專利名稱：用于壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由電池供電的驅(qū)動(dòng)器，并且具體涉及用于壓電致動(dòng)器的單芯片驅(qū)動(dòng)
O
背景技術(shù)：
壓電致動(dòng)器需要大于1.5至12. 6伏的典型電池電壓的高電壓。在當(dāng)前典型的驅(qū)動(dòng) 電壓為100-120伏的情況下，“高”電壓是20-200伏。一些用于致動(dòng)器的電力線驅(qū)動(dòng)(line driven)電源提供了高達(dá)1000伏。從電池產(chǎn)生高電壓比從電力線(power line)產(chǎn)生高電 壓更困難。如在美國(guó)專利7，468，573(Dai等人)中所述，“在當(dāng)今的小型電子設(shè)備中驅(qū)動(dòng) 壓電致動(dòng)器”所需的高電壓“是麻煩的”。在美國(guó)專利7，468，573中提出的方案是使用兩個(gè) “低”電壓的脈沖代替單個(gè)高電壓的脈沖。這個(gè)“低”電壓并未公開(kāi)。單層致動(dòng)器通常需要 高于多層致動(dòng)器的電壓。多層致動(dòng)器具有提供比單層致動(dòng)器更大的反饋力的優(yōu)點(diǎn)。電壓升壓電路可以用來(lái)將來(lái)自電池的低電壓轉(zhuǎn)換為用于驅(qū)動(dòng)器的較高電壓。在升 壓轉(zhuǎn)換器中，存儲(chǔ)在電感器中的能量作為高電壓的電流脈沖被供應(yīng)給電容器。圖1是包括已知升壓轉(zhuǎn)換器的電路的示意圖；例如參見(jiàn)美國(guó)專利 3，913，000 (Cardwell, Jr.)或美國(guó)專利 4，527，096 (Kindlmann)。電感器 11 和晶體管 12 被 串聯(lián)連接在電源13和地之間。當(dāng)晶體管12接通(導(dǎo)通)時(shí)，電流流過(guò)電感器11，將能量存 儲(chǔ)在由電感器生成的磁場(chǎng)中。取決于電池的電壓、電感、內(nèi)阻和晶體管12的導(dǎo)通電阻，通過(guò) 電感器11的電流迅速增大。當(dāng)晶體管12截止時(shí)，磁場(chǎng)以由晶體管12的關(guān)斷特性所決定的 速率來(lái)崩潰。崩潰的速率相當(dāng)快，遠(yuǎn)快于場(chǎng)增大的速率。電感器11兩端的電壓與場(chǎng)崩潰的 速率成比例。一百伏或更大的電壓是有可能的。因而，低電壓由升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為高電壓。當(dāng)晶體管12截止時(shí)，聯(lián)結(jié)點(diǎn)15處的電壓基本高于電容器14上的電壓，并且電流 流過(guò)正向偏置的二極管16。每個(gè)電流脈沖都對(duì)電容器14充一點(diǎn)電，并且電容器上的電荷逐 步增加。在某一點(diǎn)處，電容器14上的電壓將大于供電電壓。二極管16防止電流從電容器 14流向電源13。電容器14上的電壓是用于其他部件(諸如放大器21)的供電電壓。如本文所使用的，與提供控制或偏移的“偏置”相對(duì)，“供電”為電路提供操作電力。 例如，在存儲(chǔ)器領(lǐng)域中已知的是，提供用于對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極進(jìn)行偏置的升壓電路；美 國(guó)專利 4，660，177 (0，Conner)。放大器21的輸出被耦合到壓電致動(dòng)器22。通往放大器21的輸入可以接收交流信 號(hào)用于雙向運(yùn)行，或者接收直流信號(hào)用于單向運(yùn)行或者作為互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)(兩個(gè)放大器，每個(gè) 極性一個(gè)，耦合到壓電致動(dòng)器22的相反端子)的一半。在互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)中，被提升的電壓的絕 對(duì)幅值大于電池電壓的絕對(duì)幅值?；パa(bǔ)驅(qū)動(dòng)可以使用單個(gè)驅(qū)動(dòng)的高電壓的一半(或者被提 供兩倍的高電壓)但是需要兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。圖1中，被圖示為脈沖寬度調(diào)制器(PWM)M的用于晶體管12的柵極驅(qū)動(dòng)、晶體管 12和放大器21是分立的半導(dǎo)體器件。二極管16經(jīng)常與開(kāi)關(guān)晶體管12在同一個(gè)管芯上。 該構(gòu)造必然是大型且昂貴的。
