用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动超声换能器的驱动器设备和驱动方法技术

本发明专利技术涉及一种驱动器设备(40；60)，用于驱动电容式负载(12)，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器(12)，所述驱动器设备包括：输出端子(42；68)，其用于向所述负载(12)提供交流驱动电压(V14；V22)；多个电压供应元件(46、48、50、52；72、74)，其用于提供中间电压水平(V16)；多个可控连接器件(S0-S7)，其每个被关联到所述电压供应元件(46、48、50、52；72、74)中的一个，以将所述电压供应元件(46、48、50、52；72、74)连接到所述输出端子(42；68)，并将所述中间电压水平(V16)中的一个或者将多个所述中间电压水平(V16)的总和作为所述交流驱动电压(V14；V22)供应到所述输出端子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动包括一个或多个换能器元件的超声换能器的驱动器设备以及相应的驱动方法。此外，本专利技术涉及一种超声装置。
技术介绍
在超声换能器领域中，压电式换能器(例如锆钛酸铅(PZT)换能器)以及现今的MEMS换能器(例如电容式微机械超声换能器(cMUT)设备)的使用是用于提供二维或三维超声波的习惯作法。该领域中的微机械技术允许小的特征尺寸并允许高频波束成形阵列的实现，高频波束成形阵列能够被单片形成在相同晶片上。现有的超声换能器因有限的耦合因数，而具有有限的功率因数和有限的效率。超声换能器的耦合因数表示在无损振动周期中，被存储和传送的机械能与总电能的比率。cMUT的常见耦合因数在50%以内，而有效耦合区域可能甚至更低。实际上，换能器驱动电路必须向换能器提供由换能器传送的声能的量更多的电能。剩余能量被保存在换能器的电抗部分，或被耗散在电阻部分中并被转换成损失的热。被保存的能量，其主要为电容式电能，可以被传送回驱动电路，并且根据驱动类型，该能量能够在随后的振动周期期间被减小，或者被耗散在驱动电路中。用于在驱动器设备处保存能量的常用方法是使用额外的电抗设备，即电感器，其在能量存储方面与换能器反相操作。在具有离散的驱动电子器件的二维换能器阵列的情况中，离散的电感器与驱动器串联使用。针对包括数千个换能器的三维超声阵列以及在集成电子器件的情况中，各自的电感器将大幅增加驱动器设备的总体尺寸。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种改进的驱动器设备以及相应的驱动方法，以驱动电容式负载，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器，提供增大的功率因数和减小的增大的耦合因数。此外，本专利技术的目的是提供一种相应的超声装置。根据本专利技术的一个方面，提供一种驱动器设备，其用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器，所述驱动器设备包括:-输出端子，其用于向所述负载提供交流驱动电压，-多个电压供应元件，其用于提供中间电压水平，-多个可控连接器件，其每个被关联到所述电压供应元件中的一个，以将所述电压供应元件连接到所述输出端子，并将所述中间电压水平中的一个或者将多个所述中间电压水平的总和作为所述交流驱动电压供应到所述输出端子。根据本专利技术的另一方面，一种用于驱动电容式负载，尤其是用于驱动包括一个或多个换能器元件的超声换能器的驱动方法，其中，所述驱动方法包括以下步骤:-向所述负载提供交流驱动电压，-借助于多个电压供应元件，提供多个中间电压水平，以及-将所述电压供应元件顺序地连接到所述负载，以将逐步上升或下降的电压作为所述交流驱动电压提供到所述负载。根据本专利技术的又一方面，提供一种超声装置，包括:超声换能器，其包括一个或多个换能器元件，尤其是包括电容式微机械超声换能器元件；以及如根据本专利技术提供的用于驱动所述超声换能器元件的驱动器设备。在从属权利要求中定义了本专利技术的优选实施例。应理解，要求保护的方法具有与要求保护的设备相似和/或等同的如在从属权利要求中定义的优选实施例。本专利技术基于以下理念:提供用于驱动电容式负载的驱动器设备，其向所述电容式负载提供中间电压水平或所述中间电压水平的总和，以防止所述负载从零电压一步充电到最大电压，以便防止大部分能量耗散在将所述负载连接到供给电压的各自开关元件中。为了减少在所述开关元件中耗散的电能，根据本专利技术的所述驱动器设备包括多个电压供应元件，所述多个电压供应元件供应中间电压水平以形成总供给电压，并相应地提供所述中间电压水平中的一个或总和，以为所述电容式负载充电。由于与由一步施加到所述负载的总供给电压提供的电能相比较，被提供到所述电容式负载的中间电压水平的总和的电荷能被减少，因此能够减少功率耗散。因此，提供中间电压水平或中间电压水平的总和，能够提供更为灵活的驱动器设备，并且由于在被供应到所述电容式负载的所述中间电压水平中的一个或所述中间电压水平的总和之间进行切换，能够减少功率消耗。由于从电源得到的电荷能在充电期间减少，并且在放电期间增加，并且通过将所述中间电压水平施加到所述负载而被供应回到所述电源，因此减少了耗散能量并且改善了耦合因数。在优选的实施例中，所述电压供应元件彼此串联连接。这是用于将所述中间电压水平增加到完全供给电压以供应到所述电容式负载的简单解决方案。在另一实施例中，所述连接器件包括多个可控开关，每个可控开关均被连接到一个电压供应元件并被连接到所述输出端子。这提供了有效电路，以将所述电压供应元件中的一个或者将多个所述电压供应元件的中间电压水平连接到所述输出端子，并以低的技术努力，向所述负载提供所述中间电压水平或所述中间电压水平的总和。在优选的实施例中，所述电压供应元件为分离电压源，每个分离电压源提供所述中间电压水平中的一个。这是用于向所述负载提供中间电压水平的简单可靠的解决方案。根据另一优选实施例，所述电压供应元件为形成串联连接的分压器元件，其中，所述串联连接包括用于将所述驱动器设备连接到外部电源的输入端子。这是用于以低的技术努力，从外部供给电压形成所述中间电压水平的廉价解决方案，其中，所述分压器按照期望将所述外部供给电压分成不同的中间电压水平。根据备选实施例，所述电压供应元件为电压转换单元，尤其是DC-DC电压转换器，其被连接到外部电源，以将外部电压转换到所述中间电压水平。这是将外部电压转换到中间电压水平的解决方案，其具有高功率效率。在优选的实施例中，所述驱动器设备包括用于控制所述可控连接器件的控制单元，其中，所述控制单元被提供用于将所述电压供应元件顺序地连接到所述输出端子，以提供逐步上升或逐步下降的驱动电压。这提供了用于将所述供给电压施加到所述负载简单的解决方案，其由于在电压步骤的每个期间施加降低的电压水平而具有减少的功率耗散。换言之，跨开关的电压被降低。这减少了在开关中的功率耗散。在优选的实施例中，所述驱动器设备还包括第二输出端子，其中，驱动电压被提供在所述第一输出端子与所述第二输出端子之间。这提供了用于借助于两个分离的电压供应元件主动地驱动所述电容式负载的两个输入端子的简单的解决方案。根据优选的实施例，电压供应器件被连接到所述第二输出端子，以向所述第二输出端子供应偏压。这是用于以低的技术努力，在所述第一输出端子与所述第二输出端子的两个电压电势之间提供电压偏移以增大被供应到电容式负载的驱动电压的一种可能性。根据优选的实施例，所述驱动器设备包括用于提供中间电压水平的第二多个电压供应元件，以及第二多个可控连接器件，所述第二多个可控连接器件的每个被关联到所述第二电压供应元件中的一个，以将所述第二电压供应元件连接到所述第二输出端子。这提供了用于以低的技术努力主动地驱动两个输出端子的所述驱动器设备的电路结构。根据优选的实施例，所述控制单元被提供用于控制所述第一多个连接器件和所述第二多个连接器件，并且其中，所述控制单元被提供用于将所述电压供应元件顺序地连接到各自的输出端子，以提供逐步上升或下降的驱动电压。由于控制单元的量被减少，这提供了具有低的技术努力的驱动器设备。如上文提及的，本专利技术提供一种解决方案，其减少了用于驱动电容式负载的驱动器设备的功率耗散，这是因为中间电压水平或中间电压水平的总和被供应到所述负载，并且对应于耗散的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种驱动器设备(40；60)，用于驱动电容式负载(12)，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器(12)，所述驱动器设备(40；60)包括：‑输出端子(42；68)，其用于向所述负载(12)提供交流驱动电压(V14；V22)，‑多个电压供应元件(46、48、50、52；72、74)，其用于提供中间电压水平(V16)，‑多个可控连接器件(S0‑S7)，所述多个可控连接器件的每个被关联到所述电压供应元件(46、48、50、52；72、74)中的一个，以将所述电压供应元件(46、48、50、52；72、74)连接到所述输出端子(42；68)，并将所述中间电压水平(V16)中的一个或者将多个所述中间电压水平(V16)的总和作为所述交流驱动电压(V14；V22)供应到所述输出端子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.15 US 61/570,8611.一种驱动器设备(40 ;60)，用于驱动电容式负载(12)，尤其是用于驱动具有一个或多个换能器元件的超声换能器(12)，所述驱动器设备(40 ；60)包括: -输出端子(42 ;68)，其用于向所述负载(12)提供交流驱动电压(V14 ;V22)， -多个电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)，其用于提供中间电压水平(V16)， -多个可控连接器件(S0-S7)，所述多个可控连接器件的每个被关联到所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)中的一个，以将所述电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)连接到所述输出端子(42 ;68)，并将所述中间电压水平(V16)中的一个或者将多个所述中间电压水平(V16)的总和作为所述交流驱动电压(V14 ；V22)供应到所述输出端子。2.如权利要求1所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46、48、50、52;72、74)彼此串联连接。3.如权利要求1或2所述的驱动器设备，其中，所述连接器件(S0-S7)包括多个可控开关(S0-S7)，所述多个可控开关的每个被连接到一个电压供应元件(46、48、50、52 ;72、74)并被连接到所述输出端子(42 ；68)。4.如权利要求1至3中任一项所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46、48、50.52;72、74)为分离电压源，所述分离电压源的每个提供所述中间电压水平(V16)中的一个。5.如权利要求1至4中任一项所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46、48、50.52;72、74)为形成串联连接的分压器元件，其中，所述串联连接包括用于将所述驱动器设备(40 ；60)连接到外部电源的输入端子。6.如权利要求1至4中任一项所述的驱动器设备，其中，所述电压供应元件(46-52；72,74)为电压转换单元，所述电压转换单元被连接到外部电源，以将外部电压转换为所述中间电压水平(V16)。7.如权利要求1至6中任一项所述的驱动器设备，还包括用于控制所述可控连接器件(S0-S7)的控制单元(53 ;86)，其中，所述控...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·C·范伦斯，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL