CN115210684A - 用于驱动电容性负载的驱动器电路和方法 - Google Patents

用于驱动电容性负载的驱动器电路和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于电压驱动器电路的装置和方法，其中接地节点和输出节点之间的路径包括电感器和/或另一储能元件以及包含至少两个开关元件(例如晶体管)和至少两个阀元件(例如二极管)的能量传输电路。能量传输电路用于将电容性负载(例如输出电容器)放电到储能元件中，并促进从低电压到高电压的转换，同时提高效率。可以经由另一开关元件包括额外的接地路径，以防止串扰并将输出保持在接地电位。

Description

用于驱动电容性负载的驱动器电路和方法
背景技术
电子设备，尤其是平板或智能电话，可经由诸如笔或触控笔等手持式外围设备来接受输入，并且然后可担当针对外围设备的主机设备。触控笔可以由用户相对于数字化仪的显示屏(例如，触摸屏)手动地握持以向该电子设备提供输入。触控笔在显示屏上的位置与显示屏上所描绘的虚拟信息相关。位置检测和数据传递(即通信)是经由触控笔与数字化仪的显示屏之间的电容性耦合来达成的(且反之亦然)。更具体而言，驱动器电路被配置成通过在触控笔的尖端电极上施加电压以生成通过尖端电极与数字化仪的显示屏之间的电容的电流来生成二进制信息(比特)。这一电流可由数字化仪感测。类似地，此类驱动器电路也可设置在数字化仪处以经由尖端电极向触控笔传递数据。
发明内容
提供本公开内容以便以简化形式介绍概念的选集，所述概念在以下具体实施方式中被进一步描述。本公开内容并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题也不限于解决在此指出的任何或所有缺点的实现。
在一些实施例中，本公开涉及一种用于经由输出端子向电容性负载提供驱动信号的驱动器电路，其中所述驱动器电路包括：
储能元件；以及
能量传输电路，其被配置成在所述驱动信号的第一边沿处将电荷从所述电容性负载传输到所述储能元件，并在所述驱动信号的第二边沿处将电荷从所述储能元件传输到所述电容性负载。
根据一些实施例的一方面，一种触控笔包括驱动器电路，其中该驱动器电路被配置成向触控笔的尖端电极提供驱动信号。
根据另一方面，一种主机设备包括上述驱动器电路，其中该驱动器电路被配置成向触敏显示器的传感器阵列提供驱动信号。
根据又一方面，一种经由输出端子向电容性负载提供驱动信号的方法包括控制能量传输电路以在所述驱动信号的第一边沿处将电荷从所述电容性负载传输到储能元件，以及在所述驱动信号的第二边沿处将电荷从所述储能元件传输到所述电容性负载。
该增强型驱动器电路和驱动控制方法提供了用于具有高电容性负载的高电压驱动器的高效率，以显著降低功耗。
除非另外定义，否则这里使用的所有技术和/或科学术语的含义与本领域普通技术人员所共知的一样。尽管与本文所述的方法和材料相似或等效的方法和材料可以用于实践或测试本公开的实施例，但示例方法和/或材料在下文描述。另外，各材料、方法和示例仅是说明性的，而并非旨在进行必要的限制。
附图说明
为了帮助理解本公开并示出如何实施这些实施例，仅以示例的方式参考附图，附图中：
图1是包括触控笔和主机设备的示例系统的示意性框图，
图2是示例驱动器电路的示意电路图，该驱动器电路具有用于施加触控笔的尖端电压的推挽电路，
图3是示意波形图，带有驱动器电路的示例信号，
图4是具有用于提高效率的能量传输电路的示例驱动器电路的示意框图，
图5是用于控制能量传输电路的示例驱动器规程的示意流程图，
图6是驱动器电路的示意电路图，具有用于提高效率的增强型推挽电路的第一示例，
图7是具有增强型推挽电路的第一示例的示例信号的示意波形图，
图8是在触控笔的尖端电压的下降沿处具有增强型推挽电路的第一示例的示例测得信号的波形图，
图9是在触控笔的尖端电压的上升沿处具有增强型推挽电路的第一示例的示例测得信号的波形图，
图10是驱动器电路的示意电路图，具有用于提高效率和降低串扰的增强型推挽电路的第二示例，
图11是具有增强型推挽电路的第二示例的示例信号的示意波形图，
图12是在触控笔的尖端电压的下降沿处具有增强型推挽电路的第二示例的示例测得信号的波形图，
图13是在触控笔的尖端电压的上升沿处具有增强型推挽电路的第二示例的示例测得信号的波形图，以及
图14是在直至达到稳定状态之前的较长时间段期间具有增强型推挽电路的第二示例的示例测得信号的波形图。
具体实施方式
本公开涉及一种用于驱动电容性负载的驱动器电路，该驱动器电路可以提供在触控笔和/或数字化仪的触摸屏控制器中，或配置成向电容性负载提供输出信号的任何其他电子设备中。
