电平移位器电路、对应的装置和方法与流程

本描述涉及电平移位器电路。一个或多个实施例可以用在各种应用中，例如用在超声公开市场产品中。用于超声脉冲发生器的驱动单元是一个这种可能的应用的示例。

背景技术：

虽然具备令人满意的性能，但是传统的电平移位器电路可能存在各种缺点，例如：

–由于例如HV MOS的寄生电容而导致移位慢，

–可能相当可观的静态消耗，

–为了避免高消耗而可能需要的很高的上拉电阻值，

–对例如噪声环境(即噪声电源和噪声环境)中所不希望有的耦合的低免疫力，以及

–对可能的数据损失的低可靠性，这可能导致破坏性事件(例如不希望有的高输出电流)。

技术实现要素：

根据一个或多个实施例，电平移位器电路可以具有所附权利要求中所提出的特征。

一个或多个实施例可以还涉及对应的装置(例如诸如超声脉冲发生器之类的超声产品)以及对应的方法。

权利要求构成这里所提供的一个或多个实施例的公开的整体的一部分。

一个或多个实施例可以提供包括反馈功能(例如电容反馈)的例如高电压电平移位器。

一个或多个实施例可以提供一种高电压信号转换器，该信号转换器可能具有在低电压域(例如3.3V)与高电压域(例如>100V)之间的高电压差，具有高电流和低静态消耗，被适配用于例如有噪声的电源和快速转变应用中。

一个或多个实施例可以抵抗例如噪声环境中的不希望有的耦合。

一个或多个实施例可以包括反馈系统，该反馈系统检查经转换的输出数据用以与控制输入信号一致，例如用于转变时的刷新。

在一个或多个实施例中，这样的反馈系统可以包括电容器，用于将电压电平从高电压域转换到低电压域，以及对输出信号敏感例如用以刷新输出信号的逻辑控制。

一个或多个实施例可以提供以下优点中的一个或多个：

–对有噪声的电源和噪声环境的高免疫力，

–有效阻止可能的数据丢失，

–快速转变以及

–降低的静态消耗。

附图说明

现在将仅仅通过示例的方式参考附图来描述一个或多个实施例，其中：

图1是例示实施例的框图；

图2是例示实施例的电路图；以及

图3图示出例示实施例的可能操作的特定信号。

具体实施方式

在该担保性描述中，一个或多个特定细节被说明，目的在于提供对实施例的示例的深入理解。这些实施例可以在没有这些特定细节中的一个或多个细节的情况下或者利用其它方法、部件、材料等来实现。在其它情况下，已知的结构、材料、操作没有被详细图示或描述以使得实施例的特定方面将不会模糊。

在本描述的架构中提到“实施例”或“一个实施例”意在指示与该实施例相关联地描述的特定配置、结构或特征被包括在至少一个实施例中。因而，可能出现在本描述的一个或多个地方的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”这样的短语不一定指同一的实施例。此外，特定构造、结构或特征可以在一个或多个实施例中按任意适当的方式被组合。

这里所用到的参考标记只是为了方便而被提供的并且因此不限制实施例的保护范围。

本公开参考用于例如涉及高电压和高电流的装置中的电平移位器电路。用于利用高达200V的工作电压和几安培量级的电流控制致动器的系统可以是这样的装置的示例。

这些系统可以包括低电压域(例如1V-2V)中的通信接口并且可以驱动高电压负载，使得能够在内部将信号从一个域“转变到”另一个域的电平移位器可以帮助实现适当的操作。

电平移位器(也被称为电平转换器)因而可以接收例如在低电压水平(例如具有值GND＝逻辑“0”或LVP＝逻辑“1”)的输入数据并且将这些数据转变为一致且明确地针对输入信号的高电压输出信号(例如，高电压“附近”的信号，例如REF_HVP＝逻辑“0”或HVP＝逻辑“1”)，这通过提供输入与输出之间的正确关系来实现。

这些正在失去的信号之间的关系可以例如导致MOS输出在需要切断时不合意地被接通。在出现例如大尺度的MOS输出(即能够承载大电流)的情况下，这可能不合意地产生可能对设备造成损害的大电流。

