一種避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源，包括驅(qū)動回路，所述驅(qū)動回路包括功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端和柵極端和控制門，其中控制門與功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的柵極端相連接，功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端再與控制門相連接。本發(fā)明提供的該開關(guān)電源，能夠避免驅(qū)動回路和功率回路在源極的共同的引腳引起的耦合效應(yīng)，從而減小切換功率損失提高電源效率。
【專利說明】一種避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源，具體地說，涉及一種能夠避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)電源中，功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),是一種可以廣泛使用在開關(guān)電源中的場效晶體管(field-effect transistor)。開關(guān)電源包括驅(qū)動回路和功率回路，其中驅(qū)動回路驅(qū)動對功率MOSFET的輸入端電容充電或者放電，以使功率MOSFET導(dǎo)通或者截止，而功率回路是大的加載電流生成的主要路徑。驅(qū)動回路和功率回路在源極有共同的引腳，這使驅(qū)動回路和功率回路之間產(chǎn)生耦合效應(yīng)，尤其當(dāng)加載較大的電流時，切換時的功率損失顯著增加。
[0003]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)電源100中的電路連接關(guān)系示意圖，該圖示出了降壓模式(為電源電壓高于輸出電壓的模式，也成為“Buck Mode”),該開關(guān)電源100包括輸入電容107、控制門108、MOSFET 105和M0SFET109、電感104、和輸出電容111，圖中還示出了等效電阻106和等效電阻110、寄生電感101、寄生電感102、寄生電感103和寄生電感112。其中，MOSFET 105可以為功率M0SFET，開關(guān)電源100通過控制功率M0SFET105和MOSFET 109交錯通斷，實現(xiàn)直流高電壓到直流低電壓的轉(zhuǎn)換。其中，功率MOSFET 105、等效電阻106、控制門108和寄生電感102組成了驅(qū)動回路113，寄生電感101、功率MOSFET 105、寄生電感102、電感104以及所供電的其它電路元件負(fù)載115組成了功率回路114。如圖所示,驅(qū)動回路113與功率回路114的公共部分為寄生電感102所在導(dǎo)線的區(qū)域。
[0004]在對源極的寄生電感102上發(fā)生的耦合效應(yīng)進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動回路和功率回路在在源極的寄生電感102的區(qū)域上共享一段電路，從而發(fā)生了影響電源效率的耦合效應(yīng)。根據(jù)公式dV=L_ple*(dIpsl/dt)，其中，Lcouple是共享電感，Ipsl是功率回路的電流，由于dlpsl/dt會很大(大約30A/10ns)，功率回路將會較大地影響驅(qū)動回路，所以當(dāng)加大加載電流時會引起很大的切換功率損失。
[0005]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中升壓模式(電源電壓高于輸出電壓的模式，也成為“BoostMode”)的開關(guān)電源200中的電路連接關(guān)系示意圖，該開關(guān)電源200包括輸入電容211、控制門208、MOSFET 205和MOSFET 209、電感204、和輸出電容207，圖中還示出了等效電阻206和等效電阻210、寄生電感201、寄生電感102、寄生電感203和寄生電感212。其中，M0SFET205可以為功率M0SFET，開關(guān)電源200通過控制功率M0SFET205和MOSFET 209交錯通斷，實現(xiàn)直流低電壓到直流高電壓的轉(zhuǎn)換。其中，功率MOSFET 205、等效電阻206、控制門208和寄生電感202組成了驅(qū)動回路，寄生電感201、功率MOSFET 205、寄生電感202、電感204以及所供電的其它電路元件負(fù)載215組成了功率回路。由圖可見，驅(qū)動回路與功率回路的公共部分為寄生電感202所在的區(qū)域。與圖1中的降壓模式的開關(guān)電源類似，在圖2示出的升壓模式的開關(guān)電源200中，功率MOSFET 205的源極附近的寄生電感202所在的區(qū)域也存在耦合效應(yīng)，該耦合效應(yīng)同樣也引起很大的切換功率損失。[0006]所以，改進(jìn)現(xiàn)有功率MOSFET封裝中的電路結(jié)構(gòu)，以避免其所在的開關(guān)電源中的驅(qū)動回路和功率回路在該功率MOSFET源極的共同的引腳引起的耦合效應(yīng)，從而減小切換功率損失提聞電源效率是當(dāng)如亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源，包括驅(qū)動回路，其特征在于，所述驅(qū)動回路包括功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端和柵極端和控制門，其中控制門與功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的柵極端相連接，功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端再與控制門相連接。
