专利名称：具有电容耦合的高电压脉冲驱动器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及驱动器电路，尤其涉及用于显示器应用的驱动器电路。
背景技术：
使用互补型N和P沟道功率FET晶体管来形成用于高电容线路的脉冲驱动器是方便的，如图2、3、5和6中的现有技术所示。例如，这些驱动器可用作为大屏幕冷阴极和等离子显示器的线驱动器。
现有技术的一个示例如图2所示，其中输出56是电源电压57和接地之间差值(gap)的函数。齐纳二极管53桥接电源57和接地之间的电压差，并且被选为向晶体管54或55提供可靠的导通电压。在该示例中，53的齐纳电压可被选为小于54的导通电压或约为10V的电源电压57。
当设计需要在输出56处采用更高电压时，这种现有技术中就会出现一些问题。首先是当在设计中有意改变电压57时，必须调节齐纳二极管53的值以作补偿。
为减轻该问题，图3所示的现有技术电路用电容器替代齐纳二极管53，从而允许对电源电压57的任意选择，而不受诸如齐纳二极管53的跨固定电压差值器件的限制。
正输入脉冲41驱动晶体管42的栅极，通过电容器44桥接电源46的电压差，以关闭晶体管43。即，尽管晶体管42和43的栅极可有例如400V的电压差，但由于耦合电容器44的作用，它们精确地彼此随动。如果电轨(power rail)48上的噪声约达2到5V，则可能会不正常地导通晶体管43。
使用简单电容耦合的第二个问题在于输入41处的长输入脉冲通过电阻器45和电容器44的R-C时间常数而产生差分，最终导致晶体管43上的驱动信号损失。其影响是限制可使用电容耦合获得的占空因数(导通/截止比)。这种问题可以由本发明的施密特(Schmidt)触发器存储特征而校正。
电容耦合中的第三个问题是噪声的影响。虽然电容耦合有助于其它问题的低成本方案，但是当计划采取高电压操作时它变得不稳定。图4所示的区域A示出一示例期望电源电压，显然为一不变值。
B部分示出了可能在通常电源中出现的交流(AC)纹波，而C部分示出了在该电源中出现的一些附加噪声。在该情形中，理想的电源通常确保纹波和噪声不会超过250V预期电源电压的5％或10％。
假设净输入信号在输入41提供，并无噪声地适当传送至晶体管43的栅极。连接到电轨48的晶体管43的源极会随电轨上的噪声而漂移(wandering)。当噪声超过晶体管43的导通参数时，晶体管将导通。实际上，电轨上的噪声通常是电源电压的5％到10％，必然使该驱动器在比约40V高得多的电压下将不会正常工作。本发明可避免在较高电压下操作时的该问题。
即，加在电源线57上的非预期信号可能达12到25V。这大大超过了导通(或截止)晶体管54或43所需的电压，从而导致在更高电压时驱动器的不可靠操作。随着电源电压增大，最终噪声将超过FET晶体管的导通电压，从而导致使用简单电容耦合的该不稳定操作。当电流源用来桥接电轨到电轨的电压差时，增大的电源电压将会直接增大功率损耗。
图5示出现有技术的另一示例，用电流源20-23替代齐纳二极管53。这些电流源20-23跨接由电池30提供的上电轨33和下电轨34之间的高电压差。场效应晶体管(FET)26和27形成一互补对，它们的栅极由电压源30的大约全部电压分隔。恒流源20和21可由固定电阻器替代。输入脉冲25施加在FET 26和29上，并且逆向施加在FET 28上使输出31降低。来自源22和23的电流的最终变化由比较器24检测，从而关断上部的FET 27。类似地，逆向脉冲25使源22和23的平衡逆转，并使FET 26和27的导电逆转。
源22和23上所降电压大约等于电池30所提供的电轨-电轨压降。在这些源上损耗掉的功率等于其电流和该电压的乘积，随着电压源30增大损耗也会逐渐增加。当仅有一些恒流切换电路可被设计成耐必要损耗时，整个设计在需要大量或数百这种电路时很快变得不实用了，诸如在高压等离子或纳米碳管显示器中、或者在驱动其它形式的相对较高的电容负载时。I*V乘积之和使这种方法不实用。
