专利名称：用于模拟驱动电容性负载、尤其是压电执行器的电路和方法
用于模拟驱动电容性负载、尤其是压电执行器的电路和方法 本发明分别涉及按照权利要求l前序部分所述特征的用于模拟驱动电容性负载的电路，以及按照权利要求9前序部分所述特征的模拟驱动电 容性负载的方法。压电执行器作为控制元件而应用在许多方面。各种应用中的不同需 求主要在于参数，例如效率和信号质量等。执行器只有采用合乎特殊用 途的电子元件，才能在低电子元件成本下获得所需的功能。本文所介绍 的创新在于达到高效率的手段和有很高的信号质量，但是在例如开关时 间、公差、功耗等方面要求不高。文件EP 1 098 429 Bl中所述压环马 达的驱动器阶段是一个示范性应用。所述类型的压环马达包括一个作为 固体执行器驱动装置的具有圓柱形驱动面的驱动器体，所述表面也可以 用作环形驱动器体的内壁，至少两个使驱动器环在驱动平面振荡的固体转的传动轴， 一个用;驱动固体执行器的开关装置。尤其是在;吏用者便 于采用的所述驱动的应用中，要求所列举的参数合并起来以确保低噪声、 高效率、低成本。压电驱动器的概念是以开关模式电源输出级、模拟输出级、电荷泵 等为基础的，或者以所列举的各原理结合起来为基础的。虽然诸如开关 模式电源等计时输出级和混合输出级可以提供高效率，但是由于输出信 号的数字转换使信号质量很差，而且由陡峭瞬变会引起各种EMC问题 (EMC:电磁兼容性)。尽管信号质量可以通过增加开关频率和信号滤波 等方法而显著改善，但是会增加电路开销和元件上的需求。在所列边缘 条件下，由此也会产生更高的电子元件成本。一种已知的推挽输出级尤其包括具有第二和第三个晶体管Q2、 Q3的 一对互补发射极输出器，如图5所示。电容性负载P,在该处一边连接到 第二和第三个晶体管Q2、 Q3的集电极-发射极路径，另一边连接到一个 共用参考电位0。所述类型的输出级构成电流放大器，该电流放大器模拟 一项电压时间功能，施加到具有低阻抗的负载P的输入。所述结构的效率 低，因为两个晶体管Q2、 Q3的集电极-发射极路径上的电压降UCE2、 UCE3,以及由负载P造成的时间间隔T上的电流12、 13,而有大小为P2的功率，或者，P3的功率^I安照下式分别在相应的晶体管Q2、 Q3上转换为 热量P2(T) = (U1-UE) ■ 12 (T) = UCE2'12(T) 其中UBE2 0V以及 P3(T) = (UE-OV) 13 (T) = UCE3-13(T)其中UBE3 OV，其中两个晶体管Q2、 Q3的基极-发射极电压UBE2, UBE3几乎为0。但是，为了使电路工作而需要集电极-发射极路径的小电位差或电压 降UCE2、 UCE3,取决于晶体管的类型。本发明的技术问题是改善用于模拟驱动电容性负载的电路或者方 法。有利地将电压，或者根据情况将集电极-发射极路径的相应电压降UCE 减小到晶体管正常工作所必需的一个值。尤其是所述类型的电路应当能 够使用低功耗以及最好是改进了的效率进行运作。所述技术问题通过具有权利要求1特征的用于模拟驱动电容性负载 的电路得以解决，或者通过具有权利要求9特征的用于模拟驱动电容性负 载的方法得以解决。此外，具有权利要求8特征的固体执行器驱动装置是 一种有利的实施方案。各项从属权利要求中讨论的主题，都是有利的实 施方案。因此最好是选择一种用于模拟驱动电容性负载的电路，电路具有一个驱动源，用于提供为电容性负载充电的工作电压或工作电流； 一个电 路装置，用于负载的充电和放电； 一个储能电容器，用于负载放电时緩 存来自负载的电荷，而当负载充电时释放緩沖的电荷。有利之处在于电路还具有另一个电路装置，用于在负载放电到储能 电容器的第一放电阶段切换负载，用于在负载放电的第二放电阶段将负 载切换到一个参考电位，用于在负载从储能电容器充电的第一充电阶段 切换负载，用于在负载从驱动源充电的第二充电阶段切换负载。有利之处在于电路的参考电位也是驱动源和储能电容器的共用参考 电位。