CN102570782A - 用于自举开关驱动器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于自举开关驱动器的系统和方法。依照实施例，驱动器电路包括低侧驱动器，该低侧驱动器具有被配置为被耦合到第一半导体开关的控制节点的第一输出和被配置为被耦合到第一半导体开关的参考节点的参考输入。低侧驱动器还包括耦合在第一半导体开关的输出节点与第一节点之间的第一电容器、耦合在第一节点与驱动器的第一功率输入之间的第一二极管以及耦合在低侧驱动器的第一功率输入与第一半导体开关的参考节点之间的第二电容器。

Description

用于自举开关驱动器的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及以下共同待决和共同转让的美国专利申请：序号       、在       提交、题为“System and Method for Driving a Switch”；和序号       、在       提交、题为“System and Method for Driving a Cascode Switch”，这些申请由此被整体地通过引用而结合到本文中。
技术领域
本发明一般地涉及电子电路，并且更特别地涉及用于自举开关驱动器的系统和方法。
背景技术
电源系统在从计算机到汽车的许多电子应用中是普遍的。一般地，通过操作装载有电感器或变压器的开关来执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换而产生电源系统内的电压。在某些电源系统中，以诸如半桥、全桥或多相桥的桥式配置来布置开关的组合。当由电源产生非常高的电压时，使用具有高击穿电压和低导通电阻两者的开关（诸如结场效应晶体管（JFET）器件）是有益的。JFET的高击穿电压允许甚至用几百或甚至超过一千伏的输出电压进行可靠的操作。JFET器件的低导通电阻允许电源系统的高效操作。
JFET器件具有这样的性质，即它们是自导电或“常开器件”，意指器件在JFET的栅极-源极电压处于约零伏时导电。此类性质造成困难，因为开关晶体管在电源系统被完全偏置之前表现为短路，从而促使在电源的启动时产生高电流。在用于电源开关的某些高效率JFET器件中，此夹断电压可以为约负15伏。因此，在JFET能够完全关掉时电源开始完全操作之前产生此负电压。
在某些电源中，通过使用变压器，在启动时逐渐产生（develop）偏置电压。然而，变压器的使用是昂贵的。在其它电源中，通过使用自举技术，在启动时逐渐产生电压，其中使用电源电路内的开关节点的能量来对为开关晶体管提供本地电源的电容器充电。然而当使用JFET时，难以应用此类自举技术。例如，当电源系统的内部电源电压在启动时为低时，JFET开关可能不操作，因为尚未逐渐产生允许FET接通和关断所需的电压。如果JFET开关不操作，则不能产生使开关操作所需的内部电源电压。
发明内容
依照实施例，驱动器电路包括具有被配置为被耦合到第一半导体开关的控制节点的第一输出和被配置为被耦合到第一半导体开关的参考节点的参考输入的低侧驱动器。低侧驱动器还包括耦合在第一半导体开关的输出节点与第一节点之间的第一电容器、耦合在第一节点与驱动器的第一功率输入之间的第一二极管以及耦合在低侧驱动器的第一功率输入与第一半导体开关的参考节点之间的第二电容器。
前述内容已相当广泛地概述了本发明的实施例的特征，以便可以更好地理解以下的本发明的详细描述。下面将描述本发明的实施例的附加特征和优点，其形成本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应认识到可以容易地利用所公开的概念和特定实施例作为用于修改或设计用于执行本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域的技术人员还应意识到此类等效构造不脱离如随附权利要求所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在附图中：
图1a-1b图示根据本发明的实施例的电源系统；
图2图示实施例开关驱动器系统；
图3a-3c图示实施例驱动器的示意图；
图4a-4c图示实施例开关控制电路的时序图和示意图；
图5图示另一实施例开关驱动器系统；
图6图示实施例驱动器电路；
图7a-7b图示使用实施例驱动器电路的实施例电源系统；以及
图8图示实施例驱动器电路的实施例波形图。
不同图中的对应数字和符号一般指的是对应部分，除非另外指明。这些图绘制以清楚地图示实施例的相关方面且不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细地讨论各种实施例的完成和使用。然而，应认识到本发明提供了能够在多种特定背景下体现的许多适用发明构思。所讨论的特定实施例仅仅说明用于完成和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。