[0008]優(yōu)選地，所述開關(guān)電源還包括功率回路，所述功率回路包括所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的漏極端和源極端。
[0009]優(yōu)選地，所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管由多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成。
[0010]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端相互連接作為所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的獨立的襯底端。
[0011]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管相互并聯(lián)連接。
[0012]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為兩個。
[0013]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為三個。
[0014]優(yōu)選地，所述開關(guān)電源為降壓模式的開關(guān)電源。
[0015]優(yōu)選地，所述開關(guān)電源為升壓模式的開關(guān)電源。
[0016]本發(fā)明另一方面提供了一種開關(guān)電源的制造方法，所述開關(guān)電源包括驅(qū)動回路和功率回路，其特征在于將所述驅(qū)動回路和所述功率回路相互分離。
[0017]優(yōu)選地，所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管由多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成。
[0018]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端相互連接作為所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的獨立的襯底端。
[0019]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管相互并聯(lián)連接。
[0020]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為兩個。
[0021]優(yōu)選地，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為三個。
[0022]優(yōu)選地，所述開關(guān)電源為降壓模式的開關(guān)電源。
[0023]優(yōu)選地，所述開關(guān)電源為升壓模式的開關(guān)電源。
[0024]本發(fā)明提供的開關(guān)電源，能夠避免驅(qū)動回路和功率回路在源極的共同的引腳引起的耦合效應(yīng)，從而減小切換功率損失提高電源效率。
[0025]本發(fā)明的其它功能和優(yōu)點將在下面的說明書中闡述，部分將由說明書明顯看出，或者從發(fā)明的實踐中得知。本發(fā)明的優(yōu)點將由書面的說明、權(quán)力要求書和附圖特別指出的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和得到。應(yīng)該理解的是上述概括性說明和后述的詳細(xì)說明是示例性的和解釋性的，意圖提供對于本發(fā)明權(quán)力要求的更進(jìn)一步的解釋。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]附圖提供了對于本發(fā)明更進(jìn)一步的理解，并入說明書中并構(gòu)成說明書的一部分，解釋本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0027]附圖中:
[0028]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中降壓模式的開關(guān)電源中的電路連接關(guān)系示意圖；
[0029]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中升壓模式的開關(guān)電源中的電路連接關(guān)系示意圖；
[0030]圖3示出了本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4示出了本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5示出了使用本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片的降壓模式的開關(guān)電源中的電路連接關(guān)系不意圖；
[0033]圖6示出了使用本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片的升壓模式的開關(guān)電源中的電路連接關(guān)系不意圖。
【具體實施方式】
[0034]在本申請中，將圍繞一種避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源來描述示范性實施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，下面的描述僅僅是示例性的而并非意圖進(jìn)行任何方式的限定。受益于本申請的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易獲得其他實施例的啟示?，F(xiàn)在，將更為詳細(xì)地描述如附圖中所示的示范性實施例的實施方式。貫穿全部附圖以及下列描述，相同的附圖標(biāo)記將盡可能用于表示相同或相似的對象。
