CN101814842A - 具有可调整驱动电流的高频电源开关电路 - Google Patents

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Abstract

一种具有用于高频开关功率MOSFET电路的高度可调整电流的MOSFET预驱动电路，在保持功率级的功率损耗的同时降低驱动电流的峰值和预驱动器的功率损耗以便降低总的功率损耗并提高电路效率。提供有与预驱动电路的MOSFET的源极串联地布置的电阻器以调整驱动电流。

Description

具有可调整驱动电流的高频电源开关电路
技术领域
本发明总体上涉及高频电源开关电路，更特别地涉及用于高频电源开关电路的高度可调整驱动技术。
背景技术
诸如功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等电源开关电路通常用于多种开关应用。然而，当用于高频应用时，电源开关电路引入大量的衬底噪声和电源/接地反弹。这导致电磁兼容性(EMC)不良。这还降低灵敏模拟块的性能并增加芯片内的电磁干扰(EMI)。
功率MOSFET的动态开关损耗也随着开关电路的工作频率的增加而增加。对于相对较高的频率，即对于大于1MHZ的频率，在同一芯片中集成在一起的电源开关电路，功率装置的开关速度均相对极快，即约为10ns。另外，高di/dt还引入并进一步有助于大的电源/接地反弹。结果，高频电源开关设备的开关损耗进一步增加，并将感应噪声注入衬底中，这可能对芯片上驻有的其它装置的性能产生负面影响。由于电路工作频率非常高，并且以上高频电路的时滞(dead-time)非常短(～10ns)，所以传统的方法不能满足此类短时滞要求。因此，传统方法不适合在此类应用中用来优化功率损耗、电路效率、EMC与衬底噪声之间的权衡。
因此，需要一种解决上述问题的用于高频电源开关电路的高度可调整驱动技术。特别地，需要在改善高频电源开关电路的效率的同时降低衬底噪声并改善EMC。
附图说明
为了可以通过非限制性示例来全面并更透彻地理解本发明的实施例，连同附图采用以下说明，在附图中相同的附图标记指示类似或相应的元件、区域和部分，并且在附图中：
图1是示出了依照本发明实施例的用于高频电源开关电路的可调整驱动技术的示意性电路图；
图2是图1的电路的模拟衬底噪声和效率的图表；
图3是绘出了图1的电路的模拟驱动电流、电源电压和PM1处的栅极电压的图表；
图4是比较电路的示意性电路图，其示出了用依照本发明实施例的图1的电路实现的优点；
图5是图1的电路的模拟衬底噪声和效率对比图4的比较电路的图表；
图6是绘出了图4的比较电路的模拟驱动电流、电源电压和PM1处的栅极电压的图表；以及
图7是图1的电路的测量的衬底噪声和效率的图表。
具体实施方式
本发明的一方面是一种用于驱动电源开关电路的预驱动电路，所述电源开关电路具有电源开关电路的功率级的功率装置。该预驱动电路包括具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置的MOSFET；以及与MOSFET的源极串联以调整驱动电流的电阻器。
在本发明的实施例中，将电阻器的电阻选择为在存在驱动电流的情况下电阻器上具有电压以降低MOSFET的有效栅极-源极电压(Vgs)和漏极-源极电压(Vds)从而调整驱动电流。预驱动电路可以包括四个MOSFET和与MOSFET的源极串联的电阻器以调整驱动电流，并且所述四个MOSFET可以包括两个NMOS和两个PMOS。预驱动电路可以是buck变换器的一部分。
本发明的一方面是一种电源开关电路，其包括用于驱动电源开关电路的预驱动电路和具有功率装置的功率级。预驱动电路包括具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置的MOSFET；以及与MOSFET的源极串联以调整驱动电流的电阻器。
本发明的一方面是一种用于以预驱动电路来驱动电源开关电路的方法。所述电源开关电路具有电源开关电路的功率级的功率装置，并且所述预驱动电路用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置。该方法包括在预驱动电路中提供具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置的MOSFET；以及通过选择电阻器来调整MOSFET的驱动电流，所述电阻器与MOSFET的源极串联地布置以调整驱动电流。
通过选择电阻器而提供了一种具有用于高频开关功率MOSFET电路的高度可调整驱动电流的预驱动电路和技术，所述电阻器与预驱动电路的MOSFET的源极串联地布置以调整驱动电流。所述预驱动电路被设计为在保持功率级的功率损耗的同时使驱动电流的峰值最小化，并使预驱动器的功率损耗最小化。本发明的实施例降低总的功率消耗并提高电路效率。鉴于传统的电路设计，本发明的实施例具有在改善电路效率的同时降低衬底噪声，并改善EMC的电路结构。
图1示出了依照本发明实施例的提供用于高频电源开关电路的高度可调整驱动技术的高频开关电路10的示意图。参照图1，电路10包括预驱动器12、控制块14、外部元件16、以及功率级18。
预驱动器12包括多个晶体管和相应的多个电阻器。更特别地，在所示的实施例中，存在四个MOSFET PM2、NM2、PM3和NM4以及四个电阻器R1～R4。如图所示，晶体管被组成对，为PM2和NM2，及PM3和NM3；意指成对晶体管的栅极端子和漏极端子被连接在一起。每个晶体管PM2、NM2、PM3和NM4分别具有与其源极端子串联的电阻器R1～R3中的一个。晶体管对PM2和NM2及PM3和NM4中的每一个还在其各自的栅极端子处接收来自控制块的控制信号。
功率级18包括串联地连接在高电压源(VDD)与地线之间的两个MOSEFT PM1和PM2。第一电感器连接在PM1的源极与VDD之间，第二电感器连接到NM1的源极与地线之间。功率晶体管PM1和NM1的栅极连接到预驱动电路12的晶体管对的漏极。亦即，PM2和NM2的漏极连接到PM1的栅极，而PM3和NM3的漏极连接到NM1的栅极。