将关于特定背景下的各种实施例、即开关式电源系统中的开关驱动器来描述本发明。本发明的实施例还可以应用于诸如太阳能逆变器、电信、服务器和不间断电源的其它电子应用中的开关驱动器。
图1a图示根据本发明的实施例的电源系统100。在具有高侧开关106和低侧开关108的半桥101电路两端施加输入电压Vin。在实施例中，每个开关106和108由被串联地耦合的JFET和MOSFET构成。替换地，可以使用其它开关配置。在电源系统的操作期间，高侧驱动器102驱动高侧开关106且低侧驱动器104驱动低侧开关108。在实施例中，以交替的方式驱动高侧开关106和低侧开关108，使得在特定时间仅一个开关是导电的。在某些实施例中，根据高侧开关106和低侧开关108的导电状态的相关占空比并且根据变压器T1的匝数比来控制输出电压Vout。
半桥电路101的输出N1被耦合到变压器T1的初级绕组，该变压器T1的次级绕组被耦合到整流二极管D4A和D4B。整流二极管D4和D5对变压器T1的次级绕组的输出进行整流，并且电容器C5对二极管D4和D5的整流输出进行滤波。在实施例中，由隔离/控制器块112来感测电压Vout，该隔离/控制器块112产生用于高侧驱动器102和低侧驱动器104的输入信号。在实施例中，隔离/控制器使用例如诸如光隔离器、变压器以及本领域中已知的其它隔离器件的隔离电路来提供变压器T1的初级侧和次级侧之间的电隔离。在实施例中，可以将隔离/控制器块配置为在Vout处提供预定输出电压。
在实施例中，跨越被耦合到半桥电路101的输出N1的端子G和在节点122处被耦合到电容器C1和二极管D1的端子P向高侧驱动器102提供功率。当节点N1经历正电压过渡时，将节点122驱动为高，直至二极管D1变得以Vin-VS1+VDS1正向偏置，其中VDS1是二极管D1的结电压且VS1是电源110的电压。当节点N1处于电压Vin时，在电容器C1两端有约VS1-VDS的电压。当节点N1开始经历负电压过渡时，二极管D1变得反向偏置，并且在电容器C1两端保持约VS1-VDS1的电压。在某些实施例中，电容器C1两端的电压将根据电容器C1的大小和由驱动器102消耗的电流而衰减。在实施例中，将VS1选择为至少足以关掉高侧开关106中的JFET。在其中高侧开关包括JFET的实施例中，将VS1选择为至少大于JFET的夹断电压的幅值，例如在约10V与约15V之间。在替换实施例中，可以根据应用、其要求和在电路中使用的个别器件的特性来使用其它值。
在实施例中，跨越被耦合到系统接地120的端子G和被耦合到电容器C2和D3的端子P向低侧驱动器104提供功率。当节点N1经历正电压过渡时，将节点128驱动为高，直至二极管D2变得以Vin-VS1+VDS2正向偏置，其中VDS2是二极管D2的结电压。当节点N1处于电压Vin时，在电容器C3两端有约VS1-VDS2的电压。当节点N1开始经历负电压过渡时，二极管D2变得反向偏置，并且在电容器C3两端保持约VS1-VDS2的电压。节点128随着其继续其负电压漂移而跟随节点N1。当节点N1处于系统接地120时，如果忽视在C2与C3之间的电容性电荷共享和C2放电的效应，则节点128处于约VDS2-VS1的电压，并且电容器C2充电至约VDS3+VDS2-VS1的电压，其中VDS3是二极管D3的结电压。在某些实施例中，电容器C2两端的电压将根据电容器C2的大小和由驱动器104消耗的电流而衰减。然而，随着电压在C2两端衰减，更多的电荷经由二极管D3被引入到电容器C2，使得驱动器104的端子P和G两端的电压被保持在足以使低侧开关108内的JFET操作的电压。
在实施例中，用于C1、C2和C3的值每个在约10μF与约100μF之间，并且将VS1设置为在约20V与约30V之间。在一个实施例中，Vin为约400V且Vout为约12V、48V或400V。在替换实施例中，根据特定应用及其规格，可以使用其它组件和电压值。
应认识到图1a中图示的电路是如何能够将发明构思应用于电源系统的一个示例。在替换实施例中，除了图1a中所示的拓扑之外，可以使用其它电源拓扑。例如，图1b图示替换实施例电源系统140，其类似于图1a中图示的电源系统100，除了省略电容器C3和二极管D2并且二极管D3被耦合在节点125与122之间之外。这里，图1b的实施例使用比图1a的实施例少的组件。
可以将本发明的另外实施例应用于包括但不限于降压转换器、升压转换器和降压-升压转换器的转换器。替换实施例电源拓扑还可以包括使用电感器而不是变压器的电源或使用电感器和变压器两者的拓扑。
