专利名称：带有电荷转移的升压开关驱动器的制作方法
本申请要求于2004年8月2日提交的名称为“用于开关电源的栅驱动器和缓冲器(Gate Drive and Snubber for Switching Power Supply)”的美国第60/598,666序列号临时申请的优先权，以及要求于2004年10月26日提交的名称为“带有电荷转移的升压开关驱动器(Boosted Switch DriveWith Charge Transfer)”的美国第10/976,196序列号专利申请的优先权，上述申请通过引用合并于此。
背景
图1图示说明了现有技术中用于开关电源的栅驱动器电路。图1的电路包括与开关节点SW相连接的两个晶体管Q1和Q2，这两个晶体管被布置在两个不同电源端PS和GND之间交替切换电感器。这种类型的开关布置通常用于开关电源，如同步降压转换器。晶体管Q1和Q2分别由输入信号IN1和IN2控制，这两个输入信号经过驱动器电路10和12驱动栅极Q1和Q2。
因为Q2的源极以电源接地端GND为基准，所以驱动器电路12从正电源端PS接收其功率。然而，Q1的源极以开关端SW为基准，该开关端SW的电压几乎与PS电压相同，这时Q1的栅极必须用显著高于PS的电压驱动。因此，图1的电路包括产生升压电源BST的升压电路14，该升压电源BST用于操作Q1的驱动器电路10。升压电路14包括以电荷泵布置形式连接的二极管DB和电容器CB。
图1的电路还包括RC缓冲器电路16，该RC缓冲器电路16抑制SW开关处的电压尖峰，该电压尖峰由晶体管的寄生电感、安装它们的PC板、以及用于开关电源的主电感器产生。
附图简要说明图1图示说明了现有技术中用于开关电源的栅驱动器电路；
图2图示说明了根据本专利公开内容中一些发明原理的电路实施例；图3图示说明了根据本专利公开内容中一些发明原理的另一种电路实施例；图4图示说明了显示了根据本专利公开内容中一些发明原理的一些附加实现细节的电路实施例。
详细描述参照图1的电路，作为可操作的例子，假设电源PS为正电压VPS，而假设电源端GND为地电位。当开启底部的晶体管Q2，即当开关节点SW通过Q2接地(除通过Q2的任何电阻压降外)时，升压电路中的电容器CB充电至VPS-VD。当激活输入IN1时，该电容电压通过驱动器10驱动到顶部晶体管Q1的栅极上。当Q1开启时，该电容电压加到开关节点SW的电压上，因此在升压端BST处产生升压VBST。这几乎在Q1的栅-源输入端上放置了全部电源电压VCC(减去二极管压降)，并需要CB存储足够的电荷，以便将Q1的栅极电容充电至几乎全部的电源电压。由于包含了大量的电荷，这就会引起高开关损耗。
一种降低开关损耗的可能技术为升压电路14提供较低的电源电压，也就是不将升压电路14直接连接到PS上。这个降低的电源电压必须足够高以产生升压VBST，该升压VBST能够完全开启顶部晶体管Q1以便最小化通过Q1的导通损耗，并且这个降低的电源电压必须足够低以最小化开关损耗。通常存在一个最佳的降低电源电压，其产生最佳升压，但降低的电源电压通常由特定电路产生，这增加了系统的成本和复杂性。
图1电路的另一个潜在的难以解决的问题为缓冲器电路16中的功率损耗。在许多情况下，缓冲器电路对阻止电压尖峰损坏晶体管Q1和Q2是必要的。然而，相当大数量的电荷通过缓冲器分流到地，导致功率的浪费以及效率的降低。
本专利所公开的一些发明原理涉及在升压电路和/或缓冲器电路内部和/或在它们之间转移电荷。图2说明了根据本专利公开内容中一些发明原理的用于转移电荷的电路实施例。图2的电路包括第一个开关18，其布置在电源端PS和开关节点SW之间，并由驱动器节点的驱动信号DRV1控制。第二个开关20布置在SW和第二个电源端GND之间，并由第二个驱动器节点的第二个驱动信号DRV2控制。驱动信号DRN1和DRV2分别由驱动器电路22和24响应于开关输入信号IN1和IN2产生。
升压电路26在升压节点BST处产生升压信号VBST，以操作驱动器电路22。升压电路包括分压器电路28，在这个例子中将分压器电路28概念性地显示为在元件之间转移电荷以限制升压信号的电容分压器。
图3图示说明了根据本专利公开内容中一些发明原理的用于转移电荷的另一种电路实施例。图3的电路包括开关18及20和驱动器电路22及24，它们的布置方式如同图2的电路。然而，图3的电路包括缓冲器电路30，将其布置成转移电荷至升压电路32，该升压电路产生用于提供功率以驱动开关18的升压信号VBST。
图4图示说明了一种电路实施例，其示出了根据本专利公开内容中一些发明原理的一些示例实施方案的细节。开关18及20用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实现，但可使用其它任意类型的合适开关。驱动器电路22及24可为任意合适的栅驱动器。阴极负载(boot-strap)二极管D1连接在电源节点PS和升压节点BST之间。电容器C1连接在开关节点SW和升压节点BST之间，优选地经过电阻器R1。第二个电容器C2连接在BST和电源GND之间。电容器C1和C2构成电容分压器，用以降低在升压节点BST处的升压电压VBST。如图4所示的元件布置还在开关节点SW处提供了缓冲，可将电荷从开关节点SW转移至升压电路。