由于两个域(即例如LVP的低电压和例如HVP的高电压)之间的电压差异，获得所想要的关联可能是愈加困难的。

一种示例性应用领域是超声脉冲发生器，其中致动器可以利用例如具有高达200V的幅值、具有20V/ns量级的输出波前并且具有2A量级的开关电流的方波来驱动。在特定应用中，很多脉冲发生器(例如十六个脉冲发生器)可以被集成，这涉及到非常大的开关电流(例如几十安培)和相应地很高噪声的环境。

可能出现在电源上的大开关电流、大电压波动和“快速”波前或者内部节点的巨大扰动(电路必须对这些问题免疫)因而对于很多应用来说影响很大。

功率消耗是另一个值得考虑的因素。在高电压水平上消耗的小电流实际上可能会对总的功率消耗有非常大的贡献。降低的(理论上为零的)静态消耗因而成为电平移位器的所希望有的特征，或者应理解为降低消耗可能会导致降低的噪声免疫力。

各种电平移位器电路在诸如US 2014/0247082 A1、US 8 044 699 B2、US 8 686 784 B2或US 8 717 063 B2之类的文献中被公开。

如所指出的，这些文献中所公开的布置可能存在某些缺点，例如由于高电压设备的高寄生电容而导致转换慢、不可忽略的静态消耗、对有噪声的电源的低免疫力以及丢失数据的可能性。

图1的框图例示了用于驱动电负载(例如HSP)的电平移位器电路的一个或多个实施例。

在一个或多个实施例中，这可以经由级A呈现，例如诸如一系列逻辑门之类的缓冲器级。

超声产品中的高端脉冲发生器可以例示这样的负载。或者应当理解负载(例如HSP)本身可以不作为实施例的一部分。

在一个或多个实施例中，输入信号IN可以被施加于控制逻辑CL，该控制逻辑进而驱动电平转换器(电平移位器)LT。电平转换器LT经由逻辑元件LL(并且可能是级A)驱动负载HSP。

仅仅通过非限制示例的方式，如这里所例示的电平移位器电路可以在例如3.3V处的低电压(LVP)域与超过100V的电压处的高电压域(HVP)之间工作。

或者应理解虽然位于电路的高电压域中，但是逻辑元件LL和级A可以自身并不是高电压元件：例如它们可以在HVP与具有例如REF_HVP＝HVP-3.3V的电压REF_HVP之间工作。

在一个或多个实施例中，反馈路径10可以被提供以通过输入线路20向控制逻辑CL传送表示例如在逻辑元件LL的输出处获得的输出信号(例如逻辑“0”或“1”)的信号。通过接收反馈信号和输入信号IN，控制逻辑CL可以检测经转变的输出信号的变化以例如刷新输出数据。取决于输出信号与输入信号一致与否，刷新操作确认或纠正输出。

在一个或多个实施例中，快速操作可以通过向电平移位器提供与在IN边沿情况下所提供的输入信号相等(与实际IN值一致)的输入信号被实现(反馈越快，信号可以被处理的频率越高)。

这个刷新操作在不一致的情况下产生对高电压输出的正校正，而在一致的情况下不产生变化。

控制逻辑CL的不同实现方式可以利用能够接收反馈信号、针对预期值检查该信号并且当(且仅当)两者不同时重新确认该信号的逻辑CL来实现。

类似地，虽然现在将通过示例的方式描述反馈路径10、控制逻辑CL和电平转换器LT的特定示例性实现方式，但是其它实现方式也可以由本领域技术人员设计出。

例如，如图2的电路图中所例示的一个或多个实施例可以包括：

–包括电容器10的电容反馈路径，该路径可以具有非常小的(理论上为零的)静态功率消耗，

–包括被设置在HVP与地面之间的开关级(例如诸如具有漏极电阻R1、R2的MOSFET M1、M2之类的电子开关)的电平转换器LT，以及

–脉冲驱动锁存器LL。

在一个或多个实施例中，从1变到0的输入IN可以促使控制逻辑CL中的单稳电路12在输出节点R处生成脉冲。这个脉冲可以(例如经由下面所讨论的OR门14)被应用于M1的控制电极(栅极)，从而在脉冲时间内接通M1(即使其导电)，同时M2保持切断(即不导电)。

所得到的流经R1的电流从而生成与其电阻值和电流密度成比例的电压降。

在M1与R1之间的节点处的电压RH_N因而将在电流脉冲的持续时间内变为“低电压”，而在M2与R2之间的节点处的电压SH_N将保持为“高电压”(例如在HVP处)。

在一个或多个实施例中，逻辑元件LL可以包括等效设置-重置锁存器，该锁存器具有对电压RH_N和SH_N敏感的输入端口SN和RN以及提供输出信号Q_N的输出端口QN。