与电子设备(包括智能电话、平板、手表、台式计算机、游戏设备、可穿戴设备、电视机、视频会议系统等)一起使用的手持式触控笔外围设备(“触控笔”)可被用来将用户输入传送到电子设备(“主机设备”)。一些主机设备包括具有用于感测传送自触控笔(例如，“有源触控笔”)的信号的内置数字化仪的显示器。在这些电子设备中，用户通过在系统的感测表面(例如，平板和/或触摸屏)上定位并移动该触控笔来与该数字化仪系统交互。该触控笔相对于感测表面的位置被数字化仪系统跟踪并被解释为用户命令。在一些技术中，该触控笔的位置可以基于对该触控笔的电极与数字化仪的一个或多个电极之间的电容耦合的检测来确定。例如，设备显示器可包括具有多个X和Y取向的导体或电阻膜的数字化仪以接收从有源笔的电极传送的信号。在一些技术中，为了准确地标识尖端位置，传送电极物理地定位在该触控笔的书写尖端内。
触控笔可被分类成无源触控笔或有源触控笔。无源触控笔利用基于沉积在触摸屏传感器上的传感器电极与输入对象(诸如橡胶笔尖式触控笔或手指)之间的电容耦合中的改变的感测方法。作为对比，有源触控笔驱动该触控笔的尖端电极(天线)与触摸屏传感器(例如，数字化仪系统)的电极网格或阵列之间的独特的经调制信号并利用基于传感器电极之间的电容耦合中的改变的感测方法。数字化仪系统基于所发射的信号来检测触控笔的至少一个位置，并且检测到的位置向与数字化仪系统相关联的电子设备(例如，计算设备)提供输入。检测到的位置随后可被解释成用户命令。通常，数字化仪系统与显示屏集成在一起，例如以形成触敏显示设备。
有源触控笔可生成可由数字化仪检测的经调制信号。该信号可以用诸如设备标识、操作模式(例如，书写、擦除)、压力/力信息、倾斜信息和其他信息等信息来编码。该信息可被分配到信号的各种位置。
图1是示例系统的示意图，该示例系统包括主机设备(例如，触敏显示设备)20和具有驱动器电路120的触控笔10，驱动器电路120用于向触控笔10的尖端电极100(输出电极)施加输出信号并用于经由尖端电极100和触摸屏(TS)200或主机设备20的其他类型的触敏显示器之间的电容性耦合接收来自主机设备的输入信号。触摸屏200由触摸屏控制器(TSC)220控制，触摸屏控制器(TSC)220提供触摸屏200的电容性触摸屏传感器阵列(例如，电极的网格或矩阵)和受控主机设备20之间的接口。触摸屏控制器220可以经由诸如RS232或通用串行总线(USB)之类的串行连接来连接到触摸屏200的触摸屏传感器阵列和主机设备20。电容性触摸屏传感器阵列可放置在涂有例如铟锡氧化物的特殊面板上，并配置成在传感器阵列上传导连续电流以检测电容的变化。
触摸屏控制器220可以被配置成在构成触摸屏的触摸传感器阵列的行和列布置上施加电压。在激励行和列时，可以通过测试行和列来扫描触摸传感器阵列。测试可涉及通过每一坐标处触摸传感器阵列上的电压振幅来检测电路的阻抗。这可以通过差分放大器和模数转换器(通常是逐次逼近型)来实现。该信息被传递到主机设备20以供分析。
注意，为简明起见，在图1和随后的图2、4、6和10中仅示出了那些对解释示例实施例的具体示例操作有用的系统组件。此外，除非另有说明，具有相同附图标记的组件或信号具有相同或相似的功能和/或结构，在本公开中可仅描述一次。
图2是具有推挽电路122的、用于向图1的触控笔10的尖端电极100施加动态变化的电压Vtip(例如，矩形二进制信号)的示例驱动器电路的示意电路图。
作为替换方案，还可以在触摸屏控制器220的一个或多个输出端子处提供驱动器电路，以用于向触摸屏传感器阵列施加电压。
触摸屏200的输入阻抗由电容性负载C2和电阻性负载R1表示。电容性负载C2表示尖端电极100与接地(参考电位)之间的第一电容(例如约30皮法(pF))以及尖端电极与触摸屏200的触摸传感器阵列之间的第二电容(例如约30飞法(fF))。鉴于其值较小，在确定电容性负载C2时，可以忽略第二电容。此外，并联电阻性负载R1非常高，并且因此也可以忽略其对经由尖端电极100提供的驱动信号(例如尖端电压Vtip)在所考虑的频率范围(在千赫兹(kHz)范围内，最高达约1兆赫(MHz))中的阻抗的动态行为的影响。
图2的推挽电路122包括两个可控开关元件SW1、SW2，它们连接在高电压Vhv的电源端子和参考电位(例如接地)之间并且可被实现成由驱动控制电路(图2中未示出)控制的半导体开关(例如晶体管)。
图3是示意波形图，带有图2的驱动器电路的示例信号。更具体而言，图3中的上部波形表示尖端电压Vtip，中部波形表示第一开关元件SW1的控制信号，而下部波形表示第二开关元件SW2的控制信号。第一和第二开关元件SW1、SW2的控制被配置成使得高控制信号闭合对应的开关元件，而低控制信号打开对应的开关元件。
如图3所示，在矩形尖端电压Vtip的正半波或脉冲期间，第一开关元件SW1闭合且第二开关元件SW2打开，而在矩形尖端电压Vtip的负半波或脉冲期间，第一开关元件SW1打开且第二开关元件SW2闭合。因此，电容性负载C2在尖端电压Vtip的上升沿处经由第一开关元件SW1充电，并在尖端电压Vtip的下降沿处经由第二开关元件SW2放电到接地。
