CN110474531A - 驱动电路、驱动方法及集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电容变换器及其驱动电路，通过分时控制给不同功率开关的驱动器供电，使得仅需一个自举电容便可以将所有功率开关进行驱动，且在每个功率开关都不共地时，也能够保证每个驱动器的驱动电压相同，这简化了开关电容变换器的驱动控制，减少了驱动元件的数量，从而节约电路成本。

Description

驱动电路、驱动方法及集成电路
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种应用于开关电容变换器中的驱动电路、驱动方法及集成电路。
背景技术
开关电容变换器由于具有输入电流小，没有大尺寸功率电感，开关管电压应力低，且效率高等优点，被广泛用于手机等移动设备的快充技术。
如图1所示，单相开关电容变换器包含四个开关管，由于每个开关管的电位不同，四个开关管都需要独立的驱动器。开关管的驱动器11需要提供较大的驱动电流，因此传统的开关电容变换器IC需要外置三颗自举电容。更大功率的两相开关电容变换器由于开关管增加，需要更多的自举电容。外置电容的增加需要IC提供更多的PIN脚，给IC的小型化带来不便；同时在手机等小型设备中应用也带来不便，不利于系统的集成化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种驱动电路、驱动方法及集成电路，以解决现有技术中，由于自举电容多而不利于集成的问题。
第一方面，提供一种驱动电路，用于驱动开关电容变换器，其特征在于，所述驱动电路包括：
第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，被配置为根据对应的控制信号分别驱动所述开关电容变换器中依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；
自举供电电路，包括自举电容，所述自举供电电路被配置为分时地为所述第一驱动器、第二驱动器以及第三驱动器供电；
供电电源，被配置为为所述第四驱动器供电，且为所述自举电容充电，其中，所述第四功率开关接地。
优选地，所述开关电容变换器的飞跨电容的一端连接在所述第一功率开关以及第二功率开关的公共节点，另一端连接在所述第三功率开关以及第四功率开关的公共节点，所述第一功率开关以及第三功率开关同时导通，所述第二功率开关以及第四功率开关同时导通，且导通时间互不重叠。
优选地，所述自举供电电路在一个工作周期中的第一时间段的一部分时间同时为所述第一驱动器以及第三驱动器供电。
优选地，所述自举供电电路在一个工作周期中的第二时间段的一部分时间为所述第二驱动器供电。
优选地，所述自举供电电路在一个工作周期中的所述第一时间段的另一部分时间，以及所述第二时间段的另一部分时间由所述供电电源为所述自举电容充电。
优选地，所述自举电容的第一端与所述第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的高压端相连，所述自举电容的第二端可选择地连接到所述第一驱动器的低压端或地。
优选地，所述自举电容分别通过一箝位电路与所述第二驱动器以及第三驱动器连接，所述箝位电路用以将所述第二驱动器以及第三驱动器的输出电压箝位在预定值，且所述预定值与所述供电电源相等。
优选地，当所述自举供电电路为所述第一驱动器以及第三驱动器供电，或者为所述第二驱动器供电时，所述自举电容的第二端连接至所述第一驱动器的低压端；当所述供电电源为所述自举电容充电时，所述自举电容的第二端连接至地。
优选地，所述自举供电电路包括一开关电路，用以切换所述自举电容的第二端的连接，所述开关电路包括第一开关以及第二开关，所述第一开关连接在所述自举电容的第二端与第一驱动器的低压端之间，所述第二开关连接在所述自举电容的第二端与地之间。
优选地，当所述第一开关导通时，所述箝位电路相对于所述第三驱动器的低压端的输入电压为所述自举电容两端的电压与所述飞跨电容两端的电压之和。
优选地，当所述第一开关导通时，所述箝位电路相对于所述第三驱动器的低压端的输入电压为所述自举电容两端的电压。
第二方面，提供一种集成电路，应用于开关电容变换器，其特征在于，所述集成电路包括：
上述的驱动电路。
第三方面，提供一种驱动方法，用于驱动开关电容变换器，其特征在于，所述驱动方法包括：
