CN112106284A - 具有控制器的dc-dc电压转换器 - Google Patents

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CN112106284A CN201980030488.3A CN201980030488A CN112106284A CN 112106284 A CN112106284 A CN 112106284A CN 201980030488 A CN201980030488 A CN 201980030488A CN 112106284 A CN112106284 A CN 112106284A
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S·赫策
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Abstract

一种系统(100)包括DC‑DC电压转换器(102)，所述DC‑DC电压转换器包括：高侧FET(104)，其包括栅极、源极及漏极；节点(124)，其耦合到所述高侧FET(104)的所述源极；低侧FET(106)，其包括栅极、源极及耦合到所述节点(124)的漏极；及控制器(110)，其耦合到所述高侧FET(104)的所述栅极以接通及关断所述高侧FET(104)，且耦合到所述低侧FET(106)的所述栅极以接通及关断所述低侧FET(106)，所述控制器经配置以在接通所述高侧FET(104)之前先接通所述低侧FET(106)达一定时间间隔并在接通所述高侧FET(104)之前关断所述低侧FET(106)。

Description

具有控制器的DC-DC电压转换器
背景技术
步降型DC-DC电压转换器调节负载电压，其中负载电压的值小于电源所提供的输入电压。降压转换器拓扑代表具有控制通过电感器(通常也电容器)的电流以调节负载电压的开关装置的一种DC-DC电压转换器类别。降压转换器包含：高侧开关装置，其将电感器耦合到电源；及低侧开关装置，其在高侧开关装置关断时提供从接地到电感器的电流路径。在一些降压转换器中，高侧开关装置是场效晶体管(FET)，被称为高侧FET，且低侧装置是FET，被称为低侧FET或二极管，有时被称为回扫二极管。
发明内容
根据本发明的至少一个实例，一种包括DC-DC电压转换器的系统，所述DC-DC电压转换器包括：高侧FET，其包括栅极、源极及漏极；节点，其耦合到所述高侧FET的所述源极；低侧FET，其包括栅极、源极及耦合到所述节点的漏极；及控制器，其耦合到所述高侧FET的所述栅极以接通及关断所述高侧FET，且耦合到所述低侧FET的所述栅极以接通及关断所述低侧FET，所述控制器经配置以在接通所述高侧FET之前先接通低侧FET达一定时间间隔，并在接通所述高侧FET之前关断所述低侧FET。
根据本发明的至少一个实例，一种系统包括：电感器；第一场效晶体管FET，其在接通时将电流传导到所述电感器；二极管，其耦合到所述电感器以在所述第一FET关断时将电流传导到所述电感器；第二FET，其与所述二极管并联耦合；及控制器，其在接通所述第一FET之前先接通所述第二FET达一定时间间隔，并在接通所述第一FET之前关断所述第二FET。
根据本发明的至少一个实例，一种操作DC-DC电压转换器的方法包括：接通及关断所述DC-DC电压转换器中的高侧场效晶体管FET及低侧FET以调节所述DC-DC电压转换器中的节点处的电压；在所述DC-DC电压转换器的异步操作期间，在接通所述高侧FET之前先接通所述低侧FET达一定时间间隔；及在所述DC-DC电压转换器的异步操作期间，在接通所述高侧FET之前关断所述低侧FET。
附图说明
为详细描述各种实例，现在将参考附图，在附图中：
图1展示包括根据各种实例的DC-DC电压转换器的系统；
图2展示根据各种实例的时序图；
图3展示包括根据各种实例的DC-DC电压转换器的系统；
图4展示根据各种实例的方法。
图5展示根据各种实例的控制器；
图6展示根据各种实例的时序图；
图7展示包括根据各种实例的DC-DC电压转换器的系统；及
图8展示包括根据各种实例的DC-DC电压转换器的系统。
具体实施方式