图2图示根据本发明的另一实施例的半桥电路及其关联驱动电路的低侧部分。这里，低侧开关由n沟道JFET 234和PMOS器件236构成且由驱动器204来驱动。替换地，代替PMOS器件236，诸如NMOS器件的其它器件类型可以与JFET 234串联地耦合。在电源系统的标称操作期间，在JFET 234被接通和关断的同时PMOS器件236被持续地导通，从而如上文关于图1a所述的那样对电容器C2充电。开关数据经由信号Data（数据）被输入到驱动器204。
在启动期间，当节点224不具有足以关掉JFET 234的负电压时，PMOS 236被关掉。通过关掉PMOS 236，防止在启动期间在半桥电路中发生短路。假设节点N1在启动时具有足够高的电压（例如大于20V），并且JFET 234的栅极在节点216处被耦合到系统接地240，节点210处的电压将是JFET 234的夹断电压。在一个实施例中，这为约15V，然而在替换实施例中，此电压将根据JFET 234的器件特性而不同。这里，夹断电压被储存在电容器C2上，其为驱动器204提供足以操作驱动器204的内部逻辑的电压。在实施例中，二极管D10被耦合在JFET 234的栅极与系统接地240之间以防止JFET 234的栅极变得明显高于系统接地240。
在实施例中，驱动器在电容器C2两端的电压超过第一预定义阈值（例如，约8V）时将PMOS器件连同JFET 234一起接通和关断。这里，在内部电源低的同时存在JFET 234不能被完全截止的可能性时，两个器件都被一起接通和关断。在某些实施例中，驱动器在内部调节节点两端的电压超过阈值电压时将PMOS器件连同JFET 234一起接通和关断。随着半桥开始接通和关断，节点227的电压经由电容器C3和二极管D3被泵浦得越来越低于系统接地240。一旦节点227的电压足够地低于系统地线240（例如处于约-18V），则PMOS器件236被持续地导通并且操作以正常操作模式继续进行。在实施例中，由JFET 234的夹断电压和用于保证可靠操作的附加裕度（例如约18V）来确定PMOS器件236被持续地导通时的供给阈值。
在某些实施例中，开关JFET 234和PMOS 236两者不像保持PMOS器件236导通和开关JFET 234那样高效，因为驱动器204需要对PMOS器件236的栅极电容进行充电和放电。在某些实施例中，PMOS器件236制得非常大以便减小与JFET 234的串联电阻；因此，PMOS器件236的栅极-源极电容可以是非常高的。然而在某些实施例中，在启动期间，一起开关两个器件允许两个器件在不引起短路的情况下安全地操作。然而，一旦在节点227处逐渐产生全负电源电压，则PMOS 236的持续导通状态允许更高效的操作，因为JFET器件具有比PMOS器件236低的每给定驱动强度的输入电容。在另外实施例中，还可以将应用于低侧驱动器电路的构思应用于高侧驱动器。
图3a图示实施例驱动器电路300的示意图。在实施例中，可以将驱动器电路300用于图1和2中的驱动器块。在驱动器电路300中，控制器306控制JFET栅极驱动器304和MOSFET栅极驱动器302。控制器306根据操作模式来确定到驱动器302和304的驱动信号的时序。例如，在第一操作模式下，当器件正在启动时，通过将MOSFET栅极驱动至高电位来禁用MOSFET栅极，并且还通过将JFET栅极驱动至低电压来禁用针对JFET栅极的开关。在第二操作模式下，在电源正在充电的同时，MOSFET栅极和JFET栅极两者根据输入信号Din被一起接通和关断。在对应于标称操作情况的第三操作模式下，MOSFET栅极被持续地导通。在实施例中，功率控制块308使用输入JFS作为正电源并使用节点P1作为负电源。在某些实施例中，功率控制块308具有用来确定操作模式的本地电压调节器和比较器。在图3a中所示的实施例中，功率控制块308向控制器306输出MODE（模式）信号。在某些实施例中，MODE信号可以是由一个或多个位构成的数字信号。在替换实施例中，可以不同地实现和划分功率控制、模式控制和信号控制。
图3b图示功率控制块308的实施例示意图，该功率控制块308具有产生两个电压REF1和REF2的参考电压发生器322。在实施例中，REF1为约8V且REF2为约18V，然而在替换实施例中，可以使用不同的电压。比较器324和326分别将电压REF1和REF2与节点JFS相比较。比较的结果由模式逻辑块328处理，该模式逻辑块328输出表示操作模式的MODE信号。在替换实施例中，可以使用其它电路。例如，代替直接使用电压JFS，可以针对较低参考电压来比较JFS的缩小型式。例如，在一个实施例中，JFS经由电阻分压器而缩小为十分之一，并与0.8V和1.8V相比较。在此类低电压实施例中，可以使用低电压器件且可以防止饱和效应。
图3c图示替换实施例功率控制块309。功率控制块309类似于图3b的功率控制块308，但是还具有产生调节电压P2的电压调节器330，从该调节电压P2导出参考电压REF1和REF2。在某些实施例中，调节电压P2用来对开关驱动器和/或与开关驱动器相关联的其它电路供电。在某些实施例中，电压调节器330用来对开关驱动器和关联电路供电，同时主电源P1用来经由如图3b中配置的块322导出参考电压REF1和REF2。