利用第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，根据对应的控制信号分别驱动所述开关电容变换器中依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；
其中，利用自举供电电路分时地为所述第一驱动器、第二驱动器以及第三驱动器供电，其中所述自举供电电路包括自举电容；
利用供电电源为所述第四驱动器供电，且为所述自举电容充电，其中，所述第四功率开关接地。
优选地，所述开关电容变换器的飞跨电容的一端连接在所述第一功率开关以及第二功率开关的公共节点，另一端连接在所述第三功率开关以及第四功率开关的公共节点，所述第一功率开关以及第三功率开关同时导通，所述第二功率开关以及第四功率开关同时导通，且导通时间互不重叠。
优选地，，所述自举供电电路在一个工作周期中的第一时间段的一部分时间同时为所述第一驱动器以及第三驱动器供电。
优选地，所述自举供电电路在一个工作周期中的第二时间段的一部分时间为所述第二驱动器供电。
优选地，所述自举供电电路在一个工作周期中的所述第一时间段的另一部分时间，以及所述第二时间段的另一部分时间由所述供电电源为所述自举电容充电。
本发明技术通过，在一个工作周期中的第一时间段的一部分时间同时为第一驱动器以及第三驱动器供电；在一个工作周期中的第二时间段的一部分时间为第二驱动器供电。另外，在一个工作周期中的第一时间段以及第二时间段的另一部分时间由供电电源为自举电容CBST充电。并由供电电源为第四驱动器供电，最终使得所有驱动器的驱动电压均为同一电压。由此，本发明通过分时地控制给功率开关的驱动器供电，使得仅需一个自举电容便可以将所有功率开关进行驱动，在每个功率开关都不共地时，也能够保证每个驱动器的驱动电压相同，这简化了开关电容变换器的驱动控制，减少了驱动元件的数量，从而节约电路成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术的开关电容变换器的结构框图；
图2为本发明实施例的驱动电路的电路图；
图3为本发明实施例的箝位电路的一个电路图。
图4为本发明实施例的开关电容变换器的工作波形图；
图5为本发明实施例的开关电容变换器在第一时间段内的工作示意图；
图6为本发明实施例的开关电容变换器在第一时间段内的另一个工作示意图；
图7为本发明实施例的开关电容变换器在第二时间段内的工作示意图；
图8为本发明实施例的开关电容变换器在第二时间段内的另一个工作示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2为本发明实施例的驱动电路的电路图。如图2所示，本申请实施例的开关电容变换器包括驱动电路21、功率开关Q1-Q4、飞跨电容Cf、和输出电容Co。在本实施例中，功率开关Q1-Q4采用金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。但是，其它类型的电控开关器件，例如，双极性晶体管(BJT)以及绝缘栅型晶体管(IGBT)也均可以作为本实施例的开关。具体地，功率开关Q1-Q4依次串联连接在输入端口的第一端和第二端(也即接地端)之间。飞跨电容Cf的一端连接在所述第一功率开关Q1以及第二功率开关Q2的公共节点，另一端连接在所述第三功率开关Q3以及第四功率开关Q4的公共节点。
在本发明的实现方式中，开关电容变换器的所述第一功率开关Q1以及第三功率开关Q3同时导通，所述第二功率开关Q2以及第四功率开关Q4同时导通，且这两段导通时间互不重叠。进一步地，第一功率开关Q1和第三功率开关Q3的控制信号VG1和VG3的占空比相等，第二功率开关Q2和第四功率开关Q4的控制信号VG2和VG4的占空比也相等。
驱动电路21包括第一驱动器U1、第二驱动器U2、第三驱动器U3、第四驱动器U4和自举供电电路211以及供电电源212。其中，第一驱动器U1、第二驱动器U2、第三驱动器U3、第四驱动器U4被配置为根据功率开关Q1-Q4的驱动逻辑信号生成控制信号VG1-VG4，以分别驱动控制依次串联连接的功率开关Q1-Q4。
自举供电电路211包括自举电容CBST，被配置为分时地为第一驱动器U1、第二驱动器U2以及第三驱动器U3供电。更进一步地，自举供电电路211在一个工作周期中的第一时间段T1的一部分时间同时为第一驱动器U1以及第三驱动器U3供电；自举供电电路211在一个工作周期中的第二时间段T2的一部分时间为第二驱动器U2供电。另外，自举供电电路211在一个工作周期中的第一时间段T1的另一部分时间，以及第二时间段T2的另一部分时间由供电电源212为自举电容CBST充电。
