CN101226835B - 基于微机电系统的可堆叠开关模块 - Google Patents

基于微机电系统的可堆叠开关模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于微机电系统的可堆叠开关模块。本发明提供包含至少一个开关模块的系统，其包括：开关电路，包括至少一个微机电系统开关，用于响应于施加到开关上的门控信号而选择性地建立从开关的输入线路到输出线路的电流路径；耦合于开关电路以为微机电系统开关提供门控信号的控制电路；以及耦合于控制电路和开关电路的电源电路，其中该电源电路包括彼此电隔离的输入端子对和输出端子对，通过输入端子对接收的模块功率输入信号电气上参考开关的输入线路，并且通过输出端子对提供的模块功率输出信号电气上参考开关的输出线路，使得当所述开关设置到打开状态时，模块输出功率信号不受在微机电系统开关的输入和输出线路两端形成的电压的影响。

Description

基于微机电系统的可堆叠开关模块
技术领域
本发明的实施例通常涉及一种用于在电流路径中有选择地开关电流的开关装置，且尤其涉及基于微机电系统(MEMS)的开关装置，甚至更尤其涉及一种可以在串联电路中连接以获得期望的额定电压的基于MEMS的开关模块阵列。
背景技术
已知的是，连接MEMS开关以形成开关阵列，例如并联开关的串联连接模块，以及串联开关的并联连接模块。之所以需要开关阵列，是因为单个MEMS开关也许不能如给定的开关应用中所要求的那样导通足够的电流，和/或保持足够的电压。
这些开关阵列的重要特点是每个开关对开关阵列的额定总电压和总电流作贡献的方式。理想地，对于任何数量的并联支路，阵列的额定电流应该等于单个开关的额定电流乘以开关的并联支路的个数。可称这种阵列是电流可缩放的。在实际的开关阵列中，已经实现了电流缩放但还没有实现电压缩放。
理论上，阵列的额定电压应该等于单个开关的额定电压乘以串联的开关个数。然而，在实际的开关阵列中实现电压缩放是困难的。例如，在已知的用于开关模块的给定额定电压的开关阵列中，不可能继续增加可以串联连接的开关模块的数量以获得任何期望的额定电压。这是因为由于在断开开关的两端会形成相对较大的电压，而最终超过相应开关模块中电路的额定电压。因此，已知的开关阵列受到可以串联互联的开关数量的限制，从而缺乏提供电压可缩放性的能力。
发明内容
一般来说，通过在一个示范实施例中提供一种包括至少一个开关模块的系统，本发明的各方面满足了上述需求。其它的这种模块可用作开关阵列的构件，其被配置使得任何数量的模块可以串联电路连接以得到期望的额定电压(例如电压可缩放性)。开关模块包括开关电路，所述开关电路包含至少一个微机电系统开关，其用于响应于施加到该开关上的门控信号而选择性地建立从开关的输入线路到输出线路的电流路径。开关模块进一步包括耦合到开关电路的控制电路，用以为微机电系统开关提供门控信号，以及耦合到控制电路和开关电路的电源电路。电源电路提供了彼此电隔离的输入端子对和输出端子对，其中通过输入端子对接收的模块功率输入信号电气上参照开关的输入线路，并且通过输出端子对提供的模块功率输出信号电气上参照开关的输出线路，使得当开关设置到断开状态时模块输出功率信号不受在微机电系统开关的输入和输出线路上形成的电压的影响。
附图说明
在下列描述中参照附图解释本发明，其中：
图1是根据本发明各方面的可以串联电路连接以实现电压可缩放性的多个基于MEMS的开关模块的框图。
图2是示出关于体现本发明各方面的开关模块的一个示例性实施例的电路细节的框图。
图3是关于可用于体现本发明各方面的开关模块中的控制电路的一个示例性实施例的框图。
图4是关于可用于体现本发明各方面的开关模块中的电源电路的一个示例性实施例的框图。
图5是可在并行电路中连接到图1的开关模块的电压分级网络的框图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，在此描述了结构和/或操作关系，其可用于在基于微机电系统(MEMS)开关的开关阵列中提供电压可缩放性(例如以便满足期望的额定电压)。当前，MEMS通常指的是例如可以通过微制造技术在公共衬底上集成多个功能不同的元件(例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子器件)的微结构。然而，预期在MEMS装置中当前可用的许多技术和结构，在几年后通过基于纳米技术的装置，例如尺寸上小于100纳米的结构，可用。因此，即使全文中描述的示例性实施例参考的是基于MEMS的开关装置，但是建议本发明的发明点应该得到广泛的解释而不应该限于微装置。
