CN110138211B - 转换电路 - Google Patents

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Abstract

一种转换电路包含一功率装置及一电压控制开关电路。功率装置包含一第一端点及一第二端点。电压控制电路包含一第一端点、一第二端点及一参考端点，其中第一端点用以接收一第一驱动信号，第二端点耦接至功率装置的控制端，并传输一第二驱动信号以驱动功率装置，参考端点耦接至功率装置的第二端点。流经电压控制切换装置的一电流经控制响应于参考端点的电压电平。

Description

转换电路
技术领域
本申请涉及一种电源供应装置，且特别是有关于一种在电源供应装置中的转换电路。
背景技术
对于目前用于电源转换器的转换电路，供电电压是依据半导体装置可被驱动的额定电压所设计的。因此，需要一个或多个额外的电压调节器来调节系统供电电力以符合转换电路及半导体装置的电压要求。
发明内容
本申请的一些实施例是关于一种转换电路。该转换电路包含具有一第一端点、一第二端点及一控制端点的一功率装置，及一电压控制开关电路，该电压控制开关电路包含具有用以接收一第一驱动信号的一第一端点、耦接于至该功率装置的该控制端点并用以传输一第二驱动信号以驱动该功率装置的一第二端点、以及耦接至该功率装置的第二端点的一参考端点(基准端点)。流经该电压控制开关电路的一电流经控制(以受控方式)响应于该参考端点的一电压电平(电压准位)。
本申请的另一些实施例是关于一种转换电路。该转换电路包含一驱动信号产生器及一电压控制开关电路。该驱动信号产生器用以接收自一电压源的一输入电压，并产生一第一驱动信号。该电压控制开关电路包含用以接收该第一驱动信号的一第一端点、用以输出响应该第一驱动信号的一第二驱动信号的一第二端点及耦接于该驱动信号产生器的一参考端点的一参考端点。流经该电压控制开关电路的一电流经控制(以受控方式)响应于该参考端点的一电压电平。第一驱动信号的一电压电平高于该第二驱动信号的该电压电平。
以上概括性的说明及之后的详细说明都应被理解成作为范例，并且其目的在于提供如本申请的权利要求书所请求保护的方案的更详细的说明。
附图说明
为让本申请内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，对本申请的附图说明如下：
图1为根据本申请一实施例所绘示的一种转换电路的示意图；
图2为根据本申请的一实施例所绘示通道电流对电压控制开关电路的栅极电压的特征曲线的示意图；
图3为根据本申请的另一实施例所绘示的转换电路的示意图；
图4A及图4B为根据本申请的一实施例所绘示的实现箝位电路的示意图；
图5为根据本申请的另一实施例所绘示的转换电路的示意图；
图6A至图6D为根据本申请的一实施例所绘示的电压控制开关电路与功率装置的整合的示意图；以及
图7A及图7B为根据本申请的一实施例所绘示的驱动信号产生器与电压控制开关电路的整合的示意图。
为让本申请的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附的附图标记说明如下：
100：转换电路 143：第二端点
120：驱动信号产生器 144：箝位电路
140：电压控制开关电路 145：参考端点
160：功率装置 Id：通道电流
122：逻辑电路 Vth：临界电压
124：驱动器缓冲器 Vc：箝位电压
VDD：输入电压 ZD1：齐纳二极管
DS1、DS2：驱动信号 D1～Dn：二极管
PWM：脉宽调变信号 T1～Tn：金属氧化物半导体场效晶
ST1：斯密特触发器 体管
UVLO1：欠压锁定电路 R1：电阻器
AND1：与门 Iz：流经箝位电路144的电流
DSx：信号 600a、600b、600c、600d：晶片
PS1：保护信号 610a、610b、610c、610d：基板
141：第一端点 700a、700b：晶片
142：电压控制开关 710a、710b：基板
具体实施方式
本申请所使用的所有词汇具有其通常的意涵。上述的词汇在普遍常用的字典中的定义，在本说明书的内容中包含任一于此讨论的词汇的使用例子仅为示例，不应限制到本申请揭示内容的范围与意涵。同样地，本申请揭示内容亦不仅以于此说明书所示出的各种实施例为限。相反地，本申请旨在覆盖可以包含在由所附的权利要求书限定的本申请的精神和范围内的替代、修改和等效应用。应注意的是，根据行业中的标准实践，图示仅用于理解而未按比例绘制。因此，图示并不意味着限制本申请的实际实施例。实际上，为了清楚讨论，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。尽可能地，在图示和说明书中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分以便更好地理解。