供电电源212，被配置为为第四驱动器U4供电，且为自举电容CBST充电，其中，第四功率开关Q4接地。由于第四功率开关Q4的一端接地，所以其驱动较为方便，只要将第四驱动器U4的低压端接地，在高压端提供一驱动电压即可，这样在控制信号VG4为有效信号时，第四驱动器U4便可以输出所述驱动电压以驱动第四功率开关Q4。在一个优选实施例中，供电电源212可以采用线性稳压器(LDO)来实现。
具体地，自举供电电路211中，自举电容CBST并联连接在第一驱动器U1的高压端与低压端之间，且同时与第二驱动器U2以及第三驱动器U3的高压端连接。
进一步地，自举供电电路211还包括一开关电路2111，用以实现对自举电容CBST的一端的连接点的切换，开关电路2111包括第一开关K1以及第二开关K2，具体地，第一开关K1连接在自举电容CBST的一端与第一功率开关Q1以及第二功率开关Q2的公共节点之间，K2第二开关连接在自举电容CBST的一端与地之间。当自举供电电路211为第一驱动器U1以及第三驱动器U3供电，或者为第二驱动器U2供电时，自举电容CBST的一端切换至与第一功率开关Q1以及第二功率开关Q2的公共节点连接；当供电电源212为自举电容CBST充电时，自举电容CBST的一端连接至地。
更进一步地，自举供电电路211还包括箝位电路2112。具体地，自举电容CBST分别通过一箝位电路2112与第二驱动器U2以及第三驱动器U3的高压端连接。由于第二功率开关Q2以及第三功率开关Q3的电位不同，所以，与之相对应的第二驱动器U2以及第三驱动器U3的低压端的电位也不同，故需要在通过箝位电路2112将第二驱动器U2以及第三驱动器U3的输出电压箝位在预定值，所述预定值为满足第二功率开关Q2以及第三功率开关Q3驱动要求的驱动电压。
图3为本发明实施例一个优选的箝位电路的电路图。如图3所示，箝位电路2112包括二极管D1、晶体管M1、稳压二极管DZ以及电阻R。具体地，二极管D1的阳极与自举电容CBST连接，阴极与晶体管M1的一个功率端连接，晶体管M1的另一个功率端连接至驱动器的高压端，电阻R的一端连接至二极管D1的阳极，另一端连接至晶体管M1的控制端，稳压二极管DZ的阴极连接至晶体管M1的控制端，阳极连接至驱动器的低压端。
这里，可以理解的是，由于自举电容CBST并联连接在第一驱动器U1的高压端与低压端之间，在控制信号VG1为有效信号时，第一驱动器U1便可以输出自举电容CBST两端的电压以驱动第一功率开关Q1，所以，第一驱动器U1不需要通过箝位电路2112来调节驱动电压。
可见，驱动电路21在一个工作周期中的第一时间段T1的一部分时间同时为第一驱动器U1以及第三驱动器U3供电；在一个工作周期中的第二时间段T2的一部分时间为第二驱动器U2供电。另外，在一个工作周期中的第一时间段T1以及第二时间段T2的另一部分时间由供电电源212为自举电容CBST充电。并由供电电源212为第四驱动器U4供电，最终使得驱动器U1-U4的驱动电压均为同一电压。
由此，本实施例可以通过分时控制给功率开关Q1-Q4的驱动器U1-U4供电，使得仅需一个自举电容便可以将功率开关Q1-Q4进行驱动，在每个功率开关都不共地时，也能够保证每个驱动器的驱动电压相同，这简化了开关电容变换器的驱动控制，减少了驱动元件的数量，从而节约电路成本。
图4为本发明实施例的开关电容变换器的工作波形图，下面结合该波形图，来具体阐述本发明的开关电容变换器的工作过程。
图5为本发明实施例的开关电容变换器在第一时间段T1内的一段时间(前半段)的工作示意图。在该阶段，功率开关Q1-Q4对应的驱动逻辑信号VG1＝1、VG2＝0、VG3＝1、VG4＝0，在本实施例中，以1为有效，0为无效为例。图中，虚线为驱动电路为驱动器供电路径，点划线为开关电容变换器功率路径。
如图5所示，开关电路2111中的开关K1受控于控制信号V1，此时控制信号V1为高电平，故开关K1导通，使得自举电容CBST的一端连接至第一驱动器U1的低压端。自举电容CBST两端的电压给第一功率开关Q1的第一驱动器U1供电，第一驱动器U1生成有效的控制信号驱动控制第一功率开关Q1导通。由于一般情况下，飞跨电容Cf的两端电压为1/2Vin，在本阶段中，第一功率开关Q1导通，飞跨电容Cf的第一端的电压为Vin，则第二端的电压为1/2Vin。此时，第三功率开关Q3的驱动逻辑信号VG3＝1，第三功率开关Q3的第三驱动器U3的驱动电源由自举电容CBST通过箝位电路2112提供。此时第三驱动器U3的低压端为1/2Vin，自举电容CBST的第一端电压为自举电容CBST两端的电压与Vin的和，因此此时箝位电路2112的输入电压为自举电容CBST两端的电压与飞跨电容Cf上电压的和，此时箝位电路2112通过线性稳压的方式将其输出降低到第三驱动器U3可接受的工作电压或者等于自举电容CBST两端的电压。在第一功率开关Q1以及第三功率开关Q3导通时，输入电压Vin经Q1-Cf-Q3-Vo为负载LOAD供电。
