放大器具有共同的要求，即在很高的电容性负载上产生具有高电压跃迁的信号，该电容性负载等于面板的所有放电室的等效电容器或等于它们中大部分的电容。
放电室维持操作涉及在面板的放电室和放大器之间极大的能量转移，能量必需被恢复。其同样适用于寻址放电室列的操作。
为此，开发了能量恢复维持放大器，按照其发明者的名字称为韦伯放大器(Weber amplifier)。它在图1中示意性示出。该放大器10实际上包括两个相同的放大器，一个放大器11被设计用来通过行驱动器12供应放电室行扫描电极Y，而另一放大器13被设计用来供应它们的行公共电极Z。在图中通过它们的等效电容器Cp示出放电室。该等效电容器实际上由在面板的行扫描电极Y和行公共电极Z之间存在的电容器Cp1、在面板的行扫描电极Y和列电极之间存在的电容器Cp2、以及在面板的行公共电极Z和列电极之间存在的电容器Cp3构成。
被设计用来供应电极Y的放大器11通常包括开关M1和M2，其连接成半桥式结构并且串联布置在接收很高的维持电压VS的电源端和参考端(这里接地GND)之间。操作这些开关以便在面板的放电室的电极Y上产生在电压VS和参考端上呈现的电势之间交变的矩形信号。如图所示，这些开关通常是具有其反平行的二极管的MOS晶体管。为了恢复并再注入电容能量以及在VS和地之间产生软切换，放大器11包括串联连接的谐振电感线圈L和开关模块MC及存储电容器C1。这三个元件连接在电极Y和参考电势之间。开关模块具有两个并行连接的电流导电通路，每个允许电流仅以一个方向流入。第一电流通路包括开关M3，其与二极管D3串联，以便当开关M3闭合时允许电流流向存储电容器C1，从而产生放大器的输出信号的下降沿。第二电流通路包括开关M4，其与二极管D4串联，以便当开关M4闭合时允许电流流向谐振电感线圈L，从而产生输出信号的上升沿。
关于放大器13，其包括与放大器11相同的部件，这些部件以相同的方式连接在行公共电极Z和参考端之间。为了在本说明书的剩余部分中区分放大器11的部件与放大器13的部件，放大器11的部件用M1、M2、L、MC、M3、M4、D3、D4和C1表示，而放大器13的部件用M1’、M2’、L’、MC’、M3’、M4’、D3’、D4’和C1’表示。
图2示出了根据众所周知的一个用于在放电室中获得良好的放电维持的操作模式的、要在电极Y和Z上产生的维持电压信号以及在面板放电室的两端的结果电压。根据该操作模式，在电极Y上产生的电压信号中的跃迁与在电极Z上产生的电压信号中的跃迁同步，使得在面板放电室的两端的电压永远在+VS和-VS之间交变。仅仅是作为示例给出该操作模式以便使韦伯电路的操作易于理解。当然，存在其他操作模式，尤其是其中放电室的电极Y上的电压跃迁相对于电极Z的电压跃迁偏移的操作模式。本发明将可应用于所有这些操作模式。等效电容器Cp随着所选的操作模式而变化。
为了获得图2所示的不管哪个电压信号，如图3所示操作放大器10。该图更具体地示出用于控制开关M1到M4的电压、从放大器产生的输出电压和流过谐振电感线圈L的电流iL。在该图中，假设在初始状态中，开关M2、M3和M4是打开的，而开关M1是闭合的。电极Y上的电压因此等于VS。在开关M1打开和开关M3闭合后，电极Y上的电压开始下降。在这个阶段中，在下面的初始条件下，由电感线圈L和等效电容器Cp构成的谐振电路通过二极管D3、开关M3和存储电容器C1闭合流过电感线圈L的电流iL为0；电极Y上的电压等于VS；以及存储电容器的两端的电压等于VS/2。
