CN101471599A - Mos管的驱动电路、电源管理装置及用于驱动mos管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOS管的驱动电路，其至少包括：电荷泵单元和驱动器。所述电荷泵单元用于接收源电压，并输出高于源电压的输出电压。与所述电荷泵单元相连接的所述驱动器用于接收所述电荷泵的所述输出电压，并将所述输出电压转换为用于导通所述MOS管的驱动电压。

Description

MOS管的驱动电路、电源管理装置及用于驱动MOS管的方法
本申请要求序列号为61/008,427，申请日为2007年12月20日的美国待审临时专利申请的优先权，在此，将其全文内容引入作为参考。
技术领域
本发明涉及电源管理装置，尤指应用电荷泵的电源管理装置。
背景技术
对于现有的电源管理装置，比如电源管理控制器或者充电器，开关能够为系统负载或者可充电电池组输送如直流电的电源。在电源管理控制器或者充电器中，通常应用双极性晶体管或金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET metal-oxide-semiconductor field effecttransistor)作为开关。在电子电路中，理想开关被定义为当导通电阻为零，断开电阻为无穷大。与其它类型的开关相比，MOSFET有相对较低的导通电阻和相对较高的断开电阻。
P沟道的MOSFET(PMOS)开关导通的条件是，栅极接到比源级电压低的电压(比如0V)。N沟道的MOSFET(NMOS)导通的条件是，栅极的电压比源极高比如5V。在现有的电路中，NMOS开关的源极可能被连接到电源(比如电池组)的正极(或输出端)。这样，NMOS开关的栅极驱动电压就需要比电源的输出电压大。由于如此高的驱动电压有时是不容易得到的，所以NMOS开关的这种特性限制了它的应用。因此，在现有的电源管理装置中PMOS开关得到了广泛的应用。
PMOS开关虽然比NMOS开关更容易驱动，但是相同尺寸的PMOS开关可能比NMOS开关的导通电阻大。比如，相同尺寸的PMOS开关的导通电阻可以比NMOS开关大两倍。所以，应用PMOS开关可能消耗的电量可能是NMOS开关的两倍。
为了减小PMOS开关的耗电量并获得更好的电源传输效率，有着小导通电阻的PMOS开关被应用。然而，由于特殊的制造工艺，这种PMOS开关成本较高。况且，这种PMOS开关也需要芯片空间来配置其驱动电路。所以，电源管理装置的成本也就提高了。
发明内容
本发明提供一种MOS管的驱动电路，包括：电荷泵单元和驱动器。所述电荷泵单元用于接收源电压，并输出高于源电压的输出电压。与所述电荷泵单元相连接的所述驱动器用于接收所述电荷泵的所述输出电压，并将所述输出电压转换为用于导通所述MOS管的驱动电压。
本发明还提供一种电源管理装置，该电源管理装置至少包括连接于电源和系统负载之间的MOS开关、控制单元和与所述控制单元相连的驱动电路。所述控制单元用于监测所述系统负载的电源状态，并根据所述电源状态产生一个控制信号。所述驱动电路，用于接收所述控制信号和所述电源，所述驱动电路用于将所述电源的电压转换为驱动信号，所述驱动信号用于根据所述控制信号导通所述MOS开关。
本发明还提供一种用于驱动MOS管的方法，该方法包括接收源电压，所述源电压应用于所述MOS管；应用电荷泵产生高于所述源电压的输出电压；和将所述输出电压转换成驱动电压用于导通所述MOS管。
附图说明
以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
图1是根据本发明的一个实施例的电源管理装置的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的开关控制信号和驱动信号的波形图；
图3是根据本发明的另一实施例的电源管理装置的结构示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的电源控制方法的流程图。
具体实施方式
本发明将在下文中配合附图进行全面描述。本发明可能以一些不同的方式实施，但不应理解为本发明被限制于说明书中介绍的某种具体的结构和功能。而应理解说明书提供的描述能够完全、充分的向本领域的技术人员传达本发明所涵盖的范围。基于说明书的描述，本领域的技术人员应当了解到本发明的范围旨在涵盖这里所揭示的本发明的所有实施方案，独立实施或者结合本发明的其他实施方案实施。比如，利用这里提出的任意数量的实施例来实现一个装置或者执行一种方法。另外，本发明的范围还包括这样一种装置或者方法。这种装置或方法可以用其他的结构、功能来实现，或者是利用本发明这里提出的实施方案和其他结构和功能一起实现，再或者是用不同于本发明这里提出的实施方案的结构和功能实现。应当理解的是这里揭示的本发明的所有实施方案都可以由权利要求中的一个或多个元件来实施。
