CN101388302A - 具有用于驱动机电开关的电源电压的电路系统 - Google Patents

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CN101388302A CNA2008100821385A CN200810082138A CN101388302A CN 101388302 A CN101388302 A CN 101388302A CN A2008100821385 A CNA2008100821385 A CN A2008100821385A CN 200810082138 A CN200810082138 A CN 200810082138A CN 101388302 A CN101388302 A CN 101388302A
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Abstract

本发明公开了具有用于驱动机电开关的电源电压的电路系统。一种电路(10)用于控制负载(16)的操作。在一个例子中，将MEMS开关(20)放置在电路(10)中，以便将负载置于导通状态或不导通状态的其中之一。压电变压器(46)提供相对的高电压输出信号或相对的低电压输出信号，以便在将负载置于导通状态的闭合位置与断开位置之间控制开关(20)的移动。所述高电压输出信号包括在变压器(46)的谐振频率范围内的频率分量。控制电路(65)向压电变压器(46)提供输入电压信号，以便在压电变压器(46)的输出端子处提供所述高电压输出信号或所述低电压输出信号。

Description

具有用于驱动机电开关的电源电压的电路系统
技术领域
本发明总体上涉及电压转换，更具体而言，涉及结合了用于控制流过其中的电流的电流负载和开关的电路和系统。
背景技术
通常使用开关DC电压电源或开关AC电源将机电开关门控成导通或不导通状态。众多应用需要非常快速的开关特性，这些特性可以利用微机电(MEMS)开关来达到。这种开关具有独特的电压和电流特性，并且可以达到大约3到20微秒的开关速度。随着开关部件的尺寸不断变小，能够提供可接受的性能和封装尺寸的驱动电路的特性正在变得更为苛刻。
在许多电源电路应用中，其中例如包括电视和荧光灯，通常将线绕电磁变压器用于电压转换。在电磁变压器中，通过初级绕组和次级绕组之间的磁耦合来转移能量。这使电路易受EMI影响，并且常常期望更好的电绝缘。电磁变压器在磁芯上需要大量的导线匝，以便实现大的变压比。随着在电源电子器件中使部件小型化的趋势，卷绕工艺通常导致重的、体积大的设备。例如在半导体衬底或PCB上形成的平面变压器更紧凑，但仍然是复杂、昂贵、面积密集的，并且限制可获得的运行功率的范围。
为了完全实现当前和将来MEMS开关设计的潜在益处，期望开发这样的开关系统，其以期望的速度可靠地操作并可以通过更有效的电路来供电，以及其可以使用现有的微电子技术以相对较小的体积来制造。
发明内容
根据本发明的众多实施例，提供一种用于控制负载的操作的电路。MEMS开关被放置在电路中，以便将负载置于导通状态或不导通状态的其中之一，以及压电变压器提供相对的高电压输出信号或相对的低电压输出信号，以便在将负载置于导通状态的闭合位置与断开位置之间控制开关的移动，其中该高电压输出信号包括在变压器的谐振频率范围内的频率分量。控制电路将输入电压信号提供给压电变压器，以便在压电变压器的输出端子处提供该高电压输出信号或该低电压输出信号。该高电压输出信号的峰值与该输入电压信号的峰值的比的范围可以是从5到10。
根据本发明的其它实施例，一种用于向MEMS开关提供驱动电压的电路包括具有特征谐振频率的压电变压器，其中该变压器的输出端子被耦合到栅极。可以耦合驱动电路，以便利用具有不同于特征谐振频率的频率分量的第一相对低电压信号给变压器通电，其中该第一信号具有第一峰值电压，以便使变压器响应于该第一信号而提供第二信号，其中该第二信号也具有不同于峰值谐振频率的频率分量，并且该第二信号具有大于第一峰值电压的第二峰值电压。该电路可以包括耦合在变压器输出端子和栅极之间的整流电路，以便将第二信号转换成能够改变MEMS开关的状态的整流信号。
仍然根据本发明的其它实施例，一种系统包括具有电源电压、负载和机电开关的电路，该机电开关具有可移动到将开关置于导通模式的第一位置并且可移动到将开关置于不导通模式的第二位置的元件。该开关还包括控制端子，用于有选择地施加或去除静电力，以便将该元件置于第一位置或第二位置。压电变压器的高电压端子被连接到控制端子，并且变压器的第二端子被连接以接收输入信号，使得通过将第一电平信号施加到第二端子，高电压端子向控制端子提供具有足够电压的高电压信号，以便产生将该元件从其中一个位置移动到另一个位置的静电场。
在一种用于控制负载的操作的方法的实施例中，利用MEMS开关和具有谐振频率范围的压电变压器来形成电路，该MEMS开关被放置成将负载置于导通状态或不导通状态的其中之一，该谐振频率范围具有峰值谐振频率。将相对的高电压输出信号或相对的低电压输出信号提供给压电变压器的输出端子，以便在闭合位置和断开位置之间控制开关的移动，其中该高电压输出信号包括在变压器的谐振频率范围内的频率分量。可以根据控制信号来驱动压电变压器的输入端子，以便在压电变压器的输出端子上有选择地提供该高电压输出信号或该低电压输出信号。
根据一种用于优化来自压电变压器的输出电压的上升时间和下降时间的方法的实施例，其中该压电变压器可以被耦合以便在导通状态和不导通状态之间驱动MEMS开关，利用输入信号给变压器通电以产生高电压输出信号，该输入信号具有作为相对于变压器的谐振频率的偏移的频率。对该输出信号进行整流，并施加该整流信号以便将MEMS开关从导通状态和不导通状态的其中之一驱动到另一种状态。在一些实施例中，响应于输入信号的峰值而产生的输出信号的峰值大于输入信号的峰值。
附图说明
通过下面的描述将会更清楚地理解本发明，其中仅仅通过例子并参考附图来说明各实施例，其中：
图1示出一个示例性电路，其具有在PZT和相关联的驱动电路的控制下能够对流过负载的电流进行开关控制的MEMS开关；
图2示出一个示例性无电弧的基于MEMS的开关系统，其也具有在PZT和相关联的驱动电路的控制下能够对流过负载的电流进行开关控制的MEMS开关；以及
图3示出对应于图1和图2所示的PZT的等效电路。
在所有的附图中使用相同的附图标记来表示相同的特征。附图中的各个特征可能没有按比例绘制。
具体实施方式
目前，微机电系统(MEMS)通常是指微米级结构，其例如可以通过微制造技术在公共衬底上集成多个不同的元件，例如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子器件。用于MEMS应用的开关技术包括半导体器件，例如功率场效应晶体管(FET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)，而且包括在性质上是机电的MEMS开关。MEMS开关的一个例子包括控制静电致动梁(beam)的栅极。该梁可在两个位置之间移位，以使开关处于导通状态或不导通状态。
这种MEMS开关具有与半导体开关大大不同的要求，所述半导体开关通常需要低电压启动的栅极驱动，例如小于18V。另一方面，当在导通状态和断开状态之间驱动开关时，目前的MEMS开关需要相对较高的电压(50到100V)来实现所期望的开关特性。由于MEMS开关的栅极的相对较小的电极间电容(例如3-30pf)所导致的非常低的启动电流也是MEMS开关的栅极的特征。
在附图中所描述的各实施例的一个特征是将压电变压器(这里被称作PZT)结合到微机电系统中，该压电变压器利用压电效应来提供ac电压转换。可以耦合该PZT以接收低电压信号，并且产生适于操作MEMS开关的高电压栅极驱动脉冲。例子包括MEMS开关的用于控制通过简单负载的电流的操作、以及用于例如可以在电动机启动电路中使用的无电弧开关的专用电路实施方式。然而，所给出的构思适用于多种附加的开关应用。此外，注意的是，目前在MEMS器件中可用的许多技术和结构将仅仅在几年之后通过基于纳米技术的器件而变得可用，所述基于纳米技术的器件例如是尺寸可能小于100纳米的结构。尽管在整个文献中所描述的示例实施例可能指的是微米级的基于MEMS的器件，但是应当理解，本发明设想了这些和其它的发展，并且应当得到广泛解释，而不限于微米尺寸的器件。因此，这里使用的术语“微机电系统(MEMS)”不限于微米级结构，而是还指结合了比微米级更小的结构的系统。术语“MEMS开关”设想了具有微米级或更小尺寸的结构的任何机电开关，并且对于特定MEMS开关设计或特定产品的提及仅仅是示例性的。
尽管描述了PZT的特定例子，但是应该理解，当实践本发明时可以使用许多种PZT设计。作为例子，在实施例中示出了基于陶瓷的Rosen型PZT，但是还设想了其它类型PZT的使用，并且还设想了适用于PZT操作的其它材料的使用。在描述系统或电路的部件和操作的特征的过程中，以常规的方式来使用被应用于控制参数波形的术语“上升时间”和“下降时间”，其被理解成是指在峰值的10％与90％之间转变的流逝时间。此外，这里使用的“谐振频带”被理解为在其上PZT显示出有用的机械响应的频率范围，以及“谐振频率”被理解成是指显示出机械或电响应的最大值的特定频率。
应用PZT来驱动MEMS开关的栅极将不同于其它可能的栅极驱动应用。与IGBT和FET应用所需的低电压栅极驱动(小于18V)不同，MEMS开关需要适用于微机械开关触点的快速和可靠的闭合的相对较高的电压电源(50-100V)。各个MEMS栅极可以显示出相对较低水平的电容，典型地大约是3到30pF，并且一般来说小于100pf，从而操作仅仅需要非常小的(例如微安或更小的)瞬时电流脉冲以对栅极结构进行充电。因此，通常仅仅需要几毫瓦的平均功率来提供几兆欧水平的栅源阻抗。
在MEMS开关系统中，通过将PZT的输出耦合到快速全波二极管桥式整流器，可以实现这种高电压(50-100V)的快速响应栅极驱动信号。而且，在所需的程度上，电压调节功能可以基于PZT的谐振模式特征通过可变频率控制来实施。为了快速接通和关断高电压输出，可以以脉冲模式来操作MEMS开关系统，而在高电压侧不需要附加定时电路，其中该MEMS开关系统利用适当设计的PZT来将低输入开关信号转换成高栅极电压。对来自PZT的输出电压信号的整流提供了高电压脉冲信号，而不需要高电压逻辑电路。上述能够产生具有非常快速的上升时间和下降时间的整流的高电压DC输出。上升时间和下降时间能够容易地是大约3-30微秒，从而对MEMS开关实现非常快速的高电压接通时间和关断时间。PZT的输入信号可以处于设备的机械谐振频带内的固定频率，并且对低电压输入信号的逻辑控制有效地控制高电压PZT输出。也就是，高电压栅极信号(例如90V)可以利用低电压逻辑来快速地接通或快速地关断。具有快的接通响应时间和关断响应时间的高输出电压信号(即90V)可以根据需要将MEMS开关快速地置入导通状态或者脱离导通状态。因此，由于开关完全被在变压器的低电压侧上的逻辑所控制，因此不需要结合复杂和隔离的高电压逻辑电路来控制由PZT的高电压输出端子对MEMS开关的栅极所提供的输入。输入信号的频率可以处于PZT的特定谐振频率或者偏离PZT的特定谐振频率30％到40％，尽管还设想了大约5％到10％或更少的偏差。由于在以低于特定谐振频率的频率操作时PZT的输入是电容性的，所以可以将电感元件串联放置在PZT驱动器电路和其中一个PZT输入端子之间，以便优化开关性能。
参考图1，其中示出电路10，其具有与示例性灯负载16和限流负载电阻器18串联的电源14。开关20被放置成控制流过电路的电流ILoad。在该例子中，电源14是交流电压源。灯负载16在该例子中包括一对发光二极管24和26，它们被配置成彼此之间是反向并联关系，即被定向成以相反方向传导电流。开关20是微机电系统(MEMS)三端开关，并且可以是如示意性示出的具有静电致动梁30的类型，所述静电致动梁30被耦合到控制极或栅极32，以便有选择地使负载电流在源极38和漏极40之间通过。该开关被放置成与电源14和灯负载16串联，其中该开关的源极38被耦合到电源14，并且该开关的漏极40被耦合到灯负载16。
通过向栅极32施加电压以及从栅极32去除电压可以控制流过MEMS开关20的电流。与半导体开关(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或场效应晶体管(FET))不同，包括开关20的MEMS开关通常需要低电流高电压驱动信号，其通常在40伏和100伏的范围之间。为了实现对驱动信号的选择性施加，将栅极驱动器系统44连接到MEMS开关20的栅极32。
系统44包括压电变压器(PZT)46，该压电变压器在一对输入端子之间接收频率范围为大约30-100kHz的低电压输入信号，并且在一对输出端子之间提供高电压AC输出信号。因此，所示的变压器46是四端器件，其具有低电压信号输入电极50和相关联的接地输入电极52以及高电压输出电极54和相关联的接地输出电极56。在该例子中，接地电极52和56被彼此隔离，而在其它实施例中，可以用三端器件来替换变压器46，其中输入端子和输出端子共用公共接地。一般来说，对于这个和其它实施例来说，PZT输出端子(例如54、56)之间的电压被称为PZT输出电压VPO。对于变压器46的信号输入，低电压输入驱动器电路60接收例如在零到5伏的范围内的40kHz的低电压信号62。通过包括40kHz方波发生器的开关控制电路65，可以产生作为共同形成已调方波脉冲串的导通/断开方波脉冲的所示信号62。以40kHz的频率来调制PZT的每个导通脉冲。驱动器电路60提供在PZT输入电极50、52之间的适当输入信号，例如处于40kHz频率的大约为15伏的峰峰值。
作为例子，变压器46可以是Rosen型，其具有1W的额定输出和100kHz的谐振频率。如由Face Electronics，L.C.of Norfolk，Va.U.S.A.制造的这种设备在输入端子处可能显示出相当大的电容(例如70-80nF)，从而在操作频率需要大于1A的非常短持续时间的瞬时峰值输入电流，但是在脉冲串期间其平均电流是1安培的几分之一。能够向变压器46提供峰峰值大约为15伏的输入电压的适当驱动器电路是由Micrel，Inc.of San Jose，Ca.USA制造的MIC4428。利用这种输入信号，变压器46可以在电极54、56之间提供处于操作频率的峰峰值大约为90伏的峰值输出信号。
电极54和56之间的输出AC电压被耦合到具有第一和第二并联分支64a和64b的常规全波二极管桥64以便提供全整流波形，所述波形在AC脉冲的持续时间期间产生相对稳定的DC栅极脉冲信号68。第一分支64a包括串联的第一和第二二极管80、82，以及第二分支64b包括串联的第三和第四二极管84、86。在二极管80、82之间的第一桥输入端子88被连接到输出端子54，而在二极管84、86之间的第二桥输入端子90被连接到输出端子56。放置在二极管80和84之间的第一桥输出端子92被连接到MEMS开关栅极32，而放置在二极管82和86之间的第二桥输出端子94被连接到源极38。
滤波级包括并联结构的电阻器70和电容器72，每一个都被放置在开关端子32和38之间，并且具有的值被选择成调节整流栅极脉冲信号68的上升时间和下降时间，以便实现期望的开关上升时间和下降时间。栅极32和源极38之间的整流信号68具有大约90伏的导通电压，该电压通过开关电路65的定时动作被有选择地施加以便操作MEMS开关20。
根据其它实施例，栅极驱动器系统(例如系统44)可以控制对并联布置的两个或更多个MEMS开关的开关，以便增加开关操作的负载容量。仍然在其它应用中，可以以并联结构放置多个MEMS开关20，使得所有的栅极都被并联连接并且由栅极驱动器系统44来驱动，所有都在同一开关电路65的控制之下。对于一些应用来说可能优选的是，使用共同驱动的但单独的驱动器系统44来驱动开关的并联组合的每个栅极。
现在转向图2，其中示出根据另一个实施例的一个示例性无电弧的基于MEMS的开关系统100。系统100包括放置在负载电路140中的一个或多个MEMS开关20。为了说明的简单起见，仅仅示出第一开关20。
开关系统100感测在MEMS开关的控制下可操作的负载电路中的电流或电压电平。如果电流或电压电平超过了阈值，则产生故障信号，并应用该故障信号来触发在包含平衡二极管桥的脉冲电路212中的脉冲电流。通过适当地连接在MEMS开关20上的平衡二极管桥182的动作的脉冲电流能够使来自MEMS开关的电流分流，以便减少或消除在断开MEMS开关之前的电弧放电。
脉冲电路212被放置成检测MEMS开关20的开关条件，正如在此更全面地解释的那样。逻辑和驱动器控制电路230包括耦合到开关20的漏极40的电压感测电路234和耦合到电路140的电流感测电路236。感测电路234和236可以检测到例如何时电路140中的电压或电流电平超过预定阈值，响应于此，该电路230触发脉冲电路212。在所示的实施例中，控制MEMS开关20的栅极32以便有选择地使负载电流Iload在源极38和漏极40之间通过。栅极32由栅极驱动器系统44来驱动，正如参考图1所述的那样。在该例子中，栅极驱动器系统44从逻辑和驱动器控制电路230接收通断脉冲的方波信号62。
如所示，电压缓冲电路102可以与MEMS开关20并联耦合，并且被配置成限制在快速接触分离期间重新施加的电压的上升率。在某些实施例中，缓冲电路102可以包括与缓冲电阻器(未示出)串联耦合的缓冲电容器(未示出)。缓冲电容器可以促进如上所述的重新施加的接触电压的减速。此外，缓冲电阻器可以抑制在MEMS开关20的闭合期间由缓冲电容器所产生的任何电流脉冲。在某些其它实施例中，电压缓冲电路102可以包括金属氧化物变阻器(MOV)(未示出)。
与MEMS开关20串联连接的负载电路140包括电压源144(VBUS)、表示由负载电路140看到的组合的负载电感和总线电感的负载电感146(LLOAD)、以及表示由负载电路140看到的组合的负载电阻的负载电阻148(RLOAD)。在第一MEMS开关20的控制下，负载电路电流ILOAD可以流过负载电路140。
用于保护开关20的无电弧抑制电路160包括利用耦合在节点184和186之间的第一和第二分支180、182来配置的平衡二极管桥164，每个分支当在脉冲工作状态中时在二极管190和194的两端显示出基本相等的电压降，使得节点200和202之间的电压降接近于零。桥164的第一分支180包括串联耦合在一起的第一二极管190和第二二极管192。桥164的第二分支182包括也是串联耦合在一起的第三二极管194和第四二极管196。可以改变或扩展无电弧抑制电路160，以促进抑制多个MEMS开关的触点之间的电弧形成。
以并联结构将MEMS开关20布置在桥164的一对第一端子200、202之间。将第一端子的其中一个200放置在第一和第二二极管190、192之间，以及将第一端子的另一个202放置在第三和第四二极管194、196之间。当在MEMS开关20的关断期间将负载电流传输到二极管桥164时，MEMS开关20和二极管桥164之间的电感产生相对较小的di/dt电压，例如小于当在正向导通时在MEMS开关的源极38和漏极40之间的电压的2％到5％。MEMS开关20可以与平衡二极管桥164被集成为单个封装206，或者可选地，被形成在同一管芯上，以便最小化这些部件之间的前述的电感。
响应于包括但不限于电路故障或开关ON/OFF信号的多个动作，可能出现开关条件。脉冲电路212包括串联布置的脉冲开关214、脉冲电容器CPULSE216、二极管桥164、脉冲电感器LPULSE218和二极管220。开关214可以是固态器件，例如场效应晶体管，其被配置成处于纳秒到微秒范围的开关速度。二极管桥164被放置在脉冲电路212中，以便当响应于来自控制电路230的过电流或导通/关断命令而在脉冲工作状态中时，在开关30的漏极40到源极38上提供几乎为零的电压降。如已经描述的，响应于由传感器236感测到的过电流条件，通过控制电路230产生脉冲命令。在该例子中，将脉冲开关214示意性地示出为在逻辑和驱动器控制电路230的控制下具有耦合到驱动器电路215的栅极端子的三端器件。附图标记224表示在开关转换期间可能流过脉冲电路212的脉冲电路电流IPULSE。基于传感器236所感测到的故障电流的特征，选择脉冲电容器216、脉冲电感器218和二极管220以便促进脉冲电流成形和定时。脉冲开关214及其相关联的驱动器和控制电路提供在控制电路230和脉冲开关驱动器215之间的接口。
MEMS开关20可以在闭合状态和断开状态之间被快速地切换(例如大约1到30微秒)，同时以接近零的漏源电压载送电流。通过可以发出通断控制信号62(例如40kHz的高电平信号或低电平信号)的电路230来控制栅极32。响应于传感器236在负载电路中检测到的过电流或故障电流，通过控制电路230来产生信号62。
例如当负载电路140中的电压或电流电平超过预定阈值时，逻辑和驱动器控制电路230以及电压和电流感测电路234、236检测到负载故障。响应于负载故障，脉冲电路212促进MEMS开关从闭合状态到断开状态的切换。电路230通过驱动器电路215来把脉冲开关214触发到闭合位置，以便使该桥工作在脉冲状态。该触发可能是由于因电路140中过大的电流电平而产生的故障条件所引起的，但还可能是基于监视到的斜坡电压，以便为MEMS开关20实现给定的随时间变化的系统。
在图2所示的实施例中，当检测到故障或外部命令时，控制电路230向驱动器电路215发送触发信号232，以便操作脉冲开关214。作为响应，开关214例如可以产生响应于检测到的开关条件的正弦脉冲。脉冲开关214的触发然后在脉冲电路212中启动触发谐振的半正弦电流。
半正弦桥脉冲电流224(IPULSE)的峰值是脉冲电容器CPULSE216两端的初始电压以及脉冲电容器216(CPULSE)和脉冲电感器218(LPULSE)的值的函数。脉冲电感器218和脉冲电容器216的值还决定半正弦脉冲电流的脉冲宽度。可以调节桥电流脉冲宽度和幅度，以便满足基于负载电流(VBUS/LLOAD)的变化率和在负载故障条件期间期望的峰值允通电流所预测的系统负载电流关断要求。根据图2的实施例，将脉冲开关214从断开状态重新配置成在断开MEMS开关20之前的闭合导通状态。
在故障条件下，由于逻辑和控制电路已经发出触发信号232，脉冲电路电流224(IPULSE)的幅度变得明显大于负载电路电流ILOAD的幅度(例如，由于脉冲电路21的谐振和电容器216上的初始电压)。同时，由于电压通过MEMS栅极驱动器系统44被施加给栅极32，当MEMS开关20开始关断时，MEMS开关20的操作状态从闭合导通状态被转变到其中一个增加的电阻。在该转变过程中，梁30和漏极区之间的触点可能仍然是闭合的，但是由于开关断开过程，所以触点压力减小了。这引起开关电阻增大，其又将来自MEMS开关20的负载电流分流到二极管桥164中。在这种状态中，相对于通过MEMS开关20的路径，平衡二极管桥164向负载电路电流ILOAD提供了相对较低阻抗的路径，这显示出增大的触点电阻。与负载电路电流ILOAD的变化率相比，负载电路电流ILOAD通过MEMS开关20的分流是极其快速的过程。为了进一步提高分流的速率，应当最小化与MEMS开关20和平衡二极管桥164之间的连接相关联的电感。
由于负载电路电流ILOAD从MEMS开关20被分流到二极管桥164，在第一和第二二极管分支180、182上形成不平衡。随着脉冲电路电流的衰减，在脉冲电容器212(CPULSE)两端的电压继续反向(例如充当“反电动势”)，从而引起负载电路电流ILOAD减小到零。二极管192和194变得反向偏置，从而脉冲电感器218LPULSE和桥脉冲电容器216(CPULSE)使得负载电路140成为包括负载电感效应的串联谐振电路。
可以配置二极管桥164以便保持在MEMS开关20的触点两端的接近零的电压，直到触点分离以便断开MEMS开关20，从而通过抑制在断开过程中将往往会在MEMS开关20的触点之间形成的任何电弧来防止破坏。MEMS开关20的触点接近断开状态，其中大大减少的触点电流通过MEMS开关20。而且，电路电感中的任何存储能量、负载电感和电源可以被转移到脉冲电路电容器212(CPULSE)，并且可以通过电压耗散电路(未示出)来吸收。
图3示出用于图1和图2的压电变压器46的一个示例性等效电路。当把例如由Face Electronics，L.C.制造的1瓦PZT变压器用作变压器46时，对于下列部件值，来自驱动器电路60的15v输入导通电压在端子54、56之间产生90v的输出VPO：
Cin：74.3nF              R：1.20Ohm
C：1.34nF                L：1.42mH
Cout：10.4pF             输出电压/输入电压(峰值)：6
已经示出了开关系统的示例应用。电路结合了具有响应于静电力而可移动的元件的类型的MEMS开关。在操作过程中，将一个或多个MEMS开关置于常闭导通状态，以使得电流持续通过负载一个相对较长的时间周期，例如分钟、日、月或年。开关通常并且主要地保持在导通模式。对于图2的示例性无电弧的基于MEMS的开关系统100，异常条件(例如短路)的出现导致了利用PZT输出电压VPO中的快速转变而实现的立即的高速关断响应。在检测到故障与将开关20置于不导通状态之间的流逝时间可以大于PZT驱动电路的最小开关时间大约几微秒。
本发明众多实施例的特征是相对于其它电源开关应用的非常低的平均开关功率。例如，一些电源转换应用使用相对较低的电压(常常小于18伏)的半导体开关器件，以便以大约100kHz或更高来提供持续的高速开关。
在这种持续的高频率应用中，平均开关损耗相对较大。而且，比如结合在系统10和100中的MEMS开关的电容特性显示出比为可比电路应用所设计的半导体开关小大约三个数量级。结果，对于给定的开关速度，操作MEMS开关所需的功率也低得多。
示例系统10和100的另一个特征是电路的设计，即在不需要优化效率和低功耗的情况下，以最小化端子54和56之间的PZT输出电压的上升和下降时间的方式来使用PZT。当将MEMS开关布置在这样的电路中时，即将开关在长的时间周期保持在导通状态而不是经历通过通断状态的高频率循环的电路，在各个开关操作期间的功耗可能是更为关注的。PZT具有输出电压与输入电压比的尖谐振频率特征。谐振频率取决于在变压器结构中所涉及的材料常数和材料尺寸，其中所述变压器结构包括压电层和电极。
为了实现高速转变，PZT器件在不同于器件的峰值谐振频率上接收输入信号62。例如，对于具有100kHz+/-10％的峰值谐振频率的PZT 46，基于从开关控制电路65或逻辑和驱动器控制电路230产生的信号62，在端子50和52之间的输入信号处于40kHz。也就是，电路10和系统100被设计成以不同于峰值谐振频率的频率并且因此以相对较低的效率来操作PZT 46。这产生了对实现快速关断的阻尼，同时效率的损失在该示例应用中是可容许的。对于其它电路实施例，速度的优化可能涉及对具有较高谐振频率的PZT的选择，以及PZT的输入信号可能相对较接近于谐振频率。通常，谐振频率的范围可以是从100kHz到至少500kHz，并且输入信号可以不同于谐振频率10-40％或更多。
最佳PZT可以以相对较低的耗散因数(机械Q)、100kHz或更高并且接近于谐振频率的高操作频率来操作。通过利用电感负载(例如置于图1或图2的PZT输入端子50和驱动器电路60之间的电感器51)来补偿PZT器件的输入电容来增强操作模式。对于MEMS栅极驱动器中的PZT，峰值输出与峰值输入电压的比可以是大约5∶1到10∶1或更大。驱动器电路可以向PZT产生大约5到15伏的输入信号，同时PZT输出电压可以是大约高达100伏或更高。
所公开的实施例提供了MEMS栅极驱动器，其具有输入端子和输出端子之间的非常高电压的隔离、非常低的输入-输出电容耦合、高频率操作、低EMI产生和高的输出电压与输入电压比。例子已被用来说明本发明，其中包括最佳方式，并且被用来使本领域技术人员能够做出和使用本发明。还设想了众多其它实施例，并且仅仅通过后面的权利要求来限定本发明的范围。
附图标记列表
10        电路
14        电源
16        灯负载
18        限流负载电阻器
20        开关
24，26    发光二极管
30        静电致动梁
32        控制极或栅极
38        源极
40        漏极
44        栅极驱动器系统
46        压电变压器(PZT)
50        低电压信号输入电极
51        电感器
52        接地输入电极
54        高电压输出电极
56        接地输出电极
60        低电压输入驱动器电路
62        低电压信号
64        常规全波二极管桥
64a，64b  第一和第二并联分支
65        开关控制电路
68        DC栅极脉冲信号
70        电阻器
72        电容器
80，82    第一和第二二极管
84，86    第三和第四二极管
88        第一桥输入端子
90        第二桥输入端子
92        第一桥输出端子
94        第二桥输出端子
100         无电弧基于MEMS的开关系统
102         电压缓冲电路
140         负载电路
144         电压源(VBUS)
146         负载电感(LLOAD)
148         负载电阻(RLOAD)
