CN116899847A - 用于压电超声波换能器的驱动电路以及超声波换能器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于超声波换能器系统中的压电超声波换能器的驱动电路及超声波换能器系统，驱动电路包括：具有至少一个一次侧绕组(22，22'，22")的变压器(21)；具有半导体开关(24'，24")的开关单元，所述开关单元经由开关接头(A'，A")与所述至少一个一次侧绕组(22，22'，22")连接，控制单元(5)，其适于将工作电压(UB)交替施加至所述至少一个一次侧绕组(22，22'，22")或与所述绕组隔开，保护电路(25)，其与所述开关接头(A'，A")电耦合且具有齐纳二极管(ZD1)，所述齐纳二极管将所述开关接头(A'，A")处的关断电压的值限制在至少相当于所述工作电压的两倍的限制电压(UG)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于压电超声波换能器的驱动电路，所述驱动电路的基于变压器电感的开关过程的过电压保护有所改进。
背景技术
超声波换能器用于物体识别，通常具有压电致动器，其需要约100至200V的高交流电压来进行激发。通常在功率放大器中借助于变压器通过电压转换来提供这种驱动电压的电压水平。
在发送模式下，将周期性的脉冲工作电压施加至变压器的一次侧，相应地将此工作电压升压变换成期望的驱动电压。为简化电路结构，激发以脉冲形式实施。为对这种变压器进行脉冲激发，在一次侧接通或断开所提供的工作电压。由于存储在一次侧的变压器绕组的电感中的电能，产生相对较高的关断电压。这个效应也被称作反激效应。
必须对通过反激效应在变压器的一次侧形成的较高的关断电压进行限制，以防止驱动电路的部件受损。通常经由二极管将一次侧电感的能量导出，并且作为热量形式的功耗输出。
超声波换能器系统通常交替地在用于输出超声发送信号的发送模式与用于接收超声接收信号的接收模式中对超声波换能器进行控制，此超声接收信号相当于在一个或多个周围物体处反射的超声发送信号。对所产生的超声信号传播时间连同其他特征一起进行评估，以得到处于超声波换能器系统的检测区域内的周围物体的相关信息。在从发送模式切换至接收模式时，需要尽可能快速地将存储在一次侧的能量完全导出，以便在发送模式结束后尽可能快速地提供接收模式开始时的灵敏度。发送模式结束后的检测能力的建立在很大程度上决定了超声波换能器系统可以在附近范围检测周围物体的距离。
本发明的目的是，提供一种用于超声波换能器的驱动电路以及一种超声波换能器系统，所述驱动电路更加高效且识别附近范围的周围物体的性能有所改进。
发明内容
本发明用以达成上述目的的解决方案为提供一种用于超声波换能器的驱动电路以及一种超声波换能器系统。
在本发明一实施例中，设有用于超声波换能器系统中的压电超声波换能器的驱动电路，包括：
具有至少一个一次侧绕组的变压器；
具有半导体开关的开关单元，所述开关单元经由开关接头与所述至少一个一次侧绕组连接，
控制单元，其适于将工作电压交替施加至所述至少一个一次侧绕组或与所述绕组隔开，
保护电路，其与所述开关接头电耦合且具有齐纳二极管，所述齐纳二极管将所述开关接头处的关断电压的值限制在至少相当于所述工作电压的两倍的限制电压。
所述限制电压可从工作电压值的两倍的100％至150％的范围，特别是工作电压值的两倍的105％至130％的范围内选择。
所述限制电压还可以通过选择齐纳二极管的起始电压或击穿电压来确定。
优选地，所述保护电路不与所述至少一个开关接头电容耦合。
在超声波换能器的驱动电路中，针对发送模式设有变压器，以便以相应的较高的驱动电压来控制该特别是构建为压电致动器的超声波换能器。以交流电压实施控制，通常通过提供给变压器的一次侧脉冲工作电压来提供该交流电压。通过施加或切断工作电压，特别是借助于适宜的半导体开关，如场效应晶体管等，来产生脉冲工作电压。
基于变压器的该至少一个一次侧绕组的电感，当切断工作电压时，基于存储在电感中的电能，开关变压器接头处出现明显的电压升高。电压升高可能导致超声波换能器系统的部件损伤或损坏。因此，通常设有对切断一次侧绕组后的电压升高进行限制的适宜的保护电路。
