CN110663164B - 具有多个功率模式的功率转换器预驱动器系统 - Google Patents

具有多个功率模式的功率转换器预驱动器系统 Download PDF

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Abstract

根据本公开的实施例，一种用于功率转换的系统可以包括功率转换器，所述功率转换器包括功率电感器和耦合到功率电感器的开关；以及用于电驱动开关的栅极的预驱动器系统，所述预驱动器系统被配置为在多种模式下操作，包括高功率模式，其中从具有第一电源电压的第一电源向预驱动器系统提供电能；以及低功率模式，其中从具有第二电源电压的第二电源向预驱动器系统提供电能，所述第二电源电压显著小于第一电源电压。

Description

具有多个功率模式的功率转换器预驱动器系统
技术领域
本公开一般涉及集成电路，并更具体地涉及用于功率转换的系统和方法，其中功率转换器的预驱动器系统在多个功率模式下操作。
背景技术
当今市场上的许多电子设备经常使用功率转换器将电能从一种形式转换为另一种形式(例如，在交流电和直流电之间进行转换)，转换电信号的电压或电流，修改电信号的频率或以上的某种组合。功率转换器的示例可以包括升压转换器和降压转换器。此类功率转换器通常用于转换其他电路的输入电压，其中此种转换后的电压大于(例如，在使用升压转换器的情况下)或小于(例如，在使用降压转换器的情况下)输入电压。例如，升压音频放大器可以包括升压转换器，用于转换输入源电压以产生用于放大器的开关输出级(例如，升压转换器的D类)的电源电压。
发明内容
根据本公开的教示，已经减少或消除了与功率转换器的操作关联的某些缺点和问题。
根据本公开的实施例，用于功率转换的系统可以包括功率转换器，包括功率电感器和耦合到功率电感器的开关；以及用于电驱动开关的栅极的预驱动器系统，所述预驱动器系统被配置为在多种模式下操作，包括：高功率模式，其中从具有第一电源电压的第一电源向预驱动器系统提供电能；以及低功率模式，其中从具有第二电源电压的第二电源向预驱动器系统提供电能，所述第二电源电压显著小于第一电源电压。
根据本公开的这些和其他实施例，在包括功率电感器和耦合到功率电感器的开关的功率转换器中，用于功率转换的方法可包括在高功率模式下操作用于电驱动开关的栅极的预驱动器系统，其中从具有第一电源电压的第一电源向预驱动器系统提供电能；以及在低功率模式下操作预驱动器系统，其中从具有第二电源电压的第二电源向预驱动器系统提供电能，所述第二电源电压显著小于所述第一电源电压。
根据本文所包括的附图、说明书和权利要求，本公开的技术优点对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中具体指出的元素、特征和组合来实现和完成。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例和说明性的，并且不限于本公开中提出的权利要求。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本发明实施例及其优点的更完整的理解，其中相同的附图标记表示相同的特征，并且其中：
图1示出根据本公开的实施例的示例电路，所述电路包括用于转换输入源电压以产生输出电压的升压转换器；
图2示出根据本公开的实施例的示例电路，所述电路包括用于转换输入源电压以产生输出电压的升压转换器，所述电路可用于实现图1的电路；以及
图3示出根据本公开的实施例的另一个示例电路，所述电路包括用于转换输入源电压以产生输出电压的升压转换器，所述电路可用于实现图1的电路。
具体实施方式
图1示出根据本公开的实施例的示例电路100，所述电路包括升压转换器102，用于转换输入源电压VBAT以产生输出电压VOUT。如图1所示，升压转换器102可以包括电感器106，所述电感器106在第一端子处耦合到输入源电压VBAT并且在第二端子处耦合到开关108和110中的每个的非栅极端子。图1中示出的升压转换器102还可以包括开关108，所述开关108在一个非栅极端子处耦合到接地电压，并且在其另一个非栅极端子处耦合到电感器106和开关110的非栅极端子；以及开关110，所述开关110在一个非栅极端子处耦合到接地电压106和开关108的非栅极端子，并且在其另一个非栅极端子处耦合到电容器107的端子。图1中示出的升压转换器102还可以包括耦合在开关110的非栅极端子和接地电压之间的电容器107。