现有技术的又一示例在下面图6中给出，它是耦合变压器的驱动器。它克服了电容耦合的大多数噪声相关限制，但带来了若干其它限制。输入信号61由62放大并施加到晶体管65和66。在该简化示意图中，正脉冲61将导通晶体管65并截止晶体管66，或反之，从而导出幅值为电轨67幅值的输出脉冲68。电轨67的例如250V的电压由变压器63和64的独立次级线圈跨接，从而消除了图3所示电路中的许多噪声问题。这是因为次级线圈将晶体管65和66的栅极驱动信号与电轨67的共模噪声隔离开了。
变压器方案有两个问题变压器相对较贵，并且脉宽和占空因数受变压器的磁性特征限制。输入61的脉宽受图3电容耦合电路的R-C时间常数限制，并受图6变压器铁芯的矫顽磁性限制。本发明解决了这些问题。
为了更全面地理解本发明及其优点，结合附图参考以下描述，其中图1示出本发明的正驱动实施例；图2-6示出现有技术驱动器；图7示出本发明的负驱动实施例；以及图8示出根据本发明诸实施例配置的显示器。
具体实施例方式
本发明克服了现有技术的设计问题，诸如较高电压时的电流损耗或噪声相关的非稳定操作、以及对驱动器所产生脉冲的占空因数的限制。具有磁滞现象的施密特触发器提供脉冲存储器，以及与电源噪声的显著隔离，这些都是现有技术的附加问题。
利用本发明一实施例的正极性驱动器的一示例实现如图1所示。
本发明的各个特征为1.对于正负驱动系统，都会出现变化。
2.因为磁性材料中所固有的占空因数限制无需耦合变压器。
3.可在栅极到栅极高电压差值上可使用简单电容耦合。本发明在高电压电源线上允许更宽的高频纹波电平，并且对这些线路上的低频(例如120Hz)不敏感。
4.在高端和低端驱动上都设有电流限制。
5.在恒流高电压差驱动中时不会出现恒定功率损耗。
6.对高电压驱动“远”端提供短路保护。
7.内置的FET负阻特性二极管保护免受电弧感应正尖峰(spike)。
8.电流限制和有源截止保护免受电弧感应负尖峰。
9.除在实际的信号沿数据转换期间之外，仅出现最低功率损耗。
本发明的优点本发明较之诸如变压器、光学和简单电容器耦合的现有技术有很多优点。
对于脉冲应用，现有技术通常在上部和下部的晶体管栅极之间使用直接(DC)或电容(AC)耦合，但是当电源电压增大时，它就变得不实用了。电源线上的纹波和瞬态噪声通常是DC电平的5％到10％，从而导致在直接和常规电容耦合情形中都会出现假触发。要解决这些问题，现有技术通常转而使用变压器或电光装置，从而可有效地消除这些共模噪声。这些方法可以起作用，但是由于其复杂性增加，或者特别是磁性材料所强加的占空因数限制，它们常常并非理想之选。
在此给出本发明的一些优点，但是本列表决不限于优于现有技术方法的优点1.电容耦合的新颖变体提供了广泛的电源电压范围，但没有传统方法对噪声的敏感性。
2.在耦合电容器两端都发现低阻抗，从而进一步减小非预期的噪声耦合。
3.在高电压远端提供短路保护，并且两端都被有效地保护，以免受诸如由电弧或短路所致的短时间电涌所害。
4.该电路对低频(60-100Hz)电源线纹波、以及中等高频纹波分量不敏感。
5.虽然使用了AC耦合，但是远端存储器允许在驱动信号中采用极长脉宽和极大范围的占空因数。
6.电路能驱动具有极大电压漂移的中等大电容负载。
7.具有延迟的内部限流电路提供防止热过载的短路保护。
在此所描述的本发明讲解了一种电容耦合装置，它在常见于较高电压系统的高电源纹波出现时有用。它允许极大的占空因数范围，但没有变压器磁性元件的限制，或者光学耦合方法的增加复杂性。并且在由对输出驱动线路的高压电弧产生的电压瞬值出现时也耐用。
作为本发明一实施例，负向高压线路驱动器在图7中示出。(逆向)输入脉冲施加在驱动器101上，并且在101的输出处从低电压CMOS电平升至12V漂移。该输出施加在晶体管102的栅极上，使其导通。同时，相同的12V脉冲通过高压电容器106施加在施密特触发器107的输入上。107的输出施加在晶体管108的栅极上，使其截止，结果为输出105变高。
类似地，当驱动器101上的输入变高时，所有上述信号自己逆转，驱使输出105降低。本发明中提供的噪声容限由电阻器对113-114与施密特触发器107的正向和负向转换阈值确定。两个电阻器113-114被计算成使施密特触发器107的输入在其切换阈值之上和/或之下。通过电阻器113的正反馈迫使一附加磁滞作用，该作用将容限拓宽到输入的正负转换阈值的正常差值之外，通常该阈值约为电源电压的1/3和2/3。