电阻器R1～R4的结构允许轻易地调整预驱动器12的驱动电流。亦即，电阻器R1～R4允许调整PM2、PM3、NM2、和NM3的驱动能力。
电阻器R1、R2、R3和R4的值取决于实际设计和特定的应用，并可以相同或相互不同。当驱动电流大时，电阻器两端的电压大。PM2、PM3、NM2、和NM3的有效栅极-源极电压(Vgs)和漏极-源极电压(Vds)可以减小，使得驱动电流减小。当驱动电流小时，预驱动器12的有效Vgs和Vds基本保持恒定并且不改变。类似地，驱动电流也保持恒定并几乎不变。在接通和关闭期间，驱动电流的减小的程度对于较高的驱动电流来说较大，但是对于较小的驱动电流来说可以根据需要而减小。
电路10可以在完全开启/关闭被驱动的功率装置(PM1、NM1)之前降低驱动电流的峰值但仍保持足够的驱动能力。电路10还在基本不影响电路效率的情况下具有降低的电源/接地反弹的过冲(overshoot)和衬底噪声。
图2是依照本发明实施例的图1的电路10的模拟衬底噪声和效率的图表50。图3示出了绘出依照本发明实施例的图1的电路10的模拟驱动电流60、电源电压66和PM1 72处的栅极电压的图表。在图2的图表50中，衬底噪声由线52示出，电路效率由线54示出。由于硅区域在实验期间受到限制，这将功率装置的实际尺寸限制为平常的约75％小，在图2中将效率示为小于80％。在完整尺寸的功率装置上，效率更高并接近于90％。在图3所示的图表中，结果示出了对于不同电阻器值的不同电路特性，其中电阻器为原始状态(对于无R1～R4的原始设计，R＝0.0Ohm)以及电阻器为R＝4.2Ohm。电阻器R1～R4的值取决于真实设计并可以相互不同。具体地说，电阻器为原始状态(R＝0.0Ohm)时的图1的电路10的特性由分别用于驱动电流60、电源电压66、和PM172的栅极电压的线62、70、74示出。电阻器为4.2Ohm时的图1的电路10的特性由分别用于驱动电流60、电源电压66、和PM173的栅极电压的线64、68、76示出。
参照图2和3所示的图表，可以看出，衬底噪声随着R1～R4的增大而减小，并且电路效率在某个电阻范围内几乎不变。另外，驱动电流的峰值降低，导致电源和栅极信号的过冲的降低。
图4是比较电路80的示意图，其示出是为了更清晰地明了依照本发明实施例的图1的电路实现的优点。Chokhawala，Rahul S.，“Gatedrive considerations for IGBT modules”，IEEE TRANSACTIONS onIndustry Applications，Vol.31，No.3.，May/June 1995中描述了一种类似于电路80的电路。电路80的电阻器Rg设置在预驱动器与功率级的被驱动功率器件(PM1、NM1)的栅极之间以减小电路的开关di/dt，但是也增加了关闭损耗。另外，电路80引入大的栅极传播延迟，这不适合于具有超短时滞(＜10ns)的开关电路。图4的电路80只降低预驱动器的有效Vds并使用大的栅极电阻器，因此当驱动电流小时，预驱动器的有效Vds继续降低。
作为在比较电路80中所示的在预驱动器漏极与被驱动功率装置的栅极之间的电阻器Rg的替代，图1的电路10不具有电阻器Rg。作为替代，依照本发明实施例的电路10包括与预驱动电路12MOSFET的源极串联的电阻器(R1～R4)。
示出并讨论了两个电路10和80的模拟结果以说明本发明实施例的优点。电路10的模拟结果在图2和3中示出，而比较结果在图5和6中示出。
图5和6示出了电路10与80的比较。图5是电路10的模拟衬底噪声和效率对比比较电路80的图表100。图6示出了图表110、116和124，其绘出比较电路80的模拟驱动电流110、电源电压116和PM1处的栅极电压124。在图5中，比较电路80的结果由线102示出，而电路10的结果由线104示出。
在图6中，电路10的驱动电流、电源电压、和PM1的栅极电压的结果由线114、120、126示出。相对地，电路80的驱动电流、电源电压、和PM1的栅极电压的结果分别由线112、122、128示出。
很明显，图1的电路10效率更高，并针对衬底噪声进行了改善。另外，图1的电路10具有比图4的电路80短的栅极传播延迟。
本发明的实施例可提供相对容易实现的经改善的结果，如图1所示的实施例包括R1～R4电阻器。电路10已在实践中经过测试和实现。试验电路是基于0.13μm SMOS10W技术的3.6V、6.5MHz buck变换器。预驱动器12和控制电路14已被集成在一个芯片上。控制电路14是被添加到试验台上的脉冲宽度调制器(PWM)控制电路。试验电路的最终芯片尺寸是1.0mm×1.1mm。电路衬底的寄生电阻和电容已由Cadence衬底提取工具QRC从布局中提取出，并且键合线由串联RL(L＝0.41nH，R＝50mΩ)来模拟。测量的结果在图7的图表130中示出。
图7示出了依照本发明实施例的图1的电路10的测量的衬底噪声和效率的图表130。衬底噪声图表由线132示出，电路效率线由线134示出。如上文针对图2和3所指示的，由于硅区域在实验期间受到限制，这将功率装置的实际尺寸限制为平常的约75％小，所以在图7中将效率示为小于70％。在完整尺寸的功率装置上，效率更高并接近于90％。
电路10是有效的，因为在保持电路效率的同时衬底噪声下降。本实施例的实现可与目前的技术兼容并且可以容易地集成。由于附加的电阻器占据相对有限或较小的硅区域，所以实现本发明的实施例的成本很低。
应认识到，除图1所示之外，也可以有其它电路结构。图1所示的电路仅仅是电路的一种类型，并且本发明的实施例不限于此特定结构。例如，可以以多于或少于四个电阻器R1、R2、R3和R4和多于或少于NM2、NM3、PM2和PM3的方式设计预驱动电路。本发明的实施例可以包括比图1所示的四个MOSFET电路设计更多或更少的MOSFET。
虽然已描述并示出了本发明的实施例，但本领域的技术人员应理解在不脱离本发明的情况下可以进行设计或构造细节方面的各种变更和修改。