在具有包括高侧装置及低侧装置的降压转换器拓扑的很多常规DC-DC电压转换器中，在异步模式操作期间当低侧装置正在进行正向二极管传导时，多数载流子在低侧装置中的传导电流使得对其空间区充电。当高侧装置接通以将电流提供到负载时，高侧装置中的电流中的一些用于将空间区放电，这会造成不期望的功耗。此外，由于寄生电感，用于将空间区放电的电流可造成不期望的噪声尖峰，此可会干扰耦合到常规DC-DC电压转换器的其它电路。
实施例包含DC-DC电压转换器，所述DC-DC电压转换器具有控制器，以使得在异步操作期间，控制器在接通高侧FET之前接通低侧FET达一定时间间隔以将空间区放电。
图1描绘包括DC-DC电压转换器102的说明性系统100。在一些实施例中，DC-DC电压转换器102是降压转换器。DC-DC电压转换器102包括高侧FET 104、低侧FET 106、栅极驱动器108及控制器110。(对于一些实施例来说栅极驱动器108还可包含充电泵)。控制器110通过栅极驱动器108耦合到高侧FET 104及低侧FET 106。除控制器110及栅极驱动器108之外，实施例还可包含其它模块(未展示)。
高侧FET 104包括栅极112、源极114及漏极116。节点124耦合到高侧FET 104的源极114。节点124被称为开关节点，且其可以是引脚。低侧FET 106包括栅极118、源极120及耦合到节点124的漏极122。
通过栅极驱动器108，控制器110耦合到高侧FET 104的栅极112以接通及关断高侧FET 104，且耦合到低侧FET 106的栅极118以接通及关断低侧FET 106以向负载126提供负载电压。负载126通过电感器128及电容器130耦合到节点124。
高侧FET 104的漏极116耦合到电源144，其中图1图解说明向DC-DC电压转换器102提供电压VIN作为输入电压的电源144。寄生电感器146表示与漏极116耦合到电源144相关联的寄生电感。此耦合可包含输入/输出(I/O)引脚(未展示)。低侧FET 106的源极120耦合到接地148。寄生电感器150表示与源极120耦合到接地148相关联的寄生电感。此耦合可包含I/O引脚(未展示)。
在图1中所图解说明的特定实施例中，控制器110将逻辑信号HS_ON、EN及LS_ON提供到栅极驱动器108以接通及关断高侧FET 104及低侧FET 106。将这些信号的逻辑补集(在图1中分别标示为HS_ONZ、ENZ及LS_ONZ)指示为栅极驱动器108中的信号。
栅极驱动器108包括耦合到串联连接的缓冲器134及136的NOR栅极132，其中缓冲器136直接驱动高侧FET 104的栅极112。实际上，多于两个缓冲器可串联连接在NOR栅极132的输出与高侧FET 104的栅极112之间，但为便于图解说明，仅明确展示两个此缓冲器：缓冲器134及136。
栅极驱动器108包括耦合到串联连接的缓冲器140及142的NOR栅极138，其中缓冲器142直接驱动低侧FET 106的栅极118。实际上，多于两个缓冲器可串联连接在NOR栅极138的输出与低侧FET 106的栅极118之间，但为便于图解说明起见，仅明确展示两个此缓冲器：缓冲器140及142。
将信号HS_ONZ及ENZ作为两个输入提供到NOR栅极132，且将缓冲器142的输出作为第三输入提供到NOR栅极132。将信号LS_ONZ及ENZ作为两个输入提供到NOR栅极138，且高侧FET 104的源极114连接到NOR栅极138的第三输入。
为启用栅极驱动器108，控制器110将信号EN断言为高态(将信号ENZ解除断言为低态)。在栅极驱动器108启用的情况下，控制器110可根据信号HS_ON及LS_ON使DC-DC电压转换器102在同步模式中或在异步(或非同步)模式中操作。
当控制器110使DC-DC电压转换器102在同步模式中操作时，信号HS_ON及LS_ON在没有重叠的情况下在高态与低态之间交替循环，以使得高侧FET 104及低侧FET 106两者不会同时接通。反馈电路(未展示)将反馈信号提供到反馈节点132，以使得控制器110可控制信号HS_ON及LS_ON的工作循环以向负载126提供经调节负载电压。
当控制器110使DC-DC电压转换器102在异步模式中操作时，将信号LS_ON解除断言为低态(将LS_ONZ断言为高态)，以使得低侧FET 106的栅极118保持低态。反馈电路(未展示)将反馈信号提供到反馈节点132，以使得控制器110可控制信号HS_ON的工作循环，以使得向负载126提供经调节负载电压。低侧FET 106用作回扫二极管以在低侧FET 106正在正向传导时将电流传导到电感器128。当控制器110将信号HS_ON解除断言为低态(将信号HS_ONZ断言为高态)以关断高侧FET 104时，低侧FET 106在节点124处的电压降低到低于接地电压的正向电压降(约-0.7V)时正向传导。当控制器110将信号HS_ON断言为高态(信号HS_ONZ为低态)时，接通高侧FET 104以通过节点124向电感器128提供电流，且当节点124处的电压升高时，低侧FET 106被反向加偏压。
