CN106209045A - 使用电容隔离的固态继电器 - Google Patents

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Abstract

振荡器提供具有部分根据接收的电流确定的频率的时钟信号，传送侧充电泵耦合到该时钟信号并升高提供给充电泵的电压生成上升电压；驱动器电路驱动具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压的传送信号给电容隔离通信路径。接收侧充电泵耦合到该隔离通信路径的隔离电容器并升高在隔离通信路径的接收侧的接收的信号的电压并将具有上升电压的栅极信号提供给至少一个晶体管的栅极。

Description

使用电容隔离的固态继电器
技术领域
本发明涉及固态继电器且更具体地涉及使用隔离通道用于实施固态继电器。
背景技术
在许多应用中已经使用固态继电器(SSR)来代理机械继电器。传统地，固态继电器已经使用光隔离来在跨越隔离势垒实现传送。图1示出了传统的基于光学的固态继电器101。在固态继电器101的传送侧或接收侧没有电源可用。反而，固态继电器101接收导通发光二极管103的电流102。发出的光导通光二极管105，其导通场效应管(FET)107。因此，电流102控制FET 107的操作。当电流102导通时，FET 107导通，且当电流关闭时，FET关闭。典型地，FET 107位于具有光二极管的晶粒(die)上，是由于低功率可用于驱动FET。基于光的固态继电器，例如图1中示出的，由于光分量不足而传送低功率并具有高范围的温度变化。这样的基于光的固态继电器还倾向具有取决于FET 107的尺寸的慢的导通时间(例如＞1ms)，因为给予跨越隔离通道相同传送功率，较大的FET会更慢导通。
发明内容
期望跨越隔离势垒传送更多功率以提供更快的启动时间和提供驱动比传统基于光的方式更大的栅极负载的能力。
因此，在一个实施方式中，装置包括一种装置，包括第一晶粒和通过电容隔离通信通道耦合到该第一晶粒的第二晶粒。所述第一晶粒包括用于提供时钟信号的振荡器，耦合到该时钟信号以生成上升电压的传送侧充电泵，以及耦合到该时钟信号并耦合到该充电泵以驱动指示导通状态的传送信号到电容隔离通信通道的驱动器电路。该传送信号具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压。该驱动器信号响应关闭状态不驱动信号。该第二晶粒包括耦合到该电容隔离通信通道的隔离电容器的充电泵，用于基于在该电容隔离通信通道的接收侧接收的该传送信号的电压升高电压，并用于将基于该上升电压的栅极电压信号提供到第一晶体管的栅极。
在另一实施方式中，方法包括接收用于控制电容隔离通信通道两端的晶体管的导通状态和关闭状态的指示。振荡器提供时钟信号。耦合到该时钟信号的传送侧充电泵生成上升电压。传送信号被提供给该电容隔离通信通道以指示导通状态，该传送信号具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压。响应于该关闭状态，不提供传送信号。该传送信号在该电容隔离通信通道的接收侧被接收。基于该接收的传送信号的电压在耦合到该电容隔离通信通道的隔离电容器的接收侧充电泵中被升高且该充电泵提供上升电压。基于该上升电压的栅极信号被提供给该晶体管的栅极以因此控制该晶体管。
在另一个实施方式中，装置包括振荡器，用于提供具有部分根据指示导通状态的电流确定的频率的时钟信号，由此该电流的增加导致频率增加且该电流降低导致该频率降低。传送侧充电泵耦合到该时钟信号并升高提供给该充电泵的电压以生成上升电压。驱动器电路耦合到该时钟信号以及该充电泵以驱动具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压的传送信号给包括隔离电容器的隔离通信路径。接收侧充电泵耦合到该隔离电容器以升高在对应于该传送信号的接收的信号中存在的电压并将基于该上升电压的栅极信号提供给至少一个晶体管的栅极。
附图说明
通过参考附图可以更好理解本发明，且本领域技术人员可以明白本发明的许多目的、特征和优点。
图1示出了现有技术的基于光的继电器；
图2A示出了根据实施方式的传送侧电路；
图2B示出了根据实施方式的接收侧电路；