图1是根据本发明的一个实施例的应用NMOS开关和相应驱动电路的电源管理装置100的结构示意图。电源管理装置100利用NMOS开关106和108控制为系统110提供电源的交、直流适配器102和/或电池组104。如图1所示，系统110的电源可以是输出可控的交、直流适配器102和可充电的电池组104。另外，电源还可以是任何形式的，比如输出恒定的交、直流适配器、直流点烟器、电池组、可充电电池组等等。电池组104包括任何类型的可充电电池组，比如锂电池、镍镉电池、镍氢电池或者其他类似的电池。系统110可以是任意的电子装置，包括但不限于服务器、台式机、便携式电脑、移动电话、掌上电脑等等。
在一个实施例中，电源管理装置100通过NMOS开关106和108控制由交、直流适配器102提供的为电池组104充电的电源。电源管理装置100还包括控制单元114，用于监测系统110的电源状态和电池组104的状态。根据系统110和电池组104的状态，控制单元114可以为电源管理装置100选择一种运行模式，包括但不限于默认模式、工作模式、充电运行模式、放电模式、重负荷模式。在默认模式下，NMOS开关106和108都是断开状态，交、直流适配器102或者电池组104中输出电压较高的一方通过开关106和108的体二极管106-1或者108-1为系统110和电源管理装置100提供电源。在工作模式下，NMOS开关106被导通，NMOS开关108被断开，这时，系统110由交、直流适配器102通过开关106提供电源。在充电模式下，NMOS开关106和108都是导通状态，这样交、直流适配器102能够为系统110供电，同时为电池组104充电。在放电模式下，NMOS开关106被断开，NMOS开关108被导通，系统110能够从电池组104释放电源。在重负荷模式下，NMOS开关106和108都是导通的状态，这时交、直流适配器102和电池组104能够同时为带有大负载的系统110(例如系统110需要的电能大于交、直流适配器102能输出的电能)提供电源。
在每种运行方式下，控制单元114能产生一组控制信号(例如开关控制信号114-1和114-2)以控制NMOS开关106和108的导通状态，进而控制交、直流适配器102的输出，比如输出电流，输出电压，和/或输出功率。如上所述，NMOS开关需要大于其源极电压的一个驱动信号。因此，在一个实施例中，驱动电路112可以为NMOS开关106和108提供足够的驱动信号，这样，NMOS开关106和108就能够充分的被导通和断开。
在一个实施例中，电源管理装置100能够利用多个NMOS开关和其相应的驱动电路控制多个电源和/或电池组。另外，通过应用多个NMOS开关，电源管理装置100还能够同时或者分别为多个电池组充电。
如图1所示，NMOS开关106和108分别通过感应电阻118和120连接到公共节点116。交、直流适配器102和/或电池组104提供的电源通过公共节点106传送给系统110。NMOS开关106和108的导通状态由开关控制信号114-1和114-2控制。开关控制信号114-1和114-2由控制单元114产生。驱动电路112用于将控制信号114-1和114-2分别转换成适合的驱动信号112-1和112-2。
驱动电路112包括两个驱动器124-1和124-2，驱动器124-1和124-2分别连接在NMOS开关106和108与控制单元114之间。除了驱动器124-1和124-2，驱动电路112还包含电荷泵单元122。电荷泵单元122有两个输入端122-1和122-2和两个输出端122-3和122-4。输入端122-1和122-2分别连接到交、直流适配器102和电池组104的输出端。输出端122-3和122-4分别连接到驱动器124-1和124-2。电荷泵单元122用于产生高于电荷泵单元122的供电电压的电压。在一个实施例中，电荷泵单元122的供电电压就是交、直流适配器102的输出电压(Vad)和/或电池组104的输出电压(Vbatt)。这样，电荷泵单元122就能够为驱动器124-1提供一个电压大于Vad输出信号122-3。另外，电荷泵单元122也能够为驱动器124-2提供一个电压大于Vbatt输出信号122-4。驱动器124-1和124-2分别接收到信号122-3和122-4，并产生一个驱动信号112-1或112-2以足够大的输出电压使得NMOS开关106和108被充分导通或断开。当驱动器124-1或124-2从控制单元114接收到开关控制信号时，驱动器124-1或124-2就能够提供有足够电压的驱动信号112-1或112-2以驱动NMOS开关106或108。
