大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路及其配置方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>發(fā)電;變電;配電裝置的制造技術(shù)

專利名稱：大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路及其配置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬集成電路領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及開關(guān)模式的電壓調(diào)整器。
背景技術(shù)：
低成本、小型化、高效率和高性能是決定當(dāng)今消費(fèi)性電子產(chǎn)品成敗的關(guān) 鍵性因素。也即是，消費(fèi)者更傾向于低成本、小型化、高性能和高效率的電子產(chǎn)品。節(jié)能且高性能的產(chǎn)品需要利用諸如開關(guān)模式電壓調(diào)整器之類的集成電路去有效地傳導(dǎo)大量的電能。低成本要求半導(dǎo)體集成電路采用簡單且較少的工藝步驟，這樣每個(gè)單位的制造成本就會(huì)降低。小型化的要求促使集成電路向著在一個(gè)半導(dǎo)體芯片內(nèi)部使用最少量硅片區(qū)域的方向發(fā)展。這幾年，提高成本/尺寸/性能要求的努力已經(jīng)證明，傳統(tǒng)的電路構(gòu)造及其制造方法可能已經(jīng)達(dá)到了它們?cè)谛阅苌系臉O限。在嘗試實(shí)現(xiàn)成本/尺寸/性能要求時(shí)，維持相同的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局只會(huì)提高成本，并且不能達(dá)到令人滿意的效果。
參看圖1A，示出連接負(fù)載(Rl) 160的傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器100電路示意圖。通常，傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器的電路100的構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局包括柵極驅(qū)動(dòng)模塊101、開關(guān)電路模塊110、自舉驅(qū)動(dòng)充電電路模塊(bootstrap charging circuit block) 120。這些模塊都作為分立組件而被分別布置在半導(dǎo)體裸片內(nèi)。開關(guān)電路模塊110進(jìn)一步包括上端(high-side)功率金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)102和下端(low-side)功率金屬氧化物場效應(yīng) 晶體管(MOSFET)開關(guān)103。傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路100的開關(guān)輸出SW隨后連接于輸出濾波器150和自舉驅(qū)動(dòng)充電模塊120。
更具體地說，柵極驅(qū)動(dòng)電路模塊101包括上端柵極驅(qū)動(dòng)電路101hs和下端柵極驅(qū)動(dòng)電路101ls。上端柵極驅(qū)動(dòng)電路101HS串聯(lián)連接于開關(guān)電路模塊 110的上端功率MOSFET開關(guān)102，下端柵極驅(qū)動(dòng)電路101ts連接于開關(guān)電路模塊110的下端功率MOSFET開關(guān)103。上端柵極驅(qū)動(dòng)電路101昭的輸入端接收用以驅(qū)動(dòng)上端功率MOSFET開關(guān)102的反相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，。相應(yīng)地，
在輸入為邏輯低電平時(shí)，上端柵極驅(qū)動(dòng)電路10lHs把自舉驅(qū)動(dòng)電源節(jié)點(diǎn)(VBST)
101U連接到上端功率MOSFET開關(guān)102的柵極；而在輸入為邏輯高電平時(shí)，上端柵極驅(qū)動(dòng)電路101hs把上端功率MOSFET開關(guān)102的柵極連接到其源極和開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 101SW。下端柵極驅(qū)動(dòng)電路10lLs的輸入端接收用以驅(qū)動(dòng) 下端功率MOSFET開關(guān)103的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM。相應(yīng)地，在輸入為邏輯低電平時(shí)，下端柵極驅(qū)動(dòng)電路101w把電源電壓Vcx:連接到下端功率MOSFET開關(guān)103的柵極；而在輸入為邏輯高電平時(shí)，下端柵極驅(qū)動(dòng)電路101ls把下端功率MOSFET開關(guān)103的柵極連接到其源極和電氣地110G。
繼續(xù)描述傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路100的電路構(gòu)造。將上端功率 MOSFET開關(guān)102的漏極連接到未調(diào)整的輸入電壓VIN，而其源極在開關(guān)節(jié) 點(diǎn)(SW) 101SW處與下端功率MOSFET開關(guān)103的漏極連接。下端功率 MOSFET開關(guān)103的源極連接于電氣地UOG。
再參閱圖lA中的傳統(tǒng)電路構(gòu)造，輸出濾波器150包括與輸出電容(CouT) 152連接的電感151。電感151的第一端連接在開關(guān)節(jié)點(diǎn)IOISW，第二端連接于輸出電容(COTT) 152以形成現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)模式電壓調(diào)整器100的輸出端161。輸出電容(C0UT) 152的另一端連接在電氣地110G和下端功率 MOSFET開關(guān)103的源極端。
最后，如圖1A所示的傳統(tǒng)電路構(gòu)造，自舉驅(qū)動(dòng)充電電路模塊120包括二極管(D。 121、自舉電容(C訓(xùn)t) 122。二極管(D,) 121的陽極端連接到電源電壓Vcc123，其陰極端在上拉節(jié)點(diǎn)(pull-up node) IOIU處與自舉電容(CB00T) 122的一端連接。電容(CB00T) 122另一端連接于開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) IOISW。
運(yùn)行時(shí)，在上端柵極驅(qū)動(dòng)電路IOIhs的瑜入端，上端MOSFET開關(guān)102 接收反相驅(qū)動(dòng)信號(hào)^7。相應(yīng)地，上端功率MOSFET開關(guān)102根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)皿的電壓電平而導(dǎo)通或者關(guān)斷。與此同時(shí)，下端功率MOSFET開關(guān)因為下端柵極驅(qū)動(dòng)電路lOlLs接收相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM而處于關(guān)斷狀態(tài)。上端功率MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通和下端功率MOSFET開關(guān)的關(guān)斷使得開關(guān)節(jié)點(diǎn) (SW) IOISW連接到輸入電壓Vjn。相反地，下端功率MOSFET開關(guān)的導(dǎo) 通和上端功率MOSFET開關(guān)的關(guān)斷使得開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) IOISW連接到電氣地110G。在開關(guān)模式調(diào)整器中，上端和下端功率MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān) 斷周期明顯高于由電感151和電容152組成的濾波器的濾波頻率。因此，輸出端(V0UT) 161的電壓是輸入電壓V!n和PWM信號(hào)的占空比的時(shí)間平均 (time average)。電感電流lL上升和下降的結(jié)果產(chǎn)生了負(fù)載(RL) 160上可見的平均輸出電壓V0UT。因此，輸出端161上的輸出電壓VouT與輸入電壓 V!n、以及與脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM的占空比或頻率成正比。自舉驅(qū)動(dòng)充電電路120保證上端柵極驅(qū)動(dòng)電路10lHs能接收電壓，以導(dǎo)通/關(guān)斷上端功率 MOSFET開關(guān)102。
上述傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器100的電路構(gòu)造只能用來傳導(dǎo)一定容量的
電流和功率。在這個(gè)局限性下，傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器ioo的性價(jià)比顯著
下降。這是源于上端功率MOSFET開關(guān)102和下端功率MOSFET開關(guān)103 的內(nèi)在局限性，而且傳統(tǒng)電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局會(huì)產(chǎn)生高互聯(lián)阻抗和高開關(guān)損失，尤其是在高頻率開關(guān)時(shí)表現(xiàn)更為明顯。高互聯(lián)阻抗產(chǎn)生高開關(guān)損失，致使傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器100不受歡迎。進(jìn)一步地，包含分立組件的傳統(tǒng) 開關(guān)模式電壓調(diào)整器100的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局，很難滿足當(dāng)今集成電路小型化的趨勢(shì)。
參看圖1B，是圖1A所示傳統(tǒng)開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路100中的上端柵極驅(qū)動(dòng)電路10lHs及其相應(yīng)的上端MOSFET開關(guān)102，下端柵極驅(qū)動(dòng)電路 lOlw及其相應(yīng)的下端MOSFET開關(guān)103的典型電路圖100B。諸如圖1A中的開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路100等類型的開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，影響其效率的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是上端MOSFET開關(guān)102和下端MOSFET開關(guān)103的導(dǎo)通和關(guān)斷速度。通常，實(shí)際的MOSFET開關(guān)在柵極具有柵極阻容乘積特性，可以模擬為RC電路電連接到理想的MOSFET開關(guān)。柵極耦合阻容乘積響應(yīng) 脈沖寬度調(diào)制(PWM)的上升時(shí)間決定了 MOSFET開關(guān)的開關(guān)速度和效率。上端功率MOSFET開關(guān)102包括柵極電阻(Rgate) 102R和柵極電容(CCATE) 102C，兩者都電連接于漏極源極導(dǎo)通電阻為Rds(，的理想MOSFET開關(guān) 102W。在理想的上端MOSFET開關(guān)102W中，其漏極端電連接至電源焊盤 102SP，而其源極端則電連接于開關(guān)焊盤101SW。上端柵極驅(qū)動(dòng)電路101HS 是一個(gè)反相器，它包括上拉PMOS晶體管IOIhsup和下拉(pull-down) NMOS 晶體管101hsdn。類似地，在理想的下端MOSFET開關(guān)103W中，其漏極端電連接于開關(guān)焊盤101SW，而其源極端電連接于接地焊盤101GP。下端柵極驅(qū)動(dòng)電路101ls也是一個(gè)反相器，它包括上拉PMOS晶體管102lsup和下拉 NMOS晶體管102LSDN。
實(shí)際上，MOSFET開關(guān)的柵極電阻RoATE值通常為2Q，而其柵極電容 CcATE值通常為5纖法拉(5nF)。在現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路100 的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局中，柵極耦合阻容乘積(即通常所知的時(shí)間常數(shù) Tdiscrete)為TDISCRETE = CGATE * RGATE = (5nF) x (2'Q) = 10nsec。在 10nsec的時(shí)間常數(shù)T服cRETC下，在開關(guān)頻率大于500kHz時(shí)，傳統(tǒng)電路構(gòu)造將產(chǎn)生大于1瓦的功率損耗，同時(shí)輸出電流將大于20安培。這是因?yàn)楫?dāng)開關(guān) 頻率大于500kHz時(shí)，開關(guān)損耗將是開關(guān)模式電壓調(diào)整器100功率損耗的一
個(gè)重要因素。開關(guān)損耗LS約等于輸入電壓V!n、開關(guān)頻率FS、輸出電流IouT 和上升時(shí)間ToBRETE的乘積，艮口 Ls-^xF,x/?！簒^^。如上面的圖1A
所述，設(shè)定輸入電壓V!n、開關(guān)頻率Fs、輸出電流IouT和功率損耗Ls由設(shè)計(jì) 規(guī)格而確定，包含分立組件的現(xiàn)有技術(shù)的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局將無法減少時(shí) 間常數(shù)TDISCRETE。因此，現(xiàn)在需要新的用于開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器電路的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局，它能夠充分減小時(shí)間常數(shù)或者M(jìn)OSFET開關(guān)的柵極耦合阻容乘積T服cretc，從而提高開關(guān)模式電壓調(diào)整器的性價(jià)比。
因此，就需要這樣一種開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器的新的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局它沒有傳統(tǒng)MOSFET開關(guān)在電能傳導(dǎo)和效率上的限制。進(jìn)而，需要這樣一種新的電路構(gòu)造，它能保證開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的低制造成本并且能夠減小尺寸。最后，需要這樣一種新的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局，它能充分減小MOSFET開關(guān) 中RC等效電路的柵極耦合阻容乘積，使得在高頻率下，互聯(lián)阻抗能充分減小?？梢灶A(yù)見的是本發(fā)明可以滿足這些需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用于大功率開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器集成電路的新的電路構(gòu)造和設(shè)計(jì)布局。它能實(shí)現(xiàn)低互聯(lián)阻抗、高電流處理能力、小封裝尺寸以及低廉的制造成本。相應(yīng)地，本發(fā)明揭示的大功率開關(guān)模式電壓
調(diào)節(jié)器電路的電路配置為包括金屬氧化物(MOS)開關(guān)晶體管陣列，其漏極和漏極、源極和源極彼此相連接，并包括多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路。每個(gè)柵極驅(qū)
動(dòng)電路緊靠于并連接于MOS開關(guān)晶體管的柵極并且僅用于一個(gè)MOS開關(guān)晶體管的驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種大功率開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器電路的配置方法。本發(fā)明所揭示的方法包括提供開關(guān)元件陣列；提供多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路電連接于相應(yīng)開關(guān)元件柵極且僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)元件；以及提供多個(gè)電輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，以方便開關(guān)元件和柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)與外部電路進(jìn)行信號(hào)交流的步驟。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了以下說明書中結(jié)合附圖描述的具體實(shí)施例后，將對(duì)上述這些及其他優(yōu)點(diǎn)有更清晰的認(rèn)識(shí)。

附圖被引入并形成為說明書的一部分，所示出的本發(fā)明的實(shí)施例與說明書一起用以解釋本發(fā)明的原理。
圖1A示出現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)模式電壓調(diào)整器的電路構(gòu)造，包括驅(qū)動(dòng)電路模塊、開關(guān)電路模塊、輸出濾波器模塊，并且所有這些作為分立組件被分別布置在半導(dǎo)體芯片上。
圖1B示出圖1A中具有柵極耦合阻容乘積和RC等效電路的電路構(gòu)造的示意圖。
圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器的電路構(gòu) 造模塊圖，該開關(guān)模式電壓調(diào)整器包括全部集成在單個(gè)半導(dǎo)體芯片上的開關(guān) 元件陣列和相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電路。
圖2B示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器的電路構(gòu) 造模塊圖，其上端開關(guān)被分割為上端開關(guān)元件陣列，下端開關(guān)也被分割為下端開關(guān)元件陣列。
圖2C示出圖2B中根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路構(gòu)造和布局設(shè)計(jì)中的RC等效電路及其造成的柵極耦合阻容乘積。
圖3示出可實(shí)現(xiàn)圖2B中根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電路構(gòu)造的示例性上端開關(guān)元件和下端開關(guān)元件的具體示意圖。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路的開關(guān)元件陣列的具體示意圖。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的上端開關(guān)元件陣列具體電路圖，該上端
開關(guān)元件陣列電連接于下端開關(guān)元件陣列。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)電路的具體示意圖。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路的配置
方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
這里將參考本發(fā)明多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)，結(jié)合附圖對(duì)其實(shí)例進(jìn)行描述。當(dāng)本發(fā)明使用優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述時(shí)，應(yīng)該理解本發(fā)明不僅局限于實(shí) 施例描述的內(nèi)容。相反，本發(fā)明旨在覆蓋權(quán)利要求所定義的屬于本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的替換、改型和等同物。此外，在下述的本發(fā)明的詳細(xì)說明書中描述了大量的具體細(xì)節(jié)，旨在促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的深入而全面的理解。當(dāng)然，本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員應(yīng)能很清楚，本發(fā)明可以脫離其中某些具體細(xì)節(jié)而實(shí)施。另外，為了使本發(fā)明的主題清晰，并未對(duì)所涉及到的本領(lǐng)域公知的方法、流程、組件和電路進(jìn)行具體描述。
參看圖2A，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器 200A的電路構(gòu)造圖，該開關(guān)模式電壓調(diào)整器200A包括開關(guān)元件201陣列、輸出濾波器220和浮置(floating)自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250。更具體地說，開關(guān)元件201陣列被設(shè)置為橫排和縱排；多個(gè)輸入/輸出(I/O)電節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步包括反相驅(qū)動(dòng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)(，)207HS、輸入電壓節(jié)點(diǎn)208、至少一個(gè)電源電壓節(jié)點(diǎn)209r2092以及開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213。注意本申請(qǐng)中的"電氣節(jié)點(diǎn)"被定義為用于大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器200A和外部電路之間進(jìn)行諸如電流、電壓等電性變量的傳導(dǎo)和運(yùn)行的電子裝置。"電氣節(jié)點(diǎn)"的實(shí)例包括而不局限于電焊盤、電源總線、電線、雙絞線、倒裝芯片凸焊點(diǎn)、鉛框架的指狀結(jié) 構(gòu)和導(dǎo)線等，這些均處于本發(fā)明范圍內(nèi)。
特別是，驅(qū)動(dòng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)207Hs接收反相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，，用以驅(qū) 動(dòng)開關(guān)元件201。輸入電壓節(jié)點(diǎn)208將未調(diào)整的輸入電壓V^連接到開關(guān)元件201陣列。至少一個(gè)電源電壓節(jié)點(diǎn)209r2092包括第一電源電壓節(jié)點(diǎn)，它把自舉驅(qū)動(dòng)電壓VBST連接到開關(guān)元件201陣列。在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)輸入電壓節(jié)點(diǎn)209,-2092還包括第二電源電壓節(jié)點(diǎn)，它把第二電源電壓Vee連接到開關(guān)元件201陣列。開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213匯集來自每個(gè)開關(guān)元件201的電流。此外，開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213還是與輸出濾波器220連接的輸出節(jié)點(diǎn)。輸出濾波器220包括與輸出電容222串聯(lián)連接的電感221。輸出電容222的第二端連接于電氣地110G。輸出端231提供所需輸出電壓VouT。第一電源電壓節(jié)點(diǎn)20^同時(shí)連接到浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250和自舉驅(qū)動(dòng)電容(CB0OT) 212。自舉驅(qū)動(dòng)電容(Cboot) 212的第二端連接到開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213和電感221的第一端。在一個(gè)實(shí)施例中，還包括異步二極管(D。 240。該二極管的陰極端電連接到上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213，而其陽極端則電連接到電氣地IIOG。在一個(gè)實(shí)施例中，自舉焊盤211電連接于至少一個(gè)電源電壓節(jié)點(diǎn) 209,-2092和浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250。自舉焊盤的另一端電連接于自舉電容(Cboot) 212，而該自舉電容(Cboot) 212在上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213處電連接到輸出濾波器220和異步二極管(DO 240。
繼續(xù)參看圖2A，在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)207Hs處接收到反相驅(qū)動(dòng) 信號(hào)^7后，每個(gè)開關(guān)元件201將未經(jīng)調(diào)整的電源節(jié)點(diǎn)(V:n) 209和上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213連接。此時(shí)，幵關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213匯集所有來自全部開關(guān)元件201的電流并把它們輸出到輸出濾波器220。從這點(diǎn)開始，大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器200A的運(yùn)行原理和其他任何開關(guān)模式電壓調(diào)整器的運(yùn)行原理相同，例如輸出濾波器220可用以濾除波紋并只產(chǎn)生恒定的平均輸出電壓。浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250則用以將正確的電壓電平傳導(dǎo)至所述至少一個(gè)電源電壓節(jié)點(diǎn)209r2092，使得每個(gè)開關(guān)元件201可以接收正確的開關(guān)電壓，而不必管開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 213上的電壓電平如何。在諸如圖1A所示的開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路100的傳統(tǒng)自舉驅(qū)動(dòng)充電電路中，為了給自舉電容 (Cboot) 122充電并傳導(dǎo)正確的電壓電平到上端柵極驅(qū)動(dòng)電路101hs和下端柵極驅(qū)動(dòng)電路101^，開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 101sw必須設(shè)定為某個(gè)特定的電壓電平。
參看圖2B，是由高性能開關(guān)電壓調(diào)整器200B示出的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該高性能開關(guān)電壓調(diào)整器200B包括給開關(guān)元件201陣列增設(shè)的下端開關(guān)元件202陣列。在這種結(jié)構(gòu)中，開關(guān)元件201陣列在下文中是指上端開關(guān) 元件陣列。高性能開關(guān)電壓調(diào)整器200B包括電連接于電氣地110G的第二電源電壓節(jié)點(diǎn)2092和電連接于充電電路260和電源電壓(Vcc) 215的第三電源電壓節(jié)點(diǎn)2093。下端開關(guān)元件202陣列還包括下端驅(qū)動(dòng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)207ls和下端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWls) 214。下端驅(qū)動(dòng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)207^接收脈沖寬度調(diào)制信號(hào) PWM，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)下端開關(guān)元件202陣列。下端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWls) 214連接于上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWhs) 213和輸出濾波器220。充電電路260調(diào)整電壓電平，以使下端開關(guān)元件202適當(dāng)開關(guān)。
在運(yùn)行時(shí)，上端開關(guān)元件201陣列和下端開關(guān)元件202陣列互補(bǔ)性地導(dǎo) 通和關(guān)斷。來自上端開關(guān)元件201陣列的電流在上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWhs) 213 處匯集，而來自下端開關(guān)元件202陣列的電流在下端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWls) 214 處匯集。匯總兩節(jié)點(diǎn)的電流并輸送至電感221，以使輸出電容(C0UT) 222 充放電。作為結(jié)果，在負(fù)載(Rl) 230上可以看到與驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比和輸入電壓Vjn成正比的平均輸出電壓。
參看圖2C，為示出上端開關(guān)元件201陣列和下端開關(guān)元件202陣列的柵極耦合阻容乘積的模擬示例電路200C。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)上端開關(guān)元件201包括邏輯電路201HS，它僅電連接至一個(gè)雙擴(kuò)散金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(DMOS晶體管)并為之提供驅(qū)動(dòng)。實(shí)際上，每個(gè)DMOS開關(guān) 可以模擬為阻值為/ 。皿的柵極電阻201R和容值為C。皿的柵極電容201C共同串聯(lián)連接到理想的DMOS晶體管201W上，該理想的DMOS晶體管201W
具有最小導(dǎo)通電阻RDS(OW,min。在一個(gè)實(shí)施例中，邏輯電路201HS為反相器，
由上拉p溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS) 20lHsup和下拉n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS) 201hsdn組成。同樣，每個(gè)下端開關(guān)元件202包括邏輯電路 202ls，它僅電連接至一個(gè)雙擴(kuò)散金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(DMOS)并為之提供驅(qū)動(dòng)。實(shí)際上，每個(gè)DMOS開關(guān)可以模擬為阻值為^，的柵極電阻202R 和容值為C4^的柵極電容202C共同串聯(lián)連接在理想的DMOS晶體管202W 上，該理想的DMOS晶體管201W具有最小導(dǎo)通電阻RDS曙),min。在一個(gè)實(shí) 施例中，邏輯電路202Ls為反相器，由上拉p溝道的金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS) 202Hsup和下拉n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS) 202^^組成。
繼續(xù)參看圖2C的模擬示例電路200C，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的每個(gè)上端開關(guān)元件201和下端開關(guān)元件202，各自比上端開關(guān)101和下端開關(guān)102小很多。相應(yīng)地，上端開關(guān)元件201和下端開關(guān)元件202的柵極阻抗i^^和柵極電容C。皿都比現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)調(diào)整器電路100A的柵極阻抗和柵極電容小
N倍(即只有其N分之一)。于是開關(guān)模式電壓調(diào)整器集成電路200B的柵
極耦合阻容乘積Trc現(xiàn)在變?yōu)門IC= C, * i :<formula>formula see original document page 15</formula>
=0.10nseC。設(shè)定與如圖1B所示的現(xiàn)有技術(shù)的電路構(gòu)造相同的
輸出電流I()UT、輸入電壓VjN和開關(guān)頻率FS，本發(fā)明的柵極耦合阻容乘積Tjc 將產(chǎn)生這樣一個(gè)功率開關(guān)損耗Ls- ^x&x/。^x^，它約為傳統(tǒng)電路構(gòu)造
的開關(guān)損耗的100分之一。
參看圖3，為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的上端開關(guān)元件201和下端開關(guān)元件 202的詳細(xì)示意圖。上端開關(guān)元件201包括電連接并驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管電路340 的柵極驅(qū)動(dòng)電路330。在一個(gè)實(shí)施例中，每列上端開關(guān)元件201和自舉焊盤 211和傳導(dǎo)電路320相連接。須知傳導(dǎo)電路320和上端開關(guān)元件201的任意結(jié)合方式都屬于本發(fā)明的范圍。更具體而言，自舉焊盤211電連接到第一電源節(jié)點(diǎn)209i，電源電壓Vcc從該節(jié)點(diǎn)被施加并分配到每一個(gè)上端開關(guān)元件 201。傳導(dǎo)電路320由p溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(PMOS)晶體管322 電連接二極管323所構(gòu)成。PMOS晶體管322的漏極和二極管323的陽極端相連接。PMOS晶體管322的柵極電連接并接收來自浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路 250(未示出)的輸出信號(hào)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路330包含互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)反相器，該反相器由上拉p溝道金屬氧化物場效應(yīng)(PMOS)晶體管332和下拉n-溝道金屬氧化物場效應(yīng)(NMOS) 晶體管333組成。也就是說，上拉PMOS晶體管332的漏極和下拉NMOS 晶體管333的漏極相連接，并在該連接點(diǎn)形成柵極驅(qū)動(dòng)電路330的輸出端。上拉PMOS晶體管332的柵極和下拉NMOS晶體管333的柵極相連接，形成柵極驅(qū)動(dòng)電路330的輸入端207Hs。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，輸入端207HS 接收反相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)^以導(dǎo)通或關(guān)斷開關(guān)器件340。上拉PMOS晶體管332的源極電連接至二極管323的陰極端和自舉焊盤211。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)晶體管電路340包含n-溝道雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管 (DMOS晶體管)341、電源焊盤342和開關(guān)焊盤343。 DMOS晶體管341 的柵極和柵極驅(qū)動(dòng)電路330的輸出端電連接。DMOS晶體管341的源極電連接至開關(guān)焊盤343和柵極驅(qū)動(dòng)電路330中的NMOS晶體管333的源極。DMOS晶體管341的漏極電連接至電源焊盤342和傳導(dǎo)PMOS晶體管322的漏極。在一個(gè)實(shí)施例中，自舉焊盤211，電源焊盤342和開關(guān)焊盤343被作為輸入/ 輸出(I/O)電氣節(jié)點(diǎn)，以方便每個(gè)上端開關(guān)元件201和外部電路(未示出) 的通信。更具體的說，在一個(gè)實(shí)施例中，所有的電源焊盤342均被輸入電壓節(jié)點(diǎn)208相連接，所有的開關(guān)焊盤343均被開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWHS) 213相連接，所有的上拉PMOS晶體管332的源極均電連接到第一電源節(jié)點(diǎn)209"
繼續(xù)參看圖3，下端開關(guān)元件202包含柵極驅(qū)動(dòng)電路360和開關(guān)晶體管電路370。在一個(gè)實(shí)施例中，每列下端開關(guān)元件202陣列還包含電源電壓焊盤(Vcc) 215和傳導(dǎo)電路350。須知傳導(dǎo)電路350和下端開關(guān)元件202陣列的任何組合方式均包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。特別地，電源電壓焊盤(Vcc) 215 是提供電源電壓Vcc的地方。傳導(dǎo)電路350包含p溝道的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(PMOS) 352。 PMOS晶體管352的漏極端連接到柵極驅(qū)動(dòng)電路360。 PMOS晶體管352的柵極端電連接并接收來自充電電路260的輸出信號(hào)。柵極驅(qū)動(dòng)電路360包含邏輯電路，該邏輯電路接收邏輯電平信號(hào)PWM 以驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管電路370。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路360 包含互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(CMOS)晶體管反相器，該反相器包含上拉p溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(PMOS)晶體管362和下拉n-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(NMOS)晶體管363。也就是說，上拉PMOS晶體管362的漏極電連接至下拉NMOS晶體管363的漏極，以形成柵極驅(qū)動(dòng)電路 360的輸出端。上拉PMOS晶體管362的柵極電連接至下拉NMOS晶體管 363的柵極，以形成柵極驅(qū)動(dòng)電路360的輸入端207Ls。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，輸入端207^接收脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM，以導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)晶體管電路370。上拉PMOS晶體管362的源極電連接至MOSFET晶體管352的漏極端和電源電壓焊盤(Vcc) 215。開關(guān)晶體管電路370包含雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(DMOS)晶體管371、開關(guān)焊盤372和接地焊盤373。 DMOS晶體管371的柵極電連接至柵極驅(qū)動(dòng)電路360的輸出端。DMOS晶體管371的源極電連接至接地焊盤373和柵極驅(qū)動(dòng)電路360中的下拉NMOS晶體管363 的源極。DMOS晶體管371的漏極電連接至開關(guān)焊盤372、開關(guān)焊盤343和下拉NMOS晶體管333的源極。電源電壓焊盤(Vcc) 215、開關(guān)焊盤372 和接地焊盤373均是輸入/輸出(I/O)電節(jié)點(diǎn)，以方便下端開關(guān)元件202和外部電路(未示出)之間的通信。
現(xiàn)在參看圖4，其為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器
集成電路400的示意圖。大功率開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器集成電路400僅包括圖 2A和圖3中所示的開關(guān)元件201陣列。每個(gè)開關(guān)元件201彼此電連接，并電連接至浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250。在一個(gè)實(shí)施例中，浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250包括低壓差(low dropout, LDO)電壓調(diào)整電路，該低壓差電壓調(diào)整電路調(diào)節(jié)電壓電平，并將正確的電壓電平傳導(dǎo)至柵極驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而傳導(dǎo)至每個(gè)開關(guān)元件201。該低壓差(LDO)電壓調(diào)整電路包含與PMOS晶體管406 和電阻404-405串聯(lián)連接的差分跨導(dǎo)放大器(differential transconductance amplifier)(或稱誤差放大器)和負(fù)反饋電路。差分跨導(dǎo)放大器包含NPN發(fā) 射極耦合對(duì)(emitter coupled pair)401-402，該發(fā)射極耦合對(duì)401-402由PMOS 晶體管407和408構(gòu)成的電流鏡電路進(jìn)行偏置。該誤差放大器具有用以驅(qū)動(dòng) 多個(gè)傳導(dǎo)電路的輸出端，并且提供正確電壓電平到柵極驅(qū)動(dòng)電路。該負(fù)反饋電路將上端MOS開關(guān)晶體管的陣列的漏極電連接到誤差放大器的輸入端。 NPN晶體管401的基極接收參考電壓(VreF) 410， NPN晶體管402的基極接收與自舉驅(qū)動(dòng)電壓V肌成比例的電壓。開關(guān)元件201陣列通過負(fù)反饋路徑電連接至浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250。特別地，該負(fù)反饋路徑起始于差分跨導(dǎo)放大器的輸出端，該差分跨導(dǎo)放大器的輸出端電連接至驅(qū)動(dòng)PMOS傳導(dǎo)晶體管322的PMOS晶體管407的漏極。PMOS晶體管322的輸出電流通過二極管323電連接至經(jīng)調(diào)節(jié)后的自舉驅(qū)動(dòng)電壓vbst。這樣，在電阻404上形成了與自舉驅(qū)動(dòng)電壓(VBST)和PMOS晶體管406的閾值電壓之差成正比的電壓。從而通過電阻405給出該成正比的電壓，并因此形成完整的負(fù)反饋路徑。
繼續(xù)參看圖4，開關(guān)元件201陣列排列成行210R和列210C。在一個(gè)實(shí) 施例中，每列210C僅包含一個(gè)傳導(dǎo)電路320。更特別地，所有PMOS晶體管322的柵極端全連在一起，并電連接至浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250的輸出端，即PMOS晶體管407的漏極端。n-溝道DMOS晶體管341的電源焊盤 342全連在一起，并分別電連接至MOSFET晶體管407和408的源極端。每列210C的所有二極管323的陰極均連在一起，并電連接至自舉焊盤2U。自舉焊盤211還電連接至電阻404的第二端和PMOS晶體管406的襯底。所有大功率開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器400內(nèi)的開關(guān)焊盤343均連接在一起，并電連接至MOSFET晶體管406的柵極端。
現(xiàn)在參看圖5，其為包含上端開關(guān)元件201陣列和下端開關(guān)元件202陣列的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器集成電路500的示意圖。上端開關(guān)元件201 之間的相互連接如前面圖4中所示。對(duì)于下端開關(guān)元件202陣列之間的相互連接，下端開關(guān)元件202陣列均連接在一起，并通過負(fù)反饋路徑電連接至充電電路260。充電電路260包含差分跨導(dǎo)放大器，該差分跨導(dǎo)放大器由NPN 發(fā)射極耦合對(duì)604-605組成，該發(fā)射極耦合對(duì)604-605由PMOS晶體管607 和608構(gòu)成的電流鏡電路對(duì)其進(jìn)行偏置。差分跨導(dǎo)放大器的第一個(gè)輸入電壓是參考電壓(VreF) 601。負(fù)反饋路徑起始于第二輸入電壓，該電壓值與施加至n—型雙極結(jié)型晶體管605的基極的經(jīng)調(diào)節(jié)后的電源電壓(Vcc)成正比。差分跨導(dǎo)放大器604-605的輸出驅(qū)動(dòng)PMOS晶體管352。依次地，PMOS晶體管352的輸出電流電連接至經(jīng)調(diào)節(jié)后的電源電壓(Vcc)。與電源電壓Vcc 成正比的電壓通過電阻610和611電連接至PMOS晶體管605的基極，從而形成完整的負(fù)反饋路徑。
再參看圖5，在下端開關(guān)元件202陣列中，所有PMOS晶體管352的柵極相連接，并和第一雙極結(jié)型晶體管604的集電極端電連接。所有PMOS晶體管352的源極相連接，并和上端開關(guān)元件201陣列中的所有PMOS晶體管 322的漏極端電連接，該P(yáng)MOS晶體管322的漏極與電源焊盤342相連。所有PMOS晶體管352的漏極端相連接，并和第二雙極結(jié)型晶體管605的基極端電連接，并全部和電源電壓Vcc焊盤215電連接。下端開關(guān)元件202陣列的所有接地焊盤373相連接并和電氣地110G相連。上端開關(guān)元件201陣列的開關(guān)焊盤343和下端開關(guān)元件202陣列的開關(guān)焊盤372相連接，上端開關(guān) 元件201陣列和下端開關(guān)元件202陣列的電流匯合在該連接點(diǎn)并和輸出濾波器220(未圖示)相連接。
再參看圖2B和圖5描述高功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路500的工作方式。每個(gè)上端開關(guān)元件201從上拉或下拉柵極驅(qū)動(dòng)電路330的輸入端207HS 接收反相脈沖寬度調(diào)制形式的驅(qū)動(dòng)信號(hào)M。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電路被上拉(如 M信號(hào)為邏輯低電平)，上端DMOS開關(guān)341導(dǎo)通，將電源焊盤342和開關(guān)焊盤343連接。同時(shí)，在下端開關(guān)元件202陣列中，每個(gè)下端開關(guān)元件202接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM。柵極驅(qū)動(dòng)電路360被下拉到電氣地110G，下端 DMOS開關(guān)371被關(guān)斷。相應(yīng)地，再次參照?qǐng)D2B，上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWHS) 213和下端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SHls) 214電連接至輸入電壓(VjN) 208。相反地，當(dāng) 上端開關(guān)元件201接收到高電平PWM信號(hào)，而下端開關(guān)元件202陣列接收到相反的信號(hào)后，柵極驅(qū)動(dòng)電路330被下拉，柵極驅(qū)動(dòng)電路360被上拉。結(jié) 果，上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWHS) 213和下端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWls) 214電連接至電氣地IIOG。
繼續(xù)描述圖5中的高功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路500的工作方式。浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250和充電電路260運(yùn)行并確保各自的上端DMOS開關(guān) 341和下端DMOS開關(guān)371以下面方式交替導(dǎo)通和關(guān)斷，即，使開關(guān)焊盤343 和372與輸入電壓(VjN)或電氣地110G交替連接。為確保有足夠的偏置電壓驅(qū)動(dòng)上端DMOS開關(guān)341的柵極，PMOS晶體管322的柵極電壓由差分跨導(dǎo)放大器401-402的輸出驅(qū)動(dòng)。只要輸入電壓(VIN)和開關(guān)電壓(Vsw)的差值電壓大于二極管323的正向?qū)妷?，PMOS晶體管322就會(huì)始終處于浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路250的控制之下，并對(duì)自舉驅(qū)動(dòng)電壓(VBST)進(jìn)行充電。在現(xiàn)有技術(shù)中的自舉驅(qū)動(dòng)充電電路只在開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW) 101SW低于設(shè) 定電壓時(shí)才對(duì)自舉電容(CB00T) 122進(jìn)行充電(參見圖1A)。二極管323防止電流從與自舉焊盤211相連接的自舉電容(CB0OT)流向PMOS晶體管322 的漏極，其中該P(yáng)MOS晶體管322的漏極電壓大于輸入電壓(V1N)。在下端開關(guān)元件202陣列中，為了保證有足夠大的偏置電壓驅(qū)動(dòng)下端DMOS開關(guān) 371的柵極，PMOS晶體管352的柵極電壓由差分跨導(dǎo)放大器604-605的輸出驅(qū)動(dòng)。注意PMOS晶體管352總是處于柵極控制電路250控制之下并調(diào)節(jié) 電源電壓(Vcc)。
請(qǐng)參閱圖6，為包含不同類型的柵極驅(qū)動(dòng)電路的高功率開關(guān)模式電壓調(diào) 整器電路600的示意圖。高功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路600包含開關(guān)元件 540陣列。在每個(gè)開關(guān)元件540中，柵極驅(qū)動(dòng)電路由第一反相器510、第二反相器520和第三反相器530組成。第一反相器510、第二反相器520和第三反相器530串聯(lián)連接在一起，用于驅(qū)動(dòng)功率雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng) 晶體管(DMOS)開關(guān)544。第一反相器510由上拉PMOS晶體管511堆疊于下拉NMOS晶體管512的頂部來形成反相器。上拉PMOS晶體管511的柵極和下拉NMOS晶體管512的柵極相連接，以形成輸入端542。同樣地，第二反相器520包含上拉PMOS晶體管521和下拉NMOS晶體管522,最后，第三反相器530包含上拉PMOS晶體管531和下拉NMOS晶體管532。上拉 PMOS晶體管531的源極和下拉NMOS晶體管532的漏極相連接，以形成輸出端。輸出端和DMOS開關(guān)544的柵極相連接。DMOS開關(guān)544的漏極形成為電源焊盤543，源極形成為開關(guān)焊盤545。繼續(xù)參看圖6，所有開關(guān)元件 540的輸入端542連接在一起以形成柵極輸入端501。柵極輸入端501驅(qū)動(dòng)由反相器510、 520和530組成的柵極驅(qū)動(dòng)電路。所有開關(guān)元件540的所有反相器510、 520和530中的源極連接在一起，并和自舉焊盤541相連接。須指出的是，的用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的任何類型都屬于本發(fā)明的范疇。
參看圖7，為用于實(shí)現(xiàn)高性能開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器的方法流程圖，該高性能開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器具有輸出電流大、效率高、互連電阻低、外形尺寸小和成本低等特點(diǎn)。該公開方法包括提供開關(guān)元件陣列，提供多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng) 電路，其中每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路僅電連接并驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)元件，以及提供多個(gè) 電氣輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，以方便開關(guān)元件和柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)與外部電路的通信。
參看步驟701，先提供開關(guān)元件陣列，每個(gè)開關(guān)元件具有充分降低的柵極耦合阻容乘積。在步驟701中，不使用傳統(tǒng)的分立功率金屬氧化場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)，而使用并聯(lián)的體積更小的DMOS開關(guān)陣列。每個(gè) DMOS開關(guān)具有可以充分降低柵極耦合阻容乘積的尺寸。通過實(shí)施步驟701，可以獲得前面圖例中詳細(xì)描述的上端開關(guān)元件201陣列和下端開關(guān)元件202 陣列。
隨后，參看步驟702，在步驟701中提供的每個(gè)開關(guān)元件和柵極驅(qū)動(dòng)電路以下列方式電連接，即，使得柵極驅(qū)動(dòng)電路和其對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件之間的互連電阻大大降低。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路為邏輯電路，它輸出邏輯電平信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)上端開關(guān)元件201和下端開關(guān)元件202。在一個(gè) 實(shí)施例中，對(duì)步驟702的實(shí)施采用單獨(dú)的柵極反相器電路，如由上拉PMOS 晶體管332和下拉NMOS晶體管333組成的反相器電路，來驅(qū)動(dòng)上端開關(guān)元件201 。對(duì)下端開關(guān)元件202，步驟702中的柵極驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施由上拉PMOS 晶體管362和下拉NMOS晶體管363串聯(lián)組成。在一個(gè)實(shí)施例中，步驟702 的實(shí)施可以為串聯(lián)的多個(gè)反相器，如圖6中所示的反相器510、 520和530。最后，參看步驟703，提供多個(gè)電氣輸入/輸出節(jié)點(diǎn)，以方便開關(guān)元件和外部電路的通信。對(duì)步驟703的實(shí)施包括圖2A中所示的輸入電壓電氣節(jié)點(diǎn) 208、電源電壓節(jié)點(diǎn)209、上端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWHS) 213，以及圖2B中所示的下端開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SWls) 214、下端陣列270中的接地節(jié)點(diǎn)2092。最后還包括自舉焊盤211、電源焊盤342、上端開關(guān)焊盤343、下端開關(guān)焊盤372和電氣地焊盤373。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入/輸出(I/O)電節(jié)點(diǎn)被制成包含最小的互連電阻。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入/輸出(I/O)電氣節(jié)點(diǎn)包括緊靠DMOS開關(guān) 341和371的倒裝凸焊點(diǎn)。此外，步驟703中的輸入/輸出(I/O)電氣節(jié)點(diǎn)還包括電氣引腳、電源總線、倒裝凸焊點(diǎn)、指狀結(jié)構(gòu)和同樣由PaulUeunten在本申請(qǐng)同一天申請(qǐng)的專利所描述的其它適用手段，該專利的名稱為"高性能開關(guān)模式電壓調(diào)整器的設(shè)計(jì)布局方案"，此處通過參考引入全文。
關(guān)于上述內(nèi)容，顯然本發(fā)明的很多其它改型和更動(dòng)也是可行的。這里應(yīng) 該明白，在隨附的權(quán)利要求書所涵蓋的保護(hù)范圍內(nèi)，本發(fā)明可以應(yīng)用此處沒有具體描述的技術(shù)而實(shí)施。當(dāng)然還應(yīng)該明白，由于上述內(nèi)容只涉及本發(fā)明的最佳具體實(shí)施例，所以還可以進(jìn)行許多改型而不偏離隨附的權(quán)利要求所涵蓋
的本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍。由于公開的僅是最佳實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員可推斷出不同的改型而不偏離由隨附的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，包括MOS開關(guān)晶體管的陣列，所述MOS開關(guān)晶體管通過它們的源極和漏極彼此相連接；以及多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路僅電連接到一個(gè)所述MOS開關(guān)晶體管中，從而形成柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS開關(guān)晶體管對(duì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中每個(gè)所述 MOS開關(guān)晶體管尺寸被物理地限制，以獲得充分減小的耦合阻容乘積，并且其中每個(gè)所述柵極驅(qū)動(dòng)電路緊靠于并連接到每個(gè)MOS開關(guān)晶體管的柵極，以使每個(gè)所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS開關(guān)晶體管對(duì)的互聯(lián)阻抗充分減小。
3. 如權(quán)利要求1所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，進(jìn)一步包括多個(gè)輸入/輸出電氣節(jié)點(diǎn)，電連接于所述MOS開關(guān)晶體管的陣列的漏極和源極以及所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，以方便外部電路與所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS 開關(guān)晶體管對(duì)之間的通信。
4. 如權(quán)利要求3所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中每個(gè)所述輸入/輸出電氣節(jié)點(diǎn)包括開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)，電連接到每個(gè)MOS開關(guān)晶體管的源極；輸入電壓節(jié)點(diǎn)，電連接到每個(gè)MOS開關(guān)晶體管的漏極以及每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，用以傳導(dǎo)輸入電壓至每個(gè)MOS開關(guān)晶體管的漏極以及每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路；以及至少一個(gè)電源電壓節(jié)點(diǎn)，電連接到所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS開關(guān)晶體管對(duì)以提供電源電壓。
5. 如權(quán)利要求4所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中每個(gè)所述開關(guān)節(jié)點(diǎn)、所述輸入電壓節(jié)點(diǎn)和所述至少一個(gè)電源電壓節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步包括焊盤，適合接收倒裝芯片凸焊點(diǎn)，以給所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS開關(guān)晶體管對(duì)與外圍電路的通信提供電連接。
6. 如權(quán)利要求1所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，進(jìn)一步包括浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路，電連接到所述MOS開關(guān)晶體管的陣列和所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，用以將跨接在每個(gè)所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS開關(guān)晶體管對(duì)上的電壓調(diào)整至正確電壓電平。
7. 如權(quán)利要求6所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路進(jìn)一步包括多個(gè)傳導(dǎo)電路，電連接并傳導(dǎo)所述正確電壓電平至每個(gè)所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和MOS開關(guān)晶體管對(duì)，以使所述柵極驅(qū)動(dòng)電路正確導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的所述MOS開關(guān)晶體管。
8. 如權(quán)利要求7所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中每個(gè)所述傳導(dǎo)電路包括p溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，即PMOS晶體管，以及包括串聯(lián)連接于所述PMOS晶體管的二極管，所述PMOS晶體管的柵極電連接到所述浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路，所述PMOS晶體管的漏極電連接到所述二極管的陽極，所述PMOS晶體管的源極電連接到上端MOS開關(guān)晶體管的陣列，所述二極管的陰極端電連接到所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路電連接并驅(qū)動(dòng)所述上端MOS開關(guān)晶體管的陣列。
9. 如權(quán)利要求8所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述浮置自舉驅(qū)動(dòng)充電電路進(jìn)一步包括低壓差電壓調(diào)整器電路。
10. 如權(quán)利要求9所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述低壓差電壓調(diào)整器電路包括誤差放大器，具有用以驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)傳導(dǎo)電路的輸出端，并且提供所述正確電壓電平到所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路；以及負(fù)反饋電路，將所述上端MOS開關(guān)晶體管的陣列的漏極電連接到所述誤差放大器的輸入端。
11. 如權(quán)利要求10所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述誤差放大器包括第一雙極結(jié)型晶體管和電連接到所述第一雙極結(jié)型晶體管的第二雙極結(jié) 型晶體管，所述第一雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極端電連接到所述第二雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極，所述第一雙極結(jié)型晶體管的基極端電連接到參考電壓，所述第二雙極結(jié)型晶體管的基極端電連接到所述負(fù)反饋電路；第一偏置電阻器，包括第一端和第二端，所述第一端電連接到所述第一雙極結(jié)型晶體管和所述第二雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極端，所述第二端電連接到電氣地；以及電流鏡電路，包括第一 PMOS晶體管和第二 PMOS晶體管，所述第一PMOS晶體管的柵極電連接到所述第二PMOS晶體管的柵極和漏極，所述第一PMOS晶體管和所述第二PMOS晶體管的源極共同電連接到所述多個(gè)傳導(dǎo) 電路，所述第一PMOS晶體管的漏極電連接到所述第一雙極結(jié)型晶體管的集電極端，形成所述誤差放大器的輸出端，所述第二PMOS晶體管的漏極電連接到所述第二雙極結(jié)型晶體管的集電極端。
12. 如權(quán)利要求11所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述負(fù) 反饋電路包括第一電阻器，所述第一電阻器的第一端電連接到所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的每一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路；PMOS晶體管，所述PMOS晶體管的源極電連接到所述電阻器的第二端，所述PMOS晶體管的柵極電連接到所述上端MOS開關(guān)晶體管的陣列；以及第二電阻器，所述第二電阻器的第一端電連接到所述PMOS晶體管的漏極，所述第二電阻器的第二端電連接到電氣地。
13. 如權(quán)利要求1所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述 MOS開關(guān)晶體管的陣列包括上端MOS開關(guān)晶體管的陣列；以及下端MOS開關(guān)晶體管的陣列，在開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)處電連接到所述上端 MOS開關(guān)晶體管的陣列，所述上端MOS開關(guān)晶體管的陣列和所述下端MOS 開關(guān)晶體管的陣列被設(shè)置成由所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路互補(bǔ)性地導(dǎo)通和關(guān)斷。
14. 如權(quán)利要求13所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中每個(gè)所述上端MOS開關(guān)晶體管包括n-溝道雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，并且每個(gè)所述下端MOS開關(guān)晶體管包括n-溝道雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。
15. 如權(quán)利要求13所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述下端MOS開關(guān)晶體管的陣列進(jìn)一步包括充電電路，電連接并調(diào)整所述下端 MOS開關(guān)晶體管的陣列的所有柵極驅(qū)動(dòng)電路至正確電壓電平。
16. 如權(quán)利要求15所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述充電電路包括第一雙極結(jié)型晶體管和電連接到所述第一雙極結(jié)型晶體管的第二雙極結(jié) 型晶體管，所述第一雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極端電連接到所述第二雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極，所述第一雙極結(jié)型晶體管的基極端電連接到參考電壓，所述第二雙極結(jié)型晶體管的基極端電連接到所述負(fù)反饋電路；第一偏置電阻器，包括第一端和第二端，所述第一端電連接到所述第一雙極結(jié)型晶體管和所述第二雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極，所述第二端電連接到電氣地；以及電流鏡電路，包括第一 PMOS晶體管和第二 PMOS晶體管，所述第一 PMOS晶體管的柵極電連接到所述第二PMOS晶體管的柵極和漏極，所述第一PMOS晶體管和所述第二PMOS晶體管的源極共同電連接到所述多個(gè)傳導(dǎo) 電路，所述第一PMOS晶體管的漏極電連接到所述第一雙極結(jié)型晶體管的集電極端，所述第二PMOS晶體管的漏極電連接到所述第二雙極結(jié)型晶體管的集電極端；以及PMOS傳導(dǎo)晶體管，其柵極電連接到所述電流鏡電路，所述PMOS傳導(dǎo) 晶體管的源極電連接到第一和第二 PMOS晶體管的源極，所述PMOS傳導(dǎo)晶體管的漏極電連接到下端柵極驅(qū)動(dòng)電路。
17. 如權(quán)利要求1所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，進(jìn)一步包括電連接到所述MOS開關(guān)晶體管的陣列的輸出濾波器電路，所述輸出濾波器電路進(jìn)一步包括電感和串聯(lián)連接于所述電感的電容。
18. 如權(quán)利要求1所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)電路包括邏輯電路，該邏輯電路用以產(chǎn)生邏輯高電平信號(hào)和邏輯低電平信號(hào)以分別導(dǎo)通和關(guān)斷所述MOS開關(guān)晶體管的陣列。
19. 如權(quán)利要求18所述的大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路，進(jìn)一步包括電連接到所述多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路的脈沖寬度調(diào)制電路。
20. —種大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路的配置方法，包括提供作為開關(guān)元件的MOS開關(guān)晶體管的陣列，每個(gè)所述MOS開關(guān)晶體管的尺寸被物理地限制，以獲得充分減小的耦合阻容乘積；以及提供多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，使每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路僅電連接并驅(qū)動(dòng)一個(gè)所述 MOS開關(guān)晶體管。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括這樣一個(gè)步驟緊靠所述 MOS開關(guān)晶體管放置每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，以充分減小所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和所述MOS開關(guān)晶體管間的互聯(lián)阻抗。
22. 如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括將正確電壓電平電連接至所述MOS開關(guān)晶體管的陣列。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括為所述柵極驅(qū)動(dòng)電路和相應(yīng) MOS晶體管構(gòu)成的對(duì)與外圍電路提供通信。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種用于大功率開關(guān)模式電壓調(diào)整器電路及其配置方法，該電路包括金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)開關(guān)晶體管陣列，其漏極和漏極、源極和源極彼此電連接，并包括多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路僅電連接并驅(qū)動(dòng)一個(gè)所述MOS晶體管。它能實(shí)現(xiàn)低互聯(lián)阻抗、高電流處理能力、小封裝尺寸以及低廉的制造成本。
文檔編號(hào)H02M3/155GK101409505SQ20081000512
公開日2009年4月15日申請(qǐng)日期2008年1月22日優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者保羅·尤納坦恩申請(qǐng)人:成都芯源系統(tǒng)有限公司

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