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1、10申请公布号CN102082512A43申请公布日20110601CN102082512ACN102082512A21申请号201010570428122申请日2010112412/592,35320091124USH02M3/156200601G06F3/0120060171申请人环球产权公司地址美国伊利诺伊州72发明人道格拉斯詹姆斯安德森哈罗德吉伊74专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司11227代理人王萍李春晖54发明名称用于压电致动器的驱动器57摘要本发明涉及一种用于压电致动器的驱动器，其包括被封装为单个半导体器件优选地在单个半导体管芯上的脉冲宽度调制器和输出放大器。该驱动器包括。
2、向输出放大器供电的第一升压转换器，其优选地具有可编程的增益。用于驱动第一升压转换器中的开关晶体管的栅极的第二放大器由第二升压转换器供电。压电致动器为电池操作的电子设备中的小键盘或显示器提供触觉反馈。30优先权数据51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书4页附图4页CN102082517A1/2页21一种驱动器，其包括升压转换器、控制所述升压转换器的脉冲宽度调制器以及由所述升压转换器供电的放大器，其特征在于所述脉冲宽度调制器和所述放大器被封装为单个半导体器件。2如权利要求1所述的驱动器，其中，所述脉冲宽度调制器和所述放大器被形成在单个半导体管芯上。3如权。
3、利要求2所述的驱动器，其中，所述管芯包括用于调节所述放大器的增益的编程焊盘。4如权利要求2所述的驱动器，其进一步包括由所述升压转换器供电的第二放大器，其中，所述驱动器具有互补输出。5如权利要求1所述的驱动器，其在所述单个半导体器件内进一步包括第二放大器和第二升压转换器，其中，所述第二升压转换器向所述第二放大器供电。6如权利要求5所述的驱动器，其中，所述升压转换器包括开关晶体管，以及其中，所述第二放大器被耦合到所述开关晶体管的控制电极。7一种通过电池进行操作的电子设备，其具有显示器和小键盘，所述显示器和小键盘中的至少一个包括用于触觉反馈的压电致动器以及被耦合到所述压电致动器的驱动器，所述驱动器包。
4、括第一升压转换器、控制所述升压转换器的脉冲宽度调制器以及由所述升压转换器供电的输出放大器，其特征在于所述驱动器进一步包括将所述脉冲宽度调制器耦合到所述升压转换器的第二放大器，以及用于对所述第二放大器供电的第二升压转换器。8如权利要求7所述的电子设备，其进一步包括由所述升压转换器供电的第二输出放大器，其中，所述驱动器具有被耦合到所述压电致动器的互补输出。9如权利要求7所述的电子设备，其中，所述输出放大器包括多个放大级，所述放大级中的至少一个具有可编程的增益。10如权利要求9所述的电子设备，其中，所述输出放大器包括多个放大级，所述放大级中的至少一个由所述第二升压转换器供电。11如权利要求7所述的电。
5、子设备，其中，所述第一升压转换器是感性的，并且所述第二升压转换器是容性的。12如权利要求7所述的电子设备，其中，所述第一升压转换器的输出电压大于所述第二升压转换器的输出电压。13如权利要求7所述的电子设备，其中所述第一升压转换器的输出电压和所述第二升压转换器的输出电压的绝对幅值大于所述电池的电压的绝对幅值。14如权利要求7所述的电子设备，其中，所述脉冲宽度调制器和所述输出放大器被封装为单个半导体器件。15如权利要求7所述的电子设备，其中，所述脉冲宽度调制器和所述输出放大器被形成在单个半导体管芯上。16如权利要求15所述的电子设备，其中，所述管芯包括用于调节所述放大器的增益的编程焊盘。17如权利。