因此，推挽电路122被用于在触控笔的尖端电极100处生成具有二进制信息(例如数据位)和高电压值(例如20伏(V))的尖端电压Vtip。尖端电压Vtip生成通过尖端电极100和主机设备的数字化仪的触摸屏之间的电容的电流。该电流可由数字化仪感测，以确定触控笔的位置和/或由尖端电压Vtip传达的附加信息。
高尖端电压Vtip对于增加驱动器电路的信号功率和效率而言是合需的，因为通过尖端电极100和主机设备的数字化仪的触摸屏之间的电容的电流非常低。然而，通常在kHz范围内的频率处，尖端电极100处的电容性负载C2通过在尖端电压Vtip的每一下降沿处将电容性负载C2中储存的能量放电到接地而导致相当大的能量损失。这些能量损失取决于尖端电压Vtip、电容值和频率，并且例如可达到驱动器电路的总功耗的约30％。
图4是具有用于提高功率效率的能量传输电路(PP)124的示例驱动器电路120的示意框图。能量传输电路124布置在参考电位150(例如接地电位)处的参考端子和输出端子140(例如触控笔10的尖端电极100或图1的触摸屏控制器220的输出电极)之间的路径中。驱动器电路120包括储能元件(SE)130(例如至少一个电感性元件，诸如电感器或线圈等)或至少一个电感性元件和至少一个电容性元件(例如电容器或MOS晶体管或变容二极管等)的组合，以用于临时储存电容性负载C2的充电能量。能量传输电路(PP)124可包括具有至少两个开关元件(例如半导体开关元件，诸如晶体管、晶闸管等)和至少两个阀元件(例如二极管、晶体管等)的布置，并且可以集成在半导体芯片上。
此外，能量传输电路124由驱动器控制电路(DC)110所生成的控制信号来控制，以将从电容性负载C2放电的能量引导到储能元件130中并在下一放电循环之前对电容性负载C2重新充电。驱动器控制电路110可以由集成或分立硬件电路(例如数字逻辑电路、模拟电路、专用集成电路(ASIC)或数字信号处理器(DSP))或软件控制的微控制器(例如集成在与驱动器电路120和/或能量传输电路124相同的芯片或相同的电路板上的中央处理单元(CPU))来实现。因此，能量传输电路124由驱动器控制电路110控制，以对电容性负载C2(例如，输出电容器)进行放电和充电，并促进输出端子100处的电压从低值转变到高值，从而降低能量损失并提高驱动器电路120的效率。
图5是用于控制具有开关储能元件(例如图4的储能元件130)的能量传输电路的示例驱动器控制规程的示意流程图。
驱动器控制规程可以通过存储在存储器中的软件例程来实现，并被用于控制驱动器控制电路(例如图4的驱动器控制电路110)中的处理器或控制器以应用控制信号来控制能量传输电路(例如图4的能量传输电路124)。
在S310，该规程控制能量传输电路在驱动器电路的输出端子(例如，触控笔10的驱动器电路120的输出端子(尖端电极)100和/或图1的触摸屏控制器220的驱动器电路的输出端子)处的输出电压的上升沿处对电容性负载C2充电。随后，在S320，能量传输电路被控制以在输出电压的下降沿处将电容性负载C2放电到驱动器电路的储能元件中，以将能量临时储存在储能元件中。
在S330，能量传输电路可被可任选地控制来将输出端子间歇地连接(下拉)到输出电压的参考电位(例如，接地电位)达预定时间段(例如，在输出电压的下降沿到下一上升沿之间)，以减少串扰和/或其他噪声。
在S340，能量传输电路被控制以在用于将电容性负载进一步充电到输出电压的最大值的输出电压的下一上升沿之前，使用储存在储能元件中的能量对电容性负载C2重新充电。
通过上述驱动器控制规程，储存在电容性负载中的电荷临时储存在储能元件中，并重新传输到电容性负载C2，从而增强效率并降低驱动器电路的功率损耗。
参考图6至14更详细地描述了触控笔的驱动器电路(例如图1的触控笔10的驱动器电路120)的能量传输电路中的开关元件(例如SW1至SW4)和阀元件(例如二极管D1和D2)的可能布置的非限制性示例。图6和图10所示的开关元件可任选地实现成可控半导体开关(例如PMOS、NMOS或CMOS晶体管)。
图6是驱动器电路的示意电路图，具有能量传输电路的第一更详细示例，能量传输电路被配置成增强型推挽电路126以用于在输出电压具有在零周围的电压摆动(例如-9V到+11V或-18V到+20V)(例如，驱动器电路的矩形输出电压的正半波和负半波)的情况下提高效率。
在图6的示例中，具有各自串联连接的反并联二极管D1、D2的第二和第三开关元件SW2、SW3的并联连接在供电电压Vhv的端子与触控笔的尖端电极100处的尖端电压Vtip的参考电位150(例如接地电位)之间的电路路径中被串联连接在第一开关元件SW1和电感器L1之间。尖端电极100连接在第一开关元件SW1与第二和第三开关元件SW2、SW3以及第一和第二二极管D1、D2的并联连接之间。