因而，需要一種由電池供電的驅(qū)動(dòng)器，其是用于壓電致動(dòng)器的單芯片電源。盡管管 芯尺寸增加并且管芯更昂貴，但是半導(dǎo)體的總成本會(huì)降低。還存在將器件進(jìn)行組合而不降 低效率的問(wèn)題。典型的用于當(dāng)今的便攜式電子設(shè)備的三伏的外部供電電壓(兩個(gè)電池)限 制了電路設(shè)計(jì)并且降低了效率。鑒于以上所述，因此本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于壓電致動(dòng)器的單芯片驅(qū)動(dòng)器， 其與使用若干個(gè)半導(dǎo)體器件的由電池供電的驅(qū)動(dòng)器是一樣高效的。本發(fā)明的另一目標(biāo)是減少用于壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器中的部件數(shù)目。本發(fā)明的又一目標(biāo)是改進(jìn)由低電壓外部電源供電的驅(qū)動(dòng)器的效率。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了前述目標(biāo)，其中用于壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器包括被封裝為單個(gè)半 導(dǎo)體器件(優(yōu)選地在單個(gè)半導(dǎo)體管芯上)的脈沖寬度調(diào)制器和輸出放大器。驅(qū)動(dòng)器包括向 輸出放大器供電的第一升壓轉(zhuǎn)換器，其優(yōu)選地具有可編程的增益。用于驅(qū)動(dòng)第一升壓轉(zhuǎn)換 器中的開(kāi)關(guān)晶體管的柵極的第二放大器由第二升壓轉(zhuǎn)換器供電。


通過(guò)結(jié)合附圖考慮下文的詳細(xì)描述，可以得到對(duì)本發(fā)明的更完整的理解，在附圖 中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造的、被耦合到壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的示意圖；圖2是具有顯示器和小鍵盤(pán)的電子設(shè)備的透視圖，顯示器和小鍵盤(pán)中任一個(gè)或全 部包括壓電致動(dòng)器；圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、被耦合到壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造的、被耦合到壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的更詳細(xì) 的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的可替選實(shí)施例構(gòu)造的、被耦合到壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器的示意 圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的可替選實(shí)施例構(gòu)造并且被耦合到壓電致動(dòng)器的、具有互補(bǔ)輸 出的驅(qū)動(dòng)器的示意圖；并且圖7是具有互補(bǔ)輸出和單電壓電源的驅(qū)動(dòng)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖2圖示了包括顯示器沈和小鍵盤(pán)27的電子設(shè)備25。顯示器和小鍵盤(pán)中的任一 個(gè)或全部可以配備有用于在輕微按壓按鍵或顯示器的一部分時(shí)提供觸覺(jué)反饋的壓電器件 (未示出)。用于提供反饋的器件是本領(lǐng)域中已知的。如上文所描述的，這些器件可以是單 層的或多層的，并且可以是單向的或雙向的。圖3圖示了用于壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器，其中用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管的柵極的電路與 用于控制該器件的放大器在同一個(gè)半導(dǎo)體管芯上。管芯31包括脈沖寬度調(diào)制器33和由來(lái) 自電容器14的高電壓供電的放大器34。通過(guò)從高電壓電源對(duì)放大器34供電，輸入36可以 接收大于外部供電電壓13 (例如大于三伏)的電壓。
放大器34的輸出被耦合到壓電致動(dòng)器22，用于根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)單向地或雙向地 驅(qū)動(dòng)該器件。盡管脈沖寬度調(diào)制器33是低電壓器件而放大器34是高電壓器件，但是這兩者易 于通過(guò)在用于加工半導(dǎo)體晶片的領(lǐng)域中早就已知的技術(shù)而在一個(gè)管芯上隔離。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，管芯31包括至少兩個(gè)被耦合到輸入38和四的焊盤(pán)(未 示出)。這些輸入可選地被接地以在放大器34中提供至少四O2)級(jí)增益。如果所發(fā)明的驅(qū) 動(dòng)器被大量生產(chǎn)，則這些焊盤(pán)可以在內(nèi)部接地或不接地，從而減小管腳數(shù)目和封裝尺寸。對(duì) 于小的生產(chǎn)需求，這些焊盤(pán)可以被耦合至外部管腳以允許消費(fèi)者按所希望的來(lái)設(shè)定增益。圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的框圖，其中開(kāi)關(guān)晶體管被包括在具有脈沖寬度調(diào) 制器和放大器的管芯上。在該實(shí)施例中，管芯41包括用于在管芯上生成局部供電電壓 的內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器(DC-DC)42。升壓轉(zhuǎn)換器42優(yōu)選地為自身在本領(lǐng)域中已知的電容泵 (capacitive pump)，其在外部電容器43上存儲(chǔ)能量。來(lái)自升壓轉(zhuǎn)換器42的輸出(例如五 伏)用于對(duì)緩沖器放大器51供電。通過(guò)提供高于電池電SVrc的內(nèi)部供電電壓，人們可以 以較高的電壓驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管52的棚極，從而增加高電壓升壓轉(zhuǎn)換器的效率。包括電阻器55和電阻器56的電壓分壓器被與電容器14并聯(lián)耦合，以提供用于控 制電容器14上的電壓的反饋。可以包括振蕩器和分壓器或計(jì)數(shù)器(未示出)的時(shí)鐘44被耦合到不需要以相同 頻率操作的脈沖寬度調(diào)制器46和升壓轉(zhuǎn)換器42。大于IOOkHz或更高的時(shí)鐘速率優(yōu)選地用于脈沖寬度調(diào)制器46。該頻率范圍內(nèi) 的時(shí)鐘速率能夠允許使人們使用物理上小的且較便宜的電感器。進(jìn)入升壓轉(zhuǎn)換器42的時(shí) 鐘信號(hào)在頻率上優(yōu)選地低于進(jìn)入脈沖寬度調(diào)制器46的時(shí)鐘信號(hào)；例如，是其一半或四分之
ο輸入放大器61和輸出放大器62由電容器14上的供電電壓供電。放大器62的輸 出63被耦合到壓電致動(dòng)器22。在輸入64和輸出63之間可以有多于兩個(gè)的放大級(jí)。放大 器61優(yōu)選地包括至少兩個(gè)被耦合到輸入67和68的焊盤(pán)(未示出)。如圖3的實(shí)施例那 樣，這些輸入可選地被接地以在放大器61中提供至少四級(jí)增益。圖5是本發(fā)明的在兩個(gè)方面不同于圖4的實(shí)施例的可替選實(shí)施例。管芯71包括 隔離二極管72，并且放大器74由內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器42供電。除此之外，該實(shí)施例的操作與關(guān) 于圖4的情形相同。圖6中，壓電致動(dòng)器22的任一側(cè)都不接地。相反，致動(dòng)器以被耦合在放大器81的 輸出和放大器82的輸出之間的方式“浮置”。放大器82由相對(duì)于地被正向充電的電容器14 供電。放大器81由相對(duì)于地被負(fù)向充電的電容器84供電。電容器14和84上的電壓的絕 對(duì)值遠(yuǎn)大于Vee的絕對(duì)值。電感器11、壓電致動(dòng)器22、電容器84和電容器14優(yōu)選地是僅有 的沒(méi)有被包括在單個(gè)半導(dǎo)體管芯中的部件。雙極升壓轉(zhuǎn)換器的操作與美國(guó)專利5，313，141 (Kimball)中公開(kāi)的非常相似。簡(jiǎn) 單地說(shuō)，當(dāng)晶體管86導(dǎo)通的同時(shí)晶體管87接通和關(guān)斷，使得正脈沖被耦合到電容器14。在 預(yù)定時(shí)間或者預(yù)定脈沖數(shù)之后，情況反過(guò)來(lái)并且晶體管87導(dǎo)通而晶體管86接通和關(guān)斷，使 得負(fù)脈沖被耦合到電容器84。二極管88防止電流從電容器84流向電源或地。二極管89 防止電流從電容器14流向電源或地。
與電容器14和84相關(guān)聯(lián)的時(shí)間常數(shù)足夠長(zhǎng)，使得電容器上的電壓保持為高的，盡 管由于當(dāng)電容器不從升壓轉(zhuǎn)換器接收充電脈沖時(shí)電壓會(huì)降低而輕微波動(dòng)。升壓脈沖的極性 以低于晶體管86和87的脈沖頻率的頻率來(lái)改變。例如，如果脈沖頻率大于500kHz，則極性 可以以數(shù)十千赫來(lái)反轉(zhuǎn)并且電容器14和84上的電壓在百分之幾的誤差范圍內(nèi)是恒定的。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，從圖6中省略了其他各圖中所示的本發(fā)明的方面，包括表示單個(gè) 半導(dǎo)體管芯的虛線。