有利之处在于电路中另 一个电路装置具有用于切换负载的充电和放 电的开关，开关由辅助电路或控制装置驱动。有利之处在于电路中的电 路装置和另一个电路装置具有作为开关的晶体管，用于进行负载充电和 放电的切换，或者进行储能电容器充电和放电的切换。有利之处在于电路中的电路装置和另 一个电路装置具有二极管和/或齐納二极管， 一边连 接到储能电容器，另一边连接到用于驱动切换第一和第二充电阶段并切 换第 一和第二放电阶段的开关或晶体管的辅助控制装置。有利之处在于电路中至少有一个压电执行器作为负载。此外，最好是选择一种固体执行器驱动装置，具有带圓柱形驱动面 的驱动体，具有至少两个促使驱动体在驱动平面振荡的固体执行器，具 有位于驱动体表面并通过所述振荡使驱动体旋转的传动轴，具有用于驱 动固体执行器的电路，每个固体执行器被设计为一个电容性负载，而所 述的电路被设计为具有所述类型的储能电容器。最好是有创造性地选择一种模拟驱动电容性负载的方法，该方法通 过应用驱动源的工作电压或工作电流，用于电容性负载向负载充电及用 于负载的放电，负载中的电荷在第一放电阶段时緩存在储能电容器中， 并且在第一充电阶段时，为使负载充电，电荷从储能电容器中充电到负 载中。有利之处在于方法中的固体执行器，尤其是压电固体执行器，是 作为通过充电和放电的电容性负载而被驱动的。电路最好能形成一个用于驱动电容性负载的纯粹的模拟数值连续的 (和时间连续的)输出级。这种结构以一个包括互补发射极输出器的推 挽输出级为基础。电路经过修改，可以用一种简单的方式，对储存在负 载中的部分能量进行回收，用来对结构提供能量。所述类型的电路与开关模式电源输出级相比，其不利之处在于根本 上的效率太低。但是，对于很多应用来说，多重优点仍然是占主要地位 的。举例来说，有利之处在于结构简单。但是由于电容性负载不是在时 钟控制下驱动，而信号质量仍然很好，这是特别突出的优点。同时，在 多个晶体管之间能均匀分配热负荷，也是一项优点。此外，这样构成的 输出级，当它不在时钟控制下工作时，很难进一步构成破坏EMC的根源。 由于能量回收，所以能够获得达到高效率的方法。由于采用了标准元件， 不需要有感电阻，而且没有严格的公差要求，因而有利之处在于这种结 构是非常经济的。下面借助于附图更加详细地说明一个示范性实施方案图l示出按照第一个实施方案变型的具有储能电容器的电路， 图2示出按照第二个实施方案变型的具有储能电容器的电路，图3示出与不带储能电容器的电路形成对比的上述类型的优选电路 的电压-时间-函数。图4示出与不带储能电容器的电路形成对比的上述类型的优选电路 的电流消寿毛-时间-函数。图5示出按照不带上述类型的储能电容器的现有技术的电路。按照
图1和图2的实施方案变型构成一种用于驱动电容性负载P的具 有高效率、高信号质量、较低元件需求水平的时间连续的(和数值连续 的)输出级。这种结构的特征在于储能电容器C一般通过开关S1-S4，在 特殊情况下通过二极管D1-D4或晶体管Q1、 Q3-Q6,连接到两个互补输 出级晶体管Q2、 Q3的集电极。储能电容器C在电容性负载P放电时吸收能 量，并且再释放给所述负载，为之部分充电。储存在电容性负载P中的部 分电荷或能量，用这种方式回收。图1示出用于模拟驱动电容性负载P的一种示范性电路，该电路 最好被设计成一种电容性固体执行器，尤其是压电执行器。为负载P的充电提供工作电压U1或工作电流的驱动源G是通过一 个第一端子连接到参考电位0的，负载P也连接到参考电位。用于负载P充电和放电的电路装置，包括已知的第二和第三晶体 管Q2、 Q3。第二和第三晶体管Q2、 Q3，通过其串联连接的集电极-发射极路径，连接在驱动源G的一个第二端子和参考电位0之间。为 了被驱动，第二和第三晶体管Q2、 Q3的基极端，通过基极端电阻，连 接到 一 个适当的控制电路，控制电路的形式例如可以是 一 个控制端子 驱动源G1。控制端子驱动源G1，根据瞬时开关状态，形成一个控制端 子工作电压，这一电压可以作为相对于参考电位0的驱动信号UE(t) 得到。