在下列详细描述中，列出许多具体细节以提供对本发明各实施例的彻底理解。然而，本领域技术人员应该理解的是，本发明的实施例可以无需这些具体细节而实施，本发明不限于所描述的实施例，且本发明可以用各种可选实施例来实施。在其它例子中，没有详细描述公知的方法、程序和部件。
而且，各种操作可以描述为以一种有助于理解本发明实施例的方式执行的多个离散的步骤。然而，描述的顺序不应该被解释为意味着这些操作需要以它们呈现的顺序而执行，也不意味着它们是顺序相关的。而且。重复使用的术语“在一个实施例中”并非一定指的是相同的实施例，尽管它们可能是相同的实施例。最后，在本申请中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等倾向于是同义的，除非另有所指。
图1是根据本发明各方面的包含多个基于MEMS的开关模块的开关阵列10的框图，例如可以串联电路连接以实现电压可缩放性的开关模块12、14、16。在一个示例性实施例中，开关阵列10包括多个相同的模块(例如用作开关阵列的构件)，其中电路配置为使得任何数量的模块可以串联连接以得到期望的额定电压(例如电压可缩放性)。
阵列的每个模块14、16(除了第一模块12)具有连接到串联电路中的前一(即前面的)模块的相应输出端子(线路输出、功率输出和控制输出)的相应输入端子(线路输入、功率输入和控制输入)。例如，模块12的线路输出、功率输出和控制输出端子连接到串联电路中的下一模块(例如模块14)的线路输入、功率输入和控制输入端子。类似地，模块14的线路输出、功率输出和控制输出端子连接到串联电路中的下一模块(例如模块16)的线路输入、功率输入和控制输入端子。
当阵列的每个开关模块设置为闭合开关状态时，电流(例如Iload)例如从串联阵列的第一模块(例如图1中的开关模块12)流过任意的中间模块(例如图1中的开关模块14)并通过每个串联互连的线路端子又流到串联阵列的最后一个模块(例如图1中的开关模块16)。标为功率的端子用于从阵列的一端向另一端传递电能(例如可用于给每个相应的开关模块中的控制电路供电)。标为控制的端子用于为串联阵列的开关模块传递期望的开/关状态。
功率和控制可以从功率和控制电路20施加到串联阵列的第一模块12，功率和控制电路20配置为向第一模块12提供适当的功率和控制。由电路20提供的功率和控制信号每一个都电气参考于模块12的相应线路输入端子。即，电路20通过处于合适的电压电平的标为功率输入的输入端子为串联阵列的第一模块12提供功率，其电气参照标线路输入的输入端子。在诸如三相系统的多相系统的情况下，可以通过从电源连接到该三相系统的其余相中相应相或连接到单相系统的中性点的相应电阻器提供电源。电路20还配置为选择性地提供关于应当将每个开关模块设置为开状态还是关状态的控制，并通过标为控制输入的端子将该信息传递到第一开关模块12。
当阵列的每个开关模块都设置为相应的开路开关状态时，在其中相应的基于MEMS的开关电路106(图2)的触点102和104之间会形成开路电压。即，在每个相应开关模块中的标为线路输入和线路输出的端子之间形成开路电压。
本发明的发明者已经创新性地认识到，配置为传递(例如传播)在每个功率输入和线路输入端子对处提供的功率到每个功率输出和线路输出端子对的功率的电路，不受在开路开关状态中在线路输入和线路输出端子之间形成的电压的影响。
图2是根据本发明各方面的基于MEMS的开关模块100的示例性实施例的框图，其可用于构造可以串联电路连接以实现电压可缩放性的开关阵列。该示例性实施例包括三个基本的电路组件：基于MEMS的开关电路106、电源电路108和控制电路110。
虽然在图2中开关电路106表示为由单个MEMS开关组成，但是需要理解的是开关电路106可以包括多个并联连接的MEMS开关，例如包括足以获得期望的额定电流(例如电流可缩放性)的多个并联连接的开关。对于图2中的示例性实施例，示出了一个三端子开关。然而需要理解的是，对于本领域的技术人员，使用四端子开关构造模块是非常可行的。可以施加于开关电路106的门控端子的标为门控的信号(更精确的是，相对于线路输入端子施加于门控端子的电压电平)，决定了是将开关电路106的每个开关设置为断开状态还是闭合状态。
每个相应开关模块的电功率需求由通过功率输入输入端子施加的电功率来满足，参考线路输入输入端子。例如，功率可以通过功率输入输入端子直接供给电源电路108(和控制电路110)。电源电路108配置为通过功率输出输出端子提供输出功率且该输出功率可以基于在MEMS开关电路106之间形成的开路电压值而适当地进行调节(例如，电压电平移位)。
