專利名稱：用于開關功率轉換器的邊沿速率控制門驅動器的制作方法
技術領域：
本文涉及轉換器，并且更具體地說涉及用于功率轉換器的邊沿速率控制。
背景技術：
開關功率轉換器可產生由于它們的開關節點處的快速過渡導致的不希望的電磁干擾(EMI)。所述開關過渡，例如可通過使用電阻鎮流器慢化。然而，這種方案可能產生不可預料或不可控制的非線性開關邊沿。
實用新型內容本申請大體涉及用于功率轉換器開關的邊沿速率驅動器的設備和方法。在一個示例中，所述驅動器可包括輸入節點，所述輸入節點被設置成接收脈寬調制信號；第一開 關，所述第一開關被設置成在第一狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至電源電壓；第二開關，所述第二開關被設置成在第二狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至基準電壓；和第一電流源，所述第一電流源被設置成當所述功率轉換器開關從所述第二狀態過渡(transition)至所述第一狀態時，向所述第一開關提供充電電流,所述充電電流被設置成對所述功率轉換器開關的寄生電容進行充電。此概述之目的在于提供本專利申請之主題的概覽，而非提供對本實用新型的排他性或窮盡性闡釋。包括有詳細說明以提供與本專利申請有關的更多信息。
附圖不一定按比例繪制，且不同附圖中的類似部件可用相同的數字指代。具有不同字母后綴的相同數字可表示類似部件的不同示例。總的來說，附圖是通過舉例(而非限制)的方式來說明本文中所探討之諸實施例。圖I大體描繪了應用至上升開關轉換器的門驅動器的示例。圖2大體描繪了包括邊沿速率控制(ERC)門驅動器的上升轉換器的示例。圖3大體描繪了與操作圖2中的上升轉換器的示例方法有關的波形。圖4大體描繪了具有ERC門驅動器的上升轉換器的替換示例。圖5大體描繪了包括ERC門驅動器的上升轉換器的替換示例。
具體實施方式
本申請發明人已發現了一種通過可控并且有效率的方式慢化轉換器功率開關的開關節點過渡以減小EMI的系統。在一個示例中，恒流門驅動器可控制功率開關的柵-漏電容的充電。這種柵-漏電容可以是轉換器功率開關的寄生電容或明確的電容器。當控制功率M0SFET，例如在開關功率轉換器中采用的功率MOSFET時，這種電容可以是主要參數。在一個示例中，功率MOSFET開關節點的上升和下降時間可以是充電電流的函數。在特定示例中，利用消耗極小功率的開關電流源可實現提高的效率，開關電流源即便有，也只是在開關節點狀態的過渡間隔(例如第一高邏輯電平狀態和第二低邏輯電平狀態之間的過渡間隔)之外有功耗。在特定的示例中，功率轉換器可包括電流源門驅動器，所述電流源門驅動器可控制功率轉換器開關的電容(例如功率轉換器開關的寄生電容)的充電。這種寄生電容可決定功率轉換器的開關節點的上升和下降時間。在一個示例中，電流源門驅動器通過可控并且有效率的方式慢化開關節點過渡。例如，相比于相似大小的現有開關轉換器，根據本主題的門驅動器可減小靜態偏置電流。在特定示例中，可應用反饋以提高功率轉換器的速度和可靠性。圖I大體描繪了用于上升轉換器100的門驅動器的示例。所述上升轉換器100包括門驅動器101、功率開關102、電感器103、第二功率開關(例如二極管104)、和轉換器輸出105。在特定示例中，上升轉換器100可包括連接至轉換器輸出105的一個或更多個負載電容器106和負載電阻器107。門驅動器101可包括連接至第一和第二驅動器開關109、110的輸入108。在一個示例中，第一驅動器開關109可被連接至第一邏輯電平電源Vdd并且第二驅動器開關110可被連接至第二邏輯電平電源V。。。第一和第二驅動器開關109、110 可被彼此相連并且連接至驅動器輸出111。驅動器輸出111可被連接至功率開關102的控制節點112，例如功率晶體管的柵極節點。在一個示例中，控制節點112的開關動作可以是高-低-高反轉過渡的開關動作。裝置功率開關102的柵-漏電容可代表可確定上升轉換器100的開關節點113的開關速度的主要因素。