CN117046703A - 在无变压器的情况下用于操作超声波换能器的装置 - Google Patents

Abstract

本文说明了用于驱动超声波换能器(TR)的装置和相关方法，包括第一装置(CP)，用于从工作电压(Vbat)产生升压电压且将第一电容器(C1)充电至第一电容器电压(V_C1)；第二装置(T2，T3)，用于在接收阶段期间借助于第一电容器(C1)将第二电容器(C2)充电至第二电容器电压(V_C2)；第三装置(T1)，用于在传输阶段期间将第二电容器电压(V_C2)加到第一电容器电压(V_C1)上以实现上升的驱动电压；第四装置(T4,C3)，用于在传输阶段期间将上升的驱动电压二次电容性耦合至超声波换能器(TR)的换能器连接节点(KTR)；第五装置(T5,C3)，用于在所述传输阶段期间将基准电位(GND)二次电容性耦合至超声波换能器(TR)的换能器连接节点(KTR)。在传输阶段期间，第四装置(T4,C3)的耦合与第五装置(T5,C3)的耦合交替执行。

Description

在无变压器的情况下用于操作超声波换能器的装置

技术领域

本发明涉及一种在机动车环境中用于产生超声波信号并且用于接收来自对象对该超声波信号的反射的装置。

背景技术

当今，超声波传感器系统在全自动驾驶员辅助系统中发挥着重要作用。这些超声波传感器系统使用超声波传感器和其他传感器来生成车辆周围环境的环境地图。驾驶员辅助系统的控制计算机使用这些环境地图进行导航。因此，这些超声波传感器的功能效率非常重要。

超声波传感器的关键特征是它们的范围。对于大范围，期望超声波传感器产生大的声压。同时，期望尽可能廉价地制造超声波传感器及其电子器件。由于变压器相对昂贵，因此期望在超声波传感器设计中消除变压器。这种系统在下文中称为无变压器系统。

超声波传感器包括超声波传感器电子器件和带有振动元件的超声波换能器TR(超声波换能器)。超声波电子器件在传输阶段驱动超声波换能器TR，使超声波换能器TR的振动元件振动并且发出超声波脉冲。在后续的接收阶段，关闭超声波电子器件的驱动阶段并且超声波电子器件仅监视超声波换能器TR的输出信号。当超声波换能器TR接收到超声波信号时，它的振动元件开始振动，并且产生超声波传感器电子器件适当地检测并处理的电气输出信号。

为了实现尽可能长的范围，对于超声波电子器件来说，在传输阶段驱动双极型超声波换能器TR以便产生尽可能大的声压是有利的。这可以通过两种方式实现：

1)实现此目的的第一种方式是：以由两个半桥组成的H桥驱动超声波换能器TR，其中在超声波换能器TR的第一端子和第二端子之间交替地施加正电压。然而，出于EMC(电磁兼容性)和ESD(静电放电)的原因，这一概念已被证明是不利的，因为普通超声波换能器的壳体通常与两个端子中的一者电连接。

2)实现大声压的第二种方式是：单信号线驱动(单端驱动)，其中，超声波换能器TR的第一端子连接至接地电位GND，并且装置以换能器连接节点KTR的形式将超声波换能器TR的第二端子交替地电连接到正负电压。优选地，负电压的大小与正电压的大小相同。然而，由于相对于半导体基板的电位的可实现的负电压在技术上是有限的，因此尤其在CMOS半导体技术中切换负电压是有问题的。

发明内容

因此，本提案是基于创建不具有现有技术的上述缺点并且具有进一步优点的解决方案的任务的。该任务由独立权利要求的技术指导解决。如果必要，其他实施方案是从属权利要求的主题。

解决方案

在通过超声波换能器TR的单个换能器连接节点KTR进行单端子控制的情况下，在传输阶段，有源驱动超声波换能器TR的振动元件之后还利用超声波换能器TR的换能器阻尼电路来缩短超声波换能器TR的振动元件的稳定时间。装置的驱动器从超声波换能器TR的振动元件中提取尽可能多的振动能量的摆动阶段通常跟随装置的驱动器将振动能量传输到超声波换能器TR的振动元件中的传输阶段。然后，摆动阶段之后通常是实际接收阶段。在图1的情况下，该阻尼电路包括阻尼电阻器R1。

然而，该电路向超声波换能器TR永久地施加一个小的准恒定直流电压分量(直流电压偏移)。例如，取决于半导体技术，这可以是大约2V。在本文展现的技术指导的开发过程中的进一步测量表明，在换能器连接节点KTR和基准电位GND之间的电压信号的该直流电压分量从长远来看会损坏超声波换能器TR。因此，需要开发不具有该直流电压分量的电路技术。

因此，产生了从衰减电路电容性解耦超声波换能器TR的想法。通过这种解耦，驱动器也与超声波换能器TR电容性解耦，从而为超声波换能器TR的驱动器的设计开辟了新的可能性。

因此，目标是提供一种改进的单端子非对称驱动器电路，该电路仅具有正电压和超声波换能器TR的电容性解耦，而不需要使用CMOS技术中成本高昂的负转换器晶体管(负25V以上)。

如果电容器C3、C_K1、C_K2可以对超声波换能器TR的驱动器进行电容性解耦，那么就没有利用正电压和负电压驱动超声波换能器TR的需求了。这是关键问题，在这里展现的文档中公开了该问题的解决方案并且所提出的解决方案表明了与现有技术的区别。

在非有源情况下，该装置不将交流电压信号耦合至换能器连接节点KTR。在这种非有源情况下，所提出的装置将恒定电压V_C1施加至超声波换能器TR。阻尼电阻R1作为下拉电阻，由于经由第一耦合性电容C_K1和第二耦合性电容C_K2进行电容性耦合，因此在超声波换能器TR处在换能器连接节点KTR和基准电位GND之间建立了0V的电压。

如果超声波换能器TR要传输有源超声波脉冲，则装置在对应于第一电容器C1的第一电容器电压V_C1的大约两倍的第一电压值(即，从2*V_C1)和大约0V之间交替切换在输出节点Vdrv处的相对于基准电位GND的电压，从而在装置的输出节点Vdrv处产生PWM输出信号。切换外部第一电容器。然后在超声波换能器TR处可以再次测量在换能器连接节点KTR和基准电位GND之间的正电压和负电压。

在微集成半导体电路IC中，在双正电压和0V之间切换的电路通常比在正电压和负电压之间切换的电路更容易实现。因此，可以规避微集成电路IC的CMOS特性对最大负电压的技术限制。此外，相对于微集成电路IC的基板的基板电位，半导体技术在最大正电压方向上的限制作用通常小于在最大负正电压方向上的限制作用。

因此，使用这里展现的装置，驱动器能够在换能器连接节点KTR处产生相对于参考电位GND的更大交流电压幅度，从而在超声波换能器TR处产生更大的交流电压幅度。这也增加了声压级，因此增大了测量范围。

这里提出的方案公开了用于在超声波换能器TR处产生更大的声压级(SPL，声压)的更简单的驱动电路，从而改善了超声波传感器的测量范围。

由于二倍压代表实现这种装置的关键因素，因此内部电压源CP优选地以电荷泵的形式，并且“飞跨电容(flying capacitor)”通常以第二电容器C2的形式。

这里所提供的文档中公开的技术指导建议了以下措施：

-措施1：使用电荷泵CP来产生更高的电压(30V-40V)。

-措施2：第二电容器C2的飞跨电容存储第一电容器C1在第一节点K1处产生的相对于接地电位GND的基本上介于两者之间的第一电容器电压V_C1。

-措施3：提出的装置使用不是用于负驱动(半波)而是用于将PWM信号的正半波加倍以驱动超声波换能器TR的第二电容器C2的飞跨电容，从而使在超声波换能器TR的换能器连接节点KTR处相对于接地电位线GND的接地电位的电压加倍(例如，至60.80V)。

-措施4：对于“负”半波，装置接着将换能器连接节点KTR连接至地线GND。

-措施5：在有源传输阶段之后，装置在装置的输出节点Vdrv与接地电位线GND的接地电位之间重新施加来自第一电容器C1的第一电容器电压V_C1作为用于暂时地跟随接收阶段的小信号接地。

因此，这里展现的文档提出了一种解决上述问题的用于驱动超声波换能器TR的装置。所提出的装置包括控制装置μC、五个转换器T1至T5、电压源CP、三个电容器C1至C3、三个节点K1至K3、输出节点Vdrv、换能器连接节点KTR和外部阻尼电阻器R1。转换器T1至转换器T5优选地是MOS晶体管。所述装置的控制装置μC优选地控制转换器T1至转换器T5。因此，五个转换器T1至T5中的各转换器优选地具有：a)五个转换器T1至T5的相应的转换器的相应第一端子，b)五个转换器T1至T5的相应转换器的相应第二端子，以及c)五个转换器T1至T5的相应转换器的相应控制端子。转换器T1至转换器T5的相应转换器的相应控制端子优选地是各个晶体管的栅极触点，优选地，所述各个晶体管构成转换器T1至转换器T5的相应转换器。与晶体管一样，五个转换器T1至T5的相应转换器的相应转换状态取决于在五个转换器T1至T5的相应转换器的控制端子处的电位。信号线优选地将装置的转换器T1至转换器T5的相应转换器的相应控制端子与控制装置μC连接。由此，控制装置μC可以通过这些信号线优选地将转换器T1至转换器T5的相应转换器在例如“导通”状态和“截止”状态之间切换。为了更好的概述，在图1至图4中没有绘出在控制装置μC和转换器T1至转换器T5之间的这些信号线。超声波换能器TR优选地通过超声波换能器TR的第一端子连接至换能器连接节点KTR并且通过超声波换能器TR的第二端子连接至接地电位线GND。这样做的好处是超声波换能器TR的壳体可以连接至机动车的车身，从而确保良好的ESD保护。第一电阻器R1优选地通过外部阻尼电阻器R1的第一端子连接至换能器连接节点KTR，并且优选地通过外部阻尼电阻器R1的第二端子连接至接地电位线GND。外部阻尼电阻器R1通常将装置的换能器连接节点KTR的输出电阻与超声波换能器TR的阻抗匹配。第三电容器C3优选地具有连接至换能器连接节点KTR的第三电容器C3的第一端子，和连接至装置的输出节点Vdrv的第三电容器C3的第二端子。因此，第三电容器C3以第一电容性耦合的形式将换能器连接节点KTR电容性耦合至装置的输出节点Vdrv。第五转换器T5优选地使其第一端子连接至输出节点Vdrv，并且优选地使其第二端子连接至接地电位线GND。这使得当控制装置μC将第五转换器T5设置为导通状态时，第五转换器T5经由输出节点Vdrv将第三电容器C3相对于接地电位线GND的接地电位放电。第四转换器T4优选地使其第二端子连接至输出节点Vdrv，并且优选地使其第一端子连接至第二节点K2。这使得第四转换器T4在输出节点Vdrv上的第二节点K2处输出升高的电压。第二转换器T2优选地使其第二端子连接至第二节点K2，并且优选地使其第一端子连接至第一节点K1。这使得当控制装置μC将第二转换器T2设置为导通状态时，第二转换器T2参与第二电容器C2的充电。优选地，第一转换器T1具有连接至第一节点K1的第一端子，和连接至第三节点K3的第二端子。这使得当控制装置μC将第一转换器T1设置为导通状态时，第一转换器使得第一电容器C1的第一电容器电压V_C1与第二电容器C2的第二电容器电压V_C2相加。然后将由此产生的第一电容器电压V_C1施加在第二节点K2和接地电位线GND的电位之间。第三转换器T3优选地通过第一端子连接至第三节点K3，通过第二端子连接至接地电位线GND。这使得当控制装置μC将第三转换器T3设置为导通状态时，第三转换器T3参与第二电容器C2的充电过程。第一电容器C1优选地使其第一端子连接至第一节点K1，并且优选地使其第二端子连接至接地电位线GND。因此，第一电容器C1使在第一节点K1和接地电位线GND之间的第一电容器电压V_C1稳定。当第二转换器T2和第三转换器T3使第一电容器C1与第二电容器C2并联连接时，先前仅在第一电容器C1上的电荷在第一电容器C1和第二电容器C2之间分配。电荷泵CP的内部电阻通常足够高，以至于其充电电流在此电荷共享过程中通常不会占主导地位。因此，如果第一电容器C1的电容值显著大于第二电容器C2的电容值则是有利的。第二电容器C2优选地通过其第一端子连接至第二节点K2，并且优选地通过其第二端子连接至第三节点K3。因此，它优选地在由第一转换器T1和第三转换器T3组成的第一半桥与由第二转换器T3、第四转换器和第五转换器T5组成的第二半桥之间形成H桥的准交叉支路。由此，该双半桥结构可以首先通过第一电容器C1的第一电容器电压V_C1给第二电容器C2充电，然后将该第一电容器电压V_C1加到第一节点K1的电位上，并且作为经由第四转换器T4的升高的电压将其经由第三电容器C3电容性耦合进换能器连接节点KTR。优选地为电荷泵的电压源CP优选地至少暂时地连接至第一节点K1。该电压源CP至少暂时地使用充电电流将第一电容器C1充电至第一电容器C1的第一电容器电压V_C1。这里所述的装置通常可以呈现至少三种状态。由于各转换器可以呈现两种状态，导通和截止，因此该装置理论上可以呈现2⁵＝32种状态，然而，由于其中一些会导致交叉电流，因此是不合理的。因此，这里当将装置称为具有三种状态时，意味着使用至少这些随后说明的状态。在该上下文中，例如，如果转换器的转换状态具有一定的不相关性，则下面所述的状态也可以是数种状态的总结。

优选地，一个以上的控制装置μC控制第一转换器T1和/或第二转换器T2和/或第三转换器T3和/或第四转换器T4和/或第五转换器T5。在将本发明不限制为仅正好一个控制装置μC的情况下，为了方便起见，下文仅说明一个控制装置μC。优选地，不论转换器T1至转换器T5的这些相应转换器是截止还是导通，控制装置μC分别地向转换器T1至转换器T5的相应转换器的相应控制端子单独地和各自地发信号。控制装置μC因此确定在各情况下转换器T1至转换器T5的转换器是否、何时以及在什么条件下截止或导通。为此，控制装置μC优选地检测装置内的状态信号。因此，优选地，控制设备包括可以感测装置的一个以上模拟操作参数并且将它们提供给实际的控制装置μC的模数转换器，例如诸如ARM处理器等处理器内核。例如，第一电容器C1的第一电容器电压V_C1的第一电压值和/或第二电容器C2的第二电容器电压V_C2的第二电压值可以是装置的这种操作参数。例如，控制装置μC的模数转换器能够优选地检测这些参数，使得这些参数可用作控制装置μC的参数值。因此，这里，如果下面说明转换器T1至转换器T5的转换器截止，则通常装置的控制装置μC已经使转换器T1至转换器T5的转换器截止。因此，当下面说明转换器T1至转换器T5的转换器导通时，通常装置的控制装置μC已经使转换器T1至转换器T5的转换器导通。

优选地，控制装置μC通过数据总线DB与上级计算机单元(例如，机动车的控制单元)通信。

因此，不论第一转换器T1将呈现截止状态还是导通状态，控制装置μC可以优选地经由为了更好概述而在图1至图4中未图示的第一信号线向第一转换器T1发信号。

因此，不论第二转换器T2将呈现截止状态还是导通状态，控制装置μC可以优选地经由为了清楚起见而在图1至图4中未图示的第一信号线向第二转换器T2发信号。

因此，不论第三转换器T3将呈现截止状态还是导通状态，控制装置μC可以优选地经由为了清楚起见而在图1至图4中未图示的第一信号线向第三转换器T3发信号。

因此，不论第四转换器T4将呈现截止状态还是导通状态，控制装置μC可以优选地经由为了清楚起见而在图1至图4中未图示的第一信号线向第四转换器T4发信号。

因此，不论第五转换器T5将呈现截止状态还是导通状态，控制装置μC可以优选地经由为了清楚起见而在图1至图4中未图示的第一信号线向第五转换器T5发信号。

优选地，控制装置μC确定所提出的装置位于装置的三种状态或可能的其他状态中的哪种状态。优选地，根据经由数据总线DB发出的信号，控制装置μC确定所提出装置处于装置的三种状态或可能的其他状态中的哪种状态、何时以及持续多长时间。优选地，控制装置μC控制装置的三种状态和可能的其他状态的状态时序。优选地，控制装置μC还确定三种状态的状态时序。

在三种状态的第一状态中，即在“充电状态”中，第一转换器T1截止，并且在三种状态的该第一状态中，第二转换器T2导通，并且在三种状态的该第一状态中，第三转换器T3导通。第四转换器T4和第五转换器T5的状态最初与加载过程本身无关。因此，它们的状态不是本文展现的文档意义上的充电状态的特征。然而，这里展现的文档建议给第四转换器T4和第五转换器T5分配定义的状态，优选地使得两个转换器T4、T5中的至少一者截止。因此，这基本上排除了在装置的该区域中的干扰和交叉电流。

在三种状态的第二状态中，即在φ2状态中，第一转换器T1导通，第二转换器T2截止，第三转换器T3截止，第四转换器T4导通，并且第五转换器T5截止。在这种状态下，装置将升高的电压(其通常对应于增加了大约2倍的第一电容器C1的第一电容器电压V_C1)施加至输出节点Vdrv，从而作为通过第三电容器C3的第一电容性耦合最终施加至换能器连接节点KTR。

在三种状态的第三状态中，即在φ1状态中，第四转换器T4截止，并且第五转换器T5导通。在这种状态中，装置通过将输出节点Vdrv连接到接地电位线GND将第三电容器C3放电至接地电位。因此，作为通过第三电容器C3的第一电容性耦合的结果，装置通过负位移电流驱动换能器连接节点KTR。

本文档提出的装置在传输阶段以用于传输超声波脉冲的传输频率在装置的第二状态和第三状态之间切换。以这种方式，其产生装置的输出节点Vdrv的电位的PWM电压调制，从而产生在换能器连接节点KTR和接地电位线GND的接地电位之间的超声波换能器TR处的电压的PWM电压调制。优选地，该PWM电压调制的优选采样率基本上等于50％。优选地，传输频率大约等于超声波换能器TR的换能器谐振频率。优选地，所提出的装置在传输超声波脉冲之后(特别地在接收阶段)至少暂时地切换到第一状态。

优选地，在三种状态的第一状态中，即在“充电状态”中，装置内的控制装置μC另外使第四转换器T4截止并且使第五转换器T5截止。这使得由于换能器连接节点KTR不再由来自装置的输出节点Vdrv的位移电流加载，因此超声波换能器TR的振动元件接收反射的超声波信号。然后，输出节点Vdrv可以浮动并且其电位不固定。因此，来自换能器TR的信号不再需要对第三电容器C3再充电。然后，装置的接收电路ES可以更好地检测超声波换能器TR的振动元件的接收信号。超声波换能器TR的振动元件的接收信号通常表现为在换能器连接节点KTR和超声波换能器TR的接地连接GND之间的电压信号。然后，输出节点Vdrv的信号不再加强超声波换能器TR在换能器连接节点KTR处的接收信号。

优选地，在三种状态的第三状态中，即在φ1状态中，装置内的控制装置μC使第二转换器T2截止，使第一转换器T1导通，并且使第三转换器T3截止。这使得装置与第一电容器C1的充电同时地给第二电容器C2充电。

为了给第二电容器C2充电，装置优选地在接收阶段期间和在从传输阶段至接收阶段的过渡期间，在传输阶段结束时从第二状态或从第三状态变为第一状态。

优选地，装置的控制装置μC检测第二节点K2相对于第三节点K3的第二电位差。通常，该第二电位差是施加至第二电容器C2的第二电容器电压V_C2。即，控制装置μC可以优选地通过控制装置μC的上述模数转换器检测第二电容器C2的充电状态，并且如果其充电状态不足，则在必要时使第二电容器C2再充电。如果在第二电容器C2上的第二电容器电压V_C2在量上小于第二阈值，那么充电状态不足。如果第二电容器C2的再充电也不成功，并且即使在再充电一次或多次之后，第二电容器电压V_C2在幅度上继续低于第二阈值，则控制装置μC可以断定第二电容器C2存在故障和/或断定任何相关外围设备存在故障。在这种情况下，控制装置μC通常经由数据总线DB将该故障发信号给上级单元，例如车辆的控制单元。如果检测到的第二电容器C2的第二电容器电压V_C2的电位差的幅度太小，即，小于第二阈值，则装置优选地从第二状态或第三状态变为第一状态以给第二电容器C2充电。由此，装置可以检测例如第二电容器C2上的冷焊点、到第二电容器C2的断开的导通路径和/或丢失的第二电容器C2。因此，超声波传感器可以用于需要检测这些故障的安全相关的应用。

优选地，装置的控制装置μC检测第一节点K1相对于接地电位线GND的电位的第一电位差。通常，该第一电位差是施加至第一电容器C1的第一电容器电压V_C1。即，控制装置μC可以通过控制装置μC的上述模数转换器检测第一电容器C1的充电状态，并且如果其充电状态不足，则在必要时通过改变电压源CP的操作参数使第一电容器C1再充电。如果在第一电容器C1上的第一电容器电压V_C1在量上小于第一阈值，那么充电状态不足。如果第一电容器C1的再充电也不成功，并且即使再充电一次或多次之后，第一电容器电压V_C1的量继续低于第一阈值，则控制装置μC可以断定第一电容器C1存在故障和/或断定任何相关外围设备存在故障。在这种情况下，控制装置μC通常经由数据总线DB将该故障发信号给上级单元，例如车辆的控制单元。由此，装置可以检测例如第一电容器C1上的冷焊点、到第一电容器C1的断开的导通路径和/或丢失的第一电容器C1。因此，超声波传感器可以用于需要检测这些故障的安全相关的应用。

如上所述，通过第一电容器C1给第二电容器C2充电导致在第一电容器C1与第二电容器C2之间的电荷共享。为了确保在给第二电容器C2充电之后可以确定第一电容器C1的第一电容器电压V_C1以及因此第二电容器C2的第二电容器电压V_C2在幅度上不会变得太低，第一电容器C1的第一电容值显著大于第二电容器C2的第二电容值是有用的。在这种情况下，在第二电容器C2的充电过程之后，大部分电荷保留在第一电容器C1上，使得在第一电容器C1上的第一电容器电压V_C1变化不大。因此，优选地，第一电容器C1的电容值的大小除以第二电容器C2的电容值的大小所得到的值，优选地大于2和/或更好大于3和/或更好大于5和/或更好大于10和/或更好大于20和/或更好大于30和/或更好大于50和/或更好大于100。特别优选地，第一电容器C1的电容值的大小除以第二电容器C2的电容值的大小得到大约10以上的值。