图6为本发明实施例的开关电容变换器在第一时间段T1内的另一段时间(后半段)工作示意图。在该阶段，功率开关Q1-Q4对应的驱动逻辑信号较前一阶段不变，只是开关电路2111中的开关K2受控于控制信号V2，此时控制信号V2为高电平，故开关K2导通，使得供电电源212与自举电容CBST的连接通路接通，从而供电电源212为自举电容CBST充电。与此同时，第一驱动器U1以及第三驱动器U3靠内置电容C1以及C3维持驱动电压。
图7为本发明实施例的开关电容变换器在第二时间段T2内的一段时间(前半段)的工作示意图。在该阶段，功率开关Q1-Q4对应的驱动逻辑信号VG1＝0、VG2＝1、VG3＝0、VG4＝1，在本实施例中，以1为有效，0为无效为例。图中，虚线为驱动电路为驱动器供电路径，点划线为开关电容变换器功率路径。
如图7所示，开关电路2111中的开关K1受控于控制信号V1，此时控制信号V1为高电平，故开关K1导通，使得自举电容CBST的一端连接至第一驱动器U1的低压端。自举电容CBST两端的电压通过箝位电路2112给第二功率开关Q2的第二驱动器U2供电，第二驱动器U2生成有效的控制信号驱动控制第二功率开关Q2导通。由于一般情况下，飞跨电容Cf的两端电压为1/2Vin，在本阶段中，第四功率开关Q4的驱动逻辑信号VG4＝1，第四功率开关Q4导通，飞跨电容Cf的第二端的电压为0，则第一端的电压为1/2Vin，即第二驱动器U2的低压端的电压为1/2Vin。而自举电容CBST第一端的电压为自举电容CBST两端的电压与1/2Vin的和，因此此时箝位电路2112的输入电压为自举电容CBST两端的电压，箝位电路2112通过线性稳压的方式将其输出降低到第三驱动器U3可接受的工作电压或者等于自举电容CBST两端的电压。
在第二功率开关Q2以及第四功率开关Q4导通时，飞跨电容Cf上的电压经Cf-Q2-Vo-Q4为负载LOAD供电。
图8为本发明实施例的开关电容变换器在第二时间段T2内的另一段时间(后半段)工作示意图。在该阶段，功率开关Q1-Q4对应的驱动逻辑信号较前一阶段不变，只是开关电路2111中的开关K2受控于控制信号V2，此时控制信号V2为高电平，故开关K2导通，使得供电电源212与自举电容CBST的连接通路接通，从而供电电源212为自举电容CBST充电。与此同时，第二驱动器U2靠内置电容C2维持驱动电压,第四驱动器U4靠电容CVDD维持驱动电压。
由此，本发明可以通过分时控制给功率开关Q1-Q4的驱动器U1-U4供电，使得仅需一个自举电容便可以将功率开关Q1-Q4进行驱动，在每个功率开关都不共地时，也能够保证每个驱动器的驱动电压相同，这简化了开关电容变换器的驱动控制，减少了驱动元件的数量，从而节约电路成本。
另外，本发明还提供一种集成电路，应用于开关电容变换器，集成电路包括上述的驱动电路。该集成电路只需要占两个引脚外接自举电容，同时，每个功率开关的内部自举电容可以容值较小，可以集成于内部，不再占用管脚，从而节省集成电路引脚的数目。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种驱动电路，用于驱动开关电容变换器，其特征在于，所述驱动电路包括：
第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，被配置为根据对应的控制信号分别驱动所述开关电容变换器中依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；
自举供电电路，包括自举电容，所述自举供电电路被配置为分时地为所述第一驱动器、第二驱动器以及第三驱动器供电；
