CN104967433A - 高电压开关输出驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了高电压输出驱动器电路，其包括：具有第一输入、第二输入和耦合到第二输入的输出的第一稳压器；具有第一输入、第二输入和输出的第二稳压器；具有第一信号输入、第二信号输入、耦合到第一稳压器的输出的第一控制输入、耦合到第二稳压器的输出的第二控制输入、第一控制输出和第二控制输出的驱动器；耦合到驱动器的第一控制输出的第一功率晶体管；以及耦合到驱动器的第二控制输出的第二功率晶体管。包括所述高电压输出驱动器的集成电路既不需要诸如电容器之类的外部自举部件，也不需要用于连接到这种外部自举部件的附带的额外引脚。

Description

高电压开关输出驱动器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年3月13日提交的USSN 61/952862的优先权的权益，通过引用将其并入本文中。
背景技术
高电压开关输出驱动器用于许多电子应用。例如，高电压开关输出驱动器用于高电压输出级、D类放大器、直流到直流(DC到DC)转换器和功率管理集成电路(PMIC)中。
D类放大器或开关放大器是所有功率器件(通常为功率晶体管)都作为二进制开关而进行操作的电子放大器。这些功率晶体管通常是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在操作中，MOSFET通常是完全接通或完全关断的。DC到DC转换器是将直流(DC)源从一个电压电平转换到另一个电压电平的电子电路，并且通常用于电池供电的电子装置中。可以将高电压开关输出驱动器与电压转换结合使用。尽管PMIC可以具有多于一种的功能，但是可以使用DC到DC转换和电压缩放，两者都可以依赖于高电压开关输出驱动器。
图1是通常被形成为集成电路(IC)12的一部分的常规高电压开关输出驱动器10的方框图。现有技术的输出驱动器10外部是一对旁路电容器14和16。现有技术的高电压开关输出驱动器10包括被标记为LDO1和LDO2的一对低压降(LDO)稳压器。输出驱动器10还包括第一输出驱动器D1、第二输出驱动器D2、第一功率输出MOSFET MP1和第二功率输出MOSFET MN1。第一输入IN1耦合到输出驱动器D1，并且第二输入IN2耦合到输出驱动器D2。两个输入IN1和IN2可以是差分输入，或者它们可以耦合到一起作为单个非差分输入。
高电压开关输出驱动器10的高电压轨18处于电平PVDD，并且可以例如是20伏DC(VDC)。在该示例中，地(PGND)可以处于零VDC，并且稳压器LDO1和LDO2的输出可以处于15VDC和5VDC。驱动器D1和D2控制MOSFET MP1和MN1来提供用于驱动负载(未示出)的输出OUT。
如本领域技术人员所公知的，LDO稳压器是能够以非常小的输入-输出差分电压进行操作的DC线性电压稳压器。低压降电压的优点包括较低的最小操作电压、较高效率的操作以及较低的散热。通常，LDO稳压器的主要部件包括功率场效应晶体管(FET)和差分(“误差”)放大器。差分放大器的第一输入耦合到稳定电压参考，并且差分放大器的第二输入监测其输出。如果输出电压相对于参考电压上升得过高，则调整对功率FET的驱动，以保持恒定输出电压。
应当指出，在现有技术的输出驱动器10中，驱动器D1和D2从稳压器LDO1和LDO2汲取大量电流。要求具有至少处于微法拉范围内的值的外部电容器14和16根据驱动器的需要而提供足够量的电流。对外部电容器的需求要求IC 12的封装具有附加的引脚，其增大了封装的成本和尺寸。同样，支持IC 12以及电容器14和16的印刷电路板的尺寸也必须增大。此外，电容器为电子器件增加了额外的部件和组件成本。
因此应当领会到，现有技术的解决方案通常需要外部自举电容器或LDO电容器(caps)，它们成本高并且在集成电路(IC)的封装上需要额外的引脚。提供集成了不需要外部自举部件和用于连接到这种外部自举部件的附带的额外引脚的高电压开关输出驱动器的IC将是有利的。
本领域技术人员在阅读了以下描述并且研究了附图中的几幅图之后，现有技术的这些以及其它限制将变得显而易见。
发明内容
在通过示例的方式而非限制的方式阐述的实施例中，AB类回路用于驱动开关输出驱动器的输出功率FET。在该非限制性示例中，高侧驱动器和低侧驱动器被组合成一个驱动器，其中仅从PVDD向PGND汲取电流，而不从PVDD向LDO或者从LDO向PGND汲取电流。将LDO电压用作驱动器FET的栅极的参考，从而允许在内部绕开LDO，并且由此消除了对外部电容器的需求。