在一个或多个实施例中，逻辑元件LL可以根据如下所示的真值表来配置。

在以上所描述的状况下，逻辑元件LL因而可以作出反应并且具有其输出QN，即去往被设置为“高”值(例如HVP)的负载HSP的线路/节点(“网”)Q_N。

节点Q_N处的信号(下文中简单地称为信号Q_N)可以向负载HSP传输(例如经过级A)以产生例如在被耦合到负载HSP中的PMOS的控制电极(例如栅极)的节点G处的信号。

通过非限制性特征的方式，在这里所例示的一个或多个实施例中，级A可以包括逻辑反转以使得(参见图3中的时序图或信号定时图)从“低”向“高”走(例如从REF_HVP到HVP)的Q_N可以导致G可能按被其大寄生电容负载限制的波前速度从“高”向“低”切换(例如从HVP到REF_HVP)(输出MOSFET实际上可能体积很大以能够承受大输出电流)。

在一个或多个实施例中，信号Q_N也将通过包括例如单个电容器10的反馈路径向控制逻辑CL传输。

在一个或多个实施例中，电容器10可以被预先充电为预充电值(这可以按本身已知的方式发生)。

与电容器10的一端耦合的节点Q_N的切换因而被“报告”为通过线路20从节点Q_N到低电压电平。与节点Q_N耦合的电容器10的一端处的电压变化将被电容器10的另一端(该另一端被耦合到控制逻辑CL中的另一单稳电路18的输入)处的对应的电压变化反映。

单稳电路18的输入处的上升沿将在电路18的输出(节点F)处产生电压脉冲。节点F处的脉冲被施加于对输入信号IN的状态(即逻辑值)敏感的开关22，以根据IN的状态被转发到M1或M2的控制电极(例如栅极)。

在刚刚所考虑的示例情况(作为输入IN从1变为0的结果，输出节点R处的脉冲被单稳电路12施加于OR门14的第一输入)下，开关22将例如经由被闭合(即通过IN的逻辑补值被使得导电)的开关22的下接头将节点F处的脉冲引向OR门14的另一输入处。从节点F被引向OR门14的另一输入的这样的脉冲在RH_N上产生到0的新脉冲，该脉冲确认节点Q_N中的状态(即Q_N的电平被保持在“1”处并且转变结束)。

如进一步结合图3的时序图或信号定时图所详述的，完全类似的操作可以在IN从0到1切换的情况下被实现。

在该情况下，在一个或多个实施例中，从0变为1的输入IN可以促使控制逻辑CL中的单稳电路12在输出节点S处生成脉冲。这个脉冲可以(经由OR门6)被施加于M2的控制电极(栅极)，从而在脉冲时间内接通M2(即使其导电)，而M1保持切断(即不导电)。

除了可能被反转的某些逻辑值以外(参见例如图3)，逻辑元件LL和反馈路径10的操作因而将基本上与之前所描述的操作类似，利用电容器10从节点Q_N向低电压电平“报告”反馈信号并且利用开关22将节点F处的脉冲引向OR门16(例如经由通过IN被闭合(即被使得导电)的开关22的上接头)。从节点F被引向OR门16的这样的脉冲在SH_N上产生到0的新脉冲，该脉冲确认节点Q_N中的状态(即Q_N的电平被保持在“0”处并且转变结束)。

将理解一个或多个实施例：

–可以理论上免除静态消耗，只要电平转换器LT可以被实现为包括诸如被电流脉冲驱动的MOSFET M1、M2之类的电子开关的开关级(例如有点类似于整流器)，电流消耗主要发生在切换期间，其它逻辑模块只在这样的切换发生期间切换，

–可以通过反馈提供对噪声及其它扰动的高免疫力。

图3的时序图或信号定时图描绘了输入信号IN和节点R、S(来自单稳电路12的输出)、RH_N、SH_N(来自电平转换器级LT的输出)、Q_N(来自逻辑元件LL的输出)、F、G处的信号再加上源自例如节点C与RH_N之间的寄生耦合(参见图2中的虚线中所示的电容)的示例性扰动信号(例如向下的尖峰)的可能的时间特性。