如果第四转换器T4变为导通，则充电电流从第二电容器C2流至第三电容器C3，这使第二电容器C2轻微放电。为了保持该充电损失以及因此第二电容器C2的电容器电压损失低，如果第三电容器C3的第三电容值与第二电容器C2的第二电容值相比尽可能小是有用的。因此，优选地，第二电容器C2的第二电容值的量大小除以第三电容器C3的第三电容值的大小所得到的值，优选地大于5和/或更好大于10和/或更好大于20和/或更好大于30和/或更好大于50和/或更好大于100。特别优选地，第二电容器C2的第二电容值的大小除以第三电容器C3的第三电容值的大小得到基本上是20以上的值。

现在，为了能够接收反射的超声波信号，装置优选地具有接收电路ES。第一状态优选地也是这样的接收状态：其中，第四转换器T4被禁用并且第五转换器T5被禁用，并且接收电路ES检测换能器连接节点KTR处的信号。装置优选地在接收阶段呈现第一状态。然后，接收电路ES响应于在换能器连接节点KTR处的信号产生接收信号RX。

因此，本文提出的装置执行用于驱动超声波换能器TR的方法。第一步骤涉及从工作电压Vbat产生升高的电压和借助该电压将第一电容器C1充电至第一电容器电压V_C1，该电压通常相对于工作电压Vbat升高。第二步骤涉及在接收阶段使用第一电容器C1将第二电容器C2充电至第二电容器电压V_C2。第三步骤涉及在传输阶段期间将第二电容器电压V_C2加到第一电容器电压V_C1上以实现升高的驱动电压。第四步骤涉及在传输阶段期间通过第一电容性耦合，特别是通过第三电容器C3，在超声波换能器TR的换能器连接节点KTR处产生PWM调制信号。在这种情况下，在超声波换能器TR的换能器连接节点KTR处的信号的PWM调制是这样实现的：使用在超声波换能器TR的换能器连接节点KTR的信号交替a)传输阶段的第一时间段中升高的驱动电压和b)传输阶段的第二时间段中基准电位GND的第一电容性耦合。因此，第一时间段不同于第二时间段并且不重叠。第一时间段和第二时间段在超声波换能器TR的传输阶段期间交替。

优选地，该方法包括检测换能器连接节点KTR处的信号，特别地在接收阶段期间至少暂时地通过接收电路ES、特别地通过第二电容性耦合、特别地经由第一耦合电容器C_K1并且特别地经由第二耦合电容器C_K2检测，并且根据换能器连接节点KTR处的信号产生接收信号RX，特别地在接收阶段期间至少暂时地通过接收电路ES产生。此外，该方法优选地包括在接收阶段期间至少暂时地抑制超声波换能器TR的换能器连接节点KTR至电压源和/或至第二电容器C2和/或至升高的驱动电压的第一电容性耦合。

综上所述，这里展现的技术指导因此公开了一种用于驱动超声波换能器TR的装置，该装置包括第一装置CP，其用于从工作电压Vbat产生升高的电压并且用于将第一电容器C1充电至第一电容器电压V_C1。因此，第一电容器C1处的第一电容器电压V_C1通常对应于升高的电压。优选地，所提出的装置包括第二装置T2、T3，其用于在接收阶段期间通过第一电容器C1将第二电容器C2充电至第二电容器电压V_C2。此外，优选地，所提出的装置包括第三装置T1，其用于在传输阶段期间将第二电容器电压V_C2加到第一电容器电压V_C1上以实现升高的驱动电压。此外，所提出的装置优选地包括第四装置T4、C3，其用于在传输阶段期间将升高的驱动电压二次电容性耦合至超声波换能器TR的换能器连接节点KTR。最后，所提出的装置优选地包括第五装置T5、C3，其用于在传输阶段期间将基准电位GND二次电容性耦合至超声波换能器TR的换能器连接节点KTR，在传输阶段期间优选地交替通过第四装置T4、C3的耦合和通过第五装置T5、C3的耦合。这导致超声波换能器TR在传输阶段的PWM控制。通常以PWM频率执行PWM控制。

优选地，所提出的装置包括接收电路ES中的一者，接收电路ES在接收阶段期间至少暂时地检测换能器连接节点KTR处的信号，特别地通过第二电容性耦合、特别地经由第一耦合电容器C_K1并且特别地经由第二耦合电容器C_K2检测，接收电路ES在接收阶段期间至少暂时地根据换能器连接节点KTR处的信号产生接收信号RX。在这种情况下，第四装置T4、C3和第五装置T5、C3优选地在接收阶段期间至少暂时地防止超声波换能器TR的换能器连接节点KTR至电压源和/或至第二电容器C2和/或至升高的驱动电压的第一电容性耦合。

优点

至少在一些实现方式中，这样的装置使得通过超声波换能器TR产生升高的声压，从而根据提案的装置的测量范围增大，而不受信号电位(当实现为CMOS电路时，该信号电位相比于基板电位具有更大的负值)的限制。然而，优点不限于此。

本文所公开的提出的装置的其他优点是：

该装置少了一个连接，并且仍然具有准对称输入。

中心电压Vmid的噪声被过滤。在现有技术中，产生低噪声的中心电压Vmid需要大量电能。在本文档下文的说明图5的部分中进一步解释中心电压Vmid的信号。

此处提出的装置能够用于在驾驶员辅助系统领域中用来控制超声波换能器的所有未来的微电子电路。如果超声波传感器不具有变压器，该装置特别适用于超声波换能器的所谓的直接驱动控制。