注意，第一至第三开关元件SW1至SW3的开关状态可经由图6中未示出的驱动器控制电路(例如DC 110，图4)施加的相应控制信号来控制。
此外，电感器L1可以作为外部电路元件提供，而第一至第三开关元件SW1至SW3以及第一和第二二极管D1、D2可以集成在增强型推挽电路126的芯片或一个或多个芯片模块或者整个驱动器电路上。此外，注意，对于图6的驱动器电路，如果电感器L1被连接到例如10V的参考电位150而不是接地电位，则可以生成在例如10V周围的电压。当然，也可以应用参考电位150的其他值。
图7是波形示意图，其从上到下示出了图6的增强型推挽电路的第一示例的尖端电压Vtip、第一开关元件SW1的控制信号、第二开关元件SW2的控制信号、第三开关元件SW3的控制信号和电感器电流IL1的波形。控制信号的值和符号是基于第一至第三开关元件SW1至SW3的相应类型来选择的。在下降沿处，例如矩形尖端电压Vtip从高电压到低电压的转变，第二开关元件SW2被控制闭合达预定时间段(相应控制信号的正脉冲)(并且电流路径被导通)，直到尖端电压Vtip变成低电压，以经由第一二极管D1(阀元件)将电容性负载C2放电到电感器L1中。这由电感器电流IL1的波形中的正脉冲指示。归因于电感器L1生成的磁场(所储存的磁能)，在电容性负载完全放电后，通过电感器L1的电流IL1继续流动，以便将尖端电极100处的电位拉至负值。电流路径中的第一二极管D1的阀效应阻止电流IL1的流向改变，从而抑制电感器L1和电容性负载C2之间的振荡。
在随后的上升沿(例如尖端电压Vtip从低电压到高电压的转变)之前不久，电容性负载C2在放电阶段期间经由第二开关元件SW2被用负电压充电，并且第三开关元件SW3的闭合(例如，相应控制信号的正脉冲)使得电容性负载C2放电到电感器L1，这将尖端电压Vtip拉至正值。这由电感器电流IL1的波形中的负脉冲指示。第三开关元件SW3的开关定时是根据尖端电压的所需波形来选择的。之后，第一开关元件SW1在尖端电压Vtip的上升沿处闭合，使得电容性负载C2经由第一开关元件SW1充电至供电电压Vhv的值，而第二和第三开关元件SW2和SW3打开。例如，第二开关元件SW2可以在尖端电压Vtip的整个上升沿期间打开(非导电)。在该上升沿期间，第三开关元件SW3可以闭合(导电)。在电感器L1对电容性负载C2充电后，第一开关元件SW1可以闭合(导电)。第二二极管D2允许在第三开关元件SW3闭合时可以闭合第一开关元件SW1，但这是可任选特征。
图8是尖端电压Vtip、开关元件SW1和SW2的控制信号以及通过电感器L1的电感器电流IL1的不同测得波形的波形图，这些波形是作为增强型推挽电路的第一示例(图6)在触控笔尖端电压Vtip的下降沿处的仿真结果而获得的。在该示例中，尖端电压Vtip在约+20V到约-17V之间以基本矩形的方式变化。
如图8所示，电感器电流IL1在尖端电压Vtip的下降沿处被生成为正脉冲，并包括一些小的寄生振荡，直到第二开关元件SW2随后打开。当第二开关元件SW2闭合并将电感器L1与尖端电极100耦合时，这些小的寄生振荡也反映在尖端电压Vtip的负半波的开始处。小的寄生振荡是由二极管D1的非理想行为引起的，并且因此取决于电路设计。第一和第二二极管D1、D2可以由相应的控制环路代替，当电流达到零时，这些控制环路使对应的开关元件闭合。图9是尖端电压Vtip、开关元件SW1和SW3的控制信号以及通过电感器L1的电感器电流IL1的不同测得波形的波形图，这些波形是增强型推挽电路的第一示例(图6)在触控笔尖端电压Vtip的上升沿处的仿真。
如图9所示，电感器电流IL1在尖端电压Vtip的上升沿处被生成为负脉冲，并包括一些小的寄生振荡(归因于不完美二极管行为)，直到第三开关元件SW3随后打开。当第三开关元件SW3闭合并将电感器L1与尖端电极100耦合时，这些小的寄生振荡也反映在尖端电压Vtip的正半波的开始处。然而，在该示例中，归因于在经由电感器L1的充电和重新充电过程期间的剩余能量损耗，在第三开关元件SW3的闭合状态期间通过电感器电流IL1使用电感器L1的所储存电荷对电容性负载C2的重新充电不足以再次达到尖端电压Vtip的最大值(+20V)。如可从波形图中看到的，电容性负载C2首先被重新充电至约+15V的中间最大值。此后，当第一开关元件SW1随后闭合时，达到尖端电压Vtip的原始最大值(+20V)，并且电容性负载C2被充电至供电电压Vhv的全值。以此方式，供电电压Vhv被用于将电容性负载C2从+15V充电到+20V，而不是像常规推挽电路那样从0V充电到+20V。因此，对于尖端电压Vtip的相同峰-峰值，图2的常规推挽电路将需要比图10的示例性驱动器电路多大约四倍的功率。因此，从设计角度来看，驱动器电路及其供电电压Vhv可被设计成以更少的功率损耗来满足尖端电压Vtip的峰-峰值的要求。
