用于换能器的操作电路和操作方法技术

本发明专利技术涉及用于驱动换能器(TR)的无变压器式操作电路及相应的操作方法，其中，操作电路具有容性能量存储器(CTR)和感性能量存储器(LDRV)。

Operating Circuit and Method for Transducer

【技术实现步骤摘要】
用于换能器的操作电路和操作方法
本专利技术涉及一种用于超声换能器(TR)的无变压器式操作电路。
技术介绍
在开发用于自动驾驶的驾驶辅助系统的过程中，用于检测环境状况的传感器系统尤其重要。现今，超声传感器已经被用于构建所谓的环境地图。经常出现的问题在于，期望在保持低成本的同时使工作范围最大化。过去，使用变压器来驱动超声换能器的压电振荡器。然而，出于成本原因而应当省略这种变压器。因此，在现有技术中，换能器端子处的换能器振荡的电压幅值被限制至操作电压的两倍。其中，这里，通过输出驱动级的供电电源来理解操作电压。进而，操作电压借助电荷泵法或类似方法可以显著超过被施加在系统的输入端处的电压。本专利技术解决了该问题。现有技术借助未要求保护的图1来说明现有技术。图1示意性地、简单地示出了现有技术中的用于超声换能器的驱动级。因为本专利技术仅涉及换能器的压电振荡元件的驱动，所以下述内容也适用于具有压电振荡元件的超声发射器。操作电压Vbat通过支撑电容器Cbat来稳定，支撑电容器通常被选择成相对较大。在驱动阶段中，换能器TR被驱动。为此，在驱动阶段的第一阶段中，接通第五晶体管T5。然后，换能器TR的正端子TR+在该第一阶段中经由驱动器输出电阻RDRV连接到操作电压Vbat。同时，接通第一晶体管T1，并且接通第四晶体管T4。由此，将驱动器电容CDRV在其第一端子Cp处连接到操作电压Vbat并且在其第二端子Cm处连接到参考电位GND。在该第一阶段中，关断第三晶体管T3和第二晶体管T2。在驱动阶段的第二阶段中，关断第五晶体管T5和第一晶体管T1和第四晶体管T4。相反，在该第二阶段中，接通第二晶体管T2和第三晶体管T3。由此，将先前被充电至操作电压Vbat的电压的驱动器电容CDRV在其第一端子Cp处连接到参考电位GND并且在其第二端子Cm处连接到驱动器输出端DRV。因此，驱动器输出端以操作电压Vbat的电压值的两倍产生电压跳变，从而低于参考电位GND的电位。现在，驱动阶段的第一阶段和第二阶段优选地以由驱动器输出电阻RDRV、换能器电容CTR和换能器TR构成的换能器电路的谐振频率交替。由此，换能器TR的压电振荡元件被设置为振荡状态。在驱动阶段之后是接收阶段。在此情况下，至少关断第五晶体管T5和第三晶体管T3。因此，没有能量被传递到换能器。图1的电路的缺点在于，换能器在换能器正端子TR+和换能器负端子TR-处的操作电压的最大幅值被限制至操作电压Vbat的电压值的两倍。图2示出了现有技术中已知的用于超声换能器TR的等效电路图。等效电路具有并联电容CTRp、串联电阻RTRs、串联电容CTRs和串联电感LTRs。超声换能器经由正端子TR+和负端子TR-连接。此处，术语“正端子TR+”和“负端子TR-”仅用于更好地进行定向并且不具有物理背景。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于提供一种没有现有技术的上述缺点并且具有其它优点的解决方案。技术方案在上述类型的操作电路中，通过在换能器TR的连接线中接入输出电感LDRV来实现解决方案。在作出本专利技术时已经认识到，由驱动器输出电阻RDRV、换能器电容CTR和换能器构成的三阶振荡系统操作不便，而使用四阶振荡系统虽然更加复杂，但却更为有利。如已经说明，图1中的换能器可以通过串联电容CTRs和串联电感LTRs的串联连接以及与其并联连接的并联电容CTRp的等效电路图来表示。串联电阻RTRs表示换能器TR的机械损耗和声学辐射。为了使超声停车辅助装置的工作范围最大化，应当使串联电阻RTRs上的电压最大化。并联电容CTRp通常受换能器外部的换能器电容CTR支配。因而，换能器TR具有串联谐振和并联谐振。串联谐振由串联电容CTRs和串联电感LTRs的串联谐振电路确定，并且在较小程度上由串联电阻RTRs确定并由此在较小程度上由声音辐射确定。