CN110268631A - 用于高侧开关的栅极驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于驱动高侧开关的栅极驱动器电路。栅极驱动器电路包括样本和电平移位电路。样本和电平移位电路连接到高侧开关。栅极驱动器电路还包括取样电容器。取样电容器被配置为对至少一个放大器的输出电压进行取样。栅极驱动器电路另外包括至少一个电压供应。至少一个电压供应连接到至少一个放大器。取样电容器被配置为对高侧开关的栅极电容充电，并且至少一个放大器被配置为限制高侧开关输出电流。

Description

用于高侧开关的栅极驱动器电路
技术领域
本公开涉及基于晶体管的开关，并且更具体地讲，涉及用于高侧开关的栅极驱动器电路。
优先权申请
本申请要求2017年4月10日提交的印度申请No.201711012739的优先权，该申请的内容据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
高侧开关可用于驱动各种负载，因此可用于许多不同的应用中。用于驱动高侧开关的典型系统和方法利用电荷泵。电荷泵是DC至DC转换器，其使用电容器作为储能元件来产生较高或较低电压的电源。关于高侧开关，除了供应用于驱动高侧开关的DC电流之外，还依赖电荷泵供应其他电路部件(诸如放大器)。该方法需要在电荷泵内使用大电容器以供应DC负载电流。如果需要片上集成解决方案，大电容可占用宝贵的表面积。为了解决该问题，一些系统实行外部电容器以供应DC电流。虽然这降低了芯片所需的表面积，但随后包括额外的引脚以连接外部电容器。使用电荷泵设计来驱动高侧开关不利于需要减小芯片尺寸的情况或成本敏感并因此需要减少的引脚数量的情况。另外，使用电荷泵设计不利于需要尽可能少的外部部件(诸如，外部电容器)的情况，因为外部部件也増加了整体材料单(BOM)和成本。
一般来讲，高侧开关包括三个主要元件：导通元件、栅极控制块和输入逻辑块。导通元件通常为晶体管，其通常为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或横向扩散的金属氧化物半导体晶体管(LDMOS)。LDMOS晶体管被认为是MOSFET的一种类型。导通元件在线性区域中操作以将电流从电源导通到负载。栅极控制块向导通元件的栅极提供电压以将其切换为“开”或“关”。输入逻辑块解释开/关信号并触发栅极控制块以将导通元件切换为“开”或“关”。
图1为用于驱动高侧开关的已知系统和方法的电路级示意图。如图所示，电荷泵2连接到电流控制器4。电流控制器4包括放大器6和晶体管10。此处，所用的晶体管10为p沟道金属氧化物半导体(pMOS)。电流控制器4由电荷泵2供应，并且基于由电流控制器输入引脚产生的电压差来控制输出。放大器6的正供电轨由电荷泵2供电，并且放大器6的负供电轨由供电电压8供电。电流感测电阻器12连接在电荷泵2和放大器6之间。电流感测FET14连接在放大器6和输出引脚18之间。高侧开关FET 16具有连接到电荷泵2的漏极侧，栅极侧经由晶体管10连接到放大器6的输出端，并且源极侧连接至输出引脚18。输出引脚18用于将系统连接到电路负载20。另外，电阻器32连接在高侧开关FET 16的栅极侧和源极侧之间。电路还包括时钟发生器22。电阻器24连接在电荷泵2和放大器6之间。电路还包括负载基准26。另外如图所示，当高侧开关FET 16被关闭时，FET 28与电阻器30串联连接。
仍参见图1，电荷泵2由于其与放大器6和高侧开关FET 16的连接而需要传送显著的输出电流。当电路负载20很大时，用放大器6获取完整的VGS可能是困难的。因此，电荷泵2包括相对大的电容器，使得难以将图1的电路集成到单个芯片上。如果大电容器位于外部，则需要额外的引脚，并且任何外部电容器可増加BOM成本，从而増加整个系统的成本。
因此，需要一种用于驱动高侧开关的改进的系统和方法。
发明内容
前述需求通过当前公开的用于驱动包括取样和电平移位电路的高侧开关的系统和方法来满足。
本发明公开了一种用于驱动高侧开关的示例性栅极驱动器电路。栅极驱动器电路包括样本和电平移位电路。样本和电平移位电路连接到高侧开关。栅极驱动器电路还包括取样电容器。取样电容器被配置为对至少一个放大器的输出电压进行取样。栅极驱动器电路另外包括至少一个电压供应。至少一个电压供应连接到至少一个放大器。取样电容器被配置为对高侧开关的栅极电容充电，并且至少一个放大器被配置为限制高侧开关输出电流。
本发明公开了一种用于驱动高侧开关的示例性方法。该方法包括向至少一个放大器供应至少一个电压。此外，该方法包括经由至少一个放大器来限制高侧开关的输出电流。该方法另外包括对至少一个放大器的输出电压进行取样。取样电容器被配置用于输出电压的取样。该方法包括对至少一个放大器的输出电压进行电平移位。另外，该方法包括使用取样电容器对高侧开关的栅极电容充电。
附图说明
图1为用于驱动高侧开关的已知系统和方法的电路级示意图。
图2为根据本公开的用于驱动高侧开关的系统和方法的一个实施方案的电路级示意图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方案之前，应当理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或在以下附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施方案，并且能够以各种方式实践或实施。另外，应当理解，本文所用的措辞和术语是出于说明的目的，并且不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用旨在涵盖其后所列的项目及其等同物以及附加的项目。除非另外指明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型广义地使用并包括直接和间接安装、连接、支撑以及联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理连接或机械连接或联接。
