CN106160423A - 用于低发射开关调节器的驱动器 - Google Patents

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Abstract

本文描述的实施例总的来说涉及用于低发射开关调节器的驱动器。具体涉及一种开关调节器，其包括用于减少在调节器从一个晶体管开关切换到另一个时引起的传导发射。本文所讨论的开关调节器包括至少一个开关，其中二极管从至少一个晶体管的源极连接到其漏极。当调节器从一个晶体管开关切换到另一个时，本文所讨论的电路装置以相对较小的电流受限信号开始导通开关，等待横跨当前截止的开关的二极管完成反向恢复，然后快速地完全导通新开关。

Description

用于低发射开关调节器的驱动器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体地，涉及用于低发射开关调节器的驱动器。
背景技术
汽车电子产品不同于消费电子产品。对于汽车电子产品来说，每个集成电路(IC)必须进行电磁兼容测试，这在本领域通常称为“EMC测试”。消费电子产品的EMC要求远不及汽车电子产品的EMC那么严格。更具体地，IC不应该通过寄生电感在其供电线或总线中引入太多的噪声。当通过IC的供电侧过快地引入电流(di/dt)时，IC会由于接合线中的寄生电感而经历大量的电压噪声。对于汽车电子产品来说，这种噪声会导致故障或损伤IC。
朝向更小功率、便携式设备的趋势驱动用于有效转换功率的技术和需求。现在的IC开关调节器是小的、灵活的且允许递升(升压)或递降(降压)操作。开关调节器通常相对于传统的线性调节器来说是更优选的，这是因为它们源于更小的磁性、电容性和散热的部件的高效率和高功率密度的特性。这些开关调节器可以由开关、二极管、电感器和电容器的各种配置来构造。
开关调节器与线性调节器相比最大的限制是它们的输出噪声、电磁和射频干扰发射和外部支持部件的适当选择。EMC是用于电子控制单元的一个基本要求，并且低传导发射测试对于IC的发展来说是必不可少的，以确保电池或供电线中的噪声被很好地控制。一种特定类型的开关调节器(降压开关调节器)使用两个电源开关(诸如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))以选择性地将电感器耦合至高功率电源和低功率电源。开关调节器中的快速切换电流由于寄生电感而在接合线处引入电压振铃(voltage ringing)。例如，每2ns具有1A的导线电流的接合线中的2nH寄生电感将产生1V的电压振铃，如以下等式所表示的：
V＝L*di/dt＝2nH*1A/2ns＝1V。
为了减少电压振铃，需要减少寄生电感或者电流转换速率。
减少开关调节器中的寄生电感的一种传统方式是在电源与高侧开关调节器MOSFET以及低侧开关调节器MOSFET与地之间连接多条接合线。但是使用附加线占用了IC上昂贵的空间，并且会要求附加的芯片管脚，它们均增加了IC的成本。
发明内容
提供本部分来以简化形式引入概念选择，在以下具体实施方式部分将进一步的进行描述。本部分不用于确定所要求主题的关键特征或重要特征。也不用于具体地将所有实施例限于特定特征。
一个实施例的目的在于提供一种用于操作使用耦合至低侧开关的高侧开关的开关调节器的系统。该系统包括：源极跟随电路，被配置为当低侧开关截止时向高侧开关的栅极提供电流受限信号。开关感测电路被配置为感测二极管中的反向恢复的完成，并且在二极管中的反向恢复完成时向高侧开关的栅极提供输出信号。
在一个实施例中，源极跟随电路和开关感测电路根据时钟信号进行计时。
在一个实施例中，源极跟随电路包括与所述高侧开关相匹配的栅极源电压发生器，其限制高侧开关的栅极电压和最大电流。
在一个实施例中，在高侧开关的栅极处接收电流受限信号发起导通高侧开关，来允许以高侧开关中限制的最大电流完成低侧开关的主体二极管的反向恢复。
在一个实施例中，开关感测电路被配置为感测所感测的电压，并在第二晶体管终端处所感测的电压表示完成二极管的反向恢复时开始通过电流发生器对高侧开关的栅极充电以实现SW的开关节点的可控电压转换速率。
在一个实施例中，开关感测电路包括多个晶体管，多个晶体管用于在完成二极管的反向恢复时生成输出信号。