图10是驱动器电路的示意示例电路图，其中能量传输电路的更详细第二示例被实现成增强型推挽电路128，用于在输出电压保持在高于接地电位的正电压范围(例如0V至+20V)中并得到稳定状态的情况下提高效率。此外，尖端电压Vtip和其他电路电压是高于接地电位的正电压的这一事实对于芯片设计是有利的。此正电压范围降低了防静电放电(ESD)所需的输入/输出(I/O)电路措施的复杂性。
此外，可以通过提供经由附加的第四开关元件SW4到参考电位150(例如接地电位)的附加路径来达成串扰降低，该第四开关元件SW4也可以由驱动器控制电路(图10中未示出)控制以将尖端电极100耦合到参考电位150达临时时段。
在该示例中，类似于图6，具有各自串联连接的二极管D1、D2的第二和第三开关元件SW2、SW3的并联连接在供电电压Vhv的端子与触控笔的尖端电极100处的尖端电压Vtip的参考电位(例如接地电位)之间的电路路径中被串联连接在第一开关元件SW1和电感器L1之间。此外，尖端电极100同样连接在第一开关元件SW1与第二和第三开关元件SW2、SW3以及第一和第二二极管D1、D2的并联连接之间。
然而，与图6的第一示例不同，第四开关元件SW4连接在尖端电极100和参考电位150之间。此外，附加储能电容器C3串联连接在电感器L1和参考电位150之间，以储存矩形尖端电压Vtip的稳态DC分量。附加储能电容器C3提供了优点，即可以防止附加电压供应结构(例如轨道)和相关成本。在图10的示例中，附加储能电容器C3在稳态下充电至供电电压Vhv的一半。
注意，第一至第四开关元件SW1至SW4的开关状态同样可经由图10中未示出的驱动器控制电路(例如图4的DC 110)所施加的相应控制信号来控制。这些控制信号同样针对开关元件SW1到SW4的相应类型来适配。
此外，电感器L1和/或储能电容器C3可以作为外部电路元件提供，而第一至第四开关元件SW1至SW4以及第一和第二二极管D1、D2可以集成在增强型推挽电路128的芯片或一个或多个芯片模块上或者整个驱动器电路上。
图11是示意波形图，其从上到下示出了图10的增强型推挽电路的第二示例的尖端电压Vtip、第一开关元件SW1的控制信号、第二开关元件SW2的控制信号、第四开关元件SW4的控制信号、第三开关元件SW3的控制信号和电感器电流IL1的波形。
在下降沿处，例如矩形尖端电压Vtip从高电压到低电压的转变，第二开关元件SW2被控制闭合(并且电流路径被导通)达小于尖端电压Vtip的一半周期的预定时间段(相应控制信号的正脉冲)，以经由第一二极管D1(示例阀元件)将电容性负载C2通过电感器L1放电到储能电容器C3中。这由电感器电流IL1的波形中的正脉冲指示。由于使用了电感器L1，仅存在少量由开关元件SW1至SW4、二极管D1和D2、电感器L1和储能电容器C3的寄生电阻所造成的剩余能量损耗。在没有电感器L1的情况下，并非电容性负载C2中储存的所有能量都将传输到储能电容器C3，因此功率损耗将增加。
当第四开关元件SW4随后在尖端电压Vtip的后续上升沿之前闭合达预定时间段时，尖端电极100被下拉并保持在参考电位150(例如接地电位)处，从而防止串扰和/或其他噪声或干扰。电流路径中的第一二极管D1的阀效应阻止电流IL1的流向改变，从而抑制电感器L1、储能电容器C3和电容性负载C2之间的振荡。
在随后的上升沿(例如尖端电压Vtip从低电压到高电压的转变)之前不久，在驱动器控制电路的控制下，第三开关元件SW3的闭合(相应控制信号的正脉冲)使得储能电容器C3的电荷经由第二二极管D2和第三开关元件SW3传输到电容性负载C2中。这由电感器电流IL1的波形中的负脉冲指示。此后，第一开关元件SW1在尖端电压Vtip的上升沿处闭合，使得电容性负载C2经由第一开关元件SW1充电至供电电压Vhv的值，而第二、第三和第四开关元件SW2到SW4打开。
图12是尖端电压Vtip、跨储能电容器C3的电压VC3、开关元件SW1、SW2和SW4的控制信号以及通过电感器L1和储能电容器C3的电感器电流IL1的不同测得波形的波形图，这些波形是作为增强型推挽电路的第二示例在触控笔尖端电压Vtip的下降沿处的仿真的结果而获得的。在该示例中，尖端电压Vtip在约+20V到0V之间以基本矩形的方式变化。
如图12所示，电感器电流IL1在尖端电压Vtip的下降沿处被生成为正脉冲，并包括一些小的寄生振荡，直到第二开关元件SW2再次打开。这些小的寄生振荡也反映在尖端电压Vtip和跨储能电容器C3的电压VC3处，储能电容器C3在其完全充电状态下被储存到约+13V的值。图13是尖端电压Vtip、跨储能电容器C3的电压VC3、开关元件SW1和SW3的控制信号以及通过电感器L1和储能电容器C3的电感器电流IL1的不同测得波形的波形图，这些波形是增强型推挽电路的第二示例在触控笔尖端电压Vtip的上升沿处的仿真。