這并不是說(shuō)這些其他方面不能作為本發(fā)明根據(jù)圖6的實(shí)現(xiàn)方式的一部 分。用于對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)放大器93和94進(jìn)行偏置的技術(shù)雖未示出但是他們本身在本領(lǐng)域中是 已知的。除了用于生成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的邏輯之外，脈沖寬度調(diào)制器96還包括用于驅(qū)動(dòng) 晶體管86和87的柵極的邏輯。圖6的實(shí)施例可以在從-HV到+HV的范圍上驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器。圖7是該實(shí)施例的 變形，其使用單電壓電源。圖7的實(shí)施例可以在從+HV到0(零)的范圍上驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器。 這是一個(gè)權(quán)衡。另一個(gè)權(quán)衡是，圖6的實(shí)施例需要管芯上的介電隔離(DI)構(gòu)造，這是比制 造圖7的實(shí)施例所需的工藝更昂貴的工藝。本發(fā)明因而提供了用于壓電致動(dòng)器的單芯片驅(qū)動(dòng)器，其與使用若干個(gè)半導(dǎo)體器件 的電池供電驅(qū)動(dòng)器是一樣高效的，從而減少了用于壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器中的部件數(shù)目。在如此描述本發(fā)明后，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯然的是，可以在本發(fā)明的范圍 內(nèi)做出各種修改。例如，特定值只是以示例方式給出的。人們可以在單個(gè)封裝中裝入不止 一個(gè)半導(dǎo)體管芯。在圖4和圖5的實(shí)施例中，用于對(duì)增益進(jìn)行編程的焊盤(pán)可以被分布在不 止一個(gè)放大器當(dāng)中，內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器42 (圖4)也可以被添加到管芯31 (圖幻。更一般地， 盡管已經(jīng)以特定組合的方式描述了本發(fā)明的各方面，但是這并不意味著本發(fā)明中不包括其 他組合。盡管圖6中示出了使用單個(gè)電感器的雙極升壓轉(zhuǎn)換器，但是使用兩個(gè)電感器的分 立的升壓轉(zhuǎn)換器可以被替代性地使用。電感器11被圖示為簡(jiǎn)單的線圈，但是其同樣旨在涵 蓋更復(fù)雜的可替選方案，例如具有不止一個(gè)繞組的變壓器或自耦變壓器。
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動(dòng)器，其包括升壓轉(zhuǎn)換器、控制所述升壓轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制器以及由所 述升壓轉(zhuǎn)換器供電的放大器，其特征在于所述脈沖寬度調(diào)制器和所述放大器被封裝為單個(gè)半導(dǎo)體器件。
2.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器，其中，所述脈沖寬度調(diào)制器和所述放大器被形成在單 個(gè)半導(dǎo)體管芯上。
3.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)器，其中，所述管芯包括用于調(diào)節(jié)所述放大器的增益的編程焊盤(pán)。
4.如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步包括由所述升壓轉(zhuǎn)換器供電的第二放大器， 其中，所述驅(qū)動(dòng)器具有互補(bǔ)輸出。
5.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器，其在所述單個(gè)半導(dǎo)體器件內(nèi)進(jìn)一步包括第二放大器和 第二升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二升壓轉(zhuǎn)換器向所述第二放大器供電。
6.如權(quán)利要求5所述的驅(qū)動(dòng)器，其中，所述升壓轉(zhuǎn)換器包括開(kāi)關(guān)晶體管，以及其中，所 述第二放大器被耦合到所述開(kāi)關(guān)晶體管的控制電極。