控制电路110可以配置为执行两个基本功能。第一个功能是执行任何所需的在控制输入端子和施加到MEMS开关电路106的门控信号之间的电压电平移位以设定期望的开关状态例如断开或闭合的开关状态。对于那些其门控端子参考线路输入端子的开关，第一个功能可以仅由线路连接(例如通过电线)将门控信号传递到相应门控端子来执行。第二个功能是提供通过控制输出端子传递到下一开关控制模块的模块控制信号的合适的电压电平移位。
图3是一个使用光隔离器装置200的控制电路110的一个可能的电路实施方式的示例性实施例，所述光隔离器装置诸如商业可得到的具有所示标记的插针的光隔离器，或者提供与施加到相应开关模块的模块控制信号的电隔离(例如在传递模块控制信号的输入和输出端子之间的电隔离)的任何电路。如图3中所示，连接线路输入端子以提供光隔离器200的输入侧上的接地参考，并且连接线路输出端子以提供光隔离器200的输出侧上的接地参考。独立的电源(例如通过功率输入端子和功率输出端子连接)为光隔离器200的每侧提供独立的功率。连接到功率输入端子并具有连接到位于光隔离器200的输入侧的接地参考的接地参考的驱动电路202为开关模块提供本地门驱动。即，驱动电路202为MEMS开关电路106(图2)的门控端提供门控信号(参照线路输入端子)。
图4是电源电路108的一个可能的电路实施方式的一个示例性实施例。可以通过AC-AC隔离器300，例如四端子压电隔离器或AC变压器，提供从相应开关模块的相应输入侧到该开关模块的相应输出侧的电压隔离。关键点是功率被电隔离，例如，在输入和输出侧之间的电间隙间传递。由于通常需要DC功率来执行开关控制，因此通过功率输入端子和功率输出端子提供的电压信号通常包括相应的DC信号。于是，可以包括合适的信号调节器，例如连接在输入侧的DC-AC转换器302和连接在输出侧的AC-DC转换器304。电源电路108允许将在功率输入和线路输入端子对提供的电功率传递(例如传输)到功率输出和线路输出端子对，而不受在线路输入和线路输出端子对之间形成的开路电压的影响。
操作时，每个开关模块可以配置为执行下述示范功能：
监视线路输入和控制输入之间的模块控制信号以控制基于MEMS的开关电路(例如许多并联连接的开关)是应该设置为断开状态还是闭合状态。
将相应开关模块中的至少一些电路电气参考(electrically reference to)线路输入。
将门控信号应用到其中参考线路输入的相应的基于MEMS的开关电路。
从参考线路输入的功率输入获得它的本地功率需求。
使用可在基于MEMS的开关电路的线路输入和线路输出之间形成的开路开关电压，以对相应功率和控制信号提供合适的调节(例如电压电平移位)，照此信号从输入传递到输出以供给串联的下一个开关模块。例如，当开路开关电压接近相应开关模块中电路的额定电压时，需要最大(例如最恶劣的情况)的电压电平移位。
返回图1，开关阵列10优选包括电压分级网络(voltage grading network)30以确保每个开关模块上近似相等的电压分布。希望用电压分级网络30是由于下列原因：可能存在使每个开关模块上的电压分布不均衡的几个电流泄漏路径。泄漏电流的源可包括MEMS开关内的阻性泄漏电流、杂散容性泄漏电流以及通过阵列的功率和控制电流的流动。而且，当过渡到断开状态时，每个串联连接的开关模块可能并非恰好在相同的时刻断开。当相应的开关设置到断开状态时，电压分级网络30通过为泄漏电流提供通道和/或延迟恢复电压的开始而提供基本相等的电压分布。
分级网络30的一个示例性实施例在图5中示出，其中分级电容器402、分级电阻器404和可选的非线性电阻器406可以与每个模块以并联电路连接。当开关设置到断开状态时，电阻器404可以足够小以提供足够的电流来补偿用于功率和控制电路的返回电流和阻性泄漏电流。其典型值可以在大约1兆欧到1000兆欧范围内。电容器402可以足够大以延迟恢复电压的开始，从而跨越开关断开的时间间隔(time scatter)，例如在100纳法的数量级。可以配置非线性电阻器406(例如氧化锌电压箝)以确保不会由于来自诸如由附近的雷击等在系统中感应的电压的源引起的瞬态电压冲击，而超过每个模块的额定电压。
虽然在此已经示出和描述了本发明的各种实施例，值得注意的是仅仅通过示例的方式提供这些实施例。可以作出大量的修改、变化和替换而不脱离本发明。因而，旨在仅仅通过所附的权利要求的精神和范围来限定本发明。
部件
10             开关阵列
12、14、16     开关模块
30             电压分级网络
102和104       功率和控制电路触点
106            基于MEMS的开关电路
100            基于MEMS的开关模块
106            基于MEMS的开关电路
108            电源电路
110            控制电路
200            光隔离装置
202            驱动电路
300            AC-AC隔离器
302            DC-AC转换器
304            AC-DC转换器
402            分级电容器
404            分级电阻器
406            非线性电阻器

Claims (10)

1.一种包含至少一个开关模块的系统，其包括：
开关电路(106)，包括至少一个微机电系统开关，用于响应于施加到开关上的门控信号而选择性地建立从开关的输入线路到输出线路的电流路径；
耦合于开关电路以为微机电系统开关提供门控信号的控制电路(110)；以及
耦合于控制电路和开关电路的电源电路(108)，其中该电源电路包括彼此电隔离的输入端子对和输出端子对，其中通过输入端子对接收的模块功率输入信号电气上参考开关的输入线路，并且通过输出端子对提供的模块功率输出信号电气上参考开关的输出线路，使得当所述开关设置到打开状态时，模块功率输出信号不受在微机电系统开关的输入和输出线路两端形成的电压的影响。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，控制电路包括彼此电隔离的输入端子对和输出端子对，其中通过输入端子对接收的模块控制输入信号电气上参考开关的输入线路，并且通过输出端子对提供的模块控制输出信号电气上参考开关的输出线路，使得当所述开关设置到断开状态时，模块控制输出信号不受在微机电系统开关的输入和输出线路两端形成的电压的影响。
3.根据权利要求1所述的系统，其中控制电路包括连接的驱动电路以接收电气上参考开关的输入线路的模块控制输入信号，以产生施加到开关上的门控信号，其中所述门控信号电气上参考开关的输入线路。
4.根据权利要求2所述的系统，包括多个以串联电路相互耦合的开关模块，其中来自相应开关模块的模块功率输出信号包括提供到串联电路中下一个开关模块的模块功率输入信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中来自所述相应开关模块的模块控制输出信号包括提供到串联电路中该下一个开关模块的模块控制输入信号。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括以并联电路与开关电路耦合的分级电阻器(404)，以在其中提供阻性泄漏电流的路径。
7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括以并联电路与开关电路耦合的分级电容器(402)，以延迟瞬态恢复电压的开始。
8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括以并联电路与开关电路耦合的非线性分级电阻器(406)，以消耗瞬态电压冲击。
9.根据权利要求1所述的系统，其中开关电路包括以并联电路彼此耦合的多个微机电开关。
10.一种包括以串联电路彼此耦合的多个开关模块的系统，每个开关模块包括：
开关电路(106)，包括至少一个微机电系统开关，用于响应于施加到开关上的门控信号而选择性地建立从开关的输入线路到输出线路的电流路径；
耦合于开关电路以为微机电系统开关提供门控信号的控制电路(110)，其中该控制电路包括彼此电隔离的输入端子对和输出端子对，其中通过输入端子对接收的模块控制输入信号电气上参考开关的输入线路，并且通过输出端子对提供的模块控制输出信号电气上参考开关的输出线路，这样当所述开关设置到断开状态时，模块控制输出信号不受在微机电系统开关的输入和输出线路两端形成的电压的影响，其中来自相应开关模块的模块控制输出信号包括提供到串联电路中下一个开关模块的模块控制输入信号；
耦合于控制电路和开关电路的电源电路(108)，其中该电源电路包括彼此电隔离的输入端子对和输出端子对，其中通过输入端子对接收的模块功率输入信号电气上参考开关的输入线路，并且通过输出端子对提供的模块功率输出信号电气上参考开关的输出线路，使得当所述开关设置到断开状态时，模块输出功率信号不受在微机电系统开关的输入和输出线路上形成的电压的影响，其中来自相应开关模块的模块功率输出信号包括提供到串联电路中的该下一个开关模块的模块功率输入信号；以及
以并联电路与该多个开关模块耦合的电压分级网络(30)，以在该多个开关模块的每一个上提供基本相等的电压分布。
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