如图13所示，电感器电流IL1在尖端电压Vtip的上升沿处被生成为负脉冲，并包括一些小的寄生振荡，直到第三开关元件SW3再次打开。这些小的寄生振荡也反映在尖端电压Vtip和跨储能电容器C3的电压VC3处，储能电容器C3在其放电状态期间被放电到约+7V的值。然而，归因于在经由电感器L1的充电和重新充电过程期间的剩余能量损耗，在第三开关元件SW3的闭合状态期间通过电感器电流IL1使用电感器L1的所储存电荷对电容性负载C2的重新充电不足以再次达到尖端电压Vtip的最大值(+20V)。从该波形图中可以看出，基于储能电容器C3的充电，电容性负载C2几乎完全重新充电至约+20V的最大供电电压值。这说明了在包括储能电容C3的本示例实施例中相对很少的能量损失。图14是尖端电压Vtip、跨储能电容器C3的电压VC3、开关元件SW1到SW4的控制信号以及通过电感器L1和储能电容器C3的电感器电流IL1的不同测得波形的波形图，这些波形是增强型推挽电路的第二示例在直至达到稳定状态之前的较长时段期间测得的。
如图14所示，在一些实现中，需要对储能电容器C3进行多次(例如，三次)充电/放电循环，直到达到跨储能电容器C3的电压VC3的恒定最大值的稳定状态。在图10的示例中，假设储能电容C3大于电容性负载C2。因此，在达到稳定状态之前的小的初始时间段内，将花费一些时间直到从较小的电容性负载C2传输足够的能量以将较大的储能电容器C3充电到其稳态电压(例如10V)。此后，在稳态期间，储能电容器C3处的电压保持在其稳态值附近(假设尖端电压Vtip的二进制波形的平均高时间和低时间相同，这对于任何数字通信而言是真的)。
描述了一种用于电压驱动器电路的装置和方法，其中接地节点和输出节点之间的路径包括电感器和/或另一储能元件以及包含至少两个开关元件(例如晶体管)和至少两个阀元件(例如二极管)的能量传输电路。能量传输电路用于将电容性负载(例如输出电容器)放电到储能元件中，并促进从低电压到高电压的转换，同时提高效率。可以经由另一开关元件包括额外的接地路径，以防止串扰，同时将输出保持在接地电位。
利用所提出的根据上述示例实施例的具有能量传输电路的驱动器电路的新设计，可以显著降低驱动器电路的总功耗(例如，从约2.5mW降低到约0.2mW)，从而提高电池寿命和效率。此外，与替换解决方案(诸如Collpits振荡器或绝热电路)相比，所提出的驱动器电路可被用于更宽的频率范围和更高的电压，允许完全控制驱动器输出电压的高时间和低时间，并且因此实现基带级的数字数据以及频率和相位中的高级调制。较高的电压允许具有较小电容负载的较小电极(例如触控笔尖端处或数字化仪的触摸传感器处)，并从而可允许更精确地确定触控笔位置。
将明白，以上实施例仅以示例的方式描述。
更一般而言，根据本文公开的一个方面(A1)，提供了一种用于经由输出端子(例如，输出端子100，图4)向电容性负载(例如，C2，图4)提供驱动信号的驱动器电路(例如，驱动器电路120，图4)，其中该驱动器电路包括：
储能元件(例如SE 130，图4)；以及
能量传输电路(例如，PP 124，图4)，其被配置成在所述驱动信号的第一边沿处将能量从所述电容性负载传输到所述储能元件，并在所述驱动信号的第二边沿处将能量从所述储能元件传输到所述电容性负载。
(A2)在A1的实施例中，能量传输电路被控制以将输出端子间歇地连接到输出电压的参考电位(例如，图4、6和10中的接地电位150)达预定时间段。
(A3)在A1或A2的实施例中，储能元件包括至少一个电感性元件(例如，电感器L1，图6)、至少一个电容性元件(例如，电容器C3，图10)或至少一个电感性元件和至少一个电容性元件的组合。
(A4)在A1-A3的实施例中，能量传输电路包括至少两个开关元件(例如，SW2和SW3，图6)和至少两个阀元件(例如，D1和D2，图6)的布置。
(A5)在A1-A4的实施例中，能量传输电路包括具有各自串联连接的反并联阀元件(例如D1和D2，图6)的第二和第三开关元件的并联连接，该并联连接在供电电压的端子和驱动信号在输出端子处的参考电位之间的电路路径中被串联连接在第一开关元件和储能元件之间，其中输出端子被连接在第一开关元件和该并联连接之间。
(A6)在A5的实施例中，结合驱动信号的第一边沿(例如下降沿)，第二开关元件被控制以被闭合达预定时间段，以经由第一阀元件(例如D1图6)将电容性负载放电到储能元件中。
(A7)在A5或A6的实施例中，结合驱动信号的第二边沿(例如，上升沿)，第三开关元件被控制以被闭合，以使电容性负载放电到储能元件中，并且其中，此后结合驱动信号的第二边沿，第一开关元件被闭合且第三开关元件被打开，使得电容性负载经由第一开关元件被充电，同时第二和第三开关元件打开。
(A8)在A4-A7的实施例中，第四开关元件(例如SW4，图10)被连接在输出端子和参考电位之间。
(A9)在A1-A8的实施例中，储能元件包括电感器和电容器(例如，电容器C3，图10)的串联连接，并且其中电容器被用作能量存储元件。