在异步模式操作期间当低侧FET 106正在正向传导时，低侧FET 106中的多数载流子的传导电流使得对其空间区进行充电。如果存储在空间区中的电荷未被移除时，那么当控制器110接通高侧FET 104时，由高侧FET 104提供的电流中的一些将用于将空间区放电。用于将空间区放电的电流(被称为恢复空间电荷电流)跨越电压降VIN流动，这会造成不期望的功耗。此外，由于由寄生电感器146及150表示的寄生电感，恢复空间电荷电流在节点152及154处造成噪声尖峰。这些噪声尖峰可干扰耦合到DC-DC电压转换器102的其它电路(未展示)。
在异步操作期间，在图1的实施例中，控制器110经配置以在接通高侧FET 104之前先接通低侧FET 106达一定时间间隔，并在接通高侧FET 104之前关断低侧FET 106。控制器110经配置以接通低侧FET 106达所述一定时间间隔以在DC-DC电压转换器102处于异步操作中时将在低侧FET 106的正向传导期间形成在低侧FET 106中的空间区放电。时间间隔的值可经选择以使得将空间区放电，且此值可为低侧FET 106的大小的函数(及/或如果使用回扫二极管，那么是回扫二极管的大小的函数)。
图2描绘当实施例(例如，DC-DC电压转换器102)处于异步模式中时的说明性时序图200，所述说明性时序图200展示逻辑信号LS_ON及LS_ON以及表示节点124处的电压的信号SW的电压随时间的变化。时序图200不表示信号LS_ON、LS_ON及SW的真实描绘，而是用于表示实施例(例如，说明性系统100)的说明性特性。
图2中展示开始于时间t1处的两个循环，在所述时间t1处信号HS_ON及LS_ON两者均为低态，且当信号SW下降到约-0.7V时低侧FET 106开始正向传导。标记为202的信号SW的一部分指示在低侧FET 106正向传导时对低侧FET 106的空间区充电。
在信号HS_ON为低态的时间t1处且在控制器110将信号HS_ON断言为高态之前，控制器110将信号LS_ON断言为高态以接通低侧FET 106，由标记为204的信号LS_ON的一部分指示。当接通时，低侧FET 106将空间区放电(由标记为206的事件指示)，从而使信号SW变为0V。控制器110在时间t2处通过将信号LS_ON解除断言为低态来切断低侧FET106。在时间t3处，控制器110将信号HS_ON断言为高态，从而使得信号SW的电压升高，由标记为208的事件指示。因此，控制器110经配置以在DC-DC电压转换器102的异步操作期间在接通高侧FET104之前先接通低侧FET 106达一定时间间隔(由时间差t2-t1表示)并在接通高侧FET 104之前关断低侧FET 106。
在时间t4处，控制器110将信号HS_ON解除断言为低态以关断高侧FET 104，由标记为210的事件指示，从而使得低侧FET 106正向传导且对空间区进行充电。循环重复进行，其中标记为212的事件标示在时间t5处将信号LS_ON断言为高态以接通低侧FET 106达持续直到时间t6的时间间隔。此事件使得将空间区放电，且在时间t7处，控制器110将信号HS_ON断言为高态以再次接通高侧FET 104，由标记为214的事件指示。
图3描绘包括DC-DC电压转换器302的说明性系统300，其中DC-DC电压转换器302的组件类似于图1中的DC-DC转换器102的组件，因而与图1中的标记相同。图3中未展示栅极驱动器108以及寄生电感器146及150的细节。DC-DC电压转换器302以与DC-DC电压转换器102类似的方式操作，但其包含用作回扫二极管的二极管304。二极管304与低侧FET 106并联耦合。304二极管包括耦合到低侧FET 106的源极120的阳极306，且包括耦合到节点124的阴极308。
在异步操作期间，当二极管304正在正向传导时，二极管304提供从接地148到电感器128的电流路径。在正向传导期间对二极管304内的空间区进行充电，且控制器110接通低侧FET 106以将二极管304的空间区放电。
