CN117652096A - 驱动器电路系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于驱动换能器的开关驱动器。开关驱动器(202)具有用于接收限定至少一个输入电压的供应电压(VSH、VSL)的供应节点以及输出节点(104)。控制器(205)控制第一开关驱动器的操作，以基于输入信号(Sin)在所述输出节点(104)处生成针对所述换能器的驱动信号。第一电容器(201a)连接在第一与第二电容器节点(104、204a)之间，并且第二电容器(201b)连接在所述第二电容器节点(204a)与第三电容器节点(204b)之间。开关(203)的网络将所述驱动器输出节点、所述第二电容器节点和所述第三电容器节点中的任一者与相应一对所述供应节点中的任一个选择性地连接，其中所述第一电容器节点与第一驱动器输出节点连接。

Description

驱动器电路系统

本公开的代表性实施例的领域涉及有关或关于驱动器电路的方法、装置和/或实施方式，并且具体地涉及如可以用于驱动换能器的开关驱动器电路。

许多电子设备包括换能器驱动器电路系统，用于以合适的驱动信号来驱动换能器，例如用于以音频驱动信号来驱动主机设备或经连接的附件的音频输出换能器。

在一些应用中，驱动器电路可以包括开关驱动器(例如D类放大器等)，用于生成驱动信号来驱动换能器。与线性放大器诸如AB类放大器等相比，开关驱动器可以是相对高能效的，并且因此可以有利地用在一些应用中。开关驱动器通常进行操作以针对输出驱动信号按提供期望电压的占空比使输出节点平均在一个或多个开关周期内在限定的高开关电压和低开关电压之间切换。

在一些应用中，期望换能器驱动器可操作来输出相对高幅度的驱动信号。

例如，在一些应用中，可能需要驱动器可操作来输出音频驱动信号以驱动经连接的附件的音频换能器。存在越来越多的一系列不同音频附件，并且至少一些音频附件装置可以表示相对高的阻抗负载，例如一些头戴式耳机附件可以具有大约数百欧姆的针对DC的负载阻抗。为提供期望的性能来驱动表示相对高的阻抗负载的音频附件，可能期望音频驱动电路系统能够生成相对高功率、大振幅的驱动信号。

另外地或替代性地，由于压电或陶瓷换能器的相对薄的形状因数，此类换能器的使用在一些应用中越来越受到关注。至少一些压电或陶瓷换能器可能需要相对高振幅的驱动信号。

因此，至少一些应用可能需要开关驱动器能够生成可以在相对高的输出电压范围内变化的驱动信号。

为提供此类输出范围，可以相对于输出节点处驱动信号所需的峰值高和低输出电压来设定针对开关驱动器的相关高和低开关电压。可以设定高开关电压使得处于或接近100％(就输出节点与高开关电压连接的时间比例而言)的占空比导致驱动信号具有等于峰值高输出电压的电压，并且可以设定低开关电压使得处于或接近0％的占空比提供峰值低电压。

然而，这可能需要高开关电压与低开关电压之间的差异相对大。当在开关电压之间切换时输出节点处的大电压改变可能导致负载电流中相对大的纹波，这可能是不期望的和/或可能产生不希望的EMI。另外，生成相关开关电压可能需要升高至少一个较低幅度供应电压，并且可能存在与此类升高相关联的功率损失。

一般来说，峰值输出驱动器电压可能仅在一些用例(例如用于驱动某些类型的负载和/或输出相对高振幅驱动信号)中才被需要，并且即使如此，也可能仅对于输出信号波形的一部分而被需要。

本公开的实施例涉及用于开关驱动器的方法和装置，其至少减轻这些问题中的至少一些。

因此，根据第一方面，提供了一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：多个供应节点，用于接收限定至少一个输入电压的供应电压；第一开关驱动器，其具有驱动器输出节点；以及控制器，用于基于输入信号来控制第一开关驱动器的操作以在驱动器输出节点处生成针对换能器的驱动信号。第一开关驱动器包括：电容器节点，用于在使用中与至少第一和第二电容器连接，使得第一电容器连接在第一与第二电容器节点之间并且第二电容器连接在第二电容器节点与第三电容器节点之间；以及开关的网络，用于将驱动器输出节点、第二电容器节点和第三电容器节点中的任一者与相应一对所述供应节点中的任一个选择性地连接，其中第一电容器节点与第一驱动器输出节点连接。

在一些示例中，多个供应节点可以包括第一供应节点和第二供应节点，并且控制器可以可操作来控制开关的网络处于以下中的每一者：第一开关状态，其中第一供应节点与驱动器输出节点耦接，驱动器输出节点与第一电容器节点耦接，并且第二供应节点与第二电容器节点耦接；第二开关状态，其中第二供应节点与驱动器输出节点连接；第三开关状态，其中驱动器输出节点与第一电容器节点耦接，第一供应节点与第二电容器节点耦接，并且第二供应节点与第三电容器节点耦接；以及第四开关状态，其中驱动器输出节点与第一电容器节点耦接，并且第一供应节点与第三电容器节点耦接。

在一些示例中，控制器可以可操作以控制第一开关驱动器处于第一驱动器模式，所述第一驱动器模式在第一开关状态与第二开关状态之间切换。在一些示例中，控制器可以可操作以控制第一开关驱动器处于第二驱动器模式，所述第二驱动器模式在第三开关状态与第一开关之间切换。在一些示例中，控制器可以可操作以控制第一开关驱动器处于第三驱动器模式，所述第三驱动器模式在第四开关状态与第三开关状态之间切换。

在一些实施方式中，开关的网络可以包括：第一开关，用于将驱动器输出节点与第一供应节点选择性地连接；第二开关，用于将驱动器输出节点与第二供应节点选择性地连接；第三开关，用于将第二电容器节点与第一供应节点选择性地连接；第四开关，用于将第二电容器节点与第二供应节点选择性地连接；第五开关，用于将第三电容器节点与第一供应节点选择性地连接；以及第六开关，用于将第三电容器节点与第二供应节点选择性地连接。开关的网络还可以包括第七开关，用于将第一电容器节点与驱动器输出节点选择性地连接。

在一些实施方式中，开关驱动器装置还可以包括第二驱动器输出节点。开关的网络还可以包括：第八开关，用于将第二驱动器输出节点与第一供应节点选择性地连接；第九开关，用于将第二驱动器输出节点与第二供应节点选择性地连接；以及第十开关，用于将第一电容器节点与第二驱动器输出节点选择性地连接。

在一些示例中，开关网络可以被配置成使得驱动器输出节点、第二电容器节点和第三电容器节点中的一者可以与第一对供应节点选择性地连接，并且驱动器输出节点、第二电容器节点和第三电容器节点中的另外可以与第二对供应节点选择性地连接，其中第一对供应节点的供应电压中的至少一个与第二对供应节点的供应电压不同。

在一些示例中，开关的网络的开关中的每一个可以包括NMOS晶体管。NMOS开关中的至少一些可以包括自举电路。

开关的网络可以可操作使得，在使用中，第二和第三电容器节点中的至少一者的电压可以变为负的。在此类示例中，开关网络的连接在第二和第三电容器节点中的一者与第二供应节点之间的至少一个开关可以被配置成防止经由体二极管的传导。

在一些示例中，第一和第二电容器具有彼此相同的电气性质和尺寸。

在一些实施方式中，开关驱动器装置还可以包括：第二开关驱动器，其具有相应的驱动器输出节点。开关驱动器装置可以被配置成在第一和第二开关驱动器的驱动器输出节点之间在桥接式负载配置下驱动换能器。

在一些示例中，控制器可以可操作为：在第一BTL模式下控制第一和第二开关驱动器中的一者的开关的网络处于第一开关状态以及第一和第二开关驱动器中的另一者的开关的网络处于第二开关状态，以跨负载生成幅度等于输入电压的差分电压；在第二BTL模式下控制第一和第二开关驱动器中的一者的开关的网络处于第三开关状态以及第一和第二开关驱动器中的另一者的开关的网络处于第二开关状态，以跨负载生成幅度等于输入电压的两倍的差分电压；并在第三BTL模式下控制第一和第二开关驱动器中的一者的开关的网络处于第四开关状态以及第一和第二开关驱动器中的另一者的开关的网络处于第二开关状态，以跨负载生成幅度等于输入电压的三倍的差分电压。

