用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动超声换能器的驱动器设备和驱动方法
【专利摘要】本发明涉及一种驱动器设备(40；60)，用于驱动电容式负载(12)，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器(12)，所述驱动器设备包括：输出端子(42；68)，其用于向所述负载(12)提供交流驱动电压(V14；V22)；多个电压供应元件(46、48、50、52；72、74)，其用于提供中间电压水平(V16)；多个可控连接器件(S0-S7)，其每个被关联到所述电压供应元件(46、48、50、52；72、74)中的一个，以将所述电压供应元件(46、48、50、52；72、74)连接到所述输出端子(42；68)，并将所述中间电压水平(V16)中的一个或者将多个所述中间电压水平(V16)的总和作为所述交流驱动电压(V14；V22)供应到所述输出端子。
【专利说明】用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动超声换能器的驱动器设备和驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动包括一个或多个换能器元件的超声换能器的驱动器设备以及相应的驱动方法。此外，本发明涉及一种超声装置。
【背景技术】
[0002]在超声换能器领域中，压电式换能器(例如锆钛酸铅(PZT)换能器)以及现今的MEMS换能器(例如电容式微机械超声换能器(cMUT)设备)的使用是用于提供二维或三维超声波的习惯作法。该领域中的微机械技术允许小的特征尺寸并允许高频波束成形阵列的实现，高频波束成形阵列能够被单片形成在相同晶片上。
[0003]现有的超声换能器因有限的耦合因数，而具有有限的功率因数和有限的效率。超声换能器的耦合因数表示在无损振动周期中，被存储和传送的机械能与总电能的比率。cMUT的常见耦合因数在50%以内，而有效耦合区域可能甚至更低。实际上，换能器驱动电路必须向换能器提供由换能器传送的声能的量更多的电能。剩余能量被保存在换能器的电抗部分，或被耗散在电阻部分中并被转换成损失的热。被保存的能量，其主要为电容式电能，可以被传送回驱动电路，并且根据驱动类型，该能量能够在随后的振动周期期间被减小，或者被耗散在驱动电路中。
[0004]用于在驱动器设备处保存能量的常用方法是使用额外的电抗设备，即电感器，其在能量存储方面与换能器反相操作。在具有离散的驱动电子器件的二维换能器阵列的情况中，离散的电感器与驱动器串联使用。针对包括数千个换能器的三维超声阵列以及在集成电子器件的情况中，各自的电感器将大幅增加驱动器设备的总体尺寸。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的是提供一种改进的驱动器设备以及相应的驱动方法，以驱动电容式负载，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器，提供增大的功率因数和减小的增大的耦合因数。此外，本发明的目的是提供一种相应的超声装置。
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种驱动器设备，其用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器，所述驱动器设备包括:
[0007]-输出端子，其用于向所述负载提供交流驱动电压，
[0008]-多个电压供应元件，其用于提供中间电压水平，
[0009]-多个可控连接器件，其每个被关联到所述电压供应元件中的一个，以将所述电压供应元件连接到所述输出端子，并将所述中间电压水平中的一个或者将多个所述中间电压水平的总和作为所述交流驱动电压供应到所述输出端子。
[0010]根据本发明的另一方面，一种用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动包括一个或多个换能器元件的超声换能器的驱动方法，其中，所述驱动方法包括以下步骤:
[0011]-向所述负载提供交流驱动电压，[0012]-借助于多个电压供应元件，提供多个中间电压水平，以及
[0013]-将所述电压供应元件顺序地连接到所述负载，以将逐步上升或下降的电压作为所述交流驱动电压提供到所述负载。
[0014]根据本发明的又一方面，提供一种超声装置，包括:超声换能器，其包括一个或多个换能器元件，尤其是包括电容式微机械超声换能器元件；以及如根据本发明提供的用于驱动所述超声换能器元件的驱动器设备。
[0015]在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。应理解，要求保护的方法具有与要求保护的设备相似和/或等同的如在从属权利要求中定义的优选实施例。
[0016]本发明基于以下理念:提供用于驱动电容式负载的驱动器设备，其向所述电容式负载提供中间电压水平或所述中间电压水平的总和，以防止所述负载从零电压一步充电到最大电压，以便防止大部分能量耗散在将所述负载连接到供给电压的各自开关元件中。为了减少在所述开关元件中耗散的电能，根据本发明的所述驱动器设备包括多个电压供应元件，所述多个电压供应元件供应中间电压水平以形成总供给电压，并相应地提供所述中间电压水平中的一个或总和，以为所述电容式负载充电。由于与由一步施加到所述负载的总供给电压提供的电能相比较，被提供到所述电容式负载的中间电压水平的总和的电荷能被减少，因此能够减少功率耗散。因此，提供中间电压水平或中间电压水平的总和，能够提供更为灵活的驱动器设备，并且由于在被供应到所述电容式负载的所述中间电压水平中的一个或所述中间电压水平的总和之间进行切换，能够减少功率消耗。由于从电源得到的电荷能在充电期间减少，并且在放电期间增加，并且通过将所述中间电压水平施加到所述负载而被供应回到所述电源，因此减少了耗散能量并且改善了耦合因数。
[0017]在优选的实施例中，所述电压供应元件彼此串联连接。这是用于将所述中间电压水平增加到完全供给电压以供应到所述电容式负载的简单解决方案。
[0018]在另一实施例中，所述连接器件包括多个可控开关，每个可控开关均被连接到一个电压供应元件并被连接到所述输出端子。这提供了有效电路，以将所述电压供应元件中的一个或者将多个所述电压供应元件的中间电压水平连接到所述输出端子，并以低的技术努力，向所述负载提供所述中间电压水平或所述中间电压水平的总和。
[0019]在优选的实施例中，所述电压供应元件为分离电压源，每个分离电压源提供所述中间电压水平中的一个。这是用于向所述负载提供中间电压水平的简单可靠的解决方案。
[0020]根据另一优选实施例，所述电压供应元件为形成串联连接的分压器元件，其中，所述串联连接包括用于将所述驱动器设备连接到外部电源的输入端子。这是用于以低的技术努力，从外部供给电压形成所述中间电压水平的廉价解决方案，其中，所述分压器按照期望将所述外部供给电压分成不同的中间电压水平。
[0021]根据备选实施例，所述电压供应元件为电压转换单元，尤其是DC-DC电压转换器，其被连接到外部电源，以将外部电压转换到所述中间电压水平。这是将外部电压转换到中间电压水平的解决方案，其具有高功率效率。
[0022]在优选的实施例中，所述驱动器设备包括用于控制所述可控连接器件的控制单元，其中，所述控制单元被提供用于将所述电压供应元件顺序地连接到所述输出端子，以提供逐步上升或逐步下降的驱动电压。这提供了用于将所述供给电压施加到所述负载简单的解决方案，其由于在电压步骤的每个期间施加降低的电压水平而具有减少的功率耗散。换言之，跨开关的电压被降低。这减少了在开关中的功率耗散。
[0023]在优选的实施例中，所述驱动器设备还包括第二输出端子，其中，驱动电压被提供在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间。这提供了用于借助于两个分离的电压供应元件主动地驱动所述电容式负载的两个输入端子的简单的解决方案。
[0024]根据优选的实施例，电压供应器件被连接到所述第二输出端子，以向所述第二输出端子供应偏压。这是用于以低的技术努力，在所述第一输出端子与所述第二输出端子的两个电压电势之间提供电压偏移以增大被供应到电容式负载的驱动电压的一种可能性。
[0025]根据优选的实施例，所述驱动器设备包括用于提供中间电压水平的第二多个电压供应元件，以及第二多个可控连接器件，所述第二多个可控连接器件的每个被关联到所述第二电压供应元件中的一个，以将所述第二电压供应元件连接到所述第二输出端子。这提供了用于以低的技术努力主动地驱动两个输出端子的所述驱动器设备的电路结构。
[0026]根据优选的实施例，所述控制单元被提供用于控制所述第一多个连接器件和所述第二多个连接器件，并且其中，所述控制单元被提供用于将所述电压供应元件顺序地连接到各自的输出端子，以提供逐步上升或下降的驱动电压。由于控制单元的量被减少，这提供了具有低的技术努力的驱动器设备。
[0027]如上文提及的，本发明提供一种解决方案，其减少了用于驱动电容式负载的驱动器设备的功率耗散，这是因为中间电压水平或中间电压水平的总和被供应到所述负载，并且对应于耗散的能量的电荷能与所供应的电压的平方成比例。如果所述中间电压水平被逐步提供到所述负载，则被施加到所述负载的电荷能被减少，并且因此，功率耗散也能够被减少。因此，能够提高所述驱动器设备的效率以及所述超声换能器的耦合因数。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]本发明的这些以及其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见，并将参考下文描述的实施例得以阐明。在以下附图中
[0029]图1a示出用于驱动超声换能器的已知驱动器设备的示意性框图；
[0030]图1b示出用于驱动超声换能器的脉冲驱动电压的计时图；
[0031]图1c示出当换能器在其工作频率附近操作时有用的超声换能器的简单电路模型；
[0032]图2示出用于驱动超声换能器的驱动器设备的第一实施例的示意性框图；
[0033]图3示出由图2的驱动器设备提供的驱动电压的驱动脉冲的范例；
[0034]图4示出针对用于提供驱动脉冲的驱动器设备的控制信号的计时图；
[0035]图5示出在图2的驱动器设备的不同电压供应元件中的电流的四个计时图；
[0036]图6示出用于驱动超声换能器的驱动器设备的第二实施例的示意性框图；并且
[0037]图7示出由图6的驱动器设备提供的驱动脉冲的计时图。
【具体实施方式】
[0038]图1示出用于驱动超声换能器12的已知驱动器设备10 (也称作脉冲器)的实施例。驱动器设备10被连接到电源14，电源14向驱动器设备10提供供给电压V10。驱动器设备10包括两个晶体管16、18，两个晶体管16、18在反相器配置中彼此连接并且被连接到电源14。超声换能器12被电连接到晶体管16、18的漏极连接器。通过闭合晶体管16 (使晶体管16导电)，将驱动器设备10的输出节点19连接到VlO ;通过闭合晶体管18，将输出节点19连接到GND。超声换能器12包括两个输入端子20、22，其中，第一输入端子20被电连接到驱动器设备10的输出节点19，并且第二输入端子22被连接到中性点电压或偏压，这取决于所用的换能器类型(cMUT、PZT等)。通过交替打开和关闭晶体管16、18，将供给电压VlO以脉冲形式提供到换能器12。换言之，所述换能器或被连接到电压供应14的高电势，或被连接到电源14的低电势，以向超声换能器12提供脉冲驱动电压V12。
[0039]在图1b中示出脉冲驱动电压12的计时图。脉冲驱动电压V12在零与VlO之间交替。当晶体管16被打开并且晶体管18被关闭时，电压水平V12在“t_打开”从O增大到V10,并且当晶体管16被关闭并且晶体管18被打开时，驱动电压V12在“t_关闭”从VlO切换到零。因此，脉冲驱动电压V12在O与供给电压VlO之间交替，并且电压水平被一步增大或减小。
[0040]图1c示出超声换能器12的简单电路模型(一般由30指代)的示意图。当换能器12在其工作频率附近操作时，该模型30有效。电路模型30包括彼此并联连接的电容器32和电阻器34。具有电容C的电容器32和具有电阻R的电阻器34每个被连接到输入端子20、22，输入端子20、22被提供为将所述换能器连接到驱动器设备10。在该电路模型30中，电容器32表示与电子器件和/或互连器件的电容(寄生电容)相组合的超声换能器12的平行板电容。在电阻器34中消耗的能量表示被所述超声换能器转换成声能的能量。
[0041]电容器32在“t_打开”与“t_关闭”之间被充电电压V10，并且在“t_关闭”与“t_打开”之间被放电到O伏特。当从电压水平VIO被放电到接地时(或当从接地被充电到VIO时)，存储在电容器32中的电能由下式给出:
[0042]ED=C*(V10)2/2[0043]其中，Ed为存储在电容器32中的电能，并且C为电容器32的电容。如果考虑偏压，则所述电能将会不同。对于使用如VlO的DC供给电压将电容器32从OV充电至VlO所必要的电能由下式给出:
[0044]Ec = C*(VlO)2
[0045]其中，Ec为对电容器32充电所必要的能量，并且C为电容器32的电容。能量差Ec-Ed在对电容器32进行充电期间在晶体管16中被耗散，并且能量Ed在电容器32放电时在晶体管18中被耗散。在完整切换周期之后，由驱动器设备10提供的全部电能均在开关中被耗散，并且被转换成热。
[0046]图2示出根据本发明的第一实施例的驱动器设备的示意性框图。图2的驱动器设备一般由40指代。
[0047]驱动器设备40包括输出端子42以向超声换能器12提供输出电压V14和驱动电流I。驱动器设备40包括第二输出端子44，第二输出端子44被连接到中性点电压或偏压(取决于所用的换能器类型)。
[0048]驱动器设备40包括四个电压供应元件46、48、50、52。电压供应元件46_52中的每个均提供中间电压V16，作为供给电压VlO的部分电压V16。中间电压水平V16的总和与供应的电压VlO相等。中间电压水平V16优选地相等，并且在该实施例中V16 = 0.25*V10。在备选实施例中，中间电压水平V16彼此不同，其中，中间电压水平V16的总和仍等于供给电压V10。电压供应元件46-52彼此串联连接。电压供应元件46-52每个被连接到控制开关SO、S1、S2、S3、S4，控制开关SO、S1、S2、S3、S4被连接到输出端子42。控制开关S0-S4被连接到由电压供应元件46-52提供的每个电压电势，使得每个电势能够被提供到输出端子42。开关S0-S4由控制单元53控制。换言之，控制开关SO被连接到第二输出端子44，并且因此被连接到中性点，使得如果关闭控制开关S0，则驱动电压V14为O。控制开关S1、S2、S3被连接在电压供应元件46-52之间，使得能够将电压电势V16、2*V16和3*V16供应到输出端子42。控制开关S4被连接到电压供应元件52，使得能够将电压电势4*V16提供到输出端子42。必须顺序地切换开关S0-S4。换言之，在任意情况中均应避免开关S0-S4的各自的导电相位与各自的短路的交叠。根据备选实施例，以开关的组合式并联/串联连接来提供开关S0-S4，以避免任何短路。