电容性负载P,通过它的一个端子，连接在第二和第三晶体管Q2、 Q3的两个集电极-发射极路径之间。负载P通过另一个端子施加到参 考电位0。依赖于第二和第三晶体管Q2、 Q3的基极端子的电位值，电 容性负载P通过驱动源G的工作电压Ul并通过第二晶体管Q2充电， 或通过第三晶体管Q3向参考电位0放电。这一电路包括作为主要元件的储能电容器C,例如电解电容，用于 在负载P放电时緩存来自负载P的电荷，并且在负载P充电时将緩沖 的电荷释放给负载P。储能电容器c通过四个开关，也就是所说作为另一个电路装置的 第一到第四个开关S1-S4,连接到包括第二和第三个晶体管Q2、 Q3 的电路装置。第一个开关Sl连接在参考电位0和第三个晶体管Q3之 间。第二个开关S2 —边连接到第一个开关Sl和第三个晶体管Q3,另 一边连接到储能电容器的第一端子。储能电容器C的第二端子施加于 参考电位0。第四个开关S4 —边连接到第三个开关S3和第二个晶体 管Q2的集电极之间的节点，另一边连接到驱动源G。储能电容器C的 第一端子还连接到第三个开关S3，第三个开关S3可以对第四个开关 S4和第二个晶体管S2的集电极之间的节点进行可切换连接。用于切 换负载P的充电和放电的开关Sl-S4,最好由附属于所示电路的电路 或控制装置驱动，并且该电路或控制装置还控制为了启动开关而施加 在第二和第三个晶体管Q2、 Q3的两个基极端子上的电位。把储能电容器C的电位调节到参考电位0和工作电压Ul之间的一 个值。电流通过开关Sl-S4控制，其方式为只要执行器的电位或者 负载P的负载电位超过储能电容器C的电位，为了对作为负载P的电 容性执行器进行充电，储能电容器C就继续由负载P通过第二开关S2 进行充电。 一旦负载电位相对于储能电容器C的电位来说变得很小， 负载P就通过第一个开关Sl直接向参考电位0放电。这表示只要储能 电容器C上的电位差Ucap(t)(见图2)能保证用于电路运行的足够 电压UCE，相应的晶体管Q2、 Q3就将继续从储能电容器C得到电流 IC的供应。负载P还被补充充电。只要执行器的电位或者负载P的负载电位 小于储能电容器C的电位，负载P就继续通过第三个开关S3，用緩存 在储能电容器C中的能量或者电荷进行充电。 一旦负载电位超过储能 电容器C的电位，负载P就通过第四个开关S4直接从驱动源G用工作 电压Ul进4亍充电。图2示出与图1相比进行了改进的一个实施方案变型，其中用自 动电子电路代替了可切换开关S1-S4。负载P继续通过连接到第二和 第三个晶体管Q2、 Q3的基极端子的相应的控制-端子电位，实际进行 充电和放电，就像按照图1的实施方案变型的情况一样。相反地，储 能电容器C的充电和放电，通过适当连接的其它晶体管Ql、 Q3-Q6及 二极管Dl -D4,进行切换。第二和第三个晶体管Q2、 Q3通过其基极端子，又经由基极端子电 阻RE,连接到控制-端子驱动源Gl，驱动源Gl建立了一个相对于参 考电位0的控制电位来作为驱动信号UE(t)。电容性负载P,其形式 最好是压电执行器， 一边连接到参考电位O，另一边又连接到第二和第 三个晶体管Q2、 Q3的两个集电极-发射级路径。用于提供向电容性负 载P充电的工作电压Ul或工作电流的驱动源G连接在参考电位0和第 一个晶体管Ql的集电极-发射级路径之间。第一个晶体管Ql的集电 极-发射级路径的第二个端子形成第二个晶体管Q2的集电极-发射级 路径的输入。第一个晶体管Ql的基极端子通过第一个电阻R1连接到 驱动源G的端子，该端子与第一个晶体管Ql连接。第一个晶体管Q1 的基极端子还连接到第五个晶体管Q5的集电极-发射级路径，Q5的集 电极-发射级路径的第二个端子连接到第二和第三个晶体管Q2、 Q3的 基极端子。第二和第三个晶体管Q2、 Q3的基极端子还通过第六个晶体 管Q6的集电极-发射级路径、并通过一个下游的第二个电阻R2连接 到参考电位0。