呈现以下讨论以使得本领域的技术人员能够制造和使用本发明的实施方案。对所示实施方案的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且本文的一般原理可应用于其他实施方案和应用而不脱离本发明的实施方案。因此，本发明的实施方案并非旨在限于所示的实施方案，而是应符合本文所公开的原理和特征的最广泛范围。以下具体实施方式将结合附图进行阅读，其中不同附图中的类似元件具有类似的附图标号。这些附图未必按比例绘制，其示出了所选择的实施方案，并且不旨在限制本发明的实施方案的范围。技术人员将认识到，本文提供的示例具有落入本发明实施方案范围内的许多有用的另选方案。
本公开的实施方案提供了用于驱动用于选择性地向输出负载提供电力的高侧开关的系统和方法。
图2为根据本公开的用于驱动高侧开关的系统和方法的一个实施方案的电路级示意图。在一个实施方案中，可提供样本和电平移位电路40。样本和电平移位电路40可连接到放大器42的输出端。放大器42的输入端可连接到放大器44的输出端。放大器42可连接到电压供应46。此外，放大器44可连接到电压供应48。样本和电平移位电路40可包括多个开关50、52、54、56。样本和电平移位电路40还可包括取样电容器58。另外，样本和电平移位电路40可包括场效应晶体管(FET)60。电压供应48可连接到电阻器62，并且电阻器62可与晶体管64串联连接。样本和电平移位电路40的一个输出端可连接到晶体管64的源极侧。另外，相同的输出端可连接到高侧开关70的源极侧和输出引脚72。
在一个非限制性示例中，如图2所示，高侧开关70可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)或n沟道横向扩散的金属氧化物半导体晶体管(nLDMOS晶体管)。nLDMOS晶体管被认为是nMOS晶体管的一种类型。在某些情况下，使用不同类型的晶体管可能是有益的。样本和电平移位电路40的另一个输出端可连接到高侧开关70的栅极侧。高侧开关70的漏极侧可连接到电压供应48。高侧开关70可与电阻器62并联连接，该电阻器62与晶体管64串联连接。电路还可包括将电压供应48连接到放大器44的输入端的电阻器66。电阻器62可将电压供应48连接到放大器44的另一个输入端。电阻器66可连接到负载基准68。输出引脚72可连接到电路负载74。在某些非限制性实施方案中，可包括低侧开关并将其连接到输出引脚72，使得高侧开关70和低侧开关构成半桥配置。
仍然参见图2，样本和电平移位电路40可消除在驱动高侧开关70时对电荷泵的需要。取样电容器58可对放大器42的输出端处的电压进行取样。然后，取样电容器58可用于对高侧开关70的栅极侧电容充电。对栅极侧电容充电可使高侧开关70“打开”。在一个非限制性实施方案中，当高侧开关70“打开”时，可向电路负载74供应输入电压。
在另一个非限制性实施方案中，高侧开关70的栅极电容可用作保持电容器。因此，保持电容器可能不需要DC负载。样本和电平移位电路40可不提供任何DC电流。
在某些非限制性实施方案中，电压供应46、48可向放大器42、44供应固定电压，而不是具有电荷泵功率放大器。另选地，电压供应46、48可向放大器42、44供应变化的电压。在一个非限制性实施方案中，电压供应46、48可以配置成在预先确定的时间上增加相应的供电电压(即斜坡电压)。放大器42、44可用作短路电流控制器。在某些情况下，使用不同的放大器配置或不同类型的放大器可能是有益的。在某些情况下，将运算放大器用于放大器42、44可能是有益的。在某些情况下，包括放大器42、44可能是有益的，放大器42、44被配置为在从供电电压48下降到低于供电电压48几伏的共模电压范围内工作。放大器42、44可被具体设计为处理高输入共模电压以及低输出共模电压。
在某些情况下，包括提供3.3伏特的电压供应46、48可能是有益的。另选地，电压供应46、48可以供应任何其他预先确定的电压电平，包括12伏和14伏。在某些情况下，将车辆电池用于电压供应46、48中的至少一者可能是有益的。在某些情况下，电压供应46、48中的至少一者具有4.5伏至60伏范围内的供电电压可能是有益的。
在一些非限制性实施方案中，电阻器62可为电流感测电阻器。另外，晶体管64可以是电流感测FET。
在一个非限制性实施方案中，所公开的系统可以是单个芯片上的集成电路。集成电路可以使用如图1所示的电荷泵系统使用的芯片表面积的1/3。另选地，所公开的系统可以使用最多99％的如图1所示的电荷泵系统所使用的芯片表面积。在某些情况下，在单个芯片上的集成电路内具体地包括取样电容器58可能是有益的。在一个非限制性实施方案中，取样电容器58可以小于与图1所示的电荷泵系统相关联的电容器。在一些非限制性实施方案中，取样电容器可在2pF至250pF的电容范围内。
在一个非限制性实施方案中，本公开所包括的引脚的数量可以小于如图1所示的电荷泵系统所包括的引脚的数量。在一个非限制性示例中，本公开可以包括比如图1所示的电荷泵系统少一个引脚的引脚。在另一个非限制性示例中，本公开可以包括比如图1所示的电荷泵系统少最多三个引脚的引脚。
放大器42可由电压供应46供电。类似地，放大器44可由电压供应48供电。在一些情况下，使电压供应46、48中的至少一者供应固定电压可能是有益的。
本领域的技术人员应当理解，虽然上文结合具体实施方案和示例对本发明进行了描述，但本发明并不一定如此限制，并且许多其他实施方案、示例、使用、修改以及对这些实施方案、示例和使用的脱离旨在被所附权利要求书所涵盖。本文引用的每个专利和出版物的全部公开内容通过引用方式并入本文，如同每个此类专利或出版物通过引用单独地并入本文一样。在以下权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (23)