图3的左侧例示了如前所述的“常规”操作，例如IN从“1”(例如LVP)到“0”(例如地面或零电压)或者反过来的切换，该切换造成例如HVP与REF_HVP之间的Q_N(和G)的相关联且一致的切换，该切换例如通过如RH_N或SH_N上的第二向下脉冲所例示的“刷新”动作被确认。

图3的右侧例示了在存在如前所述的向下的尖峰C所例示的扰动的情况下的一个或多个实施例的可能操作。

如果有足够大的幅值，则该脉冲可以在LL的RN输入处被读取为逻辑“0”。这可能促使节点Q_N切换(参见图3中的相关时序图或信号定时图)。这样的切换将经由反馈路径(例如电容器10)再次被“报告”给控制逻辑CL，以促使单稳电路18在节点F处生成脉冲。

因为在图3中所例示的情况下IN＝1(当尖峰C出现时没有IN的切换)，所以F上的脉冲将被引向M2的控制端子(栅极)(例如经由通过IN被闭合(即被使得导电)的开关22的上接头)，从而迫使SH_N为0(例如REF_HVP)。这将促使节点Q_N切换回0，该值是所想要的值。

考虑到节点G处的寄生电容负载(如图1和图2中虚线中的电容器C’示意性地表示的)以及反馈路径10的操作速度，Q_N上的短脉冲(例如“0”到“1”再返回到“0”)在向节点G传输的同时将不能形成足以修改负载HSP上的电平(例如接通其中的PMOS)的电压。

没有反馈路径10的情况下，(稳定)切换可能会出现在Q_N的值中，Q_N可能保持为错误的值，直到出现新的IN切换(这可能只在很长时间之后才可能发生)。这样的情形可能导致实际上意图处于“切断”状态的负载HSP中的PMOS被错误且没有控制地被接通，存在不希望出现地生成输出电流的风险，所述输出电流可能导致意想不到的功率消耗并且/或者结果是对设备有害或其它意想不到的消耗。

在意图用于驱动小负载(例如小输出MOSFET)的应用中，从Q_N到G的路径可以提供对应的低电容负载，从而由于在Q_N和G之间的路径上传输的扰动(例如C)而提供对脉冲的降低的滤波操作，促使扰动脉冲可能在该脉冲的持续时间内在输出处产生对应的尖峰或ON-ON电流。

一个或多个实施例可以通过例如在级A中的Q_N与G之间的路径中积极地提供滤波器(例如低通滤波器)来解决这个问题，这样的滤波器的尺寸被设计为在如之前所例示地反馈路径提供对Q_N的校正的时间内避免脉冲传输到G。

或者应理解实施例不局限于那些布置，其中如这里所例示地IN从“1”到“0”的切换导致Q_N从“0”切换到“1”并且IN从“0”到“1”的切换导致Q_N从“1”切换到“0”(即利用从输入到输出的逻辑反转)。

在一个或多个实施例中，IN从“1”到“0”的切换可能导致Q_N同样从“1”切换到“0”而IN从“0”到“1”的切换可能导致Q_N从“0”切换到“1”(即不利用从输入到输出的逻辑反转)。

除非另外说明，否则在一个或多个实施例中，输入(例如IN)与输出(例如Q_N)之间的“一致性”或“关联”可能被发现存在于输出切换适当地“匹配”输入切换时，即当因为输入切换已经发生所以输出切换按需要发生时，与所涉及的逻辑值无关。

类似地，虽然“向上的”电平移位(例如从低电压LVP到高电压HVP)已经在这里被例示，但是一个或多个实施例可以应用于“向下的”电平移位，例如从低电压到(负的)高电压。

类似地，如这里所例示的Q_N与G之间的逻辑反转关系绝不是强制性的。

将这里所公开的示例布置适配为不同的输入与输出逻辑关系和/或适配为向下电平移位在本领域技术人员的技术范围内，因而不需要在这里提供详细描述。

一个或多个实施例因而可以提供一种电平移位器电路，用于经由电源线HVP驱动负载(例如HSP)，该电路包括：

-用于接收可在第一输入电平与第二输入电平(例如0、LVP)之间切换的输入信号(例如IN)的输入级，

-被耦合到所述电源线以产生用于所述负载的驱动信号(例如可能经由级A从Q_N获得的G)的输出级，该输出级可在第一输出电平与第二输出电平(例如REF_HVP、HVP)之间切换，

