CN103051162A - 开关驱动器装置、系统及开关驱动方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种开关驱动器装置、系统及一种开关驱动方法，所述开关驱动器系统包括：双极型结型晶体管(BJT)开关，其包括基极、发射极以及集电极；连接到所述发射极的电流感测电路，该电流感测电路配置成感测流过BJT开关的发射极的电流；以及比例偏置电路，配置成生成到所述BJT开关的基极的偏置电流，该偏置电流设置成与所感测到的流过所述BJT开关的发射极的电流成固定比例。

Description

开关驱动器装置、系统及开关驱动方法
技术领域
本申请涉及开关驱动器装置、系统及开关驱动方法，更具体地说，涉及比例偏置开关驱动器电路。
背景技术
诸如降压变换器、升压变换器、升压降压变换器、逆向变换器之类的开关式电源(SMPS)利用从输入到输出的电压电平转换进行交流(AC)到直流(DC)的变换以及直流到交流的变换。这些类型的电源变换器通常使用诸如双极型结型晶体管(BJT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的开关器件，在这些开关器件中对开关频率和脉冲宽度进行调制以便控制变换器的工作参数，比如电压增益或衰减。
在变换器设计中，使用BJT替代MOSFET可以降低成本并且在较高电压(例如高于700伏的电压)的应用中提高效率。然而，BJT具有比MOSFET低的开关速度，因此BJT不能在一些应用所需要的较高频率范围内操作。BJT还需要更好地控制栅极驱动偏置以便减少开关损耗、饱和损耗以及保持时间(storage time)，这可能是难以达到的。
发明内容
根据第一个方面，提供了一种开关驱动器系统。所述开关驱动器系统可以包括双极型结型晶体管(BJT)开关，包括基极、发射极以及集电极；能量存储电路，连接到所述BJT开关的所述集电极，所述能量存储电路向所述BJT开关的所述集电极供应电流；电流感测电路，连接到所述发射极，所述电流感测电路配置成感测流过所述BJT开关的所述发射极的电流；以及比例偏置电路，配置成生成到所述BJT开关的所述基极的偏置电流，所述偏置电流被设置成与所感测到的流过所述BJT开关的所述发射极的电流成固定比例。
根据第二个方面，提供了一种开关驱动方法。所述开关驱动方法可以包括选择性地操作双极型结型晶体管(BJT)开关来控制电流，所述BJT开关包括基极、发射极以及集电极；将电流感测电路直接或者通过一串联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)连接到所述BJT开关的所述发射极，所述电流感测电路配置成感测流过所述BJT开关的所述发射极的电流；以及生成到所述BJT开关的所述基极的偏置电流，所述偏置电流被维持为与所感测到的流过所述BJT开关的所述发射极的电流成固定比例。
根据第三个方面，提供了一种开关驱动器装置。所述开关驱动器装置可以包括双极型结型晶体管(BJT)开关，包括基极、发射极以及集电极；电流感测电路，与所述发射极连接，所述电流感测电路配置成感测流过所述BJT开关的所述发射极的电流；以及比例偏置电路，配置成生成到所述BJT开关的所述基极的偏置电流，所述偏置电流被设置为与所感测到的流过所述BJT开关的所述发射极的电流成固定比例。
附图说明
要保护的主题的实施例的特征和益处将随着以下详细描述的进行以及参照附图而变得明显，其中相同的附图标记描述相同的部件，其中：
图1示出了根据本申请一示例性实施例的系统框图；
图2示出了根据本申请另一示例性实施例的系统框图；
图3示出了根据本申请一示例性实施例的电路图；
图4示出了根据本申请另一示例性实施例的电路图；以及
图5示出了根据本申请一示例性实施例的操作流程图。
虽然下文的详细描述将参照示出的实施例来进行，但是这些实施例的许多替代、修改以及改变对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
具体实施方式