由于存储电容器C1的电容比电容器Cp的电容高得多，因此可以认为其两端的电压是恒定的，并且等于VS/2。随着流过电感线圈L的电流升高，放大器的输出和电容器Cp两端的电压沿着正弦曲线部分降低，直到电极Y上的电压达到VS/2(电流iL停止升高的点)为止。该第一阶段对应于能量从电容器Cp到电感线圈L的能量转移。在下一阶段期间发生反向转移。在该阶段期间，电流iL降低，并且电极Y上的电压持续沿着另一正弦曲线部分降低，直到达到0伏特(参考电势)为止。二极管D3防止电流反向流入。闭合开关M2允许电极Y上的电压维持在0伏。通过闭合开关M4，以同样的方式执行电极Y上的电压从0伏到VS的跃迁。
该电路的主要缺点是它包括大量有源部件(开关和二极管)，在电路操作期间，当它们闭合时由于电流iL的高rms值(有效值)和当二极管关断时的逆恢复损耗(reverse recovery loss)而产生传导损耗。
发明内容
本发明涉及一种能够被用作列寻址或维持放大器的放大器，其能够使用软切换来产生矩形信号，所述放大器包括少量的会引入能量损耗的有源部件。
本发明涉及一种被设计用来利用电容性负载的软切换来产生矩形电压信号的放大器，所述放大器包括包括两个开关的半桥式结构，其连接在电源端和参考端之间，所述结构的中点连接到所述电容性负载；和具有能量恢复的软切换电路，其连接到所述半桥式结构，所述具有能量恢复的软切换电路由串联连接在所述电容性负载端之间的电感元件与电容元件形成。根据本发明，所述电感元件包括串联的第一电感线圈与能够工作在饱和模式下的第二电感线圈，以进一步减少放大器中的传导损耗。最好在同一线圈中生产所述第一和第二电感线圈。
根据本发明，该放大器被包括在等离子显示面板中，用来在面板的放电室的行扫描电极或行公共电极上产生维持信号，以便在先前处于激发状态中的面板的放电室中维持放电，或者该放大器用来在面板的放电室的列电极上产生寻址信号。电容性负载于是对应于面板的放电室的等效电容器。
本发明还涉及一种放大器，其被设计用来利用等离子显示面板的放电室的行扫描电极和行公共电极的软切换来产生第一和第二矩形电压信号，所述放大器包括具有两个开关的第一半桥式结构，其连接在电源端和参考端之间，所述结构的中点连接到所述行扫描电极；具有两个开关的第二半桥式结构，其连接在电源端和参考端之间，所述结构的中点连接到所述行公共电极；和具有能量恢复的软切换电路，其连接在所述第一和第二半桥式结构的所述中点之间，所述具有能量恢复的软切换电路由串联连接的电感元件与电容元件形成。根据本发明，所述电感元件包括串联的第一电感线圈与能够工作在饱和模式下的第二电感线圈，以进一步减少放大器中的传导损耗。最好在同一线圈中生产所述第一和第二电感线圈。
通过参照附图阅读下面通过非限制性的示例给出的描述，将更好地理解本发明，其中已经描述了的图1示出现有技术的维持放大器的图；已经描述了的图2示出在放大器已知的操作模式中、由图1中的维持放大器所产生的电压信号的时序图；
已经描述了的图3示出用于控制图1的放大器的元件的控制信号以及图解所述放大器的操作的信号；图4示出根据本发明的第一放大器的图，其能够利用等离子显示面板的放电室的一个或另一个电极的软切换来产生矩形电压信号，以便维持放电室或者寻址放电室的列；图5示出用于控制图4的放大器、以产生要在放电室的维持阶段期间施加到放电室的电极Y或Z上的信号的控制信号的时序图；图6示出用于控制图4的放大器、以产生要在放电室的维持阶段期间施加到放电室的列电极上的信号的控制信号的时序图；图7示出根据本发明的第二放大器的图，其能够利用等离子显示面板的放电室的一个或另一个电极的软切换来产生矩形电压脉冲，以便维持放电室或者寻址放电室的列；图8示出用于控制图7的放大器、以产生要在放电室的维持阶段期间施加到放电室的电极Y或Z上的信号的控制信号的时序图；以及图9示出根据本发明的维持放大器，其中具有能量恢复的软切换电路为面板的放电室的电极Y和Z公用。
具体实施例方式