图2是根据本发明的一个实施例的在电源管理装置100中开关控制信号114-1和114-2以及驱动信号112-1和112-2的波形图。如图2所示，开关控制信号114-1或114-2有两个电压值V0(比如0伏)和V1(比如1.8伏或者3.3伏)。在一个实施例中，控制单元114产生一个电压值为V0的开关控制信号114-1或114-2以使驱动电路112断开NMOS开关106或108。控制单元114还可以产生一个电压值为V1的开关控制信号114-1或114-2使驱动电路112启动NMOS开关电路106或108。通过驱动电路112，开关控制信号114-1或114-2能被转换为驱动信号112-1或112-2。如图2所示，驱动信号112-1有两个电压值Vad(比如12伏)和Von1(比如18伏)。驱动信号112-2有两个电压值Vbatt(比如4.2伏)和Von2(比如10伏)。在一个实施例中，如果驱动信号112-1或112-2的电压值是Vad或Vbatt，NMOS开关106或108就能够被完全断开。在一个实施例中，如果驱动信号112-1或112-2的电压值是Von1或Von2，NMOS开关106或108就能够被完全导通。因此，电荷泵单元112以及驱动器124-1和124-2的结合能够为NMOS开关106和108提供足够的驱动信号112-1和112-2。
如图1所示，在一个实施例中，电荷泵单元122能够由两个单独的电荷泵构成。比如，输入端122-1可以是第一电荷泵的输入，第一电荷泵能够于输出端122-3输出一个大于电压值Vad的信号。输入端122-2可以是第二电荷泵的输入，第二电荷泵能够于输出端122-4输出一个大于电压值Vbatt的信号。在另一个实施例中，当电源管理装置100包含多个NMOS开关时，电荷泵单元122可以包含多个电荷泵为多个驱动器提供电压信号。在另一个实施例中，电荷泵122包含单独的一个电荷泵以分时方式为多个驱动器提供电压信号。
在一个实施例中，在电源管理装置100被供电之前，电源管理装置100是处于默认模式的，在这种模式下，NMOS开关106和108处于被断开的状态。当电源管理装置100被启动时，交、直流适配器102和/或电池组104能够为系统110提供电源。虽然NMOS开关106和108仍然处于断开的状态，电源可以通过NMOS开关106和108固有的体二极管106-1和106-2被输送。如图1所示，NMOS开关106的体二极管106-1的阳极固定的连接到NMOS的源极，阴极连接到漏极。体二极管108-1的阳极和阴极也分别连接到NMOS开关108的源极和漏极。
在一个实施例中，当交、直流适配器102不可用时，电池组104可以为系统110和电源管理装置100供电。在这种情况下，体二极管108-1正向导通，电池组104产生的电流通过体二极管108-1为系统110供电。
在一个实施例中，交、直流适配器102和电池组104可以同时存在。系统110和电源管理装置100可以由交、直流适配器106或者电池组104提供电源。如果Vad大于Vbatt，体二极管106-1正向导通，体二极管108-1反向偏置。因此，交、直流适配器102提供的电流可以通过体二极管106-1。这时，由交、直流适配器102为系统110和电源管理装置100供电。然而，在默认模式下，如果Vad小于Vbatt，体二极管106-1反向偏置，体二极管108-1正向导通，系统110和电源管理装置100供电就由电池组104供电。如果Vad等于Vbatt，系统110和电源管理装置100可以随机的由交、直流适配器106和/或者电池组104提供电源。
当系统110和电源管理装置100被供电启动，控制单元114就开始管理系统110的电源提供和电池组104的充电过程。当系统110和电源管理装置100被供电启动，在控制单元114的控制下，NMOS开关106和108能够被充分的导通。由于NMOS开关的导通电阻相对小，导通的NMOS的电压降不会超过其体二极管的导通门限值。因此，大电流不会通过体二极管。所以，当系统110和电源管理装置100被供电启动，交、直流适配器106和/或者电池组104产生的电流不会通过体二极管106-1和/或108-1。
在一个实施例中，控制单元114首先监测交、直流适配器102和电池组104的状态。如图1所示，控制单元114有三个感应端114-3，114-4和114-5。在一个实施例中，感应端114-3与NMOS开关106的漏极相连。感应端114-5与NMOS开关108的漏极相连。通过感应端114-3，114-4和114-5，能够检测到关于比如Vad，系统110的输入电压VSYS，和Vbatt的信息。另外，感应电阻118和120的电压和电流也能够从感应端114-3，114-4和114-5的监测信息获得。例如，通过NMOS开关106的电流可以通过用感应电阻118的电压(Vad-VSYS)除以其电阻得到。
在一个实施例中，根据交、直流适配器102和电池组104的状态，控制单元114进入一个具体的运行模式，并产生一组控制信号。
当控制单元114探测到电池组104处于低电压状态时，控制单元114就进入充电运行模式，在这种模式下，交、直流适配器102为系统110供电，并为电池组104充电。在充电运行模式下，控制单元114产生的控制信号114-1和114-2的电压值为V1。根据开关控制信号114-1和114-2，电压值为V1和V2的驱动信号112-1和112-2产生以启动NMOS开关106和108。另外，控制单元114还产生一个交、直流适配器控制信号114-6。交、直流适配器控制信号114-6能够调整交、直流适配器102的输出(比如输出电流，输出电压，和/或输出功率)以满足系统110的电源要求和电池组104的充电要求。在充电运行模式下，交、直流适配器102的输出电流通过NMOS开关传输到公共节点116。然后，充电电流ICHARGE通过NMOS开关108供给电池组104，系统电流ISYS流向系统110。