-被设置在输入级与输出级之间的电平转换器，其中在所述第一输入电平与第二输入电平之间的所述输入信号切换转换为在所述第一输出电平与第二输出电平之间的所述输出级切换(即在第一输入电平与第二输入电平之间的输入信号的切换促使输出级对应地在所述第一输出电平与第二输出电平之间切换)，

-被耦合到所述输出级以用于向所述输入级传送表示输出级的输出电平(例如Q_N)的反馈信号(例如20)的反馈元件(例如10)，

其中输入级包括控制电路装置(例如12至18、22)，该控制电路装置对所述输入信号和所述反馈信号敏感并且用于检测在不存在所述第一输入电平与第二输入电平之间的输入信号切换的情况下出现的所述第一输出电平与第二输出电平之间的所述输出级的不希望有的切换，所述控制电路装置(例如22)被配置用于反转由所述不希望有的切换产生的所述输出级的输出电平(例如从0变为1或者从1变为0)。

在一个或多个实施例中，对所述输入信号敏感的所述控制电路装置被配置用于检测作为所述第一输入电平与第二输入电平之间的输入信号切换的结果而出现的所述第一输出电平与第二输出电平之间的所述输出级的切换，并且刷新由这样的切换产生的输出电平(参见例如图3的图中RH_N和SH_N上的第二向下脉冲)。

在一个或多个实施例中，所述反馈元件可以包括被设置在所述输出级与所述控制电路装置之间的电容器(例如10)。

一个或多个实施例可以包括被设置在用于接收可在第一低电压输入电平与第二低电压输入电平(例如0、LVP)之间切换的输入信号的输入级与用于产生针对所述负载的高电压驱动信号(例如REF_HVP、HVP)的输出级之间的向上电平转换器。

一个或多个实施例可以包括被设置在低电压输入级与负的高电压输出级之间的向下电平转换器。

在一个或多个实施例中，所述电平转换器包括开关级，可选地包括诸如MOSFET(例如M1、M2)之类的电子开关。

在一个或多个实施例中，所述输出级可以包括具有被耦合(例如SH_N、RH_N)到所述电平转换器的设置和重置输入(例如SN、RN)的设置-重置锁存器元件(例如LL)和可根据所述设置和重置输入在所述第一输出电平与第二输出电平(例如REF_HVP、HVP)之间切换的输出。

在一个或多个实施例中，所述控制电路装置可以包括：

-被所述反馈信号驱动的脉冲电路(例如18)，所述脉冲电路(例如经由14、16、22)可耦合到所述电平转换器以向所述电平转换器施加用于在所述第一输出电平与第二输出电平之间切换所述输出级的驱动脉冲(例如F)，

-被设置在所述脉冲电路与所述电平转换器之间的耦合电路(例如22)，所述耦合电路对所述输入信号(IN)敏感以在耦合状况下选择性地将所述脉冲电路耦合到所述电平转换器(LT)，以向所述电平转换器施加驱动脉冲(例如F)以用于反转由所述输出级的所述不希望有的切换产生的所述输出级的输出电平。

在一个或多个实施例中，所述耦合电路(例如22)可以允许另一耦合状况以将所述脉冲电路耦合到所述电平转换器以向所述电平转换器施加驱动脉冲，该驱动脉冲将所述输出级的输出电平(例如Q_N)维持在转换在所述第一输入电平与第二输入电平之间切换的所述输入信号的所述第一输出电平与第二输出电平中的一个处。

在一个或多个实施例中，所述输出级(例如A)可以包括优选为低通类型的滤波器，以产生针对所述负载的所述驱动信号(例如G)。

在不违背基本原则的情况下，细节和实施例可以相对于不脱离保护范围的情况下仅仅通过示例的方式描述的那些内容而改变，甚至是非常大的改变。

保护范围由所附权利要求限定。

以上所描述的各种实施例可以被组合以提供更多的实施例。可以在以上的详细描述的启发下对实施例做出这些及其它改变。一般来说，在所附权利要求中，所用到的术语不应当被诠释为将权利要求限制为说明书和权利要求中所公开的特定实施例，而是应当被诠释为包括所有可能的实施例以及对这些权利要求享有权利的全部等同物的范围。因此，权利要求不受本公开的限制。