專利名稱：具有用于驅動機電開關的電源電壓的電路系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電壓轉換，更具體而言，涉及結合了用于控制流 過其中的電流的電流負載和開關的電路和系統。
背景技術：
通常使用開關DC電壓電源或開關AC電源將機電開關門控成導通 或不導通狀態。眾多應用需要非常快速的開關特性，這些特性可以利用 微機電(MEMS)開關來達到。這種開關具有獨特的電壓和電流特性， 并且可以達到大約3到20微秒的開關速度。隨著開關部件的尺寸不斷 變小，能夠提供可接受的性能和封裝尺寸的驅動電路的特性正在變得更 為苛刻。
在許多電源電路應用中，其中例如包括電視和熒光燈，通常將線繞 電磁變壓器用于電壓轉換。在電磁變壓器中，通過初級繞組和次級繞組 之間的磁耦合來轉移能量。這使電路易受EMI影響，并且常常期望更好 的電絕緣。電磁變壓器在磁芯上需要大量的導線匝，以便實現大的變壓 比。隨著在電源電子器件中使部件小型化的趨勢，巻繞工藝通常導致重 的、體積大的設備。例如在半導體襯底或PCB上形成的平面變壓器更緊 湊，但仍然是復雜、昂貴、面積密集的，并且限制可獲得的運行功率的 范圍。
為了完全實現當前和將來MEMS開關設計的潛在益處，期望開發 這樣的開關系統，其以期望的速度可靠地操作并可以通過更有效的電路 來供電，以及其可以使用現有的微電子技術以相對較小的體積來制造。
發明內容
根據本發明的眾多實施例，提供一種用于控制負栽的操作的電路。 MEMS開關被放置在電路中，以便將負載置于導通狀態或不導通狀態的 其中之一，以及壓電變壓器提供相對的高電壓輸出信號或相對的低電壓 輸出信號，以便在將負載置于導通狀態的閉合位置與斷開位置之間控制 開關的移動，其中該高電壓輸出信號包括在變壓器的諧振頻率范圍內的
頻率分量。控制電路將輸入電壓信號提供給壓電變壓器，以便在壓電變 壓器的輸出端子處提供該高電壓輸出信號或該低電壓輸出信號。該高電壓輸出信號的峰值與該輸入電壓信號的峰值的比的范圍可以是從5到 10。
根據本發明的其它實施例， 一種用于向MEMS開關提供驅動電壓 的電路包括具有特征諧振頻率的壓電變壓器，其中該變壓器的輸出端子 被耦合到柵極。可以耦合驅動電路，以便利用具有不同于特征諧振頻率 的頻率分量的第一相對低電壓信號給變壓器通電，其中該第一信號具有 第一峰值電壓，以便使變壓器響應于該第一信號而提供第二信號，其中 該第二信號也具有不同于峰值諧振頻率的頻率分量，并且該第二信號具
有大于第一峰值電壓的第二峰值電壓。該電路可以包括耦合在變壓器輸 出端子和柵極之間的整流電路，以便將第二信號轉換成能夠改變MEMS 開關的狀態的整流信號。
仍然根據本發明的其它實施例， 一種系統包括具有電源電壓、負載和機電開關的電路，該機電開關具有可移動到將開關置于導通模式的第 一位置并且可移動到將開關置于不導通模式的第二位置的元件。該開關 還包括控制端子，用于有選擇地施加或去除靜電力，以便將該元件置于 第一位置或第二位置。壓電變壓器的高電壓端子被連接到控制端子，并 且變壓器的第二端子被連接以接收輸入信號，使得通過將第一電平信號 施加到第二端子，高電壓端子向控制端子提供具有足夠電壓的高電壓信 號，以便產生將該元件從其中一個位置移動到另一個位置的靜電場。
在一種用于控制負栽的操作的方法的實施例中，利用MEMS開關 和具有諧振頻率范圍的壓電變壓器來形成電路，該MEMS開關被放置 成將負載置于導通狀態或不導通狀態的其中之一，該諧振頻率范圍具有 峰值諧振頻率。將相對的高電壓輸出信號或相對的低電壓輸出信號提供 給壓電變壓器的輸出端子，以便在閉合位置和斷開位置之間控制開關的 移動，其中該高電壓輸出信號包括在變壓器的諧振頻率范圍內的頻率分 量。可以根據控制信號來驅動壓電變壓器的輸入端子，以便在壓電變壓 器的輸出端子上有選擇地提供該高電壓輸出信號或該低電壓輸出信號。
時間的方法的實施例，其中該壓電變壓器可以被耦合以便在導通狀態和 不導通狀態之間驅動MEMS開關，利用輸入信號給變壓器通電以產生
高電壓輸出信號，該輸入信號具有作為相對于變壓器的諧振頻率的偏移
的頻率。對該輸出信號進行整流，并施加該整流信號以便將MEMS開 關從導通狀態和不導通狀態的其中之一驅動到另一種狀態。在一些實施 例中，響應于輸入信號的峰值而產生的輸出信號的峰值大于輸入信號的峰值。
通過下面的描述將會更清楚地理解本發明，其中僅僅通過例子并參 考附圖來說明各實施例，其中
圖1示出一個示例性電路，其具有在PZT和相關聯的驅動電路的控 制下能夠對流過負栽的電流進行開關控制的MEMS開關；
圖2示出一個示例性無電弧的基于MEMS的開關系統，其也具有 在PZT和相關聯的驅動電路的控制下能夠對流過負載的電流進行開關 控制的MEMS開關；以及
圖3示出對應于圖1和圖2所示的PZT的等效電路。
在所有的附圖中使用相同的附圖標記來表示相同的特征。附圖中的 各個特征可能沒有按比例繪制。
具體實施例方式
目前，微機電系統(MEMS)通常是指微米級結構，其例如可以通 過微制造技術在公共襯底上集成多個不同的元件，例如機械元件、機電 元件、傳感器、致動器和電子器件。用于MEMS應用的開關技術包括 半導體器件，例如功率場效應晶體管(FET)和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，而且包括在性質上是機電的MEMS開關。MEMS開關的一個 例子包括控制靜電致動梁(beam)的柵極。該梁可在兩個位置之間移位， 以使開關處于導通狀態或不導通狀態。
這種MEMS開關具有與半導體開關大大不同的要求，所述半導體 開關通常需要低電壓啟動的柵極驅動，例如小于18V。另一方面，當在 導通狀態和斷開狀態之間驅動開關時，目前的MEMS開關需要相對較 高的電壓(50到100V)來實現所期望的開關特性。由于MEMS開關的 柵極的相對較小的電極間電容(例如3-30pf)所導致的非常低的啟動 電流也是MEMS開關的柵極的特征。
在附圖中所描述的各實施例的一個特征是將壓電變壓器(這里被稱
作PZT)結合到微機電系統中，該壓電變壓器利用壓電效應來提供ac 電壓轉換。可以耦合該PZT以接收低電壓信號，并且產生適于操作 MEMS開關的高電壓柵極驅動脈沖。例子包括MEMS開關的用于控制 通過簡單負載的電流的操作、以及用于例如可以在電動機啟動電路中使 用的無電弧開關的專用電路實施方式。然而，所給出的構思適用于多種 附加的開關應用。此外，注意的是，目前在MEMS器件中可用的許多 技術和結構將僅僅在幾年之后通過基于納米技術的器件而變得可用，所 述基于納米技術的器件例如是尺寸可能小于100納米的結構。盡管在整 個文獻中所描述的示例實施例可能指的是微米級的基于MEMS的器件， 但是應當理解，本發明設想了這些和其它的發展，并且應當得到廣泛解 釋，而不限于微米尺寸的器件。因此，這里使用的術語"微機電系統 (MEMS)"不限于微米級結構，而是還指結合了比微米級更小的結構 的系統。術語"MEMS開關，，設想了具有微米級或更小尺寸的結構的任 何機電開關，并且對于特定MEMS開關設計或特定產品的提及僅僅是 示例性的。
盡管描述了 PZT的特定例子，但是應該理解，當實踐本發明時可以 使用許多種PZT設計。作為例子，在實施例中示出了基于陶瓷的Rosen 型PZT，但是還設想了其它類型PZT的使用，并且還設想了適用于PZT 操作的其它材料的使用。在描述系統或電路的部件和操作的特征的過程 中，以常規的方式來使用被應用于控制參數波形的術語"上升時間"和 "下降時間"，其被理解成是指在峰值的10%與卯％之間轉變的流逝時 間。此外，這里使用的"諧振頻帶"被理解為在其上PZT顯示出有用的 機械響應的頻率范圍，以及"諧振頻率"被理解成是指顯示出機械或電 響應的最大值的特定頻率。
應用PZT來驅動MEMS開關的捬極將不同于其它可能的4冊極驅動 應用。與IGBT和FET應用所需的低電壓柵極驅動(小于18V)不同， MEMS開關需要適用于微機械開關觸點的快速和可靠的閉合的相對較 高的電壓電源(50- 100V)。各個MEMS柵極可以顯示出相對較低水 平的電容，典型地大約是3到30pF，并且一般來說小于lOOpf,從而操 作僅僅需要非常小的(例如微安或更小的)瞬時電流脈沖以對柵極結構 進行充電。因此，通常僅僅需要幾毫瓦的平均功率來提供幾兆歐水平的
柵源阻抗。
在MEMS開關系統中，通過將PZT的輸出耦合到快速全波二極管 橋式整流器，可以實現這種高電壓(50- 100V)的快速響應柵極驅動信 號。而且，在所需的程度上，電壓調節功能可以基于PZT的諧振模式特 征通過可變頻率控制來實施。為了快速接通和關斷高電壓輸出，可以以 脈沖模式來操作MEMS開關系統，而在高電壓側不需要附加定時電路， 其中該MEMS開關系統利用適當設計的PZT來將低輸入開關信號轉換 成高柵極電壓。對來自PZT的輸出電壓信號的整流提供了高電壓脈沖信 號，而不需要高電壓邏輯電路。上述能夠產生具有非常快速的上升時間 和下降時間的整流的高電壓DC輸出。上升時間和下降時間能夠容易地 是大約3 - 3 0微秒，從而對ME M S開關實現非常快速的高電壓接通時間 和關斷時間。PZT的輸入信號可以處于設備的機械諧振頻帶內的固定頻 率，并且對低電壓輸入信號的邏輯控制有效地控制高電壓PZT輸出。也 就是，高電壓柵極信號(例如90V)可以利用低電壓邏輯來快速地接通 或快速地關斷。具有快的接通響應時間和關斷響應時間的高輸出電壓信 號(即90V)可以根據需要將MEMS開關快速地置入導通狀態或者脫離 導通狀態。因此，由于開關完全被在變壓器的低電壓側上的邏輯所控制， 因此不需要結合復雜和隔離的高電壓邏輯電路來控制由PZT的高電壓 輸出端子對MEMS開關的柵極所提供的輸入。輸入信號的頻率可以處 于PZT的特定諧振頻率或者偏離PZT的特定諧振頻率30%到40% ，盡 管還設想了大約5%到10%或更少的偏差。由于在以低于特定諧振頻率 的頻率操作時PZT的輸入是電容性的，所以可以將電感元件串聯放置在 PZT驅動器電路和其中 一個PZT輸入端子之間，以便優化開關性能。
參考圖1,其中示出電路IO,其具有與示例性燈負載16和限流負
載電阻器18串聯的電源14。開關20被放置成控制流過電路的電流lL。ad。
在該例子中，電源14是交流電壓源。燈負栽16在該例子中包括一對發 光二極管24和26，它們被配置成彼此之間是反向并聯關系，即被定向 成以相反方向傳導電流。開關20是微機電系統(MEMS)三端開關， 并且可以是如示意性示出的具有靜電致動梁30的類型，所述靜電致動 梁30被耦合到控制極或柵極32,以便有選擇地使負載電流在源極38和 漏極40之間通過。該開關被放置成與電源14和燈負栽16串聯，其中 該開關的源極38被耦合到電源14，并且該開關的漏極40被耦合到燈負栽16。
通過向4冊才及32施加電壓以及AU冊極32去除電壓可以控制流過 MEMS開關20的電流。與半導體開關(例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT ) 或場效應晶體管(FET))不同，包括開關20的MEMS開關通常需要 低電流高電壓驅動信號，其通常在40伏和IOO伏的范圍之間。為了實 現對驅動信號的選擇性施加，將柵極驅動器系統44連接到MEMS開關 20的柵極32。
系統44包括壓電變壓器(PZT)46,該壓電變壓器在一對輸入端子 之間接收頻率范圍為大約30- 100 kHz的低電壓輸入信號，并且在一對 輸出端子之間提供高電壓AC輸出信號。因此，所示的變壓器46是四端 器件，其具有低電壓信號輸入電極50和相關聯的,接地輸入電極52以及 高電壓輸出電極54和相關聯的接地輸出電極56。在該例子中，接地電 極52和56被彼此隔離，而在其它實施例中，可以用三端器件來替換變 壓器46，其中輸入端子和輸出端子共用公共接地。 一般來說，對于這個 和其它實施例來說，PZT輸出端子(例如54、 56)之間的電壓被稱為 PZT輸出電壓Vpo。對于變壓器46的信號輸入，低電壓輸入驅動器電路 60接收例如在零到5伏的范圍內的40kHz的低電壓信號62。通過包括 40kHz方波發生器的開關控制電路65,可以產生作為共同形成已調方波 脈沖串的導通/斷開方波脈沖的所示信號62。以40kHz的頻率來調制 PZT的每個導通脈沖。驅動器電路60提供在PZT輸入電極50、 52之間 的適當輸入信號，例如處于40kHz頻率的大約為15伏的峰峰值。
作為例子，變壓器46可以是Rosen型，其具有1W的額定輸出和 100kHz的諧振頻率。如由Face Electronics, L.C. of Norfolk, Va. U.S.A. 制造的這種設備在輸入端子處可能顯示出相當大的電容(例如70-80nF),從而在操作頻率需要大于1A的非常短持續時間的瞬時峰值輸 入電流，但是在脈沖串期間其平均電流是1安培的幾分之一。能夠向變 壓器46提供峰峰值大約為15伏的輸入電壓的適當驅動器電路是由 Micrel, Inc. of San Jose, Ca. USA制造的MIC4428。利用這種輸入信號， 變壓器46可以在電極54、 56之間提供處于操作頻率的峰峰值大約為90 伏的峰值輸出信號。
電極54和56之間的輸出AC電壓被耦合到具有第一和第二并聯分 支64a和64b的常規全波二極管橋64以便提供全整流波形，所述波形
在AC脈沖的持續時間期間產生相對穩定的DC柵極脈沖信號68。第一 分支64a包括串聯的第一和第二二極管80、 82,以及第二分支64b包括 串聯的第三和第四二極管84、 86。在二極管80、 82之間的第一橋輸入 端子88被連接到輸出端子54，而在二極管84、 86之間的第二橋輸入端 子90被連接到輸出端子56。放置在二極管80和84之間的第一橋輸出 端子92被連接到MEMS開關柵極32，而放置在二極管82和86之間的 第二橋輸出端子94被連接到源極3 8 。
濾波級包括并聯結構的電阻器70和電容器72,每一個都被放置在 開關端子32和38之間，并且具有的值被選擇成調節整流柵極脈沖信號 68的上升時間和下降時間，以便實現期望的開關上升時間和下降時間。 柵極32和源極38之間的整流信號68具有大約90伏的導通電壓，該電 壓通過開關電路65的定時動作被有選擇地施加以便操作MEMS開關 20。
根據其它實施例，柵極驅動器系統(例如系統44)可以控制對并聯 布置的兩個或更多個MEMS開關的開關，以便增加開關操作的負栽容 量。仍然在其它應用中，可以以并聯結構放置多個MEMS開關20，使 得所有的柵極都被并聯連接并且由柵極驅動器系統44來驅動，所有都 在同一開關電路65的控制之下。對于一些應用來說可能優選的是，使 用共同驅動的但單獨的驅動器系統44來驅動開關的并聯組合的每個柵 極。
現在轉向圖2,其中示出根據另一個實施例的一個示例性無電孤的 基于MEMS的開關系統100。系統100包括放置在負載電路140中的一 個或多個MEMS開關20。為了說明的簡單起見，僅僅示出第一開關20。
開關系統100感測在MEMS開關的控制下可操作的負載電路中的 電流或電壓電平。如果電流或電壓電平超過了閾值，則產生故障信號， 并應用該故障信號來觸發在包含平衡二極管橋的脈沖電路212中的脈沖 電流。通過適當地連接在MEMS開關20上的平衡二極管橋182的動作 的脈沖電流能夠使來自MEMS開關的電流分流，以便減少或消除在斷 開MEMS開關之前的電弧放電。
脈沖電路212 ^皮放置成檢測MEMS開關20的開關條件，正如在此 更全面地解釋的那樣。邏輯和驅動器控制電路230包括耦合到開關20 的漏極40的電壓感測電路234和耦合到電路140的電流感測電路236。
感測電路234和236可以檢測到例如何時電路140中的電壓或電流電平 超過預定閾值，響應于此，該電路230觸發脈沖電路212。在所示的實 施例中，控制MEMS開關20的柵極32以便有選擇地使負載電流Ii。ad 在源極38和漏極40之間通過。柵極32由柵極驅動器系統44來驅動， 正如參考圖1所述的那樣。在該例子中，柵極驅動器系統44從邏輯和 驅動器控制電路230接收通斷脈沖的方波信號6 2 。
如所示，電壓緩沖電路102可以與MEMS開關20并聯耦合，并且 被配置成限制在快速接觸分離期間重新施加的電壓的上升率。在某些實 施例中，緩沖電路102可以包括與緩沖電阻器(未示出)串聯耦合的緩 沖電容器(未示出)。緩沖電容器可以促進如上所述的重新施加的接觸 電壓的減速。此外，緩沖電阻器可以抑制在MEMS開關20的閉合期間 由緩沖電容器所產生的任何電流脈沖。在某些其它實施例中，電壓緩沖 電路102可以包括金屬氧化物變阻器(MOV)(未示出)。
與MEMS開關20串聯連接的負栽電路140包括電壓源144( Fsw)、 表示由負載電路140看到的組合的負栽電感和總線電感的負栽電感146 (丄LOzii))、以及表示由負載電路140看到的組合的負載電阻的負栽電阻 148 (&o4Z))。在第一 MEMS開關20的控制下，負栽電路電流4a4Z) 可以流過負載電路140。
用于保護開關20的無電弧抑制電路160包括利用耦合在節點184 和186之間的第一和第二分支180、 182來配置的平衡二極管橋164, 每個分支當在脈沖工作狀態中時在二極管190和194的兩端顯示出基本 相等的電壓降，使得節點200和202之間的電壓降接近于零。橋164的 第一分支180包括串聯耦合在一起的第一二極管190和第二二極管192。 橋164的第二分支182包括也是串聯耦合在一起的笫三二極管194和第 四二極管196。可以改變或擴展無電弧抑制電路160,以促進抑制多個 MEMS開關的觸點之間的電弧形成。
以并聯結構將MEMS開關20布置在橋164的一對第一端子200、 202之間。將第一端子的其中一個200放置在第一和第二二極管190、 192之間，以及將第一端子的另一個202放置在第三和第四二極管194、 196之間。當在MEMS開關20的關斷期間將負栽電流傳輸到二極管橋 164時，MEMS開關20和二極管橋164之間的電感產生相對較小的 電壓，例如小于當在正向導通時在MEMS開關的源極38和漏極40之間
的電壓的2%到5%。 MEMS開關20可以與平衡二極管橋164被集成為 單個封裝206，或者可選地，被形成在同一管芯上，以便最小化這些部 件之間的前迷的電感。
響應于包括但不限于電路故障或開關ON/OFF信號的多個動作，可 能出現開關條件。脈沖電路212包括串聯布置的脈沖開關214、脈沖電 容器Ow促216、 二極管橋164、脈沖電感器Z^c;z^ 218和二極管220。 開關214可以是固態器件，例如場效應晶體管，其被配置成處于納秒到 微秒范圍的開關速度。二極管橋164被放置在脈沖電路212中，以便當 響應于來自控制電路230的過電流或導通/關斷命令而在脈沖工作狀態 中時，在開關30的漏極40到源極38上提供幾乎為零的電壓降。如已 經描述的，響應于由傳感器236感測到的過電流條件，通過控制電路230 產生脈沖命令。在該例子中，將脈沖開關214示意性地示出為在邏輯和
三端:件。附圖標記224表示在開關轉換期間"J能流過脈沖電路212的 脈沖電路電流/pc/i站。基于傳感器236所感測到的故障電流的特征，選 擇脈沖電容器216、脈沖電感器218和二極管220以便促進脈沖電流成 形和定時。脈沖開關214及其相關聯的驅動器和控制電路提供在控制電 路230和脈沖開關驅動器215之間的接口 。
MEMS開關20可以在閉合狀態和斷開狀態之間被快速地切換(例 如大約1到30微秒)，同時以接近零的漏源電壓栽送電流。通過可以 發出通斷控制信號62(例如40kHz的高電平信號或低電平信號)的電路 230來控制柵極32。響應于傳感器236在負栽電路中檢測到的過電流或 故障電流，通過控制電路230來產生信號62。
例如當負載電路140中的電壓或電流電平超過預定閾值時，邏輯和 驅動器控制電路230以及電壓和電流感測電路234、 236檢測到負栽故 障。響應于負載故障，脈沖電路212促進MEMS開關從閉合狀態到斷開 狀態的切換。電路230通過驅動器電路215來把脈沖開關214觸發到閉 合位置，以便使該橋工作在脈沖狀態。該觸發可能是由于因電路140中 過大的電流電平而產生的故障條件所引起的，但還可能是基于監視到的 斜坡電壓，以便為MEMS開關20實現給定的隨時間變化的系統。
在圖2所示的實施例中，當檢測到故障或外部命令時，控制電路230 向驅動器電路215發送觸發信號232,以便操作脈沖開關214。作為響
應，開關214例如可以產生響應于檢測到的開關條件的正弦脈沖。脈沖 開關214的觸發然后在脈沖電路212中啟動觸發諧振的半正弦電流。
半正弦橋脈沖電流224 (//^犯)的峰值是脈沖電容器Cpw^216兩 端的初始電壓以及脈沖電容器216 ( Cm^)和脈沖電感器218 (L尸c;i促) 的值的函數。脈沖電感器218和脈沖電容器216的值還決定半正弦脈沖 電流的脈沖寬度。可以調節橋電流脈沖寬度和幅度，以便滿足基于負栽 電流(&t/乂乙Z^Z))的變化率和在負載故障條件期間期望的峰值允通電 流所預測的系統負栽電流關斷要求。根據圖2的實施例，將脈沖開關214 從斷開狀態重新配置成在斷開MEMS開關20之前的閉合導通狀態。
在故障條件下，由于邏輯和控制電路已經發出觸發信號232，脈沖 電路電流224 (&w犯)的幅度變得明顯大于負栽電路電流/iow的幅度 (例如，由于脈沖電路21的諧振和電容器216上的初始電壓)。同時， 由于電壓通過MEMS柵極驅動器系統44 ^皮施加給柵極32，當MEMS 開關20開始關斷時，MEMS開關20的操作狀態從閉合導通狀態被轉變 到其中一個增加的電阻。在該轉變過程中，梁30和漏極區之間的觸點 可能仍然是閉合的，但是由于開關斷開過程，所以觸點壓力減小了。這 引起開關電阻增大，其又將來自MEMS開關20的負栽電流分流到二極 管橋164中。在這種狀態中，相對于通過MEMS開關20的路徑，平衡 二極管橋164向負栽電路電流/zo4/)提供了相對較低阻抗的路徑，這顯
示出增大的觸點電阻。與負載電路電流/i04Z)的變化率相比，負栽電路
電流Ao^通過MEMS開關20的分流是極其快速的過程。為了進一步提 高分流的速率，應當最小化與MEMS開關20和平衡二極管橋164之間 的連接相關聯的電感。
由于負載電路電流/丄o^從MEMS開關2(M皮分流到二極管橋l64， 在第一和第二二極管分支180、 182上形成不平衡。隨著脈沖電路電流 的衰減，在脈沖電容器212 (Cwi犯)兩端的電壓繼續反向(例如充當 "反電動勢")，從而引起負栽電路電流/i04Z)減小到零。二極管192和 194變得反向偏置，從而脈沖電感器218 Z^;z^和橋脈沖電容器216 <"CWM￡)使得負載電路140成為包括負栽電感效應的串聯諧振電路。
可以配置二極管橋164以便保持在MEMS開關20的觸點兩端的接 近零的電壓，直到觸點分離以便斷開MEMS開關20，從而通過抑制在 斷開過程中將往往會在MEMS開關20的觸點之間形成的任何電弧來防
止破壞。MEMS開關20的觸點接近斷開狀態，其中大大減少的觸點電 流通過MEMS開關20。而且，電路電感中的任何存儲能量、負載電感 和電源可以被轉移到脈沖電路電容器212 (C尸c/i犯)，并且可以通過電 壓耗散電路(未示出)來吸收。
圖3示出用于圖1和圖2的壓電變壓器46的一個示例性等效電路。 當把例如由Face Electronics, L.C.制造的1瓦PZT變壓器用作變壓器46 時，對于下列部件值，來自驅動器電路60的15v輸入導通電壓在端子 54、 56之間產生90v的輸出Vpo:
Cin: 74.3nF R: 1.20Ohm
C: 1.34nF L: 1.42mH
C。ut: 10.4pF 輸出電壓/輸入電壓(峰值)6
已經示出了開關系統的示例應用。電路結合了具有響應于靜電力而 可移動的元件的類型的MEMS開關。在操作過程中，將一個或多個 MEMS開關置于常閉導通狀態，以使得電流持續通過負栽一個相對較長 的時間周期，例如分鐘、日、月或年。開關通常并且主要地保持在導通 模式。對于圖2的示例性無電弧的基于MEMS的開關系統100，異常條 件(例如短路)的出現導致了利用PZT輸出電壓Vpo中的快速轉變而實 現的立即的高速關斷響應。在檢測到故障與將開關20置于不導通狀態 之間的流逝時間可以大于PZT驅動電路的最小開關時間大約幾微秒。
平均開關功率。:如， 一些電源轉換應用使用相;對較低"電壓(常常小 于18伏)的半導體開關器件，以便以大約100kHz或更高來提供持續的
高速開關。
在這種持續的高頻率應用中，平均開關損耗相對較大。而且，比如 結合在系統10和100中的MEMS開關的電容特性顯示出比為可比電路 應用所設計的半導體開關小大約三個數量級。結果，對于給定的開關速 度，操作MEMS開關所需的功率也低得多。
示例系統10和100的另一個特征是電路的設計，即在不需要優化 效率和低功耗的情況下，以最小化端子54和56之間的PZT輸出電壓的 上升和下降時間的方式來使用PZT。當將MEMS開關布置在這樣的電
狀態的高頻率循環的電路，在i個開關操作期間的功耗可能是更為關注
的。PZT具有輸出電壓與輸入電壓比的尖諧振頻率特征。諧振頻率取決 于在變壓器結構中所涉及的材料常數和材料尺寸，其中所述變壓器結構 包括壓電層和電極。
為了實現高速轉變，PZT器件在不同于器件的峰值諧振頻率上接收 輸入信號62 。例如，對于具有100kHz +/-10 %的峰值諧振頻率的PZT 46 ， 基于從開關控制電路65或邏輯和驅動器控制電路230產生的信號62， 在端子50和52之間的輸入信號處于40kHz。也就是，電路10和系統 100被設計成以不同于峰值諧振頻率的頻率并且因此以相對較低的效率 來操作PZT46。這產生了對實現快速關斷的阻尼，同時效率的損失在該 示例應用中是可容許的。對于其它電路實施例，速度的優化可能涉及對 具有較高諧振頻率的PZT的選擇，以及PZT的輸入信號可能相對較接 近于諧振頻率。通常，諧振頻率的范圍可以是從100kHz到至少500kHz, 并且輸入信號可以不同于諧振頻率10 - 40 %或更多。
最佳PZT可以以相對較低的耗散因數(機械Q) 、 100kHz或更高 并且接近于諧振頻率的高操作頻率來操作。通過利用電感負栽(例如置 于圖1或圖2的PZT輸入端子50和驅動器電路60之間的電感器51 ) 來補償PZT器件的輸入電容來增強操作模式。對于MEMS柵極驅動器 中的PZT,峰值輸出與峰值輸入電壓的比可以是大約5: 1到10: l或 更大。驅動器電路可以向PZT產生大約5到15伏的輸入信號，同時PZT 輸出電壓可以是大約高達IOO伏或更高。
所公開的實施例提供了 MEMS柵極驅動器，其具有輸入端子和輸 出端子之間的非常高電壓的隔離、非常低的輸入-輸出電容耦合、高頻 率操作、低EMI產生和高的輸出電壓與輸入電壓比。例子已被用來說明 本發明，其中包括最佳方式，并且被用來使本領域技術人員能夠做出和 使用本發明。還設想了眾多其它實施例，并且僅僅通過后面的權利要求 來限定本發明的范圍。 附圖標記列表
10電路
14電源
16燈負載
18限流負載電阻器
20開關
24, 26發光二極管
30靜電致動梁
32控制極或柵極
38源極
40漏極
44柵才及驅動器系統
46壓電變壓器(PZT)
50低電壓信號輸入電極
51電感器
52接地輸入電極
54高電壓輸出電極
56接;也輸出電才及
60低電壓輸入驅動器電路
62低電壓信號
64常規全波二極管橋
64a, 64b第一和第二并聯分支
65開關控制電路
68DC柵極脈沖信號
70電阻器
72電容器
80, 82 84, 86第三和第四二極管
88第一橋輸入端子
卯第二橋輸入端子
92第一橋輸出端子
94第二橋輸出端子
16 100無電弧基于MEMS的開關系統
102電壓緩沖電路
140負載電路
144電壓源(
146負栽電感(丄L04D)
148負栽電阻(&04Z))
歸無電弧抑制電路
164平衡二極管橋
180， 182第一和第二分支
184, 186節點
l卯，194二極管
196二極管
200, 202節點之間的電壓
206單個封裝
212脈沖電路
214脈沖開關
215驅動器電路
216脈沖電容器C/^l^
218脈沖電感器丄PC/iM
220二極管
224附圖標記
224半正弦橋脈沖電流(/w丄促)
230邏輯和驅動器控制電路
232觸發信號
234電壓感測電路
236電流感測電路
權利要求
1. 一種包括用于控制負載(16)的操作的電路(10)的電系統，包括MEMS開關(20)，其被放置成將所述負載(16)置于導通狀態或不導通狀態中的其中之一；壓電變壓器(46)，其具有一個具有諧振頻率的諧振頻率范圍，并且被配置成從其輸出端子(54，56)提供相對的高電壓輸出信號或相對的低電壓輸出信號，以便在將所述負載置于所述導通狀態的閉合位置與將所述負載置于所述不導通狀態的斷開位置之間控制所述開關(20)的移動，所述高電壓輸出信號包括在所述變壓器(46)的所述諧振頻率范圍中的頻率分量；以及控制電路(65)，用于提供輸入電壓信號來驅動所述壓電變壓器(46)的輸入端子，以便在所述壓電變壓器的輸出端子(54，56)處有選擇地提供所述高電壓輸出信號或所述低電壓輸出信號。
2. 根據權利要求1所述的電路(10)，其中所述相對的高電壓輸出信號的特征在于峰值輸出值，所迷輸入電壓信號的特征在于峰值輸入 值，以及所迷峰值輸出值與所述峰值輸入值的比的范圍是從5到10。
3. 根據權利要求1所述的電路(10)，其中所述變壓器(46)具有一個諧振頻率范圍，所述諧振頻率范圍具有 產生峰值機械響應和峰值輸出電壓響應的在該范圍內的特定諧振頻率， 以及由所述控制電路提供的所述信號包括振蕩頻率，所述振蕩頻率導致 所述相對的高電壓輸入信號具有在所述變壓器的所述諧振頻率范圍內 的振蕩信號，從而所述變壓器提供具有所述頻率分量以及峰值大于所迷 相對的高電壓輸入信號的峰值的所述相對的高電壓輸出信號。
4. 根據權利要求1所述的電路(10),其中由所述控制電路(65) 提供的所迷信號包括對應于所述相對的高電壓輸入信號的邏輯高電壓 電平，以及其中所述相對的高電壓輸入信號是峰值對應于所述邏輯高控 制信號的峰值的振蕩信號，并且所述相對的高電壓輸入信號的峰值大于由所述控制電路(65)提供的所迷信號的所述邏輯高電壓電平的峰值。
5. 根據權利要求4所述的電路(10),其中所述控制電路(65) 被連接到驅動電路(60)以便產生所述相對的低輸入信號和所述相對的 高輸入信號，從而導致超過5伏的所述相對的高電壓輸入信號的峰值的產生。
6. 根據權利要求1所述的電路(10),其中所迷變壓器(46)具 有 一 個諧振頻率范圍，所述諧振頻率范圍具有產生峰值機械響應和峰值 輸出電壓響應的特定諧振頻率，以及對所述相對的高電壓輸入信號的提 供是通過下列操作來執行的基于來自所迷控制電路(65)的具有在所 述變壓器(46)的所述諧振頻率范圍內的振蕩頻率的信號，產生所述相 對的高電壓輸入信號。
7. 根據權利要求6所述的電路(10),其中所述控制電路(65) 提供在偏離所述壓電變壓器(46)的所迷諧振頻率的振蕩頻率的所述信 號。
8. 根據權利要求1所述的電路(10)，還包括對所述高電壓輸出 信號進行整流的電路(64),所述電路(10)能夠向所述MEMS開關 (20)提供輸入，所述輸入的特征在于上升時間，其可從最大電壓的10 %到最大電壓的90%來度量，處于1到30微秒的范圍。
9. 根據權利要求1所述的電路，還包括對所述高電壓輸出信號進 行整流的二極管橋電路(64)，所述電路能夠向所述MEMS開關提供 輸入，所述輸入的特征在于下降時間，其可從最大電壓的卯％到最大電 壓的10%來度量，處于3到10微秒的范圍。
全文摘要
本發明公開了具有用于驅動機電開關的電源電壓的電路系統。一種電路(10)用于控制負載(16)的操作。在一個例子中，將MEMS開關(20)放置在電路(10)中，以便將負載置于導通狀態或不導通狀態的其中之一。壓電變壓器(46)提供相對的高電壓輸出信號或相對的低電壓輸出信號，以便在將負載置于導通狀態的閉合位置與斷開位置之間控制開關(20)的移動。所述高電壓輸出信號包括在變壓器(46)的諧振頻率范圍內的頻率分量。控制電路(65)向壓電變壓器(46)提供輸入電壓信號，以便在壓電變壓器(46)的輸出端子處提供所述高電壓輸出信號或所述低電壓輸出信號。
文檔編號H02M5/32GK101388302SQ200810082138
公開日2009年3月18日 申請日期2008年3月3日 優先權日2007年3月2日
發明者J·I·賴特, J·N·帕克, K·蘇布拉馬尼安, N·C·R·赫其斯 申請人:通用電氣公司