总的来说，本申请提供了用于在SMPS驱动器电路中向BJT开关供应比例偏置电流的电路、系统和方法，该偏置与流过BJT开关的电流成比例。向BJT开关提供固定比例的偏置电流可以增进饱和、减少保持时间以及提高BJT开关的效率。此外，提供了一种提高SMPS驱动器的开关速度的方法，通过使用与BJT开关串联的附加MOSFET开关，使SMPS驱动器的开关速度超过通常使用BJT开关可达到的速率，同时维持了BJT开关对于SMPS驱动器电路的较高电压处理能力。
图1示出了根据本申请一示例性实施例的系统框图100。比例驱动器电路104被示出为开关式电源中被配置成逆向变换器的元件，然而，也可以使用其他类型的AC-DC或DC-DC变换器。这些类型的变换器包括开关，例如晶体管Q1/Q2，所述开关被选择性地操作以允许能量存储在能量存储器件中，例如电感器或变压器绕组110，然后转移到一个或多个输出电容器(图1中未示出)，这些输出电容器在能量存储周期之间使到负载的DC输出电压Vout平滑并且向负载提供基本上连续的能量。
开关Q1(BJT晶体管)的集电极连接到变压器初级110的一侧，输入电压Vin连接到变压器初级110的另一侧。开关Q1的发射极连接到MOSFET开关Q2的漏极，使得开关Q1和Q2串联。在该配置中，BJT开关Q1和MOSFET开关Q2的串联组合可以被称为发射极开关BJT/MOSFET共源共栅放大器，在本文中还可以被称为ESBCTM开关(ESBCTM是飞兆半导体公司的商标)，共源共栅放大器是二级放大器，该二级放大器配置成提高输入/输出绝缘、工作频率以及整体上改善的性能。MOSFET开关Q2的源极连接到电流感测电阻器R1，而该电流感测电阻器R1接地。在一些实施例中，ESBCTM开关可以包括与高电压BJT串联的低电压、高性能的MOSFET。当然，也可以使用其他晶体管技术，例如碳化硅(SiC)等等。
BJT开关Q1可以配置成在集电极和发射极之间建立(handle)相对较大的电压降。在一些实施例中，该Q1电压可以超过700伏。然而，MOSFET开关Q2可以配置成在漏极和源极之间建立相对较小的电压降。在一些实施例中，该Q2电压可以在20伏到40伏的范围内。因此，ESBCTM开关可以有利地用于较高电压的开关应用。
通过由电源控制器电路102供应的栅极驱动信号106来提供对开关Q2的开关时间的控制。在一些实施例中，电源控制器电路102可以是飞兆半导体公司出售的FAN7601控制器。电流感测电阻器R1监测流过Q1和Q2的电流，并且向电源控制器电路102提供电流感测反馈108。响应于该电流感测，电源控制器电路102调制使开关Q2导通和截止的栅极驱动信号106，以调节流过Q1和Q2两者的电流。该调制可以是频率调制，脉冲宽度调制或者任何其他合适的调制类型。
MOSFET开关Q2通常能够有比BJT开关高的开关速率，因此将Q1和Q2串联组合到ESBCTM开关有利地提高了开关速度并提高了电压处理能力。然而，为了使ESBCTM开关有效率地操作，必须响应于变化的负载状况来动态地控制开关Q1的偏置。比例驱动器电路104通过如下方式来提供该功能：监测电流感测反馈108，并且调节针对开关Q1的偏置信号112，使得偏置信号被维持为与流过Q1的电流成固定比例。该固定比例可以基于R1和R2的阻值的比率来设置。通过根据开关Q1的工作参数为该固定比例偏置选择合适的比率，可以通过减少保持时间、开关损耗、饱和损耗并且增加效率来优化开关的性能。
图2示出了根据本申请另一示例性实施例的系统框图200。图2示出的系统在图1的系统100的基础上增加了可选的补充电流处理器电路204。补充电流处理器电路204提供一个或多个附加开关电流路径，所述一个或多个附加开关电流路径增大了电流处理能力，并且可以限制比例驱动器电路104中的功率耗散，这将在下文中更加详细地说明。
图3示出了根据本发明一示例性实施例的电路图300。比例偏置电路104被更详细地示出，该成比例偏置电路104包括晶体管Q3、Q4、Q5、Q6和Q7，电阻器R4、R5、R6、R7、R11以及二极管D1。通过消除对变压器的需要，比例偏置电路104可以以通用或定制集成电路(IC)(比如半导体集成电路芯片，片上系统(SoC)等等)的方式被包括在内，或者可以形成为通用或定制集成电路的一部分。虽然本实施例使用BJT和/或MOSFET，但是也可以使用BJT和MOSFET的任意组合来实现该功能。
首先，在系统开启时，没有电流流过Q1、Q1或者变压器初级110。当由电源控制器102驱动的Q2的栅极变为正时，Q2导通并且允许电流从变压器初级110流过Q1的发射极并流过电流感测电阻器R1，然后流向地。在Q2导通时，Q2降低Q1的发射极上的电压，使Q1的基极-发射极正向偏置(可约为0.6伏)，转而降低Q1的基极上的电压。首先，电阻器R11提供从偏置电源(Vcc)(通过R5和Q4)到Q1的基极的小偏置电流，使得Q1可能开始导通。流过R11的电流还提供流过R4和Q5的偏置电流，以便导通Q6、Q7、Q3和Q10(如果被使用的话)。二极管D1还提供了用于在ESBCTM开关截止期间的来自Q1的基极的截止电流的返回路径。
变压器初级110的电感最初阻碍电流流动，但是随着能量在线圈中累积，电流增大。流过电流感测电阻器R1的电流产生电压降V1，该电压降V1与该电流成比例。电压V1通过电阻R7被施加到Q6的基极。然后，电压V1加上可约为0.6伏的Q6的基极-发射极电压，被施加到Q7的基极。然后，Q7的基极处的该组合电压被减少Q7的基极-发射极电压(也约为0.6伏)，使得R6两端的电压基本上等于V1。Q5和R4偏置了Q6和Q7，使得它们的基极-发射极电压基本上相同，这起到抵消效果。
R6两端的电压产生流过Q7、Q4和R5的电流。R5的阻值被设置成大约为R6的阻值的两倍，使得R5两端的电压降为电压V1的两倍。R5两端的电压被加到Q4的基极-发射极电压上，并且被施加到Q5、Q4和Q3的基极。R2两端的电压基本上等于Q3的基极电压减去Q3的基极-发射极电压，因此R2两端的电压大约为电压V1的两倍。调节R1与R2的比率以便为Q1设置偏置。因此，在流过变压器初级110的电流增大时，R1两端的电压增大，并且到Q1的偏置电流基于R1/R2比率成比例地增大。R2两端的电压是R1两端的电压的两倍，以便向Q1偏置电流提供增加的热稳定性。当然，可以使用其他的R1/R2比率，例如，使用较高电压V2可以用来降低电流的温度相关性并且提高稳定性。
在一些实施例中，可以包括电流处理器电路204。在该示例中，电流处理器电路204包括晶体管Q10和电阻器R3。如果使用补充电流处理器电路204，则R5两端的电压与Q4的基极-发射极电压之和被施加到Q10的基极，使得R3两端的电压也大约为电压V1的两倍。这允许Q10提供附加的开关电流路径，所述附加的开关电流路径增大了流过Q3的电流，并且可以限制在比例偏置电路104中的功率耗散。当然，虽然示出了单级电流处理器电路204，但是应该理解的是：可以使用额外的相似级，以提供额外的流过Q3的电流减少。
比例偏置电路104可以仅在ESBCTM 开关导通时从Vcc电源汲取功率，这减少了功耗并且提高了电路的效率。
图4示出了根据本发明另一示例性实施例的电路图400。比例偏置电路104的替代实施例被示出为包括晶体管Q3和Q4、电阻器R3和R4以及运算放大器(op-amp)U1和U2。
首先，在系统开启时，不存在流过Q1、Q1或者变压器初级110的电流。当由电源控制器102驱动的Q2的栅极变为正时，Q2导通并且允许电流从变压器初级110流过Q1的发射极并流过电流感测电阻器R1，然后流向地。最初，变压器初级110的电感阻碍电流流动，但是随着能量在线圈中累积，电流增大。流过电流感测电阻器R1的电流产生与该电流成比例的电压降V1。
电压V1被施加到运算放大器U2的正输入，如果V1与运算放大器U2的负输入上的电压相比为正，则运算放大器输出被驱动为高。U2的高输出使晶体管Q4导通，直到U2的正输入上的电压基本上等于U2的负输入上的电压为止。一旦这种情况发生，则R1两端的电压基本上等于R3两端的电压。R3两端的电流通过R1与R3的阻值的比率来设置。然后，流过R3的电流还流过Q4和R4。如果R3和R4具有相同的阻值，则它们两端的电压降将基本上相同。
如果运算放大器U1的正输入与运算放大器U1的负输入相比为负，则运算放大器的输出被驱动为低，以导通晶体管Q3。Q3的导通性将持续地增加，直到运算放大器U1的正输入和负输入达到大约相同的电压为止，在该点处，R2两端的电压将基本上与R4两端的电压相同。
可以通过选择R1与R3的比率以及R4与R2的比率来设置到Q1的偏置电流。因此，到Q1的偏置电流被维持为与流过Q1的电流成固定比例。来自控制器的栅极驱动还使运算放大器U1和U2导通。当栅极驱动变为高时，运算放大器导通。这样做是为了最小化在比例驱动器截止时的驱动器偏置电流。这样提高了效率，并且帮助控制器在输入电压首先被施加到电源时启动。可以利用BJT或MOSFET的任意组合来实现晶体管Q3、Q4外加运算放大器。
图5示出了根据申请的一示例性实施例的操作500的流程图。在操作510处，选择性地操作BJT开关以控制电流。BJT开关包括基极、发射极以及集电极。在操作520处，感测流过BJT开关的发射极的电流。在操作530处，生成到BJT开关的基极的偏置电流。将生成的偏置电流维持为与所感测到的流过BJT开关的发射级的电流成固定比例。
这里所描述的方法的实施例可以在系统中实现，该系统包括以独立或组合的方式存储有指令的一个或多个存储介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时实现这些方法。这里，处理器可以包括例如系统CPU(例如，核心处理器)和/或可编程电路。因而，根据这里所描述的方法的操作旨在可以分布在多个物理装置上，比如在几个不同的物理位置上的处理结构。而且，该方法操作旨在可以以独立或者子组合的方式实现，正如本领域技术人员所理解的那样。因此，并非每一流程图的所有的操作都需要被执行，并且本申请明确指出这些操作的所有子组合也能实现，正如本领域技术人员所理解的那样。
在其它实施例中，可以使用数字和/或混合信号拓扑来实现比例驱动器电路。例如，A/D(模/数)转换器可以用来将电流感测电压V1转换成数字。然后，该数字可以被用来产生数字推导的偏置电流。可以使用对偏置值进行数字加权的堆叠开关(Stacked switch)。例如，4个开关可以提供16个可用的驱动电平。A/D转换器可以用来将感测到的电流转换成数字值，在一些实施例中，可以采用额外的信号处理。
存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如，任何类型的磁盘(包括软盘、光盘、压缩光盘只读存储器(CD-ROM)，可擦写压缩光盘(CD-RW)，数字多用光盘(DVD)和磁光盘)，半导体装置(比如只读存储器(ROM)，诸如动态和静态的RAM之类的随机存取存储器(RAM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，闪存，磁卡或光卡)，或者适合于存储电子指令的任一类型的介质。
在这里的任一实施例中所使用的“电路系统”可以以单个或以任一组合的方式包括例如硬线电路系统、可编程电路系统、状态机电路系统，和/或存储由可编程电路系统执行的指令的固件。
这里所使用的术语和表述被用做描述而不是限制，并且在使用这些术语和表述时无意于排除所示和所描述特征(或其部分的)的任何等同物，并且应该认识到，各种变化可能包含在权利要求的范围内。因此，该权利要求旨在涵盖所有此类等同物。各种特征、方面、以及实施例在这里已经被描述，该特征、方面以及实施例可相互结合并且可变型和修改，正如本领域技术人员所能理解的那样。因此，本发明公开内容应该被认为包括了这些组合、变型和修改。

Claims (20)

1.一种开关驱动器系统，包括：
双极型结型晶体管(BJT)开关，包括基极、发射极以及集电极；
能量存储电路，连接到所述BJT开关的所述集电极，所述能量存储电路向所述BJT开关的所述集电极供应电流；
电流感测电路，连接到所述发射极，所述电流感测电路配置成感测流过所述BJT开关的所述发射极的电流；以及
比例偏置电路，配置成生成到所述BJT开关的所述基极的偏置电流，所述偏置电流被设置成与所感测到的流过所述BJT开关的所述发射极的电流成固定比例。
2.根据权利要求1所述的开关驱动器系统，进一步包括：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关，串联连接在所述BJT开关的所述发射极与所述电流感测电路之间，所述MOSFET开关配置成对流过所述BJT开关的所述发射极的电流进行开关。
3.根据权利要求1所述的开关驱动器系统，其中，所述电流感测电路包括电流感测电阻器，所述比例偏置电路通过电源电压电阻器连接到电源电压，所述固定比例是基于所述电流感测电阻器的阻值与所述电源电压电阻器的阻值之间的比率的。
4.根据权利要求1所述的开关驱动器系统，其中，所述系统向与开关式电源相关联的开关提供偏置。
5.根据权利要求1所述的开关驱动器系统，其中所述能量存储电路是电感器或变压器的绕组。
6.根据权利要求1所述的开关驱动器系统，其中，所述BJT开关可在超过700伏的电压下操作。
7.根据权利要求2所述的开关驱动器系统，其中，所述MOSFET开关对流过所述BJT开关的所述发射极的电流所进行的开关由电源控制器电路所提供的脉冲宽度调制(PWM)信号来控制。
8.一种开关驱动方法，包括：
选择性地操作双极型结型晶体管(BJT)开关来控制电流，所述BJT开关包括基极、发射极以及集电极；
将电流感测电路直接或者通过一串联的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关连接到所述BJT开关的所述发射极，所述电流感测电路配置成感测流过所述BJT开关的所述发射极的电流；以及
生成到所述BJT开关的所述基极的偏置电流，所述偏置电流被维持为与所感测到的流过所述BJT开关的所述发射极的电流成固定比例。
9.根据权利要求8所述的开关驱动方法，进一步包括：将MOSFET开关串联连接在所述BJT开关的所述发射极与所述电流感测电路之间，所述MOSFET开关配置成对流过所述BJT开关的所述发射极的电流进行开关。
10.根据权利要求8所述的开关驱动方法，进一步包括：基于电流感测电阻器的阻值与电源电压电阻器的阻值的比率确定所述固定比例，其中所述电流感测电阻器与所述电流感测电路相关联，所述电源电压电阻器与连接到比例偏置电路的电源电压相关联，所述比例偏置电路生成所述偏置电流。
11.根据权利要求8所述的开关驱动方法，其中，所述偏置电流被供应到与开关式电源相关联的开关。
12.根据权利要求8所述的开关驱动方法，其中，所述BJT开关可在超过700伏的电压下操作。
13.根据权利要求8所述的开关驱动方法，进一步包括：在超过700伏的电压下操作所述BJT开关。
14.根据权利要求8所述的开关驱动方法，其中所述MOSFET开关对流过所述BJT开关的所述发射极的电流所进行的开关由电源控制器电路所提供的脉冲宽度调制(PWM)信号来控制。
15.一种开关驱动器装置，包括：
双极型结型晶体管(BJT)开关，包括基极、发射极以及集电极；
电流感测电路，与所述发射极连接，所述电流感测电路配置成感测流过所述BJT开关的所述发射极的电流；以及
比例偏置电路，配置成生成到所述BJT开关的所述基极的偏置电流，所述偏置电流被设置为与所感测到的流过所述BJT开关的所述发射极的电流成固定比例。
16.根据权利要求15所述的开关驱动器装置，进一步包括：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关，串联连接在所述BJT开关的所述发射极与所述电流感测电路之间，所述MOSFET开关配置成开关流过所述BJT开关的所述发射极的电流。
17.根据权利要求15所述的开关驱动器装置，其中，所述电流感测电路包括电流感测电阻器，所述比例偏置电路通过电源电压电阻器连接到电源电压，所述固定比例是基于所述电流感测电阻器的阻值与所述电源电压电阻器的阻值之间的比率的。
18.根据权利要求15所述的开关驱动器装置，其中，所述开关驱动器装置向与开关式电源相关联的开关提供偏置。
19.根据权利要求15所述的开关驱动器装置，其中，所述BJT开关可在超过700伏的电压下操作。
20.根据权利要求15所述的开关驱动器装置，其中，所述MOSFET开关对流过所述BJT开关的所述发射极的电流所进行的开关由电源控制器电路所提供的脉冲宽度调制(PWM)信号来控制。
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