图3示出了包含传送侧晶粒和接收侧晶粒的封装的示例；
图4A示出了使用电容隔离的实施方式的另外细节；
图4B示出了充电泵的实施方式的另外细节；
图4C示出了充电泵级的实施方式的另外细节；
图4D示出了实施方式中阳极电流和输出频率之间的基本线性关系；
图5示出了为什么漏极上的瞬变电压会导致FET响应该瞬变导通；
图6示出了用于阻止电压瞬变导通FET的电路；
图7示出了用于阻止电压瞬变导通FET的钳位电路的外部连接的另一视图；
图8示出了用于AC开关负载的用于阻止电压瞬变导通FET的钳位电路的外部连接的另一视图；
图9示出了使用标准CMOS输入而不是电流作为传送侧的控制输入的实施方式；
图10示出了在图9中使用的电流发生器的实施方式；
图11示出了与使用外部电容器控制电流发生器生成的电流相关联的波形。
具体实施方式
图2A示出了用于在固态继电器电路的实施方式中使用的传送侧电路的示例。传送侧电路201接收与输入电流102(图1)类似的输入电流202。输入电流的存在指示导通(ON)状态且输入电流的不存在指示关闭(OFF)状态。电压整流器203使用输入电流生成供应电压。分路整流器保持供应电压在2V且将另外的电流分路到地。供应电压被在传送侧电路中的其他组件使用。在图2A的实施方式中，时钟发生器205生成由充电泵209使用来产生上升电压的时钟信号Ф207。充电泵增大供应电压，例如从2V到14V。驱动器电路215接收该上升电压211作为供应电压并传送基于时钟信号Ф的差分信号到键合线217。在图2A示出的实施方式中，时钟发生器提供固定频率的时钟信号。
参考图2B，键合线217被耦合到接收侧电路220上的隔离电容器221和223。该接收侧包括大寄生电容225和226，其明显降低接收的信号的电压。例如，接收的电压可以从从传送侧201传送的14V信号降低到在节点227处的3V。如果电压之前没有被充电泵209(图2A)升高，则在接收侧可用的电压会明显更小，使得信号更易受各种形式的噪声和干扰的影响。此外，如果之前没有升高电压，则接收电压会太小以致CMOS充电泵不能操作。
接收的电压信号被提供给充电泵231，其将接收的信号升高到更高电压，例如5-10V，用于用作FET 235的栅极驱动信号233。注意FET 235能够在接收侧的内部或外部。FET响应于ON状态被导通以及响应于OFF状态被关闭。在一些应用中，由于用于不同FET应用(例如高电压、低电压、高电流、低电流等)的低成本和更大灵活性，优选是外部FET。在其他应用中，位于接收侧晶粒上的FET可以是优选的。
图2A和2B示出的实施方式比光隔离器实施的优点是示出的实施方式能够与基于光的方式相比在势垒两端传输更多功率。这允许充电时间比基于光的方式相比快多达十倍，导致从电流202开启直到FET 235导通为止所测量的导通时间更快。此外，使用电容隔离与基于光的方式相比提供更低的温度依赖。
图3示出了一实施方式，其中8针脚封装301包裹传送侧晶粒303，例如如图2A示出的，以及接收侧晶粒305，例如如图2B示出的。传送侧晶粒303和接收侧晶粒305通过键合线307耦合。
图4A示出了使用电容隔离实施的固态继电器电路400的实施方式的另外的细节。固态继电器400包括传送晶粒401和接收晶粒402。阳极403接收指示ON状态的电流404，其能够变化，例如从1到15mA。电流404不存在对应于OFF状态。电压从接收的电流404产生，其被调整到2V。带隙电路405提供参考电压406给运算放大器407。运算放大器给电压控制振荡器(VCO)408提供控制信号。随着在阳极403接收的电流增大，提供运算放大器407的正输入的分压器两端的电压增大，导致给VCO的控制信号增大。这使得VCO生成更高频率的时钟信号409。相反，更低的电流导致VCO提供的时钟信号的频率降低。因此，时钟信号的频率随着输入电流而变化。在实施方式中，VCO被实施为环形振荡器，但是也可以使用其他振荡器。耦合到传送晶粒的阳极的电容器充电至2V以生成用于VCO的供应电压。
时钟信号驱动充电泵411。充电泵根据I＝C×V×f操作，其中C是在充电泵中使用的电容，V是电压，以及f是时钟信号Ф409的频率。因此，随着时钟信号Ф的频率增大，充电泵消耗的电流I(其从阳极提供)也增大。注意电流增大的一些也被分压器和VCO消耗，但是主要是充电泵使用增大的电流。因此，输入电流增大振荡器频率增大和增大的频率影响充电泵的电流消耗组合起来用于将供应电压调整到例如2V。随着时钟频率增大，在隔离势垒两端驱动的信号也具有较高频率，使得更多的功率在电容隔离势垒两端被传递。
