同步降壓dc-dc轉換器系統的制作方法

同步降壓dc-dc轉換器系統的制作方法
【專利摘要】實施例提供了同步降壓DC-DC轉換器系統，該系統包括連接到電源的高側開關和低側開關，每個開關配置成從接通狀態轉換到關斷狀態和從關斷狀態轉換到接通狀態，以向電感器和負載傳遞電流。這個實施例還包括低側驅動器電路系統，該低側驅動器電路系統配置成控制該低側開關的導通狀態，并且配置成在一操作模式期間利用第一柵極驅動信號驅動該低側開關，并且在第二操作模式期間利用第二柵極驅動信號驅動該低側開關。該第一柵極驅動電壓比該第二柵極驅動信號強，并且該第二柵極驅動信號配置成與該第一柵極驅動控制信號相比使該低側開關較慢地進行開關轉換。
【專利說明】 同步降壓DC-DC轉換器系統
【技術領域】
[0001]本申請涉及DC-DC轉換器拓撲，并且，更具體地涉及具有動態可調低側柵極驅動器的同步降壓轉換器拓撲。
【背景技術】
[0002]根據負載的功率需求，同步降壓轉換器既可用于連續導通模式(CCM)又可用于間斷導通模式(DCM)。在某些情況下，負載狀況可發生改變，使得該負載需要減少電流消耗和/或增大/減小輸出電壓，這可導致同步降壓轉換器開始從該負載汲取電流并且暫時操作在“升壓”模式。在這種狀態下，通過輸出電感器的電流可為負，這可能導致負電流流過(漏極到源極電流)電源的低側開關。在開關轉換期間，這樣的負電流可在低側開關導致不可接受的電壓尖峰。
實用新型內容
[0003]在一個示例中，提供一種同步降壓DC-DC轉換器系統，包括:連接到電源的高側開關以及低側開關，每個開關配置成從接通狀態轉換到關斷狀態以及從關斷狀態轉換到接通狀態，以向電感器以及負載傳遞電流；低側驅動器電路系統，其配置成控制所述低側開關的導通狀態，并且配置成在第一操作模式期間利用第一柵極驅動控制信號驅動所述低側開關，以及在第二操作模式期間利用第二柵極驅動控制信號驅動所述低側開關；其中所述第一柵極驅動控制信號比所述第二柵極驅動控制信號強，并且所述第二柵極驅動控制信號配置成與所述第一柵極驅動控制信號相比使所述低側開關較慢地進行開關轉換。
[0004]在另一示例中，提供一種同步降壓DC-DC轉換器系統，包括:連接到電源的高側開關以及低側開關，每個開關配置成從接通狀態轉換到關斷狀態以及從關斷狀態轉換到接通狀態，以向連接到所述高側開關以及所述低側開關的電感器以及負載傳遞電流；低側驅動器電路系統，所述低側驅動器電路系統配置成至少部分地基于所述負載的功率需求，生成開關驅動控制信號以可變地控制所述低側開關的接通和/或關斷速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]請求保護的主題的特點和優勢可從隨后應參考附圖來考慮的對實施例的詳細描述中顯現出來，在附圖中:
[0006]圖1示出了符合本申請的多種實施例的電源系統；
[0007]圖2示出根據本申請的一個實施例的電源的多種操作模式的電感器電流信號圖；
[0008]圖3A示出根據本申請的一個實施例的在該電源的連續導通模式且電感器電流為正期間功率開關的信號圖；
[0009]圖3B示出根據本申請的一個實施例的在該電源的連續導通模式且電感器電流為負期間功率開關的信號圖；
[0010]圖4A示出根據本申請的一個實施例的在該電源的非連續導通模式期間的時序圖；
[0011]圖4B示出根據本申請的一個實施例的在該電源的連續導通模式且電感器電流為負期間的時序圖；
[0012]圖5示出了常規同步降壓轉換器在連續導通模式期間的仿真信號圖；
[0013]圖6示出了常規同步降壓轉換器在連續導通模式且電感器電流為負期間的仿真信號圖；
[0014]圖7示出根據本申請的一個實施例的同步降壓轉換器在連續導通模式且電感器電流為負期間的仿真信號圖；以及
[0015]圖8示出符合本申請的一個實施例的操作流程圖。
