CN103516206A - 开关式电源及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关式电源，包括第一开关、第二开关、电感器、输出电容器以及驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述第一开关和第二开关。所述驱动电路电耦接到所述第一开关与第二开关之间的节点。

Description

开关式电源及其操作方法
技术领域
本发明涉及开关式电源、同步转换器以及操作开关式电源的方法。
背景技术
举例来讲诸如为中央处理单元和在计算平台的领域中的其他负载的现代电气和电子装置，或诸如荧光灯、低能耗灯、LED的现代照明设备等等对它们的电源和电压调整的需求增加，其中要求电源和功率转换器用高频率操作。尽管通常期望增加电源的开关频率，但增加的频率可引起更高的开关损耗，降低转换器效率。因此一般需要最小化电源和功率转换器中的开关损耗。
附图说明
包括附图以提供本公开的进一步理解并且附图被并入且组成的本说明书的一部分。附图示出了实施例并且连同描述一起用来解释本公开的原理。实施例的其他变型和许多预期优势由于参考下面详细描述变得更好理解而易于领会。附图的元件不必相对于彼此按比例绘制。同样的附图标记指代相应类似的部分。
图1A是示意性示出包括电源的装置的实施例的框图；
图1B是示出开关式电源的实施例的电路图；
图2是示意性示出供给到图1的电源的驱动信号的时序图；
图3A和3B是示出图1的功率转换器的各种操作模式的时序图；以及
图4是示出操作开关式电源的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在下面描述中，为了解释的目的，参考附图描述本公开的各方面和实施例，陈述了许多具体细节以便提供彻底理解。然而，对本领域技术人员明显的是：可用较少程度的具体细节来实践实施例的一个或更多方面。在其他情况下，已知结构和元件以示意图形式被显示以便于帮助描述本公开的一个或更多方面。将理解的是在没有违背本公开范围的情况下，其他实施例可被利用并且可做出结构或逻辑变化。
在图中和描述中，同样的附图标记一般自始至终被用来指代同样的元件。应该注意到在图中所示的各个元件和结构不必按比例绘制。为了清晰和便于理解，特征和/或元件主要相对于彼此以特定尺寸示出；因此，相对尺寸在实际实施中可完全不同于此处所示的尺寸。
此外，对于任何给定或特别应用来讲，可如所期望的且有利的是所公开的特征或方面可与其他实施方式的一个或更多其他特征或方面结合。下面详细描述不被视为限制性的，并且本发明的范围意在由所附权利要求独立限定。
此处可使用术语“耦接的”和“连接的”连同其派生词。应该理解这些术语可用于表明两个元件彼此合作或相互作用，无论它们是否为彼此直接的物理或电接触。
在下文中，本公开着重于开关式电源或相似的电源电路，其可包括举例来讲诸如下述的实现方式：比如降压转换器电路、升压转换器电路或升降压转换器电路的直流到直流（DC/DC）功率转换器电路、交流到直流（AC/DC）转换器电路或直流到交流（DC/AC）转换器电路。
文中提及开关。开关例如可被实施为包含一个或更多有源和/或无源半导体元件。例如，开关可基于一个晶体管或两个晶体管或更多晶体管被实现。开关的各种实施例可包含，例如，以共源共栅结构连接的两个晶体管。因此，术语‘开关’和‘晶体管’有时在文中在某种程度上可被同义使用。
开关的实施例可包含除了晶体管的有源元件，并且可包含例如一个或更多二极管、有源元件的组合，诸如一个或更多晶体管和一个或更多二极管、IC（集成电路）、半导体芯片等等的组合。此外或可选择地，开关的实施例可包含无源元件，举例来讲诸如为一个或更多电阻器或包括例如频变电阻的类似电阻元件。
晶体管的实施例可包括，例如，双极型晶体管、NMOS（N型金属氧化物半导体）、PMOS（P型金属氧化物半导体）和/或CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管等等。晶体管的各种实施例包含功率晶体管、CMOS功率晶体管、高电压（HV）晶体管等等。