第四个晶体管Q4，通过其介于参考电位0和第三个晶 体管Q3的集电极-发射级路径之间的集电极-发射级路径，连接到第 三个晶体管Q3的远离第二个晶体管Q2的端子。储能电容器C通过第四个二极管D4进行充电，第四个二极管D4 一边连接到第三和第四个晶体管Q3、 Q4之间的节点，另一边连接到储 能电容器C的第一个端子。从而在第一个放电阶段中，当电容性负载P 通过第三个晶体管Q3进行放电时，对储能电容器C进行充电。储能电 容器C在第一个充电阶段通过连接在储能电容器C和第一及第二个晶 体管Q1、 Q2间节点之间的第三个二极管D3进行充电。因此，通过第 二个晶体管Q2和第三个晶体管Q3的适当切换，储能电容器C电荷的 方文电可以导致对电容性负载P进行充电。为了在第二个放电阶段中对电容性负载P进行放电，第三和第四 个晶体管Q3、 Q4切换为导向参考电位0。尤其是具体为Z二极管或齐 纳二极管，并且连接在储能电容器C和第四个电阻R4之间的第二个二 极管D2被用于此目的，第四个电阻R4通过其另一个端子连接到第六 个晶体管Q6的基极端子。在第二个充电阶段，电容性负载P从驱动源 G，通过适当切换为导通的第一和第二个晶体管Ql、 Q2进行充电，这 一点是通过相应的驱动做到的，为此目的，在第三个电阻R3和储能电容器C的第一个端子之间连接了第一个二极管Dl，这个二极管尤其是 一个Z 二极管。第三个电阻R3的另一个端子连接到第五个晶体管Q5 的基极端子。按照图1的第一个开关Sl以及用于开关Sl的适当的驱动电路， 在图2中用包括第六和第四个晶体管Q6和Q4、第四和第二个电阻R4 和R2、第二个Z二极管D2的结构代替。储能电容器C和负载P的负 载电位之间的电位差，通过包含第二个Z 二极管D2和第六个晶体管 Q6的电路路径来测量。对于第二和第三个晶体管Q2、 Q3的基极端子 来说，负载电位和随时间变化的驱动信号UE(t)在数量上近似相等。 只要电位差超过第二个二极管D2的齐纳电压与第六个晶体管Q6的基 极-发射极路径的电压降之和，第六个晶体管Q6都保持在工作状态， 即表示切换为导通。第四个晶体管Q4的基极电位从而设置到负载电 位。第四个晶体管Q4从而退出工作或者，视情况而定，变为绝缘。所 述状态对应于图1中的打开开关Sl。如果储能电容器C的电位和负载 电位之间的电压差减到小于第二个二极管D2的齐纳电压和第六个晶 体管的基极-发射极路径上的电压降之和，则第六个晶体管Q6将退出 工作，第四个晶体管Q4进入工作，或者通过作为第二个电阻R2的基 极电阻而导通。所述状态对应于图1中的闭合开关Sl。第四个开关S4的等效电路是对图1中第一个开关Sl的等效电路 的补充，包括第一和第五个晶体管Ql、 Q5，第三和第一个电阻R3、 Rl，第一个二极管D1。图2是对电路进行的一项示范性模拟，其信号曲线示于图3和图4。 其中的驱动信号UE(t)是一个正弦函数，直流分量为U = 120V。电 压Ucap(t)和储能电容器C上的电位差相对应。在图3中，可以清楚 地看到储能电容器C根据驱动信号UE(t)的变化进行充、放电的循环。 变化的直流分量，或者电压Ucap(t)，与驱动信号UE(t)的直流分量 相同。图4中所示为驱动源G在其电源Ul上的电流消^^。其中一种创 造性结构的相应曲线与图5中的已知输出级形成对比。曲线清楚地表 明负载P的一半功率可以从储能电容器C得到。因此，这表示与不受信号质量负面影响的公知的类似方案相比， 功率吸收可以借助于优选结构而达到减半的效果。为了获得图3和4中的数值，图2中仅作为示范性的电路模拟参数如下负载电容值为5pF,储能电容值为47pF,第一和第二个电阻 Rl、 R2的阻值为22kQ,第三和第四个电阻R3、 R4的阻值为82kQ, 基极端子电阻RE的阻值为47Q,工作电压U1 = 250V，以及作为驱 动信号的控制端子工作电压UE(t) = 120V + llOV'sin(t 2n lOOHz)。
权利要求
