專利名稱：減小功耗的mosfet 柵極驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如DC/DC變換之類的開關(guān)應(yīng)用中分立或集成的功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)，尤其涉及以高頻開關(guān)的分立或集成的功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)。
背景技術(shù)：
使用開關(guān)調(diào)節(jié)器通過逐步升高或降低電壓，或利用依賴于改變的條件而逐步升高或降低電壓的能力來調(diào)節(jié)DC電壓并將一個(gè)DC電壓變換成另一個(gè)DC電壓。通過DC/DC開關(guān)變換器和調(diào)節(jié)器對(duì)輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載電流和溫度的范圍的調(diào)節(jié)能力來度量其質(zhì)量。在電壓和電流瞬態(tài)期間，以及在穩(wěn)態(tài)操作期間，DC/DC開關(guān)變換器和調(diào)節(jié)器反應(yīng)應(yīng)該足夠快，以確保良好的調(diào)節(jié)。在一些應(yīng)用中，還應(yīng)該提供電氣隔離，以防止高輸入電壓耦合到輸出端，消除電擊和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器利用電感器或線圈作為能量存儲(chǔ)器件，這是由于電感器容易生成不同于驅(qū)動(dòng)電感器(即，不同于磁化電感器)的輸入電壓的一定范圍的輸出電壓。一個(gè)或多個(gè)功率開關(guān)，典型的是功率M0SFET，與二極管整流器一起用于控制電感器中的電流，并且，通過使用負(fù)反饋，來控制調(diào)節(jié)器的輸出電壓，其中通過脈寬調(diào)制(PWM)控制器來控制所述一個(gè)或多個(gè)功率開關(guān)的開關(guān)和導(dǎo)通。在

圖1A-1F中圖示了現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的DC/DC變換調(diào)節(jié)器的一些例子。常見DC/DC變換器拓?fù)?在圖1A中，降壓(Buck)變換器I通過脈寬調(diào)制，高壓側(cè)功率M0SFET2響應(yīng)PWM控制器7來控制電感器4中的電流，由此提供逐步降低電壓的調(diào)節(jié)。電容器5對(duì)變換器I的輸出端上的電壓紋波進(jìn)行濾波。當(dāng)高壓側(cè)M0SFET2關(guān)斷時(shí)，電感器4中的電流保持不變，這是因?yàn)殡妷篤x下降到地電壓以下，正向偏置整流器3并使得電感器電流續(xù)流，直到M0SFET2再次接通(turn on)為止。二極管6在正常操作下保持反向偏置。如所示的，M0SFET2是P溝道器件，但利用對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行適當(dāng)改變，高壓側(cè)N溝道MOSFET可以取代P溝道器件。圖1B圖示了同步降壓變換器10，其具備PWM控制器17、具有內(nèi)在PN結(jié)二極管15的高壓側(cè)P溝道M0SFET11、電感器13和電容器14。同步整流器包含具有內(nèi)在PN結(jié)二極管16的N溝道M0SFET12。同步降壓變換器10包括先斷后接(BBM)電路18，以防止高壓側(cè)P溝道M0SFET11和低壓側(cè)N溝道同步整流器M0SFET12同時(shí)導(dǎo)通。同步降壓變換器10的操作采用與對(duì)非同步降壓變換器I所描述的相同的控制和反饋技術(shù)，除了在二極管16導(dǎo)通的一部分時(shí)間期間，即，當(dāng)MOSFET11關(guān)斷時(shí)MOSFET12導(dǎo)通之外。