取决于实施方案的细节，由于因C1和C2的分压作用而降低了升压信号VBST的电压电平，所以图4的电路可减少开关损耗。由于存在经由R1/C1和C2从开关节点SW到升压节点BST的反馈，所以当启动开关18时，该电路也可提供最优化的摆率控制。也就是说，晶体管18的栅极电压可迅速地上升以快速启动晶体管，因而最终摆率控制可以减小开关节点SW处的电压尖峰。因为SW节点的缓冲处在驱动器的反馈之中，该缓冲就可以通过电阻器R1及其所串联的C1及C2组合之间的相互作用，提供比现有技术方法更好的缓冲响应。图4的布置可以减小在一些或所有部件上的应力，例如，在开关和阴极负载二极管上的电压应力。而从图4的电路中得到的整体效率使得能够使用更少和/或成本更低的开关和所需使用的其它元件。然而，图4的电路的另一个潜在好处是电阻器R1可通过限制穿过阴极负载二极管的电流冲击而降低应力。由于升压和缓冲功能都在相同的元件中组成一体，所以无需其它元件及其相关成本就可实现这些潜在的好处。另一个潜在的好处是由于可通过将原本被分流至地而浪费的电荷转移至升压节点而使这些电荷得以保存，所以能够提高效率。
尽管没有必要理解本专利公开内容的发明原理，本文仍然提供了涉及图4中一些元件值的有用的公式。电容值由下式确定C1=10×QGATEVCC-VD]]>和C2=10×QGATEVGATE-C1]]>其中，QGATE是所需栅极电压为VGATE的开关18的栅极上所需的总电荷，VCC为电源电压，而VD为横跨D1的电压降。阴极负载二极管的峰值冲击电流IF(PEAK)额定值由下式确定IF(PEAK)=VCC-VDR1]]>以上参考一些特定例子的实施例描述了本专利公开内容的发明原理，但是可在布置和细节方面对这些实施例进行修改，而不偏离本发明的概念。例如，在一些实施例中将开关示为MOSFET，但根据本发明公开内容的发明原理，可使用任何其他适合的开关。如另一个例子，电源和升压信号不限制于任何特定的极性、电压或开关电源拓扑。还如另一个例子，可以重新布置电阻器R1或将其从图4的电路中删除，而仍然能够保持有益的结果。还如另一个例子，可以将C2布置在BST和除GND之外的其他节点之间。因此，应当认为这种改变和修改落在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种电路，包括开关节点；驱动器节点；电源节点；以及升压电路，与所述开关节点和所述电源节点相连接，以产生用于驱动与所述开关节点和所述驱动器节点相连接的开关的升压信号，其中所述升压电路包括分压器以限制所述升压信号。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述分压器包括连接在升压节点和电源节点之间的电容器。
3.如权利要求1所述的电路，其中所述分压器包括连接在升压节点和所述开关节点之间的电容器。
4.如权利要求1所述的电路，其中所述分压器包括连接在升压节点和电源节点之间的第一个电容器；以及连接在所述升压节点和所述开关节点之间的第二个电容器。
5.如权利要求4所述的电路，其中所述分压器进一步包括与所述电容器之一串联连接的电阻器。
6.如权利要求1所述的电路，其中所述分压器与缓冲器电路组成一体。
7.一种电路，包括缓冲器电路，与开关节点相连接；以及升压电路，与所述开关节点相连接，以产生用于驱动与所述开关节点和驱动器节点相连接的开关的升压信号；其中，布置所述缓冲器电路以将电荷从所述开关节点转移至所述升压电路。
8.如权利要求7所述的电路，其中所述缓冲器电路包括连接在所述开关节点和所述升压电路之间的电容器和电阻器。
9.如权利要求8所述的电路，其中所述电容器和电阻器与所述升压电路中的升压节点相连接。
10.如权利要求9所述的电路，其中所述电容器和电阻器串联连接。
11.如权利要求9所述的电路，其中所述升压电路包括连接在所述升压节点和电源端之间的第二个电容器。
12.一种方法，包括产生用于驱动与开关节点和驱动器节点相连接的开关的升压信号；以及转移电荷以降低所述升压信号的电压。
13.如权利要求12所述的方法，其中转移电荷包括在两个电容器之间转移电荷。
14.如权利要求12所述的方法，其中转移电荷包括分压。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括将电荷从所述开关节点转移到所述驱动器节点。
16.如权利要求15所述的方法，其中将电荷从所述开关节点转移到所述驱动器节点包括通过电容器转移电荷。
17.如权利要求16所述的方法，其中将电荷从所述开关节点转移到所述驱动器节点进一步包括通过电阻器转移电荷。
18.一种电路，包括开关节点；驱动器节点；电源节点；用于产生升压信号的装置，所述升压信号用于驱动与所述开关节点和所述驱动器节点相连接的开关；以及用于限制所述升压信号的装置。
19.如权利要求18所述的电路，进一步包括用于缓冲所述开关节点的装置。
20.如权利要求19所述的电路，其中所述用于缓冲所述开关节点的装置与所述用于限制所述升压信号的装置组成一体。
全文摘要
一种开关驱动器电路，其利用在升压开关驱动器的升压电路(26)和/或缓冲器电路(30)内部和/或在它们之间进行的电荷转移。升压电路(26)可包括分压器(28)以限制用于驱动开关(18)的升压信号。缓冲器电路(30)可转移电荷至升压电路(26)。
文档编号H02B1/24GK1989582SQ200580024395
公开日2007年6月27日 申请日期2005年7月27日 优先权日2004年8月2日
发明者托德·F·斯琪夫 申请人:美国模拟器件公司