CN103427638A - 一种避免耦合效应的开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种避免耦合效应的开关电源，包括驱动回路，所述驱动回路包括功率金属氧化半导体场效应管的衬底端和栅极端和控制门，其中控制门与功率金属氧化半导体场效应管的栅极端相连接，功率金属氧化半导体场效应管的衬底端再与控制门相连接。本发明提供的该开关电源，能够避免驱动回路和功率回路在源极的共同的引脚引起的耦合效应，从而减小切换功率损失提高电源效率。

Description

一种避免耦合效应的开关电源
技术领域
本发明涉及一种开关电源，具体地说，涉及一种能够避免耦合效应的开关电源。
背景技术
在现有技术的开关电源中，功率金属氧化半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET），是一种可以广泛使用在开关电源中的场效晶体管（field-effect transistor）。开关电源包括驱动回路和功率回路，其中驱动回路驱动对功率MOSFET的输入端电容充电或者放电，以使功率MOSFET导通或者截止，而功率回路是大的加载电流生成的主要路径。驱动回路和功率回路在源极有共同的引脚，这使驱动回路和功率回路之间产生耦合效应，尤其当加载较大的电流时，切换时的功率损失显著增加。
图1示出了现有技术中开关电源100中的电路连接关系示意图，该图示出了降压模式（为电源电压高于输出电压的模式，也成为“Buck Mode”），该开关电源100包括输入电容107、控制门108、MOSFET 105和MOSFET109、电感104、和输出电容111，图中还示出了等效电阻106和等效电阻110、寄生电感101、寄生电感102、寄生电感103和寄生电感112。其中，MOSFET 105可以为功率MOSFET，开关电源100通过控制功率MOSFET105和MOSFET 109交错通断，实现直流高电压到直流低电压的转换。其中，功率MOSFET 105、等效电阻106、控制门108和寄生电感102组成了驱动回路113，寄生电感101、功率MOSFET 105、寄生电感102、电感104以及所供电的其它电路元件负载115组成了功率回路114。如图所示，驱动回路113与功率回路114的公共部分为寄生电感102所在导线的区域。
在对源极的寄生电感102上发生的耦合效应进行分析时，发现驱动回路和功率回路在在源极的寄生电感102的区域上共享一段电路，从而发生了影响电源效率的耦合效应。根据公式dV=Lcouple*(dIpsl/dt)，其中，Lcouple是共享电感，Ipsl是功率回路的电流，由于dIpsl/dt会很大（大约30A/10ns），功率回路将会较大地影响驱动回路，所以当加大加载电流时会引起很大的切换功率损失。
图2示出了现有技术中升压模式（电源电压高于输出电压的模式，也成为“Boost Mode”）的开关电源200中的电路连接关系示意图，该开关电源200包括输入电容211、控制门208、MOSFET 205和MOSFET 209、电感204、和输出电容207，图中还示出了等效电阻206和等效电阻210、寄生电感201、寄生电感102、寄生电感203和寄生电感212。其中，MOSFET205可以为功率MOSFET，开关电源200通过控制功率MOSFET205和MOSFET 209交错通断，实现直流低电压到直流高电压的转换。其中，功率MOSFET 205、等效电阻206、控制门208和寄生电感202组成了驱动回路，寄生电感201、功率MOSFET 205、寄生电感202、电感204以及所供电的其它电路元件负载215组成了功率回路。由图可见，驱动回路与功率回路的公共部分为寄生电感202所在的区域。与图1中的降压模式的开关电源类似，在图2示出的升压模式的开关电源200中，功率MOSFET 205的源极附近的寄生电感202所在的区域也存在耦合效应，该耦合效应同样也引起很大的切换功率损失。
所以，改进现有功率MOSFET封装中的电路结构，以避免其所在的开关电源中的驱动回路和功率回路在该功率MOSFET源极的共同的引脚引起的耦合效应，从而减小切换功率损失提高电源效率是当前亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种避免耦合效应的开关电源，包括驱动回路，其特征在于，所述驱动回路包括功率金属氧化半导体场效应管的衬底端和栅极端和控制门，其中控制门与功率金属氧化半导体场效应管的栅极端相连接，功率金属氧化半导体场效应管的衬底端再与控制门相连接。
优选地，所述开关电源还包括功率回路，所述功率回路包括所述功率金属氧化半导体场效应管的漏极端和源极端。
优选地，所述功率金属氧化半导体场效应管由多个金属氧化半导体场效应管构成。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管的衬底端相互连接作为所述功率金属氧化半导体场效应管的独立的衬底端。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管相互并联连接。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为两个。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为三个。
优选地，所述开关电源为降压模式的开关电源。
优选地，所述开关电源为升压模式的开关电源。
本发明另一方面提供了一种开关电源的制造方法，所述开关电源包括驱动回路和功率回路，其特征在于将所述驱动回路和所述功率回路相互分离。
优选地，所述功率金属氧化半导体场效应管由多个金属氧化半导体场效应管构成。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管的衬底端相互连接作为所述功率金属氧化半导体场效应管的独立的衬底端。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管相互并联连接。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为两个。
优选地，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为三个。
优选地，所述开关电源为降压模式的开关电源。
优选地，所述开关电源为升压模式的开关电源。
本发明提供的开关电源，能够避免驱动回路和功率回路在源极的共同的引脚引起的耦合效应，从而减小切换功率损失提高电源效率。
本发明的其它功能和优点将在下面的说明书中阐述，部分将由说明书明显看出，或者从发明的实践中得知。本发明的优点将由书面的说明、权力要求书和附图特别指出的结构实现和得到。应该理解的是上述概括性说明和后述的详细说明是示例性的和解释性的，意图提供对于本发明权力要求的更进一步的解释。
附图说明
附图提供了对于本发明更进一步的理解，并入说明书中并构成说明书的一部分，解释本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了现有技术中降压模式的开关电源中的电路连接关系示意图；
图2示出了现有技术中升压模式的开关电源中的电路连接关系示意图；
图3示出了本发明所提供的功率MOSFET芯片内部的结构示意图；
图4示出了本发明所提供的功率MOSFET芯片内部的结构示意图；
图5示出了使用本发明所提供的功率MOSFET芯片的降压模式的开关电源中的电路连接关系示意图；
图6示出了使用本发明所提供的功率MOSFET芯片的升压模式的开关电源中的电路连接关系示意图。
具体实施方式
在本申请中，将围绕一种避免耦合效应的开关电源来描述示范性实施例。本领域普通技术人员应认识到，下面的描述仅仅是示例性的而并非意图进行任何方式的限定。受益于本申请的本领域的技术人员将容易获得其他实施例的启示。现在，将更为详细地描述如附图中所示的示范性实施例的实施方式。贯穿全部附图以及下列描述，相同的附图标记将尽可能用于表示相同或相似的对象。
现在将详细地引用本发明优选的实施例，其实例在附图中示出。
针对前述现有技术中开关电源内部耦合效应引起功率损失的问题，本发明对开关电源内部的功率MOSFET芯片的结构进行了改进。图3示出了本发明所提供的功率MOSFET芯片300内部的结构示意图，如图所示，功率MOSFET芯片300内部有多个独立的MOSFET，例如MOSFET304、MOSFET305、MOSFET306等，它们相互以并联的方式连接。在本发明的一个实施例中，将功率MOSFET芯片300内部的多个MOSFET，例如，MOSFET304、MOSFET305、MOSFET306等的衬底端相互连接并且单独引出，作为功率MOSFET芯片300的一个独立的衬底端307，从而使功率MOSFET芯片300成为为包括漏极端301、栅极端302、源极端303和衬底端307的四端结构，这样在开关电源中，栅极端和衬底端构成了独立的驱动回路，与源极端所在的功率回路相互分开，从而避免了耦合效应的发生。这种方式可以提高开关电源中功率MOSFET芯片的开关特性，消除开关电源中的耦合现象和功率MOSFET芯片内部的耦合特性。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的功率MOSFET芯片400内部的结构示意图，如图所示，功率MOSFET芯片400内部有两个独立的MOSFET，即MOSFET 404、MOSFET 405，它们相互以并联的方式连接。在本发明的一个实施例中，将功率MOSFET芯片400内部的两个独立的MOSFET，即MOSFET 404、MOSFET 405的衬底端相互连接并且单独引出，作为功率MOSFET芯片400的一个独立的衬底端407，从而使功率MOSFET芯片400成为为包括漏极端401、栅极端402、源极端403和衬底端407的四端结构。类似地，当功率MOSFET芯片的内部有四个或者四个以上的独立的MOSFET并联构成时，也可以用上述方式，对功率MOSFET芯片的内部结构进行改进，将功率MOSFET芯片的衬底端单独引出，成为一端。这样在开关电源中，栅极端和衬底端构成了独立的驱动回路，与源极端所在的功率回路相互分开，从而避免了耦合效应的发生。提高开关电源中功率MOSFET芯片的开关特性，消除开关电源中的耦合现象和功率MOSFET芯片内部的耦合特性。
图5示出了使用本发明所提供的功率MOSFET芯片的开关电源500中的电路连接关系示意图。如图所示，该图示出了降压模式（为电源电压高于输出电压的模式，也成为“Buck Mode”），该开关电源500包括输入电容507、控制门508、MOSFET 505和MOSFET 509、电感504、和输出电容511，图中还示出了等效电阻506和等效电阻510、寄生电感501、寄生电感502、寄生电感503和寄生电感512。其中，MOSFET 505为功率MOSFET，开关电源500通过控制功率MOSFET 505和MOSFET 509交错通断，实现直流高电压到直流低电压的转换。其中，功率MOSFET 505、等效电阻506、控制门508和寄生电感202组成了新的驱动回路513，寄生电感501、功率MOSFET 505、寄生电感502、电感504以及所供电的其它电路元件负载515组成了功率回路514。通过前述的实施例中的方式，对开关电源的内部结构进行了改进，从而改变了驱动回路513的连接方式，使驱动回路513避开了寄生电感502，从而避免了驱动回路513和功率回路514之间的在寄生电感502处发生的耦合效应。
图6示出了使用本发明所提供的功率MOSFET芯片600的开关电源600中的电路连接关系示意图。如图所示，该图示出了升压模式（为电源电压低于输出电压的模式，也成为“Boost Mode”），该开关电源600包括输入电容611、控制门608、MOSFET 605和MOSFET 609、电感604、和输出电容607，图中还示出了等效电阻606和等效电阻610、寄生电感601、寄生电感602、寄生电感603和寄生电感612。其中，MOSFET 605为本发明所提供的功率MOSFET，开关电源600通过控制功率MOSFET 605和MOSFET 609交错通断，实现直流高电压到直流低电压的转换。其中，功率MOSFET 605、等效电阻606、控制门608组成了新的驱动回路，电感604、寄生电感602、功率MOSFET 605、寄生电感601以及所供电的其它电路元件负载615组成了功率回路。由图可见，通过使用前述实施例中提供的功率MOSFET 605，在升压模式的开关电源600的内部结构中，驱动回路也可以与功率回路分离，从而避免了驱动回路和功率回路之间的在寄生电感602处发生的耦合效应。
由此可见，在其它芯片或者电路结构中，如果有多个回路存在耦合的可能，可以改进芯片或封装内的结构或者电路结构，以保持每个回路的单点连接，减小不同回路之间的共享部分,因为共享部分的电抗会导致不同回路之间相互耦合和影响，如果单点连接，共享电抗为零，则显著减少可以耦合现象的发生。
综上所述，本发明提供的功率MOSFET芯片以及使用该功率MOSFET芯片的开关电源，能够避免驱动回路和功率回路在源极的共同的引脚引起的耦合效应，从而减小切换功率损失，提高开关电源的供电效率。
本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (18)

1.一种避免耦合效应的开关电源，所述开关电源包括驱动回路，其特征在于，所述驱动回路包括功率金属氧化半导体场效应管的衬底端和栅极端和控制门，其中控制门与功率金属氧化半导体场效应管的栅极端相连接，功率金属氧化半导体场效应管的衬底端再与控制门相连接。
2.如权利要求1所述的开关电源，还包括功率回路，所述功率回路包括所述功率金属氧化半导体场效应管的漏极端和源极端。
3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述功率金属氧化半导体场效应管由多个金属氧化半导体场效应管构成。
4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管的衬底端相互连接作为所述功率金属氧化半导体场效应管的独立的衬底端。
5.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管相互并联连接。
6.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为两个。
7.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为三个。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源为降压模式的开关电源。
9.如权利要求1-7中任意一项所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源为升压模式的开关电源。
10.一种开关电源的制造方法，所述开关电源包括驱动回路，其特征在于，所述驱动回路包括功率金属氧化半导体场效应管的衬底端和栅极端和控制门，其中控制门与功率金属氧化半导体场效应管的栅极端相连接，功率金属氧化半导体场效应管的衬底端再与控制门相连接。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述开关电源还包括功率回路，所述功率回路制成包括所述功率金属氧化半导体场效应管的漏极端和源极端。。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述功率金属氧化半导体场效应管由多个金属氧化半导体场效应管构成。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述多个金属氧化半导体场效应管的衬底端相互连接并单独引出作为所述功率金属氧化半导体场效应管的独立的衬底端。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管相互并联连接。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为两个。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个金属氧化半导体场效应管的数目为三个。
17.如权利要求10-16中任意一项所述的方法，其特征在于，所述开关电源为降压模式的开关电源。
18.如权利要求10-16中任意一项所述的方法，其特征在于，所述开关电源为升压模式的开关电源。
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