[0016]盡管將參照例示性實施例來進行以下具體描述，但對于本領域技術人員來說，其許多替代、修改和變型將是明顯的。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出了符合本申請多種實施例的電源系統100。在圖1中描繪的該電源系統100可包括在專用和/或通用或定制集成電路系統(IC)中，或者形成為該專用和/或通用或定制IC的一部分，其中該專用和/或通用或定制IC例如為半導體集成電路芯片、片上系統(SoC)、多芯片模塊(MCM)等。此處描述的該電源系統100為同步降壓DC/DC轉換器，配置成驅動電感器電路系統102向負載104提供功率。至少一個實施例的系統100包括高側開關106 (例如功率MOSFET器件等)和低側開關108 (例如功率MOSFET器件等)，該高側開關106和該低側開關108連接到輸入電壓Vin并且配置成進行切換以驅動該電感器電路系統102。該開關106/108可包括例如體二極管電路系統(未示出)和/或其它特性熟知的功率開關。該系統100還包括配置成驅動該高側功率開關106的高側驅動器電路系統110以及配置成驅動該低側功率開關108的低側驅動器電路系統112。眾所周知，開關106和108通過脈沖寬度調制(PWM)信號被控制為驅動該電感器電路系統102，從而可控制地向該負載電路系統104傳遞功率。該系統100還包括:聞側驅動器電路系統110，配直成控制該聞偵關106的柵極；低側驅動器電路系統112，配置成控制該低側開關108的柵極；PMW電路系統114，配置成向該高側驅動器電路系統110供應可控的PWM信號115 ;和PMff電路系統116，配置成向該低側驅動器電路系統112供應互補的PWM信號117。PWM輸入信號113可由例如PWM控制器(未示出)生成，該PWM控制器可包括熟知的反饋控制機構，以對輸入PWM信號113的占空周期提供控制。另外，此處描述的多個實施例中，該電源100還可包括:過零檢測器電路系統118，配置成確定通過該電感器電路系統102的電流Il何時跨過大約O安培；保持電路系統120，配置成將過零事件的狀態保持選定的PWM周期數；邏輯電路系統122，配置成控制該低側驅動器電路系統112的各種狀態；和延遲電路系統124，配置成延遲高側驅動器電路系統110的操作。該圖1的多個實施例的這些和其它特性將在下文詳細描述。
[0018]該負載電路系統104可配置成生成表不該負載的功率需求的負載控制信號127(SM0D_EN)。例如，特定負載(例如，微處理器、復合負載等)可要求該電源系統100向該負載104供應功率并且從該負載104汲取功率。眾所周知，同步降壓轉換器可操作為供應功率，以及當該負載通過請求要求該電源允許通過該低側開關108的Il獲得負值時，汲取功率(例如升壓模式)。在模式I期間，該電源100可向該負載104供應功率并且Il保持為正(例如CCM和DCM操作)。在模式2期間，該電源100可從該負載汲取功率，并且Il可因此被允許在一些或所有PWM周期(例如升壓模式)變為負。如文中按照慣例使用的，當負載控制信號127被使能或為高時，這表示該負載104需要從該電源100供應電流，并且當控制信號被去使能或為低時，這表示該負載104需要電源100從負載104通過低側開關108汲取電流。當然，這僅是針對負載控制信號127的控制狀態的一個示例，并且該電源系統100可配置成負載控制信號127的狀態與上述狀態相反的情況。
[0019]過零檢測器電路系統118可包括磁滯比較器電路系統136和鎖存電路系統138。該鎖存電路系統138可包括例如觸發器電路系統(例如D型觸發電路系統,如圖所示)。該比較器電路系統136可包括輸入開關140和142,并且輸入開關140和142的該導通狀態可分別通過PWM信號117和115控制。該比較器電路系統136的正輸入端可連接到開關106和108之間的SW節點，以提供表示Il的信號。該比較器電路系統136的輸出可用于為該鎖存電路系統138計時，并且該鎖存電路系統138的D輸入端可連接到穩態直流電源(例如VCC)。由于比較器電路系統136的輸入端為SW節點，從該SW節點接收到的信號相對嘈雜，因此，鎖存電路系統138可避免在比較器電路系統136的輸出端處的“顫振(chatter)”。電路系統118還可包括鎖存延遲電路系統144，該鎖存延遲電路系統144配置成基于PWM信號115延遲鎖存電路系統138的鎖存狀態。該過零檢測器電路系統118配置成生成表示Il狀態的過零控制信號139 (Z⑶)。例如，如果Il為正，控制信號139可被去使能(例如為低)，并且如果Il為負，控制信號139可被使能(例如為高)。保持電路系統120通常配置成將該過零控制信號139的狀態保持一個或多個PWM周期。該保持電路系統120可包括鎖存電路系統134 (例如D型觸發器電路系統，如圖所示)，該鎖存電路系統134配置成鎖存信號139的狀態，并且生成經鎖存的過零控制信號135 (ZCD_保持)。