在实施例中，当JFET和MOSFET器件的栅极例如都被开关时，JFET在MOSFET器件已被导通之后被导通并且MOSFET在JFET被截止之后被截止。当电源在电源系统已启动之后正在充电时，这可能例如在第二模式下发生。在实施例中，MOSFET处理JFET的夹断电压，因此当JFET是高电压器件时可以使用低电压MOSFET。因此，保证MOSFET在JFET导通时导通防止了MOSFET器件的器件击穿和可能的损坏。图4a图示其中正在使用PMOS器件的图3a的控制器306以及驱动器302和304的时序图。这里，在时间402，在PMOS栅极驱动已变成低之后将JFET栅极驱动为高。类似地，在时间404，在JFET栅极被驱动为低之后将PMOS栅极驱动为高。在其中使用NMOS器件来实现MOSFET器件的实施例中，信号PMOS栅极（GATE）的意义被倒转。
图4b图示根据本发明的实施例的至少部分控制器306的示意图。信号Din直接驱动与门406并经由反相器410来驱动与门408。与门406的输出驱动驱动器/传感器412和JET栅极驱动器304（图3），并且与门408的输出驱动驱动器/传感器414和MOSFET驱动器302（图3）。驱动器/传感器的输出C被馈送到与门408且驱动器/传感器414的输出C被馈送到与门406。在实施例中，驱动器/传感器412 JFET的节点C在JFET栅极已变低之前不变低。类似地，驱动器传感器414的节点C在MOSFET栅极已变低之前不变高。实际上，如果驱动器/传感器感测到输入B处的关联节点已变低，则节点C变高。通过从实际栅极驱动节点提供反馈，防止JFET在MOSFET被截止时导电。
图4c图示图4b中所示的驱动器/传感器块412的实施例示例。驱动器传感器具有经由反相器420耦合到输入A的PMOS器件420。PMOS器件被耦合在由背靠背反相器422和424构成的锁存器的输入430与VDD之间。栅极反馈还经由NMOS器件421被耦合到锁存器。在一个实施例中，NMOS器件421是高电压器件，虽然还可以将NMOS器件421实现为低电压器件。在某些实施例中，将缓冲器434耦合在节点A与节点B之间。在操作期间，当PMOS器件428的栅极处的节点432是高的时，由输入B来驱动锁存器的输入，输入B对应于PMOS或JFET驱动信号的驱动信号。在某些实施例中，如果节点B能够经由NMOS器件421迫使输入430至高状态，则可以省略PMOS器件428。然而，PMOS器件428的存在帮助获得清零复位条件。在实施例中，反相器424由弱PMOS和/或NMOS器件构成，以便使器件421和428超控（override）反相器424的输出。在某些实施例中，反相器422也由弱PMOS和/或NMOS器件构成以使开关期间的交叉导电最小化。在此类实施例中，反相器422后面可以是另一缓冲级（未示出）。
应认识到图4b和4c中所示的电路是示例实施例。在替换实施例中，除了图4b中所图示的电路之外，可以使用其它电路和逻辑。
图5图示用于驱动半桥电路501的另一实施例系统500。由高侧驱动器502来驱动由JFET 506和PMOS器件508构成的高侧开关，并且由低侧驱动器504来驱动由JFET 510和512构成的低侧开关。驱动器502和504的操作类似于图2中所示的驱动器204和图1a中所示的驱动器102和104的操作。然而，每个驱动器具有两个电源端子P1和P2且每个开关具有JFET和MOSFET。在实施例中，使用电源端子P1来为驱动器供给主电源并使用电源端子P2来为驱动器供给调节电源。在实施例中，用图3a的方框308内的电压调节器从主电源产生调节电源。在一个实施例中，电源端子P2在约-18与约-19V之间操作，并且电源端子P1在约-24V与-26V之间操作。在替换实施例中，可以使用其它电压范围和/或附加电源端子。
在实施例中，经由D1来供给高侧驱动器502的电源P1。经由内部调节电路来供给电源P2并经由电容器C1将其解耦至节点520。类似地，经由C3和D3来供给低侧驱动器504的电源P1。经由内部调节电路来供给电源P2并经由电容器C2将其解耦至节点522。在某些实施例中，可以使用图3c中所示的功率控制块309。电阻器R1和R2限制电流峰值，其否则尤其在启动时可能损坏或毁坏二极管。二极管D5、D6、D7和D8在正常操作期间被反向偏置，但是在电源节点P1和P2具有大于驱动器接地节点的电压时变成正向偏置以便保护驱动器电路免于闭锁、故障和过电压条件。二极管D5、D6、D7和D8还在自举电压不可用时在启动期间提供用于电容器C1、C2、C8和C9的充电路径。
图6图示根据本发明的实施例的驱动器电路600。驱动器电路600具有经由无芯变压器620耦合到高电压部603的低电压部601。在替换实施例中，可以经由光耦合器将低电压部601耦合到高电压部603。低电压部601在引脚IN处接收驱动器数据，引脚IN经由缓冲器622、输入逻辑604和变压器驱动器606耦合到无芯变压器620。在实施例中，低电压部601还在引脚EN处接受使能信号，引脚EN经由缓冲器624耦合到输入逻辑604。欠压锁定（Under Voltage Lock Out，UVLO）电路602在电源VCC1低于最小操作电压时禁用输入逻辑块604的输出。在某些实施例中，VCC1为约5V，然而在替换实施例中，可以使用其它电源电压。在实施例中，使用使能信号EN来启用驱动器电路600的操作。在实施例中，将驱动器电路600实现为诸如系统级封装（SIP）的单个封装内的多个组件。在一个实施例中，在封装内，在第一集成电路（IC）上划分低电压部601，在第二IC上划分高电压部603，并在第一IC或第二IC上划分无芯变压器620。替换地，可以将驱动器电路600实现为集成电路（IC）或在多个封装内实现。
高电压部603具有无芯变压器接收器608、驱动器逻辑614、JFET驱动器616和MOSFET驱动器618。线性调节器612从电源输入VCC2和VEE2提供调节电压VREG。在实施例中，将二极管628和电阻器623耦合到输入CLJFG以防止所驱动的JFET的栅极获得明显在所驱动的MOSFET的漏极电位之上的电压。UVLO电路610为逻辑块614提供电源状态，使得逻辑块614能够导出电源相关操作模式。在实施例中，使用自举使能信号BSEN来启用实施例操作模式。在另外实施例中，可以省略信号BSEN。
图7a图示使用实施例驱动器702、704、706和708的实施例全桥电源700。高侧驱动器702被耦合到JFET 710和MOSFET 718，高侧驱动器704被耦合到JFET 712和MOSFET 720，低侧驱动器706被耦合到JFET 714和MOSFET 722，并且低侧驱动器708被耦合到JFET 716和MOSFET 724。在实施例中，向由电感器750表示的负载和/或被耦合到电感器750的端子的负载供给功率。变压器726对节点PM25V和PM25VH充电以向驱动器702、704、706和708上的端子VEE2提供负电源。在实施例中，分别关于主电源730和系统接地752将节点PM25V和PM25VH充电至约-25V。替换地，可以将节点PM25V和PM25VH充电至其它电压。在一个实施例中，当驱动器706和708中的引脚VEE2在节点PM25V处接收到功率时，不执行其中JFET和MOSFET同时开关的第二操作模式。主电源730在约800V下操作。然而，在其它实施例中，可以使用其它电压。信号I1、I2、I3和I4控制电源驱动器702、704、706和708的开关。
图7b图示实施例全桥电源701，其中低侧驱动器706和708中的电源引脚VEE2使用实施例自举方法而不是从变压器726（图7a）的次级绕组接收功率。这里，变压器770为节点PM25VH提供功率。此类实施例的优点包括通过使用较便宜的变压器而获得的成本节省。
在替换实施例中，关于高侧驱动器702和704，如果驱动器中的节点VCC1与GND1之间的电路可以例如在节点730与PM25VH之间耐受25V，并且如果操纵输入I1-I4的控制器系统的正电源被连接到Vin（节点730），则可以使用PM25VH作为用于驱动器内的高电压和低电压电路两者的电源。在此类实施例中，在电源之间耦合二极管。因此，可以将公共电源用于控制器，并且高侧开关驱动器在其之间具有自举二极管。关于低侧驱动器706和708，如果控制器被参考至系统接地而不是高侧参考节点，则可以应用类似的构思。在此类实施例中，不需要在电源之间耦合二极管。因此，可以将公共电源用于控制器和低侧开关驱动器。
图8图示实施例电源驱动器的操作的波形图。在阶段802期间，高电压系统电源HV电源斜升并对VEE2、VREG和JFDrv加电。（注意，这些节点在图8中参考至VCC2）。在阶段802期间，信号JFDrv被驱动为低且驱动信号MDrv保持高，从而保持所驱动的MOSFET截止。在阶段804期间，如本文关于本发明的其它实施例所述的，一起转换MDrv和JFDrv。此外，在某些实施例中，被耦合到节点VEE2（图7b）的辅助电源VCC1和/或节点PM25VH变得完全激活。
一旦VREG达到其完全调节电压并与阈值VVREGon交叉，则驱动器开始在正常操作模式806下操作。这里，信号MDrv关于VCC2是低的，而JFDrv继续转换。这对应于其中MOSFET保持导通而JFET继续开关的操作模式。在操作模式806期间，I_BSEN变高，其为驱动器电路输出引脚，指示正常操作模式806是活动的。在某些实施例中，将I_BSEN实现为在被用作输入时感测电压且在被用作输出时产生电流的双向引脚。
如果调节的电压VREG与阈值VVREGoff交叉，则重新进入操作模式804并一起转换信号MDrv和JFDrv。在某些实施例中，VREG与在VEE2下降时与阈值VVREGoff交叉，从而在VREG处引起功率损耗。这还可以例如由电源110（图1a）的损耗引起。在某些实施例中，通过设定不同于阈值VVREGoff的阈值VVREGon来施加滞后，以便防止操作模式之间的过度转换。