供电电源，被配置为为所述第四驱动器供电，且为所述自举电容充电，其中，所述第四功率开关接地。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述开关电容变换器的飞跨电容的一端连接在所述第一功率开关以及第二功率开关的公共节点，另一端连接在所述第三功率开关以及第四功率开关的公共节点，所述第一功率开关以及第三功率开关同时导通，所述第二功率开关以及第四功率开关同时导通，且导通时间互不重叠。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述自举供电电路在一个工作周期中的第一时间段的一部分时间同时为所述第一驱动器以及第三驱动器供电。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述自举供电电路在一个工作周期中的第二时间段的一部分时间为所述第二驱动器供电。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述自举供电电路在一个工作周期中的所述第一时间段的另一部分时间，以及所述第二时间段的另一部分时间由所述供电电源为所述自举电容充电。
6.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述自举电容的第一端与所述第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的高压端相连，所述自举电容的第二端可选择地连接到所述第一驱动器的低压端或地。
7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述自举电容分别通过一箝位电路与所述第二驱动器以及第三驱动器连接，所述箝位电路用以将所述第二驱动器以及第三驱动器的输出电压箝位在预定值，且所述预定值与所述供电电源相等。
8.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，当所述自举供电电路为所述第一驱动器以及第三驱动器供电，或者为所述第二驱动器供电时，所述自举电容的第二端连接至所述第一驱动器的低压端；当所述供电电源为所述自举电容充电时，所述自举电容的第二端连接至地。
9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，所述自举供电电路包括一开关电路，用以切换所述自举电容的第二端的连接，所述开关电路包括第一开关以及第二开关，所述第一开关连接在所述自举电容的第二端与第一驱动器的低压端之间，所述第二开关连接在所述自举电容的第二端与地之间。
10.根据权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，当所述第一开关导通时，所述箝位电路相对于所述第三驱动器的低压端的输入电压为所述自举电容两端的电压与所述飞跨电容两端的电压之和。
11.根据权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，当所述第一开关导通时，所述箝位电路相对于所述第三驱动器的低压端的输入电压为所述自举电容两端的电压。
12.一种集成电路，应用于开关电容变换器，其特征在于，所述集成电路包括：
根据权利要求1-11中任一项所述的驱动电路。
13.一种驱动方法，用于驱动开关电容变换器，其特征在于，所述驱动方法包括：
利用第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，根据对应的控制信号分别驱动所述开关电容变换器中依次串联连接的第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关；
其中，利用自举供电电路分时地为所述第一驱动器、第二驱动器以及第三驱动器供电，其中所述自举供电电路包括自举电容；
利用供电电源为所述第四驱动器供电，且为所述自举电容充电，其中，所述第四功率开关接地。
14.根据权利要求13所述的驱动方法，其特征在于，所述开关电容变换器的飞跨电容的一端连接在所述第一功率开关以及第二功率开关的公共节点，另一端连接在所述第三功率开关以及第四功率开关的公共节点，所述第一功率开关以及第三功率开关同时导通，所述第二功率开关以及第四功率开关同时导通，且导通时间互不重叠。
15.根据权利要求13所述的驱动方法，其特征在于，所述自举供电电路在一个工作周期中的第一时间段的一部分时间同时为所述第一驱动器以及第三驱动器供电。
16.根据权利要求15所述的驱动方法，其特征在于，所述自举供电电路在一个工作周期中的第二时间段的一部分时间为所述第二驱动器供电。
17.根据权利要求16所述的驱动方法，其特征在于，所述自举供电电路在一个工作周期中的所述第一时间段的另一部分时间，以及所述第二时间段的另一部分时间由所述供电电源为所述自举电容充电。
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