在輸入信號(例如接收的脈寬調制(PWM)信號)的過渡期間，通過例如，例如包括第一驅動器開關109或第二驅動器開關110的很低的阻抗通路，控制節點112可被拉高或拉低。開關節點113處的過渡的特征可以是連接至用于功率開關102的開關節點Vgs的低到高邏輯電平過渡的轉換器輸出105的負載的函數，和第一邏輯電平電源Vdd和用于開關節點113的高到低邏輯電平過渡的第一驅動器開關109的裝置大小的函數。圖2大體描繪了包括邊沿速率控制(ERC)門驅動器201的上升轉換器200的示例。所述上升轉換器200可包括ERC門驅動器201、功率開關202、電感器203、第二功率開關(例如二極管204)、和轉換器輸出205。在特定示例中，上升轉換器200可包括連接至轉換器輸出205的一個或多個負載電容器206和負載電阻器207。ERC門驅動器201可包括連接至第一和第二驅動器開關209、210的輸入208。在一個示例中，第一驅動器開關209可被連接至第一邏輯電平電源Vdd并且第二驅動器開關210可被連接至第二邏輯電平電源V。。。第一和第二驅動器開關209、210可被彼此相連并且連接至驅動器輸出211。驅動器輸出211可被連接至功率開關202的控制節點212，例如功率晶體管的柵極節點。功率開關202可包括電容213。電容213可與功率開關202的結構有關或可包括與功率開關電路有關的一個或多個電容器。ERC門驅動器201可包括第一開關電流源214，和第二開關電流源215。在一個示例中，第一開關電流源214和第二開關電流源215均包括電流鏡。各電流鏡包括電流感測晶體管216、217和電流鏡晶體管218、219。各電流鏡可感測流過感測晶體管216、217的感測電流Ic以提供可控的鏡像電流IA、Ib對功率開關電容213進行充電和放電。在一個示例中，第一和第二電流鏡的感測電流I。可被獨立設置。在一個示例中，第三電流源220可控制感測電流I。。在一個示例中，各電流鏡提供感測電流Ic的成比例表征作為鏡像電流IA、IB，使得感測電流Ic基本小于鏡像電流IA、IB。在一個示例中，第三電流源220可包括控制器。所述控制器可接收輸入信號并且可獨立開關第一和第二開關電流源214、215。在特定示例中，第三電流源220可以是可調節的以允許輸出205處的信號的邊沿速率的分別或動態調節。在特定示例中，可控電流可在功率開關202的第一狀態和功率開關202的第二狀態之間提供更平滑的過渡。在特定示例中，功率開關狀態之間的可控傾斜可提供具有減小的和帶寬限制的EMI的快速開關。圖3大體描繪了與操作圖2中的上升轉換器的示例方法有關的波形。在一個示例中，在時間h處，可在輸入208處提供低邏輯信號，例如脈寬調制(PWM)信號，并且在功率開關202的控制節點(Vg) 212，或柵極處提供相應的高邏輯電平。在穩態中，功率開關202可將電感器連接至第二電源電壓V。。使得功率開關202和電感器203的公共節點，即開關節點Vgs約為第二電源電壓V。。。在處，可在輸入208處接收高PWM信號至ERC門驅動器201。高PWM信號可使電流Ib開始使功率開關202的電容213進行放電，因此，將控制節點Vg212處的電壓拉向第二電源電壓V。。。在t2處，控制節點Vg212可到達通過功率開關202的電流 基本等于通過電感器203的電流Iy即，Il-Ib的點。柵極節點Vg212處的電壓可保持幾乎恒定并且開關節點Vgs處的電壓以基本線性的方式開始上升。在t3處，開關節點Vgs處的電壓近似達到高于輸出電壓的二極管壓降并且二極管204開始導通。控制節點Vg212處的電壓繼續使電容放電直到在t4處到達約V。。。在一個示例中，在t5處，PWM信號的下降過渡可使電流Ia開始對功率開關202的電容213進行充電，因此，將控制節點Vg212處的電壓拉向第一電源電壓Vdd直到在t6處匯聚基本等于IA+k的電流。通過電流平衡，控制節點Vg212處的電壓可保持幾乎恒定并且功率開關202的開關節點Vgs處的電壓以基本線性的方式開始下降。在t7處，功率開關202的開關節點Vgs處的電壓可近似達到第二電源電壓V。。并且控制節點Vg212繼續充電直到在t8處到達第一電源電壓Vdd。