CN113131741A - 降压转换器中功率晶体管的降压额定值 - Google Patents

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Abstract

本申请公开降压转换器中功率晶体管的降压额定值。一种器件(200)包括：降压转换器(201)，该降压转换器耦合至输入节点(106)和输出节点(208)；以及线性电压调节器(226)，该线性电压调节器耦合至输入节点并耦合至输出节点。

Description

降压转换器中功率晶体管的降压额定值
背景技术
降压型直流(DC)-DC电压转换器调节输出电压，其中输出电压的值小于电源提供的输入电压。降压转换器拓扑表示一类DC-DC电压转换器，该电压转换器具有开关器件以控制流经电感器(通常还包括电容器)的电流以调节输出电压。降压转换器包括：高压侧开关器件，该高压侧开关器件将电感器耦合至电源；以及低压侧开关器件，该低压侧开关器件在高压侧开关器件被截止时提供从接地节点到电感器的电流路径。在某些降压转换器中，高压侧开关器件为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，称为高压侧FET，而低压侧器件为MOSFET，称为低压侧FET。
发明内容
根据本公开的至少一个示例，一种器件包括：降压转换器，该降压转换器耦合至输入节点和输出节点；以及线性电压调节器，该线性电压调节器耦合至输入节点并耦合至输出节点。
根据本公开的另一示例，该器件包括：降压转换器，该降压转换器被配置为基于输入电压生成输出电压；以及端口控制器，该端口控制器耦合至该降压转换器并且被配置为耦合至通道晶体管。端口控制器被配置为接收指示输入电压高于第一阈值电压的第一信号，响应于接收到第一信号而生成用于关断通道晶体管的控制信号，接收指示通道晶体管的栅极电压低于第二阈值电压的第二信号，并响应于接收到第二信号而关断降压转换器。该器件还包括一种线性电压调节器，该线性电压调节器被配置为在降压转换器关断时调节输出电压。
根据本公开的又一个示例，一种用于操作降压转换器的方法包括：接收指示至降压转换器的输入电压高于第一阈值电压的第一信号；响应于接收到第一信号，生成用于关断耦合至降压转换器的输出的通道晶体管的控制信号；接收指示通道晶体管的栅极电压低于第二阈值电压的第二信号；响应于接收到第二信号，关断降压转换器；并且在关断降压转换器后，调节降压转换器的输出的电压。
根据本公开的又一示例，一种器件包括：汽车电池，该汽车电池被配置为提供输入电压；降压转换器，该降压转换器被耦合至汽车电池并被配置为基于输入电压生成输出电压；第一比较器，该第一比较器具有耦合至汽车电池并被配置为响应于输入电压高于第一阈值电压而断言第一输出信号的输入端，以及端口控制器，该端口控制器被耦合至降压转换器并被配置为耦合至通道晶体管。该端口控制器包括：第二比较器，该第二比较器具有耦合至通道晶体管的控制端子并且被配置为响应于控制端子的电压低于第二阈值电压而断言第二输出信号的输入端；以及与非门，该与非门具有被配置为接收第一和第二输出信号的输入端。降压转换器被配置为响应于与非门的输出被去断言而关断。该器件还包括一种线性电压调节器，该线性电压调节器被配置为在降压转换器关断时调节输出电压。
附图说明
对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：
图1为根据各种示例的说明性功率转换器电路的示意图；
图2为根据各种示例的更详细的图1的说明性功率转换器电路的示意图；
图3为根据各种示例的图2的说明性功率转换器电路的VOUT调节器电路的示意图；
图4为根据各种示例的图2的说明性功率转换器电路的端口控制电路的示意图；
图5示出了描绘根据各种示例的图2的说明性功率转换器电路的示例性功能的状态图；以及
图6示出了描绘根据各种示例的图2的说明性功率转换器电路的示例性功能的一组波形。
具体实施方式
在某些使用降压转换器的应用中，可能会发生甩负载故障(load dump fault)。甩负载故障是指受电负载与电源(例如，电池)的断开连接。甩负载故障的一个不希望有的影响是，保持与负载连接的其他器件的电压升高。例如，在汽车电子器件中，当在给电池充电时将车辆电池从交流发电机上断开连接时，就会发生甩负载故障。由于电池断开连接，耦合至交流发电机的其他负载会出现电压升高或功率激增的情况。