1.一种用于驱动高侧开关的栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括：
样本和电平移位电路，所述样本和电平移位电路连接到所述高侧开关；
取样电容器，所述取样电容器被配置为对至少一个放大器的输出电压进行取样；和
至少一个电压供应，所述至少一个电压供应连接到所述至少一个放大器；
其中：所述取样电容器被进一步配置为对所述高侧开关的栅极电容充电；并且
所述至少一个放大器被配置为限制高侧开关输出电流。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述高侧开关为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动器电路，还包括电路负载，所述电路负载连接到所述nMOS晶体管的源极侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的栅极驱动器电路，其中所述至少一个放大器被配置为在第二电压至所述电压供应的共模电压范围内工作，所述第二电压小于所述电压供应。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的栅极驱动器电路，其中所述取样电容器在2pF至250pF的电容范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的栅极驱动器电路，其中所述栅极驱动器电路为单个芯片上的集成电路。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的栅极驱动器电路，还包括与晶体管串联连接的电流感测电阻器，其中所述电流感测电阻器和所述晶体管与所述高侧开关并联连接。
8.一种用于驱动高侧开关的方法，所述方法包括：
向至少一个放大器供应至少一个电压；
通过至少一个放大器来限制所述高侧开关的输出电流；
利用取样电容器对所述至少一个放大器的输出电压进行取样，所述取样电容器被配置用于所述输出电压的所述取样；
电平移位所述至少一个放大器的所述输出电压；以及
使用所述取样电容器对所述高侧开关的栅极电容充电。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述高侧开关打开时向负载供应输入电压。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其中所述高侧开关为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将电路负载连接到所述nMOS晶体管的源极侧。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，还包括在第二电压至供应所述至少一个电压的电压供应的共模电压范围内操作所述至少一个放大器，所述第二电压小于所述电压供应。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述取样电容器在2pF至250pF的电容范围内。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中步骤由单个芯片上的集成电路进行。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，还包括提供与晶体管串联连接的电流感测电阻器，其中所述电流感测电阻器和所述晶体管与所述高侧开关并联连接。
16.一种电路，包括：
高侧开关；和
栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路用于驱动高侧开关，所述栅极驱动器电路包括：
样本和电平移位电路，所述样本和电平移位电路连接到所述高侧开关；
取样电容器，所述取样电容器被配置为对至少一个放大器的输出电压进行取样；和
至少一个电压供应，所述至少一个电压供应连接到所述至少一个放大器；其中：
所述取样电容器还被配置为对所述高侧开关的栅极电容充电；并且
所述至少一个放大器被配置为限制高侧开关输出电流。
17.根据权利要求16所述的栅极驱动器电路，其中所述高侧开关为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)。
18.根据权利要求17所述的栅极驱动器电路，还包括电路负载，所述电路负载连接到所述nMOS晶体管的源极侧。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的栅极驱动器电路，其中所述至少一个放大器被配置为在第二电压至所述电压供应的共模电压范围内工作，所述第二电压小于所述电压供应。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的栅极驱动器电路，其中所述取样电容器在2pF至250pF的电容范围内。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的栅极驱动器电路，其中所述栅极驱动器电路为单个芯片上的集成电路。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的栅极驱动器电路，还包括与晶体管串联连接的电流感测电阻器，其中所述电流感测电阻器和所述晶体管与所述高侧开关并联连接。
23.一种微控制器，所述微控制器包括根据权利要求16至22中的任一项所述的栅极驱动器电路。
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