雖然同步降壓變換器10采用具有P溝道M0SFET11和N溝道M0SFET12的互補(bǔ)半橋，但圖1C的非同步降壓變換器20利用了包含N溝道高壓側(cè)M0SFET21和N溝道低壓側(cè)同步整流器M0SFET22的N溝道圖騰柱布置。在圖1D中示出的升壓(Boost)變換器30包含M0SFET31和PWM控制器36，升壓變換器30通過脈寬調(diào)制或通過以變頻操作來控制M0SFET31的接通時(shí)間來控制電感器32中的電流。每當(dāng)M0SFET31關(guān)斷并且電感器32未被磁化時(shí)，電壓Vx就很快上升，正向偏置整流二極管33并將向?yàn)V波電容器34和輸出端供應(yīng)電流。經(jīng)由反饋電壓Vfb使用輸出電壓Vwt的反饋來控制M0SFET31的接通時(shí)間、電感器33中的電流、和Vwt。同步升壓調(diào)節(jié)器，升壓變換器30的修改包括與二極管33并聯(lián)放置N溝道或P溝道同步整流器M0SFET，以在二極管33正向偏置、即低壓側(cè)M0SFET31關(guān)斷時(shí)的一部分時(shí)間期間內(nèi)從二極管33對(duì)電流進(jìn)行分流。典型地，對(duì)于開關(guān)調(diào)節(jié)器采用單個(gè)電感器而不是變壓器或耦合電感器，在圖1A-1C示出的降壓或同步降壓變換器可以只用于逐步降低電壓的變換，即，將輸入電壓減少為較低的且良好調(diào)節(jié)的輸出電壓。降壓變換器的逆向式(converse)、在圖1D示出的升壓變換器和相應(yīng)同步升壓變換器可以只用于逐步升高電壓的變換，即，將輸入電壓增加為較高的且良好調(diào)節(jié)的輸出電壓。獲得具有使輸入電壓逐步升高或降低的能力的單個(gè)調(diào)節(jié)器需要更復(fù)雜的解決方案，使用數(shù)量加倍的功率MOSFET以將降壓和升壓變換器組合成單個(gè)電路，或者通過采用多繞組電感器和變壓器。例如，在圖1E中示出的變換器40中，高壓側(cè)M0SFET41驅(qū)動(dòng)匝數(shù)比為“η”的耦合電感器42，耦合電感器42的次級(jí)側(cè)通過一個(gè)、兩個(gè)、或四個(gè)整流二極管或同步整流器MOSFET而整流，以輸出跨接電容器44的電壓。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，必須經(jīng)由跨接隔離柵(barrier) 46的反饋電壓Vfb將輸出電壓Vtjut反饋到PWM控制器47，隔離柵46可以包含變壓器或光耦合器。雖然變換器40利用與正輸入電壓V。。連接的P溝道功率M0SFET，但在圖1F中示出的變換器50使用接地的N溝道M0SFET51來控制耦合電感器52中的電流，耦合電感器52的次級(jí)繞組通過二極管或MOSFET整流器電路53來整流并通過電容器54濾波。通過隔離變壓器或光耦合器56將跨接電容器54的輸出電壓反饋到初級(jí)側(cè)PWM控制器57。依賴于當(dāng)M0SFET51導(dǎo)通時(shí)，同相地將能量傳遞給負(fù)載，還是當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，異相地將能量傳遞給負(fù)載，變換器50可以操作為正激變換器或反激變換器。在圖1A-1F示出的所有調(diào)節(jié)器中，功率MOSFET和整流二極管用于控制變換器和調(diào)節(jié)電路中的能量流動(dòng)。在同步整流器變換器中，通過導(dǎo)通MOSEFT對(duì)均勻的(even) 二極管分流以減小導(dǎo)通損耗。但是，以超過一兆赫的頻率開關(guān)功率MOSFET引入(involving) 了開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)功率損耗，而不僅僅是由導(dǎo)通引起的功率損耗。功率MOSFET中的導(dǎo)通和開關(guān)損耗:即使功率MOSFET向其它半導(dǎo)體器件提供了出色的電氣性能，但是尤其對(duì)于低于100伏的操作，它們也不是理想的功率開關(guān)-事實(shí)上，它們的確消耗了功率，并且降低了采用它們的電路的效率。在導(dǎo)通或接通狀態(tài)下，通過跨接漏極-源極端的電壓乘以電流，或P=Id.Vds確定消耗的功率。由于該器件不是一直導(dǎo)通的，所以通過該器件接通和導(dǎo)通的時(shí)間占時(shí)鐘周期T的百分比(B卩，ton/T)確定平均功率。在如DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器的主開關(guān)中，這個(gè)分?jǐn)?shù)也稱為變換器的占空比D。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，眾所周知，如果電路不是以固定頻率f = l/τ操作，那么，它的平均功率逐個(gè)循環(huán)地改變，并且，必須進(jìn)行更小心的時(shí)間積分，以計(jì)算在更長持續(xù)時(shí)間上，例如，在鋰電池的放電期間的器件平均功率損耗。導(dǎo)通、“接通”狀態(tài)功率MOSFET中的功率損耗依賴于它的端電壓。術(shù)語“接通”和“開關(guān)”不應(yīng)該被理解為排他性地意味著或暗示數(shù)字操作。功率MOSFET可以操作為可編程電流源或操作為可變電阻。正如在此使用的，術(shù)語“開關(guān)”遵從IEEE和Webster (韋伯斯特)詞典的定義，如指的是使電氣電路接通(complete)或中斷電氣電路(即，允許或防止電流流過，而不考慮電流的量值)的器件。在其操作的飽和區(qū)內(nèi)，依賴于柵極電壓和相對(duì)不依賴于其漏極電壓Vds的值，“接通”功率MOSFET的表現(xiàn)為如同恒流源Isat。然后，通過下式給出平均功率損耗:
權(quán)利要求
1.一種組合體，包含: 功率 MOSFET (203)； 柵極驅(qū)動(dòng)器(202)，所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202)的輸出端與所述功率MOSFET (203)的柵極端連接，所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202 )包含第一輸入端和第二輸入端，所述第一輸入端與第一電壓源(V。。)連接，所述第二輸入端與第二電壓源(VBias)連接；以及 切換元件，在所述第一輸入端和所述第二輸入端之間切換所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202)的輸出端，在所述第一電壓源(V。。)提供的第一電壓被傳遞給所述柵極端時(shí)，促使所述功率MOSFET (203)處于完全接通條件，以及在所述第二電壓源(VBias)提供的第二電壓被傳遞給所述柵極端時(shí)，促使所述功率MOSFET處于低電流條件，在所述低電流條件下，所述功率MOSFET的漏極電流的大小比所述功率MOSFET在截止?fàn)顟B(tài)下時(shí)的漏電流的量值大至少10倍。
2.如權(quán)利要求1所述的組合體，進(jìn)一步包含與所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202)連接的緩沖器(201)，以便在所述第一和第二輸入端之間重復(fù)地切換所述輸出端。
3.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，所述切換元件包含CMOS對(duì)(451，453)，所述COMS對(duì)(451，453)的第一 MOSFET (451)連接在所述第一輸入端和所述輸出端之間，所述COMS對(duì)(451,453)的第二 MOSFET (453)連接在所述第二輸入端和所述輸出端之間。
4.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，所述柵極驅(qū)動(dòng)器(352)進(jìn)一步包含第三輸入端，所述第三輸入端與所述功率MOSFET (353)的源極端連接，所述切換元件能夠在所述第一、第二和第三輸入端之間切換所述輸出端。
5.如權(quán)利要求4所述的組合體，其中，所述柵極驅(qū)動(dòng)器包含: CMOS對(duì)(451，453 )，所述COMS對(duì)(451，453 )的第一 MOSFET (451)連接在所述第一輸入端和所述輸出端之間，所述COMS對(duì)(451，453)的第二 MOSFET (453)連接在所述第三輸入端和所述輸出端之間；以及 第三MOSFET (452)，所述第三MOSFET (452)連接在所述第二輸入端和所述輸出端之間。
6.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，所述功率MOSFET(586)與功率電路中的負(fù)載(587)連接。
7.如權(quán)利要求6所述的組合體，進(jìn)一步包含連接在所述功率電路與所述柵極驅(qū)動(dòng)器(583，584 )的第二端之間的反饋電路(585，588，589，590 )，所述反饋電路(585，588，589，590)生成用于將所述功率MOSFET (586)的低電流條件下的電流保持在目標(biāo)值上的誤差信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的組合體，其中，所述反饋電路(585，588，589，590)包含連接在所述功率電路中的電流傳感器(590 )。
9.如權(quán)利要求8所述的組合體，其中，所述反饋電路(585，588，589，590)包含放大器(588)。
10.如權(quán)利要求9所述的組合體，其中，所述第二電壓源包含可變電壓源(585)，所述電流傳感器(590 )與所述放大器(588 )的第一輸入端連接，所述放大器(588 )的第二輸入端與參考電流源(589 )連接，所述放大器(588 )的輸出與所述可變電壓源連接(585 )。
11.如權(quán)利要求7所述的組合體，其中，所述功率電路包括感測(cè)電阻器(615B)。
12.如權(quán)利要求11所述的組合體，其中，所述反饋電路包含放大器(618)和參考電壓源(619)，所述放大器(618)的第一輸入端與所述感測(cè)電阻器(615B)連接，所述放大器(618)的第二輸入端與所述參考電壓源(619)連接，以及所述放大器(618)的輸出端與所述柵極驅(qū)動(dòng)器(613，614)的第二端連接。
13.如權(quán)利要求7所述的組合體，其中，所述反饋電路包含: 電流鏡布置，生成鏡像電流，所述鏡像電流的大小與所述功率電路中的電流(Id)的大小成比例； 感測(cè)電阻器(631)，與所述電流鏡布置連接，使得所述鏡像電流流過所述感測(cè)電阻器(631)。
14.如權(quán)利要求13所述的組合體，進(jìn)一步包含放大器(633)，所述放大器(633)的第一輸入端與參考電壓源(632)連接，所述放大器(633)的第二輸入端與所述感測(cè)電阻器(631)連接，以及所述放大器(633)的輸出端與所述柵極驅(qū)動(dòng)器(623，624)的第二輸入端連接。
15.如權(quán)利要求14所述的組合體，其中，所述反饋電路包含與所述功率MOSFET(656)串聯(lián)的第二 MOSFET (658A)。
16.如權(quán)利要求6所述的組合體，其中，所述第二電壓源包含固定電壓源(706)。
17.如權(quán)利要求16所述的組合體，進(jìn)一步包含 連接在所述功率電路中的電流傳感器；以及 與所述電流源和所述固定電壓源(706 )連接的微調(diào)電路(705 )，所述微調(diào)電路(705 )適用于響應(yīng)來自所述電流傳感器 的輸出信號(hào)來調(diào)整所述第二電壓的量值。
18.如權(quán)利要求17所述的組合體，其中，所述微調(diào)電路包含多個(gè)電阻器(729a-729e)和多個(gè)一次可編程MOSFET (730a-730e)，所述電阻器(729a-729e)中的每一個(gè)與所述一次可編程MOSFET (730a-730e)中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)并聯(lián)。
19.如權(quán)利要求6所述的組合體，進(jìn)一步包含電流鏡M0SFET(824B)，所述電流鏡MOSFET(824B)的柵極端和漏極端短接在一起并與所述柵極驅(qū)動(dòng)器(821)的第二端連接。
20.如權(quán)利要求19所述的組合體，進(jìn)一步包含電流傳感器，連接在所述功率電路中。
21.如權(quán)利要求20所述的組合體，進(jìn)一步包含可變電流源(822)，與所述電流鏡MOSFET(824B)連接。
22.如權(quán)利要求21所述的組合體，進(jìn)一步包含微調(diào)電路(831)，與所述電流源和所述可變電流源(822)連接，所述微調(diào)電路(831)適用于響應(yīng)來自所述電流傳感器的輸出信號(hào)來調(diào)整所述可變電流源(822)供應(yīng)的電流的量值。
23.如權(quán)利要求6所述的組合體，進(jìn)一步包含電流鏡M0SFET(882B)，所述電流鏡MOSFET(882B)的柵極端和漏極端短接在一起并與所述柵極驅(qū)動(dòng)器(884，885)的第二端連接。
24.如權(quán)利要求23所述的組合體，進(jìn)一步包含電流源(892)，與所述電流鏡MOSFET(882B)連接，所述電流源(892)適用于供應(yīng)具有量值等于處于低電流條件下的所述功率MOSFET (882A)中的期望的電流量值的指定比例的電流(IMf)。
25.如權(quán)利要求24所述的組合體，其中，所述電流源(904)包含可變電流源(904)。
26.如權(quán)利要求25所述的組合體，進(jìn)一步包含與所述可變電流源(904)的輸入端連接的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(906 )、以及與所述數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(906 )的輸入端連接的數(shù)字器件(907)。
27.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，所述功率MOSFET是升壓變換器的組件，所述功率MOSFET與電感器串聯(lián)，在所述升壓變換器的輸出端與所述功率MOSFET和所述電感器之間的公共節(jié)點(diǎn)之間連接同步整流器M0SFET。
28.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，所述功率MOSFET是降壓變換器的組件，所述功率MOSFET與同步整流器MOSFET串聯(lián)，在所述降壓變換器的輸出端與所述功率MOSFET和所述同步整流器MOSFET之間的公共節(jié)點(diǎn)之間連接電感器。
29.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，所述第二電壓建立在這樣的電平，以便在完全接通條件與低電流條件之間切換所述功率MOSFET (203)減少在每個(gè)開關(guān)循環(huán)期間必須移入所述功率MOSFET (203)的柵極和從所述功率MOSFET (203)的柵極移出的電荷量，從而減小了對(duì)柵極充電和放電的功率損耗，使得功率節(jié)約不止補(bǔ)償了來自在其低電流條件下繼續(xù)流入所述功率MOSFET (203)的漏極電流的附加功率損耗，由此提高了所述功率MOSFET(203)的整體效率。
30.如權(quán)利要求1所述的組合體，其中，在低電流條件下所述功率MOSFET的漏極電流的大小不大于在完全接通條件下所述功率MOSFET的電流的量值的10%。
31.一種組合體，包含: 功率 MOSFET (203)； 柵極驅(qū)動(dòng)器(202)，所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202)的輸出端與所述功率MOSFET (203)的柵極端連接，所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202 )包含第一輸入端和第二輸入端，所述第一輸入端與第一電壓源(V。。)連接，所述第二輸入端與第二電壓源(VBias)連接；以及 切換元件，在所述第一輸入端和所述第二輸入端之間切換所述柵極驅(qū)動(dòng)器(202)的輸出端，在所述第一 電壓源(V。。)提供的第一電壓被傳遞給所述柵極端時(shí)，促使所述功率MOSFET (203)處于完全接通條件，以及在所述第二電壓源(VBias)提供的第二電壓被傳遞給所述柵極端時(shí)，促使所述功率MOSFET處于低電流條件，在所述低電流條件下所述功率MOSFET的柵極-源極電壓處于所述功率MOSFET的外推閾值電壓的10%到125%的范圍內(nèi)。
32.如權(quán)利要求31所述的組合體，其中，在所述低電流條件下所述功率MOSFET的柵極-源極電壓處于所述功率MOSFET的外推閾值電壓的25%到100%的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種用于例如DC/DC變換器中功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器，其在完全接通條件與低電流條件之間切換MOSFET，而不是在MOSFET完全接通條件與完全關(guān)斷條件之間切換MOSFET。由此減少了對(duì)MOSFET的柵極充電和放電所必須轉(zhuǎn)移的電荷量，并且提高了MOSFET的效率。可以使用反饋電路來保證處于低電流條件下的功率MOSFET中的電流的量值是正確的?？商娲?，可以使用微調(diào)處理來校正柵極驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)給處于低電流條件下的功率MOSFET的柵極的電壓的量值。
文檔編號(hào)H03K17/18GK103152022SQ20131002171
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者理查德.K.威廉斯 申請(qǐng)人:先進(jìn)模擬科技公司