对图1的说明性系统100及图2的说明性时序图200的说明可适用于图3的说明性系统300，其中应理解，在异步操作期间当低侧FET 106接通达一定时间间隔(例如，图2中从t1到t2或从t5到t6的时间间隔)时将二极管304中的空间区放电。因此，控制器110经配置以接通低侧FET 106达所述一定时间间隔，以将在二极管304的正向传导期间形成在二极管304中的空间区放电。
图4描绘操作DC-DC电压转换器102的说明性方法400，其中可通过电路执行说明性方法400中的步骤中的一些或所有步骤，所述电路是硬连线的、由固件控制、由软件控制或其组合。操作DC-DC电压转换器102的说明性方法400包括：在步骤402中，接通及关断DC-DC电压转换器中的高侧FET及低侧FET以调节DC-DC电压转换器中的节点处的电压；在步骤404中，在DC-DC电压转换器的异步操作期间，在接通高侧FET之前先接通低侧FET达一定时间间隔；且在步骤406中，在DC-DC电压转换器的异步操作期间，在接通高侧FET之前关断低侧FET。
说明性方法400进一步包括：在步骤408中，在DC-DC电压转换器的异步操作期间，接通低侧FET达时间间隔以将在二极管的正向传导期间形成在二极管中的空间区放电，其中所述二极管与低侧FET并联耦合。说明性方法400进一步包括：在步骤410中，在DC-DC电压转换器的异步操作期间，接通低侧FET达所述一定时间间隔以在DC-DC电压转换器处于异步操作中时将在低侧FET的正向传导期间形成在低侧FET中的空间区放电。
在图1及图3的实施例中，高侧FET 104及低侧FET 106各自被图解说明为n型金属氧化物半导体场效晶体管(nMOSFET)。在一些实施例中，可使用p型金属氧化物半导体场效晶体管(pMOSFET)来代替FET。
图5描绘包括逻辑及电路元件的说明性控制器110，当处于异步模式中时所述逻辑及电路元件产生逻辑信号HS_ON及LS_ON。图5进一步图解说明用于产生逻辑信号HS_ON及LS_ON的各种逻辑信号，标记为Low Qrr、HS、Block_LS及LS。并未展示说明性控制器110中的所有电路元件。图6描绘图5的逻辑信号HS_ON、LS_ON、Low Qrr、HS、Block_LS及LS的说明性时序图600。
将逻辑信号Low Qrr周期性地断言为高态以指示异步模式中的操作，以使得在将HS_ON断言为高态之前先将逻辑信号LS_ON断言为高态达一定时间间隔，以将低侧FET106中的空间区放电。提供逻辑信号Low Qrr以作为锁存器502的预设信号，且将逻辑信号Low Qrr作为输入信号提供给计时器504。当将逻辑信号Low Qrr断言为高态时，计时器504将逻辑信号HS解除断言为低态，且在计时器504所规定的稍后时间将逻辑信号HS再次断言为高态，如图6的说明性时序图600中所指示。将逻辑信号HS作为时钟信号提供给锁存器502。
锁存器502的输出是说明性时序图600中所图解说明的逻辑信号Block_LS。在延迟元件510所指示的延迟之后，将逻辑反相之后的逻辑信号Block_LS作为输入提供给AND栅极506且作为输入提供给AND栅极508。将逻辑信号HS作为输入提供给AND栅极508。
AND栅极508的输出是逻辑信号HS_ON。将逻辑信号HS_ON的逻辑反相(标示为逻辑信号LS)作为输入提供给AND栅极506。AND栅极506的输出是逻辑信号LS_ON。延迟元件510将锁存器502的输出延迟，以使得在将逻辑信号HS_ON断言为高态之前将逻辑信号LS_ON解除断言为低态，如说明性时序图600中所指示。如此一来，在接通高侧FET 104之前关断低侧FET 106。
图5提供用以产生逻辑信号HS_ON及LS_ON的电路的特定实例，但可采用很多不同的电路配置来产生这些逻辑信号。
在常规开关中，电源144经由高侧FET 104提供反向恢复电荷，从而造成效率较低且较大的热量损失，所述较大的热量损失是由于高侧FET 104及低侧FET 106(及/或二极管304)两者中的功率损失所致。通过在节点124接近0V时放电将低侧FET 106中的空间电荷区，由于将空间电荷区放电而使得功率损失相对小。功率效率得以提高。此外，由于高侧FET104无需传导用于反向恢复电荷的额外电流，因此减小振铃。不需要特殊设计的二极管或栅极驱动器。