圖4大體描繪了上升轉換器400的替換示例，所述上升轉換器400包括ERC門驅動器401、功率開關402、電感器403、第二功率開關(例如二極管404)，、和轉換器輸出405。在特定示例中，上升轉換器400可包括連接至轉換器輸出405的一個或多個負載電容器406和負載電阻器407。ERC門驅動器401可包括連接至第一和第二驅動器開關409、410的輸入408。如上文關于圖2所討論的，ERC門驅動器401可包括第一電流鏡414、和第二電流鏡415、和電流源420以幫助控制輸出405的過渡邊沿速率。此外，上升轉換器400可包括施密特觸發器電路429，包括施密特觸發器430和第一和第二開關431、432。施密特觸發器電路429可提供功率開關402的控制節點412的硬開關。在一個示例中，施密特觸發器電路429可感測功率開關402的控制節點412處的電壓是接近高狀態還是低狀態，Vdd還是\c。施密特觸發器電路429可分別接通第一或第二開關431、432以為功率開關402的控制節點412提供到第一電源Vdd或第二電源V。。的低阻抗通路。第一和第二開關431、432提供的低阻抗通路可防止控制節點412上的短脈沖干擾影響功率開關402的穩態。圖5大體描繪了上升轉換器500的替換示例，所述上升轉換器500包括ERC門驅動器501、功率開關502、電感器503、第二功率開關(例如二極管504)、和轉換器輸出505。在特定示例中，上升轉換器500可包括連接至轉換器輸出505的一個或多個負載電容器506和負載電阻器507。ERC門驅動器501可包括連接至第一和第二驅動器開關509、510的輸入508。如上文關于圖2所討論的，ERC門驅動器501可包括第一電流鏡514、和第二電流鏡515、和電流源520以幫助控制輸出505的過渡邊沿速率。在特定示例中，上升轉換器500可包括反饋電路533以幫助控制上升轉換器輸出505的邊沿速率。在特定示例中，反饋電路533可包括基準電容器534、誤差放大器535、二級驅動器開關536和537、二級電流源538和539、和反轉器540。反饋電路533可接收指示需要的上升轉換器輸出505的過渡斜率的命令信號。在特定示例中，可在連接至第一和第二驅動器開關509、510之間的結點Vg的基準電容器534兩側產生命令信號。誤差放大器535使用從命令信號和指示功率開關502的開關輸出Vgs的反饋信號得出的誤差信號可控制二級電流源538和539。在特定示例中，反饋電路533可導致反轉，并且因此，反轉器540可提供給二級驅動器開關536和537合適的控制信號。在特定示例中，反饋電路533可允許功率開關502的開關輸出Vgs的更快的過渡。在特定示例中，通過選擇不同基準電容器大小可調節過渡速率。在特定示例中，反饋電路533的閉環屬性為功率開關502的開關輸出Vgs提供比開環邊沿速率控制下更線性的過渡。更可控的邊沿速率可提供更加可預測并且帶寬限制的EMI，甚至更快的過渡，并且相應的，可提供EMI的更有效和精確的處理的機會。此外，更可·控的過渡可提供更高效率的上升轉換器500。其它注釋在示例I中，一種用于功率轉換器開關的邊沿速率驅動器可包括輸入節點，所述輸入節點被設置成接收脈寬調制信號；第一開關，所述第一開關被設置成在第一狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至電源電壓；第二開關，所述第二開關被設置成在第二狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至基準電壓；和第一電流源，所述第一電流源被設置成當所述功率轉換器開關從所述第二狀態過渡至所述第一狀態時，向所述第一開關提供充電電流，所述充電電流被設置成對所述功率轉換器開關的寄生電容進行充電。在示例2中，示例I中的所述邊沿速率驅動器可選擇的包括第二電流源，所述第二電流源被設置成當所述功率轉換器開關從所述第一狀態過渡至所述第二狀態時，向所述第二開關提供放電電流，所述放電電流被設置成使所述功率轉換器開關的寄生電容進行放電。