160         无电弧抑制电路
164         平衡二极管桥
180，182    第一和第二分支
184，186    节点
190，194    二极管
196         二极管
200，202    节点之间的电压
206         单个封装
212         脉冲电路
214         脉冲开关
215         驱动器电路
216         脉冲电容器CpULSE
218         脉冲电感器LPULSE
220         二极管
224         附图标记
224         半正弦桥脉冲电流(IPULSE)
230         逻辑和驱动器控制电路
232         触发信号
234         电压感测电路
236         电流感测电路

Claims (9)

1.一种包括用于控制负载(16)的操作的电路(10)的电系统，包括：
MEMS开关(20)，其被放置成将所述负载(16)置于导通状态或不导通状态中的其中之一；
压电变压器(46)，其具有一个具有谐振频率的谐振频率范围，并且被配置成从其输出端子(54，56)提供相对的高电压输出信号或相对的低电压输出信号，以便在将所述负载置于所述导通状态的闭合位置与将所述负载置于所述不导通状态的断开位置之间控制所述开关(20)的移动，所述高电压输出信号包括在所述变压器(46)的所述谐振频率范围中的频率分量；以及
控制电路(65)，用于提供输入电压信号来驱动所述压电变压器(46)的输入端子，以便在所述压电变压器的输出端子(54，56)处有选择地提供所述高电压输出信号或所述低电压输出信号。
2.根据权利要求1所述的电路(10)，其中所述相对的高电压输出信号的特征在于峰值输出值，所述输入电压信号的特征在于峰值输入值，以及所述峰值输出值与所述峰值输入值的比的范围是从5到10。
3.根据权利要求1所述的电路(10)，其中：
所述变压器(46)具有一个谐振频率范围，所述谐振频率范围具有产生峰值机械响应和峰值输出电压响应的在该范围内的特定谐振频率，以及由所述控制电路提供的所述信号包括振荡频率，所述振荡频率导致所述相对的高电压输入信号具有在所述变压器的所述谐振频率范围内的振荡信号，从而所述变压器提供具有所述频率分量以及峰值大于所述相对的高电压输入信号的峰值的所述相对的高电压输出信号。
4.根据权利要求1所述的电路(10)，其中由所述控制电路(65)提供的所述信号包括对应于所述相对的高电压输入信号的逻辑高电压电平，以及其中所述相对的高电压输入信号是峰值对应于所述逻辑高控制信号的峰值的振荡信号，并且所述相对的高电压输入信号的峰值大于由所述控制电路(65)提供的所述信号的所述逻辑高电压电平的峰值。
5.根据权利要求4所述的电路(10)，其中所述控制电路(65)被连接到驱动电路(60)以便产生所述相对的低输入信号和所述相对的高输入信号，从而导致超过5伏的所述相对的高电压输入信号的峰值的产生。
6.根据权利要求1所述的电路(10)，其中所述变压器(46)具有一个谐振频率范围，所述谐振频率范围具有产生峰值机械响应和峰值输出电压响应的特定谐振频率，以及对所述相对的高电压输入信号的提供是通过下列操作来执行的：基于来自所述控制电路(65)的具有在所述变压器(46)的所述谐振频率范围内的振荡频率的信号，产生所述相对的高电压输入信号。
7.根据权利要求6所述的电路(10)，其中所述控制电路(65)提供在偏离所述压电变压器(46)的所述谐振频率的振荡频率的所述信号。
8.根据权利要求1所述的电路(10)，还包括对所述高电压输出信号进行整流的电路(64)，所述电路(10)能够向所述MEMS开关(20)提供输入，所述输入的特征在于上升时间，其可从最大电压的10％到最大电压的90％来度量，处于1到30微秒的范围。
9.根据权利要求1所述的电路，还包括对所述高电压输出信号进行整流的二极管桥电路(64)，所述电路能够向所述MEMS开关提供输入，所述输入的特征在于下降时间，其可从最大电压的90％到最大电压的10％来度量，处于3到10微秒的范围。
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