根据本发明，用于产生软切换同时还恢复能量的电路限于串联连接的电感元件L2与电容性元件C2，该组合连接到面板的放电室的等效电容器Cp的两端。在图4中示出该电路，用于产生要在放电室维持阶段期间施加到放电室电极Y或Z上、或者在放电室寻址阶段期间施加到放电室的列电极上的矩形信号。
在维持操作的情况中，电压VS是用于维持放电室的、大约200伏的电压，而在寻址放电室列的情况中，电压VS是大约60伏的寻址电压。电容器Cp的电容随着操作模式(同步或异步跃迁)和操作类型(寻址阶段或维持阶段)而变化。取决于不同情况，电容器Cp对应于从电极Y或Z或者从列电极来看的面板的等效电容器。例如，在同步跃迁模式的情况下，电容器Cp的电容以电极Y看来，电容器Cp2与Cp1/2的等效电容；以及以电极Z看来，电容器Cp3与Cp1/2的等效电容。
对于寻址阶段，电容器Cp的电容取决于要显示的图像。
不像上述现有技术的电路中那样，该能量恢复电路既不包括开关晶体管，也不包括二极管。此外，电感元件L2的电感比图1的韦伯电路的电感线圈L或L’的电感大得多，比后者大100到1000倍。同样地，电容性元件的电容比电容器Cp的电容大得多，比后者至少大10倍。
参照图5更具体地描述放大器的操作。它由8个连续阶段组成，在图中标号为1到8。
在阶段1、2、5和6期间，开关M1和M2断开。这些阶段对应于其中在放大器的输出处的电压存在跃迁的跃迁阶段。阶段1、4、5和8对应于其中在电感线圈L2中存储能量的阶段，而阶段2、3、6和7是其中该能量从面板的放电室中恢复的阶段。
具体地说，电感线圈L2在阶段1、2、5和6期间与负载电容器C2和面板电容器Cp谐振。由于C2比Cp大得多，因此可以认为L2与Cp谐振。在阶段1和5结束时，电感线圈L2被充有最大电流iL2max。然后该电流在下一阶段降低。该电流在阶段3和7结束时改变方向。
在阶段3和7阶段期间，开关晶体管M1和M2可以是打开或闭合的。如果它们是打开的，则它们内在的二极管会允许电流流过。在图6的时序图中阴影区域表示那些其中放大器的开关晶体管的状态为打开或闭合都无关紧要的时间段。
使用该电路，取决于面板的特性和操作模式，损耗实质上被限制为电流iL2的传导损耗以及可能与放电室气体中的放电电流相关的损耗。
为了计算这些分量的值，由于可以认为电容器C2的电容比面板电容器Cp的电容大得多，因此可以假设在存储电容器C2两端的电压变动很小。在电容元件C2两端的电压VC2是恒定的，并且等于VS×t1/T，t1/T定义信号的占空比，T是放大器的输出信号的周期，而t1是当L两端的电压经过零点时两个连续时刻之间的时间间隔，当开关M1闭合时，t1包含阶段7和8。
此外，在持续时间Δt的跃迁期间，可以以iL2是恒定的并且等于iL2max的第一近似来考虑；于是Δt就可以等于Cp×VS/iL2max，其中iL2max取决于VS和LZ。更准确地iL2max=T·VSL2·x(1-x)2]]>其中，x＝t1/T，而iL2max确定跃迁的斜率(slope)。
为了产生如图5所示的方波信号，t1＝T/2，并且电流iL2的正和负斜率是对称的。
为了产生用于寻址放电室的列的矩形信号，如图6所示，t1≠T/2。电流iL2仍然以0为中心，但该电流的正和负斜率不再对称了。在图6所示的例子中，其中t1＞T/2，电流iL2的负斜率的绝对值大于正斜率，这是由于它是用在电感线圈两端的等于VC2的电压产生的，而该电压高于正斜率期间的电压。
该放大器与韦伯放大器相比尤其具有下面优点由于它包含较少的无源部件，因此简化了放大器的结构。因此这可以降低电路的实际成本，减少在硅上的电路尺寸，并且提高其可靠性；以及在跃迁期间传导损耗很少，这是由于相应的电流只流过无源部件。