实施例也可适用于其中在给电感器通电之前将在异步操作期间形成在二极管中的空间电荷放电的其它类型的DC-DC电压转换器。图7及图8提供两个此类实例。
图7描绘包括DC-DC电压转换器702的说明性系统700。说明性系统700被配置为升压DC-DC电压转换器，所述升压DC-DC电压转换器包括：第一FET 704，其在接通时将电流传导到电感器128；二极管706，其耦合到电感器128以当第一FET 704关断时将电流传导到电感器128；第二FET 708，其与二极管706并联耦合；及控制器110，其在接通第一FET 704之前先接通第二FET 708达一时间间隔且在接通第一FET 704之前关断第二FET708。负载126耦合到二极管706及电感器128(通过二极管706及电源144)。
第一FET 704在接通时将电流从电源144传导到电感器128以给电感器128通电(增大存储磁能)。在异步操作期间当电感器128将能量(从其正减小的磁场)提供到负载126时，二极管706为电感器128提供电流路径。当第二FET 708在异步操作期间将电流传导到电感器128时，第二FET 708将形成在二极管706中的空间电荷区放电。
图2的时序图可适用于图7的实施例，其中第一FET 704可标识为图3的高侧FET104(图2中的HS_ON)且第二FET 708可标识为图3的低侧FET 106(图2的LS_ON)。因此，当描述图1或图3的先前实施例时，高侧FET 104可被称为第一FET，且低侧FET 106可被称为第二FET。此外，在一些实施例中，二极管706可以是第二FET 708的一部分，以使得第二FET 708包含二极管706。
图8描绘包括DC-DC电压转换器802的说明性系统800。说明性系统800配置被降压-升压DC-DC电压转换器，其包括：第一FET 804，其在接通时将电流传导到电感器128；二极管806，其耦合到电感器128以在第一FET 804关断时将电流传导到电感器128；第二FET 808，其与二极管806并联耦合；及控制器110，其在接通第一FET 804之前先接通第二FET 808达一时间间隔，并在接通第一FET 804之前关断第二FET 808。负载126耦合到二极管806及电感器128(通过二极管806及电源144)。
第一FET804在接通时将电流从电源144传导到电感器128以给电感器128通电(增大所存储的磁能)。在异步操作期间当电感器128将能量(从其减小的磁场)提供到负载126时，二极管806为电感器128提供电流路径。在异步操作期间当第二FET 808将电流传导到电感器128时，第二FET 808将形成在二极管806中的空间电荷区放电。
图2的时序图可适用于图8的实施例，其中第一FET 804可标识为图3的高侧FET104(图2中的HS_ON)，且第二FET 808可标识为图3的低侧FET 106(图2的LS_ON)。
在前述论述中及在权利要求书中，术语“包含”及“包括”是以开放方式使用，且应被解释为意指包含但不限于。此外，术语“耦合(couple或couples)”旨在意指间接连接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。类似地，耦合在第一组件或位置与第二组件或位置之间的装置可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。“经配置以”执行任务或功能的元件或特征可在制造商制造时进行配置(例如，编程或结构设计)以执行函数，及/或可在制造之后由用户配置(或可重新配置)以执行函数及/或其它额外或替代功能。配置可通过装置的固件及/或软件编程、通过硬件组件的构造及/或布局及装置互连或其组合来进行。另外，在前述论述中使用的短语“接地”或类似语旨在包含底板接地、地面接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、共同接地及/或可适用于或适合于本发明的教示的任何其它形式的接地连接。除非另有陈述，出现在值前面的“约”、“大约”或“基本上”意指所述值的+/-10％。
以上论述意在说明本发明的原理及各种实施例。所属领域的技术人员在完全了解以上揭示内容之后将明了众多变化及修改。旨在将所附权利要求书解释为囊括所有此类变化及修改。

Claims (20)

1.一种包括DC-DC电压转换器的系统，所述DC-DC电压转换器包括：
高侧场效晶体管FET，其包括栅极、源极及漏极；
