功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)級(jí)中的電荷恢復(fù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)級(jí)中的電荷恢復(fù)。功率轉(zhuǎn)換器包括：第一晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)向負(fù)載提供電流；第二晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)回轉(zhuǎn)電感器電流或從負(fù)載吸收電流；以及驅(qū)動(dòng)電路。所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在第一時(shí)期期間接通第一晶體管并且斷開(kāi)第二晶體管，在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管并且接通第二晶體管，以及在第一和第三時(shí)期之間的兩個(gè)晶體管浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將第一晶體管的柵極連接到第二晶體管的柵極。
【專利說(shuō)明】功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)級(jí)中的電荷恢復(fù)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)級(jí)，特別是功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)級(jí)中的電荷恢復(fù)。
【背景技術(shù)】
[0002]開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器由于其高效率和小尺寸而被廣泛用于高功率應(yīng)用。轉(zhuǎn)換器效率在低功率水平和中等功率水平處日益重要。例如，降壓轉(zhuǎn)換器尤其非常適合于在由現(xiàn)有技術(shù)的高性能集成電路(諸如微處理器、圖形處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器)所需要的低電壓下提供高電流。通常，典型地利用有源組件(諸如脈沖寬度調(diào)制控制器(PWM)、驅(qū)動(dòng)器、功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管))和無(wú)源組件(諸如電感器、變壓器或耦合電感器、電容器和電阻器)來(lái)實(shí)施降壓轉(zhuǎn)換器。
[0003]大多數(shù)傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器使用直接驅(qū)動(dòng)以用于接通功率級(jí)的M0SFET。典型地，用于柵極驅(qū)動(dòng)過(guò)程的能量然后被消耗。一些傳統(tǒng)的方法試圖通過(guò)在外部電容器中存儲(chǔ)能量來(lái)恢復(fù)柵極驅(qū)動(dòng)能量的一部分，這增加了驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜度，因?yàn)樾枰郊拥墓苣_和外部組件。存儲(chǔ)電容可以改為被集成在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，但是這樣做增加了驅(qū)動(dòng)電路的尺寸和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]根據(jù)本文中所描述的實(shí)施例，功率級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的高側(cè)晶體管的柵極電荷被恢復(fù)并且被用于直接對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路的低側(cè)晶體管進(jìn)行預(yù)充電。沒(méi)有附加的外部或內(nèi)部電容器被用于存儲(chǔ)高側(cè)晶體管的柵極電荷。相反，高側(cè)晶體管的柵極電容被用于直接將低側(cè)晶體管預(yù)充電到低于其接通閾值的安全水平。
[0005]根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例，功率轉(zhuǎn)換器包括:第一晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)向負(fù)載提供(source)電流；第二晶體管,其可操作成當(dāng)被接通時(shí)回轉(zhuǎn)(freewheel)電感器電流或從負(fù)載吸收電流；以及驅(qū)動(dòng)電路。所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在第一時(shí)期期間接通第一晶體管并且斷開(kāi)第二晶體管，在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管并且接通第二晶體管，以及在第一和第三時(shí)期之間的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將第一晶體管的柵極連接到第二晶體管的柵極。
[0006]根據(jù)操作功率轉(zhuǎn)換器的方法的實(shí)施例，所述方法包括:通過(guò)電感器將高側(cè)晶體管耦合到負(fù)載；通過(guò)電感器將低側(cè)晶體管耦合到負(fù)載；在第一時(shí)期期間接通高側(cè)晶體管并且斷開(kāi)低側(cè)晶體管；在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管并且接通低側(cè)晶體管；以及在第一和第三時(shí)期之間的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極。
[0007]根據(jù)功率轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例，所述功率轉(zhuǎn)換器包括:高側(cè)晶體管，其用于通過(guò)電感器耦合到負(fù)載；低側(cè)晶體管，其用于通過(guò)電感器耦合到負(fù)載；以及驅(qū)動(dòng)電路。所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在不同時(shí)期接通和斷開(kāi)高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管以向負(fù)載供應(yīng)功率，以及在高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置時(shí)的時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極，使得存儲(chǔ)在高側(cè)晶體管的柵極至源極電容中的能量被直接傳輸?shù)降蛡?cè)晶體管的柵極至源極電容。
[0008]根據(jù)同步降壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例，所述同步降壓轉(zhuǎn)換器包括:輸出電感器，其用于耦合到負(fù)載；第一晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)通過(guò)輸出電感器向負(fù)載提供電流；第二晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)回轉(zhuǎn)電感器電流或通過(guò)電感器從負(fù)載吸收電流；以及驅(qū)動(dòng)電路。所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在第一時(shí)期期間接通第一晶體管并且斷開(kāi)第二晶體管，在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管并且接通第二晶體管，以及在第一和第三時(shí)期之間的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將第一晶體管的柵極連接到第二晶體管的柵極。
[0009]根據(jù)功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)施例，所述功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器包括:電路，其可操作成在不同時(shí)期接通和斷開(kāi)高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管以向負(fù)載供應(yīng)功率，以及在高側(cè)晶體管的柵極浮置并且低側(cè)晶體管的柵極至源極電壓低于低側(cè)晶體管閾值電壓時(shí)的時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極，使得存儲(chǔ)在高側(cè)晶體管的柵極至源極電容中的能量被直接傳輸?shù)降蛡?cè)晶體管。
[0010]本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將在閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)并且在查看附圖時(shí)認(rèn)識(shí)到附加的特征和優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]附圖的元素不必相對(duì)于彼此按比例縮放。同樣的附圖標(biāo)記表明對(duì)應(yīng)的類似部分。各種說(shuō)明的實(shí)施例的特征可以被組合，除非它們互相排斥。在附圖中描繪實(shí)施例并且在以下的描述中詳述實(shí)施例。
[0012]圖1圖示了具有電荷恢復(fù)的功率轉(zhuǎn)換器的框圖。
[0013]圖2圖不了具有電荷恢復(fù)的功率轉(zhuǎn)換器的另一框圖。
[0014]圖3圖不了用于具有電荷恢復(fù)的功率轉(zhuǎn)換器的信號(hào)時(shí)序圖。
[0015]圖4圖示了用于功率轉(zhuǎn)換器的電荷恢復(fù)的實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]在本文中描述的實(shí)施例通過(guò)使用功率級(jí)的高側(cè)晶體管的柵極電荷來(lái)對(duì)功率級(jí)的低側(cè)晶體管直接進(jìn)行預(yù)充電，從而在功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)級(jí)中提供電荷恢復(fù)。在本文中描述的直接電荷恢復(fù)技術(shù)可以被應(yīng)用于一些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)，包括:降壓；升壓-降壓；推挽式；半橋；全橋。降壓轉(zhuǎn)換器將DC電壓減小到更低的DC電壓。升壓-降壓轉(zhuǎn)換器生成在極性方面與輸入相反的輸出電壓。推挽式轉(zhuǎn)換器是在低輸入電壓下尤其有效的雙晶體管轉(zhuǎn)換器。半橋轉(zhuǎn)換器是被用在許多離線應(yīng)用中的雙晶體管轉(zhuǎn)換器。全橋轉(zhuǎn)換器是通常被用在可以生成非常高的輸出功率的離線設(shè)計(jì)中的四晶體管轉(zhuǎn)換器。
[0017]對(duì)于每種類型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)，通過(guò)使用高側(cè)晶體管的柵極電容來(lái)對(duì)功率級(jí)的低側(cè)晶體管直接進(jìn)行預(yù)充電，從而提供有效操作。低側(cè)晶體管被預(yù)充電到低于其接通閾值的安全水平以防止對(duì)低側(cè)晶體管的無(wú)意接通并且確保功率級(jí)的適當(dāng)操作。
[0018]接下來(lái)描述的是在同步降壓功率轉(zhuǎn)換器的情境中解釋的直接電荷恢復(fù)技術(shù)的實(shí)施例。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是，在本文中所描述的直接電荷恢復(fù)實(shí)施例可以在較少修改(如果有的話)的情況下被容易地應(yīng)用于其它開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)。在本領(lǐng)域中的技術(shù)人員的能力之內(nèi)這樣的修改是適宜的，而不需要過(guò)度的實(shí)驗(yàn)。
[0019]圖1圖示了包括功率級(jí)100的同步降壓功率轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例,所述功率級(jí)100包括用于通過(guò)輸出電感器(LI)和電容器(Cout)耦合到負(fù)載110的高側(cè)(HS)晶體管(Ql)和低側(cè)(LS)晶體管(Q2)。在不同時(shí)期，高側(cè)晶體管Ql將負(fù)載110可切換地連接到輸入電壓(Vin)，而低側(cè)晶體管Q2將負(fù)載110可切換地連接到接地。同樣地，高側(cè)晶體管Ql當(dāng)被接通時(shí)通過(guò)電感器LI向負(fù)載110提供電流，而低側(cè)晶體管Q2當(dāng)被接通時(shí)回轉(zhuǎn)電感器電流(針對(duì)正電流)或通過(guò)電感器LI從負(fù)載110吸收電流(針對(duì)負(fù)電流)。在圖1中示出單輸出相(phase) (Q1/Q2)，然而，可以提供任何數(shù)目的相。
[0020]驅(qū)動(dòng)電路120在不同時(shí)期接通和斷開(kāi)聞側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Ql、Q2以向負(fù)載110供應(yīng)功率。為此，驅(qū)動(dòng)電路120包括驅(qū)動(dòng)器122、124，其用于利用對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(GHS, GLS)來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)功率級(jí)晶體管Ql、Q2以向負(fù)載110提供輸出電壓(Vout)。驅(qū)動(dòng)電路120還在晶體管Ql、Q2兩者均未被接通時(shí)的期間將高側(cè)晶體管Ql的柵極(G)連接到低側(cè)晶體管Q2的柵極，使得存儲(chǔ)在高側(cè)晶體管Ql的柵極至源極電容中的能量被直接傳輸?shù)降蛡?cè)晶體管Q2，對(duì)低側(cè)晶體管Q2進(jìn)行預(yù)充電。
[0021]驅(qū)動(dòng)電路120在功率轉(zhuǎn)換器的控制器130的控制下進(jìn)行操作。控制器130向驅(qū)動(dòng)電路120提供信號(hào)(PWM，Vpc_trun)和DC電源電壓(PVcc，Vcc)，用于控制驅(qū)動(dòng)電路120的操作。同樣地，控制器130經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路120切換功率級(jí)100的晶體管Q1、Q2，使得功率級(jí)100在一些時(shí)期期間通過(guò)高側(cè)晶體管Ql向負(fù)載110提供正電流并且在其它時(shí)期期間通過(guò)低偵愉體管Q2從負(fù)載110吸收負(fù)電流或者回轉(zhuǎn)正的電感器電流。同樣地，功率轉(zhuǎn)換器可以以具有電流吸收能力的連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)進(jìn)行操作。