(A10)在A1-A9的实施例中，能量传输电路集成在芯片或一个或多个芯片模块上，并且其中储能元件被布置成非集成外部电路元件。
(A11)在A4-A10的实施例中，结合驱动信号的第二边沿(例如，上升沿)，第三开关元件被控制以被闭合，以使得经由能量从储能元件(例如，图10中的C3)经由第二阀元件(例如，图10中的D2)和第三开关元件到电容性负载中的传输来将该电容性负载充电到第一电平，并且其中此后结合驱动信号的第二边沿(例如，上升沿)，第一开关元件被控制以被闭合，以使电容性负载经由第一开关元件从第一电平被充电到第二电平。
根据本文公开的另一方面，提供了一种触控笔(例如，触控笔10，图1)，其包括根据本文公开的任何实施例(例如，A1-A11)的驱动器电路，其中该驱动器电路被配置成向触控笔的尖端电极提供驱动信号。
根据本文公开的另一方面，提供了一种主机设备(例如，主机设备20，图1)，其包括根据本文公开的任何实施例(例如，A1-A11)的驱动器电路，其中该驱动器电路被配置成向触敏显示器的传感器阵列提供驱动信号。
根据本文公开的另一方面，提供了一种经由输出端子向电容性负载提供驱动信号的方法，其中该方法包括控制能量传输电路以在驱动信号的第一边沿处将能量从电容性负载传输到储能元件，以及在驱动信号的第二边沿处将能量从储能元件传输到电容性负载。在各实施例中，该方法包括根据本文公开的任何实施例(例如A1-A11)来控制推挽电路。
根据本文公开的另一方面，提供了一种实现在计算机可读存储上(例如，在存储器内，诸如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM))的计算机程序，该计算机程序包括配置成当在一个或多个处理器上运行时执行本文公开的任一实施例的方法的代码。
本文描述的示例和实施例可被实现成一个或多个计算机系统中的逻辑步骤。逻辑操作可被实现成：(1)在一个或多个计算机系统中执行的处理器实现的步骤的序列；以及(2)一个或多个计算机系统内的互连机器或电路模块。该实现是取决于用于实现的计算机系统的性能要求的选择问题。因此，组成在此描述的各示例或实施例的逻辑操作可被不同地称为操作、步骤、对象、或模块。此外，应该理解，逻辑操作可以以任何顺序执行、按需添加或忽略，除非明确地声明，或者按由权利要求语言固有地要求特定的顺序。
一旦给出本公开，对本领域技术人员而言，所公开的技术的其他变型和应用可变得明显。本公开的范围不限于上述实施例，而仅由所附权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种用于经由输出端子向电容性负载提供驱动信号的驱动器电路，其中所述驱动器电路包括：
储能元件；以及
能量传输电路，其被配置成在所述驱动信号的第一边沿处将能量从所述电容性负载传输到所述储能元件，并在所述驱动信号的第二边沿处将能量从所述储能元件传输到所述电容性负载。
2.根据前述权利要求中的任一项所述的驱动器电路，其特征在于，所述能量传输电路被控制成将所述输出端子间歇地连接到所述输出电压的参考电位达预定时间段。
3.根据权利要求1或2所述的驱动器电路，其特征在于，所述储能元件包括至少一个电感性元件或者至少一个电感性元件与至少一个电容性元件的组合。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的驱动器电路，其特征在于，所述能量传输电路包括至少两个开关元件和至少两个阀元件的布置。
5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其特征在于，所述能量传输电路包括具有各自串联连接的反并联阀元件的第二和第三开关元件的并联连接，所述并联连接在供电电压的端子和所述驱动信号在所述输出端子处的参考电位之间的电路路径中被串联连接在第一开关元件和所述储能元件之间，其中所述输出端子被连接在所述第一开关元件和所述并联连接之间。
6.根据权利要求5所述的驱动器电路，其特征在于，结合所述驱动信号的第一边沿，所述第二开关元件被控制以被闭合达预定时段，以经由第一阀元件将所述电容性负载放电到所述储能元件中。
7.根据权利要求5或6所述的驱动器电路，其特征在于，结合所述驱动信号的第二边沿，所述第三开关元件被控制以被闭合，以使所述电容性负载放电到所述储能元件中，并且其中，此后结合所述驱动信号的第二边沿，所述第一开关元件被闭合且所述第三开关元件被打开，使得所述电容性负载经由所述第一开关元件被充电，同时所述第二和第三开关元件打开。
8.根据权利要求5所述的驱动器电路，其特征在于，第四开关元件被连接在所述输出端子和所述参考电位之间。