节点，其耦合到所述高侧FET的所述源极；
低侧FET，其包括栅极、源极及耦合到所述节点的漏极；及
控制器，其耦合到所述高侧FET的所述栅极以接通及关断所述高侧FET，且耦合到所述低侧FET的所述栅极以接通及关断所述低侧FET，所述控制器经配置以在接通所述高侧FET之前先接通所述低侧FET达一定时间间隔，并在接通所述高侧FET之前关断所述低侧FET。
2.根据权利要求1所述的系统，当所述控制器经配置以在接通所述高侧FET之前先接通所述低侧FET达一定时间间隔并在接通所述高侧FET之前关断所述低侧FET时，所述控制器进一步经配置以使所述DC-DC电压转换器在异步模式中操作。
3.根据权利要求2所述的系统，其进一步包括：
电感器，其耦合到所述节点。
4.根据权利要求3所述的系统，其进一步包括：
电源，其耦合到所述高侧FET的所述漏极。
5.根据权利要求4所述的系统，其进一步包括：
接地，其耦合到所述低侧FET的所述源极。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
电感器，其耦合到所述节点。
7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括：
电源，其耦合到所述高侧FET的所述漏极。
8.根据权利要求7所述的系统，其进一步包括：
接地，其耦合到所述低侧FET的所述源极。
9.根据权利要求1所述的系统，所述DC-DC转换器进一步包括：
栅极驱动器，其耦合到所述高侧FET的所述栅极且耦合到所述低侧FET的所述栅极，所述控制器耦合到所述栅极驱动器以接通及关断所述高侧FET且接通及关断所述低侧FET。
10.根据权利要求1所述的系统，所述DC-DC转换器进一步包括：
二极管，其包括耦合到所述低侧FET的所述源极的阳极，且包括耦合到所述节点的阴极。
11.一种系统，其包括：
电感器；
第一场效晶体管FET，其在接通时将电流传导到所述电感器；
二极管，其耦合到所述电感器以在所述第一FET关断时将电流传导到所述电感器；
第二FET，其与所述二极管并联耦合；及
控制器，其在接通所述第一FET之前先接通所述第二FET达一定时间间隔，并在接通所述第一FET之前关断所述第二FET。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二FET包含所述二极管。
13.根据权利要求12所述的系统，其进一步包括：
电源，所述第一FET在接通时将电流从所述电源传导到所述电感器。
14.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括：
电源，所述第一FET在接通时将电流从所述电源传导到所述电感器。
15.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括：
负载，其耦合到所述二极管及所述电感器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二FET包含所述二极管。
17.根据权利要求15所述的系统，其进一步包括：
电源，所述第一FET在接通时将电流从所述电源传导到所述电感器。
18.一种操作DC-DC电压转换器的方法，所述方法包括：
接通及关断所述DC-DC电压转换器中的高侧场效晶体管FET及低侧FET以调节所述DC-DC电压转换器中的节点处的电压；
在所述DC-DC电压转换器的异步操作期间，在接通所述高侧FET之前先接通所述低侧FET达一定时间间隔；及
在所述DC-DC电压转换器的异步操作期间，在接通所述高侧FET之前关断所述低侧FET。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
在所述DC-DC电压转换器的异步操作期间，接通所述低侧FET达所述时间间隔以将在二极管的正向传导期间形成在所述二极管中的空间区放电，其中所述二极管与所述低侧FET并联耦合。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括：
在所述DC-DC电压转换器的异步操作期间，接通所述低侧FET达所述时间间隔以在所述DC-DC电压转换器处于异步操作中时将在所述低侧FET的正向传导期间形成在所述低侧FET中的空间区放电。
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