除非另有说明，否则本说明书和专利范围中使用的术语，在本申请的上下文中以及在使用每个术语的特定上下文中具有在本领域中的普通含义。在下文或说明书中的其他地方将讨论用于描述本申请的某些术语，以向本领域一般技术人员提供关于本申请的描述的额外指导。
在本文的描述和其后的所有专利范围中，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性用语，即意指“包含但不限于”。在本文中所使用的“及/或”包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。
术语“耦接”也可以称为“电耦接”，术语“连接”可以称为“电连接”。“耦接”和“连接”也可以用于表示两个或更多元素彼此协作或交互。应当理解，尽管这里可以使用术语“第一”，“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语用于区分一个元素与另一个元素。例如，第一元素可以被称为第二元素，并且类似地，第二元素可以被称为第一元素，而不脱离实施例的范围。
请参照图1。图1为根据本申请一实施例所绘示的一种转换电路100的示意图。如图1所示，转换电路100包含一驱动信号产生器120、一电压控制开关电路140及一功率装置160。驱动信号产生器120包含一逻辑电路122及一驱动器缓冲器124，该驱动信号产生器120用以自一电压源接收一输入电压VDD并产生一驱动信号DS1。
具体来说，输入电压VDD是由逻辑电路122所提供，而驱动器缓冲器124是供应所需电源。在一些实施例中，逻辑电路122是用以根据一脉宽调变(pulse-width modulation,PWM)信号PWM产生驱动信号DS1。
举例而言，如图1所示，逻辑电路122可以包含一斯密特(Schmitt)触发器ST1、一欠压锁定(Under-Voltage Lockout,UVLO)电路UVLO1及一与门AND1。斯密特触发器ST1用以接收脉宽调变信号PWM，并输出一信号DSx，其中信号DSx的值维持为该值，直到输入端点的脉宽调变信号PWM充分改变到足以触发一改变。
欠压锁定电路UVLO1用以监视输入电压VDD并在欠压出现的条件下提供一保护信号PS1。与门AND1耦接于斯密特触发器ST1及欠压锁定电路UVLO1的输入侧，并响应于所接收的多个信号而执行一逻辑与操作(AND operation)以相应地输出驱动信号DS1。驱动信号DS1被传输到耦接于逻辑电路122的驱动器缓冲器124，且驱动器缓冲器124用以通过一输出端点输出驱动信号DS1。
在结构上，电压控制开关电路140包含一第一端点141、一第二端点143及一参考端点145。如图1所示，在一些实施例中，第一端点141耦接至驱动器缓冲器124的输出端点。第二端点143耦接至功率装置160的一控制端点。参考端点145耦接至驱动器缓冲器124的参考端点及功率装置160的一第二端点。
电压控制开关电路140用以通过第一端点141接收驱动信号DS1，并通过第二端点143传输一驱动信号DS2以驱动功率装置160。流经电压控制开关电路140的电流被控制以响应于参考端点145的一电压电平。此外，在一些实施例中，电压控制开关电路140是常通的以响应在参考端点145的一零栅极－源极电压。
例如，如图1所示，在一些实施例中，电压控制开关电路140可以包含一电压控制开关142。电压控制开关142的一漏极耦接至第一端点141。电压控制开关142的一源极耦接至第二端点143。电压控制开关142的一栅极耦接至参考端点145。电压控制开关142可以包含一空乏型金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor,MOSFET)开关装置，以达成响应于参考端点145的零栅极－源极电压的常通操作，但本申请并不以此为限。在一些实施例中，电压控制开关142可以包含其他具有相似通道电流对栅极电压特征曲线的合适的半导体装置以实现电压控制开关142。另外说明，电压控制开关142可以包含一空乏型MOSFET开关装置、一增强型MOSFET开关装置或是其组合。
请参照图2。图2为根据本申请的一些实施例所绘示的通道电流(Id)对电压控制开关电路140的栅极电压(Vg)的特征曲线的示意图。