图4B示出了用于充电泵411的一种实施的示例。充电泵包括多个级450，用于使用时钟信号Ф409及其补码泵送从2V到16V的电压。图4C示出了充电泵级的实施方式的另外细节，其中该级的底部从上一级接收电压且该级的顶部提供电压给下一级。注意图4B和4C示出的充电泵细节仅是一个示例且根据系统需要和处理能力可以使用许多不同的实施。
在实施方式中，时钟信号Ф的频率从在1mA输入电流的8MHz到在15mA输入电流的200MHz变化。阳极电流和输出频率之间的关系基本是线性，如图4D所示。泵送的电压被提供给差分驱动器419，其用具有等于充电泵高电压的幅度和具有范围从4MHz到100MHz(Ф/2)(取决于在阳极的电流)的频率的信号驱动键合线421。充电泵高电压在示出的实施方式中理想是16V但是在操作中由于电路非理想性和充电泵的输出阻抗可以在12V与15V中间变化。传送信号被接收侧接收，其由于寄生电容器和隔离电容器之间的电压分配而具有大约3V的电压。接收侧充电泵电路431将接收的信号升高至10-12V，并生成栅极驱动信号433。由于降低的升压需要(从3V到12V)，可以用更少的级来实施接收侧充电泵。因此，来自开关的隔离电容器的能量被转换成能够给CMOS电路供电并给例如晶体管235(图2)的开关晶体管的栅极充电的输出电压。栅极驱动信号433响应于ON状态导通晶体管(未示出)并响应于OFF状态关闭晶体管。
如上所述，在隔离势垒两端传送的功率量由阳极电流确定，因为传送的信号的频率由阳极电流确定。这使得电容隔离实施方式以类似于光隔离实施的方式工作。在光隔离实施中，更多的电流产生更多的光，这使得更多的功率被传输。在图4A的实施方式中，更多的电流导致更高的频率，这使得更多的功率在电容隔离势垒两端被传递。因此，FET的导通时间与阳极电流线性相关。如果VCO达到其最大频率，则一旦VCO达到其最大频率，钳位电路410吸收任何另外的电流。
时钟停止检测器电路435检测隔离势垒两端的传输何时停止。当时钟被确定已经停止时，在例如10-20微秒的延迟之后，时钟停止检测器电路435驱动信号437给晶体管438以导通该晶体管放电栅极驱动信号433。这确保响应于传送侧停止驱动隔离势垒两端的时钟信号在一延迟之后，栅极电压(其当时钟开启时缓慢上升)快速下降。时钟停止的检测对应于在阳极401的电流停止。弱下拉电阻441(例如大约20MOhms)帮助确保当没有时钟运行时输出栅极驱动电压为零伏。当时钟运行时，时钟停止检测器电路保持信号437为低电平以确保充电泵控制栅极驱动信号433。当固态继电器400在关闭状态中(没有输入电流)时，在接收晶粒上不存在提供栅极驱动信号433的功率。因此，用于充电泵431、时钟停止检测器435和FET 438的功率从在隔离通道两端传送的时钟信号得到。当时钟停止时存储在电容器(未示出)中的功率供应时钟停止检测器以确保当检测到时钟停止时可以放电栅极驱动信号。
图5示出了与在输出端子439上存在的栅极驱动信号驱动的外部FET501相关联的栅极/漏极电容(Cgd)和栅源电容Cgs。由于当固态继电器在关闭状态中在栅极驱动晶粒上不存在功率且因此没有驱动信号433，且高电阻509接地，在漏极突然的电压瞬变(例如从20V到30V)能够导致栅极上的小电压(例如3V)，这可以足以导通FET 501。因此，如图6所示，实施方式通过提供包括电容器602和FET 603的钳位电路来解决这个风险。输入端子601被提供因此外部电容器602能够被耦合在端子601与FET501的漏极节点604之间。如果电压瞬变VD如图6所示发生，则电压VC1出现在输入端子601，其耦合到FET 603的栅极端子。该电压导通FET 603，保证FET 501的栅极保持放电且FET 501不导通。
图7示出了图6示出的DC情况的外部连接，其中在输入晶粒703的阳极上的输入电流701控制耦合到输出晶粒705的一个外部FET 501的栅极信号。在这样的实施方式中，电容器602被耦合在FET 501的漏极节点与C1输入端子之间。C1端子被耦合在图6所示的晶体管603.
图8示出了用于在AC负载被驱动时处理电压瞬变的外部连接的实施方式。在这样的情况中，两个外部FET 803和805由输出晶粒804驱动。使用了两个钳位电路，每个FET用一个来保证在任一FET的漏极的突然电压瞬变不会导致外部FET导通。因此，两个输入针脚C1和C2提供用于将晶体管803和805的各自漏极通过电容器806和807耦合到内部FET(以图6中的FET 603的方式配置)的栅极的能力，以确保在外部晶体管的任一漏极节点出现电压瞬变的情况下保持晶体管803和805的栅极节点放电。
虽然许多应用使用输入电流来指示ON状态和OFF状态且因此何时驱动在隔离通道的另一侧的FET，但是其他应用倾向于标准CMOS输入而不是电流来控制固态继电器。图9示出了这样的实施方式。传送晶粒900包括电流发生器901和固态继电器(SSR)传送电路902，如图2A中示出的，或如图4中示出的传送晶粒401。电流发生器901基于输入端子905的值生成在图2A和4的实施方式中使用的阳极电流904。传送电路可以接收例如2.5-5V的电源电压。当在905的输入是指示OFF状态的零时，电流发生器901不生成电流。当输入是指示ON状态的逻辑1时，则电流发生器901生成该阳极电流。可以在输入端子905和电流发生器901之间使用施密特触发器来降低输入信号的噪声使得电流发生器无意开启或关闭的机会。
虽然电流开/关控制可以在输入端子905上被提供，但是输入端子907可以用于将外部组件连接(或不连接)到生成的电流的控制方面。图10示出了电流发生器901的另外细节。输入端子905控制开关1001。当开关1001闭合时，电流流过晶体管1003和1004，该电流被镜面化通过晶体管1005并作为阳极电流904提供给SSR传送电路902。运算放大器1007接收参考电压Vb(例如在1.2V)并驱动晶体管1004的栅极。大内部电阻1011可以用于在开关闭合时设定最小电流。如果导通时间(TT)端子907保持浮空，则大内部电阻1011将阳极电流控制到最小值。最小电流可以是期望用于例如能够容忍由接收侧晶粒驱动的外部FET的慢导通时间的应用。如果另一方面期望最大电流来提供更快导通时间，则TT端子907可以接地以提供例如10-15mA的最大电流给阳极且内部电阻器1012设定最大电流。此外，外部电阻1015可以用于将生成的电流设定为最小电流(TT浮空)与最大电流(TT接地)之间的任何期望电流。
另一选择是使用耦合到TT端子907的电容器1017。该电容器的作用就像当端子905变高时短路TT端子且当电容器充电时，阳极电流初始增大到内部电阻器1012设定的最大电流。图11示出了当电容器耦合到TT端子907时的阳极电流Iout。电容器电路的时间常数确定当电容器充电时阳极电流有多快稳定到最终电流。最终电流可以由也耦合到TT端子907的外部电阻来确定。使用电容器提供期望的特征，其提供由于较高阳极电流因而较高振荡器(见图4)的频率在导通时的更多功率，以实现接收侧驱动的外部FET的快速导通。因此，接收侧提供给外部FET的栅极电压Vg在其达到稳态电压之前快速上升。在初始导通之后，阳极电流降低到使用更少功率的Ifinal。因而，提供快速瞬态响应但平均功率低于基于光的继电器。
因此，关于使用电容隔离通道的稳态继电器的实施描述了各种方面。这里提出的本发明的描述是示例性的，且不旨在限制如权利要求书中提出的本发明的范围。基于这里提出的描述在不背离权利要求书中提出的本发明的范围的情况下可以对这里公开的实施方式进行其他变化和修改。

Claims (22)

1.一种装置，包括：
第一晶粒，包括，
振荡器，用于提供时钟信号；
耦合到该时钟信号以生成上升电压的传送侧充电泵；
耦合到该时钟信号并耦合到该充电泵的驱动器电路，用于驱动指示导通状态的传送信号到电容隔离通信通道，该传送信号具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压，该驱动器信号响应关闭状态不驱动信号；
通过所述电容隔离通信通道耦合到该第一晶粒的第二晶粒，所述第二晶粒包括，
耦合到该电容隔离通信通道的隔离电容器的充电泵，用于基于在该电容隔离通信通道的接收侧接收的该传送信号的电压升高电压，并用于将基于该上升电压的栅极电压信号提供到第一晶体管的栅极。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述导通状态由接收的电流来确定且当没有接收电流时确定所述关闭状态。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述时钟的频率部分根据所述接收的电流确定，这样所述时钟信号的频率响应于该接收的电流的增大而增大。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，还包括：
耦合到所述栅极电压信号的所述第一晶体管。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括：
第二晶体管,其耦合在具有所述栅极电压信号的节点与接地之间；
时钟停止检测器电路，用于响应于所述接收的信号被停止提供栅极信号以导通所述第二晶体管以给该节点提供接地的放电路径。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，还包括：