在一些示例中，控制器可以可操作为选择性地控制第一和第二开关驱动器中的一者以使其相应的输出节点在开关周期的过程内在不同开关电压之间切换，同时第一和第二开关驱动器中的另一者维持恒定电压。

换能器可以为以下中的至少一者：音频输出换能器；触觉输出换能器；压电换能器；以及陶瓷换能器。

根据另一方面，提供了一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：第一和第二供应节点，用于接收限定输入电压的第一和第二供应电压；第一驱动器输出节点，用于输出针对换能器的驱动信号；电容器节点，用于在使用中与多个电容器连接；以及开关的网络，其将所述第一和第二供应节点与所述第一驱动器节点或电容器节点选择性地连接，所述开关的网络可操作使得多个电容器中的每一个可以选择性地连接在第一与第二供应节点之间以被充电至输入电压，并且可操作使得第一供应节点可以与第一驱动器输出节点连接，其中在第一供应节点与第一驱动器输出节点之间的路径中选择性地不存在多个电容器、存在多个电容器中的一个或多个。

开关驱动器装置还可以包括：第二驱动器输出节点，用于在第一与第二驱动器输出节点之间在桥接式负载配置下驱动换能器；以及电容器节点，用于在使用中与第二多个电容器连接；其中开关的网络可操作使得第二多个电容器中的每一个可以选择性地连接在第一与第二供应节点之间以被充电至输入电压，并且可操作使得第一供应节点可以与第二驱动器输出节点连接，其中在第一供应节点与第二驱动器输出节点之间的路径中选择性地不存在第二多个电容器、存在第二多个电容器中的一个或多个。

在另外的方面，提供了一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：第一和第二供应节点，用于接收限定输入电压的第一和第二供应电压；第一开关驱动器，其具有用于输出针对换能器的驱动信号的驱动器输出节点；电容器节点，用于在使用中与第一和第二电容器连接；以及开关的网络，其将所述第一和第二供应节点与所述第一驱动器节点或电容器节点选择性地连接。开关的网络可操作以处于多个开关状态；其中：在多个开关状态中的一个下，第一电容器连接在第一与第二供应节点之间；在多个开关状态中的一个下，第二电容器连接在第一与第二供应节点之间；在多个开关状态中的一个下，第一和第二电容器两者串联连接在第一供应节点与驱动器输出节点之间；在多个开关状态中的一个下，仅一个第一和第二电容器串联连接在第一供应节点与驱动器输出节点之间；并且在多个开关状态中的一个下，第一供应节点与驱动器输出节点连接，其中第一和第二电容器均不串联。

在另外的方面，提供了一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：第一和第二供应节点，用于接收第一和第二供应电压；第一和第二驱动器输出节点，用于在桥接式负载配置下驱动负载；第一和第二电容器节点，用于与电容器连接；以及开关的网络，其被配置成将以下项选择性地连接：第一驱动器输出节点与第一和第二供应电压中的任一者；第二驱动器输出节点与第一和第二供应电压中的任一者；第一电容器节点与第一和第二驱动器输出节点中的任一者；或者第二电容器节点与第一和第二供应电压中的任一者。

在另外的方面，提供了一种开关驱动器，其包括：第一和第二开关支路，每个开关支路包括开关节点以及用于将所述开关支路的开关节点与高侧电压供应源连接的第一开关和用于将所述开关支路的开关节点与低侧电压供应源连接的第二开关；其中第二开关支路的开关节点经由电容器和连接开关与第一开关支路的开关节点连接；并且其中第一开关支路的第一和第二开关分别通过第一和第二NMOS晶体管来实施。

应当注意，除非本文明确地相反指出或以其他方式明显不兼容，否则本文所描述的任何特征可以与任何一个或多个其他所描述的特征组合实施。

为更好地理解本公开的示例，并且为更清楚地示出可以如何实施示例，现在将仅通过示例的方式参考以下附图，在附图中：

图1展示了常规的开关驱动器电路；

图2展示了根据实施例的开关驱动器电路；

图3a至图3d展示了开关驱动器的各种可能开关状态；

图4展示了根据实施例的开关驱动器电路的另一示例；

图5展示了具有不同供应电压的开关驱动器电路的示例；

图6展示了根据另一实施例的开关驱动器电路的示例；

图7展示了具有单个电容器的开关驱动器电路的示例；

图8展示了使用MOS设备实施的开关驱动器；

图9展示了用于MOS设备的常规的体连接；

图10展示了用于MOS开关的体开关布置；

图11展示了使用经串联连接的MOS设备的开关的实施方式；并且

图12展示了使用三个NMOS设备的开关支路的实施方式。

下面的描述阐述根据本公开的示例实施例。另外的示例实施例和实施方式对于本领域普通技术人员来说将显而易见。另外，本领域普通技术人员将认识到，各种等效技术可以代替或结合下面所讨论的顺顺利利来应用，并且所有此类等效技术应被视为由本公开涵盖。

图1展示了用于驱动负载101(例如换能器，诸如音频输出换能器或触觉换能器)的常规开关驱动器电路100的一个示例。

在此示例中，负载101以桥接式负载(BTL)配置连接，并且负载的每一侧与相应的半桥开关驱动器102-1和102-2(其可以共同或单独地称为开关驱动器102)连接，使得负载101由全桥布置驱动。然而，应当理解，在一些实施方式中可以使用单端驱动电路，其中负载的一侧与开关驱动器102连接并且负载的另一侧在使用中与限定的电压诸如地耦接。

每个开关驱动器102包括开关103a和103b，所述开关通常可以包括MOSFET，用于将输出节点104选择性地连接到高侧电压VH或低侧电压VL。在一些示例中，高侧电压VH可以为供应电压并且低侧电压可以为地。在此示例中，高侧电压VH和低侧电压VL限定针对驱动器电路的输入电压Vin＝VH-VL。

开关驱动器102的开关103a和103b通过由控制器105基于输入信号Sin(其例如可以为输入音频信号)生成的开关信号来控制。控制器105可以包括一个或多个调制器(未单独展示)，并且可以被配置成基于输入信号Sin来生成PWM或PDM开关信号，如本领域技术人员将理解的，以控制相应的开关驱动器102a和102b的开关103a和103b的占空比。

在一些示例中，从输出节点104中的至少一个到负载的输出路径可以包括一个或多个无源部件，例如以提供某种滤波。图1展示了例如从开关驱动器102-1到负载101的输出路径包括串联电感器106，所述串联电感器可以被包括以抑制输出电压的开关纹波并针对处于和高于开关频率的FET开关103a和103b在输出节点104处呈现高阻抗，同时允许电流以目标信号频带(例如以音频频率)流动到负载101。

在使用中，控制器105控制开关驱动器102-1和102-2的开关，以便跨负载101施加差分驱动电压，所述差分驱动电压平均在一个或多个开关周期内具有基于输入信号Sin的值。控制器105可以控制开关驱动器102来采用各种开关状态。

在第一开关状态下，第一开关驱动器102-1的输出节点104可以与高侧电压VH连接，并且第二开关驱动器102-2的输出节点104可以与低侧电压VL连接。这导致跨负载而施加电压+Vin＝VH-VL(对于此示例，将正极性限定为输出级102-1的输出处的电压比输出级102-2的输出处的电压更正)。

在第二开关状态下，第一开关驱动器102-1的输出节点104可以与低侧电压VL连接，同时第二开关驱动器102-2的输出节点104与高侧电压VH连接，以跨负载施加电压-Vin＝VL-VH。

在一些实施方式中，控制器105可以控制开关驱动器102-1和102-2以仅在这两个开关状态之间交替。在一些实施方式中，控制器105另外可以控制开关驱动器102-1和102-2以提供至少一个状态，在所述状态下，在负载的两侧均与相同的电压连接，以便跨负载施加差分电压0V。负载的两侧可以与低侧电压VL连接以提供0V(L)状态，或者负载的两侧可以与高侧电压VH连接以提供0V(H)状态。

在任何情况下，控制器105以受控制的占空比来控制开关驱动器102-1和102-2的开关的切换，使得跨负载的差分驱动电压平均在一个或多个开关周期内等于基于输入信号Sin的期望驱动电压。

差分驱动信号因此可以在+Vin至-Vin的范围内变化，并且高侧和低侧开关电压VH和VL因此应当相对于使用中所期望的最大幅度驱动信号(例如最大振幅下的期望峰值输出电压幅度)来设定。因此，为了提供最大幅度驱动信号Vmax，输入电压Vin应至少等于或者实际上大于Vmax。

在一些应用中，输出电压的期望最大幅度可以相对较高，例如为数个电压或数十伏的量级，这因此要求输入电压Vin(由VH-VL限定)对应较高。当输出节点104在VH与VL之间切换时，输出节点处的电压的这种大的改变可能导致高负载电流纹波并且可能导致相对大量的EMI。应当理解，对于图1所展示的常规开关驱动器，即使当驱动信号的幅度相对较低时，输出节点也会在这些开关电压VH和VL之间切换，并且生成相对较高的开关电压并在其间进行切换可能具有相关联的功率损失。

本公开的实施例提供了用于开关驱动器电路的装置和方法，其中可以在使用中可控地改变输出节点可以在其间切换的开关电压，也就是说，输出节点可以在多于仅两个限定的开关电压之间切换。根据实施例的开关驱动器可以可操作，使得驱动器输出节点可以在彼此相差小于开关驱动器的全输出范围的量的开关电压之间切换，并控制使用中的开关电压以提供全输出范围。也就是说，开关驱动器可以可操作以在第一组开关电压之间切换，以提供第一范围(其仅为开关驱动器的全输出范围的一小部分)内的输出驱动电压，并当需要时，用一组不同的开关电压进行操作以提供第二不同范围内的输出电压。

图2展示了根据实施例的开关驱动器电路200的一个示例，其中与参考图1所讨论的类似的部件由相同的附图标记来标识。图2展示了开关驱动器电路具有用于接收高侧和低侧供应电压的输入端，所述高侧和低侧供应电压在此示例中为VSH和VSL，限定输入电压Vin。图2的开关驱动器电路200还包括第一和第二开关驱动器202-1和202-1(其可以单独或共同地称为开关驱动器202)，所述第一和第二开关驱动器各自具有相应的输出节点104，其中第一和第二开关驱动器201-1和201-2被配置成在相应的输出节点之间在桥接式负载配置下驱动负载101。

每个开关驱动器包括多个电容器201(在此示例中，第一电容器201a和第二电容器201b)以及开关203的网络(在此示例中，六个开关203a-f)。

开关驱动器202被配置成使得电容器201a和201b中的每一个可以被充电至可以方便地为输入电压Vin的电压，并且然后与输出节点104选择性地连接以在输出节点处提供升高的电压。在图2的示例中，第一和第二电容器彼此串联连接并与输出节点104连接。因此，第一电容器连接在第一与第二电容器节点之间，所述第一和第二电容器节点在这种情况下为输出节点104和节点204a。第二电容器连接在第二与第三电容器节点之间，所述第二和第三电容器节点在这种情况下分别为节点204a和204b。如本领域技术人员将理解的，开关驱动器202中的至少一些可以被实施为集成电路，并且在一些实施方式中，电容器201可以被实施为集成电路的一部分。然而，在一些实施方式中，集成电容器201可能是不实际或不期望的，并且因此电容器可以被形成为外部或“片外”部件并经由合适的端子连接。

电容器201a和201b可以具有彼此相同的电气性质，例如可以具有相同的电容值，并且可以方便地具有相同的物理尺寸，例如当被实施为片外部件时，电容器可以具有相同的封装大小，这可以实施简单的布局设计。

在图2的示例中，开关203的网络可操作使得输出节点104(其在此示例中也为第一电容器节点)、第二电容器节点204a和第三电容器节点204b中的任一者可以与第一或第二供应节点中的任一者选择性地连接。图2所展示的开关驱动器包括六个开关，其包括：第一开关203a和第二开关203b，用于将输出/第一电容器节点104与高侧供应源VSH或低侧供应源VSL选择性地连接；第三开关203c和第四开关203d，用于将第二电容器节点204a与高侧供应源VSH或低侧供应源VSL选择性地连接；以及第五开关203e和第六开关203f，用于将第三电容器节点与高侧供应源VSH或低侧供应源VSL选择性地连接。

在使用中，可以控制开关驱动器201以在至少四个不同的开关状态之间切换，如图3a-图3d所展示。

在图3a所展示的第一开关状态下，开关203a闭合以将输出/第一电容器节点104与高侧供应源VSH连接。此外，开关203d闭合以将第二电容器节点与低侧供应源VSL连接。其余开关断开。这导致输出节点104被驱动至高侧供应电压源VSH，并且还将第一电容器连接在供应电压之间，以便将此电容器充电(或再充电)至输入电压Vin(＝VH-VL)。

在图3b所展示的第二开关状态下，开关203b闭合以将输出节点104与低侧供应源VLS连接，并且其余开关断开。这导致输出节点104被驱动至低侧供应电压源VSL，并且还将第一电容器连接在供应电压之间，以便将此电容器充电(或再充电)至输入电压Vin(＝VH-VL)。

在图3c所展示的第三开关状态下，开关203c闭合以将第二电容器节点204a与高侧供应源VSH连接。此外，开关203f闭合以将第三电容器节点与低侧供应源VSL连接。其余开关断开。这导致经充电的第一电容器连接在高侧供应源VSH与输出节点104之间，并且因此将输出节点104处的电压升高至VHS+Vin。此状态还将第二电容器连接在供应电压之间，以便将此第二电容器充电(或再充电)至输入电压Vin(＝VH-VL)。

在图3a所展示的第四开关状态下，开关203e闭合以将第三电容器节点204b与高侧供应源VSH连接，并且其余开关断开。这导致经充电的第一和第二电容器串联连接在高侧供应源VSH与输出节点104之间，以将输出节点104处的电压升高至VHS+2Vin。

输出节点104可以因此在此示例中在四个不同的开关电压(在这种情况下供应电压VSH或VSL、或者高侧供应电压源VSH由输入电压Vin升高或由两倍输入电压升高)之间选择性地切换。如果低侧供应电压为地，使得高侧供应电压等于Vin，则各个开关电压因此等于0V、Vin、2Vin和3Vin。

应当理解，图3a至图3d所展示的开关状态使电容器202a和202b充电，使得连接在输出节点的一侧上的板为正，并且然后选择性地连接这些电容器以提供高侧供应电压的正升高。替代性地可以使电容器201a和201b充电至相反极性，并且然后选择性地连接电容器以提供低侧供应电压的负升高。例如，在一个状态下在其他开关断开的情况下一起闭合开关203b和203c会将输出节点104驱动至低侧供应电压，同时使第一电容器充电至输入电压，但其中负极板在输出节点的该侧上。在另一状态下，闭合开关203d和203e会将输出节点驱动至VSL-Vin，同时使第二电容器201b充电。因此，在输入供应电压为Vin和0V的情况下，开关驱动器可以替代性地在四个开关状态下操作，以提供电压Vin、0V、-Vin和-2Vin。

在使用中可以在正升高和负升高之间选择性地交换，但是在从正升高改变为负升高时，电容器将需要在被再充电至相反极性之前放电，这通常是低效且不期望的。因此，一般来说，在大多数应用中，可以操作开关驱动器以仅提供正升高或负升高。本公开将一般性地描述正升高，但是应当理解，相同的原理也适用于负升高。

返回参考图2，控制器205被配置成控制开关驱动器中的每一个的操作以基于输入信号来在驱动器输出节点处生成针对换能器的驱动信号。

对于图2的BTL布置，开关驱动器202-1和202-2中的每一个可以在参考图3a至图3d所描述的四个开关状态下选择性地操作。因此，在低侧开关电压为0V的情况下，输出节点104可以在四个不同的可能的开关电压(例如0V、Vin、2Vin和3Vin)之间切换这可以跨负载提供七个不同的瞬时差分电压。下面的表1列出了可以实现的各种差分电压的一个示例，其中Vdiff为跨负载的差分电压，Vx1和Vx2分别为第一开关驱动器202-1和第二开关驱动器202-2的输出节点处的电压，并且St1和St2指示第一开关驱动器202-1和第二开关驱动器202-2的开关状态。

Vdiff	Vx1	Vx2	St1	St2
					+3Vin	3Vin	0	3d	3b
+2Vin	2Vin	0	3c	3b
					+Vin	Vin	0	3a	3b
0(低)	0	0	3b	3b
					0(高)	Vin	Vin	3a	3a
-Vin	0	Vin	3b	3a
					-2Vin	0	2Vin	3b	3c
-3Vin	0	3Vin	3b	3d

表1

这可以被视为至少提供：第一BTL模式，其中跨负载生成等于输入电压Vin的差分电压幅度；第二BTL模式，其中跨负载生成等于Vin的两倍的差分电压幅度；以及第三BTL模式，其中跨负载生成等于输入电压Vin的三倍的差分电压幅度(以及可能地至少一个BTL模式，其中跨负载生成零差分电压)。

控制器205被配置成控制第一开关驱动器202-1和第二开关驱动器202-2的切换以按占空比在这些不同的开关配置之间切换，导致跨负载(平均在一个或多个开关周期内)的期望的差分电压。

应当理解，这些差分电压中的至少一些可以另外地或替代性地通过开关状态的其他组合来实现。举例来说，差分电压Vdiff＝+2Vin可以替代性地通过Vx1＝3Vin(St1＝3d)和Vx2＝Vin(St2＝3a)来实现，并且差分电压Vdiff＝+Vin可以替代性地通过Vx1＝3Vin(St1＝3d)和Vx2＝2Vin(St2＝3c)或者通过Vx1＝2Vin(St1＝3c)和Vx2＝Vin(St2＝3c)来实现

在使用中，每个单独的开关驱动器的输出节点104可以在可能的开关电压中的所选择的开关电压之间切换。举例来说，在第一驱动器模式下，开关驱动器可以在图3a和图3b所展示的开关状态之间切换，以使输出节点104在高侧供应电压VSH和低侧供应电压VSL之间切换。在此模式下，输出节点104处的电压(平均在一个或多个开关周期的过程中)因此可以被控制在VSL至VSH的范围内。在第二驱动器模式下，开关驱动器可以在图3a和图3c所展示的开关状态之间切换，以在高侧供应电压VSH与升高的电压VSH+Vin之间切换。在此模式下，输出节点104处的电压(平均在一个或多个开关周期的过程中)因此可以被控制在VSH至VSH+Vin的范围内。在第三驱动器模式下，开关驱动器可以在图3c和图3d所展示的开关状态之间切换，以在升高的电压VSH+Vin与升高的电压VSH+2Vin之间切换。在此模式下，输出节点104处的电压(平均在一个或多个开关周期的过程中)因此可以被控制在VSH+Vin至VSH+2Vin的范围内。

这些不同的驱动器操作模式有效地提供用于开关驱动器的输出端处的驱动信号的不同的输出电压范围，其中每个模式对应于作为全输出范围的一小部分的输出电压范围。在不同驱动器模式下操作并基于输入信号来在不同驱动器模式之间交换可以允许提供相对大的输出电压范围，但不需要输出节点在相差很大的量的两个开关电压之间不断地切换。这可以有利于减少开关电流纹波和EMI。

对于单端驱动器电路，在开关驱动器202被布置成仅驱动负载的一侧的情况下，控制器205可以控制开关驱动器以基于输入信号来在这些驱动器操作模式之间选择性地变化，以便选择具有用于所需驱动信号的适当输出范围的相关驱动器模式。

对于BTL驱动器电路，诸如图2所展示，存在控制器205可以控制第一开关驱动器202-1和第二开关驱动器202-2的切换以生成期望驱动信号的各种方式。

在一些实施方式中，负载的两侧上的开关驱动器202-1和202-1可以在开关周期的过程中在相应的开关电压之间切换，并且控制相关的开关电压和占空比以提供期望驱动信号。有利地，可以选择性地控制每个开关驱动器以在上面所描述的第一至第三模式中的一者下操作，并基于输入信号Sin来根据需要改变操作模式。以此方式进行操作限制开关周期的过程中相关输出节点处的电压变化，因为每个开关驱动器的输出节点在彼此相差等于输入电压的量的开关电压之间切换。

举例来说，对于上面所描述的示例，在低侧供应电压VSL为地并且高侧供应电压VSH等于Vin的情况下，对于幅度小于Vin的驱动信号来说，开关驱动器202-1和202-1两者均可以被控制处于第一模式以便以适当的占空比在开关电压Vin和0V之间(即，在图3a和3b的开关状态之间)切换。

如果所需驱动信号的信号电平增大，则控制器可以控制开关驱动器中的一个(例如，对于正驱动信号，驱动器202-1)以转变到第二模式，以便在2Vin与Vin之间切换，其中占空比存在对应的减小。另一个开关驱动器(例如202-2)可以继续在第一模式下操作并因此在Vin与0V之间切换，但具有适当的占空比变化，以在转变点处维持跨负载的期望差分电压。如果所需驱动信号的幅度进一步增大，相关的开关驱动器(例如，对于正驱动信号，驱动器202-1)可以转变到第三模式并在3Vin与2Vin之间切换，而另一个开关驱动器仍然在第一模式下操作。如果驱动信号的幅度减小，则开关驱动器202-1可以视情况后向转变以在第二模式下以及然后在第一模式下操作。对于较高幅度负驱动信号，可以控制开关驱动器202-2以视情况在第二或第三模式下操作，而开关驱动器202-1在第一模式下操作。

然而，在一些实施例中，控制器205可以被配置成使得对于至少一些输出信号幅度，开关驱动器202-1和202-2中的仅一个是活动的，以在不同的开关电压之间切换，而另一个开关驱动器用于在开关周期的过程中维持恒定电压。举例来说，为了产生正驱动电压，开关驱动器202-1可以视情况操作在第一模式(在VSH与VSL之间切换)、第二模式(在VSH+Vin与VSH之间切换)或第三模式(在VSH+2Vin与VSH+Vin之间切换)下，同时开关驱动器202-2的输出维持恒定电压，所述恒定电压可以方便地为低侧供应源VSL(但是如果需要的话可以使用某一其他电压)。对于负电压，开关驱动器202-1可以改为维持在恒定电压，并且开关驱动器202-2可以在第一、第二或第三模式中的适当的一者下操作。

控制器205因此可以可操作来控制开关驱动器202-1和202-2，以便通过每次向负载的仅一侧施加具有受控制的占空比的调制来生成差分驱动信号，并基于输入信号来可控地改变调制负载的哪一侧，以便为差分驱动信号提供全输出范围。

图2的开关驱动器各自包括：第一电容器201a和第二电容器201b，其中的每一者均可以被充电至输入电压Vin；开关网络，使得可以选择单独的第一电容器或者串联的第一电容器和第二电容器以与输出节点连接，以便提供升高的电压。应当理解，其他实施例可以用更多数量的电容器来实施，以允许额外的电压升高，并因此实现输出节点处更多不同的可能的开关电压。

举例来说，图4展示了开关驱动器202的示例实施例，其具有四个电容器，因此与图2的实施例相比具有附加的电容器201c和201d。图4的实施例还包括附加的开关203g至203j。

附加的电容器201c和201d中的每个还可以选择性地充电至输入电压Vin，并且然后与输出节点104选择性地连接以提供电压升高。举例来说，在开关203e闭合以将第一和第二电容器与输出节点104连接以提供输出电压VSH+2Vin的状态下，开关203h可以闭合以使第三电容器201c充电。在另一状态下，开关203g可以闭合，使得输出节点处的电压被驱动至VSH+3Vin，同时开关203j也闭合以便使第四电容器201d充电。在另外的状态下，开关203i可以闭合以将输出节点104处的电压驱动至VSH+4Vin。

此实施例因此可以使输出节点104在五个不同的可能的开关电压之间切换。如果低侧供应电压为地，因此VSH＝Vin，则图4的开关驱动器202可以提供Vin、2Vin、3Vin、4Vin或5Vin中的任一者的瞬时输出电压。如果图4的开关驱动器202用在BTL布置中，诸如图2所展示，则差分电压Vdiff可以为+5Vin、+4Vin、+3Vin、+2Vin、+Vin、0V、-Vin、-2Vin、-3Vin、-4Vin或-5Vin中的任一者。

在图2和图4的示例中，每个开关驱动器202可以被视为具有多个开关支路或分支(每个开关分支包括连接在高侧供应源与低侧供应源之间的一对开关)，并具有中点节点，其可以称为开关节点，作为所述开关分支的输出端。因此，开关203a和203b形成第一开关分支，类似于常规半桥输出级。每个后续开关分支的开关节点通过电容器与前一开关分支的开关节点连接。开关支路或分支的一对开关与将其与前一开关支路或分支连接的电容器的组合401可以被视为选择性升高级，并且因此开关驱动器可以包括第一开关分支或半桥输出级和多个选择性升高级401。选择性升高级401的数量可以针对特定应用来选择，例如基于可用供应电压、所需最大输出电压和/或不同开关电压的期望数量。

在图2和图4的示例中，开关驱动器的开关支路或分支中的每一者均连接在相同的供应电压之间，即在高侧供应电压VSH和低侧供应电压VSL之间。然而，在一些实施方式中，开关支路中的一个或多个可以与不同于其他开关支路中的一个或多个的高侧电压和/或低侧电压连接。

图5展示了包括多个开关支路的开关驱动器202的示例，并且示出了每个开关支路的开关(例如第一开关支路的开关203a和203b)连接在相应的一对供应节点之间以接收高侧和低侧电压，即针对第一开关支路的VH1和VL1、针对第二开关支路的VH2和VL2以及针对第三开关支路的VH3和VL3。图5仅展示了三个开关支路，但原理适用于具有更多开关支路的开关驱动器，如参考图4所讨论。

对于不同的开关支路，高侧或低侧供应电压中的至少一些可以是不同的，尽管支路中的一些可以接收与由另一开关支路接收的电压相同的至少一个电压，例如，针对开关支路中的每一个的低侧电压可以为地(即VL1＝VL2＝VL3＝0V)，但是对于开关支路中的至少一些，高侧电压可以是不同的。

图5的开关驱动器通常可以按与上面所描述的类似的方式操作，即，使得每个电容器201a至201c可以由相关的供应电压充电并且然后选择性地串联连接以提供电压升高。

举例来说，在一个状态下，开关203a和203d可以闭合(同时其他开关断开)以将输出节点104与供应电压VH1连接，并同时将电容器204a充电至等于VH1-VL2的电压。在另一状态下，开关203c和203f可以闭合(同时其他开关断开)以经由经充电的电容器201a将供应电压VH2与输出节点104连接，以将输出节点104处的电压升高至VH2+(VH1-VL2)，同时使电容器201b充电至等于VH2-VL3的电压。在另外的状态下，开关203e和203h可以闭合(同时剩余开关断开)以经由串联的电容器201a和201b将输出节点与供应电压VH3连接，使得输出节点电压被升高至VH3+(VH2-VL3)+(VH1-VL2)。

对开关支路或分支中的至少一些使用不同的供应电压意味着可以提供给输出节点104的不同开关电压可以彼此相差不同的量。这可以实现不同操作模式下的开关电压的差异之间的期望平衡，同时还实现足够的总体输出电压范围。

对不同的开关支路使用不同的供应电压确实需要不同的供应电压可用，但是在至少一些实施方式中，在任何情况下多个不同的供应电压对于其他电路系统均可以是可用的，并且因此可以不存在与这些电压的生成相关联的开销。

在一些情况下，针对一个或多个开关支路的电压供应源可以在使用中选择性地变化，例如，针对给定的开关支路的高侧供应源可以与两个或更多个可能的供应电压中的任一个选择性连接。

如上面所讨论，根据本公开的实施例的开关驱动器可以被实施为以单端配置驱动负载(其中负载的另一侧维持在DC电压)，或者可以被实施为以BTL配置以差分电压驱动负载。

在一些BTL示例中，开关驱动器电路可以包括开关的网络，其被配置成使得相同的电容器可以选择性地充电并与第一驱动器输出节点或第二驱动器输出节点中的任一者连接以提供针对所述驱动器输出节点的开关电压。

图6展示了根据实施例的开关驱动器电路600的一个示例。图6展示了作为具有开关203a1和203b1的第一开关支路401-1的一部分的第一驱动器输出节点104-1以及作为具有开关203a2和203b2的第二开关支路401-1的一部分的第二驱动器输出节点104-2。

开关驱动器电路还包括按与上面所描述的类似的方式形成两个附加开关支路的开关203c至203f，但是在此示例中，电容器201a连接在第一电容器节点601与第二电容器节点204a之间，并且所述电路包括开关602-1和602-2，用于将第一电容器节点601与第一驱动器输出节点104-1或第二驱动器输出节点104-2中的任一者选择性地连接。以此方式，电容器201a和201b与开关203c至203f一起有效地提供可变电压级603，其可以用于向所选择的驱动器输出节点104-1或104-2提供选择性可变的电压。

对于正驱动信号，可以闭合开关602-1，同时闭合开关602-2，以便将第一电容器节点601与第一驱动器输出节点104-1连接。然后可以按与参考图2和3所讨论的相同的方式控制开关203a1、203b1和203c至203f，以便在不同的开关电压之间切换以生成期望驱动信号。在这种情况下，开关支路401-2的开关203a2和203b2可以用合适的占空比来控制或者可以被切换以在开关周期的过程中提供维持恒定电压，例如VSL。

对于负差分驱动电压，可以断开开关602-1并闭合开关602-2，然后可以按与参考图2和3所讨论的相同的方式控制203a2、203b2和203c至203f。举例来说，在开关203a2闭合的情况下，为了将第二输出节点104-2驱动至高侧供应电压VSH，可以闭合开关203d以将电容器201a(再)充电至输入电压。在开关203c和203f闭合的情况下，第二驱动器输出节点被驱动至VSH+Vin，同时使电容器204b充电，并且在开关203e闭合的情况下，第二驱动器输出节点被驱动至VSH+2Vin。

应当注意，图6展示了可变升高级的开关支路接收与彼此以及与开关支路401-1和401-2相同的电压供应源，但是在一些示例中，针对至少一些开关支路的供应源可以彼此不同。

可以用于向BTL开关驱动器的任一侧上的输出节点选择性地提供受控制的开关电压的可变电压电容器级的原理表示本公开的另一方面，其可用任意数量的电容器来实施。在一些示例中，可以存在附加开关支路与相关联的电容器(诸如关于图4所讨论的)，但是，在一些实施例中，可以存在如图7中所展示的单个电容器。

图7展示了开关驱动器电路700，其类似于参考图6所讨论的开关驱动器电路，但是其中可变电压级603包括一个开关支路或分支与相关联的电容器。在此示例中，可变升高级603可以与第一开关支路401-1或第二开关支路401-2选择性地操作，以为相关的输出节点提供不同的开关电压。举例来说，为了在第一输出节点104-1处提供开关电压，可以闭合开关203a1以提供输出VSH，并且可以闭合开关203b1以提供输出VSH。在这些状态中的一个下，电容器可以连接在高供应电压VSH与低供应电压VSL之间以被充电至输入电压Vin。可以使电容器充电，使得通过当开关203a1闭合时闭合开关203d和602-1来使与节点601连接的板为正，或者通过当开关203b1闭合时闭合开关203c和602-1来使所述板为负。如果使电容器充电使得与节点601连接的板为正，则可以通过闭合开关203c和602-1连接电容器以将第一驱动器输出节点104-1处的电压升高至VSH+Vin。相反，如果与节点601连接的板为负，则可以通过闭合开关203d和602-1连接电容器以将第一驱动器输出节点104-1处的电压升高至VSL-Vin。可以使用开关203a2和203b2以及602-2将相同的操作应用于第二驱动器输出节点104-2。

在驱动器输出节点处的电压可以在VSL、VSH和VSH+Vin之间选择性地变化的情况下，负载的一侧可以保持在低侧供应电压VSL，同时负载的另一侧在VSL、VSH和VSH+Vin之间选择性地切换以提供差分电压0V或一个极性的幅度Vin或2Vin，且对于另一极性来说反之亦然。替代性地，在驱动器输出节点处的电压可以在VSL、VSH和VSL-Vin之间选择性地变化的情况下，负载的一侧可以保持在高侧供应电压VSH，同时负载的另一侧在VSL、VSH和VSL-Vin之间选择性地切换以提供差分电压0V或一个极性的幅度Vin或2Vin，且对于另一极性来说反之亦然(但是在这种情况下，对于正电压，它将为正输出节点，其保持在供应电压VSH，同时另一个驱动器输出节点处的电压发生变化)。因此，此开关驱动器可操作以使用仅一个电容器来生成差分电压+2Vin、+Vin、0V、-Vin或-2Vin中的任一者。

在任何实施例中，开关的网络的开关可以由MOS开关来实施。在至少一些实施例中，开关中的每一个可以包括一个或多个NMOS设备。在至少一些实施方式中，NMOS设备中的至少一些可以包括自举电路，如本领域技术人员将理解的。使用自举式NMOS设备在电力消耗方面可具有优势。此外，NMOS设备可以在比对应的PMOS设备更小的电路面积中实施。通常，NMOS晶体管可以占据比对应的PMOS晶体管小约2.5倍的面积。一般来说，从集成电路的大小和成本来说，期望较小的电路面积。因此，仅使用或主要使用NMOS设备(而非PMOS设备)来实施开关的网络在功率和/或面积方面可能具有优势。具有用于选择性地升高开关电压的开关网络的开关驱动器的实施方式(其中开关网络完全或主要使用NMOS设备来实施)表示本公开的新颖方面。然而，在一些应用中，至少一些PMOS设备可以用于开关中的一个或多个。

当开关网络使用NMOS设备来实施时，开关网络可以被配置成避免在至少一些开关状态下经由NMOS设备中的一些的体二极管的不希望的传导。

图8展示了相对于图2描述的开关驱动器202的结构的示例，将开关203a至203f中的每一个展示为单个NMOS设备。图8还展示了，如本领域技术人员将理解的，每个NMOS设备将具有相关联的体二极管。对于此示例，设备在上面所描述的各种状态下的操作可能导致经由NMOS设备的体二极管的不希望的传导。

考虑高侧供应电压为正供应电压Vin，并且低侧供应电压VSL为地。在图3a所展示的开关状态(其中开关203a和203d导通(闭合))下，第二电容器节点204b将被驱动至地。如果第二电容器例如因开关状态3c下的先前操作而被充电，则第二电容器201b上的电压将使第三电容器节点204b处的电压被驱动至低于地，例如至-Vin。因此，第三电容器节点203f处的电压低于低侧电压，这可以正向偏置开关203f的体二极管801，这可以使此二极管有效地导通和传导，这将导致不希望的操作和过量的电力消耗。同样地，在图3b所展示的开关状态(其中开关203b导通(闭合))下，输出节点104将被驱动至地，并且第一电容器201a和第二电容器201b上的电压将使第二电容器节点204a和第三电容器节点204处的电压被驱动至低于地，例如分别至-Vin和-2Vin。这可以使开关203d和203f的体二极管801有效地导通和传导。

类似的问题可能出现在以下状态下：图3c所展示的状态，其中输出节点被驱动到电压+2Vin，所述电压大于高侧供应电压VSH，这可以正向偏置开关203a的体二极管；或者图3d所展示的开关状态，其中第二电容器节点204a和输出节点/第一电容器节点104处的电压分别为+Vin和+2vin，并且因此大于高侧供应源，这可能正向偏置开关203c和203a的体二极管。

在一些实施例中，为了防止经由体二极管的此类不希望的传导，可以用体(bulk)端子的可控切换来实施相关的NMOS设备。如本领域技术人员将理解的，MOS设备通常可以用与源极端子附接的体或体端子来实施，诸如图9所展示。图6还展示了实际上在体端子与漏极和源极之间可以存在两个体二极管801和901。在一些实施例中，体端子可以改为可控地切换。

图10展示了用于实施为开关203中的一个(例如开关203d或开关203f)的NMOS设备的合适的体切换布置的一个示例。NMOS开关203的体端子可以通过开关1001a和1001b与源极端子或者在这种情况下与连接至电容器节点204的漏极端子选择性地耦接。开关1001a和1001b可以通过小型MOS设备来实施。

在使用中，在节点204处的电压将处于或高于低侧供应电压VSL的状态下，体端子可以切换至低侧供应电压，例如如常规那样与源极端子连接。体二极管801保持反向偏置并且跨体二极管901没有电压差异。在电容器节点204处的电压可以被驱动至低于低侧供应电压VSL(例如，低于地存储在电容器201上的电压)的任何开关状态下，NMOS开关的体可以改为切换成与节点204连接。这导致跨体二极管801没有电压差异并且防止不希望的传导。在这种情况下，体二极管901被反向偏置。

可以针对开关203a或203c实施类似的布置，其中体在电容器节点处的电压等于高侧供应源或比其更负时被切换至与所述节点连接的源极端子，但在电容器节点处的电压比高侧供应电压VSH更正时与高侧电压连接。

然而，对于一些NMOS设备，体切换可能并不是期望的。举例来说，对于一些漏极工程化设备，诸如LDMOS设备，可能期望避免体切换以避免反向偏置效应。作为体切换的替代，相关开关可以改为通过两个背靠背串联连接的NMOS设备来实施，如图11所展示。图11展示了开关203，例如开关203d或开关203f，可以通过串联的两个MOS设备来实施。设备背靠背地布置，以便两个设备的(体-漏极)体二极管有效地彼此相对。以此方式，如果节点204处的电压以将导致体二极管中的一个传导的方式下降至低于低侧供应电压VSL，则另一个体二极管将被反向偏置并因此阻止传导。需注意，图8展示了背靠背布置，其中设备的源极在连接的内部耦接在一起，但替代性地可以经由漏极来耦接设备，尽管对于正确操作，这需要单独的栅极驱动信号。使用这些配置中的哪一种可以基于设备的相关应用和特性来选择。

在一些实施例中，开关支路或分支401可以用用于开关支路的开关的NMOS设备来实施，其中至少一个附加晶体管耦接在中点开关节点与耦接到另一开关支路的节点之间。图12展示了开关支路401的示例，其包括分别连接在高侧供应电压VSH和低侧供应电压VSL与中点开关节点N1之间的NMOS晶体管1201和1202。开关节点N1经由附加NMOS晶体管1203与节点N2连接，并且节点N2将与针对所述支路的相关电容器节点耦接。附加晶体管1203被布置成当节点N2处的电压超过供应电压中的一个时防止不希望的传导。在图12的示例中，附加晶体管1203被布置成在节点N2处的电压比低侧供应源VSL更负的情况下防止传导。当在图3a至图3d所展示的开关状态下可操作时，此类开关支路可以用于提供图2的驱动器的开关203e和203f，并且因此节点N2可以与第二电容器节点204b连接。

在使用中，为了提供图3c和图3d的开关状态，晶体管1202或1201中的一个将与附加晶体管1203一起导通，以分别将节点N1和N2驱动至低侧供应电压VSL或高侧电压VSH。在任一情况下，晶体管1201和1202中的另一个的体二极管将被反向偏置。

对于3a和3b的开关状态，所有晶体管1201、1202和1202可以关断。在这些状态下，节点N2处的电压可以比低侧供应电压VSL更负，如先前所描述，但是在这种情况下，由于附加晶体管1203的体二极管被反向偏置，因此无法经由晶体管1202和1203从低侧供应源传导至节点N2。

图12展示了允许节点N2处的电压等于高侧供应电压VSH、低侧供应电压VSL或者比低侧供应电压VSL更负的开关支路，这对于图3a至图3d中所描述的开关状态来说是第二电容器节点204b的情况。应当理解，如果相反，节点N2处的电压不会比低侧电压更负但可以比高侧电压更正，则可以反转附加晶体管1203的连接。举例来说，对于图3a至图3d所展示的开关状态，输出节点104处的电压可以切换至VSL、VSH或比VSH更正的电压。因此，提供开关203a和203b的开关支路可以通过类似于图12所展示的布置来实施，其中节点N2为第一电容器节点/驱动器输出节点104，但其中附加晶体管1203为反向连接。对于与第二电容器节点204a耦接的开关支路，由于此节点可以被驱动成比VSH更正并且还单独地比VSL更负，因此此类布置可能不合适，并且开关203c和203d中的每一个可以例如作为背靠背开关来实施，诸如图11所展示。

因此，在使用NMOS设备来实施开关网络的开关的实施方式中，开关中的至少一些可以通过多个NMOS设备和/或以体切换等来实施，以确保正确操作。如本领域技术人员将理解的，单个开关的确切实施可以取决于其在开关网络中的位置以及在使用中可以生成的各种电压。

然而，在一些实施方式中，至少一个开关支路可以用各自被实施为单个常规NMOS设备的第一和第二开关来实施，而不需要体切换。

举例来说，返回参考图7，开关203c和203d可以各自通过常规NMOS设备来实施。如上面所讨论，可以操作图7的驱动器700以在第一驱动器输出节点104-1处的三个不同电压之间切换，同时第二驱动器输出节点104-2保持在恒定电压，诸如低侧电压VSL或高侧电压VSH中的一者。

考虑这样的操作，其中驱动器输出节点中的一个(如第二驱动器输出节点104-2)保持在低侧开关电压VSL，同时开关602-2断开，并且第一驱动器输出节点在VSL、VSH和VSH+Vin之间选择性地切换。在第一输出节点104-1被驱动至低侧供应电压VSL的状态下，开关203b1将导通，但开关602-1可以关断，以防止经充电的电容器驱动电容器节点204a处的电压低于地。为了避免节点204a和601处的电压浮动，开关203d可以导通以将电容器节点204a驱动至VSL，这将导致节点601处的电压等于VSL+Vin，即VSH。在第一输出节点104-1被驱动至高侧供应电压VSH的状态下，开关203a1将导通，并且开关602-1和203d可以导通以使电容器充电。因此，节点204a和601处的电压将再次分别等于VSL和VSH。在第一输出节点104-1被驱动至VSH+Vin的状态下，开关203c将与开关602-1一起导通。节点204a和601处的电压将分别等于VSH和VSH+Vin。

因此，在每个状态中，电容器节点204a处的电压等于高侧供应电压或者没有其那么正，并且等于低侧供应电压或者比其更正。因此，开关203c和203d可以各自通过单个NMOS设备来实施，而不需要任何体切换。另外，在每个状态下，节点601处的电压等于第一输出节点104-1处的电压和第二输出节点104-2处的电压或者比其更正，因此开关602-1和602-2中的每一个可以通过单个NMOS设备来实施，所述单个NMOS设备布置成使得当节点601处的电压比相关驱动器输出节点处的电压更正时其体二极管被反向偏置。在每个状态下，第一输出节点处的电压等于低侧开关电压或者比其更正，因此开关203b1(以及对应地开关203b2)可以通过单个NMOS设备来实施。然而，在输出节点104-1处的电压等于VSH+Vin的状态下，这比高侧供应电压更正，并且因此可以例如使用背靠背NMOS设备来实施开关203a1以防止不希望的二极管传导，如参考图11所讨论。

在替代性方法中，在负载的一侧(例如第二驱动器输出端104-2)与高侧供应电压VSH连接并且负载的另一侧(例如第一驱动器输出节点)被选择性地驱动至VSH、VSL或VSL-Vin的情况下，节点204a处的电压可以被再次控制，以便不比高侧供应电压VSH更正，也不比低侧供应电压VSL更负，并且因此开关203c和203d可以同样通过单个NMOS设备来实施。在这种情况下，节点601处的电压可以总是等于输出节点104-1和104-2处的电压或者没有其那么正，并且因此开关602-1和602-2可以同样通过单个NMOS设备来实施，但被定向成使得当节点601处的电压没有相关驱动器输出节点处的电压那么正时，它们的体二极管被反向偏置。在这种情况下，输出节点104-1处的电压等于高侧供应电压VSH或者没有其那么正，但可以比低侧供应电压VSL更负，在这种情况下，开关203a1可以通过单个NMOS设备来实施，但开关203b1可以例如通过背靠背NMOS设备来实施。

因此，图7的开关驱动器为因针对大多数开关使用单个NMOS设备而可在面积上相对非常小的开关驱动器。应当认识到，图7展示了BTL配置，但原理适用于单端驱动器，在这种情况下，可以省略开关支路401-2和开关602-2。

因此，一种根据实施例的开关驱动器可以包括第一和第二开关支路，每个开关支路包括开关节点以及用于将所述开关支路的开关节点与高侧电压供应源连接的第一开关和用于将所述开关支路的开关节点与低侧电压供应源连接的第二开关，其中第二开关支路的开关节点经由电容器和连接开关与第一开关支路的开关节点连接，并且其中第一开关支路的第一和第二开关分别通过第一和第二NMOS晶体管来实施。因此，至少一个开关支路包括两个串联的NMOS设备，并且两个NMOS设备可以通过相应的源极端子和漏极端子连接。第一和第二NMOS设备的体端子可以各自与相应的源极端子连接。

因此，一般来说，实施例涉及用于驱动换能器的开关驱动器电路和方法。开关驱动器具有用于接收限定至少一个输入电压的供应电压的供应节点和用于输出针对换能器的驱动信号的至少第一驱动器输出节点，以及用于在使用中与多个电容器连接的电容器节点。开关的网络被布置成将第一和第二供应节点与第一驱动器节点或与电容器节点选择性地连接。开关的网络可操作使得电容器中的每一个可以选择性地连接在要充电的相应的供应节点之间，并且可操作使得供应节点可以与第一驱动器输出节点连接，其中在相关供应节点与第一驱动器输出节点之间的路径中选择性地不存在电容器、存在电容器中的一个或多个。

实施例涉及一种可以被布置为用于驱动负载的单端驱动器的开关驱动器，并且还涉及具有用于以桥接式负载配置驱动负载的两个开关驱动器的实施例。

如所提及，开关驱动器可以适合于驱动输出换能器。在一些实施方式中，输出换能器可以为音频输出换能器，诸如扬声器等。输出换能器可以为触觉输出换能器。在一些实施方式中，输出换能器可以与电感器串联地驱动，即在经切换的驱动器的输出节点与负载之间的输出路径中可以存在电感器。在一些实施方式中，换能器可以为压电或陶瓷换能器。

实施例可以至少部分地实施为集成电路。实施例可以实施于主机设备，尤其是便携式和/或电池供电的主机设备，诸如移动计算设备例如膝上型计算机、笔记本计算机或平板计算机，或移动通信设备诸如移动电话，例如智能手机。所述设备可以为可穿戴设备，诸如智能手表。主机设备可以为游戏控制台、遥控设备、家庭自动化控制器或家用电器、玩具、机器诸如机器人、音频播放器、视频播放器。应当理解，实施例可以被实施为设置在家用电器中或车辆或交互式显示器中的系统的一部分。还提供了一种包含上述实施例的主机设备。

技术人员将认识到，上述装置和方法(例如控制切换控制信号的各方面)的一些方面可以被体现为例如位于诸如磁盘、CD-或DVD-ROM、已编程存储器(诸如只读存储器(固件))之类的非易失性载体介质上或位于诸如光学或电信号载体之类的数据载体上的处理器控制代码。对于一些应用，实施例可以实施于DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)上。因此，所述代码可以包括常规程序代码或微代码，或(例如)用于设定或控制ASIC或FPGA的代码。代码还可以包括用于动态地配置可重配置装置(诸如可再编程逻辑门阵列)的代码。类似地，代码可以包括用于硬件描述语言(诸如Verilog ^TM或VHDL(超高速集成电路硬件描述语言))的代码。技术人员将了解，所述代码可以分布在彼此通信的多个耦接的部件之间。在适当情况下，还可以使用在现场(可再编程)可编程模拟阵列或类似设备上运行以便配置模拟硬件的代码来实施所述实施例。

应注意，上述实施方案说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代性实施方案。词语“包括”不排除除了在权利要求中列出的要素或步骤之外的要素或步骤的存在，“一(a)”或“一(an)”不排除多个，并且单个特征或其他单元可履行在权利要求中叙述的几个单元的功能。在权利要求中的任何参考数字或标记不应解释为限制它们的范围。

Claims (22)

1.一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：

多个供应节点，用于接收限定至少一个输入电压的供应电压；

第一开关驱动器，其具有驱动器输出节点，以及

控制器，用于基于输入信号来控制所述第一开关驱动器的操作，以在所述驱动器输出节点处生成针对所述换能器的驱动信号；

其中所述第一开关驱动器包括：

电容器节点，用于在使用中与至少第一和第二电容器连接，使得所述第一电容器连接在第一与第二电容器节点之间，并且所述第二电容器连接在所述第二电容器节点与第三电容器节点之间；以及

开关的网络，用于将所述驱动器输出节点、所述第二电容器节点和所述第三电容器节点中的任一者与相应一对所述供应节点中的任一个选择性地连接，其中所述第一电容器节点与所述第一驱动器输出节点连接。

2.根据权利要求1所述的开关驱动器装置，其中所述多个供应节点包括第一供应节点和第二供应节点，并且所述控制器能操作以控制所述开关的网络处于以下中的每一者：

第一开关状态，其中所述第一供应节点与所述驱动器输出节点耦接，所述驱动器输出节点与所述第一电容器节点耦接并且所述第二供应节点与所述第二电容器节点耦接；

第二开关状态，其中所述第二供应节点与所述驱动器输出节点连接；

第三开关状态，其中所述驱动器输出节点与所述第一电容器节点耦接，所述第一供应节点与所述第二电容器节点耦接并且所述第二供应节点与所述第三电容器节点耦接；以及

第四开关状态，其中所述驱动器输出节点与所述第一电容器节点耦接，并且所述第一供应节点与所述第三电容器节点耦接。

3.根据权利要求2所述的开关驱动器装置，其中所述控制器能操作以控制所述第一开关驱动器处于第一驱动器模式，所述第一驱动器模式在所述第一开关状态与所述第二开关状态之间切换。

4.根据权利要求3所述的开关驱动器装置，其中所述控制器能操作以控制所述第一开关驱动器处于第二驱动器模式，所述第二驱动器模式在所述第三开关状态与所述第一开关之间切换。

5.根据权利要求4所述的开关驱动器装置，其中所述控制器能操作以控制所述第一开关驱动器处于第三驱动器模式，所述第三驱动器模式在所述第四开关状态与所述第三开关状态之间切换。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的开关驱动器装置，其中所述开关的网络包括：

第一开关，用于将所述驱动器输出节点与第一供应节点选择性地连接；

第二开关，用于将所述驱动器输出节点与第二供应节点选择性地连接；

第三开关，用于将所述第二电容器节点与所述第一供应节点选择性地连接；

第四开关，用于将所述第二电容器节点与所述第二供应节点选择性地连接；

第五开关，用于将所述第三电容器节点与所述第一供应节点选择性地连接；以及

第六开关，用于将所述第三电容器节点与所述第二供应节点选择性地连接。

7.根据权利要求6所述的开关驱动器装置，其中所述开关的网络还包括第七开关，用于将所述第一电容器节点与所述驱动器输出节点选择性地连接。

8.根据权利要求7所述的开关驱动器装置，其还包括第二驱动器输出节点，其中所述开关的网络还包括：

第八开关，用于将所述第二驱动器输出节点与所述第一供应节点选择性地连接；

第九开关，用于将所述第二驱动器输出节点与所述第二供应节点选择性地连接；以及

第十开关，用于将所述第一电容器节点与所述第二驱动器输出节点选择性地连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的开关驱动器装置，其中开关网络被配置成使得所述驱动器输出节点、所述第二电容器节点和所述第三电容器节点中的一者可以与第一对供应节点选择性地连接，并且所述驱动器输出节点、所述第二电容器节点和所述第三电容器节点中的另外可以与第二对供应节点选择性地连接，其中所述第一对供应节点的供应电压中的至少一个与所述第二对供应节点的供应电压不同。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的开关驱动器装置，其中所述开关的网络的所述开关中的每一个包括NMOS晶体管。

11.根据权利要求10所述的开关驱动器装置，其中NMOS开关中的至少一些包括自举电路。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的开关驱动器装置，其中所述开关的网络能操作使得，在使用中，所述第二和第三电容器节点中的至少一者的电压可以变为负的，并且其中所述开关网络的连接在所述第二和第三电容器节点中的一者与所述第二供应节点之间的开关被配置成防止经由体二极管的传导。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的开关驱动器装置，其中所述第一和第二电容器具有彼此相同的电气性质和尺寸。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的开关驱动器装置，其还包括：

第二开关驱动器，其具有相应的驱动器输出节点，其中所述开关驱动器装置被配置成在所述第一和第二开关驱动器的所述驱动器输出节点之间在桥接式负载配置下驱动所述换能器。

15.根据权利要求14所述的开关驱动器装置，当直接或间接从属于权利要求2时，其中所述控制器能操作为：

在第一BTL模式下控制所述第一和第二开关驱动器中的一者的所述开关的网络处于所述第一开关状态以及所述第一和第二开关驱动器中的另一者的所述开关的网络处于所述第二开关状态，以跨负载生成幅度等于所述输入电压的差分电压；

在第二BTL模式下控制所述第一和第二开关驱动器中的一者的所述开关的网络处于所述第三开关状态以及所述第一和第二开关驱动器中的另一者的所述开关的网络处于所述第二开关状态，以跨所述负载生成幅度等于所述输入电压的两倍的差分电压；以及

在第三BTL模式下控制所述第一和第二开关驱动器中的一者的所述开关的网络处于所述第四开关状态以及所述第一和第二开关驱动器中的另一者的所述开关的网络处于所述第二开关状态，以跨所述负载生成幅度等于所述输入电压的三倍的差分电压。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的开关驱动器装置，其中所述控制器能操作为选择性地控制所述第一和第二开关驱动器中的一者以使其相应的输出节点在开关周期的过程中在不同开关电压之间切换，同时所述第一和第二开关驱动器中的另一者维持恒定电压。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的开关驱动器装置，其中所述换能器为以下中的至少一者：音频输出换能器；触觉输出换能器；压电换能器；以及陶瓷换能器。

18.一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：

第一和第二供应节点，用于接收限定输入电压的第一和第二供应电压；

第一驱动器输出节点，用于输出针对所述换能器的驱动信号,

电容器节点，用于在使用中与多个电容器连接；以及

开关的网络，其将所述第一和第二供应节点与所述第一驱动器节点或所述电容器节点选择性地连接，所述开关的网络能操作使得所述多个电容器中的每一个能选择性地连接在所述第一与第二供应节点之间以被充电至所述输入电压，并且能操作使得所述第一供应节点能与所述第一驱动器输出节点连接，其中在所述第一供应节点与所述第一驱动器输出节点之间的路径中选择性地不存在所述多个电容器、存在所述多个电容器中的一个或多个。

19.根据权利要求18所述的开关驱动器装置，其还包括：

第二驱动器输出节点，用于在所述第一与第二驱动器输出节点之间在桥接式负载配置下驱动换能器；以及

电容器节点，用于在使用中与第二多个电容器连接；

其中所述开关的网络能操作使得所述第二多个电容器中的每一个能选择性地连接在所述第一与第二供应节点之间以被充电至所述输入电压，并且能操作使得所述第一供应节点能与所述第二驱动器输出节点连接，其中在所述第一供应节点与所述第二驱动器输出节点之间的路径中选择性地不存在所述第二多个电容器、存在所述第二多个电容器中的一个或多个。

20.一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：

第一和第二供应节点，用于接收限定输入电压的第一和第二供应电压；

第一开关驱动器，其具有用于输出针对所述换能器的驱动信号的驱动器输出节点,

电容器节点，用于在使用中与第一和第二电容器连接；以及

开关的网络，其将所述第一和第二供应节点与所述第一驱动器节点或所述电容器节点选择性地连接，所述开关的网络能操作以处于多个开关状态；其中：

在所述多个开关状态中的一个下，所述第一电容器连接在所述第一与第二供应节点之间；

在所述多个开关状态中的一个下，所述第二电容器连接在所述第一与第二供应节点之间；

在所述多个开关状态中的一个下，所述第一和第二电容器两者串联连接在所述第一供应节点与所述驱动器输出节点之间；

在所述多个开关状态中的一个下，仅一个第一和第二电容器串联连接在所述第一供应节点与所述驱动器输出节点之间；并且

在所述多个开关状态中的一个下，所述第一供应节点与所述驱动器输出节点连接，其中所述第一和第二电容器均不串联。

21.一种用于驱动换能器的开关驱动器装置，所述开关驱动器装置包括：

第一和第二供应节点，用于接收第一和第二供应电压；

第一和第二驱动器输出节点，用于在桥接式负载配置下驱动负载；

第一和第二电容器节点，用于与电容器连接；以及

开关的网络，其被配置成将以下项选择性地连接：

所述第一驱动器输出节点与所述第一和第二供应电压中的任一者；

所述第二驱动器输出节点与所述第一和第二供应电压中的任一者；

所述第一电容器节点与所述第一和第二驱动器输出节点中的任一者；或者

所述第二电容器节点与所述第一和第二供应电压中的任一者。

22.一种开关驱动器，其包括：

第一和第二开关支路，每个开关支路包括开关节点以及用于将所述开关支路的所述开关节点与高侧电压供应源连接的第一开关和用于将所述开关支路的所述开关节点与低侧电压供应源连接的第二开关；

其中所述第二开关支路的所述开关节点经由电容器和连接开关与所述第一开关支路的所述开关节点连接；并且

其中所述第一开关支路的所述第一和第二开关分别通过第一和第二NMOS晶体管来实施。