如图2所示，电压控制开关电路140响应于在参考端点145的零栅极－源极电压是常通的。电压控制开关电路140的临界电压Vth是负的，且电压控制开关电路140是用以在栅极－源极电压小于负临界电压Vth的情况下为关(off)。在在一些实施例中，临界电压Vth是MOSFET开关装置的临界电压。例如，在一些实施例中，常通装置的临界电压介于-0.1伏特与-20伏特之间。
因此，在驱动信号DS1的电压电平高于一特定值的情况下，驱动信号DS2的电压电平响应于电压控制开关电路140的临界电压Vth被电压控制开关电路140所箝位。另外说明，驱动信号DS1的电压电平高于驱动信号DS2的电压电平，因为驱动信号DS2的电压电平被电压控制开关电路140所箝位。
因此，在一些实施例中，驱动信号产生器120可直接从电压源接收具有相对高电平(如12伏特)的相同输入电压VDD，并相应地输出有一高电平的驱动信号DS1。因驱动信号DS2的电压电平被箝位在低于使用电压控制开关电路140，功率装置160能避免来自具有高于安全上限的电压电平的驱动信号造成的损害。因此，在一些实施例中，在驱动信号产生器120降低从电压源接收的输入电压VDD中不需要额外的调节器，且驱动信号产生器120可直接应用系统的电压源。此外，在一些实施例中，静电放电(electrostatic discharge,ESD)造成的高电压也可被电压控制开关电路140所隔离，以保护功率装置160免于受损。
请参照图3。图3为根据本申请的另一些实施例所绘示的转换电路100的示意图。根据图3的实施例，如图1中的元件皆标示相同的附图标记以利理解。在此，除了需介绍的与图3中元件间的相互关系，为简洁起见，将省略相似元件在前面的篇幅已仔细地讨论的具体操作。
与图2中的实施例比较，在图3的转换电路100中，电压控制开关电路140还包含一箝位电路144，其电性耦接于电压控制开关142的栅极与电压控制开关电路140的参考端点之间。如图3所示，在结构上，电压控制开关142的栅极耦接于箝位电路144的一第一端点，且箝位电路144的一第二端点耦接于电压控制开关电路140的参考端点145。
箝位电路144用以箝位横跨箝位电路144的第一端点与第二端点的一电压Vc至一预设电平。例如，如图3所示，在一些实施例中，箝位电路144包含一齐纳二极管ZD1。因此，跨于箝位电路144的第一端点与第二端点的电压Vc被箝位于相应齐纳二极管ZD1的击穿电压的预设电压电平。
因电压Vc被箝位至预设电平，具有一较低临界电压的电压控制开关142被应用以调整驱动信号DS2的电压电平，如此整个电路将能弹性的运作。此外，通过引入箝位电路144以提供箝位电压Vc，具有相同临界电压的电压控制开关142可被应用到具有较高额定电压的功率装置160。因此，箝位电路144的箝位电压Vc被提供以提升功率装置160的额定电压。另外说明，驱动信号DS2的电压电平可以基于箝位电压Vc而被调整，无须超过功率装置160的额定电压。
请一并参照图4A与图4B。图4A及图4B为根据本申请的一实施例所绘示的实现箝位电路144的示意图。如图4A所示，在一些替代的实施例中，箝位电路144可以多个二极管D1～Dn彼此电性耦接实现。如图4B，在一些替代的实施例中，箝位电路144可以多个金属氧化物半导体场效晶体管T1～Tn彼此电性耦接实现。金属氧化物半导体场效晶体管T1～Tn中的一者的栅极电性耦接于金属氧化物半导体场效晶体管T1～Tn中的另一者的源极或漏极。二极管D1～Dn或金属氧化物半导体场效晶体管T1～Tn的数量可以依实际需要调整，且本申请不因图4A和图4B中的例子而受限制。
请参照图5。图5为根据本申请的另一实施例所绘示的转换电路100的示意图。根据图5的实施例，如图1及图3中的元件皆标示相同的附图标记以利理解。在此，除了需介绍的与图1及图3中元件间的相互关系，为简洁起见，将省略相似元件在前面的篇幅已仔细地讨论的具体操作。
与图3中的实施例比较，图5的转换电路100中，电压控制开关电路140还包含一电阻器R1。电阻器R1的第一端点耦接于电压控制开关142的源极，且电阻器R1的第二端点耦接于电压控制开关142的栅极。在一些实施例中，电阻器R1可以MOSFET的导通电阻实现。在一些替代实施例中，电阻器R1可以是电压控制开关142的栅极至源极的漏电流的等效电阻。电阻器R1可以提供一电流路径给流经箝位电路144的电流Iz以保护功率装置160。
在本申请不同的实施例中，功率装置160可以是应用于不同开关电源供应装置的电源开关元件，如为降压转换器、升压转换器、升降压转换器或有电源转换的其他装置。举例来说，功率装置160可以包含一氮化镓(GalliumNitride,GaN)开关装置、一MOSFET开关装置、一绝缘门双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)开关装置、一双极性结型晶体管(bipolar junction transistor,BJT)开关装置、一碳化硅(SiC)开关装置、一继电开关装置或任何这些装置的组合。
请参照图6A至图6D。图6A至图6D为根据本申请的一实施例所绘示的电压控制开关电路140与功率装置160的整合的示意图。
相应于图1中的实施例，如图6A所示，在一些实施例中，常通电压控制开关142及功率装置160在一基板610a上与系统单晶片(System on Chip(SoC)，片上系统)整合或封装在一起以形成晶片600a。如图6B所示，在一些实施例中，常通电压控制开关142及功率装置160在一基板610b上与系统级封装(System in Package,SiP)整合或封装在一起以形成晶片600b。在不同实施例中，系统级封装晶粒可以垂直推迭或水平平铺，并通过固定于封装的线路内部连接。
与图3中的实施例比较，如图6C所示，在一些实施例中，常通电压控制开关142、箝位电路144及功率装置160在一基板610c上与系统单晶片整合或封装在一起以形成晶片600c。如图6D所示，在一些实施例中，常通电压控制开关142、箝位电路144及功率装置160在一基板610d上与系统级封装整合或封装在一起以形成晶片600d。
换言之，在不同实施例中，电压控制开关电路140及功率装置160可以与系统级封装、系统单晶片、3D集成电路等等整合或封装在一起。
请参照图7A及图7B。图7A及图7B为根据本申请的一实施例所绘示的驱动信号产生器120与电压控制开关电路140的整合的示意图。
相应于图1中的实施例，如图7A所示，在一些实施例中，逻辑电路122、驱动器缓冲器124及电压控制开关电路140在一基板710a上与系统单晶片整合或封装在一起以形成晶片700c。如图7B所示，在一些实施例中，逻辑电路122、驱动器缓冲器124及电压控制开关电路140在一基板710b上与系统级封装整合或封装在一起以形成晶片700d。
换言之，在不同实施例中，与应用在电压控制开关电路140及功率装置160相似，在一些实施例中，驱动信号产生器120和电压控制开关电路140可以与系统级封装、系统单晶片、3D集成电路等等整合或封装在一起。
在一些实施例中，驱动信号产生器120、电压控制开关电路140及功率装置160可以与系统级封装、系统单晶片、3D集成电路等等整合或封装在一起，且为简洁的缘故，在这里省略更多的解释。
另外，上述实施例中的元件可以各种的数字或模拟电路实现，也可以不同的集成电路晶片实现。每一个元件也可以整合在一单一晶片中。值得注意的是，在实际的应用中，电路可以一微控制单元(microcontroller unit,MCU)实现，或用不同的方式实现，如一数字信号处理器(digital signal processor,DSP)或可编程式逻辑阵列晶片(field-programmable gate array,FPGA)或机械开关，例如各种类型的继电器。常通开关装置可以是具有类似IV特性的氮化镓晶体管或半导体装置。变压器、二极管、电阻器、电容器单元和/或电感器单元可以通过合适的电子元件实现。以上列表仅是示例性的，并不意味着是对本申请的限制。
综合来说，在本申请的不同实施例中，通过将常通电压控制开关电路140布置于驱动信号产生器120及功率装置160之间，不需要额外的调整电路，且驱动器可以直接应用系统电源，以提供驱动信号供电给半导体装置。更进一步，常通电压控制开关电路140可保护功率半导体装置免受由静电放电引起的高电压的作用。
应注意的是，在不同的实施例中的图示、实施例方式、特征以及电路可以只没有矛盾出现的情况下彼此互相组合。附图中绘示的电路仅是示例并且为了简化和易于理解而简化，但并不意味着限制本申请。
虽然参考本申请的某些实施例已相当详细地描述本申请，但应该理解的是，这些实施例并不旨在限制本申请。对本领域一般技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下在本申请中进行各种调整或变化。从而，如果对本申请的调整或变化落入所附权利要求的范围内，则本申请意在涵盖这些调整或变化。

Claims (16)

1.一种转换电路，包含：
一功率装置，包含一第一端点、一第二端点及一控制端点；以及