在一个实施例中，开关感测电路被配置为感测所感测的电压，并且在第二晶体管终端处感测的电压表示二极管具有在阈值电压内的电压时生成输出信号，其中阈值电压不同于二极管的完全反向恢复。
在一个实施例中，电流受限信号发起导通高侧开关，并且开关感测电路的输出信号继续导通高侧开关。
本发明的另一实施例的目的在于提供一种用于操作开关调节器的系统。该系统包括：高侧开关，接收输入电压；低侧开关，耦合至高侧开关；二极管，与低侧开关的两个终端交叉耦合；以及开关感测电路，被配置为感测二极管中的反向恢复的完成。在完成二极管中的反向恢复时，开关感测电路向高侧开关的栅极提供第一输出信号，该输出信号用于使高侧开关生成开关输出。
另一实施例的目的在于提供一种用于操作开关调节器的系统，开关调节器包括耦合至低侧开关的高侧开关，低侧开关耦合至二极管。该系统包括：源极跟随电路，被配置为在二极管开始完成反向恢复时向高侧开关的栅极提供电流受限信号；开关感测电路，被配置为感测二极管中的反向恢复的完成，并在完成二极管中的反向恢复时向高侧开关的栅极提供输出信号；以及栅极充电电路，被配置为在二极管的反向恢复完成之后向所述高侧开关的栅极提供栅极充电信号。此外，栅极充电信号用于使高侧开关完全导通。
在一个实施例中，低侧开关包括肖特基二极管。
在一个实施例中，一个或多个时钟信号同步由源极跟随电路提供的电流受限信号、由开关感测电路提供的输出信号和/或由栅极充电电路提供的栅极充电信号。
在一个实施例中，栅极充电信号的电流值大于由源极跟随电路提供的电流受限信号和由开关感测电路提供的输出信号的电流值。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明，其中：
图1是根据一个实施例的同步开关调节器的示意图；
图2是根据一个实施例的在具有NMOS开关的开关调节器的供电线中减少振铃和传导发射的驱动器电路装置的框图和示意图；以及
图3是根据一个实施例的在具有NMOS开关的开关调节器的供电线中减少振铃和传导发射的驱动器电路装置的示意图。
具体实施方式
本文利用特征性来描述本发明的主题以满足法定要求。但是描述本身不用于限制本专利的范围。相反，所要求的主题还可以以其他方式来具体化或者包括结合其他现有或未来的技术与本文描述类型的不同步骤或步骤组合。此外，尽管术语“步骤”和/或“框”在本文可用于表示所使用方法的不同元素，但该术语不应解释为本文所公开各个步骤之间的任何特定顺序，除非明确描述了各个步骤的顺序。
图1示出了同步开关调节器100，其包括高侧开关(M1)102和低侧开关(M2)104，每一个都包括n型MOSFET。可选实施例可以包括其他类型的晶体管或电开关元件。高侧开关102的漏极耦合至输入电压(Vin)106并经历标示为Lbh 108的寄生电感。低侧开关104的源极耦合至地(GND)110并经历标示为Lbl 112的寄生电感。二极管116和118分别耦合在高侧开关102和低侧开关104的源极和漏极之间。开关102和104都被实施为同步整流器。
寄生电感Lbh 108和Lbl 112在图1至图3中被示为电感器，但是实际上，这些寄生电感不是分立部件。相反，寄生电感Lbh 108和Lbl 112分别表示在Vin 106与开关102之间以及开关104与地110之间的接合线中所经历的寄生电感。为了表明此特点，在附图中以虚线框示出寄生电感Lbh 108和Lbl 112，表示它们不是实际的电感器而是在所示电路装置中感觉到的寄生电感。本文的实施例进行操作以减小寄生电感Lbh108和Lbl 112。
高侧开关102被栅极驱动信号电压Vghs 124驱动。Vghs被提供给高侧开关102的栅极。类似地，栅极驱动信号电压Vgls 126被施加至低侧开关104的栅极。施加于高侧开关102和低侧开关104的信号被可选地施加于高侧开关102或低侧开关104以在开关节点SW 128处提供降低的平均电压。
为了表示负载，电感器114被示出耦合至节点SW 128，其中节点SW 128位于高侧开关102的源极和低侧开关104的漏极之间。在电感器114的所示侧拉出输出电压(Vout)。在一个实施例中，电容器122连接至电感器114的另一端和地(GND)110，并用于从电感器114的输出中去除噪声，在所示输出节点处产生降低的Vout 120。
当低侧开关104截止且高侧开关102导通过快或者在其栅极处提供有大量电流时，开关调节器100经历显著的寄生电感Lbh 108和Lbl 112。为了避免交叉传导，一个实施例在本文称为“消隐(blanking)时间”的小段时间期间(在低侧开关104截止时且在高侧开关102导通之前)将高侧开关102和低侧开关104中的电流都保持为零。可以使用几纳秒的时间来断开低侧开关104中的同步电流(Isync)，此时Isync将流过二极管118的主体。一旦低侧开关104截止，高侧开关102导通，并且可以使用几纳秒的时间来使高侧开关102中的电流达到Isync。如果高侧开关102处的驱动器供应Vghs 124被引入得过快或过大，则高侧开关102中的电流(本文称为“ILbh”)将快速地达到0。当二极管118的反向恢复之后，Lbl中的电流(本文称为“ILbl”)将快速降低至0，并且ILbh降低到Isync。在Lbl和Lbh中可以看到振铃，这可能导致同步开关调节器100或其IC的过量传导发射和/或故障。
虽然本文讨论了图1的同步开关调节器100，但可选实施例使用肖特基二极管(为了清楚而未示出)作为低侧开关104。在这种可选实施例中，肖特基二极管有效地用作低侧开关104，这是因为与普通的硅P-N结二极管相比肖特基二极管的低功率损耗、低导通电压、快速恢复时间和低结电容。当被用作低侧开关104的肖特基二极管从非传导状态切换到传导状态(即，从“关”到“开”)时，肖特基二极管由于其突然恢复而没有经历或者经历非常少的反向恢复时间。然而，为了清楚，本文所讨论的实施例将晶体管用作低侧开关；然而，低侧开关可以在可选实施例中包括肖特基二极管或者类似的开关。
图2示出了根据一个实施例的在开关调节器100的供电线中减少振铃和传导发射的驱动器电路装置的框图和示意图。驱动器电路装置包括耦合至开关调节器100的高侧开关102的栅极的源极跟随电路200、开关感测电路202和栅极充电电路204。开关感测电路202还耦合至开关节点SW 128。
一个实施例使用两个不同的时钟信号(ON1 210和ON2 212)来控制开关调节器的频率。具体地，ON1 210被提供给源极跟随电路200和开关感测电路202，以及ON2 212被提供给栅极充电电路204。在一个实施例中，这些时钟信号ON1 210和ON2 212是通过IC的其他部分提供的脉宽调制(PWM)信号，并且用于在特定频率处或者根据特定位模式来为开关调节器100计时。
在操作中，随着低侧开关104截止(即，从传导到非传导状态)以及高侧开关102导通(即，从非传导到传导状态)，三个示出的电路200、202和204工作来减少开关调节器100的供电线中的振铃和传导发射。当低侧开关104初始截止时，在消隐时间的开始处，二极管118开始其反向恢复，并且源极跟随电路200向高侧开关102的栅极(Vghs 124)提供被限于特定电流和远低于Vin 106的电压的信号。例如，在汽车中，Vin 106可以为14V，并且来自源极跟随电路200的电压可以仅为3V或5V并且包括近似1mA的限制电流。在一个实施例中，在二极管118的反向恢复期间，根据ON1 210计时的该低输出信号被提供给Vghs 124。
开关感测电路202感测二极管118的反向恢复的近似或实际完成，并生成其自身的输出电压信号以提供给Vghs 124。在一个实施例中，来自开关感测电路202的输出电压信号逐渐(例如，线性)地随着二极管118通过反向恢复而增加。例如，二极管118可以从-0.7V到0V反向恢复，并且开关感测电路202可以在二极管118完全恢复(即，0V)或者在特定的恢复阈值(例如，-0.3V、-0.2V等)内时开始提供输出信号。当与来自源极跟随电路200的输出电压信号组合使高侧开关102完全导通时，来自开关感测电路202的附加输出电压对栅极充电以允许高侧开关102开始在SW 128处提供朝向Vin 106增加的电压。限制高侧开关102的“导通”电压允许Lbh 108处的电流转换速率可控，以避免Lbh 108和Lbl 112之间的过度振铃。还确保在二极管118的反向恢复结束之前控制高侧开关102中的最大电流。
随着高侧开关102充电并朝向完全导通模式前进，节点SW 128处的电压朝向Vin 106增加。当节点SW 128处的电压到达Vin 106之下的特定阈值时，栅极充电电路204接管。当发生此事时，栅极充电电路向Vghs 124提供更大的电流以快速且有效地完全打开高侧开关102。在一个实施例中，栅极充电电路204向高侧开关102的栅极提供栅极充电电流以快速地使高侧开关102满足或超过其漏极-源极“导通阻抗”(通常被称为Rds(on))。在一个实施例中，当SW节点128处于或近似等于ILimit的“全导通阈值”乘以高侧开关102的Rds(on)加上附加的过量电压(Vexcess)时，通过施加用于小Rds(on)的来自开关感测电路202的导通电压(Vturn_on)和对应的大电流来导通高侧开关102：
V(turn on)＝ILimit*Rds(on)+Vexcess
Vexcess可以为任何偏移电压，诸如但不限于200mV、500mV、1V、5V等。等到SW 128处的电压落入该导通电压内确保了高侧开关102在不完成反向恢复之前永不导通，因此向开关调节器100增加了较高的功率效率。
图3是根据一个实施例的在具有NMOS开关的开关调节器100的供电线中减少振铃和传导发射的驱动器电路装置的示意图。更能详细地示出了源极跟随电路200、开关感测电路202和栅极充电电路204。但是，所示电路200、202和204仅是一个实施例。其他实施例使用以相同方式作用或执行等效操作的等效电路元件。因此，所有实施例不限于所示电路并且可以包括附加或可选电路而不背离本发明的范围。
源极跟随电路200、开关感测电路202和栅极充电电路204可用于执行先前讨论的功能。源极跟随电路200包括输入电压V1 300、电流源Ilimit 302、晶体管304、306、308、320和323、二极管310和320、电阻器322以及反相器312、314。开关感测电路202包括自举电压源Vbs326、输入电压347(在一些实施例中，其可以与V1300相同)、晶体管328、330、332、336、338、344、电阻器342、348、电流源I1 340以及二极管334、346。栅极充电电路204包括接收自举电压源Vbs 326和被反相器400反相之后的反相时钟信号ON2 212，并包括晶体管352。
源极跟随电路200接收PWM时钟信号ON1 210和输入电压V1300。电压源V1300(电压显著低于Vin 106(例如，与14V相比的3.3V))连接至电流源(ILimit)302和n型晶体管304的漏极。ILimit 302被提供给n型晶体管306的漏极，并且晶体管306的源极耦合至n型晶体管308的漏极。如图所示，晶体管308包括耦合在其源极和漏极之间的二极管310。晶体管304和306的栅极相互连接，并且电阻器322将晶体管304的源极与GND 110分开。晶体管308的源极连接至GND 110。此外，n型晶体管316和323以高电压共源共栅方式来使用，以在高侧开关102以较高电压操作时保护晶体管304、306和308免受高侧开关102的影响。此外，晶体管316(其具有从其源极到漏极的二极管320)的源极耦合至晶体管308的源极和晶体管323的源极。最后，向Vghs 124提供晶体管316的漏极处的源极跟随电路200的输出信号324。
晶体管316接收延迟版本的时钟信号ON1 210(被反相器312和314延迟)，并且其源极耦合至晶体管304的源极且从其漏极提供源极跟随电路200的输出信号。ON1 210在被提供给n型晶体管316和p型晶体管328的栅极之前通过一系列延迟元件(反相器312和314)。在到达驱动晶体管316和318之前，增加反相器312和314以延迟ON1 210。根据来自ON1 210的期望时钟信令，可以在不同实施例中使用额外或更少的反相器。如前所述，ON1 210提供时钟信号以同步源极跟随电路200的输出。例如，ON1 210可以被设置为300kHz，由此相应地同步源极跟随电路200的输出信号324。
在操作中，一旦低侧开关104截止，高侧开关102就被提供有来自源极跟随电路200的电流受限信号以开始导通高侧开关102。提供给高侧开关102的栅极的输出信号324(再次，Vghs 124)包括与Vin 106(例如，14V)相比的低电压V1 300(例如，3.3V、5V等)和限于ILimit302的电流。将电流限于ILimit 302帮助控制电流转换速率并限制在二极管118的反向恢复期间所提供的最大电流。在一个实施例中，操作的电流限制模式仅发生在二极管118反向恢复时。
