CN103166433B - 用在开关模式电源中的二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用在开关模式电源中的二极管。提供了一种可调耗尽二极管。在该耗尽二极管内，有耗尽模式晶体管，其栅极耦合到阳极端子，并且其漏极耦合到阴极端子。二极管耦合在耗尽模式晶体管的源极和阳极端子之间，并且可变电容器耦合在耗尽模式晶体管的源极和阳极端子之间，其中可变电容器的电容值控制可调耗尽二极管的反向恢复时间。

Description

用在开关模式电源中的二极管
技术领域
本发明总体涉及二极管，更具体地说，涉及用在开关模式电源（SMPS）中的二极管。
背景技术
SMPS被用在多种应用中，其操作为降压转换器和/或升压转换器。这些应用通常具有低输入电压（即小于5V），并且工作在范围从几千赫兹到几十兆赫兹的频率。在具有高输入电压（即大于30V）和高频率（即大于1MHz）的应用中，由于在开关节点处看到的输出电容而导致的开关损耗会很大。因此，需要一种SMPS，其有效率地工作在高输入电压和高频率。常规电路的示例是：Petrechev等人的“DigitalLoss-Minimizing Multi-ModeSynchronous Buck Converter Control”，2004 35th Annual IEEE ElectronicsSpecialists Conf.,Aachen,Germany2004,pp.3694-3699。
发明内容
因此，本发明的一个实施例提供了一种装置。该装置包括：开关电路，其包括具有开关节点电压的开关节点，并且接收输入电压；电感器，其耦合到开关节点；电容器，其耦合到电感器；以及控制器，其耦合到开关电路，并且以一转换效率工作在一开关频率，其中控制器使用来自电感器的负电感器电流来控制开关节点电压的摆动，并且其中对于转换效率，开关频率和输入电压足够大，以便克服由于使用负电感电流而引起的损耗。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括高压侧晶体管，其漏极接收输入电压，其源极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括低压侧晶体管，其漏极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器。
根据本发明的一个实施例，转换效率大约是70%或更大，并且其中输入电压大于120V，并且其中开关频率大于1MHz。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括二极管，该二极管耦合在开关节点和地之间。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括耗尽模式二极管，该耗尽模式二极管具有：耗尽模式晶体管，其漏极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到地；二极管，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和地之间；以及可变电容器，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和地之间。
根据本发明的一个实施例，可变电容器还包括开关电容器阵列。
根据本发明的一个实施例，耗尽模式晶体管是氮化镓晶体管。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括低压侧晶体管，其源极耦合到地，其漏极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括二极管，该二极管耦合到开关节点并且接收输入电压。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括耗尽模式二极管，该耗尽模式二极管具有：耗尽模式晶体管，其栅极耦合到开关节点，并且其漏极接收输入电压；二极管，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和开关节点之间；以及可变电容器，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和开关节点之间。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于在开关频率使用开关模式电源从输入电压产生输出电压的方法。该方法包括：在开关频率下，去激活开关电路内的晶体管，以便进入空载时间间隔中，其中开关电路包括开关节点；以及在空载时间间隔期间，使用负电感器电流，以便摆动开关节点，其中开关频率和输入电压足够大，以便克服由于使用负电感器电流而导致的损耗。
根据本发明的一个实施例，去激活的步骤还包括去激活耦合到开关节点的低压侧晶体管。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括当开关节点上的电压达到输入电压时，激活高压侧晶体管。
根据本发明的一个实施例，提供了一种装置。该装置包括：开关电路，其包括具有开关节点电压的开关节点，并且接收输入电压；电感器，其耦合到开关节点；电容器，其耦合到电感器；以及控制器，其具有：栅极驱动器电路，其耦合到开关电路，并且以一转换效率工作在一开关频率；反馈电路，其耦合到电感器和栅极驱动器电路；以及测量电路，其耦合到开关节点，其中控制器使用来自电感器的负电感器电流来控制开关节点电压的摆动，并且其中对于转换效率，开关频率和输入电压足够大，以便克服由于使用负电感器电流而导致的损耗。
根据本发明的一个实施例，开关电路还包括：高压侧晶体管，其漏极接收输入电压，其源极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器；以及低压侧晶体管，其漏极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器；以及其中测量电路还包括：第一比较器，其耦合到开关节点并且接收输入电压；以及第二比较器，其耦合到开关节点和地。
根据本发明的一个实施例，测量电路还包括比较器，该比较器耦合到开关节点并且输入电压，并且其中开关电路还包括：高压侧晶体管，其漏极接收输入电压，其源极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器；以及二极管，其在开关节点和地之间。
根据本发明的一个实施例，测量电路还包括耦合到开关节点和地的第二比较器，其中开关电路还包括：二极管，其漏极接收输入电压，并且其耦合到开关节点；以及低压侧晶体管，其漏极耦合到开关节点，并且其栅极耦合到控制器。
根据本发明的一个实施例，提供了一种装置。该装置包括：第一端子；第二端子；耗尽模式晶体管，其栅极耦合到第二端子，并且其漏极耦合到第一端子；二极管，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和第二端子之间；可变电容器，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和第二端子之间。
根据本发明的一个实施例，耗尽模式晶体管是n沟道氮化镓晶体管。
根据本发明的一个实施例，可变电容器还包括变容二极管。
根据本发明的一个实施例，提供了一种可调耗尽二极管。该二极管包括：阴极端子；阳极端子；耗尽模式晶体管，其栅极耦合到阳极端子，并且其漏极耦合到阴极端子；二极管，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和阳极端子之间；以及可变电容器，其耦合在耗尽模式晶体管的源极和阳极端子之间，其中可变电容器的电容值控制可调耗尽二极管的反向恢复时间。
前述内容相当概述地概括了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解随后对本发明的详细描述。本发明的其他特征和优势将在后面描述，其构成了本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地被用作修改或设计其他结构以便实施本发明的相同目的的基础。本领域技术人员还应认识到，这些等效构造并不偏离如随附的权利要求中所陈述的本发明的精神和范围
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优势，现在结合附图参考下列描述，其中：
图1是根据本发明的SMPS的示例的图示；
图2是图1的控制器的示例的图示；
图3是描绘图1的SMPS的操作的图示；
图4是描绘SMPS工作在各种频率下的输入电压相对转换效率的图示；
图5是根据本发明的SMPS的示例的图示；
图6是图5的控制器的示例的图示；
图7是根据本发明的SMPS的示例的图示；
图8是图7的控制器的示例的图示；
图9是可以用在图4和图6的SMPS中的耗尽二极管的图示；
图10是描绘图9的耗尽二极管的操作的图示。
具体实施方式
现在参考附图，其中为了清楚，所描绘的元件未必按比例示出，并且其中在若干视图中，用相同的标号指代相同或类似的元件。
转到图1-4，示出了根据本发明的SMPS 100-1的示例。在该示例中，控制器102-1被用来控制开关电路104-1的晶体管Q1和Q2（其还具有寄生电容CP1和CP2）。接着，开关电路104-1能够使用电感器L和电容器C1从输入电压VIN（即300V）产生输出电压VOUT（即2V）。优选地，控制器102-1能够调制或控制空载时间间隔（即时刻T1和T2之间的间隔以及时刻T3和T4之间的间隔），从而用电感器电流上下摆动（slew）开关节点SW，其中在空载时间间隔中，晶体管Q1和Q2均被去激活或“关闭”。这种类型的开关通常称为“软-开关”。如图3的示例中示出的，控制器在时刻T1去激活晶体管Q2（同时晶体管Q1保持“关闭”），在时刻T1和T2之间的空载时间间隔期间，电感器电流（来自电感器L）是负的（其中电流流进开关节点SW），从而使开关节点上的电压向上摆动或增加。一旦开关节点SW上的电压达到输入电压VIN（在该示例中是大约30V），测量电路205-1的比较器206就指示这件事，从而允许栅极驱动器电路202-1激活晶体管Q1。随后，对于时刻T3和T4之间的空载时间间隔，可以使用测量电路205-1的比较器208来测量开关节点SW上的电压何时达到零，从而允许栅极驱动器电路202-1激活晶体管Q2。此外，反馈电路204（其可以包括，例如分压器和误差放大器）可以向栅极驱动器电路202-1提供校正信号，其改变晶体管Q1和Q2的“导通”和“关闭”时间，从而维持期望的输出电压VOUT和/或输出电流。
应该注意，随着开关节点SW上的电压在接近空载时间间隔（即时刻T1和T2之间以及时刻T3和T4之间）的终点而达到输入电压VIN（在该示例中是30V）或达到零伏时，开关节点SW上的电压的峰值高于输入电压VIN或低于地或零伏几个伏特之多，从而引起空载时间损耗。通常，对于CMOS晶体管，电压峰值或偏移是大约0.7V到大约1.0V，并且在“硬开关”的情况下，期望在达到其开关点（即0V或VIN）之后即激活开关Q1或Q2，这有效地试图最小化空载时间。这些空载时间损耗是由Q1和Q2的体二极管（以及即，负电感器电流）引起的，并且对于低输入电压VIN，这些空载时间损耗会是显著的。例如，如果输入电压VIN是5V，那么软开关效率损耗可以在1V的量级（从而引起显著的效率损耗）。然而，当输入电压VIN足够高时（即30V），该损耗是可忽略的。此外，由于在开关节点SW处看到的输出电容而导致的开关损耗是依赖于频率的，所以在高输入电压VIN和高开关频率处，损耗是显著的。因此，为了使用软开关，或者为了允许使用负电流，输入电压VIN和开关频率应该是足够大，以便克服由于在开关节点SW处看到的输出电容而导致的这些空载时间损耗和开关损耗，或使它们可忽略。如在图4的绘图中所示，对于工作在低频率（即小于1MHz）的常规SMPS，在高输入电压下（即高达大约200V），转换效率保持相对高（即大于80%），这意味着SMPS 100-1解决（address）的开关损耗不是主要的。然而，在高输入电压VIN（即大于30V）和高开关频率（即大于1MHz）下，开关损耗变成主要的，并且输入电压VIN足够大，以便使空载时间损耗可忽略。作为示例，SMPS100-1可以用来实现大约70%的转换效率（或更大），其中输入电压VIN大于120V并且开关频率大于1MHz。
替换地，可以用二极管106替换晶体管Q1和Q2，从而实现基本相同的结果，如用图5-8的SMPS 100-2和100-3示出的。当二极管106替换SMPS 100-2中的晶体管Q2时，SMPS100-2依赖于二极管106的反向恢复时间（即二极管反偏传导的时段），该反向恢复时间允许负电感器电流摆动开关节点SW，但是二极管106应被选择为具有合适的反向恢复时间以实现该结果。对于SMPS 100-2，控制器102-2可以使用测量电路205-2内的比较器206，因为栅极驱动器电路202-2没有向“低压侧”晶体管提供栅极驱动信号或控制信号。当二极管106替换SMPS 100-3中的晶体管Q1时，SMPS 100-3被配置为操作为“反相降压转换器”，并且类似地，使用二极管106的反向恢复时间，实现期望的结果。此外，控制器102-3可以使用测量电路205-3内的比较器208，因为栅极驱动器电路202-3没有向“高压侧”晶体管提供栅极驱动信号或控制信号。
二极管（即二极管106）的使用可以是优选的，因为控制器（即102-2或102-3）的配置将会更简单，但是不能使用常规二极管，因为其会限制SMPS 100-2或100-3的功能，或者可能是不可制造的。因此，如图9中所示，可以使用耗尽二极管300，因为该耗尽二极管300具有可调反向恢复时间。耗尽二极管300通常包括耗尽模式晶体管Q3（例如，其可以是耗尽模式n沟道氮化镓或GaN晶体管）、二极管D和可变调整电容器C2（例如，其可以是开关电容器阵列或变容二极管）。
例如，假设二极管300被用作SMPS 100-2中的二极管106，可以在图10中看到使用二极管300的益处。因为晶体管Q3是耗尽模式晶体管，所以当晶体管Q1通常是“导通”时，晶体管Q3通常是“关闭”的，从而隔离二极管D和电容器C3，并且当晶体管Q1是“关闭”时（即在时刻TD1和TD4之间），晶体管Q3是“导通”的。在时刻TD2（当晶体管Q3是“导通”的或激活的），电感器电流变为负，并且在时刻TD3，晶体管D开始阻塞（从而意味着时刻TD2和TD3之间的间隔是二极管D的反向恢复时间）。在时刻TD3，电流开始流过电容器C3，从而引起开关节点SW上的电压增加。开关节点SW上的电压的变化率是电容器C3的电容值和负电感器电流的函数，所以当开关节点SW上的电压达到晶体管Q3的阈值电压VTQ3（例如，其可以是10V）时，晶体管Q3被去激活。因此，耗尽二极管300具有可变反向恢复时间，其可以通过改变电容器C3的电容值而进行调整。
虽然在此通过参考某些优选实施例描述了本发明，但是应注意，所公开的实施例在本质上是说明性的而不是限制性的，并且在前述公开中可以想到多种变化、修改、改变和替换，并且在一些实例中，可以使用本发明的某些特征而不对应使用其他特征。因此，应理解，应广泛地并且以与本发明的范围一致的方式解释随附的权利要求。

Claims (8)

1.一种开关电源，其包括：
输入电压端子；
参考电压端子；
第一场效应晶体管，其具有第一源极、第一漏极和第一栅极，所述第一源极和所述第一漏极耦合在所述输入电压端子和所述参考电压端子之间，并且所述第一栅极连接到栅极驱动器引脚；
耗尽二极管，其具有阴极和阳极并且耦合在所述第一场效应晶体管和所述电压端子之间，所述耗尽二极管包括：
耗尽模式晶体管，其具有第二源极、第二漏极和第二栅极，所述第二漏极连接到所述阴极，并且所述第二栅极连接到所述阳极；
二极管，其耦合在所述第二源极和所述阳极之间；以及
可变电容器，其耦合在所述第二源极和所述阳极之间；以及
输出电压引脚，其耦合到所述第一场效应晶体管和所述耗尽二极管之间。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其中所述耗尽模式晶体管是n沟道氮化镓晶体管。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其中所述可变电容器是开关电容器阵列。
4.根据权利要求1或2所述的开关电源，其中所述可变电容器是变容二极管。
5.一种可调耗尽二极管，其包括：
阴极端子；
阳极端子；
耗尽模式晶体管，其具有漏极、源极和栅极，所述栅极耦合到所述阳极端子，并且所述漏极耦合到所述阴极端子；
二极管，其耦合在所述耗尽模式晶体管的源极和所述阳极端子之间；
可变电容器，其耦合在所述耗尽模式晶体管的源极和所述阳极端子之间，所述可变电容器的电容值控制所述可调耗尽二极管的反向恢复时间。
6.根据权利要求5所述的可调耗尽二极管，其中所述耗尽模式晶体管是n沟道氮化镓晶体管。
7.根据权利要求6所述的可调耗尽二极管，其中所述可变电容器是开关电容器阵列。
8.根据权利要求6所述的可调耗尽二极管，其中所述可变电容器是变容二极管。
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