在切断变压器的一次侧绕组后，开关变压器接头处通常立即存在两倍的工作电压，因为该一次侧绕组的相应的另一变压器接头的电位未切换，因而保持恒定。现基于存储在绕组中的电能，在不采取其他措施的情况下，如果对一次侧绕组中的电流进行严格限制甚至使其中断，则关断电压通过一次侧绕组进一步升高。
因此，根据上述驱动电路，将保护电路耦合至该至少一个一次侧绕组的开关接头，且该保护电路具有齐纳二极管。该齐纳二极管的起始电压(击穿电压)至少大于用来接通一次侧绕组的工作电压的两倍。通过将齐纳二极管确定为一个大于两倍的工作电压的值，有效地防止一次侧绕组上的关断电压升高超过起始电压所定义的电压阈值。由此，第一，可以对一次侧上的电压进行限制以保护其他部件，第二，可以如此地选择这个电压，使其在与周围部件的共同作用下实现最佳的能量消耗。
通过在关断阶段使得电流经由保护电路的特定消耗，在从发送模式向接收模式过渡时，留在变压器中的电能较少，从而大幅缩短发送模式结束时的振荡过程。这样就能以改进的方式检测可能通过超声波换能器接收到的超声波接收信号，因为该超声波接收信号不会或仅在较短的持续时间内与发送模式结束后可能出现的振荡信号叠加。
工作电压可以用缓冲电容缓冲，其中保护电路通过泄放电阻与缓冲电容耦合。这样就能提供用于一次侧绕组的接通过程开始时所需的较大接通电流的电荷存储器。将切断时导出的能量回输至供电回路就能减少驱动电路的用电需求。
此外，保护电路可以通过二极管，特别是直接通过二极管与至少一个开关接头耦合，该二极管在该至少一个开关接头与齐纳二极管之间出现电压差的情况下引起来自或流向该至少一个开关接头的电荷流，以限制该至少一个开关接头处的电压变化。
这样就能通过串接将保护电路与二极管去耦合，从而减小保护电路对开关变压器接头或变压器的一次侧绕组的电容输入。此外，串联的二极管能够对齐纳二极管预加电压，使其开关惯性最小化。
齐纳二极管还可以与一个存储电容电并联，该存储电容对齐纳二极管的电容进行补充。这样就能改进切断变压器的一次侧绕组后对导出的电能的中间存储，可以将该电能用于下一开关操作循环，也就是在下次接通一次侧绕组时使用。通过针对性地选择高于工作电压的两倍的齐纳二极管的起始电压，在关断电压升高时，所产生的电流就能通过一次侧绕组流出至存储电容。电流持续流出，直至到达齐纳二极管的击穿电压。随后，电流继续进入齐纳二极管，直至再次低于齐纳二极管的击穿电压。但同时，增大的流量也会导致二次侧的电压升高。
存储电容特别是在与和保护电路串联的二极管共同起作用的情况下有意义，该二极管使保护电路与变压器绕组去耦。因此，二极管用于将齐纳二极管和存储电容所形成的电容与变压器回路去耦，并且施加增大开关速度的偏置电压。
此外，增大用于容置流出的电荷的电容，使得齐纳二极管的电容不再对开关速度有重大影响，但同时能够存储从变压器回流的能量。随后，可以通过泄放电阻将存储在这个电容中的能量回输至缓冲电容的电荷存储器。
根据一种实施方式，所述变压器可以具有两个一次侧绕组，这些绕组交替与工作电压连接以及与这个工作电压隔开，使得工作电压始终仅存在于一次侧绕组中的一处。
一次侧绕组的相应开关接头特别是可以通过相应的二极管与保护电路连接。
在本发明另一实施例中，设有一种超声波换能器系统，包括：
压电超声波换能器；
上述驱动电路，其中所述变压器的二次侧绕组与所述超声波换能器连接。
附图说明
下面结合附图对实施方式进行详细说明。其中：
图1为具有驱动电路的超声波换能器的电路图的示意图；以及
图2为所述驱动电路的电压信号的信号-时间图表。
附图标记说明：1-超声波换能器系统；2-驱动电路；3-接收电路；4-超声波换能器；5-控制单元；21-变压器；22、22'、22"-一次侧绕组；23-二次侧绕组；24'、24"-半导体开关；25-保护电路；UB-工作电压，第一供电电位；R1-泄放电阻；R2-电阻；C1-存储电容；C2-缓冲电容；C4-电容器；GND-第二供电电位；A'，A"-开关接头；D1、D2-二极管；ZD1-齐纳二极管。
具体实施方式
图1示出超声波换能器1，其具有用于超声波换能器1的发送模式的驱动电路2和用于超声波换能器1的接收模式的接收电路3。驱动电路2和接收电路3与超声波换能器4连接。接收电路3仅示意性地示出，且不对其实际设计进行进一步的具体阐述。
超声波换能器4具有压电致动器，其可以以超声频率范围内的100至200V的高压电电压控制，以在发送模式中发射超声发送信号。通过超声发送信号在一个或多个周围物体处反射而产生的超声接收信号在接收模式中引起可在接收电路3中检测到的电容变化。
通常通过控制单元5在交替的发送与接收模式中操作驱动电路2和接收电路3。
驱动电路2包括在二次侧与超声波换能器4耦合的变压器21。
变压器21具有两个一次侧绕组22和一个二次侧绕组23。一次侧绕组22以脉冲工作电压交替馈电，该工作电压对应于所发出的超声发送信号的期望控制频率。一次侧绕组22以一个共用的中心接头M相连，该中心接头M连接第一供电电位UB(工作电压)。与第一供电电位UB的耦合特别是可以通过电阻R2和电容器C4实施，该电容器C4预设相对于第二供电电位GND，特别是地电位而言的电容。
一次侧绕组的第一个22'的第一开关接头A'通过第一半导体开关24'与第二供电电位GND连接，一次侧绕组的第二个22"的第二开关接头A"通过第二半导体开关24"与第二供电电位GND连接。根据用于通断的控制频率，借助于控制单元5以相应的控制信号S'、S"来交替控制半导体开关24'、24"，从而交替地为第一与第二一次侧绕组22'、22"馈电，并且将另一个与第一供电电位UB和第二供电电位GND之间的工作电压隔开。
二次侧绕组23与超声波换能器4连接，该超声波换能器视情况可以用缓冲电容器CR1缓冲。由于在将工作电压施加至一次侧绕组22'、22"时产生的较大的开关电流，第一供电电压可以用缓冲电容C2缓冲，该缓冲电容用作一次侧绕组22'、22"中的一个的接通过程之后的较大初始电流的电荷存储器。
第一和第二一次侧绕组22'、22"的开关接头A'、A"通过相应的二极管D1和D2与保护电路25连接。二极管D1和D2的通流方向对应于开关接头A'、A"与保护电路25之间的正电压。
保护电路25具有齐纳二极管ZD1，该齐纳二极管经由二极管D1和D2与开关接头A'、A"以及与第二供电电位GND连接。齐纳二极管ZD1的起始电压(击穿电压)UZD相当于被设定为至少是工作电压的两倍的电压，特别是略高于工作电压的两倍，特别是在工作电压的两倍的100％与150％之间，优选在105％与130％之间。因此，齐纳二极管的起始电压定义了开关接头A'、A"处的电压的限制电压。
通过一次侧绕组22'、22"的交替工作，在切断相关的半导体开关24'、24"(将相关的半导体开关断开)后，在一次侧绕组22'、22"的开关接头A'、A"处产生关断电压或关断电位，该关断电压/关断电位相当于第一供电电位UB的约两倍(相对于第二供电电位GND而言)。关断电位经由二极管D1和D2(减去二极管电压)施加在保护电路25处。对变压器21的一次侧绕组22'、22"或该变压器所连接的电子半导体开关(晶体管、FET…)24'、24"的电压升高的限制由齐纳二极管的起始电压UZD加上二极管D1和D2的二极管正向电压形成。如果只使用了齐纳二极管ZD1而未使用二极管D1和D2，则电压升高的限制相当于齐纳二极管ZD的起始电压。
保护电路25将相应的关断电位限制为齐纳二极管ZD1的起始电压的电位。如果不设置齐纳二极管ZD1，则关断电位将进一步升高，因为所存储的电能通过一次侧绕组22'、22"引起电流，该电流反作用于第一供电电位VB，或可能导致相应的开关接头A'、A"处的电压急剧升高。
齐纳二极管ZD1将电压升高限制在工作电压。
优选地，齐纳二极管ZD1与一个存储电容并联。该并联电路增加了电荷存储容量，其自切断的一次侧绕组22'、22"接收一部分流出的电荷量，并且被加载至相当于齐纳二极管ZD1的起始电压的电压水平。
现可以通过用来连接保护电路25与第一供电电位VB的泄放电阻R1将电荷从存储电容C1输送至第一供电电位VB，特别是在该处输入缓冲电容C2，以便在后续的开关过程中相应地提供用于较大的初始电流的电荷。这样就能减少驱动电路2的用电需求，因为通过将切断相应的一次侧绕组时导出的电能的一部分存储在存储电容C1和缓冲电容C2中，就能用于需要较大的初始电流的相应的后续开关过程。
二极管D1和D2的优点在于，将齐纳二极管ZD1的电容和可选的存储电容C2与开关接头A'、A"去耦，从而减少进入变压器21的开关过程的电容输入。另一方面，保护电路25的齐纳二极管通过泄放电阻R1预加电压，使其开关惯性减小。二极管将保护电路的这部分与一次侧绕组解去耦，并且能够预加电压。
此外，保护电路25能够将电能从一次侧绕组22'、22"快速导出，使得留在变压器21中的电能较少，特别是能够在发送模式结束后，将变压器-超声波换能器组合的振荡缩短，该组合与二次侧绕组23的电感和超声波换能器4的电容形成振荡回路。这使得附近范围的物体检测的性能有所改进，因为超声接收信号不会与所形成的振荡回路的仍在持续的振荡叠加。
图2示出用于说明开关接头A'中的一个的驱动电路2的工作的信号-时间图表。可以看出，(在控制信号S'的低电平的控制下)切断相关半导体开关24'之后，开关接头A'处的电压立即升高至工作电压的两倍2*UB，随后，由于能量流出进入保护电路25，在电流减小的情况下进一步升高直至限制电压UG并且保持在该水平，直至存储在变压器中的能量耗尽。由此，开关接头A'处的电压陡降至UB。整个电路应如此设计，使得开关接头A'处的电压持续下降，直至控制信号S'的下一次脉冲开始。
Claims (10)
1.一种用于超声波换能器系统(1)中的压电超声波换能器(4)的驱动电路(2)，其特征在于，包括：
变压器(21)，其具有至少一个一次侧绕组(22，22'，22")；
开关单元，其具有半导体开关(24'，24")，所述开关单元经由开关接头(A'，A")与所述至少一个一次侧绕组(22，22'，22")连接，
控制单元(5)，其适于将工作电压(UB)交替施加至所述至少一个一次侧绕组(22，22'，22")或与所述绕组隔开，
保护电路(25)，其与所述开关接头(A'，A")电耦合且具有齐纳二极管(ZD1)，所述齐纳二极管将所述开关接头(A'，A")处的关断电压的值限制在至少相当于所述工作电压的两倍的限制电压(UG)。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述限制电压(UG)从所述两倍的工作电压值的100％至150％的范围，特别是所述两倍的工作电压值的105％至130％的范围内选择。
3.根据权利要求1或2所述的驱动电路，其特征在于，所述限制电压(UG)通过选择所述齐纳二极管(ZD1)的起始电压或击穿电压(UZD)来确定。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述保护电路(25)通过二极管(D1，D2)，特别是直接通过所述二极管(D1，D2)与所述至少一个开关接头耦合，所述二极管在所述至少一个开关接头(A'，A")与所述齐纳二极管(ZD1)之间出现电压差的情况下，引起来自或流向所述至少一个开关接头(A'，A")的电荷流，以限制所述至少一个开关接头(A'，A")处的电压变化。
5.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述保护电路(25)不与所述至少一个开关接头(A'，A")电容耦合。
6.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述保护电路(25)具有与所述齐纳二极管(ZD1)电并联的存储电容(C1)。
7.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述工作电压用缓冲电容(C2)缓冲，其中所述保护电路(25)通过泄放电阻(R1)与所述缓冲电容(C2)耦合。
8.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述变压器(21)具有两个一次侧绕组(22，22'，22")，所述绕组交替与所述工作电压(UB)连接以及与所述工作电压隔开，使得所述工作电压(UB)始终持续存在于所述一次侧绕组(22，22'，22")中的一处。
9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，所述一次侧绕组(22，22'，22")的相应开关接头(A'，A")特别是通过相应的二极管(D1，D2)与所述保护电路(25)连接。
10.一种超声波换能器系统，其特征在于，包括：
压电超声波换能器(4)；
根据权利要求1至9中任一项所述的驱动电路(2)，其中所述变压器(21)的二次侧绕组(23)与所述超声波换能器(4)连接。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |