CN105264670B - 具有改进的晶体管关断控制方法的有源二极管 - Google Patents
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Abstract
公开了一种具有改进的晶体管关断控制方法的有源二极管。该有源二极管包括：比较器，用于对晶体管的寄生二极管的相对端的电压进行比较；以及栅极驱动器，用于根据比较器的比较结果对晶体管的栅极端子进行控制，并且有源二极管还包括断开时刻控制器，用于控制晶体管以在寄生二极管的两端之间的电压变为正的时间处关断晶体管。相应地，在有源二极管应当被关断的时间处有源二极管能够被关断。
Description
技术领域
本发明涉及有源二极管，更具体地涉及用于关断有源二极管的晶体管开关的技术。
背景技术
图1是图示已有的有源二极管电路的图，图2是图示由延迟引起的正向导通的示例的图，其中，延迟可以由于图1中所图示的比较器和栅极驱动器二者而发生。
有源二极管包括开关M1；并且由于MOSFET特性，寄生二极管D1位于在漏极与源极之间。当作为寄生二极管D1的相对端处的电压，即阴极K和阳极A处的电压的VKA转变为负以使得D1被导通时，有源二极管检测该时间点并且接通开关M1以减少传导损耗。然而，如可以在图2中看出的，如果存在由于比较器10和栅极驱动器20二者而发生的延迟较长的情况，则如图2所图示的，即使VKA已经转变为(+)，也可能产生M1被导通的区间。在这里，发生有源二极管的正向导通，这导致不必要的电力消耗。如果控制电路已经被设计成具有最小延迟，则可以减少正向导通的区间的时长；然而，的确发生了一些不可避免的延迟，并且如果VKA信号很快，则由延迟引起的问题可能会更大。
换言之，在使用有源二极管来处理高速输入信号的情况下，由于由比较器10、栅极驱动器20等引起的受控的控制信号的延迟，即使当有源二极管应当被关断时，有源二极管仍然被导通，从而导致有源二极管的正向导通。这样的特性是导致不必要的电力消耗的原因。
技术问题
本发明的目的是提供一种用于在有源二极管应当被关断的时间点处关断有源二极管的技术方案。
技术方案
为了实现以上所提及的技术方案，在一个总的方面，有源二极管包括：比较器，该比较器用于对晶体管的寄生二极管的相对的两端处的电压进行比较；以及栅极驱动器，该栅极驱动器用于响应于比较器的比较结果来控制晶体管的栅极端子，其中，该有源二极管还包括定时关断控制器，该定时关断控制器用于在当寄生二极管的相对的两端处的电压为正时的时间点处关断晶体管。
断开时刻控制器可以基于来自比较器的输出信号和栅极驱动器的栅极操作信号来调节晶体管何时被关断。
断开时刻控制器可以包括：断开控制器，用于接收来自比较器的输出信号并且输出所接收的输出信号，其中，断开控制器基于来自比较器的输出信号和栅极驱动器的栅极操作信号的每个反相信号来延迟并且输出比较器的输出信号；以及逻辑电路，用于接收来自断开控制器的延迟输出信号并且关断栅极驱动器。
断开控制器可以包括：可变延迟部件，用于接收来自比较器的输出信号并且输出所接收的输出信号，其中，断开控制器根据基本延迟值和可变附加延迟值来延迟并且输出比较器的输出信号；以及计数器，用于接收来自比较器的输出信号和栅极驱动器的栅极操作信号的每个反相信号，并且对附加延迟值进行计数。
计数器可以包括：D触发器，用于接收来自比较器的输出信号和来自栅极驱动器的栅极操作信号的每个反相信号；以及可逆计数器，用于根据D触发器的输出来对附加延迟值进行上计数(count up)或倒计数。
断开控制器还可以包括延迟部件，用于延迟栅极操作信号的反相信号，并且所延迟的反相信号到D触发器。
逻辑电路可以是SR锁存器，用于将比较器的的输出信号接收至SR锁存器的置位端子，将断开控制器的延迟的输出信号接收至SR锁存器的复位端子。