如图1所示，电路100还可以包括预驱动器系统116。预驱动器系统116可以包括任何合适的系统、设备或装置，其被配置为将p侧控制电压VCTRLP驱动至开关110的栅极端子并且将n侧控制电压VCTRLN驱动至开关108的栅极端子。p侧控制电压VCTRLN和n侧控制电压VCTRLN中的每个可以是脉宽调制信号。在稳态操作中，当开关110闭合时，开关108通常将断开，并且反之亦然(尽管在一些实施例中，可以使用二极管代替开关110，其中此种二极管的阳极可以耦合到电感器106并且此种二极管的阴极可以耦合到电容器107。当开关108闭合时，电流可以从生成输入源电压VBAT的电压源流过电感器106，并且电感器106可以存储能量。在此期间，电感器106两端可具有压降，其中端子处的正极性耦合到输入源电压VBAT。当开关108断开并且开关110闭合时，流过电感器106的电流可减小。电流的这种变化或减小可以被电感器106抵消，并且电感器106的电压极性可以反转(例如，端子处的正极性耦合用于生成输入源电压VBAT)。因此，两个电压源有效地串联(输入源电压VBAT和电感器106两端的电压)，从而导致高于VBAT的电压为电容器107充电。如果开关108和110的循环地足够快，电感器106将不会在充电阶段时完全放电，并且当开关108断开时，电容器107上的输出电压VOUT将大于输入源电压VBAT的电压。因此，升压转换器102产生的输出电压VOUT可以是p侧控制电压VCTRLP、n侧控制电压VCTRLN和输入源电压VBAT的函数。
同样如图1所示，预驱动器系统116可以被配置为接收具有第一电源电压VDD的第一电源以及具有第二电源电压VDDA的第二电源，所述第二电源电压VDDA显著小于第一电源电压VDD(例如，VDDA<VDD)。预驱动器116还可接收模式选择信号MODE SELECT，其指示预驱动器系统116的期望操作模式。因此，基于模式选择信号MODE SELECT，预驱动器系统116可以在多种模式下操作，包括高功率模式，其中从具有第一电源电压VDD的第一电源向预驱动器系统116提供电能；以及低功率模式，其中从具有第二电源电压VDDA的第二电源向预驱动器系统116提供电能。通过以这种方式在多种模式下操作，当由输出电压VOUT供电的另一个系统掉电或处于空闲状态时，在低功率模式下操作可以使升压转换器102保持活动状态并继续产生升高的输出电压VOUT，同时相比在高功率模式下消耗更少的功率。
图2示出根据本公开的实施例的示例电路100A，所述电路包括升压转换器102A，用于转换输入源电压VBAT以产生输出电压VOUT。电路100A可以用于实现图1的电路100。因此，图2的升压转换器102A和预驱动器系统116A可以分别用于实现图1的升压转换器102和预驱动器系统116。如图2所示，电路100的开关108可以在电路100A中被实现为单个开关元件，例如，n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)208。图2还描绘了电路100的开关110可以在电路100A中被实现为p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)210，尽管在一些实施例中，此种开关可以被实现为二极管，所述二极管的阳极耦合到电感器106并且其阴极耦合到电容器107。
图2进一步描绘了可以用具有单个预驱动器电路的预驱动器系统116A来实现电路100的预驱动器系统116。单个预驱动器电路可以包括预驱动器子系统216，用于将p侧控制电压VCTRLP驱动至晶体管210的栅极端子并且将n侧控制电压VCTRLN驱动至晶体管208的栅极端子。单个预驱动器电路还可以包括开关218，所述开关被配置为基于模式选择信号MODESELECT在具有第一电源电压VDD的第一电源和具有第二电源电压VDDA的第二电源之间切换单个预驱动器电路的电源输入，使得电源输入耦合到第一电源并且在高功率模式下接收第一电源电压VDD，以及电源输入耦合到第二电源并且在低功率模式下接收第二电源电压VDDA。因此，在低功率模式下，可以将n侧控制电压VCTRLN驱动至与高功率模式相比更低的低电压，从而允许升压转换器102A产生升高的输出电压VOUT，同时消耗较少的功率。