[0022]在中等負(fù)載到重負(fù)載狀況下，功率轉(zhuǎn)換器以具有固定頻率的PWM(脈沖寬度調(diào)制)模式進(jìn)行操作。在輕負(fù)載狀況下，功率轉(zhuǎn)換器通過(guò)對(duì)在輕負(fù)載狀況下實(shí)現(xiàn)更高效率的頻率進(jìn)行調(diào)制來(lái)進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制(PFM)低功率模式。例如，對(duì)轉(zhuǎn)換器的PWM輸入信號(hào)可以被三態(tài)化以支持PFM模式。只要低側(cè)晶體管Q2必須保持截止，就適用于三態(tài)窗。作為響應(yīng)，通過(guò)當(dāng)晶體管Ql、Q2兩者均未被接通時(shí)防止高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Ql、Q2的柵極之間的直接連接，來(lái)在功率轉(zhuǎn)換器正以PFM模式起作用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路120可以禁用對(duì)低側(cè)晶體管Q2的預(yù)無(wú)電。
[0023]通常，驅(qū)動(dòng)電路120可以禁用預(yù)充電功能，無(wú)論何時(shí)低側(cè)晶體管被防止切換。例如，功率轉(zhuǎn)換器可以被配置在二極管仿真模式中，在所述二極管仿真模式期間低側(cè)晶體管不導(dǎo)通。當(dāng)?shù)蛡?cè)晶體管被防止切換時(shí)，例如當(dāng)轉(zhuǎn)換器被配置在其中低側(cè)二極管Q2的柵極保持截止的無(wú)源二極管仿真模式中時(shí)，可以禁用預(yù)充電功能。如果期望的話，預(yù)充電禁用特點(diǎn)可以被關(guān)閉或者不完全被提供。
[0024]控制器130還可以向驅(qū)動(dòng)電路120提供預(yù)充電切斷信號(hào)(Vpc_trUn)，指示低側(cè)晶體管Q2的預(yù)充電柵極電壓是否超過(guò)了預(yù)定限制。設(shè)置預(yù)定限制，使得不超過(guò)低側(cè)晶體管Q2的閾值電壓，防止對(duì)低側(cè)晶體管Q2的無(wú)意(較早)接通。如果Vpcjrun指示低側(cè)晶體管Q2的柵極電壓超過(guò)了預(yù)定限制，則驅(qū)動(dòng)電路120在預(yù)充電期間將高側(cè)晶體管Ql的柵極從低側(cè)晶體管Q2的柵極斷開(kāi)連接。在預(yù)充電時(shí)期的剩余部分期間，使晶體管柵極保持?jǐn)嚅_(kāi)連接。
[0025]圖2更詳細(xì)地圖示了驅(qū)動(dòng)電路120的實(shí)施例。僅為了容易說(shuō)明，驅(qū)動(dòng)電路120的驅(qū)動(dòng)器122、124和負(fù)載110在圖2中未被示出。接著參照?qǐng)D3的時(shí)序圖和圖4的流程圖來(lái)解釋驅(qū)動(dòng)電路120的操作。
[0026]驅(qū)動(dòng)電路由DC電源電壓(Vcc)供電，并且包括用于控制功率級(jí)晶體管Q1、Q2的操作狀態(tài)的多個(gè)開(kāi)關(guān)(SI至S5)和用于控制所述開(kāi)關(guān)的邏輯200。向驅(qū)動(dòng)電路邏輯200提供由控制器130生成的各種控制信號(hào)(PWM、Mode、Vpc_trun)以用于確定開(kāi)關(guān)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路邏輯200生成第一控制信號(hào)(Cl)以用于控制第一開(kāi)關(guān)(SI)，其將高側(cè)晶體管Ql的柵極可切換地耦合到電源電壓PVcc以接通晶體管Ql。自舉二極管(Dboot)和自舉電容器(Cboot)可以被包括在驅(qū)動(dòng)電路120中，用于當(dāng)開(kāi)關(guān)SI被閉合時(shí)提供電荷以接通高側(cè)晶體管Q1。驅(qū)動(dòng)電路邏輯200生成第二控制信號(hào)(C2)、第三控制信號(hào)(C3)、第四控制信號(hào)(C4)和第五控制信號(hào)(C5)，該第二控制信號(hào)(C2)用于控制第二開(kāi)關(guān)(S2)，該第二開(kāi)關(guān)(S2)將高側(cè)晶體管Ql的柵極可切換地耦合到其源極以斷開(kāi)晶體管Q1，該第三控制信號(hào)(C3)用于控制第三開(kāi)關(guān)(S3)，該第三開(kāi)關(guān)(S3)將低側(cè)晶體管Q2的柵極可切換地耦合到PVcc以接通晶體管Q2，該第四控制信號(hào)(C4)用于控制第四開(kāi)關(guān)(S4)，該第四開(kāi)關(guān)(S4)將低側(cè)晶體管Q2的柵極可切換地耦合到其源極以斷開(kāi)晶體管Q2，以及該第五控制信號(hào)(C5)用于控制第五開(kāi)關(guān)
(S5)，該第五開(kāi)關(guān)(S5)在PWM周期的特定時(shí)期期間將高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Q1、Q2的柵極可切換地直接連接。