开关式电源、降压转换器、DC/DC转换器、同步转换器等等的实施例可包括滤波器电路、LC电路等等，其在文中可通过电感器和电容器的组合被参考。将理解滤波器电路、LC电路等等的电感和/或电容可根据各种实施例以一个或更多专用无源元件的形式被实施，诸如一个或更多电感器和一个或更多电容器。上述电路可此外或选择地通过在转换器的输出电路上提供期望电感和/或电容，例如通过考虑寄生电感和/或寄生电容来实施。
根据一个示例性非限制性的实施例，转换器的输出电路可包含用于提供期望电感的专用无源元件，也就是电感器，而期望电容通过输出电路中的寄生电容来实施，也就是，不包括专用电容器元件。然而，当参考滤波器电路、LC电路等等时也意欲涵盖在文中示出和描述为包括专用电感器和电容器的此实例。
文中提及逆变器。根据各种实施例，逆变器可被实施为，例如，NOT栅。例如，CMOS逆变器可包含p型晶体管和n型晶体管作为MOSFET晶体管的实施例。如文中提及的启用逆变器可包含启用栅来使逆变器能够或禁用前向通过信号。例如，可通过开关实施栅。在启用栅包含晶体管的情况下，该晶体管可以是互补类型而不是被驱动电路驱动的开关晶体管。例如，在实施功率转换器开关的CMOS功率晶体管是n型的情况下，启用栅晶体管可以是p型的，并且反之亦然。
根据各种实施例，可提供包含串联连接的两个或更多逆变器的逆变器链。因此，逆变器链可包含第一逆变器用于接收举例来讲诸如为驱动信号的输入信号，并且逆变器链可包含最后逆变器将举例来讲诸如为驱动信号或反转驱动信号的输出信号供给到例如功率转换器的开关。逆变器链可包含零或更多的在第一和最后逆变器之间连接的中间逆变器。
图1A是示意地示出实施电源的装置的实施例10的框图。装置10包含控制单元12和功率级14。功率级14可包含DC/DC转换器16，当由控制单元12相应地控制时DC/DC转换器16可操作为将DC输入电压（电池电压）VBAT转换为DC输出电压V0。控制单元12可例如通过控制DC/DC转换器16的占空比，控制18功率级14来达到期望输出电压V0。DC/DC转换器16可以是例如开关式电源、降压转换器、同步转换器等中至少之一的实施方式。
图1B示意地示出了开关式电源的实例100的拓扑结构，其可被操作为DC/DC降压转换器，诸如在图1A中的DC/DC转换器16。一般而言，开关式电源可以通过CMOS技术制造。转换器电路100包含第一开关102、第二开关104、电感器（Lf）106和输出电容器（Cf）108。转换器100可操作为对于负载电阻RL将输入电压VBAT转换为输出电压V0。电感106和电容108实施转换器100的滤波器电路110。
开关102包含第一晶体管（M1）112和第二晶体管（M2）114，其中M1和M2在此实例中以共源共栅结构连接。第二开关104在此实例中包含以共源共栅结构连接的第三晶体管（M3）116和第四晶体管（M4）118。开关102和104经由节点Vx与LC电路110连接。第二晶体管M2和第三晶体管M3被提供用于减少由于CMOS制造过程而导致的击穿问题。应该补充的是第二和第三晶体管中的每一个可以被两个或更多各自的晶体管代替用于进一步增强耐压或进一步减少击穿问题。
转换器电路100包含驱动电路120用于驱动第一开关102和第二开关104。驱动电路120包含第一电路部分122和第二电路部分124，其中第一电路部分122与第一开关102连接，也就是它的晶体管112，而第二电路部分124连接到第二开关104，更确切地讲是其晶体管118。第一电路部分122包含包括第一逆变器128和最后逆变器130的逆变器链作为第一逆变器电路126。第二电路部分124包含包括第一逆变器134和最后逆变器136的逆变器链作为第二逆变器电路132。
逆变器130可被实施为包含分别实施为晶体管138（M5）、晶体管140（M6）和晶体管142（M7）的三个开关的启用逆变器。尽管晶体管138和142形成标准逆变器，但晶体管140对于逆变器130操作为启用栅。逆变器136可被实施为包含分别实施为晶体管144（M8）、晶体管146（M9）和晶体管148（M10）的三个开关的启用逆变器。晶体管144和148形成标准逆变器，而晶体管146对于逆变器136操作为启用栅。
第一逆变器链126的第一逆变器128接收驱动信号driveP用于驱动开关102，而第二逆变器链132的第一逆变器134接收驱动信号driveN用于驱动开关104。第一逆变器链126的最后逆变器130可提供驱动信号driveP到开关102，并且可具体地经由节点PDR提供驱动信号driveP到晶体管112的栅，而第二逆变器链132的最后逆变器136可提供驱动信号driveN到开关104，并且可具体地经由节点NDR提供驱动信号driveN到晶体管118的栅。
启用逆变器130的启用栅140连接到在晶体管112和114之间开关102的节点PFB。类似地，启用逆变器136的启用栅146连接到在开关104的晶体管116和118之间的节点NFB。以此方式，可称为反馈连接的连接可以在滤波器电路110与驱动电路120的第一122和第二124部分的每一个之间建立。可考虑其他构造，其例如可连接到节点Vx。
在图1B的实例中，晶体管M1到M4被实施为功率晶体管。功率MOS晶体管M1和M4可以用驱动信号driveP和driveN接通和断开，驱动信号driveP和driveN的占空比调节转换器100的输出电压V0。在驱动电路部分122和126的供电轨之差可小于对于M1和M4允许的击穿电压。滤波电感器106和输出滤波电容器108操作以从输入电压（电池电压）VBAT向逆变器输出电压Vx下游提供滤波输出电压V0。
P驱动器122和N驱动器124可接收和/或形成分别供给到M1和M4的开关信号。逆变器链126和132可被视为锥形逆变器用于提供各自驱动信号到开关M1和M4。用于启用逆变器130和136的启用脉冲分别从节点PFB和NFB取得。具体地，当M6和M9的阈值电压分别被越过时，例如被超过时，启用脉冲启用逆变器130和逆变器136。作为结果，各自驱动信号然后经由节点PDR和NDR分别被传到栅M1和M4。
逆变器可根据ZVS（零电压开关）技术来操作，对于其要求滤波电感器电流可在零以下摆动，导致滤波电感器操作为电流源。来自电感器的电流可充电逆变器输出节点，其将向输入电压，举例来讲诸如为电池电压（VBAT）增加。在逆变器输出电压将等于输入电压的情况下，并且当接通第一开关（M1）时，第一开关（M1）的漏源电势（VDS）将是大约0（一般而言，由于显著的电流流经功率晶体管的非零导通电阻可存在相对于零电压的偏差。）要求达到逆变器输出节点电压的时间应该与在第二开关关闭和第一开关打开之间的死区时间同步。以类似方式，要求用于逆变器输出节点从输入电压到零的放电的时间应该等于在第一开关关闭和第二开关打开之间的死区时间。
图2示意地示出了以可分别提供到驱动电路部分122和124的形式和相位的驱动信号driveP202和driveN204组合的示例性信号图200。如所示出的，信号202和204两者可包含方波信号形式并且可同相，也就是两个信号可在同一时间点206达到高到低状态，并且两个信号可在同一时间点208达到低到高状态，也就是，以死区时间等等的形式没有相位差，并且两个信号202和204同相。将理解，在驱动电路的逆变器链中为奇数个逆变器的情况下，驱动信号driveP和/或driveN与信号202和204比较将不得不被反转。
图3A和图3B是示出在图2的高到低206和低到高208时间点上图1的开关式功率转换器100的操作的时序图。关于在图1中所示的一般结构，将理解到PDR和NDR信号的相对定时影响开关式电源100的开关损耗。在VBAT和地之间短路路径不得不被最小化，因此开关损耗可提供两个晶体管M1和M2的适当驱动而最小化。
开关损耗可以通过驱动P侧晶体管M1和n侧晶体管M4以致两个不可以同时导通而最小化。因此，当接通M1和断开M4时，或者当断开M1和接通M4时，将不得不因此产生适当死区时间。相对于最佳死区时间的偏差可导致增加的开关损耗和减少的转换器100效率。
在图2中示出的驱动脉冲210和212可在经由节点PDR和NDR被施加于开关102和104之前通过图1的驱动电路120来修正。具体地，通过经由节点PFB和NFB供给到驱动电路120的局部反馈信号将驱动脉冲同步，其中借助于启用栅140和146的阈值电压，反馈也被数字化，如下面更详细描述，从而提供在n型和p型功率晶体管112和118之间的期望死区时间。
同步可基于通过滤波电感器106电流的局部反馈，而不是例如通过外部电源的驱动脉冲210和212的定时，并且代表自同步机制。出于此原因，例如，输入信号202和204的相位可以随着对转换器效率的最小影响而变化并且因此不是关键的。例如，输入驱动脉冲可以是同相的，如在图2中示出的，并且可例如来源于同一个源。根据本公开的其他方面，在driveP和driveN输入信号的相位之间可存在偏移，例如，在两个输入信号的低到高和/或高到低信号转变之间可存在死区时间。
具体转向图3A，为了讨论目的假设节点Vx、PFB和NFB以类似方式操作。例如，共源共栅晶体管M2和M3可以如此方式偏置以致它们一直导通。在时间t0，在节点PDR和NDR的信号为高。结果，开关M4导通，而开关M1不导通。因此，Vx是低的并且电感器106电流iLF向负值减小。由于节点NFB跟随Vx，启用栅M9导通。结果，晶体管M8和M10操作为正常逆变器。
在图3A中相应于图2中时间点206的时间t1，驱动信号driveN从高到低改变状态。结果，NDR变低，关闭晶体管M4。这防止进一步减少电感器电流iLF，并且将电流反向并且开始向正值增加。由于对于M4不再存在下拉，电感器106电流iLF被允许增加，其进而开始对节点Vx充电。随着在Vx上电压增加，节点NFB和PFB的电压也增加。在一些点上，NFB关闭启用晶体管M9。从那时起，节点NDR不受在输入驱动信号driveN中变化的影响。
在时间t2，节点PFB的电压电平达到开关M6的阈值电压。结果，M6开始导通。因此，晶体管M5和M7开始操作为标准逆变器。因此，输入信号driveP，在t2低，将节点PDR拉低。因此，开关M1将输入电压VBAT供给到滤波器电路110。以此方式，可以在t1关闭M4和在t2打开M1之间产生时间延迟。在图3A中，延迟用虚线表示。它与电感器106电流有关，并且不依赖于驱动信号driveN和driveP的定时的细节。
图3B示出了当信号driveP和driveN从低到高改变状态时在图2的时间208转换器100的操作。操作以类似于以上对于低到高操作所描述的方式进行。
注意到不管驱动信号driveP和driveN是否例如被同相地供给到图1的转换器100，在驱动电路120的上游均不存在死区时间控制电路。这是因为转换器可以基于，例如，滤波电感器106电流反馈到驱动电路120而调整自身。由于自调整，驱动脉冲可以关于定时要求的不受约束的方式来产生，并且例如可同相地产生，如在图2中的脉冲210和212所示。
根据各种实施例，在标准逆变器被启用逆变器替换的情况下，从电感滤波器电流到驱动电路提供反馈连接可仅需要反馈导体路径和额外晶体管，诸如在图1的实例中晶体管M6和M9分别对应于反馈节点PFB和NFB。可不需要最小化硅面积的无源元件。根据本公开的不同方面，如在图1中示意地示出的逻辑电路可被实施在单一芯片上，但不需要被实施为DSP（数字信号处理器），如可以是例如对于要求大量晶体管和/或其他元件的其他同步方法的情况。
在图1的拓扑结构的示例性的非限制的实现方式中，滤波电感器106尺寸可被选择为在120MHz上带有Qmax=30的11毫微亨（nH）。滤波电容器108可具有，例如，Q处在500范围中的2.4毫微法的电容。例如可在350微米到750微米的范围内选择在p侧的启用晶体管M6的公称尺寸，并且例如可以是大约550微米。例如可在在275微米到675微米的范围内选择在n侧的启用晶体管M9的公称尺寸，并且例如可以是大约475微米。一般来说，可以说输出电容器的电容值和滤波电感器的电感值取决于待达到的开关频率。对于大约100MHz的开关频率，例如，电容值例如可以处在从0.5到1.5nF的范围内，并且电感值可以处在从10到30nH的范围内。
对于例如为3.6伏特的电池电压VBAT和例如处在1.4伏特到2.0伏特的范围中的输出电压V0，以及在120兆赫的范围中的开关频率，可在0（也就是同相）和400微微秒之间选择对于驱动信号driveP和driveN从高到低和/或低到高的相对延迟时间。
图4示出了操作开关式电源的方法的实施例400。电源可包含第一开关、第二开关、电感器、输出电容器和驱动电路。尽管方法400被显示为包含步骤402到406的特定序列，但根据其他实施例，步骤的序列可被改变，和/或两个或更多步骤可彼此并行地执行。可执行额外步骤，和/或其他步骤可代替步骤402到406中的一个或更多步骤。
在步骤402中，驱动信号由外部控制单元供给到驱动电路。根据各种实施例，第一驱动信号可被供给到用来驱动第一开关的驱动电路，并且第二驱动信号可被供给到用来驱动第二开关的驱动电路。第一驱动信号和第二驱动信号可具有同一个相位，或对于低到高信号发送和高到低信号发送中的一个或两者可具有相位差。根据一个方面，单一驱动信号被提供到驱动电路或被驱动电路产生并且被复制为第一和第二同相驱动信号用于分别驱动第一和第二开关。
在步骤404中，第一电压经由在第一和第二开关之间的节点被供给到驱动电路。例如，节点可例如经由一个或更多开关被直接或间接耦接到电感器，其可操作为电流源。第一电压可被供给到驱动电路中的启用逆变器。在步骤406中，驱动信号基于供给到驱动电路的第一电压被供给到第一和第二开关中的至少之一。根据各种实施例，当第一电压越过（traverse）驱动电路中晶体管的阈值电压时，驱动信号可被供给到第一和第二开关中的至少之一。第一电压例如可越过在驱动电路中的启用逆变器的启用栅的阈值电压。
尽管关于一个或更多实施方式示出和描述了本发明，但在没有违背所附权利要求的精神和范围的情况下，可对示出的实例做出改变和/或修改。尤其关于由上面描述的组件或结构（装配、器件、电路、系统等）进行的各种功能，用来描述这些组件的术语（包括涉及“装置”）意在，除非另有所指，否则对应于进行所述组件的指定功能的任何组件或结构（例如，功能上等同），即使不是在结构上等同于所公开的结构，其执行在文中示出的本发明示例性实施方式中的功能。

Claims (23)

1. 一种开关式电源，包括：
第一开关、第二开关、电感器以及输出电容器，其中所述第一开关和第二开关通过节点耦接在一起，所述电感器耦接在所述节点与输出终端之间，并且所述输出电容器耦接于所述输出终端；以及
驱动电路，其构造为驱动所述第一开关和第二开关，所述驱动电路电耦接到所述第一开关与第二开关之间的节点。
2. 根据权利要求1所述的开关式电源，还包括：
第三开关和第四开关，其中所述第三开关耦接在第一节点的第一开关与所述节点之间，并且所述第四开关耦接在第二节点的第二开关与所述节点之间；以及
所述驱动电路，其电耦接到所述第一开关与所述第三开关之间的第一节点并且电耦接到所述第二开关与所述第四开关之间的第二节点。
3. 根据权利要求1所述的开关式电源，其中，所述驱动电路还包括第一电路部分和第二电路部分，所述第一电路部分电耦接到所述第一开关，并且所述第二电路部分电耦接到所述第二开关。
4. 根据权利要求3所述的开关式电源，其中，所述第一电路部分包括第一逆变器电路，并且所述第二电路部分包括第二逆变器电路，其中所述第一逆变器电路电耦接到所述第一开关，并且所述第二逆变器电路电耦接到所述第二开关。
5. 根据权利要求4所述的开关式电源，其中：
所述第一逆变器电路至少包括第一逆变器和第二逆变器，其中所述第一逆变器构造为接收第一驱动信号，并且所述第二逆变器电耦接到所述第一节点；并且
所述第二逆变器电路至少包括第三逆变器和第四逆变器，其中所述第三逆变器构造为接收第二驱动信号，并且所述第四逆变器电耦接到所述第二节点。
6. 根据权利要求3所述的开关式电源，其中，所述第一逆变器电路包括第一启用逆变器，并且所述第二逆变器电路包括第二启用逆变器。
7. 根据权利要求6所述的开关式电源，其中：
所述第一逆变器电路包括第一逆变器链，其中所述第一启用逆变器是所述第一逆变器链中的最后逆变器；并且
所述第二逆变器电路包括第二逆变器链，其中所述第二启用逆变器是所述第二逆变器链中的最后逆变器。
8. 根据权利要求6所述的开关式电源，其中，所述第一启用逆变器连接至所述第一节点，并且所述第二启用逆变器连接至所述第二节点。
9. 根据权利要求6所述的开关式电源，其中：
所述第一启用逆变器包括第五开关、第六开关以及第七开关，所述第五开关和第七开关电耦接为逆变器，并且所述第六开关电耦接为所述第五开关和第七开关的逆变器的启用栅；并且
所述第二启用逆变器包括第八开关、第九开关以及第十开关，所述第八开关和第十开关电耦接为逆变器，并且所述第九开关电耦接为所述第八开关和第十开关的逆变器的启用栅。
10. 根据权利要求9所述的开关式电源，其中：
所述第六开关电耦接到所述第一节点；并且
所述第九开关电耦接到所述第二节点。
11. 根据权利要求9所述的开关式电源，其中：
所述第一开关包括第一晶体管并且所述第六开关包括第六晶体管，其中所述第一晶体管具有与所述第六晶体管不同的类型；并且
所述第二开关包括第二晶体管并且所述第九开关包括第九晶体管，其中所述第二晶体管具有与所述第九晶体管不同的类型。
12. 根据权利要求11所述的开关式电源，其中：
所述第六晶体管包括连接至所述第一节点的第一栅；并且
所述第九晶体管包括连接至所述第二节点的第二栅。
13. 根据权利要求11所述的开关式电源，其中：
所述第六晶体管包括电耦接到所述第一开关的源或漏；并且
所述第九晶体管包括电耦接到所述第二开关的源或漏。
14. 根据权利要求1所述的开关式电源，其中：
所述第一开关包括第一CMOS功率晶体管；并且
所述第二开关包括第二CMOS功率晶体管。
15. 根据权利要求1所述的开关式电源，其中，所述开关式电源处在单一芯片上。
16. 一种同步转换器，包括：
第一开关、第二开关、电感器以及输出电容器，其中所述第一开关和第二开关经由节点耦接在一起，所述电感器耦接在所述节点与输出终端之间，并且所述输出电容器耦接于所述输出终端；以及
驱动电路，其构造为驱动所述第一开关和第二开关，其中所述驱动电路包括第一启用逆变器和第二启用逆变器，其中所述第一启用逆变器电耦接到所述第一开关并且所述第二启用逆变器电耦接到所述第二开关。
17. 根据权利要求16所述的同步转换器，其中，所述驱动电路电耦接到所述第一开关与第二开关之间的节点。
18. 根据权利要求16所述的同步转换器，其中：
所述第一启用逆变器包括电耦接到所述第一节点的启用栅；并且
所述第二启用逆变器包括电耦接到所述第二节点的启用栅。
19. 根据权利要求16所述的同步转换器，其中，所述第一开关包括第一功率晶体管并且所述第二开关包括第二功率晶体管，其中所述第一启用逆变器电耦接到所述第一功率晶体管的栅，并且所述第二启用逆变器电耦接到所述第二功率晶体管的栅。
20. 一种操作开关式电源的方法，包括：
将驱动信号供给到所述驱动电路；
将第一电压从第一开关与第二开关之间的节点供给到所述驱动电路；以及
基于被供给到所述驱动电路的第一电压将所述驱动信号供给到所述第一开关和第二开关中的至少之一。
21. 根据权利要求20所述的方法，还包括：
将所述第一电压供给到所述驱动电路中的启用逆变器。
22. 根据权利要求20所述的方法，还包括：
当所述第一电压越过所述驱动电路中的晶体管的阈值电压时，将所述驱动信号供给到所述第一开关和第二开关中的至少之一。
23. 根据权利要求20所述的方法，还包括：
将用于所述第一开关的第一驱动信号和用于所述第二开关的第二驱动信号供给到所述驱动电路，其中所述第一驱动信号和所述第二驱动信号具有同一相位。
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