开关感测电路202接收ON1 210和来自自举电容器(Vbs)326的电压。如图所示，两个p型晶体管328和330接收Vbs 326，并且晶体管328和330以电流镜定向的方式连接在一起。晶体管328的漏极耦合至n型晶体管332的漏极，并且二极管334连接至晶体管332的源极和漏极之间。晶体管332的源极连接至n型晶体管336的漏极，其中n型晶体管336以电流镜定向的方式连接至另一个n型晶体管338。电流源(I1)340位于晶体管336的源极和GND 110之间。电阻器342的一端耦合至晶体管338的漏极以及另一端耦合至n型晶体管344的栅极，其中n型晶体管344在其源极和漏极之间连接有二极管346。另一电阻器348位于晶体管338和346的源极之间。
在反向恢复之后，Vghs 124被进一步增加开关感测电路202所生成的输出信号350。当低侧开关104截止时，开关感测电路204进行操作以感测二极管118何时结束反向恢复。在低侧开关104截止并且在消隐时间的开始期间，SW 128处的电压可以较低但是随着二极管118反向恢复而增加。例如，SW 128处的电压可以在消隐时间的开始处等于-0.7V，并随时间增加到0V。假设V1 347被设置为1.1V，电阻器342和348组合以拉出400mV，并且晶体管336具有0.8V的栅极-源极阈值电压。然后，晶体管336将在SW 128处的电压达到-0.1V时(可以在完成反向恢复时)导通，如以下等式所示：
1.1V–0.4V+0.1V＝0.8V
导通晶体管336导致节点SW 128处检测的电压被提供给Vghs 124作为来自开关感测电路202的输出电压信号350。
在一个实施例中，开关感测电路202不将输出电压350提供给高侧开102直到二极管118的反向恢复完成或近似完成(即，在完成的特定阈值内)。例如，如果节点SW 128在二极管118的反向恢复期间在-0.6V到0.1V的范围内，则开关感测电路202可以被配置为仅在SW 128处于-0.1V(即，反向恢复范围的端点)时导通晶体管336。可选地，一些实施例可以配置开关感测电路202以在SW 128处于-0.3V(即，在反向恢复的结束的特定阈值(例如，1％、2％、3％、5％、10％、15％、20％等)内)时导通。
在一个实施例中，栅极充电电路204分别在p型晶体管352的栅极和源极处接收被反相器400延迟的ON2 212和Vbs 326。随着高侧开关102接近于完全导通，节点SW 128处的电压朝着Vin增加。当SW 128达到Vin的前述完全导通阈值时，栅极充电电路204被配置为向Vghs124提供大电流以完全导通高侧开关102，大幅提升Vghs 124处的电流以完全导通高侧开关102。
参照特定实施例描述了本发明，其中这些实施例在所有方面都是示意性的而非限制性的。关于本发明而不背离其范围的可选实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。
从前面的内容可以看出，本发明很好地得到了上述目标和目的以及系统和方法明显和固有的其他优点。应该理解，可以使用特定特征和子组合而不干扰其他特征和子组合。这包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于操作开关调节器的系统，所述开关调节器包括耦合至低侧开关的高侧开关，所述低侧开关耦合至二极管，所述系统包括：
源极跟随电路，被配置为当所述低侧开关截止时向所述高侧开关的栅极提供电流受限信号；以及
开关感测电路，被配置为感测所述二极管中的反向恢复的完成，并且在所述二极管中的所述反向恢复完成时向所述高侧开关的栅极提供输出信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述源极跟随电路和所述开关感测电路根据时钟信号进行计时。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述源极跟随电路包括电流源，所述电流源限制提供给所述高侧开关的栅极的所述电流受限信号的电流。
4.根据权利要求1所述的系统，其中在所述高侧开关的栅极处接收所述电流受限信号发起导通所述高侧开关以允许被所述高侧开关接收的输入电压从第一晶体管终端传送到第二晶体管终端。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关感测电路被配置为感测所感测的电压，并在所述第二晶体管终端处所感测的电压表示完成所述二极管的所述反向恢复时生成所述输出信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述开关感测电路包括多个晶体管，所述多个晶体管用于在完成所述二极管的所述反向恢复时生成所述输出信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关感测电路被配置为感测所感测的电压，并在所述第二晶体管终端处所感测的电压表示所述二极管具有在阈值电压内的电压时生成所述输出信号，其中所述阈值电压不同于所述二极管的完全反向恢复。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述电流受限信号发起导通所述高侧开关，并且所述开关感测电路的所述输出信号继续导通所述高侧开关。
9.一种用于操作开关调节器的系统，所述系统包括：
高侧开关，接收输入电压；
低侧开关，耦合至所述高侧开关；
二极管，跨所述低侧开关的两个终端耦合；以及
开关感测电路，被配置为感测所述二极管中的反向恢复的完成，并且在完成所述二极管中的所述反向恢复时向所述高侧开关的栅极提供第一输出信号，其中所述输出信号用于使所述高侧开关生成开关输出。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括：源极跟随电路，被配置为向所述高侧开关提供电流受限输出信号以使得所述高侧开关开始提供所述开关输出。
11.根据权利要求9所述的系统，还包括：栅极充电电路，被配置为向所述高侧开关提供第二输出信号，所述第二输出信号的电流大于所述第一输出信号的电流并用于完全导通所述高侧开关。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述栅极充电电路被配置为当所述开关输出在所述输入电压的阈值电压内时提供所述第二输出信号。
13.根据权利要求11所述的系统，还包括：源极跟随电路，被配置为向所述高侧开关的接收所述输出信号的终端提供电流受限输出信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中在所述高侧开关的终端处接收所述电流受限信号开始导通所述高侧开关以允许所述高侧开关接收的输入电压穿过所述高侧开关。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述开关感测电路包括多个晶体管，所述多个晶体管用于在完成所述二极管的所述反向恢复时生成所述输出信号。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关感测电路被配置为在所述二极管具有在阈值电压内的电压时生成所述输出信号，其中所述阈值电压不同于所述二极管的完全反向恢复。
17.一种用于操作开关调节器的系统，所述开关调节器包括耦合至低侧开关的高侧开关，所述低侧开关耦合至二极管，所述系统包括：
源极跟随电路，被配置为在所述二极管开始完成反向恢复时向所述高侧开关的栅极提供电流受限信号；
开关感测电路，被配置为感测所述二极管中的所述反向恢复的完成，并在完成所述二极管中的所述反向恢复时向所述高侧开关的栅极提供输出信号；以及
栅极充电电路，被配置为在所述二极管的所述反向恢复完成之后向所述高侧开关的栅极提供栅极充电信号，所述栅极充电信号用于使所述高侧开关完全导通。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述低侧开关包括肖特基二极管。
19.根据权利要求17所述的系统，还包括一个或多个时钟信号以同步包含由所述源极跟随电路提供的所述电流受限信号、由所述开关感测电路提供的所述输出信号和由所述栅极充电电路提供的所述栅极充电信号的组中的至少一个。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述栅极充电信号的电流值大于由所述源极跟随电路提供的所述电流受限信号和由所述开关感测电路提供的所述输出信号的电流值。
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