当充电运行模式持续到控制单元114监测到电池组104被完全充电时，而后，控制单元114进入工作模式，在这种模式下，适配器102为系统110供电。在工作模式下，控制单元114断开NMOS开关108，并导通NMOS开关106，这样，通过NMOS开关106到系统110的电流就等于ISYS。NMOS开关108被断开，能够避免对电池组104的过充现象。
当交、直流适配器102不可用时，为了保证系统110和电源管理装置100的正常工作，电源管理装置100进入放电模式。在放电模式下，控制单元114断开NMOS开关106，导通NMOS开关108。这时，系统110由电池组104供电。
另外，当系统110对电源的需求超过交、直流适配器102的设计功率，电源管理装置100进入重负荷模式。在重负荷模式下，控制单元114产生开关控制信号114-1和114-2以导通NMOS开关106和108。这时，系统110由交、直流适配器102和电池组104同时供电。除了开关控制信号114-1和114-2，控制单元114还能调整交、直流适配器102的输出以提供足够的电量使系统110保持正常运行。
在一个实施例中，由于相同尺寸的NMOS开关比PMOS开关的导通电阻小，所以NMOS开关106和108引起的电能损耗就减少了。电源管理装置100在每个运行模式下，每个NMOS开关的电能损耗是能够被判断的。比如，假设每个NMOS开关的导通电阻是10毫欧(mΩ)，并且电源管理装置100工作在充电运行模式下(比如ISYS＝4A，ICHARGE＝3A，交、直流适配器102的输出电压为12V)。那么，NMOS开关106的电能损耗是大约0.49瓦(10mΩ□×(4A+3A)2＝0.49W)。NMOS开关108的电能损耗约是0.09瓦(10mΩ□×(3A)2＝0.09W)。NMOS开关106和108总的功耗是约0.58瓦。因此，在电源管理装置100中，NMOS开关106和108仅减少了电源管理装置100电源传输效率的0.7％。因此，当使用多个NMOS开关时，NMOS开关能提高电源管理装置100的电源传输效率。而且，NMOS开关较小的功耗增强了整体的性能和稳定性。
图3是根据本发明的另一实施例的包含NMOS开关，驱动电路和直流转换器的电源管理装置300的结构示意图。电源管理装置300用于为系统326供电以及为电池组304充电。电池组304可以包含多种类型的电池。如图3所示，电源管理装置300包含两个NMOS开关306和308，控制单元310，驱动电路312和直流转换器314。在一个实施例中，NMOS开关306和308用于控制电源302和/或可充电电池组304为系统326提供的电源。电源管理装置300与电源管理装置100有类似的功能。
NMOS开关306的源极与电源302相连。NMOS开关306的漏极通过感应电阻320与公共节点324相连。NMOS开关308的源极和漏极分别与可充电电池组304和公共节点324相连。如图3所示，直流转换器314连接在公共节点324和感应电阻322之间，感应电阻322的一端与可充电电池组304的输出相连。
在一个实施例中，控制单元310有四个感应端310-1、310-2、310-3和310-4。如图3所示，感应端310-1、310-2、310-3和310-4分别连接于NMOS开关306的漏极、公共节点324、直流转换器314的输出端和可充电电池组304的输出端。通过探测电源302和可充电电池组304的状态，控制单元310能够控制NMOS开关306和308的导通状态。
当控制单元310探测到可充电电池组304处于欠电压状态，控制单元310会将NMOS开关306导通，并且将NMOS开关308断开。直流转换器314接收电源302的输出电压，并将其转换成适合电池组304的充电电压。直流转换器314可以包含但不限于降压转换器、升压转换器、升降压转换器。比如，当电源302的输出电压低于可充电电池组304所需的充电电压时，升压转换器可应用于直流转换器314。当电源302的输出电压高于可充电电池组304所需的最大充电电压时，降压转换器可应用于直流转换器314。总之，电源管理装置300不仅可以提高电能传输的效率，还可以应用于不同的电源类型和可充电电池组。