一电压控制开关电路，包含：
一第一端点，用以接收一第一驱动信号；
一第二端点，耦接至该功率装置的该控制端点，并用以传输一第二驱动信号以驱动该功率装置；
一参考端点，耦接至该功率装置的该第二端点，其中该第二驱动信号的一电压电平是由该电压控制开关电路所产生；
一电压控制开关，包含：一漏极，耦接至该电压控制开关电路的该第一端点；一源极，耦接至该电压控制开关电路的该第二端点；以及一栅极；
一箝位电路，包含：一第一端点，耦接至该电压控制开关的该栅极；以及一第二端点，耦接至该电压控制开关电路的该参考端点，其中横跨于该箝位电路的该第一端点与该第二端点的一电压被箝位至一预设电平，
其中，该第二驱动信号的该电压电平响应于该电压控制开关电路的一临界电压而被该电压控制开关电路所箝制，
其中，该箝位电路以多个金属氧化物半导体场效晶体管彼此电性耦接实现，该多个金属氧化物半导体场效晶体管中的一者的栅极电性耦接于该多个金属氧化物半导体场效晶体管中的另一者的源极或漏极，而且
该多个金属氧化物半导体场效晶体管中的一者的栅极电性耦接至该电压控制开关的该栅极，该多个金属氧化物半导体场效晶体管中的另一者的栅极电性耦接至该电压控制开关电路的该参考端点。
2.如权利要求1所述的转换电路，其中该第二驱动信号的该电压电平是通过该电压控制开关电路响应于该电压控制开关电路的一参考电压所产生。
3.如权利要求2所述的转换电路，其中该参考电压是由该电压控制开关所产生的一临界电压。
4.如权利要求3所述的转换电路，其中该临界电压介于-0.1伏特至-20伏特。
5.如权利要求1所述的转换电路，其中该电压控制开关包含一常通装置、一常闭装置或其组合。
6.如权利要求1所述的转换电路，其中该箝位电路的一箝位电压被提供以增加该功率装置的一额定电压。
7.如权利要求6所述的转换电路，其中该电压控制开关电路还包含：
一第一电阻器，该第一电阻器的一第一端点耦接至该电压控制开关的该源极，且该第一电阻器的一第二端点耦接于该电压控制开关的该栅极。
8.如权利要求1所述的转换电路，其中该功率装置或该电压控制开关电路包含一氮化镓开关装置、一MOSFET开关装置、一绝缘栅双极晶体管开关装置、一双极性晶体管开关装置、一碳化硅开关装置、一继电器开关装置或其组合。
9.如权利要求1所述的转换电路，其中该电压控制开关电路和该功率装置与系统级封装、系统单晶片或3D集成电路整合或封装在一起。
10.一种转换电路，包含：
一驱动信号产生器，包含一逻辑电路及一驱动器缓冲器，用以接收自一电压源的一输入电压，并产生一第一驱动信号；以及
一电压控制开关电路，包含：
一第一端点，用以接收该第一驱动信号；
一第二端点，用以输出响应该第一驱动信号的一第二驱动信号；以及
一参考端点，耦接至该驱动信号产生器的一参考端点，其中流经该电压控制开关电路的一电流是以受控方式响应于该参考端点的一电压电平；
一电压控制开关，包含：一漏极，耦接至该电压控制开关电路的该第一端点；一源极，耦接至该电压控制开关电路的该第二端点；以及一栅极；以及
一箝位电路，包含：一第一端点，耦接至该电压控制开关的该栅极；以及一第二端点，耦接至该电压控制开关电路的该参考端点，其中横跨于该箝位电路的该第一端点与该第二端点的一电压被箝位至一预设电平；
其中该第一驱动信号的一电压电平高于该第二驱动信号的该电压电平；
其中该第二驱动信号的该电压电平响应于该电压控制开关电路的一临界电压而被该电压控制开关电路所箝制。
11.如权利要求10所述的转换电路，其中该电压控制开关包含一常通装置、一常闭装置或其组合。
12.如权利要求11所述的转换电路，其中该常通装置的一临界电压介于-0.1伏特至-20伏特。
13.如权利要求10所述的转换电路，其中该电压控制开关电路还包含：
一第一电阻器，该第一电阻器的一第一端点耦接至该电压控制开关的该源极，且该第一电阻器的一第二端点耦接至该电压控制开关的该栅极。
14.如权利要求10所述的转换电路，其中该箝位电路包含一齐纳二极管、多个彼此电性耦接的二极管或是多个彼此电性耦接的金属氧化物半导体场效应晶体管。
15.如权利要求10所述的转换电路，其中该驱动器缓冲器的一参考端点耦接于该电压控制驱动电路的该参考端点，且该驱动器缓冲器用以通过耦接于该电压控制开关电路的该第一端点的一输出端点输出该第一驱动信号。
16.如权利要求10所述的转换电路，其中该电压控制开关电路和该驱动信号产生器与系统级封装、系统单晶片或3D集成电路整合或封装在一起。
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