驱动器101必须提供足够的信号，来克服施密特触发器107的复合磁滞现象。例如，驱动器101的12V电源产生12V的驱动，而施密特触发器107的电源建立施密特触发器107的切换点。
甚至对极长的脉宽，对106/113/114R-C组合使用小时间常数也是可以接受的。它可显著减小图7驱动器下半部分对图4的低频电源纹波的敏感度。对电轨112上的高频噪声的降低敏感度由施密特触发器107的磁滞作用提供，从而提供对电源噪声和纹波的优良整体抗扰性。
由传感电阻器103和109所提供的短路保护提供了电流限制，特别是对在等离子或CNT显示面板的情形中诸如在电极间电弧期间所出现的短间状态。驱动器的远端(高压)部分通常会被短路或电弧所摧毁。
为了提供其它保护，R-C组合111/112在功率晶体管108的源极中并入电流感应信号，并且该信号转发给晶体管110，以截止施密特触发器107输出，从而使通过电容器106所接收到的信号无效。
此外，电阻器对116/117对通过输出线路105反馈回电路的电弧感应瞬值提供“偏执保护”。
置入上部功率晶体管102中的负阻特性二极管对该部分中的负向电流提供保护，同时电阻器103提供其电流限制。
正极性输出脉冲的等效电路在图1中示出，其中器件1-18与图7中的器件101-118类似地操作。
本发明恢复低成本电容耦合的使用，特别是用于示例显示屏应用，但没有电容耦合所固有的限制。本发明的使用不限于显示屏产品，而是可广泛地用作工业、研发(R&D)以及核领域中的高压脉冲和线路驱动电路。
本发明的应用本发明可用于低电压逻辑电平脉冲必须在高压跨接线路上传送的任意应用中。尽管不限于这种应用，一示例应用是用于等离子或场发射器件(FED)显示屏中的行和列驱动器。对于图8所示的这种显示屏，3到12V范围内的低电压信号必须在150V的电压差上发送。
在图8中，对显示屏中的每一行像素都有一个行驱动器，对显示器中的每一列像素都有一个列驱动器。例如，在1024×768像素的显示屏中，有768个行驱动器和1024个列驱动器。所显示的像素按顺序一次显示一行，其中在任意给定瞬时只有一行像素导通。通过快速地依次扫过这些行，就可以出现连续显示。
当每一个行驱动器依次导通时，独立地向所有的列驱动器提供与该列中当前选定行像素的期望亮度成比例的脉宽。通过本发明的装置，低压脉宽调制(PWM)信号对每一个列驱动器独立生成，并被简化(以饱和方式)为例如150V脉冲。
当然，可选配置是可能的，其中取而代之的是对各个列进行扫描，并将脉宽调制施加在行驱动器上，而不改变本发明的装置和意图。
本发明还有许多其它应用，诸如高达千伏范围的高压驱动器。这些脉冲驱动器可用于R&D实验室、工业和科技中。在每种情形中，传统的高压脉冲隔离变压器或光学器件由跨接电轨高压差的廉价电容器所替代。
虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解可做出各种变化、替代和修改而不背离所附权利要求所定义的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种驱动器包括放大器，接收具有第一电压漂移的输入信号，并输出具有第二电压信号的放大后信号；输出；第一开关，耦合在所述放大器和所述输出之间，所述第一开关由所述放大后信号控制；施密特触发器，接收所述放大后信号并输出第三电压信号；第二开关，耦合在所述施密特触发器和所述输出之间，所述第二开关由所述第三电压信号控制；第一电容器和第一电阻器，耦合在所述放大器的输出和所述施密特触发器的输入之间；以及第二电阻器，耦合在所述施密特触发器的输入和所述施密特触发器的输出之间。
2.如权利要求1所述的驱动器，还包括第三开关和第二电阻器，耦合在施密特触发器的输入和所述施密特触发器的输出之间；以及第二电容器，耦合到所述第三开关和所述第二电阻器的连接点上。
3.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，响应于所述输入信号上的脉冲，所述第一开关导通，而所述第二开关截止。
4.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述输入信号是低压CMOS信号，而所述输出的输出信号具有与比所述输入信号更高的电压信号相对应的信号。