图4是根据本发明的一个实施例的电源控制方法的流程图。为了供给控制系统的电源，在方框402中，系统的状态被监测。在一个实施例中，系统的输入电流(或电压)以及系统中电池组的输出电压被监测。根据监测到的系统的状态，可以判断系统所需的电源。在方框404中，如果系统的电源需求得到满足，系统的状态会被进一步监测的。如果系统的电源需求没有得到满足，在方框406中，一组控制信号会被产生或者调整。如上所述的一组控制信号可以是用于控制NMOS开关导通状态的NMOS开关控制信号。每个NMOS开关都可以连接在系统和电源之间。NMOS开关控制信号可以使NMOS开关导通以提供系统足够的电源。在方框408中，如上所述的控制信号还能进一步转换为有足够驱动能力的驱动信号以驱动NMOS开关。在一个实施例中，为了完全的导通或断开NMOS开关，NMOS开关控制信号可以被转换为电压大于NMOS开关源电压的驱动信号。在方框410中，利用驱动信号，NMOS开关能够被完全导通或者断开，以为系统提供足够的电源。控制信号可以由包含电荷泵的驱动电路转换为驱动信号。在方框412中，除了控制NMOS开关的导通状态，电源输出信号能够用来控制多电源的输出(比如输出功率，输出电流或输出电压)。电源输出控制信号能够用于调整电源的输出电压。利用输出控制信号，在方框414中，根据系统所需的电源，提供给系统的输出功率能够得以调整。

Claims (20)

1.一种MOS管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路至少包括：
电荷泵单元用于接收源电压，并输出高于源电压的输出电压；和
与所述电荷泵单元相连接的驱动器用于接收所述电荷泵的所述输出电压，并将所述输出电压转换为用于导通所述MOS管的驱动电压。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述MOS管是N沟道(NMOS)管。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电压应用于所述MOS管的栅极。
4.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述源电压应用于所述MOS管的源极。
5.一种电源管理装置，其特征在于，所述电源管理装置至少包括：
连接于电源和系统负载之间的MOS开关；
控制单元用于监测所述系统负载的电源状态，并根据所述电源状态产生一个控制信号；和
与所述控制单元相连的驱动电路，用于接收所述控制信号和所述电源，所述驱动电路用于将所述电源的电压转换为驱动信号，所述驱动信号用于根据所述控制信号导通所述MOS开关。
6.根据权利要求5所述的电源管理装置，其特征在于，所述MOS管是N沟道(NMOS)管。
7.根据权利要求5所述的电源管理装置，其特征在于，所述驱动电压应用于所述MOS管的栅极。
8.根据权利要求5所述的电源管理装置，其特征在于，所述源电压应用于所述MOS管的源极。
9.根据权利要求5所述的电源管理装置，其特征在于，所述控制单元进一步用于根据所述系统负载的电源状态调整所述电源的输出功率。
10.根据权利要求5所述的电源管理装置，其特征在于，所述驱动电路进一步包括：
电荷泵单元用于接收所述电源的所述电压，并输出高于所述电源的所述电压的输出电压；和
与所述电荷泵单元相连接的驱动器用于接收所述电荷泵的所述输出电压，并将所述输出电压转换为用于导通所述MOS管的驱动电压。
11.根据权利要求5所述的电源管理装置，其特征在于，所述电源是用于为所述系统负载供电的可充电电池组。
12.根据权利要求11所述的电源管理装置，其特征在于，进一步包括交、直流适配器用于为所述系统负载供电以及为所述可充电电池组充电。
13.根据权利要求12所述的电源管理装置，其特征在于，所述控制单元还用于根据所述系统负载的供电状况控制所述可充电电池组和所述交、直流适配器。
14.根据权利要求12所述的电源管理装置，其特征在于，所述交、直流适配器还用于为可充电电池组充电。
15.一种用于驱动MOS管的方法，其特征在于，所述方法至少包括：
接收源电压，所述源电压应用于所述MOS管；
应用电荷泵产生高于所述源电压的输出电压；和
将所述输出电压转换成驱动电压用于导通所述MOS管。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述MOS管是N沟道(NMOS)管。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述将所述输出电压转换成驱动电压用于导通所述MOS管至少包括：
利用驱动器将所述输出电压转换为所述驱动电压，所述驱动器由反应包括所述MOS管的系统的电源状况的控制信号控制。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括：
根据所述系统的所述供电状态调整所述源电压。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将所述驱动电压应用于所述MOS管的栅极。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述源电压应用于所述MOS管的源极。
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