7.—種通過(guò)電池進(jìn)行操作的電子設(shè)備，其具有顯示器和小鍵盤(pán)，所述顯示器和小鍵盤(pán) 中的至少一個(gè)包括用于觸覺(jué)反饋的壓電致動(dòng)器以及被耦合到所述壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器，所 述驅(qū)動(dòng)器包括第一升壓轉(zhuǎn)換器、控制所述升壓轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制器以及由所述升壓轉(zhuǎn) 換器供電的輸出放大器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步包括將所述脈沖寬度調(diào)制器耦合到所述升壓轉(zhuǎn)換器的第二放大器，以及用于對(duì)所述第二放 大器供電的第二升壓轉(zhuǎn)換器。
8.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其進(jìn)一步包括由所述升壓轉(zhuǎn)換器供電的第二輸出放 大器，其中，所述驅(qū)動(dòng)器具有被耦合到所述壓電致動(dòng)器的互補(bǔ)輸出。
9.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其中，所述輸出放大器包括多個(gè)放大級(jí)，所述放大級(jí) 中的至少一個(gè)具有可編程的增益。
10.如權(quán)利要求9所述的電子設(shè)備，其中，所述輸出放大器包括多個(gè)放大級(jí)，所述放大 級(jí)中的至少一個(gè)由所述第二升壓轉(zhuǎn)換器供電。
11.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其中，所述第一升壓轉(zhuǎn)換器是感性的，并且所述第 二升壓轉(zhuǎn)換器是容性的。
12.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其中，所述第一升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓大于所述第 二升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
13.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其中所述第一升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和所述第二 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的絕對(duì)幅值大于所述電池的電壓的絕對(duì)幅值。
14.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其中，所述脈沖寬度調(diào)制器和所述輸出放大器被封 裝為單個(gè)半導(dǎo)體器件。
15.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其中，所述脈沖寬度調(diào)制器和所述輸出放大器被形 成在單個(gè)半導(dǎo)體管芯上。
16.如權(quán)利要求15所述的電子設(shè)備，其中，所述管芯包括用于調(diào)節(jié)所述放大器的增益 的編程焊盤(pán)。
17.如權(quán)利要求16所述的電子設(shè)備，其中，所述單個(gè)半導(dǎo)體器件包括被耦合到所述焊盤(pán)的編程管腳。
18.如權(quán)利要求7所述的電子設(shè)備，其在所述單個(gè)半導(dǎo)體器件內(nèi)進(jìn)一步包括第二放大 器和第二升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二升壓轉(zhuǎn)換器向所述第二放大器供電。
19.如權(quán)利要求18所述的電子設(shè)備，其中，所述升壓轉(zhuǎn)換器包括開(kāi)關(guān)晶體管，并且其 中，所述第二放大器被耦合到所述開(kāi)關(guān)晶體管的控制電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)器，其包括被封裝為單個(gè)半導(dǎo)體器件(優(yōu)選地在單個(gè)半導(dǎo)體管芯上)的脈沖寬度調(diào)制器和輸出放大器。該驅(qū)動(dòng)器包括向輸出放大器供電的第一升壓轉(zhuǎn)換器，其優(yōu)選地具有可編程的增益。用于驅(qū)動(dòng)第一升壓轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)晶體管的柵極的第二放大器由第二升壓轉(zhuǎn)換器供電。壓電致動(dòng)器為電池操作的電子設(shè)備中的小鍵盤(pán)或顯示器提供觸覺(jué)反饋。
文檔編號(hào)H02M3/156GK102082512SQ201010570428
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者哈羅德·吉·伊, 道格拉斯·詹姆斯·安德森 申請(qǐng)人:環(huán)球產(chǎn)權(quán)公司