Claims (15)

1.一种用于驱动电源开关电路的预驱动电路，所述电源开关电路具有电源开关电路的功率级的功率装置，该预驱动电路包括：
MOSFET，其具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动所述电源开关装置的功率级的功率装置；以及
电阻器，其与MOSFET的源极串联以调整驱动电流。
2.权利要求1的预驱动电路，其中，所述电阻器的电阻被选择为在存在驱动电流的情况下电阻器上具有电压，使得降低MOSFET的有效栅极-源极电压(Vgs)和漏极-源极电压(Vds)。
3.权利要求1的预驱动电路，包括四个MOSFET和与MOSFET的每个源极串联以调整驱动电流的电阻器。
4.权利要求3的预驱动电路，其中，所述四个MOSFET包括两个NMOS和两个PMOS。
5.权利要求4的预驱动电路，其中，所述预驱动电路形成buck变换器的部分。
6.一种电源开关电路，包括：
预驱动电路，其用于驱动电源开关电路；以及
功率级，其具有功率装置，其中，所述预驱动电路包括：
MOSFET，其具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动所述电源开关装置的功率级的功率装置；以及
电阻器，其与MOSFET的源极串联以调整驱动电流。
7.权利要求6的电源开关电路，其中，所述电阻器的电阻被选择为在存在驱动电流的情况下在电阻器上具有电压以降低MOSFET的有效栅极-源极电压(Vgs)和漏极-源极电压(Vds)。
8.权利要求6的电源开关电路，包括四个MOSFET和与MOSFET的源极串联以调整驱动电流的电阻器。
9.权利要求8的电源开关电路，其中，所述四个MOSFET包括两个NMOS和两个PMOS。
10.权利要求9的电源开关电路，其中，所述预驱动电路形成buck变换器的部分。
11.一种用预驱动电路来驱动电源开关电路的方法，所述电源开关电路具有电源开关电路的功率级的功率装置，并且所述预驱动电路用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置，该方法包括步骤：
在预驱动电路中提供具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置的MOSFET；以及
通过选择与MOSFET的源极串联地布置的电阻器来调整MOSFET的驱动电流。
12.权利要求11的方法，其中，将电阻器的电阻选择为使得由驱动电流的存在而引起的电阻器上的电压降低MOSFET的有效栅极-源极电压(Vgs)和漏极-源极电压(Vds)。
13.权利要求11的方法，其中，提供MOSFET包括提供四个MOSFET，并且其中，所述电阻器与每个MOSFET的源极串联地布置。
14.权利要求13的方法，其中，选择预驱动电路的四个MOSFET包括两个NMOS和两个PMOS。
15.权利要求14的方法，其中，所述预驱动电路是buck变换器的部分。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100825