6、要求16所述的电子设备，其中，所述单个半导体器件包括被耦合到所述焊盘的编程管脚。权利要求书CN102082512ACN102082517A2/2页318如权利要求7所述的电子设备，其在所述单个半导体器件内进一步包括第二放大器和第二升压转换器，其中，所述第二升压转换器向所述第二放大器供电。19如权利要求18所述的电子设备，其中，所述升压转换器包括开关晶体管，并且其中，所述第二放大器被耦合到所述开关晶体管的控制电极。权利要求书CN102082512ACN102082517A1/4页4用于压电致动器的驱动器技术领域0001本发明涉及由电池供电的驱动器，并且具体涉及用于压电致动器的单芯片驱动器。背景技。
7、术0002压电致动器需要大于15至126伏的典型电池电压的高电压。在当前典型的驱动电压为100120伏的情况下，“高”电压是20200伏。一些用于致动器的电力线驱动LINEDRIVEN电源提供了高达1000伏。从电池产生高电压比从电力线POWERLINE产生高电压更困难。如在美国专利7,468,573DAI等人中所述，“在当今的小型电子设备中驱动压电致动器”所需的高电压“是麻烦的”。在美国专利7,468,573中提出的方案是使用两个“低”电压的脉冲代替单个高电压的脉冲。这个“低”电压并未公开。单层致动器通常需要高于多层致动器的电压。多层致动器具有提供比单层致动器更大的反馈力的优点。0003电压。
8、升压电路可以用来将来自电池的低电压转换为用于驱动器的较高电压。在升压转换器中，存储在电感器中的能量作为高电压的电流脉冲被供应给电容器。0004图1是包括已知升压转换器的电路的示意图；例如参见美国专利3,913,000CARDWELL，JR或美国专利4,527,096KINDLMANN。电感器11和晶体管12被串联连接在电源13和地之间。当晶体管12接通导通时，电流流过电感器11，将能量存储在由电感器生成的磁场中。取决于电池的电压、电感、内阻和晶体管12的导通电阻，通过电感器11的电流迅速增大。当晶体管12截止时，磁场以由晶体管12的关断特性所决定的速率来崩溃。崩溃的速率相当快，远快于场增大的速。
9、率。电感器11两端的电压与场崩溃的速率成比例。一百伏或更大的电压是有可能的。因而，低电压由升压转换器转换为高电压。0005当晶体管12截止时，联结点15处的电压基本高于电容器14上的电压，并且电流流过正向偏置的二极管16。每个电流脉冲都对电容器14充一点电，并且电容器上的电荷逐步增加。在某一点处，电容器14上的电压将大于供电电压。二极管16防止电流从电容器14流向电源13。电容器14上的电压是用于其他部件诸如放大器21的供电电压。0006如本文所使用的，与提供控制或偏移的“偏置”相对，“供电”为电路提供操作电力。例如，在存储器领域中已知的是，提供用于对场效应晶体管的栅极进行偏置的升压电路；美国。
10、专利4,660,177OCONNER。0007放大器21的输出被耦合到压电致动器22。通往放大器21的输入可以接收交流信号用于双向运行，或者接收直流信号用于单向运行或者作为互补驱动两个放大器，每个极性一个，耦合到压电致动器22的相反端子的一半。在互补驱动中，被提升的电压的绝对幅值大于电池电压的绝对幅值。互补驱动可以使用单个驱动的高电压的一半或者被提供两倍的高电压但是需要两个升压转换器。0008图1中，被图示为脉冲宽度调制器PWM24的用于晶体管12的栅极驱动、晶体管12和放大器21是分立的半导体器件。二极管16经常与开关晶体管12在同一个管芯上。该构造必然是大型且昂贵的。说明书CN102082。
11、512ACN102082517A2/4页50009因而，需要一种由电池供电的驱动器，其是用于压电致动器的单芯片电源。尽管管芯尺寸增加并且管芯更昂贵，但是半导体的总成本会降低。还存在将器件进行组合而不降低效率的问题。典型的用于当今的便携式电子设备的三伏的外部供电电压两个电池限制了电路设计并且降低了效率。0010鉴于以上所述，因此本发明的目标是提供一种用于压电致动器的单芯片驱动器，其与使用若干个半导体器件的由电池供电的驱动器是一样高效的。0011本发明的另一目标是减少用于压电致动器的驱动器中的部件数目。0012本发明的又一目标是改进由低电压外部电源供电的驱动器的效率。发明内容0013在本发明中实现。
12、了前述目标，其中用于压电致动器的驱动器包括被封装为单个半导体器件优选地在单个半导体管芯上的脉冲宽度调制器和输出放大器。驱动器包括向输出放大器供电的第一升压转换器，其优选地具有可编程的增益。用于驱动第一升压转换器中的开关晶体管的栅极的第二放大器由第二升压转换器供电。附图说明0014通过结合附图考虑下文的详细描述，可以得到对本发明的更完整的理解，在附图中0015图1是根据现有技术构造的、被耦合到压电致动器的驱动器的示意图；0016图2是具有显示器和小键盘的电子设备的透视图，显示器和小键盘中任一个或全部包括压电致动器；0017图3是根据本发明构造的、被耦合到压电致动器的驱动器的示意图；0018图4是。
13、根据本发明的优选实施例构造的、被耦合到压电致动器的驱动器的更详细的示意图；0019图5是根据本发明的可替选实施例构造的、被耦合到压电致动器的驱动器的示意图；0020图6是根据本发明的可替选实施例构造并且被耦合到压电致动器的、具有互补输出的驱动器的示意图；并且0021图7是具有互补输出和单电压电源的驱动器的示意图。具体实施方式0022图2图示了包括显示器26和小键盘27的电子设备25。显示器和小键盘中的任一个或全部可以配备有用于在轻微按压按键或显示器的一部分时提供触觉反馈的压电器件未示出。用于提供反馈的器件是本领域中已知的。如上文所描述的，这些器件可以是单层的或多层的，并且可以是单向的或双向的。。
14、0023图3图示了用于压电致动器的驱动器，其中用于驱动开关晶体管的栅极的电路与用于控制该器件的放大器在同一个半导体管芯上。管芯31包括脉冲宽度调制器33和由来自电容器14的高电压供电的放大器34。通过从高电压电源对放大器34供电，输入36可以接收大于外部供电电压13例如大于三伏的电压。说明书CN102082512ACN102082517A3/4页60024放大器34的输出被耦合到压电致动器22，用于根据输入信号来单向地或双向地驱动该器件。0025尽管脉冲宽度调制器33是低电压器件而放大器34是高电压器件，但是这两者易于通过在用于加工半导体晶片的领域中早就已知的技术而在一个管芯上隔离。0026根。
15、据本发明的另一方面，管芯31包括至少两个被耦合到输入38和29的焊盘未示出。这些输入可选地被接地以在放大器34中提供至少四22级增益。如果所发明的驱动器被大量生产，则这些焊盘可以在内部接地或不接地，从而减小管脚数目和封装尺寸。对于小的生产需求，这些焊盘可以被耦合至外部管脚以允许消费者按所希望的来设定增益。0027图4是本发明的优选实施例的框图，其中开关晶体管被包括在具有脉冲宽度调制器和放大器的管芯上。在该实施例中，管芯41包括用于在管芯上生成局部供电电压的内部升压转换器DCDC42。升压转换器42优选地为自身在本领域中已知的电容泵CAPACITIVEPUMP，其在外部电容器43上存储能量。来自。
16、升压转换器42的输出例如五伏用于对缓冲器放大器51供电。通过提供高于电池电压VCC的内部供电电压，人们可以以较高的电压驱动开关晶体管52的棚极，从而增加高电压升压转换器的效率。0028包括电阻器55和电阻器56的电压分压器被与电容器14并联耦合，以提供用于控制电容器14上的电压的反馈。0029可以包括振荡器和分压器或计数器未示出的时钟44被耦合到不需要以相同频率操作的脉冲宽度调制器46和升压转换器42。0030大于100KHZ或更高的时钟速率优选地用于脉冲宽度调制器46。该频率范围内的时钟速率能够允许使人们使用物理上小的且较便宜的电感器。进入升压转换器42的时钟信号在频率上优选地低于进入脉冲宽。
