CN101563745B - 用于驱动开关的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种驱动具有可移动部件和触点的开关的方法，首先施加(于开关)具有第一电平的第一信号，然后，将具有第二电平的第二信号施加于该开关(在施加第一信号之后)。第一电平大于第二电平。第一和第二信号中的一个或二者导致可移动部件移动，以与触点电连接。

Description

用于驱动开关的方法和装置

优先权

本发明要求下列美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入这里： 

申请号60/871,619，提交于2006年12月22日。 

技术领域

本发明总的来说涉及开关，更具体地，本发明涉及控制开关。 

背景技术

电子设备通常使用电子开关来选择性地连接电路的两个部分。一种类型的开关具有可移动臂，该可移动臂交替地接触固定表面上的电传导端口(通常称为“触点”)。该臂通常响应于强制该臂的驱动信号而向触点移动。 

为了与更高速电路操作，通常对于开关理想的是，开关与其触点在最短的时间内实现连接。因此，许多开关使用相对较高电平的信号，该信号在最短的时间内促使与触点的连接。例如，驱动信号可以以非常快的速率(rate)升高到最大电压，以静电地将微机电(“MEMS”)悬臂迫向固定触点。这种快的速率会不希望地导致臂在实现静态(stationary)接触之前物理地弹离触点并振荡。 

响应于此，本领域的技术人员可以产生一种低强度的信号；例如，较缓慢上升的信号。虽然它可以减轻反弹问题，但是这种解决方案不希望地降低了闭合开关的速度。 

发明内容

根据一个实施例，一种驱动具有可移动部件和触点的方法首先施加(于开关)具有第一电平的第一信号，然后，将具有第二电平的第二信号施加至开关(在施加第一信号之后)。第一和第二电平是各信号变化率(rate)。第一电平大于第二电平。第一和第二信号中的一个或二者引起可移动部件移动，以与触点电连接。 

一种驱动具有可移动部件的开关的方法，可以同时、顺序或在重叠的时间中施加一个或多个信号。在一个实施例中，一个或多个信号可以是电压信号。在一个实施例中，一个或多个信号可以是电流信号。 

根据一个实施例，可以通过将电压或电流提供给开关的电路产生驱动信号。在一个实施例中，电压输出电路在第一时间将具有第一电平的电压信号施加于开关，并且在施加第一电压信号之后，施加具有第二电平的电压信号，该第一和第二电平是各电压信号的变化率(rate)。 

在一个实施例中，电流输出电路包括电流镜电路，该电流镜电路具有连接到至少一个电流源的电流输入，以及连接至开关的电流输出。该电流镜的输出用作将充电电流提供给开关的电流源。电流输出电路向开关提供具有第一电平的充电电流的第一信号，然后，在施加充电电流的第一信号之后，提供具有第二电平的充电电流的第二信号。 

在受到阈值幅度值支配时，可移动部件示意性地移动，以与触点电连接。因此，在说明性示例中，第一信号具有小于阈值幅度值的最大幅度，而第二信号具有大于阈值幅度值的最大幅度。 

该方法可以利用不同类型的信号进行操作。例如，第一电平可以是第一电压，而第二电平可以是第二电压。在其它情况之中，第一电平和第二电平可以是相对于时间的电压增加的比率(rate)。当被执行时，该方法引起可移动部件以下述方式移动，该方式使得可移动部件 在电接触触点之后基本无振荡。 

可以通过多个不同方式提供所述信号。例如，单一源可以提供第一和第二信号。在其他实施例中，第一源提供第一信号，并且第二源提供第二信号。在又一个实施例中，第一和第二源提供第一和第二信号的一个或两个。 

根据本发明的另一实施例，开关驱动器电路具有用于传输具有多于一个电平的信号的源。具体而言，该信号具有第一电平和大于第一电平的第二电平。开关驱动器还具有用于传输该信号的输出，该信号在其达到第一电平之后，达到第二电平。 

在其它情况之中，该源可以是多个源或单一源。 

附图说明

本领域技术人员根据参考在下面概括的附图所讨论的“具体实施方式”，将完全地了解本发明的各个实施例的优点。 

图1示意性地示出了处于断开位置的MEMS开关。 

图2示意性地示出了处于闭合位置的MEMS开关。 

图3(a)、图3(b)和图3(c)示意性地示出了比较开关对于各种驱动信号的反应的曲线图。 

图4是仿真的驱动信号的曲线图。 

图5是包括两个数字子电路的驱动开关的电路的说明性实施例的示意图。 

图6(a)是用于生成某控制信号的数字电路的示意图。 

图6(b)是用于图6(a)中的电路的某信号的时序图。 

图7是用于生成脉冲信号的数字电路的示意图。 

图8是第一操作状态下的示出了某些特征的图5中的电路的示意图。 

图9是过渡状态下的示出了某些特征的图5中的电路的示意图。 

图10是第二操作状态下的示出了某些特征的图5中的电路的示意图。 

图11是驱动开关的电路的说明性实施例的示意图。 

具体实施方式

在说明性实施例中，驱动器将驱动信号以下述方式施加于开关，该方式基本上减少了振荡，同时优化了开关闭合时间。为此，驱动器首先将具有相对高电平的第一信号施加于该开关。然而，在该开关闭合之前，驱动器施加具有比第一信号的电平低的电平的第二信号。在其它情况中，各电平可以是信号的变化率(rate)(例如，输入电压的变化率)。下面讨论说明性实施例的细节。 

应注意的是，开关的具体细节和驱动器的某些细节仅是说明性目的。因此，这些细节的讨论并不意在限制各种实施例的范围。例如，开关可以具有非悬臂，或可以由非MEMS处理形成。 

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的MEMS开关100。该开关100处于断开位置，并且具有悬臂105，用于与电连接至漏电极103的固定导体104交替地进行物理接触。在断开位置中，将没有信号从源电极101流至漏电极103。在本实施例中，开关100是传统的MEMS开关。此外，开关100具有固定基板106，固定基板106除了支撑臂105之外，还支撑栅电极102，栅电极102与臂105形成可变电容器。驱动器(图1中未示出)与栅极102电接触，并且控制由可变电容器施加的力以控制臂移动。 

图2示意性地示出了闭合位置中的图1的开关100。在闭合位置，臂105已经移动为与被电连接至漏电极103的固定导体104接触。在闭合位置，电信号可以从源电极101通过臂105流至漏电极103。 

在操作期间，驱动器(图2中未示出)与栅电极102电接触，并且将驱动信号(驱动器输出)施加至栅电极102，以选择性地促使悬臂105与固定导体104物理接触，从而闭合较大的电路(图2中未示出)。优选地，驱动信号上升足够快，以在最短的时间内移动臂105，而不引起开关100反弹。还优选地，驱动信号的最终电平足以将臂105牢固地保持在下面的(即开关闭合)位置。 

图3(a)、3(b)、和3(c)示出了断开开关100对各种驱动信号的响应。在图3(a)的上部图示中，驱动器输出引起在栅电极102上快速上升的电压。随着电压上升，臂105开始向下移动，以闭合开关100，并且当电压达到阈值电压(Vth)时，最终实现与固定半导体104的接触。然而，在该快速上升的方法的情况下，臂105的末端以引起臂105不希望地反弹的速度实现与固定导体104的接触，如由在图3(a)的下部图示中的振荡所示的。随着驱动信号向着其最终电平(80V)增加，臂105上的力最终足够强，以将臂105牢固地保持在下面的位置(即，开关闭合)。 

避免反弹的一种方法是使驱动信号具有更缓的斜度。在图3(b)的上部图示中，驱动器输出导致栅电极102上的电压更缓慢地上升。而且，随着施加的电压上升，臂105开始向下移动，以闭合开关100，并且当电压达到阈值电压(Vth)时，臂105实现与固定导体104的接触。有利的是，臂105不反弹，如图3(b)的下部图示中所示。然而，不利的是，在缓慢上升方法中驱动信号的施加和开关100的闭合之间的时间比快速上升方法中的时间长得多。 

避免反弹的第二个方法是以变化的速率(rate)使驱动信号具有斜度。例如，第一速率可以朝向阈值电压快速上升，以在短时间内使臂105移动，然后，改变其速率，以更缓慢地上升，从而该方法中的臂105的最终速度小于快速上升方法中的臂105的最终速度。该第三个方法比缓慢上升方法更快地闭合开关100，而同时避免了快速上升方法的振荡。该方法被示出在图3(c)的上部图示中，其中栅电压朝着阈值电压快速上升，但是，然后，该栅电压的上升放慢。有利的是，臂105不反弹，如在图3(c)的下部图示中所示的，而开关100的闭合也快于缓慢上升方法。在该速率的变化之后，驱动信号继续上升至最终电平，其中施加在臂105上的力足以将臂105牢固地保持在下面得位置(即，开关闭合)。 

根据示例性实施例，该驱动信号被控制，以防止臂105撞击固定导体104太猛烈，以致其在初始接触后向上反弹，并且仍相对快速地闭合开关100。如上所示，以太大的力撞击固定导体104可能导致臂105在与固定导体104变为物理接触和脱离物理接触之间振荡。当然，如果其未与固定导体104物理接触，那么，臂105未与固定导体104电接触。因此，振荡实际上延迟了臂105和固定导体104的电接触。此外，这种振荡可能导致通过开关100的信号的不希望的扭曲，并且也可能降低开关100的可靠性。 

应注意的是，除了被认为是单一多电平信号之外，这些驱动信号也可以被认为是多个独立信号。 

图4示意性地示出了当和图5中所示的电路500一起使用时，在不同条件下的各种说明性驱动信号波形的曲线图。应注意的是，图4的这些波形是基于仿真而非实际测试。因此，如在图4中所示的，驱动电路(图4中未示出)从零伏至大约30伏施加第一信号。如所示的，该幅度中电压增加的速率是非常快的。然而，在大约30伏和刚刚低于80伏(即，干线电压)的幅度之间，电压增加得更为平缓。这些速率可以是线性的、可变的或二者都有。施加的确切电压将取决于被控制的开关的设计和构造。 

图5是驱动开关的电路500的一个实施例的示意图。如下文将更全面讨论的，图5的电路500包括多个晶体管和其他元件，以及向所 述晶体管提供各种控制信号的两个数字子电路600和700。 

图6(a)是用于生成控制信号Phi1 615、Phi2 616和Phi2b 617的数字子电路600的示意图。图6(b)示出了响应于输入开关控制信号614的图6(a)中的电路的各种信号。注意的是，为了解释这些电路，信号“sd”610被保持为低，因此来自反相器609的信号“sdb”611为高。如在此处与数字电路信号结合使用的，因此，短语“逻辑高”和“高”意味着第一状态的数字逻辑信号，并且术语“逻辑低”和“低”意味着是第一状态的互补(complement)的第二状态的数字逻辑信号。 

在图6(a)的电路600中，当开关处于断开位置时，开关控制信号614将是逻辑低。通过反相器601，这将导致到非门(nor gate)602的第一输入是逻辑高，因此非门602的输出为低。因此，在稳定状态下，反相器603的输出将为高，并且非门604的输出(Phi2 616)将为低。结果，非门605的输出(Phi2b 617)将为高。类似地，在开关控制信号614为低，并且Phi2616为低的情况下，非门606的输出将为高，而且反相器607的输出将为低。结果，与非门(nand gate)608的输出(Phi1 615)将为高。因此，在输入低并且信号sd 610低的稳定状态中，Phi1 615为高，Phi2 616为低，并且Phi2b 617为高。 

当用户希望闭合开关时，用户将促使开关控制信号转换成逻辑高。这将导致反相器601的输出变低，而到非门602的另一输入暂时保持与以前一样高，因此非门602的输出保持低，并且下游信号暂时保持不变(包括Phi2 615处于逻辑低，并且Phi2b 615处于逻辑高)。此外，开关控制输入614从低至高的转换意味着非门606的输出变低，从而反相器607的输出试图变高。然而，反相器607的输出转换被向电容器612充电的需要延迟了。当电容器612被充电时，反相器607的输出将为高，并且因为sdb 611为高，因此到与非门608的输入均为高，因此与非门608的输出(Phi1 615)变低。在Phi1 615变低之后，到非门602的两个输入均为低，导致非门602的输出变高。该信号导致反 相器603的输出开始变低，但该转换被放电电容器613的需要延迟。当电容器613被放电时，到非门604的输入将均为低，导致非门604的输出(Phi2 616)变高，从而Phi2b 617变低。因此，在输入从低至高的转换时，并且在由于电容器612的充电所导致的短延迟之后，Phi1615变低。然后，在由于电容器613的放电导致的第二延迟之后，Phi2616变高，并且Phi2b 617变低。总之，当开关控制输入614从低变到高时，Phi1 615在短延迟之后，从高变到低，并且此后不久，Phi2 616从低转换到高，并且Phi2b 617从高转换至低。 

图7是用于也响应于开关控制输入614从低变到高而生成脉冲数字信号Edgeout 707的数字子电路700的示意图。具体而言，在图6(a)的电路600中Phi2b 617从高至低的转换触发图7中的电路700。如上所述，当开关控制输入614为低，并且电路处于稳定状态时，Phi2b 617将为高。像这样，非门702的输出将为低，并且反相器703的输出将为高，向与非门704的一个输入提供逻辑高。类似地，在稳定状态中，反相器701的输出将向与非门705的第一输入提供逻辑低，而Phi2b 617将逻辑高提供给与非门705的另一输入。因此，与非门705的输出将为高。在该状态中，到与非门704的两个输入均为高，从而与非门704的输出(信号Edgeout 707)为低。 

当Phi2b 617转换成逻辑低时，反相器701的输出试图变高，但该转换被充电电容器706的需要延迟，从而反相器701的输出暂时保持低。这样，非门702的输出变高，并且反相器703的输出变低，以向与非门704的一个输入提供低输入。因此，与非门704的输出(信号Edgeout 707)从低转换至高。最后，电容器706被充电，并且反相器701的输出达到逻辑高。然后，非门702的输出变回低，反相器703的输出变回高，从而将逻辑高提供给与非门704的一个输入。同时，与非门705将具有一个输入高，和另一个输入低，从而与非门705的输出将为高，以将逻辑高提供至与非门704的第二输入。这样，与非门704的输出(信号Edgeout 707)返回到逻辑低。总之，在Phi2b 617从 逻辑高到逻辑低的转换时，Edgeout 707短暂地脉冲到逻辑高。Edgeout707脉冲的持续时间将取决于反相器701的输出花费多长时间来对电容器706充电。Edgeout 707脉冲的持续时间将控制通过晶体管MN8和晶体管MN9提供给电流镜的电流升压的持续时间，如下文所更全面描述的。Edgeout脉冲的宽度是接通升压电流源(通过晶体管MN8和晶体管MN9)的关键，并且因此是开关臂105最快速地移动以与固定导体104接触所经过的时间。 

现在将讨论如在图8中部分示出的电路500的操作，从电路处于稳定状态开始，即在开关控制输入信号614为低，开关断开的情况下。如上所述，在该状态中，Phi1 615为高，Phi2 616为低，Phi2b 617为高，并且Edgeout 707为低。优选为2微安的偏置电流流过晶体管MN4，其与晶体管MN8形成电流镜，并且与晶体管MN3形成第二电流镜。在该状态下，晶体管MN4中的偏置电流的部分在晶体管MN3中被反射，生成优选为500毫微安的电流。因为Edgeout 707为低，因此在晶体管MN9或者MN8中没有可测量到的电流。因为Phi2 616为低，并且Phi2b 617为高，因此晶体管MN2为截止(非导电)，并且晶体管MN1导通(导电)，从而流过晶体管MN3的所有电流必须也流过晶体管MN1。该电流趋于将晶体管MP2的栅极拉向接地，导致晶体管MP2将晶体管MP1、晶体管MP5和晶体管MP4的栅极电拉向电压干线(rail)(Vcc)。结果，晶体管MP5和MP4实际上非导电，从而晶体管MP4不从输出节点501注入或灌入电流。同时，Phi2 616为高导致晶体管MN5导通(导电)，其将在开关栅极102上的电荷经由输出节点501排放到地，从而使开关臂105失去任何将其向下拉的力，因此开关100断开。 

当用户想要闭合该开关时，用户促使输入开关控制信号614变为高。如上所讨论的，这导致控制信号Phi1 615、Phi2 616和Phi2b 617的某些变化，并且导致Edgeout 707脉冲。现在将讨论如图9中部分示出的电路500的操作。在开关控制信号614变高之后，Phi1 615将变低， 从而使晶体管MN5截止，从而开关的栅极电极102不再被分流(shunt)到接地。最初，晶体管MP4保持截止(非导电)，从而没有用于电流在Vcc和接地之间直接流动的路径。信号Phi1 615、Phi2 616以及Phi2b617按时间调整相位，以确保晶体管MN5和晶体管MP4不同时导通。在短延迟之后，Phi2 616将变为高并且Phi2b 617将变为低，导致晶体管MN2导通(导电)并且晶体管MN1截止(非导电)。因此，晶体管MP5和晶体管MP4也被接通(release)以传导电流。通过晶体管MN3的电流(优选为500毫微安)现在被迫流过晶体管MN2，并且因此通过晶体管MP5。晶体管MP4与晶体管MP5形成电流镜，具有4的增益。在本领域中已知的是，选择电流反射晶体管以提供电流增益，例如，通过使反射晶体管(在该情形中为晶体管MP4)大于传导晶体管(在该情形中为晶体管MP5)。结果，晶体管MP4将放大的反射电流(优选为2微安)传导至输出节点501。将输出节点501附接至开关的栅极102，其是电容性的并且用于对从驱动电路流至它的电流积分，从而导致栅极102上的电压具有向上的斜度(即，i＝C dV/dt)。 

如也在上文所讨论的，开关控制614信号至逻辑高的转换将导致Edgeout 707脉冲至逻辑高。这将导致晶体管MN9导通(导电)，其将允许MN8反射电流在晶体管MN4中的部分；优选为2.5微安培。晶体管MN8中的电流将补充MN3中流过晶体管MN2的电流，并且合并的电流(优选为3微安培)将最终被放大，并且被晶体管MP4反射，以将12微安培的电流突发提供至输出节点501。相应地，这导致开关栅极102上的电压朝向阈值电压快速斜升(ramp)。优选地，Edgeout 707的持续时间被设置成保持该电流流动，直到开关栅极上的电压接近该阈值电压。 

如上文所进一步讨论的，Edgeout 707脉冲将结束，从而截止晶体管MN9(非导电)。现在将讨论如图10中部分示出的电路500的操作。在该状态中，晶体管MN3中的电流是被放大、反射和提供至输出节点501的唯一电流。这样，开关栅极上的电压将持续向上倾斜，但现在以 较慢的变化率。在某个点，开关栅电极上的电压超过了阈值电压(Vth)，在此时，开关臂与漏电极接触。 

根据前面所述，在开始时，开关栅电极上的电压迅速升高，但随后电压斜升(ramp)变慢。电压快速到达下述点，在该点，电压足够强，以将MEMS开关悬臂向下移动，这是重要的，从而在命令电路将开关闭合的开关控制614信号的变化和该开关的实际闭合之间存在最小的迟滞时间。随后，开关栅极上的电压更慢地增加，直到足以将该开关臂牢固的保持在向下的闭合位置中的最终电压。优选的是，驱动电路的操作将导致该臂与漏电极接触，而没有反弹或损坏该臂。 

当用户期望断开该开关时，用户将促使开关控制信号614变低。上述的数字电路将导致驱动器电路500返回到结合图6和8在上面讨论的状态。如前所述，由于在时序生成电路中所固有的延迟，数字控制信号Phi1 615、Phi2 615和Phi2b 615按时间调整相位，以确保晶体管MN5和晶体管MP4不同时导通。这样，晶体管MN5将再次排出来自开关栅电极的电流，从而移除将该臂保持在向下闭合位置的力，并且允许该开关移回到上部断开电路位置。 

图11是开关驱动电路的替代实施例的示意图。图11的开关驱动电路1100利用电压信号1104驱动开关。电压信号V1 1101和电压信号V2 1101均被输入至求和结点(summing junction)1103。如在本领域中已知的，求和结点1103将电压信号V1和电压信号V2相加，以生成电压信号1104。电压信号V1的电平和电压信号V2的电平合并以生成具有至少第一电平和第二电平的电压信号1104。然后，将电压信号1104施加到开关的栅极(图11中未示出)，以控制该开关的操作。电压信号V1的电平和电压信号V2的电平是各电压的变化率(rate)。电压信号V1的电平和电压信号V2的电平可以随时间而改变，以生成电压信号1104的期望电平。 

虽然上文的讨论公开了本发明的各种示例性实施例，但是显然的是，在不脱离本发明的真实保护范围的条件下，本领域的技术人员可以进行实现本发明的某些优点的各种修改。上述实施例在所有方面应被视为说明性而非限制性。 

Claims (7)

1.一种开关驱动器电路，用于驱动具有栅电极、可移动部件和触点的开关，所述开关驱动器电路包括：

至少一个电流源，用于在第一时间段生成具有第一固定幅度的电流信号，以使得在所述开关的栅电极上产生的电压低于所述开关的阈值电压，所述第一时间段在所述开关闭合之前到期，以及用于在所述第一时间段之后的第二时间段生成具有第二固定幅度的电流信号，所述第一固定幅度大于所述第二固定幅度；以及

驱动器输出，用于传输所述电流信号至所述开关的栅电极，从而所述电流信号使得所述可移动部件电连接到所述触点。

2.根据权利要求1所述的开关驱动器电路，其中所述至少一个电流源包括多个电流源。

3.根据权利要求2所述的开关驱动器电路，其中第一电流源生成所述第一幅度的电流，并且第二电流源生成所述第二幅度的电流。

4.一种驱动开关的方法，该开关具有适于接收驱动信号的栅电极、可移动部件和触点，所述开关最初处于断开状态，所述方法包括：

在第一时间段将具有第一固定幅度的第一电流信号施加于所述栅电极，所述第一时间段在所述开关闭合之前到期；以及

在所述第一时间段之后的第二时间段将具有第二固定幅度的第二电流信号施加于所述栅电极，所述第一固定幅度大于所述第二固定幅度，其中施加的电流信号在所述栅电极上沉积电荷，从而在所述栅电极和所述可移动部件之间成长静电力，导致所述可移动部件移动以与所述触点电连接。

5.根据权利要求4所述的方法，其中顺序地施加所述第一电流信号和所述第二电流信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其中基本上同时施加所述第一电流信号和所述第二电流信号直到所述开关的栅电极上的电压达到阈值电压。

7.根据权利要求4所述的方法，其中当在所述栅电极和所述可移动部件之间成长的静电力达到阈值静电力时，所述可移动部件移动以与所述触点电连接，所述第一电流信号引起小于所述阈值静电力的静电力。