有益效果
当使用有源二极管来处理高速输入信号时，本发明通过对由比较器、栅极驱动器等引起的受控的控制信号的延迟进行补偿来在有源二极管应当被关断的时间点处关断有源二极管，从而阻止不必要的电力消耗。
附图说明
图1是图示已有的有源二极管电路的图。
图2是图示由延迟引起的正向导通的示例的图，其中，延迟可以由于图1中所图示的比较器和栅极驱动器二者而发生。
图3是图示具有MOSFET关断的改进控制的有源二极管电路的示例的图。
图4是图示断开控制电路的示例的图。
图5是图示图4中所图示的断开控制电路的操作时序的示例的图。
图6是图示断开控制电路的示例的图，在断开控制电路中对由于比较器和栅极驱动器二者而可以发生的延迟进行补偿。
图7和图8是图示根据示例性实施方式的断开控制电路的仿真的图。
具体实施方式
通过参照附图所描述的优选实施方式，本发明的以上所提及的方面和附加方面可以更清楚。在下文中，对本发明进行具体描述，以帮助本领域技术人员通过这些示例性实施方式来容易地理解和实现本发明。
图3是图示具有MOSFET关断的改进控制的有源二极管电路的示例的图；图4是图示断开控制电路的示例的图。
如图3中所图示的，有源二极管包括：比较器100，比较器100对M1的寄生二极管D1的相对端处的电压进行比较；以及栅极驱动器200，栅极驱动器200基于比较器100的比较结果来控制M1的栅极端子。根据示例性实施方式的有源二极管可以还包括断开时刻控制器300。断开时刻控制器300控制M1以在VKA转变为正的时间点处关断M1。根据示例性实施方式，断开时刻控制器300可以根据来自比较器100的输出信号和来自栅极驱动器200的栅极操作信号来调节M1的断开时刻。
如图3所图示的，断开时刻控制器300可以包括断开控制器310和逻辑电路320。断开控制器310接收来自比较器100的输出信号并且输出所接收的输出信号；更具体地，断开控制器310在考虑到来自比较器100的输出信号和来自栅极驱动器200的栅极操作信号二者的反相信号的情况下确定输出被延迟的时间长度，其中在该确定之后，断开控制器310在输出被发送出去之前将输出延迟与所确定的延迟时间一样多的时间。当接收到表明输出已经被延迟并且来自断开控制器310的输出(在下文中被称为“延迟的输出信号”)被接收的信号时，逻辑电路320关断栅极驱动器200。如图3中所图示的，逻辑电路320可以是SR锁存器。
如图4中所图示的，断开控制器310可以包括可变延迟部件311和计数器312。可变延迟部件311接收来自比较器100的输出信号并且输出该信号，该信号被延迟与根据基本延迟值和可变附加延迟值确定的延迟时长一样多的时间。计数器312通过接收来自比较器100的输出信号的反相信号和来自栅极驱动器200的栅极操作信号的反相信号来对附加延迟值进行计数。如图4中所图示的，计数器312可以包括：D触发器312-1，来自比较器100的输出信号和来自栅极驱动器200的栅极操作信号二者的反相信号被输入至D触发器312-1；以及可逆计数器312-2，可逆计数器312-2根据D触发器312-1来调节附加延迟值。
在下文中，参照图3和图4来具体描述控制有源二极管的MOSFET关断的操作。比较器100检测电压VKA并且确定所检测的电压VKA是正还是负。如果VKA为负，则VKA_NEG转变为“高”；以及因为VKA_NEG是至SR锁存器320的输入S，所以SR锁存器320的输出也转变为“高”，这进而使栅极驱动器200的输入信号IN转变为“高”，因此导通M1。断开控制器310为断开控制电路，该断开控制电路通过使用栅极操作信号VG和VKA_NEG的反相信号来生成TOFF信号。TOFF信号是SR锁存器320的输入R(复位)，输入R导致SR锁存器320的输出变为“低”。因此，因为栅极驱动器200的输入信号IN为“低”，所以M1被关断。这样的关断方法允许断开控制器310生成最佳的断开时间。
在断开控制电路上，信号VKA_NEG通过可变延迟部件311并且生成TOFF信号。可变延迟部件311具有Td0的基本延迟并且根据延迟的输入信号生成附加延迟Td(DELAY)。Td0是低于VKA的信号周期的一半的值。在TOFF从低到高改变的时间点处，图3中的SR锁存器320被复位以使M1被关断。图4中的断开控制电路对出现信号VGB的上升沿和VKA_POS的上升沿的时间点进行比较。此处，信号VGB的所述上升沿是通过使来自栅极驱动器200的输出信号VG反相而生成的上升沿。如果信号VG在VKA_POS从低改变至高的点处转变为低，则意味着晶体管的导通/断开完全处于控制之下。因此，VKA_POS的上升沿是控制标准并且也是目的。
因为VKA_POS转变为高的时间点是电压VKA转变(+)的时间点，所以如果来自栅极驱动器200的输出信号VG转变至低电平的时间点是比VKA_POS转变为高的时间点更迟的时间点，则需要使栅极驱动器200的断开时刻提前，或者在相反的情况下，需要使栅极驱动器200的断开时刻推迟。图4中的D触发器312-1对VGB和VKA_POS的相位进行比较，其中，如果VGB为高，即M1已经被关断，则在VKA_POS转变为高的时间点处，输出Q转变为高以增大可逆计数器312-2的值，或者在相反的情况下，减小可逆计数器312-2的值。可变延迟部件311根据可逆计数器312-2的输出(DELAY)改变延迟时长。当DELAY值变得更大时，延迟时长增大，以向后移动M1被关断的时间点。可以如下在等式1中示出由可变延迟部件311的输入DELAY引起的延迟。
Td＝TdO+ΔTd×DELAY (1)
总之，Td确定M1被关断的时间点，这被理解为确定栅极驱动器200的输出脉冲宽度。
图5是图示根据示例性实施方式的断开控制电路的操作时序的示例的图。
如果电压VKA低于0V，则VKA_NEG转变为高。以VKA_NEG的反相形式生成VKA_POS。为了提供关注于操作的描述，在图5中不考虑由比较器100和栅极驱动器200引起的延迟。假设在开始处，可逆计数器312-2被复位，至可逆计数器312-2的输出DELAY为零。即使DELAY为零，可变延迟部件311仍然具有Td0的初始延迟；这意味着VKA_NEG具有Td0的延迟，这进而生成延迟的TOFF信号。此处，因为VG转变为低的时间点比VKA_POS转变为高的时间点更快，所以D触发器312-1的输出转变为高，并且可逆计数器312-2的输出在VKA_POS的反相信号的上升沿处加1。D触发器312-1的输出仍然为高，直至第三周期为止，但是在第四周期中，可变延迟部件311的延迟在比VKA_POS转变为高的时间点更迟的时间开始，从而导致可逆计数器312-2的输出减1。
在第四周期之后，可逆计数器312-2的输出在正(+)或负(-)之间波动，从而进入稳定状态。虽然图5中所图示的有些夸大，但在稳定状态下，如果由DELAY增大或减小的延迟因数ΔTd是很小的值，则TOFF时序通常持续地被控制。从而，在最佳状态下，M1被关断。为了描述的方便，假定比较器100和栅极驱动器200的各自的延迟Td1和Td2为零，但即使目前存在所述延迟，也仍然由已经被应用的延迟Td1和Td2生成其相位被比较的信号VGB，从而对延迟Td1和Td2进行补偿以生成TOFF。如果在以上所提及的操作中VKA的频率改变很快，则这样的控制可能会太困难，而在VKA的频率几乎规律变化的应用中，根据以上所提及的操作，可以在确切的时间处关断有源二极管。
然而，在实际电路中，当生成信号VKA_POS时可能发生延迟。为了补偿该延迟，如图6中所图示的,断开控制器310可以还包括延迟部件313。延迟部件313对信号VGB增加与Tdx一样多的延迟并且输入该结果。因此，可以对由比较器100和逻辑电路生成的VKA_POS的延迟进行补偿。
总之，根据本发明的示例性实施方式的有源二极管检测二极管的相对端之间的电压VKA，发现有源二极管要被关断的时间点，以及将导通有源二极管的信号延迟以生成关断有源二极管的断开信号。然后，通过所提出的控制器来控制生成延迟的可变延迟电路，以补偿在比较器、栅极驱动器和逻辑电路中生成的延迟，从而执行最佳操作。
图7和图8是图示根据示例性实施方式的断开控制电路的仿真的图，其中，图7图示了断开控制的控制还未完成的状态，图8图示了断开控制的控制完成的状态。
如图7所图示的，因为断开控制未完全地被控制，所以可逆计数器312-2的输入UPDN为H。如果断开控制的控制是完全的，则然后可逆计数器312-2的输出进入稳定状态，D触发器的输出高/低如图8中所图示的被重复，使得延迟被控制，并且栅极驱动信号VG由比较器100、栅极驱动器200和逻辑电路的延迟补偿生成。
虽然已经参照本发明的优选实施方式详细示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节做出各种改变。优选实施方式应当仅以描述性意义被考虑而非出于限制的目的。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式而是由所附权利要求来限定，并且该范围内的所有差异应当被理解为被包括在本发明中。
Claims (5)
1.一种有源二极管，包括：
比较器，所述比较器被配置成对晶体管的寄生二极管的相对端处的电压进行比较；
栅极驱动器，所述栅极驱动器被配置成控制所述晶体管的栅极端子；以及
断开时刻控制器，所述断开时刻控制器被配置成通过控制所述栅极驱动器来调节所述晶体管何时被关断；
其中，所述断开时刻控制器包括：
断开控制器，所述断开控制器被配置成接收来自所述比较器的输出信号并且输出所接收的输出信号，其中，所述断开控制器基于来自所述比较器的输出信号和所述栅极驱动器的栅极操作信号的每个反相信号来延迟并且输出所述比较器的输出信号；以及
逻辑电路，所述逻辑电路被配置成接收来自所述断开控制器的延迟输出信号并且关断所述栅极驱动器。
2.根据权利要求1所述的有源二极管，其中，所述断开控制器包括：
可变延迟部件，所述可变延迟部件被配置成接收来自所述比较器的输出信号并且输出所接收的输出信号，其中，所述断开控制器根据基本延迟值和可变附加延迟值来延迟并且输出所述比较器的输出信号；以及
计数器，所述计数器被配置成接收来自所述比较器的输出信号和所述栅极驱动器的所述栅极操作信号的每个反相信号并且对所述附加延迟值进行计数。
3.根据权利要求2所述的有源二极管，其中，所述计数器包括：
D触发器，所述D触发器被配置成接收来自所述比较器的输出信号和来自所述栅极驱动器的所述栅极操作信号的每个反相信号；以及
可逆计数器，所述可逆计数器被配置成根据所述D触发器的输出来对所述附加延迟值进行上计数或倒计数。
4.根据权利要求3所述的有源二极管，其中，所述断开控制器还包括延迟部件，所述延迟部件被配置成延迟所述栅极操作信号的反相信号，并且所述延迟的反相信号到所述D触发器。
5.根据权利要求1所述的有源二极管，其中，所述逻辑电路是SR锁存器，所述SR锁存器被配置成将所述比较器的输出信号接收至所述SR锁存器的置位端子，将所述断开控制器的延迟的输出信号接收至所述SR锁存器的复位端子。
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