这里展现的装置能够在超声波换能器TR处产生更大的总电压，从而实现更大的范围。这实际上增大了声压(声压级)，从而增大了测量范围。

附图说明

图1示出了提出的装置的主要部件的示意性简化。

图2与图1相同，但是表示第一状态，即第一电容器C1给第二电容器C2充电的充电状态，用粗箭头绘制了导通转换器T2和导通转换器T3上的位移电流。

图3对应于图1，表示第二状态φ₂，其中第一电容器C1和第二电容器C2在输出节点Vdrv处产生增加的输出电压。

图4对应于图1，表示第三状态φ₁，其中输出节点Vdrv连接至地线GND。

图5示出了用于说明的超声波传感器电子器件的其他部分。

具体实施方式

图1示出了根据本方案的装置的主要部件的示意性简化。电荷泵形式的电压源CP从工作电压线上的工作电压Vbat产生第一电容器电压V_C1。电压源CP通过第一电容器电压V_C1对第一电容器C1充电。

由转换器T1、转换器T2、转换器T3、转换器T4、转换器T5构成的H桥可以在充电阶段期间将第二电容器C2与第一电容器C1并联，从而将第一电容器C1的部分电荷传输至第二电容器C2。优选地，在该充电阶段截止第四转换器T4和第五转换器T5。优选地，充电阶段与接收阶段相同——也称为测量阶段。充电阶段的装置状态对应于这里展现的文档意义上的装置的第一状态。

在装置的第二状态中，H桥可以级联第一电容器C1和第二电容器C2，导致与相对于接地电位线的接地电位GND在第一电容器C1上下降的第一电容器电压V_C1相比，在换能器连接节点KTR处大约是两倍的第一电容器电压V_C1。

在第三状态下，H桥可以通过第五转换器T5将换能器连接节点KTR的电位强制为接地电位线的接地电位GND。

在接收阶段，优选地截止第四转换器T4和第五转换器T5。

在传输阶段，装置以优选的方式以超声波传输频率在第二状态和第三状态之间来回切换。

图2与图1相同，但是表示第一状态，即第一电容器C1给第二电容器C2充电的充电状态，用粗箭头绘制了导通转换器T2和导通转换器T3上的位移电流。

图3对应于图1，其示出了第二状态φ₂，其中第一电容器C1和第二电容器C2在输出节点Vdrv处产生增加的输出电压。粗箭头标记第一转换器T1的导通状态和第四转换器T4的导通状态。在图3的示例中，第二转换器T2、第三转换器T3以及第五转换器T5处于截止状态。

图4对应于图1，示出了其中输出节点Vdrv连接至接地线GND的第三状态φ₁。粗箭头表示第一转换器T1的导通状态和第五转换器T5的导通状态。在图4的示例中，第二转换器T2、第三转换器T3和第四转换器T4处于截止状态。

图5示出了用于说明的超声波传感器电子器件的其他部分。除了输出节点Vdrv、第三电容器C3、外部阻尼电阻器R1和超声波换能器TR外，省略了图1的其他部件以简化图示。读者可以假设图1的这些部件是存在的。这些部件的存在被明确地声明并且被视为共同公开。第一耦合电容器C_k1和第二耦合电容器C_k2将接地节点GND和换能器连接节点KTR的直流电位与它们的交流电压分量解耦。为此，第一耦合电容器C_k1通过其第一端子连接至换能器连接节点KTR。为此，第一耦合电容器C_k1通过其第二端子连接至第一内部节点Kin。在图5的示例中，第一内部节点Kin连接至过电压保护电路OVP。过电压保护电路OVP用于防止换能器连接节点KTR的瞬态过电压信号进入微集成电路IC。即，对于在换能器连接节点KTR上没有瞬态过电压的正常工作，过电压保护电路OVP可以被认为是作为替代的非功能性线桥。这意味着，在这样的正常操作中，第二内部节点Kin2上的信号与第一内部节点Kin上的信号基本相同。接收电路ES的接收路径中的阻尼电阻器R_Dp和接收电路ES的接收路径中的电感L的串联连接根据第二内部节点Kin2上的信号产生中心电压信号Vmid。通常，该电感L不是真正的电感L。相反，微集成电路IC的有源微电子子电路优选地在接收电路ES的接收路径中模拟该电感L。通常，阻尼电阻器R_Dp不是严格意义上的电阻式电阻器。相反，微集成电路IC的有源微电子子电路优选地在接收电路ES的接收路径中模拟该衰减电阻器R_Dp。因此，接收电路ES的接收路径中的电感是在相关操作参数范围内的其小信号行为表现得像电感的子电路。中心电压信号Vmid优选地基本上是其电平的电压值通常在换能器连接节点KTR上的AC电压信号的电压幅值的一半的范围内的DC电压信号。接收电路ES的接收路径中的第二耦合电容器C_k2将中心电压信号Vmid电容性耦合至基准电位线的基准电位GND，这保证了中心电压信号Vmid基本上为DC电压信号。比较器CMP将第二内部节点Kin2上的信号与中心电压信号Vmid进行比较，并且从中产生所接收的信号RX，然后微集成电路IC的其他装置部分对该信号进一步处理。优选地，控制设备μC可以将由微集成电路的这些进一步的装置部分进一步处理的超声波回波信息通过数据总线DB传输至上级系统。

其他

上面的说明并不是完全的，并且本公开不限于所示示例。本领域的普通技术人员可以参照附图、发明内容和权利要求来理解和执行公开示例的其他变形。不定冠词“一个”或“一”及其变形不排除复数，同时提及元件的特定数量并不排除存在更多或更少元件的可能性。单独实体可能完成启示中提到的多个元件的功能，并且反过来，多个元件可以完成一个实体的功能。在不背离本公开的范围的情况下，可以有许多替代、等价物、变形和组合。

除非另有说明，本发明的所有特征可以自由组合。这适用于此处展现的整个文档。仍然，除非另有说明，附图说明中所述的特征可以与其他特征自由组合作为本发明的特征。因此，明确地不限制实施方案的各个特征与实施方案的其他特征组合。此外，装置的客观特征也可以用作重构形式的过程特征，并且过程特征可以用作重构形式的装置的客观特征。因此自动地公开了这种重构。

在前面的详细说明中，参照了附图。说明和附图中的示例应当被认为是解释性的，并且不应当被认为是对所述的具体示例或元件的限制。通过变形、组合或变化某些元件，可以从前述说明和/或附图和/或权利要求中派生出多个示例。此外，本领域技术人员可以从说明和/或附图中派生出未字面说明的示例或元件。

[附图标记列表]

C1:第一电容器

C2:第二电容器

C3:第三电容器

C_K1:接收电路ES的接收路径中的第一耦合电容器

C_K2:接收电路ES的接收路径中的第二耦合电容器

CMP:比较器

CPS:电压源，电压源优选是电荷泵。

DB:数据总线，数据总线例如可以是Lin数据总线或DSI3数据总线或PSI5数据总线或任何其他合适的数据总线。

ES:接收电路

GND:至接地电位的接地电位线

IC:微集成电路

K1:第一节点

K2:第二节点

K3:第三节点

Kmin:接收电路ES的接收路径中的最小内部节点

Kin2:接收电路ES的接收路径中的第二内部节点

KTR:换能器连接节点

L:接收电路ES的接收路径中的电感，微集成电路IC的有源微电子子电路优选地模拟接收电路ES的接收路径中的电感，因此，接收电路ES的接收路径中的电感优选地是其在相关操作参数范围内的小信号行为表现得像电感的子电路。

μC:控制装置，例如，控制装置可以是微控制器或其他功能等效的计算机单元。例如，它可以是ARM控制器。在某些情况下，控制装置也可以是有限状态机或者包括有限状态机。出于这里展现的文档的目的，模数转换器优选地补充控制装置μC。

OVP:过电压保护电路

P1:微集成电路IC的第一连接

P2:微集成电路IC的第二连接

P3:微集成电路IC的第三连接

P4:微集成电路IC的第四连接

P5:微集成电路IC的第五连接

P6:微集成电路IC的第六连接

R1:外部阻尼电阻器

R_dp:接收电路ES的接收路径中的阻尼电阻器

RX:接收信号

T1:第一转换器

T2:第二转换器

T3:第三转换器

T4:第四转换器

T5:第五转换器

TR:超声波换能器

Vbat:工作电压

V_C1:第一电容器C1上的第一电容器电压

V_C2:第二电容器C2上的第二电容器电压

Vdrv:输出节点

Vmid:中心电压信号

Claims (12)

1.一种用于驱动超声波换能器(TR)的装置，

其中，所述装置包括控制装置(μC)、第一转换器(T1)、第二转换器(T2)、第三转换器(T3)、第四转换器(T4)、第五转换器(T5)、电压源(CP)、第一电容器(C1)、第二电容器(C2)、第三电容器(C3)、第一节点(K1)、第二节点(K2)、第三节点(K3)、输出节点(Vdrv)、换能器连接节点(KTR)和第一电阻器(R1)，并且

其中，所述第一转换器(T1)具有第一端子、第二端子和控制端子，

其中，所述第二转换器(T2)具有第一端子、第二端子和控制端子，

其中，所述第三转换器(T3)具有第一端子、第二端子和控制端子，

其中，所述第四转换器(T4)具有第一端子、第二端子和控制端子，

其中，所述第五转换器(T5)具有第一端子、第二端子和控制端子，

其中，所述控制装置(μC)通过相应的控制线和第一转换器(T1)至第五转换器(T5)中相应的一个转换器的相应的控制端子来控制所述相应的一个转换器的转换状态，

其中，所述超声波换能器(TR)通过第一端子连接至所述换能器连接节点(KTR)，

其中，所述超声波换能器(TR)的第二端子连接至接地电位线(GND)，

其中，所述第一电阻器(R1)的第一端子连接至所述换能器连接节点(KTR)，

其中，所述第一电阻器(R1)的第二端子连接至所述接地电位线(GND)，

其中，所述第三电容器(C3)的第一端子连接至所述换能器连接节点(KTR)，

其中，所述第三电容器(C3)的第二端子连接至所述输出节点(Vdrv)，

其中，所述第五转换器(T5)的所述第一端子连接至所述输出节点(Vdrv)，

其中，所述第五转换器(T5)的所述第二端子连接至所述接地电位线(GND)，

其中，所述第四转换器(T4)的所述第二端子连接至所述输出节点(Vdrv)，

其中，所述第四转换器(T4)通过所述第一端子连接至所述第二节点(K2)，

其中，所述第二转换器(T2)的所述第二端子连接至所述第二节点(K2)，

其中，所述第二转换器(T2)通过所述第一端子连接至所述第一节点(K1)，

其中，所述第一转换器(T1)的所述第一端子连接至所述第一节点(K1)，

其中，所述第一转换器(T1)通过所述第二端子连接至所述第三节点(K3)，

其中，所述第三转换器(T3)的所述第一端子连接至所述第三节点(K3)，

其中，所述第三转换器(T3)的所述第二端子连接至所述接地电位线(GND)，

其中，所述第一电容器(C1)的第一端子连接至所述第一节点(K1)，

其中，所述第一电容器(C1)的第二端子连接至所述接地电位线(GND)，

其中，所述第二电容器(C2)的第一端子连接至所述第二节点(K2)，

其中，所述第二电容器(C2)的第二端子连接至所述第三节点(K3)，

其中，所述电压源(CP)至少暂时地连接至所述第一节点(K1)，

其中，所述电压源(CP)至少暂时地使用充电电流对所述第一电容器(C1)进行充电，

其中，所述装置呈现至少三种状态，

其中，在所述三种状态的第一状态中，

-所述第一转换器(T1)截止，

-所述第二转换器(T2)导通，

-所述第三转换器(T3)导通，

其中，在所述三种状态的第二状态中，

-所述第一转换器(T1)导通，

-所述第二转换器(T2)截止，

-所述第三转换器(T3)截止，

-所述第四转换器(T4)导通，

-所述第五转换器(T5)截止，

其中，在所述三种状态的第三状态中，

-所述第四转换器(T4)截止，

-所述第五转换器(T5)导通，

其中，用于发出超声波脉冲的所述装置以传输频率在所述第二状态和所述第三状态之间来回切换，

其中，所述装置在发出超声波脉冲后至少暂时地切换至所述第一状态。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中，在所述三种状态的所述第一状态中，