5.如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述输入信号是低压CMOS信号，而所述放大器的输出信号具有大于所述输入信号电压漂移的第一电压信号漂移，其中所述第一开关是栅电极接收所述放大器输出信号的第一晶体管，所述第一晶体管使其第一电极耦合到电源并使其第二电极耦合到输出，而所述第二开关是栅电极接收所述施密特触发器输出的第二晶体管，所述第二晶体管使其第一电极耦合到输出并使其第二电极耦合到所述电源。
6.如权利要求5所述的驱动器，还包括第三晶体管，耦合在所述施密特触发器的输入和所述电源之间；以及第二电容器，耦合在所述第三晶体管的栅电极和所述电源之间。
7.一种驱动电路，包括CMOS输入；放大器，使其输入连接到所述CMOS输入，所述放大器具有大于所述CMOS输入的电压漂移的第一输出电压漂移；施密特触发器；高电压输出；第一电容器和第一电阻器，串联连接在所述放大器的输出和所述施密特触发器的输入之间；第一晶体管，使其栅电极连接到所述放大器的输出；第二电阻器，连接在所述第一晶体管的第一电极和电压势之间；第三电阻器，连接在所述第一晶体管的第二电极和所述高压输出之间；第二晶体管，使其栅电极连接到所述施密特触发器的输出；第四电阻器，连接在所述所述施密特触发器的输入和输出之间；第五电阻器，连接在所述第二晶体管的第一电极和所述高压输出之间；第六电阻器，连接在所述第二晶体管的第二电极和电压势之间；第三晶体管，使第一电极连接到所述施密特触发器的输入并使得第二电极连接到电压势；第二电容器，连接在所述第三晶体管的栅电极和电压势之间；以及第七电阻器，连接在所述第三晶体管的栅电极和所述第二晶体管的第二电极之间。
8.一种显示器，包括屏幕，使多个像素以可寻址矩阵方式驱动；以及行和列驱动器，其中列驱动器还包括放大器，接收具有第一电压漂移的输入信号，并输出具有第二电压信号的放大信号；输出；第一开关，耦合在所述放大器和所述输出之间，所述第一开关由所述放大信号控制；施密特触发器，接收所述放大信号并输入第三电压信号；以及第二开关，耦合在所述施密特触发器和所述输出之间，所述第二开关由所述第三电压信号控制。
9.如权利要求8所述的显示器，其特征在于，所述列驱动器还包括第一电容器和第一电阻器，耦合在所述放大器的输出和所述施密特触发器的输入之间；以及第二电阻器，耦合在所述施密特触发器的输入和所述施密特触发器的输出之间。
10.如权利要求9所述的显示器，还包括第三开关和第一电阻器，耦合在所述施密特触发器的输入和所述施密特触发器的输出之间；以及第一电容器，耦合到所述第三开关和所述第一电阻器之间的连接点上。
11.如权利要求8所述的显示器，其特征在于，响应于所述输入信号上的脉冲，所述第一开关导通，而所述第二开关截止。
12.如权利要求8所述的显示器，其特征在于，所述输入信号是低压CMOS信号，而所述输出的输出信号具有与比所述输入信号更高的电压信号相对应的信号。
13.如权利要求8所述的显示器，其特征在于，所述输入信号是低压CMOS信号，而所述放大器的输出信号具有大于所述输入信号的电压漂移的第一电压信号漂移，其中所述第一开关是栅电极接收所述放大器输出信号的第一晶体管，所述第一晶体管使其第一电极耦合到电源并使其第二电极耦合到输出，而第二开关是栅电极接收所述施密特触发器输出的第二晶体管，所述第二晶体管使其第一电极耦合到输出并使其第二电极耦合到所述电源，所述驱动器还包括第一电容器和第一电阻器，耦合在所述放大器的输出和所述施密特触发器的输入之间。
14.如权利要求13所述的驱动器，还包括第二电阻器，耦合在所述施密特触发器的输入和输出之间；第三晶体管，耦合在所述施密特触发器的输入和所述电源之间；以及第二电容器，耦合在所述第三晶体管的栅电极和所述电源之间。
全文摘要
一种具有电容耦合的高压驱动器，它在常见于较高电压系统的高电源纹波出现时有用。它允许占空因数的极大范围，但没有变压器磁性元件的限制、或光学耦合方法的增加复杂性。在由对输出驱动线路的高压电弧产生的电压瞬值出现时也耐用。
文档编号H01H51/30GK1942923SQ200480029616
公开日2007年4月4日 申请日期2004年10月8日 优先权日2003年10月10日
发明者A·提科豪斯基, T·维瑟尔 申请人:毫微-专卖股份有限公司