现在的构思在于，通过另一个能量存储器产生另一个极点。为此，已经认识到，添加附加的与驱动器输出电阻RDRV串联连接的输出电感LDRV是有利的。这种输出电感LDRV与换能器电容CTR一起构成第二串联谐振电路，其中，换能器TR的串联谐振电路经由换能器TR的正端子TR+连接到第二串联谐振电路的输出端。为了简化，我们在此处认为，换能器电容CTR和换能器TR的并联电容CTRp由换能器电容CTR很好地代表。此处，在必要的情况下，术语换能器电容CTR能够被换能器电容CTR与换能器TR的并联电容CTRp的并联电路代替。然而，我们在此处认为，换能器电容CTR远大于换能器TR的并联电容CTRp。因此，输出电感LDRV、换能器电容CTR、换能器TR的串联电容和换能器TR的串联电感形成四阶振荡系统。现在，已经认识到，取决于组件1.“输出电感LDRV”、2.“换能器电容CTR”、3.“换能器TR的串联电容”和4.“换能器TR的串联电感”的选择，四阶振荡系统可以具有三种操作情形：a.系统的串联谐振电路可以次临界耦合。b.系统的串联谐振电路可以超临界耦合。c.系统的串联谐振电路可以临界耦合。已经认识到，次临界耦合对于系统不是最佳的，原因在于在这种情况下，系统的带宽变得过大并且因此系统接收过多的噪声。另外，已经认识到，超临界耦合对于系统也不是最佳的，原因在于在工作频率范围中施加了阻尼并因此减小了换能器的最大振幅并且因而在此基础上减小了基于超声的停车辅助装置的工作范围。另外，已经认识到，临界耦合对于系统同样是最佳的，原因在于在这种情况下谐振电路具有最佳的带宽。因此，输出电感LDRV必须具有定义的引起这种临界耦合情形的电感值和品质。因而，输出电感LDRV的特征在于，它能够与换能器电容CTR一起形成串联谐振电路。因为串联谐振电路是四阶系统，所以建议根据适当的数值近似来确定极点。在这种情况下，临界耦合区域是由于各种组件的制造公差而永远不能被精确地满足的操作位置。因此，除了由输出电感LDRV、换能器电容CTR加上换能器TR的并联电容CTRp、换能器TR的串联电容和换能器TR的串联电感的取决于频率的阻抗的最大值之外，换能器TR的串联谐振的谐振频率的偏离应当不大于3dB。换能器TR具有通常为+/-1kHz的频率带宽。因此，换能器频率应当优选地针对预期振幅的最佳值偏离不超过3dB。使用驱动器输出电阻RDRV来设置带宽，并且使用输出电感LDRV来设置振荡频率。因此，提出了一种用于超声换能器TR的操作电路，操作电路包括驱动电路，此处，驱动电路例如由支撑电容器Cbat、晶体管T1、T2、T3、T4、T5和与换能器TR并联连接的换能器电容CTR构成。此外，驱动电路还具有第一端子GND和第二端子DRV。驱动电路具有驱动器输出电阻RDRV。在图1和图3中分立地示出这种驱动器输出电阻RDRV。然而，晶体管的寄生电阻可以对这种驱动器输出电阻RDRV的值作出贡献。因此，驱动器输出电阻RDRV也能够全部地或部分地由驱动电路在其第二输出端DRV处的输出电阻表示；晶体管的内部电阻(即，驱动电路的输出电阻)也可以通过与驱动电路的第二输出端DRV串联连接的附加驱动器输出电阻添加至实际的驱动器输出电阻RDRV。因此，图1和图3应被理解为简化的符号表示，以阐明作用方式。电容CTR可以由存在于换能器TR中的电容形成并且不必须作为分立元件存在于电路中。因此，图1和图3应被理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于驱动换能器(TR)的操作电路，其具有：驱动电路(CDRV、T1、T2、T3、T4、T5)；作为容性能量存储器的换能器电容(CTR)；和作为感性能量存储器的输出电感(LDRV)，其中，所述换能器(TR)能够通过具有串联电感(LTRs)、串联电容(CTRs)和并联电容(CTRp)的等效电路表示，其中，所述换能器(TR)具有正端子(TR+)，其中，所述换能器(TR)具有负端子(TR‑)，其中，所述驱动电路具有第一端子(GND)，其中，所述驱动电路具有第二端子(DRV)，其中，所述换能器(TR)的所述负端子(TR‑)连接到所述驱动电路的所述第一端子(GND)，其中，所述驱动电路具有驱动器输出电阻(RDRV)，所述驱动器输出电阻也全部地或部分地由所述驱动电路在所述驱动电路的所述第二输出端(DRV)处的输出电阻和/或与所述驱动电路的所述第二输出端(DRV)串联连接的附加驱动器输出电阻(RDRV)形成，其中，所述换能器(TR)的所述正端子(TR+)连接到所述驱动电路的所述第二端子(DRV)，使得所述驱动器输出电阻(RDRV)能够被有效地视为连接在所述换能器(TR)的所述正端子(TR+)和所述驱动电路的所述第二端子(DRV)之间，其中，所述输出电感(LDRV)能够被有效地视为与所述驱动器输出电阻(RDRV)串联地连接在所述换能器(TR)的所述正端子(TR+)和所述驱动电路的所述第二端子(DRV)之间，其特征在于，所述输出电感(LDRV)的值被设定为使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路临界耦合，并且使得所述操作电路不具有变压器，所述第一串联谐振电路由如下部分构成：所述换能器(TR)的所述等效电路的所述串联电感(LTRs)、以及所述换能器(TR)的所述等效电路的串联电容(CTRs)，所述第二串联谐振电路由如下部分构成：所述输出电感(LDRV)、以及所述换能器电容(CTR)与所述换能器(TR)的所述等效电路的所述并联电容(CTRp)的并联电路。...

【技术特征摘要】
2018.03.07 DE 102018105283.9;2018.03.07 DE 10201811.一种用于驱动换能器(TR)的操作电路，其具有：驱动电路(CDRV、T1、T2、T3、T4、T5)；作为容性能量存储器的换能器电容(CTR)；和作为感性能量存储器的输出电感(LDRV)，其中，所述换能器(TR)能够通过具有串联电感(LTRs)、串联电容(CTRs)和并联电容(CTRp)的等效电路表示，其中，所述换能器(TR)具有正端子(TR+)，其中，所述换能器(TR)具有负端子(TR-)，其中，所述驱动电路具有第一端子(GND)，其中，所述驱动电路具有第二端子(DRV)，其中，所述换能器(TR)的所述负端子(TR-)连接到所述驱动电路的所述第一端子(GND)，其中，所述驱动电路具有驱动器输出电阻(RDRV)，所述驱动器输出电阻也全部地或部分地由所述驱动电路在所述驱动电路的所述第二输出端(DRV)处的输出电阻和/或与所述驱动电路的所述第二输出端(DRV)串联连接的附加驱动器输出电阻(RDRV)形成，其中，所述换能器(TR)的所述正端子(TR+)连接到所述驱动电路的所述第二端子(DRV)，使得所述驱动器输出电阻(RDRV)能够被有效地视为连接在所述换能器(TR)的所述正端子(TR+)和所述驱动电路的所述第二端子(DRV)之间，其中，所述输出电感(LDRV)能够被有效地视为与所述驱动器输出电阻(RDRV)串联地连接在所述换能器(TR)的所述正端子(TR+)和所述驱动电路的所述第二端子(DRV)之间，其特征在于，所述输出电感(LDRV)的值被设定为使得第一串联谐振电路和第二串联谐振电路临界耦合，并且使得所述操作电路不具有变压器，所述第一串联谐振电路由如下部分构成：所述换能器(TR)的所述等效电路的所述串联电感(LTRs)、以及所述换能器(TR)的所述等效电路的串联电容(CTRs)，所述第二串联谐振电路由如下部分构成：所述输出电感(LDRV)、以及所述换能器电容(CTR)与所述换能器(TR)的所述等效电路的所述并联电容(CTRp)的并联电路。2.一种用于换能器(TR)的操作电路，其具有：驱动电路(Cbat、T1、T2、T3、T4、T5)；和换能器电容(CTR)，其中，所述驱动电路具有第一端子(GND)，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗里曼·乌韦，卡普尔·尼龙，
申请(专利权)人：艾尔默斯半导体股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE