專利名稱：一種功率開關驅動器、ic芯片及直流-直流轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源技術領域，尤其涉及一種功率開關驅動器、IC芯片及直流-直流轉換器。
背景技術：
當前便攜設備和移動通信系統的需求日益增加，這些系統都離不開供電系統，直流-直流轉換器(DC/DC Converter)以其高效率得到廣泛的應用。圖1所示就是常見的同步降壓型直流-直流轉換器(Buck，Step-Down DC/DCConverter)應用電路，包括直流-直流轉換器集成電路(IC)芯片、電感L0，輸出電容CO和負載RLoad。其中，IC芯片包括控制器(CONTROLLER)、功率開關驅動器(DRIVER)、功率開關Ml和M2。控制器采用某種控制方式(PWM或者PFM)產生一定占空比(duty cycle)的脈沖控制信號，通過驅動器去驅動功率開關Ml和M2，使得Ml和M2的公共節點SW產生峰值為電源到地的脈沖信號，經過電感LO和電容CO的濾波在負載RLoad端產生穩定的輸出電壓。但是，在實際應用中有一些非理想因素是必須要考慮的。例如，IC芯片封裝后的打線寄生電感和電阻，如圖2所示的Rparal和Lparal，Rpara2和Lpara2。在一般封裝中寄生電阻是幾十毫歐量級，寄生電感是幾納亨量級。由于功率開關Ml和M2交替開關，在打線的寄生電感上會有突變電流產生較大電壓變化，也即是說，IC芯片內部的地電位與芯片外界理想的地電位有電壓差，而且芯片的地電位在功率開關導通和關斷時處于高頻“彈跳” 狀態，這就是地彈現象(ground bounce) 0當出于成本考慮采用更細的封裝打線，或者負載較重時，IC芯片的地電位跳動的幅度就會增大，這時就會影響IC芯片的控制電路，從而影響IC芯片的正常工作。目前，如圖3所示，現有技術中常用的方法是在驅動器到功率開關Ml和M2的柵極之間串連電阻(Rl和R2)，采用較大的Rl和R2( —般幾千歐姆數量級)，通過減緩功率開關Ml和M2的開啟速度來減小地彈，其中，功率開關Ml為P溝道金屬氧化物半導體場效應 (MOS)晶體管(P-channel Metal Oxide Semiconductor, PM0S)；功率開關 M2 為 N 溝道金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor, NM0S)。但是，當封裝打線的直徑更小，即打線的寄生電感更大，或者負載電流更大時，現有技術的地彈還是很大。原因是在功率開關Ml的柵極已通過控制該功率開關Ml的PMOS Mll和電阻Rl被拉高；但M2導通后，SW節點被快速拉低，因為Rl的阻值較大，即Ml的柵極到電源Vdd的阻抗較大，通過Ml的寄生電容Cgd(由于功率開關Ml的面積較大，等效的 Cgd也較大)的耦合后，輸出端(SW)把Ml的柵極也拉低，Ml也在瞬間導通；Ml和M2在同時導通的瞬間就會在封裝打線電感Lpara2上產生較大的電流，這個大電流會突變使得GND 端的“彈跳”幅度很高，如圖4所示的波形GND跳動幅度達到IV多。綜上所述，現有技術中的功率開關的地彈現象較為嚴重
發明內容
本發明實施例提供了一種功率開關驅動器、IC芯片及直流-直流轉換器，用以降低開關電源地彈，在保持功率開關較慢的開啟速度的同時，降低關斷功率開關時功率開關的柵極到電源或地的阻抗，使關斷后的功率開關不能通過寄生電容的耦合而瞬間導通。本發明實施例提供的一種功率開關驅動器，包括用于控制P型功率開關的N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管NM0S，以及用于控制N型功率開關的P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管PM0S，所述NMOS的柵極和PMOS的柵極分別通過反相器連接到兩相不交疊時鐘，該功率開關驅動器還包括第一電阻，連接在所述NMOS的源極與地之間；以及，第二電阻，連接在所述PMOS的源極與所述功率開關驅動器的正極之間。本發明實施例提供的一種集成電路IC芯片包括所述的功率開關驅動器。本發明實施例提供的一種直流-直流轉換器包括所述的功率開關驅動器。本發明實施例通過所述功率開關驅動器、IC芯片及直流-直流轉換器，可以降低開關電源地彈，在保持功率開關較慢的開啟速度的同時，降低關斷功率開關時功率開關的柵極到電源或地的阻抗，使關斷后的功率開關不能通過寄生電容的耦合而瞬間導通。
圖1為現有技術中的同步降壓型直流-直流轉換器(Buck，Step-Down DC/DC Converter)應用電路示意圖；圖2為現有技術中的直流-直流轉換器的IC芯片封裝后的打線寄生電感和電阻的示意圖；圖3為現有技術中的直流-直流轉換器在驅動器到功率開關Ml和M2的柵極之間串連電阻(Rl和R2)的示意圖；圖4為圖3所示直流-直流轉換器的GND端的地彈示意圖；圖5為本發明實施例提供的直流-直流轉換器的電路結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的直流-直流轉換器的GND端的地彈示意圖。
具體實施例方式本發明實施例提供了一種功率開關驅動器、IC芯片及直流-直流轉換器，用以降低開關電源地彈(ground bounce)，在保持功率開關較慢的開啟速度的同時，降低關斷功率開關時功率開關的柵極到電源或地的阻抗，使關斷后的功率開關不能通過寄生電容的耦合而瞬間導通。參見圖5，本發明實施例提供的一種功率開關驅動器(DRIVER)，包括用于控制P型功率開關Ml的匪OS M12和PMOS Mil,以及用于控制N型功率開關M2的PMOS M21和匪OS M22，該功率開關驅動器還包括第一電阻R12，連接在所述NMOS M12的源極與地(GND)之間；以及，第二電阻R21，連接在所述PMOS M21的源極與所述功率開關驅動器的正極(Vdd) 之間。較佳地，該功率開關驅動器還包括連接于所述NMOS M12的漏級與所述P型功率開關Ml的柵極之間的第三電阻Rll ； 以及，
連接于所述PMOS M21的漏級與所述N型功率開關M2的柵極之間的第四電阻R22。較佳地，所述第一電阻R12的阻值，與所述第三電阻Rll的阻值相等；所述第二電阻R21的阻值，與所述第四電阻R22的阻值相等。較佳地，所述第一電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。較佳地，所述第二電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。較佳地，所述第三電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。較佳地，所述第四電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。如圖5所示，本發明實施例提供的功率開關驅動器，還包括兩相不交疊時鐘(BBM) 和兩個反相器(INV)。兩相不交疊時鐘接收控制器(CONTROLLER)的占空比信號，分別產生 P型功率開關Ml和N型功率開關M2的驅動信號。兩相不交疊時鐘保證P型功率開關Ml和 N型功率開關M2不會同時導通。反相器接收兩相不交疊時鐘產生的驅動信號，并將其反相以達到P型功率開關Ml和N型功率開關M2所需的電平。如圖5所示，本發明實施例提供的一種集成電路(IC)芯片，包括控制器 (CONTROLLER)、上述功率開關驅動器(DRIVER)、功率開關Ml和M2。控制器(CONTROLLER) 產生適合的占空比信號，功率開關驅動器(DRIVER)接收這個占空比信號，最終產生控制功率開關Ml和M2的驅動信號。如圖5所示，本發明實施例提供的一種直流-直流轉換器，包括上述直流-直流轉換器集成電路(IC)芯片(其中包括上述功率開關驅動器)、打線寄生電感和電阻(即圖5 所示的Rparal和Lparal，Rpara2和Lpara2)。打線寄生電感Lparal和電阻Rparal代表芯片內的Vdd到封裝完成后的VCC管腳的寄生效應。同理，打線寄生電感Lpara2和電阻 Rpara2代表芯片內的GND到封裝完成后的0電平管腳的寄生效應。如圖5所示，本發明實施例中將圖3所示現有技術中的Rl分成兩個電阻Rll和 R12，并且較佳地，Rll = R12 = 0. 5*R1，將R2也分成兩個電阻R21和R22，并且較佳地，R21 =R22 = 0. 5*R2。其中Rll仍保持在原來Rl的位置，R22保持在原來R2的位置，將R12放在功率開關M2的前級驅動管M12的源極和GND之間，將R21放在功率開關M2的前級驅動管M21的源極和電源Vdd之間。當功率開關NMOS M2開啟時，M21導通后仍通過R21和R22 給M2的柵極充電，也就是說，功率開關NMOS M2的開啟速度和現有技術一樣較慢。但此時 Mll導通，關斷的功率開關PMOS Ml的柵極到電源的阻抗由現有技術Rl減小到Rll (Rll = 0. 5*R1)，因而功率開關PMOS Ml的柵極就不容易被輸出端SW的下降而耦合變低，故功率開關PMOS Ml能在功率開關NMOS M2開啟時保持關斷，在封裝打線的電感Lpara2上就不會有較大的突變電流，GND端的地彈也會明顯減小，功率開關PMOS Ml導通時地彈改善效果也可以同理推導出。如圖6所示，就是按照本發明實施例提供的功率開關驅動器得到的仿真波形示意圖，從圖中可見，GND波形，也就是IC芯片的GND端的地彈只有500mV，較現有技術的IV多有明顯改善。綜上所述，本發明實施例通過所述功率開關驅動器、IC芯片及直流-直流轉換器， 可以降低開關電源地彈，在保持功率開關較慢的開啟速度的同時，降低關斷功率開關時功率開關的柵極到電源或地的阻抗，使關斷后的功率開關不能通過寄生電容的耦合而瞬間導
ο顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種功率開關驅動器，包括用于控制P型功率開關的N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管NM0S，以及用于控制N型功率開關的P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管 PM0S,所述NMOS的柵極和PMOS的柵極分別通過反相器連接到兩相不交疊時鐘，其特征在于，該功率開關驅動器還包括第一電阻，連接在所述NMOS的源極與地之間；以及，第二電阻，連接在所述PMOS的源極與所述功率開關驅動器的正極之間。
2.根據權利要求1所述的功率開關驅動器，其特征在于，該功率開關驅動器還包括連接于所述NMOS的漏級與所述P型功率開關的柵極之間的第三電阻；以及，連接于所述PMOS的漏級與所述N型功率開關的柵極之間的第四電阻。
3.根據權利要求2所述的功率開關驅動器，其特征在于，所述第一電阻的阻值，與所述第三電阻的阻值相等；所述第二電阻的阻值，與所述第四電阻的阻值相等。
4.根據權利要求2所述的功率開關驅動器，其特征在于，所述第一電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。
5.根據權利要求2所述的功率開關驅動器，其特征在于，所述第二電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。
6.根據權利要求2所述的功率開關驅動器，其特征在于，所述第三電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。
7.根據權利要求2所述的功率開關驅動器，其特征在于，所述第四電阻的阻值取值范圍為100歐姆 400歐姆。
8.一種集成電路IC芯片，其特征在于，該集成電路IC芯片包括權利要求1-7任一權項所述的功率開關驅動器。
9.一種直流-直流轉換器，其特征在于，該轉換器包括權利要求1-7任一權項所述的功率開關驅動器。
全文摘要
本發明公開了一種功率開關驅動器、IC芯片及直流-直流轉換器，用以降低開關電源地彈，在保持功率開關較慢的開啟速度的同時，降低關斷功率開關時功率開關的柵極到電源或地的阻抗，使關斷后的功率開關不能通過寄生電容的耦合而瞬間導通。本發明提供的一種功率開關驅動器包括用于控制P型功率開關的N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管NMOS，以及用于控制N型功率開關的P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管PMOS，該功率開關驅動器還包括與所述NMOS的源極相連的第一電阻；以及，與所述PMOS的源極相連的第二電阻。
文檔編號H02M1/088GK102545560SQ20111042251
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者楊喆, 王釗 申請人:無錫中星微電子有限公司