專利名稱:低損耗dc/dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及電流變換器,更具體地說,本發(fā)明涉及直流對直流(DC/DC)變換器。
背景技術(shù):
在一些用途中,可以使用高切換頻率來操作DC/DC變換器。例如,為了滿足對于特定負(fù)載的響應(yīng)時間要求,可能需要處于幾十到幾百兆赫茲量級上的切換頻率。然而,對于更高切換頻率,作為柵極切換損耗結(jié)果而耗散的功率就可能增大到不可接受的水平。
圖1表示在稱作“降壓(buck)”配置的降壓配置中的一種DC/DC變換器系統(tǒng)100。其中脈寬調(diào)制控制器(PWM控制器)110控制p型開關(guān)(p-switch)120和n型開關(guān)(n-switch)130,p型開關(guān)120和n型開關(guān)130使用大功率晶體管來實現(xiàn)。負(fù)載140可以經(jīng)電感器150和電容器160而耦合到p型開關(guān)120和n型開關(guān)130的輸出。
系統(tǒng)100可能以多種方式消耗功率,其中每種方式都會降低系統(tǒng)的效率。例如,由接通狀態(tài)漏極/源極電阻(稱作Rds-on)導(dǎo)致的電阻損耗使系統(tǒng)的效率降低。為減少由Rds-on導(dǎo)致的功率損耗,可能要使用更大的晶體管。
然而,更大的晶體管在柵極與源極之間呈現(xiàn)增大的電容Cgs。而這又增大了被稱為晶體管柵極損耗的損耗。對于跨電容Cgs以頻率f切換的電壓V,柵極損耗由下面的公式(1)給出柵極損耗=1/2CgsV2f公式(1)在較低頻率下(例如在約100kHz量級上的頻率),柵極損耗可能顯著小于Rds-on。然而,當(dāng)使用較高切換頻率時,柵極損耗可以構(gòu)成系統(tǒng)100中的功率消耗的主要部分。
發(fā)明內(nèi)容
概括地說,在本發(fā)明的一個實施方案中提供了一種DC/DC變換器,其包括第一開關(guān),用以響應(yīng)在第一控制終端處的接通電壓而在第一輸出終端上輸出第一電壓。所述變換器也可以包括第二開關(guān),以便響應(yīng)在第二控制終端處的接通電壓而在與第一輸出終端相連的第二輸出終端上輸出第二電壓。
第一控制終端可以選擇性地接到N個不同電壓之一,其中N>2。第二控制終端可以選擇性地接到M個不同電壓之一,其中M>2。
第一開關(guān)和第二開關(guān)例如可以包括第一和第二晶體管,其中第一和第二輸出終端包括第一和第二晶體管的相關(guān)漏極,并且其中第一和第二控制終端包括第一和第二晶體管的相關(guān)柵極。
所述變換器也可以包括耦合至第一控制終端的第一多級控制器。第一多級控制器可以包括N個驅(qū)動器,其中N>2,從n=1到n=N個驅(qū)動器中,每個驅(qū)動器選擇性地將一個不同電壓Vn施加到第一控制終端上。N個驅(qū)動器可以選擇性地施加不同電壓,其施加時間足以使在第一控制終端處的電壓基本上與該不同電壓相稱。
所述變換器還可以包括耦合至第二控制終端的第二多級控制器。第二多級控制器可以包括M個驅(qū)動器,其中M>2,從m=1到m=N驅(qū)動器中,每個驅(qū)動器選擇性地將不同電壓Vm施加到第二控制終端上。第一和第二多級控制器可以交替地接通第一開關(guān)和第二開關(guān)。第一輸出終端和第二輸出終端可以經(jīng)例如一個電感器和一個電容器而耦合至負(fù)載。
概括地說,在本發(fā)明另一個實施方案中,一個直流對直流(DC/DC)變換器包括一個集成電路。集成電路包括第一開關(guān),以響應(yīng)在第一控制終端處的接通電壓而在第一輸出終端上輸出第一電壓。集成電路也可以包括第二開關(guān),以響應(yīng)在第二控制終端處的接通電壓而在與第一輸出終端相連的第二輸出終端上輸出第二電壓。
所述集成電路也可以包括耦合至第一控制終端的第一多級控制器。第一多級控制器可以包括N>2個驅(qū)動器,其中n=1到n=N驅(qū)動器各自選擇性地將一個不同電壓Vn施加到第一控制終端上。N個驅(qū)動器中至少一個可以包括一個相關(guān)電容。
所述變換器也可以包括一個與集成電路分立的電容器,其中該電容器的電容包含在N個驅(qū)動器之一的相關(guān)電容中。該電容器可以是P個電容器之一,其中P個電容器中的每一個電容器的電容包含在N個驅(qū)動器中至少一個的相關(guān)電容中。
集成電路也可以包括一個耦合至第二控制終端的第二多級控制器。第二多級控制器可以包括M>2個驅(qū)動器,其中m=1到m=N驅(qū)動器各自選擇性地將一個不同電壓Vm施加到第二控制終端上。
一般地,在一個實施方案中,一個直流對直流變換器可以由包括I個開關(guān)的第一切換組件組成,以便響應(yīng)在相關(guān)控制終端處的接通電壓而在相關(guān)輸出終端上輸出電壓,相關(guān)輸出終端各自與配置成將電壓輸出到負(fù)載的第一切換組件輸出終端相連。I個開關(guān)中的一個或多個開關(guān)也可以包括耦合至一個相關(guān)控制終端的相關(guān)多級控制器。第i個相關(guān)多級控制器可以包括N(i)個驅(qū)動器,n(i)=1到n(i)=N(i)個驅(qū)動器中的每一個選擇性地將一個不同電壓Vn(i)施加到相關(guān)控制終端上,其中N(i)對于I個開關(guān)中的至少一個開關(guān)來說大于2。
所述變換器可以進(jìn)一步包括第二切換組件,該第二切換組件由J個開關(guān)組成。該J個開關(guān)中的每個開關(guān)均可以響應(yīng)在相關(guān)控制終端處的接通電壓而在相關(guān)輸出終端上輸出電壓。每一個相關(guān)輸出終端可以與第二切換組件輸出終端相連。第二切換組件輸出終端可以與第一切換組件輸出終端相連。
在上述J個開關(guān)中,一個或多個開關(guān)也可以包括耦合至一個相關(guān)控制終端的相關(guān)多級控制器。例如,第j個相關(guān)多級控制器可以包括N(j)個驅(qū)動器,n(j)=1到n(j)=N(j)個驅(qū)動器中的每一個選擇性地將不同電壓Vn(j)施加到相關(guān)控制終端上,其中N(j)對于J個開關(guān)中的至少一個開關(guān)來說大于2。
概括地說,根據(jù)本發(fā)明一個實施方案所提供的方法可包括如下步驟交替地在包括I個開關(guān)的第一切換組件的輸出端產(chǎn)生第一輸出電壓而在包括J個開關(guān)的第二切換組件的輸出端產(chǎn)生第二輸出電壓。第一切換組件的輸出端可以與第二切換組件的輸出端相連。
產(chǎn)生第一輸出電壓可以包括接通第一切換組件,這可以包括選擇性地將n(i)=1到n(i)=N(i)個不同電壓Vn(i)施加到I個開關(guān)中的第i個開關(guān)的相關(guān)控制終端上。選擇性地施加不同電壓Vn(i)可以包括施加令第i個開關(guān)斷開的電壓V1(i)、再施加中間電壓Vint(i)、和其后施加令第i個開關(guān)接通的電壓VN(i),其中Vint(i)介于V1(i)與VN(i)之間。
產(chǎn)生第二輸出電壓可以包括接通第二切換組件。接通第二切換組件可以包括選擇性地將m(j)=1到m(j)=M(j)個不同電壓Vm(j)施加到J個開關(guān)中的第j個開關(guān)的相關(guān)控制終端上。選擇性地施加不同電壓Vm(j)可以包括施加令第j個開關(guān)斷開的電壓V1(j)、再施加中間電壓Vint(j)、和其后施加令第j個開關(guān)接通的電壓VM(j),其中Vint(j)介于V1(j)與VM(j)之間。
該方法可以進(jìn)一步包括濾波第一輸出電壓和第二輸出電壓以產(chǎn)生一個基本直流的電壓??梢詫⒃摶局绷鞯碾妷菏┘拥揭粋€負(fù)載上。
接通第一切換組件可以包括選擇性將電壓V2進(jìn)一步施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)上,以及將電壓V3施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)上。該方法可以包括將電壓V2進(jìn)一步施加到I個開關(guān)中的至少一個開關(guān)上,以及同時將電壓V3施加到I個開關(guān)中的一個不同開關(guān)上。
一般地說,在本發(fā)明一個實施方案中,一個DC/DC變換器可以包括用來在該DC/DC變換器的一個節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生第一輸出電壓的裝置。所述變換器可以進(jìn)一步包括用來在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生與第一輸出電壓交替的第二輸出電壓的裝置。用來產(chǎn)生第一輸出電壓的裝置可以包括用來選擇性地將n=1到n=N(i)個不同電壓施加到I個開關(guān)中的第i個開關(guān)的控制終端上的裝置,其中不同電壓包括令相關(guān)的第i個開關(guān)斷開的電壓V1i、令相關(guān)的第i個開關(guān)接通的電壓VN(i)i、及介于V1i與VN(i)i之間的電壓Vint(i)。
一般地說,在本發(fā)明一個實施方案中,一個DC/DC變換器可以包括第一切換裝置,用以響應(yīng)在第一控制終端裝置處的接通電壓而在第一輸出終端裝置上輸出第一電壓。該變換器可以進(jìn)一步包括第二切換裝置,用以響應(yīng)在第二控制終端裝置處的接通電壓,而在與第一輸出終端裝置相連的第二輸出終端裝置上輸出第二電壓。
第一控制終端裝置可以選擇性地接到N>2個電壓之一。第二控制終端裝置可以選擇性地接到M>2個電壓之一。
所述變換器可以進(jìn)一步包括一個用來控制第一切換裝置的第一多級控制裝置。第一多級控制裝置可以耦合至第一控制終端裝置,并且可以包括從n=1至n=N的N個驅(qū)動裝置,其中每一個驅(qū)動裝置均用來選擇性地將一個不同電壓Vn施加到第一控制終端裝置上,其中N大于2。
一般地說,在本發(fā)明一個實施方案中,一個DC/DC變換器可以包括一個集成電路。該集成電路可以包括第一開關(guān)裝置,用來響應(yīng)在第一控制終端裝置處的接通電壓而在第一輸出終端裝置上輸出第一電壓。該集成電路可以進(jìn)一步包括第二開關(guān)裝置,用來響應(yīng)在第二控制終端裝置處的接通電壓而在與第一輸出終端裝置相連的第二輸出終端裝置上輸出第二電壓。
所述集成電路可以進(jìn)一步包括用來控制第一切換裝置的第一多級控制裝置。第一多級控制裝置可以耦合至第一控制終端裝置,并且可以包括從n=1至n=N的N個驅(qū)動裝置,其中每一個驅(qū)動裝置均用來選擇性地將一個不同電壓Vn施加到第一控制終端裝置上,其中N大于2。N個驅(qū)動裝置中至少有一個可以包括一個相關(guān)電容裝置。
所述變換器可以進(jìn)一步包括一個與集成電路分立的第二電容裝置,第二電容裝置的電容包含在N個驅(qū)動裝置之一的相關(guān)電容中。
一般地說,在本發(fā)明一個實施方案中,一個DC/DC變換器可以包括第一切換組件裝置,第一切換組件裝置包括I個切換裝置,用來響應(yīng)在相關(guān)控制終端裝置處的接通電壓而在相關(guān)輸出終端裝置上輸出第一電壓。相關(guān)輸出終端裝置中,每個均可以耦合至第一切換組件裝置輸出終端裝置,其配置成將電壓輸出到一個負(fù)載。在I個切換裝置中,一個或多個切換裝置可以進(jìn)一步包括一個用來控制切換裝置的相關(guān)多級控制裝置,該相關(guān)多級控制裝置耦合至一相關(guān)控制終端裝置。第i個相關(guān)多級控制裝置可以包括從n(i)=1到n(i)=N(i)的N(i)個驅(qū)動裝置,每一個驅(qū)動裝置用來選擇性地將一個不同電壓Vn(i)施加到相關(guān)控制終端裝置上,其中N(i)對于I個切換裝置中的至少一個開關(guān)來說大于2。
以下結(jié)合
一種或多種實施方案的細(xì)節(jié)。通過說明和附圖以及權(quán)利要求書,本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。
圖是原有技術(shù)DC/DC變換器的示意圖。
圖2是本發(fā)明的一種DC/DC變換器實施方案的示意圖。
圖3A是本發(fā)明的另一種DC/DC變換器實施方案的示意圖。
圖3B是本發(fā)明的再一種DC/DC變換器實施方案的示意圖。
圖4是本發(fā)明的又一種DC/DC變換器實施方案的示意圖。
圖5A是對于VGS的不同值IDS相對于VDS的曲線圖。
圖5B是包括一個開關(guān)組件控制器的DC/DC變換器的一種實施方案的示意圖。
圖6是在一種單晶體管實施方案中電流作為時間函數(shù)的曲線圖。
圖7是包括M個晶體管的一種實施方案的示意圖。
圖8是在一種使用多晶體管的實施方案中電流相對于時間的曲線圖。
圖9是一種包括多個控制器的實施方案的示意圖,其中該多個控制器使切換不經(jīng)由所有的中間電壓等級完成。
圖10是在一種其中各晶體管之間的過渡中有一些重疊的實施方案中電壓相對于時間的曲線圖。
在各圖中以相同的參考編號表示相同的元件。
具體實施例方式
在此所述的低損耗DC/DC變換器在增大的切換頻率下具有顯著優(yōu)點(diǎn)。諸如DC/DC變換器之類的輸出調(diào)節(jié)器在代理人摘要號MP0185、提交于2003年7月12日的美國專利申請No.10/460,825中有描述,在此將全部該申請內(nèi)容結(jié)合作為參考資料。
如上所述,通過將交替接通和斷開的兩個開關(guān)的輸出加以濾波,DC/DC變換器可以將一個基本直流的電壓提供給負(fù)載。圖2展示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的低損耗DC/DC變換器系統(tǒng)200。
系統(tǒng)200包括第一開關(guān)210和第二開關(guān)220。第一開關(guān)210可以響應(yīng)在第一控制終端212處的接通電壓而在第一輸出終端211處輸出電壓。類似地,第二開關(guān)220可以響應(yīng)在第二控制終端222處的接通電壓而在第二輸出終端221處輸出電壓。第一開關(guān)210和第二開關(guān)220可以交替地接通和斷開,并且用濾波器230對其輸出加以濾波。經(jīng)過濾波的基本為直流的輸出可被提供給負(fù)載240。
相關(guān)控制終端可以選擇性地接至多個不同電壓之一,而不是將相關(guān)控制終端處的電壓直接加以切換,使其從開關(guān)的斷開電壓切換到開關(guān)的接通電壓,從而接通第一開關(guān)210和第二開關(guān)220。亦即,第一開關(guān)210和第二開關(guān)220可以選擇性地接至令相關(guān)開關(guān)斷開的第一電壓、令相關(guān)開關(guān)接通的第二電壓、及介于第一電壓與第二電壓之間的一個或多個中間電壓。
相關(guān)控制終端可以以多種方式選擇性地接至不同電壓。例如,系統(tǒng)200可以包括一個多級連接器215,用以選擇性地將N個不同電壓等級接至第一控制終端212。對于第一開關(guān)210,V1(1)可以是令第一開關(guān)210斷開的電壓,而VN(1)可以是令第一開關(guān)210接通的電壓。多級連接器215可選擇性地將一個或多個中間電壓如V2(1)和V(N-1)(1)接至第一控制終端212,而不是直接在V1(1)與VN(1)之間切換。類似地,第二多級連接器225可以選擇性地將從V1(2)到VM(2)的M個不同電壓等級接至第二控制終端222,以此方式接通第二開關(guān)220。
第一開關(guān)210和第二開關(guān)220可以以類似方式斷開。也就是說,相關(guān)控制終端可以選擇性地接至多個不同電壓之一,而不是直接從令相關(guān)開關(guān)接通的第二電壓切換到令該相關(guān)開關(guān)斷開的第一電壓。
根據(jù)圖2的DC/DC變換器可以比按常規(guī)方式接通和斷開各開關(guān)的DC/DC變換器更有效。在一個說明性例子中,第一開關(guān)210和第二開關(guān)220可以實施為第一和第二晶體管,并且第一控制終端212和第二控制終端222可以是上述晶體管的相關(guān)柵極。
對于第一開關(guān)220,V1(1)對應(yīng)于令晶體管斷開的電壓,而VN(1)對應(yīng)于令晶體管完全接通的電壓。類似地,對于第二開關(guān)220,V1(2)對應(yīng)于令晶體管斷開的電壓,而VM(2)對應(yīng)于令晶體管完全接通的電壓。第一和第二晶體管各自具有其相關(guān)的柵極-源極電容Cgs。
如上所述,在頻率f下工作的晶體管開關(guān)會有取決于Cgs的相關(guān)柵極損耗。根據(jù)公式(1),如果柵極電壓直接在V1(1)與VN(1)之間切換,則第一開關(guān)的柵極損耗等于Cgs(VN(1)-V1(1))22f.]]>假定有N個等間隔的電壓等級,對于每一個(N-1)電壓變化,對應(yīng)每個電壓變化的柵極損耗表示在公式(2)中
公式(2)由于等級差為N-1個,所以凈柵極損耗由公式(3)給出 公式(3)因而,理論凈柵極損耗是在直接在V1(1)與VN(1)之間切換(接通或者斷開第一開關(guān))的系統(tǒng)中得到的損耗的1/(N-1)倍。在柵極損耗方面取得的改善可能小于理論數(shù)值。例如,如果柵極電壓在切換到下一級之前未完全穩(wěn)定到一個中間電壓等級,則在柵極損耗中的實際改善可能小于理論數(shù)值。
如公式(3)表明的那樣,使用較大數(shù)目的N可以導(dǎo)致凈柵極損耗的較大改善。然而,由于通過各個中間電壓等級的步進(jìn)占用一定時間,所以一般將N選擇為一個適當(dāng)數(shù)目,用來改善柵極損耗和在合理時間內(nèi)完成切換。在一些實施方案中,N可以處于4~8的范圍內(nèi)。
圖3A表示根據(jù)本發(fā)明實施方案的一種DC/DC變換器系統(tǒng)300。其中第一NMOS晶體管320的柵極310連接到多級控制器330。多級控制器330選擇性地將從340-0到340-N的不連續(xù)電壓級施加到柵極310上。多級控制器330可以包括N+1個驅(qū)動器,如驅(qū)動器348-1。驅(qū)動器348-1包括用于電荷存儲和再循環(huán)的電容器332-1,以及一個選擇性地將電壓級340-1施加到柵極310上的切換機(jī)構(gòu)。N+1個驅(qū)動器中,有一些可包括選擇性地將相關(guān)電壓施加到柵極的切換機(jī)構(gòu),但可以不包括相關(guān)電容??梢赃x擇電容器332-1的值,使其能提供足夠的電荷存儲和再循環(huán)能力。對于具有柵極-源極電容Cgs的晶體管,電容器332-1的電容一般遠(yuǎn)大于Cgs。系統(tǒng)300可以進(jìn)一步包括第二多級控制器360。多級控制器360可以連接到第二PMOS晶體管350的柵極355。多級控制器360可以包括M個驅(qū)動器,以便選擇性地將M個不同電壓級施加到柵極355上。
在一些實施方案中,多級控制器330的至少一部分可以包括在一集成電路中。然而,由于用于電荷存儲和再循環(huán)的電容一般遠(yuǎn)大于Cgs,所以在集成電路上包含所有電容器可能是困難和昂貴的。因此,離開芯片提供一些電荷存儲能力可能是有益的;也就是說,使得用于電荷存儲和再循環(huán)的電容器與包含多級控制器330的其它元件的集成電路分立。
第一晶體管320和第二晶體管350可以交替地接通;也就是說,可以在斷開第二晶體管350的同時接通第一晶體管320(或者依據(jù)具體情況而僅僅接通),且反之亦然。通過在第一晶體管320和第二晶體管350的漏極使用電感器370和電容器380進(jìn)行濾波,可以將基本直流的電壓提供到負(fù)載390。
通過使柵極310的電壓在令第一晶體管320斷開的第一電壓340-0與令第一晶體管320接通的第二電壓340-N之間進(jìn)行切換,可以接通和斷開第一晶體管320。然而,柵極310的電壓是經(jīng)中間電壓等級340-1至340-(N-1)而在第一電壓與第二電壓之間切換,而不是使第一晶體管320的柵極310直接在第一電壓340-0與第二電壓340-N之間(例如在0伏與5伏或12伏之間)切換。
使用一個分壓器可以提供從340-0到340-N的不同電壓等級,該分壓器例如可包括如圖所示的電阻器334-1至334-N。注意電阻器334-1至334-N應(yīng)該較大,使得在分壓器中耗散的功率最小。在一些實施方案中,電阻器334-1至334-N可以基本上相同,從而電壓等級是等間隔的。在其它實施方案中,在電阻器334-1至334-N中至少有一個可以不同于一個或多個其它電阻器。
注意在圖3A中表示的分壓器只是用來提供不同電壓等級的多種可選方案中的一種??梢允褂闷渌渲?。例如,可以使用利用運(yùn)算放大器、數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器的電壓源,或使用電流源。
圖3B表示一個根據(jù)本發(fā)明一實施方案的系統(tǒng)305,其中第二晶體管350實施為PMOS晶體管。第二晶體管350的柵極355與一個多級控制器365連接。多級控制器365選擇性地將離散電壓等級345-0至345-M施加到柵極355上。在系統(tǒng)305中,第一晶體管320實施為NMOS晶體管,控制器335連接到第一晶體管320的柵極310。就圖3A的實施而言,使用一個電阻性的分壓器可以提供345-0至345-M的不同電壓等級,而使用電容器可以提供電容性的電荷存儲和再循環(huán)。
圖4表示一個系統(tǒng)400,其中第一晶體管420和第二晶體管450都實施為NMOS晶體管。第一多級控制器430選擇性地將N個不同電壓等級接到第一晶體管420的柵極410,而第二多級控制器415選擇性地將M個不同電壓等級接到第二晶體管450的柵極455。
在圖4中所示的例子中,M等于5。第二多級控制器415選擇性地將電壓等級440-1至440-5施加到柵極455上。對于這種實施方案,電壓等級440-1等于在第一晶體管420和第二晶體管450的漏極處的電壓VX。對應(yīng)于電壓等級440-5的節(jié)點(diǎn)經(jīng)二極管445接到自舉電壓VBS上,因而對于一個理想二極管,電壓等級440-5等于VX+VBS。對應(yīng)于電壓等級440-5的節(jié)點(diǎn)經(jīng)一個自舉電容器連接到對應(yīng)于電壓等級440-1的節(jié)點(diǎn),該自舉電容器所具有的電容值等于CBS。
圖4中展示了確定中間電壓等級的一個電阻性分壓器。當(dāng)在該分壓器中的每一個電阻相等時,電壓等級440-2等于1/4(VX+VBS),電壓等級440-3等于1/2(VX+VBS),而電壓等級440-4等于3/4(VX+VBS)。如以上參考圖3A所進(jìn)行的說明,可以使用其它配置方案來提供不同的電壓等級。
這里所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以提供額外的優(yōu)點(diǎn)。例如,當(dāng)圖2的第一開關(guān)210和第二開關(guān)220實施為晶體管時(如圖3A、圖3B、和圖4所示),可以選擇性地對晶體管施加多個不同電壓而不是直接接通和斷開晶體管,這可以減小晶體管應(yīng)力,并因此而減小了相關(guān)晶體管發(fā)生故障的平均時間。
圖5A是一曲線圖,展示在不同數(shù)值的柵極-源極電壓下,VGS漏極-源極電流IDS相對于漏極-源極電壓VDS的曲線。在圖5A中,與大數(shù)值VGS和VDS相對應(yīng)的較高應(yīng)力區(qū)域500內(nèi),晶體管承受應(yīng)力,并且可能開始擊穿。高晶體管應(yīng)力情況的重復(fù)出現(xiàn)和/或時間延長可能縮短晶體管的壽命。
將柵極電壓直接從令晶體管斷開的電壓(Voff)切換到令晶體管完全接通的電壓(Von)可能將晶體管置于圖5A所示的較高應(yīng)力區(qū)域500中。例如,剛剛在柵極電壓從Voff切換到Von之后,VDS和VGS可能都較高,并且晶體管可能在與在較高應(yīng)力區(qū)域500中的點(diǎn)501相對應(yīng)的VDS和VGS下工作。VDS隨著柵極下的區(qū)域耗盡多數(shù)載流子而減小,并且產(chǎn)生一個反型層。在一段時間之后,VDS和VGS即對應(yīng)于較低應(yīng)力區(qū)域510中的點(diǎn)502。一般在較高應(yīng)力區(qū)域500中的時間越長,對于晶體管壽命的影響越大。
通過選擇性地將一個或多個中間電壓等級施加到柵極而不是直接在Von與Voff之間切換電壓(例如運(yùn)用上述的和在圖3A、圖3B和圖4中所示的系統(tǒng)),可以將VDS和VGS保持在圖5A所示的較低應(yīng)力區(qū)域510中。例如,通過選擇性地施加與圖5A中所示的那些電壓相對應(yīng)的中間電壓等級可以接通一個晶體管。電壓可以首先從Voff增大到VGS=1的第一中間電壓等級。剛剛在這一電壓變化之后,VGS和VDS對應(yīng)于圖5A所示較低應(yīng)力區(qū)域510中的點(diǎn)503。在柵極下的區(qū)域中的多數(shù)載流子的耗散開始,并且漏極-源極電壓減小,從而晶體管工作于點(diǎn)504處,該點(diǎn)處于低應(yīng)力區(qū)域510中。
電壓然后可以從VGS=1增大到VGS=2。剛剛在這一電壓變化之后,晶體管工作于點(diǎn)505處,該點(diǎn)仍處于低應(yīng)力區(qū)域510中。VDS繼續(xù)減小,直到晶體管工作于點(diǎn)506處。類似地,剛剛在柵極電壓從VGS=2增大到VGS=3之后,晶體管工作于點(diǎn)507處,然后工作于點(diǎn)508處,該點(diǎn)與較低數(shù)值的VDS相對應(yīng)。最后,在柵極電壓剛剛從VGS=3增大到VGS=4(Von)之后,晶體管工作于較低應(yīng)力區(qū)域510中的點(diǎn)502處,并且按曲線所示在較低等級的VDS上工作。
對于上述接通過程,在點(diǎn)502至點(diǎn)508中,每個點(diǎn)都處于較低應(yīng)力區(qū)域510而不是較高應(yīng)力區(qū)域500。因而,選擇性地將中間電壓等級施加到柵極上可以減小或消除晶體管在較高應(yīng)力區(qū)域500中工作的時間。
在一些實施方案中,可以設(shè)置一個開關(guān)組件控制器以控制電壓變化的計時,從而可以避免高應(yīng)力狀態(tài)。設(shè)置開關(guān)組件控制器使得可在符合一特定應(yīng)力閾值的最小時間內(nèi)完成切換。圖5B表示包括這樣一個開關(guān)組件控制器的系統(tǒng)505。系統(tǒng)505包括第一晶體管開關(guān)520,可通過選擇性地將不同電壓等級施加到柵極510而接通和斷開第一晶體管開關(guān)520。例如,多級連接器525(可以是多級控制器的一部分)可以選擇性地將不同電壓施加到柵極510。
系統(tǒng)505包括第二晶體管開關(guān)550,可通過使用多級連接器515選擇性地將不同電壓等級施加到柵極555而接通和斷開第二晶體管開關(guān)550。電壓檢測器560測量源極-漏極電壓VDS,電壓檢測器560連接第一晶體管520的漏極522和第一晶體管520的源極523。類似地,電壓檢測器565可以測量第二開關(guān)550的VDS。電壓檢測器560的輸出可以提供給開關(guān)組件控制器562。
為了接通第一開關(guān)520,柵極電壓可以從令第一開關(guān)520斷開的第一電壓變化到第一中間電壓等級。電壓檢測器560將VDS輸出到開關(guān)組件控制器562。開關(guān)組件控制器562可以將電壓檢測器560所提供的VDS測量值與一個閾值VDS(閾值)相比較。當(dāng)VDS測量值在VDS(閾值)以下時,開關(guān)組件控制器562可以將一個信號提供到多級連接器525,以使柵極510的電壓從第一中間電壓等級變到第二中間電壓等級。上述過程可以重復(fù),直到在柵極510處的電壓等級足以完全接通第一開關(guān)520為止。可以利用同樣過程,以電壓檢測器565和開關(guān)組件控制器567來斷開和接通第二開關(guān)550。注意盡管在圖5B中電壓檢測器和開關(guān)組件控制器表示成為分立的,但它們并非必須是分立的。
如上所述,如果柵極電壓在切換到下一級之前未完全穩(wěn)定到所施加的中間電壓等級,則在柵極損耗中的實際改善可能小于理論數(shù)值。然而,若使用單獨(dú)一個多級控制器/晶體管系統(tǒng)就可能要求不切實際的長穩(wěn)定時間。圖6表示在一個這樣的系統(tǒng)中從其中一個存儲電容器流向大功率晶體管柵極的電流的關(guān)系。該電流呈現(xiàn)出大波峰和長穩(wěn)定時間。
圖7表示一個系統(tǒng)700的實施方案,該實施方案可提供較小電流波峰和較小穩(wěn)定時間。在系統(tǒng)700中不是使用單獨(dú)一個多級控制器/晶體管系統(tǒng),而是使用多個多級控制器/晶體管系統(tǒng)。也就是說,M個多級控制器710-1至710-M各自連接到切換晶體管730-1至730-M的柵極720-1至720-M。在一些實施方案中,控制器710-1至710-M各自選擇性地順序施加不同的電壓等級。例如,控制器710-1選擇性地順序施加電壓等級715-0(1)至715-N(1),而控制器710-2選擇性地順序施加電壓等級715-0(2)至715-N(2)。對于每個控制器來說,電壓等級的數(shù)量和/或數(shù)值可以是相同的或者是不同的。
可以選擇上述M數(shù)值以提供所希望的切換時間和波峰電流。在一些實施方案中,M可以在約10與約1000之間選擇。通過使用控制器710-1至710-M順序地施加不同電壓,可以更迅速地接通和斷開晶體管730-1至730-M而不在PWM輸出級的供電電壓上引入大的瞬態(tài)電流。
對于在諸如系統(tǒng)700之類的系統(tǒng)中,M=10和N=4的例子,圖8展示了當(dāng)晶體管的相關(guān)柵極從1/4Vs經(jīng)1/2Vs和3/4Vs切換到Vs時,在電荷存儲器件與該晶體管的相關(guān)柵極之間的電流流動。在t0處,經(jīng)控制器710-1施加的電壓從1/4Vs切換到1/2Vs。在一個可能小于所示的第一晶體管的穩(wěn)定時間的時間間隔Δt之后,經(jīng)控制器710-2施加的電壓從1/4Vs切換到1/2Vs。經(jīng)控制器710-3至710-10施加的電壓順序從1/4Vs切換到1/2Vs。由于各個晶體管730-1至730-10相對小,所以每個晶體管的穩(wěn)定時間tsettle以及波峰電流ipeak比在其中使用單個大晶體管的情況顯著減小。
在時刻t1處,經(jīng)控制器710-1施加的電壓從1/2Vs切換到3/4Vs。間隔(t1-t0)可能小于將經(jīng)所有控制器710-1至710-10施加的電壓切換到1/2Vs(如圖8所示)需要的時間,或者可能與切換經(jīng)所有控制器施加的電壓需要的時間相同或大于該時間。經(jīng)其余控制器施加的電壓然后可以從1/2Vs切換到3/4Vs。類似地,在時刻t2處,經(jīng)控制器710-1施加的電壓從3/4Vs切換到Vs,經(jīng)其余控制器710-2至710-10施加的電壓順序從3/4Vs切換到Vs。
盡管所用的時間可以變化,但在一些實施方案中,Δt可以處于約50皮秒的量級,(t1-t0)可以處于約半納秒的量級,而從高壓到低壓(或相反)的過渡可能處于約5納秒的量級。
在一些實施方案中,經(jīng)一些控制器施加的電壓可以以少于全部N個電壓等級的步數(shù)而步進(jìn),或直接在接通電壓與斷開電壓之間步進(jìn)。這可以減小在高與低壓級之間的過渡中花費(fèi)的時間。圖9表示一種實施方案,其中多級控制器910-1和910-4從0伏的低電壓經(jīng)三個中間電壓等級(1/4Vs、1/2Vs和3/4Vs)切換到高電壓Vs。
在圖9所示系統(tǒng)中,不是選擇性地施加所有中間電壓等級,而是使得經(jīng)一個控制器910-2施加的電壓從低電壓(在本例中為0V)直接切換到高電壓Vs。經(jīng)控制器910-3施加的電壓通過單獨(dú)一個中間電壓1/2Vs切換。盡管在圖9中控制器910-2和910-3的結(jié)構(gòu)表示為與控制器910-1和910-4的結(jié)構(gòu)不同,但在一些實施方案中,各個控制器可以具有相同結(jié)構(gòu)。在這樣一種實施方案中,經(jīng)特定控制器順序施加的電壓等級可以例如利用軟件來確定。
通過減小在斷開第一開關(guān)與接通第二開關(guān)之間的過渡時間(“死區(qū)時間”)可以得到更快的響應(yīng)時間。通過使開關(guān)之間的過渡區(qū)重疊也可以減小死區(qū)時間。
在一個例子中,第一開關(guān)可以是一個NMOS晶體管,而第二開關(guān)可以是一個PMOS晶體管。在接通PMOS晶體管之前,施加到NMOS晶體管的柵極上的電壓從Von(N)經(jīng)中間電壓等級步進(jìn)到Voff(N)。為了減小死區(qū)時間,可以在施加到NMOS晶體管的柵極上的電壓達(dá)到Voff(N)之前,開始接通PMOS晶體管的過程。例如,當(dāng)施加到NMOS晶體管柵極上的電壓處于中間級而不是Voff(N)時,施加到PMOS晶體管柵極上的電壓可以從Voff(P)變到第一中間電壓等級。
由于PMOS晶體管幾乎未接通,所以顯著減小了在器件過渡期間大短路電流產(chǎn)生的危險。在一些實施方案中,可以選擇最低電壓等級的數(shù)值以便于這種過渡。
圖10表明這種過程。在本例子中,NMOS晶體管在時刻t0是接通的,所施加的電壓等于VS。在時刻t1,施加到NMOS晶體管柵極的電壓從VS減小到3/4VS。在時刻t2,該電壓從3/4VS減小到1/2VS。
在時刻t3,施加到NMOS晶體管柵極的電壓從1/2VS減小到1/4VS。在大約相同時刻,施加到PMOS晶體管柵極的電壓從Voff(P)減小到第一中間電壓等級(本例中就是從0V減小到約-1/4VS)。因而,可以把死區(qū)時間減小約等于穩(wěn)定時間的數(shù)值。
以上已經(jīng)描述了多種實施方案。盡管如此,應(yīng)理解可以對上述各實施方案進(jìn)行各種修改,而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如,盡管為說明而描述了降壓配置,但所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以與DC/DC轉(zhuǎn)換器的其它實施方案一起使用。因而,這類其它實施方案仍屬于所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種DC/DC變換器,包括第一開關(guān),第一開關(guān)響應(yīng)在第一控制終端處的接通電壓而在第一輸出終端上輸出第一電壓,其中第一控制終端選擇性地接到N個不同電壓之一,其中N>2;和第二開關(guān),第二開關(guān)響應(yīng)在第二控制終端處的接通電壓而在與第一輸出終端相連的第二輸出終端上輸出第二電壓,其中第二控制終端選擇性地接到M個不同電壓之一,其中M>1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器,其特征在于第一開關(guān)包括第一晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器,其特征在于進(jìn)一步包括N個電壓源,各個所述電壓源各自供給N個不同電壓之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器,其特征在于第一開關(guān)包括具有源極和漏極的晶體管,并且進(jìn)一步包括檢測在該源極與該漏極之間的電位差的電壓檢測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變換器,其特征在于進(jìn)一步包括一個開關(guān)組件控制器,該開關(guān)組件控制器響應(yīng)所述電壓檢測器且進(jìn)一步耦合到第一控制終端,并且其中第一控制終端按照該開關(guān)組件控制器選擇性地接到N>2個不同電壓之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器,其特征在于進(jìn)一步包括與第一控制終端相連的第一多級控制器,第一多級控制器包括從n=1到n=N的N個驅(qū)動器,每一個所述驅(qū)動器選擇性地將N個不同電壓中的一個不同電壓Vn施加到第一控制終端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器,其特征在于進(jìn)一步包括與第二控制終端相連的第二多級控制器,第二多級控制器包括從m=1到m=N的M個驅(qū)動器,每一個所述驅(qū)動器選擇性地將M個不同電壓中的一個不同電壓Vm施加到第二控制終端。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器,其特征在于第一多級控制器包括一個切換機(jī)構(gòu),其將N>2個不同電壓選擇性地施加到第一控制終端。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器,其特征在于所述N個驅(qū)動器中至少有一個包含相關(guān)電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變換器,其特征在于第一多級控制器至少有一部分包含在一個集成電路中,并且其中所述N個驅(qū)動器中至少有一個的相關(guān)電容包含一個電容器的電容,而該電容器未包含在所述集成電路中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的變換器,其特征在于第一開關(guān)包括具有柵極和源極且?guī)в邢嚓P(guān)電容Cgs的晶體管,并且其中未包含在所述集成電路中的該電容器的電容大于Cgs。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的變換器,其特征在于所述N個驅(qū)動器中至少有一個的相關(guān)電容進(jìn)一步包括所述集成電路中的一個或多個元件的芯片上電容。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的變換器,其特征在于該電容器是P個電容器之一,并且其中該P(yáng)個電容器中的每一個電容器的電容包含在所述N個驅(qū)動器中至少一個的相關(guān)電容中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變換器,其特征在于P小于N。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變換器,其特征在于P大于或等于N。
16.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器,其特征在于第一開關(guān)包括PMOS晶體管,其中第一控制終端是該P(yáng)MOS晶體管的柵極,并且其中所述N個驅(qū)動器包括三個驅(qū)動器,用以選擇性地施加令該P(yáng)MOS晶體管斷開的電壓V1、令該P(yáng)MOS晶體管接通的電壓V3、及介于V1與V3之間的中間電壓V2。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的變換器,其特征在于所述N個驅(qū)動器進(jìn)一步包括選擇性地施加另一個中間電壓V4的第四驅(qū)動器,并且其中V4介于V1與V3之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器,其特征在于第一開關(guān)包括NMOS晶體管,其中第一控制終端是該NMOS晶體管的柵極,并且其中所述N個驅(qū)動器包括三個驅(qū)動器,用以選擇性地施加令該NMOS晶體管接通的電壓V1、令該NMOS晶體管接通的電壓V3、及介于V1與V3之間的中間電壓V2。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的變換器,其特征在于所述N個驅(qū)動器進(jìn)一步包括選擇性地施加另一個中間電壓V4的第四驅(qū)動器,并且其中V4介于V1與V3之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求6所述的變換器,其特征在于所述N個驅(qū)動器選擇性地施加不同電壓Vn的時間足以使在第一控制終端處的電壓基本上與Vn平衡。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器,其特征在于第一開關(guān)包括在第一切換組件中,第一切換組件包括I個開關(guān),該I個開關(guān)各自響應(yīng)在相關(guān)控制終端處的接通電壓而在相關(guān)輸出終端上輸出電壓,與第一切換組件輸出終端相連的相關(guān)輸出終端各自配置成對負(fù)載輸出電壓,該I個開關(guān)中的一個或多個開關(guān)進(jìn)一步包括相關(guān)多級控制器,該相關(guān)多級控制器耦合至相關(guān)控制終端,第i個該相關(guān)多級控制器包括N(i)個驅(qū)動器,n(i)=1到n(i)=N(i)個驅(qū)動器中的每一個驅(qū)動器選擇性地將不同電壓Vn(i)施加到相關(guān)控制終端,其中對于該I個開關(guān)中的至少一個開關(guān)N(i)大于2。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的變換器,其特征在于第二開關(guān)包括在第二切換組件中,第二切換組件包括J個開關(guān),該J個開關(guān)各自響應(yīng)在相關(guān)控制終端處的接通電壓而在相關(guān)輸出終端上輸出電壓,與第二切換組件輸出終端相連的相關(guān)輸出終端各自耦合至第一切換組件輸出終端,該J個開關(guān)中的一個或多個開關(guān)也可以包括相關(guān)多級控制器,該相關(guān)多級控制器耦合至相關(guān)控制終端,第j個該相關(guān)多級控制器包括N(j)個驅(qū)動器,n(j)=1到n(j)=N(j)個驅(qū)動器中的每一個驅(qū)動器選擇性地將不同電壓Vn(j)施加到相關(guān)控制終端上,其中對于該J個開關(guān)中的至少一個開關(guān)N(j)大于2。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的變換器,其特征在于所述I個開關(guān)包括I個晶體管,并且其中所述相關(guān)控制終端包括相關(guān)晶體管的柵極。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的變換器,其特征在于該I個開關(guān)中的每一個開關(guān)包括耦合至所述相關(guān)控制終端的相關(guān)多級控制器。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的變換器,其特征在于N(i)對于每個所述相關(guān)多級控制器是相同的。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的變換器,其特征在于N(i)對于至少一部分所述相關(guān)多級控制器是不同的。
27.一種直流對直流功率變換方法,該方法包括交替地在包括I個開關(guān)的第一切換組件的輸出端產(chǎn)生第一輸出電壓而在包括J個開關(guān)的第二切換組件的輸出端產(chǎn)生第二輸出電壓,第一切換組件的輸出端與第二切換組件的輸出端相連,其中產(chǎn)生第一輸出電壓包括接通第一切換組件,并且其中接通第一切換組件包括選擇性地將從n(i)=1到n(i)=N(i)個不同電壓Vn(i)施加到I個開關(guān)中第i個開關(guān)的相關(guān)控制終端,其中選擇性地施加不同電壓Vn(i)包括施加令第i個開關(guān)斷開的電壓V1(i)、再施加一個中間電壓Vint(i)、及其后施加令第i個開關(guān)接通的電壓VN(i),其中Vint(i)介于V1(i)與VN(i)之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其特征在于產(chǎn)生第二輸出電壓包括接通第二切換組件,并且其中接通第二切換組件包括選擇性地將從m(j)=1到m(j)=M(j)個不同電壓Vm(j)施加到J個開關(guān)中的第j個開關(guān)的相關(guān)控制終端上,其中選擇性地施加不同電壓Vm(j)包括施加令第j個開關(guān)斷開的電壓V1(j)、再施加一個中間電壓Vint(j)、及其后施加令第j個開關(guān)接通的電壓VM(j),其中Vint(j)介于V1(j)與VM(j)之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其特征在于進(jìn)一步包括濾波第一輸出電壓和第二輸出電壓以產(chǎn)生基本直流電壓。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其特征在于接通第一切換組件包括選擇性地將電壓V2(i)=V2依次施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)和將電壓V3(i)=V3施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法,其特征在于選擇性地將電壓V2依次施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)和將電壓V3施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)包括將電壓V3施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)且同時將電壓V2施加到I個開關(guān)中多個開關(guān)的不同一個上。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法,其特征在于選擇性地將電壓V2依次施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)包括將電壓V2順序施加到從i=1至i=I個開關(guān)中的每一個開關(guān),并且其中將電壓V3施加到I個開關(guān)中的多個開關(guān)包括將電壓V3順序施加到I個開關(guān)中的每一個開關(guān),而且其中將電壓V3施加到I個開關(guān)中的至少一個開關(guān)并同時將電壓V2施加到I個開關(guān)中多個開關(guān)的不同一個上包括在將電壓V2施加到i=I開關(guān)之前將電壓V3施加到i=1開關(guān)。
33.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其特征在于產(chǎn)生第二輸出電壓包括接通第二切換組件,并且其中接通第二切換組件包括選擇性地將從m(j)=1到m(j)=M(j)個不同電壓Vm(j)施加到J個開關(guān)中的第j個開關(guān)的相關(guān)控制終端,其中選擇性地施加不同電壓Vm(j)包括施加令第j個開關(guān)斷開的電壓V1(j)、再施加中間電壓Vint(j)、及其后施加令第j個開關(guān)接通的電壓VM(j),其中Vint(j)介于V1(j)與VM(j)之間;并且其中交替地在第一切換組件的輸出端產(chǎn)生第一輸出電壓和在第二切換組件的輸出端產(chǎn)生第二輸出電壓包括接通第一切換組件,同時選擇性地將電壓Voff(j)施加到從j=1到J=J開關(guān)中的每一個開關(guān),其中Voff(j)是令相應(yīng)第j個開關(guān)斷開的電壓。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其特征在于產(chǎn)生第二輸出電壓包括接通第二切換組件,并且其中接通第二切換組件包括選擇性地將從m(j)=1到m(j)=M(j)個不同電壓Vm(j)施加到J個開關(guān)中的第j個開關(guān)的相關(guān)控制終端,其中選擇性地施加不同電壓Vm(j)包括施加令第j個開關(guān)斷開的電壓V1(j)、再施加中間電壓Vint(j)、及其后施加令第j個開關(guān)接通的電壓VM(j),其中Vint(j)介于V1(j)與VM(j)之間;并且其中交替地在第一切換組件的輸出端產(chǎn)生第一輸出電壓和在第二切換組件的輸出端產(chǎn)生第二輸出電壓包括接通第一切換組件,同時選擇性地將不同于V1(j)的電壓施加到從j=1到J=J開關(guān)中的至少一個開關(guān)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法,其特征在于所述不同于V1(j)的電壓是V2(j)。
36.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法,其特征在于V2(j)是令從j=1到J=J開關(guān)中相應(yīng)的至少一個開關(guān)接通的電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種直流對直流(DC/DC)變換器,其包括分別響應(yīng)在第一和第二控制終端的適當(dāng)接通電壓而在第一和第二輸出終端輸出電壓。第一控制終端可選擇性地接到N>2個不同電壓之一。該轉(zhuǎn)換器可包括耦合至第一控制終端的第一多級控制器,該控制器包括N個驅(qū)動器以選擇性地將上述N>2個不同電壓施加到第一控制終端。
文檔編號H02M3/158GK1531177SQ20031010178
公開日2004年9月22日 申請日期2003年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月25日
發(fā)明者S·蘇塔迪亞, S 蘇塔迪亞 申請人:馬維爾國際貿(mào)易有限公司