在可能发生甩负载故障的应用中使用的降压转换器需要容忍甩负载故障或导致电压升高的其他状况(例如，保护器件免于从降压转换器接收功率)。特别是，响应于甩负载故障，降压转换器关断(例如，高压侧和低压侧FET均关断)，并且高压侧FET和低压侧FET之间的开关节点放电至接地节点处的电压(例如，由于结或其他泄漏源)。因此，高压侧FET相对于接地节点处的电压应承受来自电源的尖峰输入电压。按惯例，使用额定电压较高的高压侧FET来承受由于甩负载故障而导致的电压升高；然而，额定电压较高的FET与Rsp*Qg因数的增加相关联，Rsp*Qg因数为FET导通电阻和FET栅极电荷的乘积。增加的Rsp*Qg因数继而与增加的开关损耗相关联，这将降低降压转换器能够提供给一个或多个连接的负载(例如器件)的功率。
本公开的示例针对一种器件，其中，降压转换器的开关节点被偏置到大于接地节点处的电压的电压，这在甩负载故障状况期间降低了在高压侧FET两端的电压。通过将开关节点偏置到适当的电压(例如，相对于甩负载故障期间的最大预期输入电压)，可以使用额定电压较低的高压侧FET，并且仍然能够承受甩负载故障导致的电压升高。例如，通过对降压转换器的开关节点进行偏置，可以将低压过程节点器件用作高压侧FET，而不是中压过程节点器件，如果开关节点没有偏置，则可以用作中压过程节点器件。相对于中压过程节点器件，低压过程节点器件与减小的Rsp*Qg因数相关联，因此，还与降压转换器操作期间的开关损耗降低相关联。因此，降压转换器因其降低的开关损耗而能够为一个或多个连接的器件提供更高的功率电平。下面参考附图更充分地说明这些示例。
图1示出了说明性的DC-DC电压转换器100的一部分。在一些示例中，DC-DC电压转换器100的一部分是降压转换器的一部分，为简单起见，示出没有输出电感器和电容器的情况。为了方便起见，在下文中将降压转换器100的该部分称为降压转换器100，并且将在下面参考图2更全面地说明。降压转换器100包括高压侧FET 102和低压侧FET 104。高压侧FET102耦合至输入节点106和开关节点110，而低压侧FET 104耦合至开关节点110和接地节点108。尽管未在图1中示出，但是降压转换器100由脉冲宽度调制(PWM)调制器和栅极驱动器控制，这将在下面进一步详细说明。
为了提供一致的数值示例，在汽车应用的背景下描述了降压转换器100，其中，降压转换器100将汽车电池供应的DC输入电压转换为通用串行总线(USB)C型电力输送(PD)器件的DC输出电压。然而，应当理解，本文所描述的示例类似地适用于其他情况，诸如工业或其他应用，以通过利用相对于其他情况下额定电压更低的高压侧FET 102来降低降压转换器100的开关损耗而无需偏置开关节点110。在汽车环境中，降低降压转换器100的开关损耗允许降压转换器100向其负载(例如USB C型PD器件)输送更多的功率。
继续该汽车示例，正常工作条件下的典型电池电压或输入电压(VIN)约为13-15VDC，而耦合至开关节点110的输出节点处的输出电压约为5V DC。然而，在示例性甩负载故障状况期间，VIN上升至约40V。尽管在甩负载故障状况期间不必继续操作降压转换器100(例如，为连接的USB C型PD器件供电)，如上所述，高压侧FET 102应该能够承受由甩负载故障情况导致的电压升高。
按惯例，降压转换器100响应于甩负载故障状况而关断，甩负载故障状况将开关节点110放电到接地节点108(例如，由于结或其他泄漏源)，这继而导致高压侧FET 102需要承受约40V的电压。在一个示例中，这要求高压侧FET 102为额定电压较高的FET(例如，额定为36V，绝对最大电压约为43V)，这将高压侧FET 102推入具有Rsp*Qg因数增加的中压过程节点。Rsp*Qg因数增加导致的开关损耗增加使常规降压转换器无法支持更高的功率电平(例如30W)，特别是对于更高频率下的多端口(例如多负载)USB C型PD应用而言。
本公开的示例将开关节点110偏置到大于接地节点处的电压的电压。即使在降压转换器100和/或相关联的通道晶体管未导通的情况下，本文所指的具体示例包括将开关节点110偏置至5V。结果，在甩负载故障状况期间，高压侧FET 102两端的电压减小到35V的说明性电压(例如，在40V处的VIN减去在5V处的偏置开关节点110)。因此，在一个示例中，高压侧FET 102为额定电压较低的FET(例如，额定为30V，具有约36V的绝对最大电压)，这导致低电压过程节点高压侧FET的Rsp*Qg因数减小。由减小的Rsp*Qg因数引起的减小的开关损耗使得本文描述的降压转换器100能够支持更高的功率电平(例如30W)，特别是对于在较高频率下的多端口(例如多负载)USB C型PD应用而言。