-所述第四转换器(T4)截止，并且

-所述第五转换器(T5)截止。

3.根据权利要求1或2所述的装置，

其中，在所述三种状态的所述第三状态中，

-所述第二转换器(T2)截止，

-所述第一转换器(T1)导通，并且

-所述第三转换器(T3)截止。

4.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述装置从所述第二状态或从所述第三状态变为所述第一状态以对所述第二电容器(C2)充电。

5.根据权利要求4所述的装置，

其中，所述装置检测所述第二节点(K2)相对于所述第三节点(K3)的电位差，特别是所述第二电容器(C2)的所述第二电容器电压(V_C2)，并且

其中，当检测到的电位差的值低于阈值时，所述装置从所述第二状态或所述第三状态变为所述第一状态以对所述第二电容器(C2)充电。

6.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述第一电容器(C1)的电容值的大小除以所述第二电容器(C2)的电容值的大小所得到的值大于2和/或大于3和/或大于5和/或大于10和/或大于20和/或大于30和/或大于50和/或大于100。

7.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述第二电容器(C2)的电容值的大小除以所述第三电容器(C3)的电容值的大小所得到的值大于5和/或大于10和/或大于20和/或大于30和/或大于50和/或大于100。

8.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述装置包括接收电路(ES)，并且

其中，所述第一状态是接收状态，其中，

-所述第四转换器(T4)截止，

-所述第五转换器(T5)截止，

-所述接收电路(ES)检测所述换能器连接节点(KTR)处的信号，并且

-所述接收电路(ES)根据检测到的所述换能器连接节点(KTR)处的信号生成接收信号(RX)。

9.一种操作超声波换能器(TR)的方法，包括以下步骤：

从工作电压(Vbat)产生升高的电压，并且使用所述升高的电压将第一电容器(C1)充电至第一电容器电压(V_C1)；

在接收阶段使用所述第一电容器(C1)将第二电容器(C2)充电至第二电容器电压(V_C2)；

在传输阶段将所述第二电容器电压(V_C2)加到所述第一电容电压(V_C1)上，以实现升高的驱动电压；

在所述传输阶段，通过第一电容性耦合，特别地通过第三电容器(C3)，在所述超声波换能器(TR)的换能器连接节点(KTR)处产生PWM调制信号；

其中，在所述超声波换能器(TR)的所述换能器连接节点(KTR)处的信号的PWM调制是这样实现的：第一时间段的升高的驱动电压和第二时间段的基准电位(GND)交替地与所述超声波换能器(TR)的所述换能器连接节点(KTR)处的信号第一电容性耦合，

其中，所述第一时间段不同于所述第二时间段并且二者不重叠，并且

其中，所述第一时间段和所述第二时间段在所述超声波换能器(TR)发出声波的所述传输阶段期间交替。

10.根据权利要求9所述的方法，包括以下步骤：

在接收阶段期间至少暂时地，特别地通过第二电容性耦合且特别地通过接收电路(ES)，检测所述换能器连接节点(KTR)处的信号；

在所述接收阶段期间至少暂时地，特别地通过所述接收电路(ES)，根据所述换能器连接节点(KTR)处的信号生成接收信号(RX)；以及

在所述接收阶段期间至少暂时地，中断所述超声波换能器(TR)的所述换能器连接节点(KTR)至电压源和/或至所述第二电容器(C2)和/或至所述升高的驱动电压的所述第一电容性耦合。

11.一种用于驱动超声波换能器(TR)的装置，其包括：

第一装置(CP)，其用于从工作电压(Vbat)产生升高的电压并且将第一电容器(C1)充电至第一电容器电压(V_C1)；

第二装置(T2，T3)，其用于在接收阶段期间通过所述第一电容器(C1)将第二电容器(C2)充电至第二电容器电压(V_C2)；

第三装置(T1)，其用于在传输阶段期间将所述第二电容器电压(V_C2)加到所述第一电容器电压(V_C1)上，以实现升高的驱动电压；

第四装置(T4，C3)，其用于在所述传输阶段期间将所述升高的驱动电压二次电容性耦合至所述超声波换能器(TR)的换能器连接节点(KTR)；

第五装置(T5，C3)，其用于在所述传输阶段期间将基准电位(GND)二次电容性耦合至所述超声波换能器(TR)的所述换能器连接节点(KTR)；

其中，在所述传输阶段期间通过所述第四装置(T4，C3)的耦合和通过所述第五装置(T5，C3)的耦合在时间上交替发生。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，

所述装置包括以下接收电路(ES)中的一者，

-在所述接收阶段期间，特别地通过第二电容性耦合，至少暂时地检测所述换能器连接节点(KTR)处的信号；和

-在所述接收阶段期间，根据所述换能器连接节点(KTR)处的信号，至少暂时地生成接收信号(RX)；并且

其中，在所述接收阶段期间，所述第四装置(T4，C3)和所述第五装置(T5，C3)至少暂时地防止所述超声波换能器(TR)的所述换能器连接节点(KTR)至电压源和/或所述第二电容器(C2)和/或所述升高的驱动电压的第一电容性耦合。