[0020]眾所周知，同步降壓轉換器通常可操作于連續導通模式(CCM)和非連續導通模式(DCM)，以向該負載104傳遞功率。在CCM期間，電感器電流11可保持為正(例如，當電源100作為負載104的電流源進行操作時)，或者Il可被允許變為負(例如，當電源100作為負載104的電流宿進行操作時)。在DCM期間，Il通常不被允許變為負，相反，在Il可能要變為負的時候Il被迫接近于零。簡要的參考圖2，描繪了在多個操作模式期間的電感器電流信號圖。信號圖202描繪了在CCM模式期間當該電感器電流總為正時的電感器電流II，信號圖204描繪了在DCM模式期間當該電感器電流接近于零(否則將為負)時的電感器電流II，信號圖206描繪了在CCM模式期間當電感器電流被允許為負時的電感器電流II。
[0021]在下文的詳細描述中，在Il總為正(或接近于零)時的CCM和DCM模式在這里應被稱為“模式1”，在Il被允許為負時的CCM模式在這里應被稱為“模式2”。在模式I下，通過該電感器102的電流為正(或零)，并且低側開關108操作在“第三象限”，這意味著該電流從開關108的源極流到漏極。在模式2下，當Il為負時，該低側開關108操作在“第一象限”，這意味著電流從開關108的漏極流到源極。對于常規同步降壓轉換器拓撲，在模式2期間，在開關狀態轉變時，在開關106和108上可能會發生過大的瞬變電壓尖峰，并且這樣的電壓尖峰可能會超過容限，例如，封裝引腳容限。
[0022]相應地，本申請的教導提供了多種機制來減小或最小化在模式2期間的切換瞬變電壓尖峰。為使能對該低側開關108的控制并且減少或消除開關狀態轉換期間的尖峰(低到高和高到低)，該低側驅動器電路系統112配置成至少部分地基于該系統100的操作模式可變地控制該低側開關108的該接通/關斷速度。在一個實施例中，該低側驅動器電路系統112包括多個驅動器電路，例如第一驅動器電路126 (LDRVl)和第二驅動器電路128(LDRV2)。驅動器電路124和126各自可配置成生成使低側開關108轉換狀態所需的柵極驅動控制信號125的一部分。因此，驅動器電路124的輸出151供應該柵極驅動控制信號125的一部分,驅動器電路126的輸出153供應該柵極驅動控制信號125的另一部分。驅動器電路124和126配置成接收互補的PWM信號117。驅動器電路124還可連接到邏輯電路系統122 (如下所述)，并且可在控制信號129為邏輯低時被使能，在控制信號129為邏輯高時被去使能。相似地，驅動電路126還可連接到邏輯電路系統122 (如下所述)，并且可在控制信號129為低且控制信號131為低時被使能，在控制信號129和/或控制信號131為高時被去使能。當然，這僅是對驅動器電路124和126的邏輯控制的一個示例，本領域技術人員應認識到在不脫離本申請的教導的情況下也可使用其它的邏輯控制機制。
[0023]在模式I期間(CCM)，驅動器電路124和126兩者可被使能生成該柵極控制信號125 (由信號151和153的總和表示)，以(通過控制信號125 (LDRV))控制低側開關108的導通狀態。在這種狀況下，柵極控制信號125 (由信號151和153的總和表示)可具有足以使低側開關108 “快速”(例如，正常)切換(高到低以及低到高)的強度。例如，當柵極控制信號125由信號151和153的總和表不時,組合的驅動器電路124和126的輸出電阻可相對較低(例如。為0.5歐姆)，使得柵極控制信號125可以相對較快的速率(例如，上升/下降時間〈10-15納秒來驅動低側開關108的容性輸入。在模式2期間，低側驅動器電路系統112的一部分可被去使能，使得柵極控制信號125較弱，也就是說，與當驅動器電路系統112在模式I中被完全使能時相比，受到更大的電阻且具有減小的輸出電流。去使能低側驅動器電路系統的一部分可操作為增大低側開關108的上拉和下拉電阻，并且因此在Il為負時使低側開關108從低到高和/或從高到低的轉換狀態變慢。因此，本文中使用的，“較強的”柵極控制信號125意味著與“較弱的”柵極控制信號125相比，該柵極控制信號125能夠以較快的速度(更快的上升/下降時間)驅動低側開關108。減弱柵極控制信號125的強度會減慢低側開關108在開關轉換期間的漏-源邊緣。在一個示例性實施例中，第一驅動器電路124配置成生成約為柵極控制信號125的強度的25%，第二驅動器電路126配置成生成約為柵極控制信號125的強度的75%，并且在這樣的配置中，當第二驅動器電路126在模式2中被去使能時，低側開關108的開關轉換的上升和下降時間是驅動器電路124/126在模式I中都被使能時的1/3至2/3。當然，本領域技術人員會認識到這些百分比僅為示例，第一驅動器電路124與第二驅動器電路126的強度比可基于例如特定配置、負載要求、開關特性等而變化。