[0035]現(xiàn)在將詳細(xì)地引用本發(fā)明優(yōu)選的實施例，其實例在附圖中示出。
[0036]針對前述現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)電源內(nèi)部耦合效應(yīng)引起功率損失的問題，本發(fā)明對開關(guān)電源內(nèi)部的功率MOSFET芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。圖3示出了本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片300內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，功率MOSFET芯片300內(nèi)部有多個獨立的M0SFET，例如M0SFET304、M0SFET305、M0SFET306等，它們相互以并聯(lián)的方式連接。在本發(fā)明的一個實施例中，將功率MOSFET芯片300內(nèi)部的多個M0SFET，例如，M0SFET304、M0SFET305、M0SFET306等的襯底端相互連接并且單獨引出，作為功率MOSFET芯片300的一個獨立的襯底端307，從而使功率MOSFET芯片300成為為包括漏極端301、柵極端302、源極端303和襯底端307的四端結(jié)構(gòu)，這樣在開關(guān)電源中，柵極端和襯底端構(gòu)成了獨立的驅(qū)動回路，與源極端所在的功率回路相互分開，從而避免了耦合效應(yīng)的發(fā)生。這種方式可以提高開關(guān)電源中功率MOSFET芯片的開關(guān)特性，消除開關(guān)電源中的耦合現(xiàn)象和功率MOSFET芯片內(nèi)部的耦合特性。
[0037]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的功率MOSFET芯片400內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，功率MOSFET芯片400內(nèi)部有兩個獨立的M0SFET，即MOSFET 404、MOSFET405，它們相互以并聯(lián)的方式連接。在本發(fā)明的一個實施例中，將功率MOSFET芯片400內(nèi)部的兩個獨立的M0SFET，即MOSFET 404、MOSFET 405的襯底端相互連接并且單獨引出，作為功率MOSFET芯片400的一個獨立的襯底端407，從而使功率MOSFET芯片400成為為包括漏極端401、柵極端402、源極端403和襯底端407的四端結(jié)構(gòu)。類似地，當(dāng)功率MOSFET芯片的內(nèi)部有四個或者四個以上的獨立的MOSFET并聯(lián)構(gòu)成時，也可以用上述方式，對功率MOSFET芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將功率MOSFET芯片的襯底端單獨引出，成為一端。這樣在開關(guān)電源中，柵極端和襯底端構(gòu)成了獨立的驅(qū)動回路，與源極端所在的功率回路相互分開，從而避免了稱合效應(yīng)的發(fā)生。提聞開關(guān)電源中功率MOSFET芯片的開關(guān)特性，消除開關(guān)電源中的耦合現(xiàn)象和功率MOSFET芯片內(nèi)部的耦合特性。
[0038]圖5示出了使用本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片的開關(guān)電源500中的電路連接關(guān)系示意圖。如圖所示，該圖示出了降壓模式(為電源電壓高于輸出電壓的模式，也成為“Buck Mode”)，該開關(guān)電源500包括輸入電容507、控制門508、M0SFET 505和MOSFET 509、電感504、和輸出電容511，圖中還示出了等效電阻506和等效電阻510、寄生電感501、寄生電感502、寄生電感503和寄生電感512。其中，MOSFET 505為功率M0SFET，開關(guān)電源500通過控制功率MOSFET 505和MOSFET 509交錯通斷，實現(xiàn)直流高電壓到直流低電壓的轉(zhuǎn)換。其中，功率MOSFET 505、等效電阻506、控制門508和寄生電感202組成了新的驅(qū)動回路513，寄生電感501、功率MOSFET 505、寄生電感502、電感504以及所供電的其它電路元件負(fù)載515組成了功率回路514。通過前述的實施例中的方式，對開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，從而改變了驅(qū)動回路513的連接方式，使驅(qū)動回路513避開了寄生電感502，從而避免了驅(qū)動回路513和功率回路514之間的在寄生電感502處發(fā)生的耦合效應(yīng)。
[0039]圖6示出了使用本發(fā)明所提供的功率MOSFET芯片600的開關(guān)電源600中的電路連接關(guān)系示意圖。如圖所示，該圖示出了升壓模式(為電源電壓低于輸出電壓的模式，也成為“Boost Mode”)，該開關(guān)電源600包括輸入電容611、控制門608、MOSFET 605和MOSFET609、電感604、和輸出電容607，圖中還示出了等效電阻606和等效電阻610、寄生電感601、寄生電感602、寄生電感603和寄生電感612。其中，MOSFET 605為本發(fā)明所提供的功率M0SFET，開關(guān)電源600通過控制功率MOSFET 605和MOSFET 609交錯通斷，實現(xiàn)直流高電壓到直流低電壓的轉(zhuǎn)換。其中，功率MOSFET 605、等效電阻606、控制門608組成了新的驅(qū)動回路，電感604、寄生電感602、功率MOSFET 605、寄生電感601以及所供電的其它電路元件負(fù)載615組成了功率回路。由圖可見，通過使用前述實施例中提供的功率MOSFET 605，在升壓模式的開關(guān)電源600的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動回路也可以與功率回路分離，從而避免了驅(qū)動回路和功率回路之間的在寄生電感602處發(fā)生的耦合效應(yīng)。
[0040]由此可見，在其它芯片或者電路結(jié)構(gòu)中，如果有多個回路存在耦合的可能，可以改進(jìn)芯片或封裝內(nèi)的結(jié)構(gòu)或者電路結(jié)構(gòu)，以保持每個回路的單點連接，減小不同回路之間的共享部分，因為共享部分的電抗會導(dǎo)致不同回路之間相互耦合和影響，如果單點連接，共享電抗為零，則顯著減少可以耦合現(xiàn)象的發(fā)生。
[0041]綜上所述，本發(fā)明提供的功率MOSFET芯片以及使用該功率MOSFET芯片的開關(guān)電源，能夠避免驅(qū)動回路和功率回路在源極的共同的引腳引起的耦合效應(yīng)，從而減小切換功率損失，提聞開關(guān)電源的供電效率。
[0042]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
【權(quán)利要求】
1.一種避免耦合效應(yīng)的開關(guān)電源，所述開關(guān)電源包括驅(qū)動回路，其特征在于，所述驅(qū)動回路包括功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端和柵極端和控制門，其中控制門與功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的柵極端相連接，功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端再與控制門相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，還包括功率回路，所述功率回路包括所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的漏極端和源極端。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管由多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端相互連接作為所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的獨立的襯底端。
5.如權(quán)利要求4所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管相互并聯(lián)連接。
6.如權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為兩個。
7.如權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為三個。
8.如權(quán)利要求1-7中任意一項所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述開關(guān)電源為降壓模式的開關(guān)電源。
9.如權(quán)利要求1-7中任意一項所述的開關(guān)電源，其特征在于，所述開關(guān)電源為升壓模式的開關(guān)電源。
10.一種開關(guān)電源 的制造方法，所述開關(guān)電源包括驅(qū)動回路，其特征在于，所述驅(qū)動回路包括功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端和柵極端和控制門，其中控制門與功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的柵極端相連接，功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端再與控制門相連接。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述開關(guān)電源還包括功率回路，所述功率回路制成包括所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的漏極端和源極端。。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管由多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，將所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的襯底端相互連接并單獨引出作為所述功率金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的獨立的襯底端。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管相互并聯(lián)連接。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為兩個。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述多個金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管的數(shù)目為三個。
17.如權(quán)利要求10-16中任意一項所述的方法，其特征在于，所述開關(guān)電源為降壓模式的開關(guān)電源。
18.如權(quán)利要求10-16中任意一項所述的方法，其特征在于，所述開關(guān)電源為升壓模式的開關(guān) 電源。
【文檔編號】H02M3/155GK103427638SQ201210149580
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月14日
【發(fā)明者】趙宇, 孫翔, 王飛, 陳東 申請人:輝達(dá)公司