作为不利的方面，由于流过电路的有效电流iL2很高，因此在电压跃迁阶段之外的传导损耗相应地较高。
图7示出了一个允许减少这些传导损耗的改进实施例。在本实施例中，电感元件L2包括两个串联的电感线圈，即较小值的电感线圈L21和能够工作在饱和模式下的较大值的电感线圈L22。在饱和模式下，电感线圈相当于空心电感线圈(air inductor)(没有磁性材料)。电感线圈L22在本情况中作用类似于自动开关。在饱和前，很小的电流流过它，而在饱和后，较高的电流流过它。在下面的描述中，L2既表示电感元件L2也表示该电感线圈的电感。
在不饱和模式中，电感线圈L2作为具有电感L22的电感线圈(L21与L22相比很小)，而在饱和模式中，作为具有电感L21的电感线圈(L22接近0)。在不饱和或饱和模式中的操作取决于流过L2的电流iL2。
参照图8说明图7的放大器的操作。该图示出了用于控制晶体管M1和M2的控制信号、放大器产生的电压信号以及流过电感器L21和L22的电流iL2。
电流iL2的操作的半周期被分成4个连续的操作阶段，表示为1到4。
在阶段1期间，开关M1闭合而开关M2打开。放大器的输出电压等于VS，并且流过电感线圈L2的电流由具有较高电感的电感线圈L22控制。这样，流过半桥结构的一个开关的电流非常小，这允许减少传导损耗。电感线圈L2两端的电压实质上是电感线圈L22两端的电压。
在阶段2的开始，电感线圈L22饱和。于是电路由电感线圈L21控制，电流iL2线性增加，同时开关M1保持闭合。
当两个开关M1和M2接通时阶段3开始。电感线圈L21随后与电容器Cp谐振，并且放大器上的输出电压开始沿着正弦曲线部分下降。在阶段3的中间，电感线圈L2两端的电压反向，并且通过它的电流降低。在该阶段之后，放大器的输出电压达到0伏(参考电势)。
在阶段4的开始，流过电感线圈L2的电流持续线性下降，开关M2是打开还是闭合取决于其内在的二极管(阴影区域)。M2必须在电流变成0之前闭合(阴影区域的结尾)。在该阶段之后，电感线圈L22不再饱和。然后开始与阶段1对称的阶段。
电感线圈L22的选择至关重要。需要选择合适的磁性材料，并且需要计算匝数。L22的匝数可以以下面的方式定义。
在每个操作阶段，例如图8的阶段1期间VL22=nAeΔBΔtph1]]>其中Ae是磁性材料的有效横截面；AB是在该阶段期间磁感应的变化；以及Δtph1是阶段1的持续时间。
在该阶段期间，L22两端的电压等于VS/2，并且磁感应在+Bsat和-Bsat(或者相反)之间变化，因此VS2=nAe2BsatΔtph1]]>(1)→n=VSΔtphl4BsatAe]]>Bsat和Ae是取决于所采用的磁性材料的变量。然后从等式(1)计算出电感线圈L22的匝数。选定了材料后，需要保证磁回路(magnetization cycle)是充分矩形的，使得饱和不是“软(soft)”的并且在饱和点的电流iL2较低(以便减少有效电流的强度)。此外，该回路的面积必须较小，以避免磁滞损失。
最好，电感线圈L21和L22是在同一个线圈中生产的，假设相应调整了线圈的匝数和磁性材料的有效横截面。例如，如果如上所述计算出的匝数n不适合线圈L21(在饱和模式时线圈L21对应于电感线圈L2的电感)，则可以与L2串联地添加另外的线圈。然而，也可以重新调整匝数和横截面Ae。
例如，如果对阶段1计算出的匝数n对于后面的阶段太大，则减少该匝数并且因而增加横截面Ae使得仍然满足等式1就足够了。
例如，如果对阶段1计算出的匝数是10，并且如果L21对于阶段2、3和4是四倍高，则将匝数n减半而将横截面Ae加倍就足够了。