在示例3中，示例1-2中的任意一個或多個中的所述邊沿速率驅動器可選擇的包括連接至所述第一電流源和所述第二電流源的第三電流源，所述第三電流源被設置成控制所述功率轉換器開關輸出處的電壓的斜變率。在示例4中，示例1-3中的任意一個或多個中的所述第一電流源可選擇的包括第一電流鏡，所述第一電流鏡被設置成提供代表所述感測電流的第一鏡像電流。在示例5中，示例1-4中的任意一個或多個中的所述第三電流源可選擇的被設置成提供所述感測電流。在示例6中，示例1-5中的任意一個或多個中的所述第二電流源可選擇的包括第二電流鏡，所述第二電流鏡被設置成提供代表所述感測電流的第二鏡像電流。在示例7中，示例1-6中的任意一個或多個中的所述第三電流源可選擇的包括可調節電流源，所述可調節電流源被設置成調節所述功率轉換器開關的過渡速率(transition rate)。[0032]在示例8中，一種方法可包括在用于功率轉換器開關的邊沿速率驅動器的輸入處接收脈寬調制信號；在第一狀態期間，使用所述邊沿速率驅動器的第一開關將所述功率轉換器開關的控制節點連接至電源電壓；在第二狀態期間，使用所述邊沿速率驅動器的第二開關將所述功率轉換器開關的控制節點連接至基準電壓；和當所述功率轉換器開關從所述第二狀態過渡至所述第一狀態時，使用第一電流源對所述功率轉換器開關的寄生電容進行充電。在示例9中，示例1-8中的任意一個或多個中的對所述寄生電容進行充電可選擇的包括使用第一電流鏡向所述第一開關提供充電電流。在示例10中，示例1-9中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括使用所述第一電流鏡的感測電流設置所述功率轉換器開關的過渡速率。在示例11中，示例1-10中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括使用附加電流鏡提供所述感測電流。 在示例12中，示例1-11中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括當所述功率轉換器開關從所述第一狀態過渡至所述第二狀態時，使用第二電流源使所述功率轉換器開關的寄生電容進行放電。在示例13中，示例1-12中的任意一個或多個中的對所述寄生電容進行充電可選擇的包括使用第一電流鏡向所述第一開關提供充電電流。在示例14中，示例1-13中的任意一個或多個中的使所述寄生電容進行放電可選擇的包括使用第二電流鏡從所述第二開關提供放電電流。在示例15中，示例1-14中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括使用所述第一電流鏡的第一感測電流設置所述功率轉換器開關的第一過渡速率。在示例16中，示例1-15中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括使用所述第二電流鏡的第二感測電流設置所述功率轉換器開關的第二過渡速率。在示例17中，示例1-16中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括使用第三電流源提供所述第一感測電流。在示例18中，示例1-17中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括使用所述第三電流源提供所述第二感測電流。在示例19中，示例1-18中的任意一個或多個中的所述方法可選擇的包括調節所述第三電流源以改變所述功率轉換器開關的所述第一過渡速率和/或所述第二過渡速率。上述詳細說明書參照了附圖，附圖也是所述詳細說明書的一部分。附圖以圖解的方式顯示了可應用本實用新型的具體實施例。這些實施例在本實用新型中被稱作“示例”。本實用新型所涉及的所有出版物、專利及專利文件全部作為本實用新型的參考內容，盡管它們是分別加以參考的。如果本實用新型與參考文件之間存在用途差異，則將參考文件的用途視作本實用新型的用途的補充，若兩者之間存在不可調和的差異，則以本實用新型的用途為準。