在通过示例的方式而非限制的方式阐述的实施例中，高电压输出驱动器电路包括：具有第一输入、第二输入和耦合到第二输入的输出的第一稳压器；具有第一输入、第二输入和输出的第二稳压器；具有第一信号输入、第二信号输入、耦合到第一稳压器的输出的第一控制输入、耦合到第二稳压器的输出的第二控制输入、第一控制输出和第二控制输出的驱动器；耦合到驱动器的第一控制输出的第一功率晶体管；以及耦合到驱动器的第二控制输出的第二功率晶体管。
在通过示例的方式而非限制的方式阐述的实施例中，驱动器包括被操作用于产生第一控制输出的第一跨导线性回路电路、被操作用于产生第二控制输出的第二跨导线性回路电路、耦合到第一跨导线性回路电路的第一信号输入器件、耦合到第二跨导线性回路电路的第二信号输入器件、将第一跨导线性回路电路耦合到第二跨导线性回路电路的第一控制输入器件、以及将第二跨导线性回路电路耦合到第一跨导线性回路电路的第二控制输入器件。
有利地，在某些示例性实施例中，所述电路仅从栅极驱动参考电压源汲取少量瞬态电流，由此消除了在驱动高电压器件时对外部自举电容器或LDO电容器(caps)的需求。这节省了IC引脚量、印刷电路板(PCB)空间以及与外部电容器相关联的相对较高的成本。
有利地，某些示例性实施例非常适合用于HV开关和非开关输出器件中，例如，用于高电压(HV)模拟块和开关中。通过非限制性示例，某些实施例非常适合于高电压D类放大器、高电压DC-DC转换器以及高电压模拟线性输出器件。
本领域技术人员在阅读了以下描述并且研究了附图中的几幅图之后，这些以及其它实施例、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图来描述若干示例性实施例，在附图中，相似的部件设置有相似的附图标记。示例性实施例旨在对本发明进行说明而非进行限制。附图包括以下各图：
图1是需要外部电容器来进行操作的常规高电压开关输出驱动器的方框图；
图2是通过示例的方式而非限制的方式阐述的不需要外部电容器来进行操作的改进的高电压输出驱动器的方框图；以及
图3是通过示例的方式而非限制的方式阐述的图2的输出驱动器D3'的示意图。
具体实施方式
已经关于现有技术描述了图1。图2是通过示例的方式而非限制的方式阐述的改进的高电压输出驱动器20的方框图，改进的高电压输出驱动器20优选地被形成为不需要外部电容器来进行操作的集成电路(IC)22的一部分。如本领域技术人员将领会的，IC 22包括用于电路的至少一个IC管芯或“芯片”、设置有多个引脚、引线或触点的用于芯片的封装、以及将芯片的电路连接到封装的引脚的导线或其它电连接器。
在图2的示例性实施例中，高电压输出驱动器20包括第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2、驱动器D3、第一功率MOSFET MP_POWER和第二功率MOSFET MN_POWER。例如，可以采用DMOS高电压MOSFET。在该实施例中不需要外部电容器，由此减小了IC 22的封装所需的引脚数量和封装尺寸。在该非限制性示例中，驱动器D3替代了现有技术的高侧驱动器和低侧驱动器，仅从PVDD向地(PGND)汲取电流，而不像现有技术中那样从LDO稳压器汲取电流。
在该非限制性示例中，稳压器LDO1具有输出LDO_HS、耦合到PVDD的第一输入以及耦合到其输出LDO_HS的第二输入。同样在该示例中，稳压器LDO2具有输出LDO_LS、耦合到PGND的第一输入以及耦合到PVDD的第二输入。输出LDO_HS和LDO_LS以及第一信号输入IN1和第二信号输入IN2是驱动器D3的输入。驱动器D3耦合在PVDD与地之间，具有附加输入IN1和IN2，并且具有分别控制功率MOSFET MP_POWER和MOSFET MN_POWER的控制输出PC1和PC2。输入IN1和IN2可以是单独的差分输入，或者可以耦合到一起作为单个输入。
在该非限制性示例中，PVDD可以是20VDC，LDO_HS可以是15VDC，LDO_LS可以是5VDC，并且地可以是0VDC。如随后将参考图3的示例性驱动器D3'来更详细描述的，稳压器LDO1和LDO2的输出用来驱动功率MOSFET的栅极，并且因此不必像现有技术中那样向功率驱动器提供大的瞬态电流。因此，稳压器LDO1和LDO2的输出处的皮法拉范围内的小寄生电容足以控制MOSPET MP_POWER和MOSPET MN_POWER的栅极，并且不需要昂贵的外部电容器。