最后，在图9中提出了另一维持放大器实施例。在该实施例中，电路(L2、C2)共同放置在面板的电极Y和Z的两个维持放大器之间。电路(L2、C2)于是连接在半桥式结构(M1、M2)和(M1’、M2’)的中点之间。使用该结构，用于电极Y和Z的维持信号必须具有反相同步跃迁。
权利要求
1.一种被设计用来利用电容性负载的软切换来产生矩形电压信号的放大器，所述放大器包括包括两个开关(M1、M2)的半桥式结构，其连接在电源端(VS)和参考端(GND)之间，所述结构的中点连接到所述电容性负载(Cp)；和具有能量恢复的软切换电路，其连接到所述半桥式结构，所述具有能量恢复的软切换电路由串联连接在所述电容性负载两端之间的电感元件(L2)与电容元件(C2)的形成，特征在于，所述电感元件(L2)包括串联连接的第一电感线圈(L21)与能够工作在饱和模式下的第二电感线圈(L22)。
2.如权利要求1所述的放大器，特征在于，在同一线圈中生产所述第一和第二电感线圈(L21、L22)。
3.如权利要求1或2所述的放大器，特征在于，所述第二电感线圈(L22)的电感与所述第一电感线圈(L21)的电感之比在100和1000之间。
4.如权利要求1所述的放大器，特征在于，电容元件(C2)的电容与电容性负载(Cp)的电容之比至少大于10。
5.如权利要求1到4中任一权利要求所述的放大器，特征在于，它被包括在等离子显示面板中，用于在面板的放电室的行扫描电极(Y)上产生维持信号，以便维持先前处于激发状态的面板的放电室中的放电，并且特征在于，电容性负载是面板的放电室的等效电容器。
6.如权利要求1到4中任一权利要求所述的放大器，特征在于，它被包括在等离子显示面板中，用于在面板的放电室的行公共电极(Z)上产生维持信号，以便维持先前处于激发状态的面板的放电室中的放电，并且特征在于，电容性负载是面板的放电室的等效电容器。
7.如权利要求1到4中任一权利要求所述的放大器，特征在于，它被包括在等离子显示面板中，用于在面板的放电室的列电极上产生寻址信号，并且特征在于，电容性负载是面板的放电室的等效电容器。
8.一种放大器，其被设计用来利用等离子显示面板的放电室的行扫描电极(Y)和行公共电极(Z)的软切换来产生第一和第二矩形电压信号，所述放大器包括具有两个开关(M1、M2)的第一半桥式结构，其连接在电源端(VS)和参考端(GND)之间，所述结构的中点连接到所述行扫描电极(Y)；具有两个开关(M1’、M2’)的第二半桥式结构，其连接在电源端(VS)和参考端(GND)之间，所述结构的中点连接到所述行公共电极(Z)；和具有能量恢复的软切换电路，其连接在所述第一和第二半桥式结构的所述中点之间，所述具有能量恢复的软切换电路由串联连接的电感元件(L2)与电容元件(C2)形成，特征在于，所述电感元件(L2)包括串联连接的第一电感线圈(L21)与能够工作在饱和模式下的第二电感线圈(L22)。
9.如权利要求8所述的放大器，特征在于，在同一线圈中生产所述第一和第二电感线圈(L21、L22)。
全文摘要
本发明涉及一种放大器，其被设计用来利用电容性负载(Cp)的软切换来产生矩形电压信号，该放大器包括包括有两个开关(M1、M2)的半桥式结构，其连接在电源端(VS)和参考端(GND)之间，所述结构的中点连接到所述电容性负载；和具有能量恢复的软切换电路。为了限制放大器中的传导损耗，具有能量恢复的软切换电路不包括有源部件，例如二极管或晶体管。根据本发明，它仅由串联连接在所述电容性负载两端之间的电感元件(L2)与电容元件(C2)形成。最好，电感元件包括饱和电感线圈以便限制放大器的传导损耗。
文档编号G09G3/288GK1760957SQ20051011338
公开日2006年4月19日 申请日期2005年10月11日 优先权日2004年10月11日
发明者迪迪尔·普洛奎恩 申请人:汤姆森特许公司