[0027]圖3示出根據(jù)從控制器130向驅(qū)動(dòng)電路邏輯200提供的PWM信號(hào)的控制信號(hào)Cl至C5的狀態(tài)。PWM信號(hào)的占空比⑶和切換頻率(fsw)由控制器130確定。在操作期間，驅(qū)動(dòng)電路邏輯200在PWM信號(hào)的上升沿中的延遲(tpiOpon)之后的第一時(shí)期Pl期間接通高側(cè)晶體管Ql (Cl有效，C2無(wú)效)并且斷開(kāi)低側(cè)晶體管Q2 (C3無(wú)效，C4有效)(步驟400，圖4)。在時(shí)期Pl期間高側(cè)晶體管Ql向負(fù)載110提供電流。在PWM信號(hào)的下降沿中的延遲(tpropon)之后，驅(qū)動(dòng)電路邏輯200在第二時(shí)期P2期間將高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Ql、Q2浮置并且連接浮置的晶體管柵極(Cl無(wú)效，C2無(wú)效，C3無(wú)效，C4無(wú)效，C5有效)(步驟410，圖4)。時(shí)期P2對(duì)應(yīng)于功率轉(zhuǎn)換器的高至低空載時(shí)間(dead-time)(圖3中的“tdeadH-L”)，即在高至低轉(zhuǎn)變期間防止高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Q1、Q2的同時(shí)切換的小時(shí)間間隔。該空載時(shí)間確保電源不被短路。
[0028]在由時(shí)期P2表示的高至低空載時(shí)間期間，晶體管Q1、Q2兩者的柵極均浮置并且被直接連接在一起，使得通過(guò)將存儲(chǔ)在高側(cè)晶體管Ql的柵極至源極電容中的能量經(jīng)由開(kāi)關(guān)S5直接傳輸?shù)降蛡?cè)晶體管Q2來(lái)對(duì)低側(cè)晶體管Q2進(jìn)行預(yù)充電(步驟420，圖4)。如本文中使用的術(shù)語(yǔ)“浮置”或“浮置的”意思是從電源或接地在電學(xué)上斷開(kāi)連接。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電路邏輯200通過(guò)激活控制信號(hào)C5來(lái)在第二時(shí)期P2的第一子時(shí)期(a)期間閉合開(kāi)關(guān)S5，使得在子時(shí)期a期間高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Q1、Q2的柵極被短路。驅(qū)動(dòng)電路邏輯200然后在第二時(shí)期P2的第二子時(shí)期(b)期間激活第二控制信號(hào)(C2)并且去激活第五控制信號(hào)(C5)。作為響應(yīng)，在第二時(shí)期P2的子時(shí)期b期間，第二開(kāi)關(guān)S2將高側(cè)晶體管Ql的源極連接到高側(cè)晶體管Ql的柵極并且第五開(kāi)關(guān)S5將第一晶體管和第二晶體管Ql、Q2的柵極斷開(kāi)連接。這樣，在第二時(shí)期P2的第二子時(shí)期b期間，高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Q1、Q2的柵極被斷開(kāi)連接并且高側(cè)晶體管Q2被斷開(kāi)，同時(shí)低側(cè)晶體管Q2的柵極保持浮置(圖3中的“LS-柵極浮置” )(Cl無(wú)效，C2有效，C3無(wú)效，C4無(wú)效，C5無(wú)效)。對(duì)低側(cè)晶體管Q2的預(yù)充電因此被隱藏在功率轉(zhuǎn)換器的高至低空載時(shí)間間隔中。[0030]如果低側(cè)晶體管Q2的柵極電壓(Vgs_LS)超過(guò)了預(yù)定限制(Vgs_pc)，則驅(qū)動(dòng)電路邏輯200可以切斷對(duì)低側(cè)晶體管Q2的預(yù)充電。這樣，在預(yù)充電期間，低側(cè)晶體管Q2的柵極電壓可以保持低于低側(cè)晶體管Q2的閾值電壓(Vgs_th_LS)，防止在時(shí)期P2期間對(duì)低側(cè)晶體管Q2的無(wú)意接通。在一個(gè)實(shí)施例中，功率轉(zhuǎn)換器控制器130包括比較器210，其在預(yù)充電期間在Vgs_LS超過(guò)了 Vgs_pc的情況下激活切斷信號(hào)(Vpc_trUn)。驅(qū)動(dòng)電路邏輯200去激活控制信號(hào)C5作為響應(yīng)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)S5并且在時(shí)期P2的剩余部分內(nèi)將高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Ql、Q2的柵極斷開(kāi)連接(步驟430，圖4)。
[0031]在PWM周期的下一時(shí)期P3期間，驅(qū)動(dòng)電路邏輯200在時(shí)期P3期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管Ql (Cl無(wú)效，C2有效)并且接通低側(cè)晶體管Q2 (C3有效，C4無(wú)效)(步驟440，圖4)。在時(shí)期P3期間，低側(cè)晶體管Q2回轉(zhuǎn)電感器電流或從負(fù)載110吸收電流。在PWM周期的第四時(shí)期P4期間驅(qū)動(dòng)電路邏輯200斷開(kāi)高側(cè)晶體管Ql (Cl無(wú)效，C2有效)和低側(cè)晶體管Q2 (C3無(wú)效，C4有效)兩者(步驟450，圖4)。時(shí)期P4對(duì)應(yīng)于功率轉(zhuǎn)換器的低至高空載時(shí)間(圖3中的“ tdeadL-H” )，在此期間，高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Ql、Q2的同時(shí)切換在低至高轉(zhuǎn)變期間被防止，避免了電源的短路。然后開(kāi)始下一 PWM周期，并且重復(fù)該過(guò)程。當(dāng)?shù)蛡?cè)晶體管Q2未被導(dǎo)通時(shí)，例如，當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器正以如先前所描述的PFM模式或二極管仿真模式起作用時(shí)，通過(guò)在時(shí)期P2期間防止高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管Ql、Q2的柵極之間的直接連接，驅(qū)動(dòng)電路120可以禁用對(duì)低側(cè)晶體管Q2的預(yù)充電。
[0032]諸如“第一”、“第二”等之類的術(shù)語(yǔ)被用于描述各種元素、區(qū)域、部分等并且也不意在是限制性的。在整個(gè)描述中，同樣的術(shù)語(yǔ)指代同樣的元素。
[0033]如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是開(kāi)放式術(shù)語(yǔ)，其指示所陳述的元素或特征的存在，但是不排除附加的元素或特征。冠詞“一”、“一個(gè)”(“a”和“an”)和“該(the)”意在包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文明確地另有指示。
[0034]要理解的是，在本文中描述的各種實(shí)施例的特征可以與彼此組合，除非另外被具體指出。
[0035]雖然已經(jīng)在本文中說(shuō)明和描述了具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，各種替換和/或等同實(shí)施方式可以代替所示出和描述的具體實(shí)施例。本申請(qǐng)意在覆蓋本文中所討論的具體實(shí)施例的任何改編或變形。因此，所意在的是，本發(fā)明僅被權(quán)利要求及其等同物所限制。
【權(quán)利要求】
1.一種功率轉(zhuǎn)換器，其包括: 第一晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)向負(fù)載提供電流； 第二晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)回轉(zhuǎn)電感器電流或從負(fù)載吸收電流；以及驅(qū)動(dòng)電路，其可操作成在第一時(shí)期期間接通第一晶體管并且斷開(kāi)第二晶體管，在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管并且接通第二晶體管，以及在第一和第三時(shí)期之間的第一晶體管和第二晶體管的柵極浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將第一晶體管的柵極連接到第二晶體管的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在第二時(shí)期的第一子時(shí)期期間迫使第一晶體管和第二晶體管的柵極浮置，并且在第二時(shí)期的第一子時(shí)期之后的第二子時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管，同時(shí)第二晶體管的柵極保持浮置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在第三時(shí)期之后的第四時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管并斷開(kāi)第二晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路包括: 第一開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第一時(shí)期期間有效的第一控制信號(hào)而將第一晶體管的柵極連接到電源電壓； 第二開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第四時(shí)期期間有效的第二控制信號(hào)而將第一晶體管的源極連接到第一晶體管的柵極； 第三開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第三時(shí)期期間有效的第三控制信號(hào)而將第二晶體管的柵極連接到電源電壓； 第四開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第四時(shí)期期間有效的第四控制信號(hào)而將第二晶體管的源極連接到第二晶體管的柵極； 第五開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第二時(shí)期期間有效的第五控制信號(hào)而將第一晶體管的柵極連接到第二晶體管的柵極；以及 邏輯，其可操作成激活和去激活控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述邏輯可操作成在第二時(shí)期的第二子時(shí)期期間激活第二控制信號(hào)并去激活第五控制信號(hào)并且在第四時(shí)期期間激活第二控制信號(hào)，使得在第二時(shí)期的第二子時(shí)期期間和在第四時(shí)期期間第二開(kāi)關(guān)將第一晶體管的源極連接到第一晶體管的柵極，以及僅在第二時(shí)期的第一子時(shí)期期間第五開(kāi)關(guān)將第一晶體管和第二晶體管的柵極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述功率轉(zhuǎn)換器可操作成在中等負(fù)載和重負(fù)載狀況下以脈沖寬度調(diào)制模式起作用并且在輕負(fù)載狀況下以脈中頻率調(diào)制模式起作用，并且其中所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成當(dāng)所述功率轉(zhuǎn)換器正以脈沖頻率調(diào)制模式起作用時(shí)防止第一晶體管和第二晶體管的柵極被連接在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成在防止第二晶體管切換時(shí)的第二時(shí)期期間防止第一晶體管和第二晶體管的柵極被連接在一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述驅(qū)動(dòng)電路可操作成如果第二晶體管的柵極電壓超過(guò)了預(yù)定限制，則在第二時(shí)期期間將第一晶體管的柵極從第二晶體管的柵極斷開(kāi)連接。
9.一種操作功率轉(zhuǎn)換器的方法，其包括:通過(guò)電感器將高側(cè)晶體管耦合到負(fù)載； 通過(guò)電感器將低側(cè)晶體管耦合到負(fù)載； 在第一時(shí)期期間接通高側(cè)晶體管并且斷開(kāi)低側(cè)晶體管； 在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管并且接通低側(cè)晶體管；以及在第一和第三時(shí)期之間的高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在第二時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極包括: 在第二時(shí)期的第一子時(shí)期期間迫使高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置；以及在第二時(shí)期的第一子時(shí)期之后的第二子時(shí)期期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管，同時(shí)低側(cè)晶體管的柵極保持浮置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括在第三時(shí)期之后的第四時(shí)期期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管并斷開(kāi)低側(cè)晶體管。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在第二時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極包括: 響應(yīng)于在第一時(shí)期期間有效的第一控制信號(hào)而將高側(cè)晶體管的柵極連接到電源電壓； 響應(yīng)于在第四時(shí)期期間有效的第二控制信號(hào)而將高側(cè)晶體管的源極連接到高側(cè)晶體管的柵極； 響應(yīng)于在第三時(shí)期期間有效的第三控制信號(hào)而將低側(cè)晶體管的柵極連接到電源電壓； 響應(yīng)于在第四時(shí)期期間有效的第四控制信號(hào)而將低側(cè)晶體管的源極連接到低側(cè)晶體管的柵極；以及 響應(yīng)于在第二時(shí)期期間有效的第五控制信號(hào)而將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括在第二時(shí)期的第二子時(shí)期期間和在第四時(shí)期期間激活第二控制信號(hào)，使得在第二時(shí)期的第二子時(shí)期期間和在第四時(shí)期期間第二開(kāi)關(guān)將聞側(cè)晶體管的源極連接到聞側(cè)晶體管的棚極。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述功率轉(zhuǎn)換器可操作成在中等負(fù)載和重負(fù)載狀況下以脈沖寬度調(diào)制模式起作用并且在輕負(fù)載狀況下以脈沖頻率調(diào)制模式起作用，所述方法進(jìn)一步包括當(dāng)所述功率轉(zhuǎn)換器正以脈沖頻率調(diào)制模式起作用時(shí)防止高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極被連接在一起。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括如果低側(cè)晶體管的柵極電壓超過(guò)了預(yù)定限制，則在第二時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極從低側(cè)晶體管的柵極斷開(kāi)連接。
16.—種功率轉(zhuǎn)換器,其包括: 高側(cè)晶體管，其用于通過(guò)電感器耦合到負(fù)載； 低側(cè)晶體管，其用于通過(guò)電感器耦合到負(fù)載；以及 驅(qū)動(dòng)電路，其可操作成在不同時(shí)期接通和斷開(kāi)高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管以向負(fù)載供應(yīng)功率，以及在高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置時(shí)的時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極，使得存儲(chǔ)在高側(cè)晶體管的柵極至源極電容中的能量被直接傳輸?shù)降蛡?cè)晶體管，以對(duì)低側(cè)晶體管進(jìn)行預(yù)充電。
17.一種同步降壓轉(zhuǎn)換器，其包括: 輸出電感器，其用于I禹合到負(fù)載； 第一晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)通過(guò)輸出電感器向負(fù)載提供電流； 第二晶體管，其可操作成當(dāng)被接通時(shí)回轉(zhuǎn)電感器電流或通過(guò)電感器從負(fù)載吸收電流；以及 驅(qū)動(dòng)電路，其可操作成在第一時(shí)期期間接通第一晶體管并且斷開(kāi)第二晶體管，在第一時(shí)期之后的第三時(shí)期期間斷開(kāi)第一晶體管并且接通第二晶體管，以及在第一和第三時(shí)期之間的第一晶體管和第二晶體管的柵極浮置時(shí)的第二時(shí)期期間將第一晶體管的柵極連接到第二晶體管的柵極。
18.—種功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器，其包括:電路，其可操作成在不同時(shí)期接通和斷開(kāi)高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管以向負(fù)載供應(yīng)功率，以及在兩個(gè)晶體管的柵極浮置并且低側(cè)晶體管的柵極至源極電壓低于低側(cè)晶體管閾值電壓時(shí)的時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極，使得存儲(chǔ)在高側(cè)晶體管的柵極至源極電容中的能量被直接傳輸?shù)降蛡?cè)晶體管的柵極至源極電容。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器，其中所述電路可操作成在第二時(shí)期的第一子時(shí)期期間迫使高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極浮置并且被連接，以及在第二時(shí)期的第一子時(shí)期之后的第二子時(shí)期期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管并將高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極斷開(kāi)連接，同時(shí)低側(cè)晶體管的柵極保持浮置。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器，其中所述電路可操作成在第三時(shí)期之后的第四時(shí)期期間斷開(kāi)高側(cè)晶體管并斷開(kāi)低側(cè)晶體管。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器，其中所述電路包括: 第一開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第一時(shí)期期間有效的第一控制信號(hào)而將高側(cè)晶體管的柵極連接到電源電壓； 第二開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第四時(shí)期期間有效的第二控制信號(hào)而將高側(cè)晶體管的源極連接到高側(cè)晶體管的柵極； 第三開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第三時(shí)期期間有效的第三控制信號(hào)而將低側(cè)晶體管的柵極連接到電源電壓； 第四開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第四時(shí)期期間有效的第四控制信號(hào)而將低側(cè)晶體管的源極連接到低側(cè)晶體管的柵極； 第五開(kāi)關(guān)，其可操作成響應(yīng)于在第二時(shí)期期間有效的第五控制信號(hào)而將高側(cè)晶體管的柵極連接到低側(cè)晶體管的柵極；以及 邏輯，其可操作成激活和去激活控制信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器，其中所述邏輯可操作成在第二時(shí)期的第二子時(shí)期期間激活第二控制信號(hào)并去激活第五控制信號(hào)，并且在第四時(shí)期期間激活第二控制信號(hào)，使得在第二時(shí)期的第二子時(shí)期期間和在第四時(shí)期期間第二開(kāi)關(guān)將高側(cè)晶體管的源極連接到高側(cè)晶體管的柵極，以及僅在第二時(shí)期的第一子時(shí)期期間第五開(kāi)關(guān)將高側(cè)晶體管和低側(cè)晶體管的柵極連接。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器，其中所述電路可操作成如果低側(cè)晶體管的柵極電壓超過(guò)了預(yù)定限制，則在第二時(shí)期期間將高側(cè)晶體管的柵極從低側(cè)晶體管的柵極斷開(kāi)連接。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK103580475SQ201310342423
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月19日
【發(fā)明者】J·A·埃朱里 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司