在本實用新型中，與專利文件通常使用的一樣，術語“一”或“某一”表示包括一個或多個，但其他情況或在使用“至少一個”或“一個或多個”時應除外。在本實用新型中，除非另外指明，否則使用術語“或”指無排他性的或者，使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附權利要求中，術語“包含”和“在其中”等同于各個術語“包括”和“其中”的通俗英語。同樣，在下面的權利要求中，術語“包含”和“包括”是開放性的，即，系統、裝置、物品或步驟包括除了權利要求中這種術語之后所列出的那些元件以外的部件的，依然視為落在該條權利要求的范圍之內。而且，在下面的權利要求中，術語“第一”、
“第二”和“第三”等僅僅用作標簽，并非對對象有數量要求。上述說明的作用在于解說而非限制。例如，盡管已經描繪了與PNP器件相關的示例，但是，但是一個或更多個示例適用于NPN器件。在其他示例中，上述示例(或者它們的一個或更多個方面)可彼此結合使用。可采用其他實施例，例如一名本領域普通技術人員在閱讀上述說明的基礎上能夠采用的那樣。遵照37C.F.R. § I. 72(b)的規定提供摘要，允許讀者快速確定本技術公開的性質。提交本摘要時要理解的是該摘要不用于解釋或限制權利要求的范圍或意義。同樣，在上面的具體實施方式
中，各種特征可歸類成將本公開合理化。這不應理解成未要求的公開特征對任何權利要求必不可少。相反，本實用新型的主題可在于的特征少于特定公開的實施例的所有特征。因此，下面的權利要求據此并入具體實施方 式中，每個權利要求均作為一個單獨的實施例。應參看所附的權利要求，以及這些權利要求所享有的等同物的所有范圍，來確定本實用新型的范圍。
權利要求1.一種用于功率轉換器開關的邊沿速率驅動器，所述驅動器包括 輸入節點，所述輸入節點被設置成接收脈寬調制信號； 第一開關，所述第一開關被設置成在第一狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至電源電壓； 第二開關，所述第二開關被設置成在第二狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至基準電壓；和 第一電流源，所述第一電流源被設置成當所述功率轉換器開關從所述第二狀態過渡至所述第一狀態時，向所述第一開關提供充電電流，所述充電電流被設置成對所述功率轉換器開關的寄生電容進行充電。
2.根據權利要求I所述的驅動器，包括第二電流源，所述第二電流源被設置成當所述功率轉換器開關從所述第一狀態過渡至所述第二狀態時，向所述第二開關提供放電電流，所述放電電流被設置成使所述功率轉換器開關的寄生電容進行放電。
3.根據權利要求2所述的驅動器，包括連接至所述第一電流源和所述第二電流源的第三電流源，所述第三電流源被設置成控制所述功率轉換器開關的輸出處的電壓的斜變率。
4.根據權利要求3所述的驅動器，其中所述第一電流源包括第一電流鏡，所述第一電流鏡被設置成提供代表感測電流的第一鏡像電流；并且 其中所述第三電流源被設置成提供所述感測電流。
專利摘要本文涉及用于開關功率轉換器的邊沿速率控制門驅動器。本文除其它事情外，討論用于功率轉換器開關的邊沿速率驅動器的設備和方法。在一個示例中，所述驅動器可包括輸入節點，所述輸入節點被設置成接收脈寬調制信號；第一開關，所述第一開關被設置成在第一狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至電源電壓；第二開關，所述第二開關被設置成在第二狀態期間將所述功率轉換器開關的控制節點連接至基準電壓；和第一電流源，所述第一電流源被設置成當所述功率轉換器開關從所述第二狀態過渡至所述第一狀態時，向所述第一開關提供充電電流，所述充電電流被設置成對所述功率轉換器開關的寄生電容進行充電。
文檔編號H02M1/44GK202565160SQ201220045949
公開日2012年11月28日 申請日期2012年2月13日 優先權日2011年2月11日
發明者邁克爾·大衛·穆里根, 蒂莫西·艾倫·迪伊薇特 申請人:快捷半導體(蘇州)有限公司, 快捷半導體公司