应当注意，在该非限制性示例中，AB类回路用于驱动开关输出驱动器的输出功率FET。在该非限制性示例中，高侧驱动器和低侧驱动器组合成一个驱动器，其中仅从PVDD向PGND汲取电流，而不像现有技术中那样从PVDD向LDO汲取电流，也不从LDO向PGND汲取电流。即，在前述示例性实施例中，LDO电压用作驱动器FET的栅极的参考，从而允许在内部绕开LDO，并且由此消除了对外部电容器的需求。
如前所述，现有技术的解决方案需要外部自举电容器或LDO电容器(caps)，它们成本高，并且在IC封装上需要额外的引脚。因此应当领会，在本文中所公开的示例性实施例中，消除了在驱动高电压器件时对用于高电压LDO的外部自举电容器或LDO电容器(caps)的需求，并且IC封装上需要较少的引脚。
图3是通过示例的方式而非限制的方式阐述的图2的输出驱动器D3'的示意图。在该非限制性示例中，驱动器D3'包括p沟道MOSFET(a/k/aPMOS晶体管)MP0、MP1、MP2、MP3和MP4以及n沟道MOSFET(a/k/aNMOS晶体管)MN0、MN1、MN2、MN3和MN4。如本文中所使用的，“第一极性类型”的晶体管是p沟道(p型)和n沟道(n型)晶体管的其中之一，并且“第二极性类型”的晶体管是p沟道(p型)和n沟道(n型)晶体管中的另一个。
输出驱动器D3'还包括电流源CS2和电流源CS1，其中电流源CS2与参考偏置晶体管MN0和MN1(它们提供两个二极管电压降)一起在NMOS晶体管MN2的栅极处提供偏置Nbias，并且电流源CS1与参考偏置晶体管MP0和MP1(它们提供两个二极管电压降)一起在PMOS晶体管MP2的栅极处提供偏置Pbias。晶体管MP0、MP1和MP2、以及电流源CS1包括具有第一控制输出PC1的第一跨导线性回路24，并且晶体管MN0、MN1和MN2、以及电流源CS2包括具有第二控制输出PC2的第二跨导线性回路26。
应当领会，在该非限制性示例中，驱动器D3'包括被操作用于产生第一控制输出PC1的第一跨导线性回路电路24、被操作用于产生第二控制输出PC2的第二跨导线性回路电路26、耦合到第一跨导线性回路电路24的第一信号输入器件MP3、耦合到第二跨导线性回路电路26的第二信号输入器件MN3、耦合到第一跨导线性回路电路24和第二跨导线性回路电路26两者的第一控制输入器件MP4、以及耦合到第二跨导线性回路电路26和第一跨导线性回路电路24两者的第二控制输入器件MN4。
在图3的非限制性示例中，第一跨导线性回路电路包括第一电流源CS1、第一电压降器件28以及耦合到第一电流源CS1与第一电压降器件28之间的节点Pbias的第一偏置晶体管MP2。同样在该示例中，第二跨导线性回路电路26包括第二电流源CS2、第二电压降器件30以及耦合到第二电流源CS2与第二电压降器件28之间的节点Nbias的第二偏置晶体管MN2。在该非限制性示例中，电压降器件28和30均包括被配置为二极管的一对MOSFET，由此每个电压降器件提供两个二极管电压降。
应当注意，驱动器D3'并不像现有技术中的驱动器那样从稳压器获取其功率。相反，稳压器的输出LDO_HS和LDO_LS分别控制MOSFET MP4和MOSFET MN4的栅极，并且因此从稳压器汲取极少量的电流。像这样，不需要外部电容器为现有技术的驱动器所产生的大瞬变电流存储电荷。
尽管已经使用具体术语和器件描述了各种实施例，但是这种描述仅出于说明的目的。所使用的词语仅是描述性词语而非限制性词语。应当理解，在不脱离书面公开内容和附图所支持的各种发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以做出各种改变和变型。另外，应当理解，可以对各种其它实施例的方面进行整体或部分的互换。因此，旨在能够在没有限制或禁止反言的情况下根据本发明的实际精神和范围来解释权利要求。

Claims (20)

1.一种高电压输出驱动器电路，包括：
第一稳压器，其具有第一输入、第二输入和耦合到所述第二输入的输出；
第二稳压器，其具有第一输入、第二输入和输出；
驱动器，其具有第一信号输入、第二信号输入、耦合到所述第一稳压器的所述输出的第一控制输入、耦合到所述第二稳压器的所述输出的第二控制输入、第一控制输出和第二控制输出；
第一功率晶体管，其耦合到所述驱动器的所述第一控制输出；以及
第二功率晶体管，其耦合到所述驱动器的所述第二控制输出。
2.根据权利要求1所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一稳压器的所述第一输入耦合到第一参考电压，并且所述第二稳压器的所述第一输入耦合到第二参考电压。
3.根据权利要求2所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一参考电压是第一电源电压(PVDD)。
4.根据权利要求3所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第二稳压器的所述第一输入耦合到第二电源电压(PGND)。
5.根据权利要求4所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一功率晶体管是具有第一极性的功率场效应晶体管(FET)，并且所述第二功率晶体管是具有第二极性的功率FET。
6.根据权利要求5所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一功率晶体管是p型MOSFET，并且所述第二功率晶体管是n型MOSFET。
7.根据权利要求6所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一功率晶体管的栅极耦合到所述驱动器的所述第一控制输出，并且所述第二功率晶体管的栅极耦合到所述驱动器的所述第二控制输出。
8.根据权利要求7所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一功率晶体管的源极耦合到PVDD，并且所述第二功率晶体管的源极耦合到PGND。
9.根据权利要求8所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一功率晶体管的漏极和所述第二功率晶体管的漏极在驱动器电路输出节点处耦合在一起。
10.根据权利要求9所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述驱动器耦合到PVDD和PGND。
11.根据权利要求10所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一稳压器和所述第二稳压器是低压降(LDO)稳压器。
12.根据权利要求1所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述第一稳压器、所述第二稳压器、所述驱动器、所述第一功率晶体管和所述第二功率晶体管组成具有多个引脚的集成电路(IC)。
13.根据权利要求12所述的高电压输出驱动器电路，其中，所述多个引脚中的任何引脚都没有电连接到所述第一稳压器，并且所述多个引脚中的任何引脚都没有连接到所述第二稳压器。
14.一种驱动器，包括：
被操作用于产生第一控制输出的第一跨导线性回路电路；
被操作用于产生第二控制输出的第二跨导线性回路电路；
耦合到所述第一跨导线性回路电路的第一信号输入器件；
耦合到所述第二跨导线性回路电路的第二信号输入器件；
将所述第一跨导线性回路电路耦合到所述第二跨导线性回路电路的第一控制输入器件；以及
将所述第二跨导线性回路电路耦合到所述第一跨导线性回路电路的第二控制输入器件。
15.根据权利要求14所述的驱动器，其中，所述第一跨导线性回路电路包括：
第一电流源；
耦合到所述第一电流源的第一电压降器件；以及
耦合到所述第一电流源与所述第一电压降器件之间的节点的第一偏置晶体管。
16.根据权利要求15所述的驱动器，其中，所述第二跨导线性回路电路包括：
第二电流源；
耦合到所述第二电流源的第二电压降器件；以及
耦合到所述第二电流源与所述第二电压降器件之间的节点的第二偏置晶体管。
17.根据权利要求16所述的驱动器，其中，所述第一偏置晶体管是第一极性类型的，并且所述第二偏置晶体管是第二极性类型的。
18.根据权利要求17所述的驱动器，其中，所述第一电压降器件和所述第二电压降器件均具有两个二极管电压降。
19.根据权利要求18所述的驱动器，其中，所述第一信号输入器件和所述第一控制输入器件包括第一极性类型的MOSFET，并且其中，所述第二信号输入器件和所述第二控制输入器件包括第二极性类型的MOSFET。
20.根据权利要求19所述的驱动器，其中，所述第一极性类型是p型，并且所述第二极性类型是n型。
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