1.用于模拟驱动电容性负载(P)的电路，具有-用于向电容性负载(P)提供工作电压(U1)或工作电流以进行充电的驱动源(G)，-用于负载(P)进行充电和放电的电路装置(Q2，Q3)，其特征在于，-储能电容器(C)，用于当负载(P)放电时缓存来自负载(P)的电荷，并且当负载(P)充电时将缓冲的电荷释放给负载(P)。
2. 根据权利要求l所述的电路，具有另一个电路装置(Sl - S4; Ql, Q4 - Q6, Dl - D4, Rl - R4)-用于在第一个放电阶段切换负载(P),使负载(P)向储能电容器 (C)放电，-用于在第二个放电阶段将负载(P)切换到参考电位(0),使负载(p)放电，-用于在第一个充电阶段切换负载(p),使负载(p)从储能电容器(c)充电，和-用于在第二个充电阶段切换负载(P)，使负载(P)从驱动源(G)充电。
3. 根据权利要求2所述的电路，其中参考电位(O)也是驱动源(G) 和储能电容器(C)的共用参考电位(0)。
4. 根据权利要求2或3所述的电路，其中该另一个电路装置具有开 关(S1- S4),这些用于对负载(P)的充电和放电进^f亍切换的开关(Sl - S4)是由辅助电路或控制装置驱动的。
5. 根据权利要求2 4中之一所述的电路，其中所述的电路装置和 该另一个电路装置具有作为开关的晶体管(Q1 - Q6),用于对负载(P)， 或者对储能电容器(C)的充电和放电进行切换。
6. 根据权利要求4或5所述的电路，其中所述的电路装置和该另一 个电路装置具有二极管(D3, D4)和/或齐纳二极管(Dl, D2),这些 二极管一边连接到储能电容器(C)，另一边连接到辅助控制装置，辅助控 制装置用于驱动开关(S1 - S4)或晶体管(Ql - Q6),从而对第一和 第二个充电阶段进行切换，以及对第 一和第二个放电阶段进行切换。
7. 根据前述权利要求所述的电路，其中负载(P)被设计成至少一个压电执行器。
8. 固体执行器驱动装置，具有 -具有圓柱形驱动面的驱动体，-至少两个使驱动体在一个驱动平面振荡的固体执行器， -位于驱动体表面并通过所述振荡引起旋转的传动轴， -用于驱动固体执行器的电路， 其特征在于，一这些固体执行器各自是一个电容型负载(P),而该电路被设计成前 述权利要求之一所述的电路。
9 .用于模拟驱动电容性负载(P)的方法，-为了使电容性负载(P)向负载(P)进行充电而施加驱动源(G)的工 作电压(U1)或工作电流，-对负载(P)进行放电， 其特征在于，-负载中(P)的电荷在第一放电阶段时緩存在储能电容器(C)中，并 且在第一充电阶段时，为使负载(P)充电，电荷从储能电容器(C)中充电 到负载(P)中。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中通过充、放电来驱动净皮设计 成电容性负载(P)的固体执行器，尤其是压电固体执行器。
11. 根据权利要求9或10所述的方法，用于控制权利要求l ~ 7之一 所述的电路，并且/或者用于控制权利要求8所述的固体执行器驱动装置。
全文摘要
本发明涉及用于模拟驱动电容性负载(P)的电路，具有用于向电容性负载(P)进行充电而提供工作电压(U1)或工作电流的驱动源(G)，用于负载(P)进行充电和放电的电路装置(Q2，Q3)，以及储能电容器(C)，用于当负载(P)放电时缓存来自负载(P)的电荷，并且当负载(P)充电时将缓冲的电荷释放给负载(P)。最好还涉及用于模拟驱动电容性负载(P)的方法，其通过把驱动源(G)的工作电压(U1)或工作电流施加到电容性负载以对负载(P)进行充电和放电，其中在负载(P)的第一放电阶段向储能电容器中存储负载(P)的电荷并且在负载(P)的第一充电阶段向负载中充电来自储能电容的电荷。
文档编号H01L41/09GK101258619SQ200680032497
公开日2008年9月3日 申请日期2006年9月4日 优先权日2005年9月5日
发明者A·卡佩尔, B·戈特利布, C·瓦伦豪尔, T·施韦贝尔 申请人:西门子公司