图3示出根据本公开的实施例的示例电路100B，所述电路包括升压转换器102B，用于转换输入源电压VBAT以产生输出电压VOUT。电路100B可以用于实现图1的电路100。因此，图3的升压转换器102B和预驱动器系统116B可以分别用于实现图1的升压转换器102和预驱动器系统116。如图3所示，电路100的开关108可以在电路100B中被实现为包括多个开关元件的开关308，例如，包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管312的第一开关元件以及包括第二金属氧化物半导体场效应晶体管314的第二开关元件。同样如图3所示，第一金属氧化物半导体场效应晶体管312和第二金属氧化物半导体场效应晶体管314可以并联耦合，其中第一金属氧化物半导体场效应晶体管312和第二金属氧化物半导体场效应晶体管314中的每个的各自的非栅极端子可以耦合在一起。图3还描绘了电路100的开关110可以在电路100B中被实现为p型金属氧化物半导体场效应晶体管310，尽管在一些实施例中，此种开关可以被实现为二极管，所述二极管的阳极耦合到电感器106并且其阴极耦合到电容器107。
图3进一步描绘了可以通过预驱动器系统116B来实现电路100的预驱动器系统116，所述预驱动器系统116B具有包括第一预驱动器电路318和第二预驱动器电路320的多个预驱动器电路。第一预驱动器电路318可以被配置为电驱动第一金属氧化物半导体场效应晶体管312的栅极，并且第一预驱动器电路318可以具有第一电源输入，所述第一电源输入通过第一电源电压VDD耦合到第一电源，使得第一预驱动器电路318从第一电源电压VDD开始操作，以便在高功率模式下通过第一n侧控制电压VCTRLNH驱动第一金属氧化物半导体场效应晶体管312的栅极。类似地，第二预驱动器电路320可以被配置为电驱动第二金属氧化物半导体场效应晶体管314的栅极，并且第二预驱动器电路320可以具有第二电源输入，所述第二电源输入通过第二电源电压VDDA耦合到第二电源，使得第二预驱动器电路320从第二电源电压VDDA开始操作，以便在低功率模式下通过第二n侧控制电压VCTRLNL驱动第二金属氧化物半导体场效应晶体管314的栅极，其中第二n-侧控制电压VCTRLNL实质上小于第一n侧控制电压VCTRLNH。因此，在低功率模式下，第二n侧控制电压VCTRLNL可以被驱动至金属氧化物半导体场效应晶体管，并且在高功率模式下，第一n侧控制电压VCTRLNH可以被驱动至另一个并联的金属氧化物半导体场效应晶体管，因此允许升压转换器102B在低功率模式下产生升高的输出电压VOUT，同时消耗较少的功率。
尽管以上图1至图3及其描述考虑了将预驱动器系统与升压转换器结合使用，但应理解，作为非限制性示例，本文所述的系统和方法通常可适用于具有除升压转换器以外的功率转换器(诸如降压转换器和降压-升压转换器)的系统并可由其使用。
如本文所使用的，当两个或更多个元件被称为“耦合”到彼此时，该术语指示此类两个或更多个元件处于电子通信(无论是间接连接还是直接连接)，而没有或无需中间元件。
本公开包括本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例作出的所有改变、替换、变型、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域技术人员将理解的对本文示例实施例作出的所有改变、替换、变型、变更和修改。此外，所附权利要求中的装置。此外，所附权利要求中对适于、布置为、能够、配置为、启用用于、能够操作用于或可操作用于执行特定功能的装置或系统或者装置或系统的组件的引用包含所述装置、系统或组件，无论是否激活、接通或解锁所述特定功能，只要所述装置、系统或组件是如此修改、布置、有能力、配置、能够操作或可操作的。
本文叙述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本发明和发明人为进一步发展本领域所做出的构思，并且被解释为不限于这种具体叙述的示例和条件。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但是应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。