[0024]邏輯電路系統122配置成控制低側驅動器電路系統112的操作。邏輯電路系統122可包括第一與門128，該第一與門128配置成對負載控制信號127 (SM0D_EN)和過零控制信號139 (Z⑶)做與運算，并且生成第一驅動器控制信號129。邏輯電路系統122還可包括反相器電路系統150,該反相器電路系統150配置成反轉負載控制信號127 (SM0D_EN)。邏輯電路系統122還可包括第二與門130，該第二與門130配置成對反轉的負載控制信號127和鎖存的過零控制信號135做與運算，并且生成第二驅動器控制信號129。第一驅動器控制信號129可連接到第一驅動器電路124和第二驅動器電路126，并且第二驅動器控制信號131可連接到第二驅動器電路126。
[0025]高側驅動器電路系統110配置成控制高側開關106的導通狀態，并且通常可包括熟知的電路/部件，所述電路/部件配置成基于PWM信號115生成高側柵極控制信號111，以控制高側開關106的導通狀態。例如，高側驅動器電路系統110可連接到PWM信號并且包括電平移位器電路系統和驅動器電路(在圖中已示出但未用附圖標記來引用)，所述電平移位器電路系統和驅動器電路以熟知的方式配置成控制高側開關106。為防止在模式2期間低側開關108和高側開關106之間的交叉導通(下文將詳細描述)，本申請的至少一個實施例還可包括延遲電路系統124，該延遲電路系統124配置成當低側開關106的轉換狀態被延遲時延遲高側開關106的轉換狀態。在一個實施例中，延遲電路系統124可包括延遲緩沖電路154，該延遲緩沖電路154連接到PWM信號115，且配置成生成經延遲的PWM信號115’。信號115和信號115’之間 的延遲量可基于例如當低側開關的開關轉換時間由于(在模式2期間當Il為負時由去使能低側驅動器電路系統112的一部分導致的)較弱的柵極控制信號125而變慢時低側開關108的總轉換時間。延遲緩沖電路154可由第二驅動器控制信號131 (例如當第二驅動器控制信號131為高時)使能，使得當低側驅動器電路系統在模式2期間被部分去使能時，延遲緩沖電路154被使能。經延遲的PWM信號115’可使高側驅動器電路系統110提供經成比例延遲的柵極控制信號111。
[0026]下文將結合多種模式詳細描述電源系統100的操作。
[0027]樽式I, CCM, IDO
[0028]在操作中，在模式ICCM期間，系統100在導通狀態下操作，其中Il為正并且低側開關108操作在第三象限。負載104的負載控制信號127 (SM0D_EN)保持為高，表示負載104要求電源向負載104供應功率。如果Il保持為正，過零控制信號139和鎖存的過零控制信號135將保持為低，并且因此第一驅動器控制信號129和第二驅動器控制信號將保持為低。因此，驅動器電路124和126都被使能，并且柵極驅動控制信號125足以控制低側開關108進行快速開關轉換。PWM信號115控制高側驅動器電路系統110以控制高側開關106的導通狀態，互補的PWM信號117控制低側驅動器電路系統112以控制高側開關108的導通狀態，正如在模式ICCM期間所公知的。簡單地說，圖3A示出根據本申請的一個實施例的在連續導通模式期間且電源具有正的電感器電流時功率開關的信號圖300。信號圖302表示高側開關(HS)106的柵極控制信號(Ves)，信號304表示低側開關(LS)IOS的柵極控制信號(Ves)。在柵極控制信號302中的延遲306為高側開關特性中的熟知特征(例如，米勒坪曲線)。由于驅動控制信號125 (圖1)足以控制低側開關108進行快速開關轉換，低側柵極控制信號304相對較快地進行切換，如308處標出的。
[0029]樽式 I, DCM, Il ≥ O
[0030]在操作中，在模式IDCM期間，系統100在導通狀態下操作，其中Il為正和/或接近于O并且低側開關108操作于第三象限。負載104的負載控制信號127 (SM0D_EN)保持為高，表示負載104要求電源向負載供應功率。例如，當負載104要求的功率少于在CCM模式下能夠供應的功率時，可以利用DCM模式。如果Il保持為正，過零控制信號139和鎖存的過零控制信號135將保持為低，并且因此，第一驅動器控制信號129和第二驅動器控制信號將保持為低。因此，驅動器電路124和126都被使能，并且總驅動控制信號125足以控制低側開關108進行快速開關轉換。當Il試圖變為負時，過零控制信號139將從低變到高，并且在下一個高PWM周期，鎖存的過零控制信號135將從低變到高。第一驅動器控制信號129從低變到高，從而去使能低側驅動器電路系統112(例如，去使能第一驅動器電路124和第二驅動器電路126)。這將導致低側開關108斷開(不導通)，并且電感器電流將“鉗”在大約為零處，也就是說，不會變為負。PWM信號115控制高側驅動器電路系統110以控制高側開關106的導通狀態，互補的PWM信號117控制低側驅動器電路系統112以控制高側開關108的導通狀態，正如在模式IDCM期間所公知的。圖4A示出根據本申請的一個實施例的電源100在DCM期間的時序圖400。時序圖402示出了 PWM信號115，時序圖404示出了電感器電流II，時序圖406示出了過零控制信號139和第一驅動器控制信號129。如圖4A所示，并且繼續參考圖1，當11404開始從正跨到負(過零并且PWM信號115為低，互補的PWM信號117為高)，過零控制信號139和第一驅動器控制信號129從低轉換到高，從而去使能低側驅動器控制電路系統112，以斷開低側開關108。過零控制信號139和第一驅動器控制信號129保持高直到PWM信號402從低轉換到高，從而導致11404從大于為零轉換到正的電感器電流。
[0031]樽式I, CCM, IDO 和 / 或 IKO
[0032]在操作中，在模式2CCM期間，系統100在導通狀態下操作，其中Il可為正和/或負。當Il為正時，低側開關108操作在第三象限，并且當Il為負時，低側開關108操作在第一象限。為使能通過電感器102的負電流，負載104可將負載控制信號127(SM0D_EN)從高轉換到低，表示負載104要求電源在PWM周期的至少部分期間從負載104汲取功率。如果Il保持為正，過零控制信號139和鎖存的過零控制信號135將保持為低，并且因此第一驅動器控制信號129和第二驅動器控制信號將保持為低。因此，驅動器電路124和126兩者都被使能，并且總驅動控制信號125足以控制低側開關108進行快速開關轉換(例如，以對低側開關108的Ves進行快速充/放電)。如果Il開始變為負，則過零控制信號139將從低轉換到高，并且在下一個高PWM信號上，鎖存的過零控制信號135將從低轉換到高，并且在Il為負和在Il變為正后的整個PWM周期保持鎖存為高。如上所述，當過零控制信號139和鎖存的過零控制信號135為高時，第二柵極驅動器電路126 (通過控制信號129和131)被去使能，并且因此，低側開關由第一柵極驅動器電路124控制。由于低側驅動器電路112的一部分被去使能，柵極控制信號125不足以使低側開關108進行快速開關轉換，因此減慢低側開關108的開關轉換，從而減小或最小化當Il為負時(低側開關操作在第一象限)由低側開關108的快速開關轉換造成的過沖和激振(ringing)效應。同樣，當第二控制信號131從低轉換到高(當信號135從低轉換到高)，延遲電路系統124被使能，因此導致PWM信號115的延遲和高側柵極控制信號111的延遲。當低側開關的開關轉換時間由于(由在模式2期間當Il為負時去使能低側驅動器電路系統112的一部分導致的)較弱的柵極控制信號125而變慢時，由延遲電路124產生的延遲可與低側開關108的總開關轉換時間大約相同或成比例。
[0033]圖3B示出根據本申請的實施例的在連續導通模式期間且電源具有負的電感器電流時功率開關的信號圖350。信號圖352表示高側開關106的柵極控制電壓(Ves)，信號圖354表示低側開關108的柵極控制信號(Ves)。在柵極控制信號354中的坪曲線356是通過減慢低側開關108的切換而產生的，如前文所述。另外，在柵極控制信號352中的延遲358是通過當Il為負時延遲高側開關106的切換而產生的，如上文所述。同樣，當Il為負時，低側開關108實質上變成“控制”開關，并且因此，高側開關106通常利用相對較快的開關轉換來改變狀態，如圖所示。
[0034]圖4B示出根據本申請的一個實施例的電源100在CCM期間的時序圖450。在圖4B的示例中，Il為正也為負。時序圖452示出了 PWM信號115，時序圖454示出了電感器電流11，時序圖456示出了過零控制信號139，以及時序圖458示出了鎖存的過零控制信號135，和第一驅動器控制信號129。如圖4B所示并且繼續參考圖1，當11454開始從正跨到負(過零以及PWM信號115為低，互補的PWM信號117為高)時，過零控制信號139從低轉換到高，同時Il保持為負以及PWM保持為低。在下一個PWM高轉換，鎖存的過零控制信號135 (和第一驅動器控制信號129)從低轉換到高，并且保持為高直到Il在整個PWM周期為正。當第一驅動器控制信號129為“高時，第二驅動電路126被去使能，因此減慢低側開關108的開關轉換，如此處所述。
[0035]對比仿直
[0036]圖5和圖6分別示出在連續導通模式期間以及在連續導通模式且電感器電流為負期間，具有常規驅動器電路系統的常規同步降壓轉換器的仿真信號圖500和600。圖7示出在連續導通模式且電感器電流為負期間，根據本申請一個實施例的同步降壓轉換器的仿真信號圖700。圖7的仿真信號圖表示與圖1的電源100相似的電源的電路仿真。圖5、6和7的仿真是假設低側開關和高側開關的額定電壓為25伏特。在圖5的常規電路仿真中，信號502表不在低側開關上的電壓(Vds ),信號504表不在高側開關上的電壓(Vds ),信號506表示低側柵極控制電壓(Ves)并且信號508表示高側柵極控制電壓(Ves)。如圖5標明的，低側柵極控制信號506以及高側柵極控制信號508配置成使其相應開關以相對較快的速度切換導通狀態。因此，在開關轉換期間，低側開關和高側開關兩者都具有大的瞬變Vds電壓，并且在這個常規同步降壓轉換器在CCM期間的仿真中，在低側開關上的峰值瞬變Vds電壓(Vpk)大約為23伏特并且在高側開關的峰值瞬變Vds電壓(Vpk)大約為24伏特。這通常在低側開關和高側開關的電壓容限(25伏特)內，并且通常表示常規同步降壓轉換器在CCM期間的常規操作狀況。
[0037]在圖6的常規電路仿真中，信號602表不在低側開關上的電壓(Vds),信號604表不在高側開關上的電壓(VDS)，信號606表示低側柵極控制電壓(Ves)并且信號608表示高側柵極控制電壓(Ves)。如圖6所標注的，低側柵極控制信號606和高側柵極控制信號608使其相應開關以相對較快的速度切換導通狀態。因此，在開關轉換期間低側開關和高側開關都具有大的瞬變Vds電壓，并且常規同步降壓轉換器在CCM且電感器電流為負期間的仿真中，在低側開關上的峰值瞬變Vds電壓(Vpk)約為28伏特，并且在高側開關上的峰值瞬變Vds電壓(Vpk)大約為26伏特。這大于低側開關和高側開關的電壓容限(25伏特)，并且通常代表了常規同步降壓轉換器在CCM且電感器電流為負期間的常見操作狀況。由于超過了低側開關和高側開關的電壓容限，常規同步降壓轉換器會超過IC封裝容限，這可對電源本身以及該IC的其他電路/系統和/或相關電路系統的操作產生不利的影響。另外，超過低側開關和高側開關的電壓容限可在開關處生成電壓應力，功率泄露/損耗問題，熱管理問題，和/或限制電源的壽命和準確度。
[0038]相比于常規同步降壓轉換器，當電感器電流為負時減慢低側開關的轉換有利于將在低側開關和高側開關上的瞬變Vds電壓降低到容限內。圖7中的電路仿真中，信號702表不在低側開關上的電壓(Vds),信號704表不在高側開關上的電壓(Vds),信號706表不低側柵極控制電壓(Ves)并且信號708表示高側柵極控制電壓(Ves)。如圖7所標注的，在狀態轉換期間(高到低和/或低到高)的低側柵極控制信號706要慢于圖5和6中的常規同步降壓轉換器的低側柵極控制信號506/606的狀態轉換。高側柵極控制信號708基于低側柵極控制信號的狀態轉換的速度而具有延遲的狀態轉換(如上文所述，在信號708的延遲是為避免低側開關和高側開關的交叉導通)。因此，在開關轉換期間，對于低側開關和高側開關兩者，在低側開關上的峰值瞬變Vds電壓(Vpk)約為22伏特，并且在高側開關上的峰值瞬變Vds電壓(Vpk)約為24伏特。這通常在低側開關和高側開關的電壓容限(25伏特)內，并且因此，本申請有利地解決了與常規同步降壓轉換器相關的問題。
[0039]圖8示出符合本申請的一個實施例的操作流程圖800。這個實施例的操作可包括至少部分地基于連接到電源802的負載的功率需求來確定同步降壓轉換器電源的操作模式。操作模式可包括例如CCM或DCM，并且負載可需要電源供應電流(使得通過輸出電感器的電流為正或零)或汲取電流(使得通過輸出電感器的電流為負)兩者。這個實施例的操作還包括確定負載是否需要電源汲取電流804。如果不需要，則這個實施例的操作包括利用第一柵極控制信號控制低側功率開關以利用CCM和/或DCM操作模式806向負載供應電流。如果負載需要電源汲取電流(804)，這個實施例的操作還可包括確定電感器電流Il是否正在變為負808。如果不是，則這個實施例的操作包括利用CCM模式810繼續電源的操作。如果Il變為負(808)，則這個實施例的操作包括利用第二柵極控制信號控制低側功率開關以(相對于在利用第一柵極控制信號控制低側功率開關時的轉換狀態)減慢低側開關的開關轉換812。第二柵極控制信號比第一柵極控制信號弱，意味著相比于第一柵極控制信號，第二柵極控制信號具有較高的電阻，較低的驅動電流和較慢的邊緣速度。當Il為負時，減慢低側開關的開關轉換可使能對電壓瞬變尖峰的更強的控制，否則在電源的低側開關和高側開關上會觀察到電壓瞬變尖峰。這個實施例的操作還可包括利用柵極控制信號控制高側開關以延遲高側開關的開關轉換。于此，該延遲可與(在Il為負時由于第二柵極控制信號而放慢的)低側開關的總開關轉換時間成比例。
[0040]盡管圖8示出根據一個實施例的各個操作，但應理解并非所有這些操作都是必須的。的確，這里完全可設想到，在本申請的其它實施例中，圖8中描繪的操作可以未在任何附圖中具體示出的方式相結合，而仍然與本申請相符。因此，即便權利要求致力于并未在一幅圖中明確示出的特征和/或操作，這些權利要求仍被視為在本申請的范圍和內容之內。另外，本文任何實施例中使用的“電路系統”或“電路”可包括例如單一的硬線電路系統、可編程電路系統、狀態機電路系統和/或可用在更大系統中的電路系統(例如，可作為一部分包括在集成電路之內的分立元件)，或者上述的任意組合。另外，這里所述的任意開關器件可以包括任意已知類型或后來開發的開關電路系統，例如MOS晶體管、BJT、SiC等。
[0041]本文中所使用的術語和表述用于對術語進行描述而非限制，而且在使用這些術語和表述時，并未意欲排除所示及所述特征(或其部分)的任何等同物，并且應認識到可在權利要求的范圍之內進行各種修改。相應地，權利要求意在覆蓋所有這些等同物。本文已對各個特征、方面和實施例進行了描述。本領域技術人員將理解，易于對這些特征、方面和實施例進行彼此結合以及變型和修改。因此，本申請應被視為涵蓋此類結合、變型和修改。
【權利要求】
1.一種同步降壓DC-DC轉換器系統，包括: 連接到電源的高側開關以及低側開關，每個開關配置成從接通狀態轉換到關斷狀態以及從關斷狀態轉換到接通狀態，以向電感器以及負載傳遞電流； 低側驅動器電路系統，其配置成控制所述低側開關的導通狀態，并且配置成在第一操作模式期間利用第一柵極驅動控制信號驅動所述低側開關，以及在第二操作模式期間利用第二柵極驅動控制信號驅動所述低側開關；其中所述第一柵極驅動控制信號比所述第二柵極驅動控制信號強，并且所述第二柵極驅動控制信號配置成與所述第一柵極驅動控制信號相比使所述低側開關較慢地進行開關轉換。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一操作模式包括當通過所述電感器的電流相對于所述負載為正時的連續導通模式和/或間斷導通模式，所述第二操作模式包括當通過所述電感器的電流相對于所述負載為負時的所述連續導通模式。
3.根據權利要求1所述的系統，進一步包括邏輯電路系統，所述邏輯電路系統配置成控制所述低側驅動器電路系統的操作；并且其中，所述負載配置成生成指示需要在所述第一操作模式或所述第二操作模式下操作的負載控制信號；并且其中，所述邏輯電路系統進一步配置成至少部分地基于所述負載控制信號來控制所述低側驅動器電路系統生成所述第一柵極驅動控制信號以及所述第二柵極驅動控制信號。
4.根據權利要求3所述的系統，進一步包括過零檢測器電路系統，所述過零檢測器電路系統配置成確定 所述電感器中的所述電流相對于所述負載是否為負，并且生成指示所述電感器中的所述電流相對于所述負載是否為負的過零控制信號，并且其中，所述邏輯電路系統進一步配置成至少部分地基于所述過零控制信號來控制所述低側驅動器電路系統生成所述第一柵極驅動控制信號以及第二柵極驅動控制信號。
5.根據權利要求4所述的系統，進一步包括保持電路系統，所述保持電路系統配置成至少部分地基于所述電感器中的所述電流來鎖存所述過零控制信號的狀態，并且生成具有一狀態的經鎖存的過零控制信號。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述邏輯電路系統包括第一與門電路系統，所述第一與門電路系統配置成接收所述負載控制信號以及所述過零控制信號，并且生成第一控制信號以控制所述低側驅動器電路系統生成所述第一柵極驅動控制信號，第二與電路系統配置成接收反轉的負載控制信號以及經鎖存的過零控制信號，并且生成第二控制信號以控制所述低側驅動器電路系統生成所述第二柵極驅動控制信號。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述低側驅動器電路系統包括第一驅動器電路以及第二驅動器電路；并且其中，在所述第一操作模式期間，所述第一驅動器電路以及第二驅動器電路被使能生成所述第一柵極驅動控制信號；并且其中，在所述第二操作模式期間，所述第二驅動器電路被去使能，所述第一驅動器電路被使能生成所述第二柵極驅動控制信號。
8.根據權利要求1所述的系統，進一步包括高側驅動器電路系統以及延遲電路系統，所述高側驅動器電路系統配置成控制所述高側開關的導通狀態，所述延遲電路系統配置成在所述第二操作模式期間對所述高側驅動器電路系統進行延遲，以使所述高側開關的轉換延遲。
9.根據權利要求8所述的系統，進一步包括延遲電路系統，所述延遲電路系統配置成延遲所述高側驅動器電路系統的操作。
10.根據權利要求1所述的系統，其中，所述高側開關配置成至少部分地基于脈沖寬度調制信號來轉換狀態，所述低側開關配置成至少部分地基于互補的脈沖寬度調制信號來轉換狀態。
11.一種同步降壓DC-DC轉換器系統，包括: 連接到電源的高側開關以及低側開關，每個開關配置成從接通狀態轉換到關斷狀態以及從關斷狀態轉換到接通狀態，以向連接到所述高側開關以及所述低側開關的電感器以及負載傳遞電流； 低側驅動器電路系統，所述低側驅動器電路系統配置成至少部分地基于所述負載的功率需求，生成開關驅動控制信號以可變地控制所述低側開關的接通和/或關斷速度。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，開關驅動控制信號包括第一開關驅動控制信號以及第二開關驅動控制信號，并且其中，所述第一開關驅動控制信號比所述第二開關驅動控制信號強，并且所述第二開關驅動控制信號配置成與所述第一開關驅動控制信號相比使所述低側開關較慢地進行開關轉換。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述低側驅動器電路系統配置成在第一操作模式期間利用第一開關驅動控制信號驅動所述低側開關，以及在第二操作模式期間利用第二開關驅動控制信號驅動所述低側開關，所述第一操作模式包括當通過所述電感器的電流相對于所述負載為正時的連續導通模式和/或間斷導通模式，所述第二操作模式包括當通過所述電感器的電流相對于所述負載為負時的所述連續導通模式。
14.根據權利要求11所述的系統，進一步包括:邏輯電路系統，所述邏輯電路系統配置成控制所述低側驅動器電路系統的操作；并且其中，所述負載配置成生成指示需要在第一操作模式或第二操作模式下操作的負載控制信號；并且其中，所述邏輯電路系統進一步配置成至少部分地基于所述負載控制信號來控制所述低側驅動器電路系統。
15.根據權利要求14所述的系統，進一步包括:過零檢測器電路系統，所述過零檢測器電路系統配置成確定所述電感器中的所述電流相對于所述負載是否為負，并且生成指示所述電感器中的所述電流相對于所述負載是否為負的過零控制信號，并且其中，所述邏輯電路系統進一步配置成至少部分地基于所述過零控制信號來控制所述低側驅動器電路系統。
16.根據權利要求11所述的系統，其中，所述低側驅動器電路系統包括第一驅動器電路以及第二驅動器電路；并且其中，在第一操作模式期間，所述第一驅動器電路以及所述第二驅動器電路被使能生成具有第一信號強度的第一開關驅動控制信號；并且其中，在第二操作模式期間，所述第二驅動器電路被去使能，所述第一驅動器電路被使能生成具有第二信號強度的第二開關驅動控制信號；其中所述第一信號強度大于所述第二信號強度。
17.根據權利要求11所述的系統，進一步包括高側驅動器電路系統和延遲電路系統，所述高側驅動器電路系統配置成控制所述高側開關的導通狀態，所述延遲電路系統配置成在至少一種操作模式期間對所述高側驅動器電路系統進行延遲，以使所述高側開關的轉換延遲。
【文檔編號】H02M3/158GK203504412SQ201320403277
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2012年7月20日
【發明者】喬恩·格拉迪施, 托馬斯·N·馬西斯, 尚恩·T·塔爾頓 申請人:快捷半導體(蘇州)有限公司, 快捷半導體公司