用于压电超声波换能器的驱动电路以及超声波换能器系统的制作方法

本发明涉及一种用于压电超声波换能器的驱动电路，所述驱动电路的基于变压器电感的开关过程的过电压保护有所改进。

背景技术：

1、超声波换能器用于物体识别，通常具有压电致动器，其需要约100至200v的高交流电压来进行激发。通常在功率放大器中借助于变压器通过电压转换来提供这种驱动电压的电压水平。

2、在发送模式下，将周期性的脉冲工作电压施加至变压器的一次侧，相应地将此工作电压升压变换成期望的驱动电压。为简化电路结构，激发以脉冲形式实施。为对这种变压器进行脉冲激发，在一次侧接通或断开所提供的工作电压。由于存储在一次侧的变压器绕组的电感中的电能，产生相对较高的关断电压。这个效应也被称作反激效应。

3、必须对通过反激效应在变压器的一次侧形成的较高的关断电压进行限制，以防止驱动电路的部件受损。通常经由二极管将一次侧电感的能量导出，并且作为热量形式的功耗输出。

4、超声波换能器系统通常交替地在用于输出超声发送信号的发送模式与用于接收超声接收信号的接收模式中对超声波换能器进行控制，此超声接收信号相当于在一个或多个周围物体处反射的超声发送信号。对所产生的超声信号传播时间连同其他特征一起进行评估，以得到处于超声波换能器系统的检测区域内的周围物体的相关信息。在从发送模式切换至接收模式时，需要尽可能快速地将存储在一次侧的能量完全导出，以便在发送模式结束后尽可能快速地提供接收模式开始时的灵敏度。发送模式结束后的检测能力的建立在很大程度上决定了超声波换能器系统可以在附近范围检测周围物体的距离。

5、本发明的目的是，提供一种用于超声波换能器的驱动电路以及一种超声波换能器系统，所述驱动电路更加高效且识别附近范围的周围物体的性能有所改进。

技术实现思路

1、本发明用以达成上述目的的解决方案为提供一种用于超声波换能器的驱动电路以及一种超声波换能器系统。

2、在本发明一实施例中，设有用于超声波换能器系统中的压电超声波换能器的驱动电路，包括：

3、具有至少一个一次侧绕组的变压器；

4、具有半导体开关的开关单元，所述开关单元经由开关接头与所述至少一个一次侧绕组连接，

5、控制单元，其适于将工作电压交替施加至所述至少一个一次侧绕组或与所述绕组隔开，

6、保护电路，其与所述开关接头电耦合且具有齐纳二极管，所述齐纳二极管将所述开关接头处的关断电压的值限制在至少相当于所述工作电压的两倍的限制电压。

7、所述限制电压可从工作电压值的两倍的100％至150％的范围，特别是工作电压值的两倍的105％至130％的范围内选择。

8、所述限制电压还可以通过选择齐纳二极管的起始电压或击穿电压来确定。

9、优选地，所述保护电路不与所述至少一个开关接头电容耦合。

10、在超声波换能器的驱动电路中，针对发送模式设有变压器，以便以相应的较高的驱动电压来控制该特别是构建为压电致动器的超声波换能器。以交流电压实施控制，通常通过提供给变压器的一次侧脉冲工作电压来提供该交流电压。通过施加或切断工作电压，特别是借助于适宜的半导体开关，如场效应晶体管等，来产生脉冲工作电压。

11、基于变压器的该至少一个一次侧绕组的电感，当切断工作电压时，基于存储在电感中的电能，开关变压器接头处出现明显的电压升高。电压升高可能导致超声波换能器系统的部件损伤或损坏。因此，通常设有对切断一次侧绕组后的电压升高进行限制的适宜的保护电路。

12、在切断变压器的一次侧绕组后，开关变压器接头处通常立即存在两倍的工作电压，因为该一次侧绕组的相应的另一变压器接头的电位未切换，因而保持恒定。现基于存储在绕组中的电能，在不采取其他措施的情况下，如果对一次侧绕组中的电流进行严格限制甚至使其中断，则关断电压通过一次侧绕组进一步升高。

13、因此，根据上述驱动电路，将保护电路耦合至该至少一个一次侧绕组的开关接头，且该保护电路具有齐纳二极管。该齐纳二极管的起始电压(击穿电压)至少大于用来接通一次侧绕组的工作电压的两倍。通过将齐纳二极管确定为一个大于两倍的工作电压的值，有效地防止一次侧绕组上的关断电压升高超过起始电压所定义的电压阈值。由此，第一，可以对一次侧上的电压进行限制以保护其他部件，第二，可以如此地选择这个电压，使其在与周围部件的共同作用下实现最佳的能量消耗。

14、通过在关断阶段使得电流经由保护电路的特定消耗，在从发送模式向接收模式过渡时，留在变压器中的电能较少，从而大幅缩短发送模式结束时的振荡过程。这样就能以改进的方式检测可能通过超声波换能器接收到的超声波接收信号，因为该超声波接收信号不会或仅在较短的持续时间内与发送模式结束后可能出现的振荡信号叠加。

15、工作电压可以用缓冲电容缓冲，其中保护电路通过泄放电阻与缓冲电容耦合。这样就能提供用于一次侧绕组的接通过程开始时所需的较大接通电流的电荷存储器。将切断时导出的能量回输至供电回路就能减少驱动电路的用电需求。

16、此外，保护电路可以通过二极管，特别是直接通过二极管与至少一个开关接头耦合，该二极管在该至少一个开关接头与齐纳二极管之间出现电压差的情况下引起来自或流向该至少一个开关接头的电荷流，以限制该至少一个开关接头处的电压变化。

17、这样就能通过串接将保护电路与二极管去耦合，从而减小保护电路对开关变压器接头或变压器的一次侧绕组的电容输入。此外，串联的二极管能够对齐纳二极管预加电压，使其开关惯性最小化。

18、齐纳二极管还可以与一个存储电容电并联，该存储电容对齐纳二极管的电容进行补充。这样就能改进切断变压器的一次侧绕组后对导出的电能的中间存储，可以将该电能用于下一开关操作循环，也就是在下次接通一次侧绕组时使用。通过针对性地选择高于工作电压的两倍的齐纳二极管的起始电压，在关断电压升高时，所产生的电流就能通过一次侧绕组流出至存储电容。电流持续流出，直至到达齐纳二极管的击穿电压。随后，电流继续进入齐纳二极管，直至再次低于齐纳二极管的击穿电压。但同时，增大的流量也会导致二次侧的电压升高。

19、存储电容特别是在与和保护电路串联的二极管共同起作用的情况下有意义，该二极管使保护电路与变压器绕组去耦。因此，二极管用于将齐纳二极管和存储电容所形成的电容与变压器回路去耦，并且施加增大开关速度的偏置电压。

20、此外，增大用于容置流出的电荷的电容，使得齐纳二极管的电容不再对开关速度有重大影响，但同时能够存储从变压器回流的能量。随后，可以通过泄放电阻将存储在这个电容中的能量回输至缓冲电容的电荷存储器。

21、根据一种实施方式，所述变压器可以具有两个一次侧绕组，这些绕组交替与工作电压连接以及与这个工作电压隔开，使得工作电压始终仅存在于一次侧绕组中的一处。

22、一次侧绕组的相应开关接头特别是可以通过相应的二极管与保护电路连接。

23、在本发明另一实施例中，设有一种超声波换能器系统，包括：

24、压电超声波换能器；

25、上述驱动电路，其中所述变压器的二次侧绕组与所述超声波换能器连接。