第二晶体管,其耦合在具有所述栅极电压信号的节点与接地之间的，该第二晶体管的栅极耦合到输出端子；以及
电容器,其耦合在所述第一晶体管的漏极与该输出端子之间。
7.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其中所述第一晶粒还包括：
电流发生器电路，用于响应于所述第一晶粒的第一输入端子在指示所述导通状态的第一值生成电流并响应于所述第一输入端子在指示所述关闭状态的第二值不提供电流。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一晶粒还包括：
第二输入端子,其耦合到所述电流发生器电路，且其中所述电流的值依据耦合到所述第二输入端子的零或更多个电路。
9.根据权利要求8所述的装置，还包括：
电容器,其耦合到所述第二输入端子，用于使得所述电路初始在第一值，该第一值根据与所述电容器相关联的时间常数降低到第二值，因此用于提供与在所述第二输入端子浮空的情况相比更快的所述第一晶体管的导通，且因此用于提供比所述第一值低的平均电流。
10.根据权利要求8所述的装置，还包括：
耦合到所述第二输入端子的电阻器，所述电流根据该电阻器的值被确定。
11.根据权利要求8所述的装置，其中如果所述第二输入端子是保持浮空的，则所述电流被设定在最小值。
12.一种方法，包括：
接收用于控制电容隔离通信通道两端的晶体管的导通状态和关闭状态的指示；
从振荡器提供时钟信号；
在耦合到该时钟信号的传送侧充电泵中生成上升电压；
将传送信号提供给该电容隔离通信通道以指示该导通状态，该传送信号具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压；
响应于该关闭状态，不提供传送信号；
在该电容隔离通信通道的接收侧接收该传送信号；
基于该接收的传送信号在耦合到该电容隔离通信通道的隔离电容器的接收侧充电泵中升高电压并提供上升电压；以及
提供基于该上升电压的栅极信号给该晶体管的栅极以因此控制该晶体管。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在设置有所述振荡器的传送晶粒的输入端子处接收电流以指示所述导通状态且在该传送晶粒的该输入端子处不接收电流以指示所述关闭状态。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
从设置有所述接收侧充电泵的接收晶粒的输出端子提供所述栅极信号。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于所述关闭状态检测所述传送信号的传输被停止；以及
响应于检测到所述传送信号被停止，提供栅极信号以导通晶体管从而将所述输出端子接地。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括：
响应于指示所述导通状态电流增大而增大所述时钟信号的频率，因而响应于该电流增大所述时钟信号的频率增大；以及
响应于所述电流减小而减小所述时钟信号的频率。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括：
响应于设置有所述振荡器的集成电路的第一输入端子在指示所述导通状态的第一值在电流发生器电路中生成电流，且响应于所述第一输入端子在指示所述关闭状态的第二值提供零电流。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
根据如有什么样的电路元件耦合到所述集成电路的第二输入端子来确定所述电流的特性。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使用耦合到所述第二输入端子的电容器来使得所述电流初始在第一值附近，该第一值根据与所述电容器相关联的时间常数降低到第二值，因此提供与在所述第二输入端子浮空的情况相比更快的所述晶体管的导通，且因此提供比所述第一值低的平均电流。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
使用耦合到所述第二输入端子的电阻器设定所述电流的值。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括通过让所述第二输入端子保持浮空来将所述电流设定到最小值。
22.一种装置，包括：
振荡器，用于提供具有部分根据指示导通状态的电流确定的频率的时钟信号，由此该电流的增加导致该频率增加且该电流降低导致该频率降低；
耦合到该时钟信号的传送侧充电泵，用于升高电压以生成传送侧上升电压；
耦合到该时钟信号并耦合到该充电泵的驱动器电路，用于驱动具有基于该时钟信号的频率和基于该上升电压的电压的传送信号给包括隔离电容器的隔离通信路径；以及
耦合到该隔离电容器的接收侧充电泵，用于升高在对应于该传送信号的接收的信号中存在的电压并将基于该上升电压的栅极信号提供给至少一个晶体管的栅极。
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