17、度调制器46的时钟信号；例如，是其一半或四分之一。0031输入放大器61和输出放大器62由电容器14上的供电电压供电。放大器62的输出63被耦合到压电致动器22。在输入64和输出63之间可以有多于两个的放大级。放大器61优选地包括至少两个被耦合到输入67和68的焊盘未示出。如图3的实施例那样，这些输入可选地被接地以在放大器61中提供至少四级增益。0032图5是本发明的在两个方面不同于图4的实施例的可替选实施例。管芯71包括隔离二极管72，并且放大器74由内部升压转换器42供电。除此之外，该实施例的操作与关于图4的情形相同。0033图6中，压电致动器22的任一侧都不接地。相反，致动器以被耦合在放。
18、大器81的输出和放大器82的输出之间的方式“浮置”。放大器82由相对于地被正向充电的电容器14供电。放大器81由相对于地被负向充电的电容器84供电。电容器14和84上的电压的绝对值远大于VCC的绝对值。电感器11、压电致动器22、电容器84和电容器14优选地是仅有的没有被包括在单个半导体管芯中的部件。0034双极升压转换器的操作与美国专利5,313,141KIMBALL中公开的非常相似。简单地说，当晶体管86导通的同时晶体管87接通和关断，使得正脉冲被耦合到电容器14。在预定时间或者预定脉冲数之后，情况反过来并且晶体管87导通而晶体管86接通和关断，使得负脉冲被耦合到电容器84。二极管88防止。
19、电流从电容器84流向电源或地。二极管89防止电流从电容器14流向电源或地。说明书CN102082512ACN102082517A4/4页70035与电容器14和84相关联的时间常数足够长，使得电容器上的电压保持为高的，尽管由于当电容器不从升压转换器接收充电脉冲时电压会降低而轻微波动。升压脉冲的极性以低于晶体管86和87的脉冲频率的频率来改变。例如，如果脉冲频率大于500KHZ，则极性可以以数十千赫来反转并且电容器14和84上的电压在百分之几的误差范围内是恒定的。0036为了简明起见，从图6中省略了其他各图中所示的本发明的方面，包括表示单个半导体管芯的虚线。这并不是说这些其他方面不能作为本发明根。
20、据图6的实现方式的一部分。用于对栅极驱动放大器93和94进行偏置的技术虽未示出但是他们本身在本领域中是已知的。除了用于生成脉冲宽度调制信号的逻辑之外，脉冲宽度调制器96还包括用于驱动晶体管86和87的栅极的逻辑。0037图6的实施例可以在从HV到HV的范围上驱动压电致动器。图7是该实施例的变形，其使用单电压电源。图7的实施例可以在从HV到0零的范围上驱动压电致动器。这是一个权衡。另一个权衡是，图6的实施例需要管芯上的介电隔离DI构造，这是比制造图7的实施例所需的工艺更昂贵的工艺。0038本发明因而提供了用于压电致动器的单芯片驱动器，其与使用若干个半导体器件的电池供电驱动器是一样高效的，从而减少。
21、了用于压电致动器的驱动器中的部件数目。0039在如此描述本发明后，对于本领域技术人员而言显然的是，可以在本发明的范围内做出各种修改。例如，特定值只是以示例方式给出的。人们可以在单个封装中装入不止一个半导体管芯。在图4和图5的实施例中，用于对增益进行编程的焊盘可以被分布在不止一个放大器当中，内部升压转换器42图4也可以被添加到管芯31图3。更一般地，尽管已经以特定组合的方式描述了本发明的各方面，但是这并不意味着本发明中不包括其他组合。尽管图6中示出了使用单个电感器的双极升压转换器，但是使用两个电感器的分立的升压转换器可以被替代性地使用。电感器11被图示为简单的线圈，但是其同样旨在涵盖更复杂的可替选方案，例如具有不止一个绕组的变压器或自耦变压器。说明书CN102082512ACN102082517A1/4页8说明书附图CN102082512ACN102082517A2/4页9图4说明书附图CN102082512ACN102082517A3/4页10图5图6说明书附图CN102082512ACN102082517A4/4页11图7说明书附图CN102082512A。