在实施例中，可以在相同的集成电路上实现高侧驱动器和低侧驱动器。替换地，可以在单独的集成电路上实现每个驱动器。在某些实施例中，还可以将半桥电路设置在与驱动器中的一者或两者相同的集成电路上。
在替换实施例中，还可以使用实施例驱动器系统来驱动其它类型的电路，诸如全桥开关和电动机。
依照实施例，驱动器电路包括低侧驱动器，其具有被配置为被耦合到第一半导体开关的控制节点的第一输出和被配置为被耦合到第一半导体开关的参考节点的参考输入。低侧驱动器还包括耦合在第一半导体开关的输出节点与第一节点之间的第一电容器、耦合在第一节点与驱动器的第一功率输入之间的第一二极管以及耦合在低侧驱动器的第一功率输入与第一半导体开关的参考节点之间的第二电容器。
在实施例中，驱动器电路还包括高侧驱动器，其具有被配置为被耦合到第二半导体开关的控制节点的第一输出以及被配置为被耦合到第二半导体开关的输出节点的参考输入。第二半导体开关的输出节点被耦合到第一半导体开关的输出节点。高侧驱动器还包括被耦合在高侧驱动器的第一功率输入与高侧驱动器的参考输入之间的第三电容器、被耦合在高侧参考电位节点与高侧驱动器的第一功率输入之间的第二二极管以及被耦合在第一节点与高侧参考电位节点之间的第三二极管。在实施例中，高侧驱动器和低侧驱动器提供用于半桥电路的驱动信号，其中半桥电路包括第一半导体开关和第二半导体开关。在实施例中，驱动器电路还包括被耦合在第二半导体开关的参考节点与高侧参考电位节点之间的电源。
在实施例中，第一半导体开关是与MOSFET串联的JFET。在某些实施例中，MOSFET是PMOS和/或NMOS器件。在实施例中，低侧驱动器在参考电源电压低于第一阈值电压时保持MOSFET截止，在参考电源电压在第一阈值电压与第二阈值电压之间时一起操作MOSFET和JFET，并在参考电源电压大于第二阈值电压时保持MOSFET导通。
在实施例中，参考电源电压包括与低侧驱动器的第一功率输入的电压成比例的电压。在某些实施例中，低侧驱动器包括被耦合在低侧驱动器的第一功率输入之间的电压调节器，使得电压调节器具有输出，并且参考电源电压包括与电压调节器的输出的电压成比例的电压。在实施例中，低侧驱动器通过在使JFET导通之前使MOSFET导通并在使MOSFET截止之前使JFET截止来一起操作MOSFET和JFET。
依照另一实施例，开关驱动器包括被耦合到第一开关的低侧驱动器。操作开关驱动器的方法包括用耦合在第一开关的输出与低侧驱动器的电源节点之间的第一网络对低侧驱动器的电源节点充电。第一网络包括与第一二极管串联的电容器。在实施例中，对电源节点充电包括对低于接地电位的电源节点充电。
在实施例中，开关驱动器还包括被耦合到第二开关的高侧驱动器，其中第二开关与第一开关串联地耦合，所述方法还包括用耦合在第二开关的输出与高侧驱动器的电源节点之间的第二网络对高侧驱动器的电源节点充电。第二网络包括与第二二极管串联的电容器。
在实施例中，第一开关包括与MOSFET器件串联的JFET器件，并且所述方法还包括：在开关驱动器的电源节点在开关驱动器已启动之后正在充电时一起操作JFET器件和MOSFET器件，并且在开关驱动器的电源节点被充电至完全操作状态之后在使JFET器件导通和截止的同时保持MOSFET器件导通。在一个实施例中，所述方法还包括在开关驱动器的启动期间保持MOSFET器件截止。
在实施例中，第一开关包括与MOSFET器件串联的JFET器件，并且所述方法还包括：在参考电源电压在第一阈值电压与第二阈值电压之间时一起操作JFET器件和MOSFET器件，并且在参考电源电压大于第二阈值电压时在使JFET器件导通和截止的同时保持MOSFET器件导通。在实施例中，所述方法还包括在参考电源电压低于第一阈值电压时保持MOSFET器件截止。在实施例中，一起操作JFET器件和MOSFET器件包括在使JFET器件导通之前使MOSFET器件导通并在使MOSFET器件截止之前使JFET器件截止。
依照另一实施例，一种系统包括在公共节点处与第二开关串联地耦合的第一开关、被耦合到第一开关的低侧驱动器、被耦合到第二开关的高侧驱动器以及具有被耦合到公共节点的第一末端的自举电容器。所述系统还包括被耦合在自举电容器的第二末端与低侧驱动器的电源节点之间的第一二极管、被耦合在低侧驱动器的电源节点与低侧驱动器的参考节点之间的第一存储电容器、被耦合在自举电容器的第二末端与高侧驱动器的电源节点之间的第二二极管以及被耦合在高侧驱动器的电源节点与高侧驱动器的参考节点之间的第二存储电容器。
在实施例中，第一开关包括与第一MOSFET串联的第一JFET，第二开关包括与第二MOSFET串联的第二JFET。在实施例中，低侧驱动器被配置为在第一参考电源电压低于第一阈值电压时保持第一MOSFET截止，在第一参考电源电压在第一阈值电压与第二阈值电压之间时一起操作第一MOSFET和第一JFET，并在第一参考电源电压大于第二阈值电压时保持第一MOSFET导通并操作第一JFET。在实施例中，高侧驱动器被配置为在第二参考电源电压低于第三阈值电压时保持第二MOSFET截止，在第二参考电源电压在第三阈值电压与第四阈值电压之间时一起操作第二MOSFET和第二JFET，并在第二参考电源电压大于第四阈值电压时保持第二MOSFET导通并操作第二JFET。
在实施例中，低侧驱动器被配置为通过在使第一JFET导通之前使第一MOSFET导通并在使第一MOSFET截止之前使第一JFET截止来一起操作第一MOSFET和第一JFET。此外，高侧驱动器被配置为通过在使第二JFET导通之前使第二MOSFET导通并在使第二MOSFET截止之前使第二JFET截止来一起操作第二MOSFET和第二JFET。
在实施例中，系统还包括被耦合到公共节点的变压器、以及被耦合到低侧驱动器和高侧驱动器的电源控制器，其中电源被配置为调节被耦合到变压器的电源输出节点的电压。
本发明的实施例的优点包括通过从半桥电路的输出泵浦电荷来在不使用附加变压器的情况下对低侧驱动器进行偏置的能力。
虽然已详细地描述了本实施例及其优点，但应理解的是在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下可以在本文中进行各种变化、替换和更改。例如，可以在硬件、软件或固件或其组合中实现上文所讨论的许多特征和功能。
此外，本申请的范围并不意图局限于本说明书中所描述的过程、机器、制造、及物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将容易地从本发明的公开认识到的，根据本发明，可以利用执行与本文中所描述的对应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的目前存在或稍后将开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤。

Claims (24)

1.一种驱动器电路，包括：
低侧驱动器，包括被配置为被耦合到第一半导体开关的控制节点的第一输出以及被配置为被耦合到所述第一半导体开关的参考节点的参考输入；
第一电容器，被耦合在第一半导体开关的输出节点与第一节点之间；
第一二极管，被耦合在第一节点与驱动器的第一功率输入之间；以及
第二电容器，被耦合在低侧驱动器的第一功率输入与第一半导体开关的参考节点之间。
2.根据权利要求1所述的驱动器电路，还包括：
高侧驱动器，包括被配置为被耦合到第二半导体开关的控制节点的第一输出以及被配置为被耦合到第二半导体开关的输出节点的参考输入，其中第二半导体开关的输出节点被耦合到第一半导体开关的输出节点；
第三电容器，被耦合在高侧驱动器的第一功率输入与高侧驱动器的参考输入之间；
第二二极管，被耦合在高侧参考电位节点与高侧驱动器的第一功率输入之间；以及
第三二极管，被耦合在第一节点与高侧参考电位节点之间。
3.根据权利要求2所述的驱动器，其中所述高侧驱动器和所述低侧驱动器为半桥电路提供驱动信号，所述半桥电路包括第一半导体开关和第二半导体开关。
4.根据权利要求2所述的驱动器，还包括被耦合在第二半导体开关的参考节点与高侧参考电位节点之间的电源。
5.根据权利要求1所述的驱动器，其中所述第一半导体开关包括与MOSFET串联的JFET。
6.根据权利要求5所述的驱动器，其中MOSFET包括PMOS器件。
7.根据权利要求5所述的驱动器，其中低侧驱动器：
在参考电源电压低于第一阈值电压时保持MOSFET截止；
在参考电源电压在第一阈值电压与第二阈值电压之间时一起操作MOSFET和JFET；以及
在参考电源电压大于第二阈值电压时保持MOSFET导通。
8.根据权利要求7所述的驱动器，其中所述参考电源电压包括与低侧驱动器的第一功率输入的电压成比例的电压。
9.根据权利要求7所述的驱动器，其中所述低侧驱动器包括被耦合在低侧驱动器的第一功率输入之间的电压调节器，其中：
所述电压调节器包括输出；以及
所述参考电源电压包括与电压调节器的输出的电压成比例的电压。
10.根据权利要求7所述的驱动器，其中所述低侧驱动器通过在使JFET导通之前使MOSFET导通并在使MOSFET截止之前使JFET截止来一起操作MOSFET和JFET。
11.一种操作包括被耦合到第一开关的低侧驱动器的开关驱动器的方法，该方法包括：
用耦合在第一开关的输出与低侧驱动器的电源节点之间的第一网络对低侧驱动器的电源节点充电，所述第一网络包括与第一二极管串联的电容器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中对电源节点充电包括对低于接地电位的电源节点充电。
13.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述开关驱动器还包括被耦合到第二开关的高侧驱动器，所述第二开关与第一开关串联地耦合；以及
所述方法还包括用被耦合在第二开关的输出与高侧驱动器的电源节点之间的第二网络对高侧驱动器的电源节点充电，所述第二网络包括与第二二极管串联的电容器。
14.根据权利要求11所述的方法，其中：
第一开关包括与MOSFET器件串联的JFET器件；以及
所述方法还包括：
    在开关驱动器的电源节点在开关驱动器已启动之后正在充电时一起操作JFET器件和MOSFET器件；以及
    在开关驱动器的电源节点被充电至完全操作状态之后，在使JFET器件导通和截止的同时保持MOSFET器件导通。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在开关驱动器的启动期间保持MOSFET器件截止。
16.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述第一开关包括与MOSFET器件串联的JFET器件；以及
所述方法还包括：
    在参考电源电压在第一阈值电压与第二阈值电压之间时一起操作JFET器件和MOSFET器件；以及
    在参考电源电压大于第二阈值电压时在使JFET器件导通和截止的同时保持MOSFET器件导通。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述参考电源电压低于第一阈值电压时保持MOSFET器件截止。
18.根据权利要求16所述的方法，其中一起操作JFET器件和MOSFET器件包括：
在使JFET器件导通之前使MOSFET器件导通；以及
在使MOSFET器件截止之前使JFET器件截止。
19.一种系统，包括：
第一开关，在公共节点处与第二开关串联地耦合；
低侧驱动器，被耦合到第一开关；
高侧驱动器，被耦合到第二开关；
自举电容器，具有被耦合到公共节点的第一末端；
第一二极管，被耦合在自举电容器的第二末端与低侧驱动器的电源节点之间；
第一存储电容器，被耦合在低侧驱动器的电源节点与低侧驱动器的参考节点之间；
第二二极管，被耦合在自举电容器的第二末端与高侧驱动器的电源节点之间；以及
第二存储电容器，被耦合在高侧驱动器的电源节点与高侧驱动器的参考节点之间。
20.根据权利要求19所述的系统，其中
第一开关包括与第一MOSFET串联的第一JFET；
第二开关包括与第二MOSFET串联的第二JFET；
所述低侧驱动器被配置为：
    在第一参考电源电压低于第一阈值电压时保持第一MOSFET截止；
    在第一参考电源电压在第一阈值电压与第二阈值电压之间时一起操作第一MOSFET和第一JFET；和
    在第一参考电源电压大于第二阈值电压时保持第一MOSFET导通并操作第一JFET；以及
所述高侧驱动器被配置为：
    在第二参考电源电压低于第三阈值电压时保持第二MOSFET截止；
    在第二参考电源电压在第三阈值电压与第四阈值电压之间时一起操作第二MOSFET和第二JFET；和
    在第二参考电源电压大于第四阈值电压时保持第二MOSFET导通并操作第二JFET。
21.根据权利要求20所述的系统，其中：
所述低侧驱动器被配置为通过在使第一JFET导通之前使第一MOSFET导通并在使第一MOSFET截止之前使第一JFET截止来一起操作第一MOSFET和第一JFET；以及
所述高侧驱动器被配置为通过在使第二JFET导通之前使第二MOSFET导通并在使第二MOSFET截止之前使第二JFET截止来一起操作第二MOSFET和第二JFET。
22.根据权利要求20所述的系统，还包括：
变压器，被耦合到公共节点；以及
电源控制器，被耦合到低侧驱动器和高侧驱动器，
其中所述电源被配置为调节被耦合到变压器的电源输出节点的电压。
23.一种驱动器电路，包括：
低侧驱动器，包括被配置为被耦合到第一半导体开关的控制节点的第一输出以及被配置为被耦合到第一半导体开关的参考节点的参考输入；
第一电容器，被耦合在低侧驱动器的第一功率输入与第一半导体开关的参考节点之间；
高侧驱动器，包括被配置为被耦合到第二半导体开关的控制节点的第一输出以及被配置为被耦合到第二半导体开关的输出节点的参考输入，其中第二半导体开关的输出节点被耦合到第一半导体开关的输出节点；
第二电容器，被耦合在高侧驱动器的第一功率输入与高侧驱动器的参考输入之间；
第一二极管，被耦合在高侧参考电位节点与高侧驱动器的第一功率输入之间；以及
第二二极管，被耦合在高侧驱动器的第一功率输入与低侧驱动器的第一功率输入之间。
24.根据权利要求23所述的驱动器，还包括被耦合在第二半导体开关的参考节点与高侧参考电位节点之间的电源。
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