[0049]因此，能够通过切换控制开关S0-S4，将在电压供应元件46-52处或之间的任意电压电势提供到输出端子42。换言之，能够通过驱动器设备40提供0V、供给电压VlO以及所述中间电压水平。因此，能够向超声换能器12提供逐步上升或逐步下降的驱动电压V14。
[0050]图3为由图2的驱动器设备40提供的脉冲驱动电压V14的计时图。脉冲驱动电压V14分四步逐步从O增大到VlO。脉冲驱动电压V14在tl从O增大到0.25*V10，其等于V16。脉冲驱动电压V14在t2从0.25*V10增大到0.5*V10，即从V16到2*V16。在t3和t4，脉冲驱动电压V14在每种情况中均增大了中间电压V16，以在t4达到供给电压V10。因此，驱动电压V14以中间电压水平V16的电压步级，逐步从O增大到V10。从t5至t8，脉冲驱动电压V14以中间电压水平V16的步级逐步减小。在t5，脉冲驱动电压V14从VlO降低了中间电压V16以到达0.75*V10，换言之，从4*V10降至3*V10。在t6、t7和t8，脉冲供给电压V14在每种情况中降低了中间电压水平V16，直到脉冲驱动电压V14为零。
[0051]因此，脉冲驱动电压水平V14以中间电压水平V16的步级逐步从O增大到供给电压V10，并以中间电压水平V16的步级，逐步从供给电压VlO降低。
[0052]通过切换控制开关S0-S4中的一个以将各自的电压电势施加到输出端子42，来提供如在图3中所示的逐步上升的脉冲驱动电压V14。因此，能够向输出端子42提供0V，或中间电压V16，或中间电压V16的总和。借助于开关S0-S4的连续关闭与打开，能够提供逐步上升和逐步下降的脉冲驱动电压V14。
[0053]在图4中，示意性地示出针对控制开关S0-S4的控制信号的计时图。所述控制信号由控制单元53提供，以对控制开关S0-S4进行控制以将供给电压VlO = 4*V16连接到输出端子42，即关闭控制开关S4。在t5，控制开关S4被切断并且控制开关S3被接通。因此，将电压电势3*V10提供到输出端子42。在t6，控制开关S3被切断并且控制开关S2被接通，以将2*V16提供到输出端子42。在t8，控制开关SI被切断并且控制开关SO被接通，使得输出端子42被连接到中性点，并且脉冲驱动电压V14为O。在tl，控制开关SO被切断并且控制开关SI被接通，以将中间电压V16提供到输出端子42。在t2和t3，控制开关S1、S2、S3被分别接通和切断，以将中间电压V16的各自的总和提供到所述输出端子，并且在t4，控制开关S3被切断并且控制开关S4被接通，以将供给电压VlO = 4*V16提供到输出端子42。如上文提及的，应顺序地使开关S0-S4启动，并且应避免所述控制信号的交叠，以防止短路。因此，能够通过在图4中示意性示出的控制信号，实现逐步上升和逐步下降的脉冲驱动电压V14。
[0054]图5示出在脉冲驱动电压V14的逐步增大与逐步减小期间，电压供应元件46-52中的每个的电流的四个计时图。在第一时间部分Atl期间，脉冲驱动电压V14从O增大到V10,并且在第二时间部分Λ t2期间，脉冲驱动电压V14逐步从VlO降至O。
[0055]如在图5中所示，当驱动电压V14增大时，电压供应元件46在tl_t4的所有步骤期间提供充电电流。除了在tl的第一步骤，在t2、t3和t4的步骤期间，电压供应元件48提供充电电流。电压供应元件52仅在t4的最后步骤期间提供充电电流。
[0056]在第二时间部分At2期间，通过在t5、t6和t7的放电步骤，将充电电流返回到电压供应元件46。此外，在t5和t6的放电步骤期间，将充电电流返回到电压供应元件48，并且在t5的放电步骤期间，将充电电流返回到电压供应元件50。一般而言，所述电压供应元件在η个充电步骤中将充电电流提供到换能器12，并且在η-1个放电步骤期间从所述换能器接收充电电流。
[0057]在换能器12的充电期间提供的电能能够通过下式计算:
【权利要求】