Claims (18)

1.一种用于功率转换的系统，包括：
功率转换器，包括功率电感器和耦合到功率电感器的开关；以及
用于电驱动所述开关的栅极的预驱动器系统，所述预驱动器系统被配置为在多种模式下操作，包括：
高功率模式，其中从具有第一电源电压的第一电源向所述预驱动器系统提供电能；以及
低功率模式，其中从具有第二电源电压的第二电源向所述预驱动器系统提供电能，所述第二电源电压显著小于所述第一电源电压；
所述功率转换器用于在各种模式下转换输入电信号以产生输出电信号；
所述第一电源电压独立于所述输入电信号和所述输出电信号；
所述第二电源电压独立于所述输入电信号和所述输出电信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述开关包括单个开关元件；
所述预驱动器系统包括单个预驱动器电路，用于电驱动所述单个开关元件的栅极；以及
所述单个预驱动器电路包括第二开关，用于在所述第一电源和所述第二电源之间切换所述单个预驱动器电路的电源输入，使得所述电源输入在所述高功率模式下耦合到所述第一电源并且所述电源输入在所述低功率模式下耦合到所述第二电源。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述单个开关元件包括场效应晶体管。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述单个开关元件包括n型场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述开关包括第一开关元件和第二开关元件；以及
所述预驱动器系统包括：
第一预驱动器电路，用于电驱动所述第一开关元件的栅极，所述第一预驱动器电路具有第一电源输入，所述第一电源输入耦合到所述第一电源并且被配置为在所述高功率模式下驱动所述第一开关元件的所述栅极；以及
第二预驱动器电路，用于电驱动所述第二开关元件的栅极，所述第二预驱动器电路具有第二电源输入，所述第二电源输入耦合到所述第二电源并且被配置为在所述低功率模式下驱动所述第二开关元件的所述栅极。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一开关元件和所述第二开关元件的非栅极端子并联耦合。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一开关元件包括第一场效应晶体管，并且所述第二开关元件包括第二场效应晶体管。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一开关元件包括第一n型场效应晶体管，并且所述第二开关元件包括第二n型场效应晶体管。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器包括升压转换器。
10.一种用于功率转换的方法，在包括功率电感器和耦合到所述功率电感器的开关的功率转换器中，所述方法包括：
在高功率模式下操作用于电驱动所述开关的栅极的预驱动器系统，其中从具有第一电源电压的第一电源向所述预驱动器系统提供电能；以及
在低功率模式下操作所述预驱动器系统，其中从具有第二电源电压的第二电源向所述预驱动器系统提供电能，所述第二电源电压显著小于所述第一电源电压；
所述功率转换器用于在各种模式下转换输入电信号以产生输出电信号；
所述第一电源电压独立于所述输入电信号和所述输出电信号；
所述第二电源电压独立于所述输入电信号和所述输出电信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述开关包括单个开关元件；
所述预驱动器系统包括单个预驱动器电路，用于电驱动所述单个开关元件的栅极；以及
所述方法进一步包括在所述第一电源和所述第二电源之间切换所述单个预驱动器电路的电源输入，使得所述电源输入在所述高功率模式下耦合到所述第一电源并且所述电源输入在所述低功率模式下耦合到所述第二电源。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述单个开关元件包括场效应晶体管。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述单个开关元件包括n型场效应晶体管。
14.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述开关包括第一开关元件和第二开关元件；
所述方法进一步包括：
通过第一预驱动器电路电驱动所述第一开关元件的栅极，所述第一预驱动器电路具有第一电源输入，所述第一电源输入耦合到所述第一电源并且被配置为在所述高功率模式下驱动所述第一开关元件的所述栅极；以及
通过第二预驱动器电路电驱动所述第二开关元件的栅极，所述第二预驱动器电路具有第二电源输入，所述第二电源输入耦合到所述第二电源并且被配置为在所述低功率模式下驱动所述第二开关元件的所述栅极。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一开关元件和所述第二开关元件的非栅极端子并联耦合。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一开关元件包括第一场效应晶体管，并且所述第二开关元件包括第二场效应晶体管。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一开关元件包括第一n型场效应晶体管，并且所述第二开关元件包括第二n型场效应晶体管。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述功率转换器包括升压转换器。
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