9.根据权利要求5或8所述的驱动器电路，其特征在于，所述储能元件包括电感器和电容器的串联连接，并且其中所述电容器被用作能量存储元件。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的驱动器电路，其特征在于，所述能量传输电路被集成在芯片或一个或多个芯片模块上，并且其中所述储能元件被布置成非集成外部电路元件。
11.根据权利要求9或10所述的驱动器电路，其特征在于，结合所述驱动信号的第二边沿，所述第三开关元件被控制以被闭合，以使得经由能量从所述储能元件经由第二阀元件和所述第三开关元件到所述电容性负载中的传输来将所述电容性负载充电到第一电平，并且其中此后结合所述驱动信号的第二边沿，所述第一开关元件被控制以被闭合，以使所述电容性负载经由所述第一开关元件从所述第一电平被充电到第二电平。
12.一种包括根据权利要求1到11中的任一项所述的驱动器电路的触控笔，其中所述驱动器电路被配置成向所述触控笔的尖端电极提供所述驱动信号。
13.一种包括根据权利要求1到11中的任一项所述的驱动器电路的主机设备，其中所述驱动器电路被配置成向触敏显示器的传感器阵列提供所述驱动信号。
14.一种经由输出端子向电容性负载提供驱动信号的方法，其中所述方法包括控制能量传输电路以在所述驱动信号的第一边沿处将能量从所述电容性负载传输到储能元件，以及在所述驱动信号的第二边沿处将能量从所述储能元件传输到所述电容性负载。
15.一种实现在计算机可读存储上且包括代码的计算机程序，所述代码被配置成当所述代码在一个或多个处理器上运行时执行根据权利要求14所述的方法。
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Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3289663B2 (ja) * 1998-01-13 2002-06-10 日本電気株式会社 圧電トランスインバータ
TW555122U (en) * 2000-08-22 2003-09-21 Koninkl Philips Electronics Nv Matrix display driver with energy recovery
US6850213B2 (en) * 2001-11-09 2005-02-01 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Energy recovery circuit for driving a capacitive load
KR100692832B1 (ko) * 2005-03-30 2007-03-09 엘지전자 주식회사 플라즈마 디스플레이 패널의 에너지 회수장치
US9104251B1 (en) * 2011-07-27 2015-08-11 Cypress Semiconductor Corporation Full-bridge tip driver for active stylus
JP5321763B1 (ja) * 2011-12-07 2013-10-23 パナソニック株式会社 画像表示装置の駆動方法、画像表示装置および画像表示システム
US9158393B2 (en) * 2012-12-18 2015-10-13 Logitech Europe S.A. Active stylus for touch sensing applications
US10521041B2 (en) * 2014-08-13 2019-12-31 Texas Instruments Incorporated Resonant line driver including energy transfer inductor for driving capacitive-load lines
TWI727951B (zh) * 2015-05-21 2021-05-21 日商和冠股份有限公司 主動式觸控筆
US10268285B2 (en) * 2015-08-31 2019-04-23 Lg Display Co., Ltd. Stylus pen, touch sensing system and driving method thereof
US10095329B1 (en) * 2017-03-28 2018-10-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Discrete high impedance implementation on push-pull outputs
CN108124499B (zh) * 2017-12-13 2020-08-28 深圳市汇顶科技股份有限公司 主动笔的信号发生电路、主动笔和打码方法

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