1.一种驱动器设备(40 ;60)，用于驱动电容式负载(12)，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器(12)，所述驱动器设备(40 ；60)包括: -输出端子(42 ;68)，其用于向所述负载(12)提供交流驱动电压(V14 ;V22)， -多个电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)，其用于提供中间电压水平(V16)， -多个可控连接器件(S0-S7)，所述多个可控连接器件的每个被关联到所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)中的一个，以将所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)连接到所述输出端子(42 ;68)，并将所述中间电压水平(V16)中的一个或者将多个所述中间电压水平(V16)的总和作为所述交流驱动电压(V14 ；V22)供应到所述输出端子。
2.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46、48、50、52;72、74)彼此串联连接。
3.如权利要求1或2所述的驱动器设备，其中，所述连接器件(S0-S7)包括多个可控开关(S0-S7)，所述多个可控开关的每个被连接到一个电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)并被连接到所述输出端子(42 ；68)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46、48、50.52;72、74)为分离电压源，所述分离电压源的每个提供所述中间电压水平(V16)中的一个。
5.如权利要求1至4中任一项所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46、48、50.52;72、74)为形成串联连接的分压器元件，其中，所述串联连接包括用于将所述驱动器设备(40 ；60)连接到外部电源的输入端子。
6.如权利要求1至4中任一项所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46-52；72,74)为电压转换单元，所述电压转换单元被连接到外部电源，以将外部电压转换为所述中间电压水平(V16)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的驱动器设备，还包括用于控制所述可控连接器件(S0-S7)的控制单元(53 ;86)，其中，所述控制单元(53 ；86)被提供用于将所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)顺序地连接到所述输出端子(42 ;68)，以提供逐步上升或逐步下降的驱动电压(V14 ；V22) ο
8.如权利要求1至7中任一项所述的驱动器设备，还包括第二输出端子(76)，其中，所述驱动电压(V22)被提供在所述第一输出端子(68)与所述第二输出端子(76)之间。
9.如权利要求8所述的驱动器设备，还包括电压供应器件，所述电压供应器件被连接到所述第二输出端子(76)以向所述第二输出端子(76)供应偏压(VB)。
10.如权利要求8或9所述的驱动器设备，还包括用于提供中间电压水平(V16)的第二多个电压供应元件(80、82)，以及第二多个可控连接器件(S8、S9、S10)，所述第二多个可控连接器件的每个被关联到所述第二电压供应元件(80、82)中的一个，以将所述第二电压供应元件(80、82)连接到所述第二输出端子(76)。
11.如权利要求9所述的驱动器设备，其中，所述控制单元(86)被提供用于控制所述第一多个连接器件和所述第二多个连接器件(S0-S10)，并且其中，所述控制单元(86)被提供用于将所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74、80、82)顺序地连接到各自的输出端子(68、76)，以提供逐步上升或逐步下降的驱动电压(V22)。
12.一种用于驱动电容式负载(12)，尤其是用于驱动超声换能器(12)的驱动方法，所述方法包括以下步骤: -向所述负载(12)提供交流驱动电压(V14 ；V22), -借助于多个电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74、80、82)，提供多个中间电压水平(V16)， -将所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74、80、82)顺序地连接到所述负载(12)，以将逐步上升或逐步下降的电压(V14 ；V22)作为所述交流驱动电压(V14 ；V22)提供到所述负载(12) ο
13.一种超声装置，包括: -超声换能器(12)，其包括一个或多个换能器元件，所述超声换能器尤其是电容式微机械超声换能器，以及 -如权利要求 1至11中任一项所述的驱动器设备(40 ;60)，其用于驱动所述超声换能器元件。
【文档编号】B06B1/02GK103998151SQ201280061620
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】A·C·范伦斯 申请人:皇家飞利浦有限公司