转到图2，该图示出了系统200，系统200包括上述的高压侧FET 102和低压侧FET104。如下面将进一步说明的，图2包括相对于图1的其他部件，以实现降压转换器201。如在图1中，低压侧FET 104耦合至接地节点108并耦合至开关节点110。类似地，高压侧FET 102耦合至开关节点110并耦合至输入节点106。电压源202(例如汽车电池)将输入电压VIN提供给降压转换器201。
在某些降压转换器201拓扑中，PWM用于控制相对于输入电压(VIN)的输出电压(VOUT)的调节。PWM调制器204改变高压侧FET 102和低压侧FET 104的占空比。占空比增加导致相对于输入电压的输出电压更高，而占空比减小导致相对于输入电压的输出电压更低。因此，系统200还包括耦合至栅极驱动器206的PWM调制器204。在一些示例中，栅极驱动器206包括电荷泵。PWM调制器204通过栅极驱动器206耦合至高压侧FET 102和低压侧FET104。一些示例可包括除PWM调制器204和栅极驱动器206之外的其他模块(未示出)。为了简单起见，假设PWM调制器204通过栅极驱动器206，控制或使降压转换器201响应于接收到断言的使能信号(EN)而导通，或者响应于接收到去断言使能信号而关断。
高压侧FET 102包括栅极、源极和漏极。高压侧FET 102的源极耦合至开关节点110，而高压侧FET 102的漏极耦合至输入节点106。低压侧FET 104还包括栅极、源极和漏极。低压侧FET 104的源极耦合至接地节点108，而低压侧FET 104的漏极耦合至开关节点110。
通过栅极驱动器206，PWM调制器204耦合至高压侧FET 102的栅极以导通和截止高压侧FET 102，并耦合至低压侧FET 104的栅极以导通和截止低压侧FET 104，以向电阻器220、224所代表的一个或多个负载提供输出电压(在输出节点208处为VOUT)。负载220、224分别通过通道晶体管218、222耦合至输出节点208。在该示例中，通道晶体管218、222包括n型MOSFET，每个n型MOSFET具有耦合至输出节点208的漏极，耦合至其相关负载220、224的源极以及由端口控制电路212控制的栅极，这将在下面进一步说明。尽管示出了两个负载220、224和两个通道晶体管218、222，但是本公开的示例也适用于将功率供应给更少(例如一个)负载和更多负载(例如，如图2的两个负载示例所示的并行布置的三个或更多个负载)的降压转换器201。输出节点208通过电感器214耦合至开关节点110。电容器216也耦合至输出节点208并耦合至接地节点108。
PWM调制器204将逻辑信号提供给栅极驱动器206，以导通和截止高压侧FET 102和低压侧FET 104。在一些情况下，PWM调制器204还接收反馈信号(例如，基于VOUT，并且为简单起见未示出)，并且基于该反馈信号来控制降压转换器201的操作。例如，PWM调制器204基于反馈信号来增大或减小占空比。例如，如果反馈信号指示VOUT低于期望值，则该反馈信号使PWM调制器204增加占空比，然后由栅极驱动器206执行该占空比以改变高压侧FET 102和低压侧FET 104的导通/截止时间。如果反馈信号指示VOUT高于期望值，则该反馈信号使PWM调制器204减小占空比，然后由栅极驱动器206执行该占空比以改变高压侧FET 102和低压侧FET 104的导通/截止时间。
如上所述，当降压转换器201关断时，开关节点110被偏置到大于接地节点108处的电压的电压。结果，当降压转换器201被关断时(例如，由于甩负载故障状况或其他电压增加超过阈值)，高压侧FET 102两端的电压减小，这允许高压侧FET 102使用额定电压较低的器件来实现。因此，系统200还包括比较器210，其具有耦合至输入节点106的非反相端子和被配置为接收参考电压或阈值电压(VREF)的反相端子。因此，比较器210将VIN与VREF进行比较，并且响应于VIN超过VREF而断言其输出(OVP)。继续汽车应用示例，VREF可以为约20V，这大于汽车电池的预期正常工作电压(例如13-15V)，但小于甩负载故障状况下的预期电压(例如40V)。因此，比较器210的输出为VIN是否已经超过VREF的指示。例如，当VIN大于VREF时，比较器210的输出被断言，而当VIN小于VREF时，比较器210的输出被去断言。
系统200还包括端口控制电路212，该端口控制电路212被耦合至比较器210的输出并被配置为接收比较器210的输出。因此，端口控制电路212被配置为从比较器210接收VIN已经超过VREF的第一指示(例如，当比较器210的输出被断言时)。响应于从比较器210接收到第一指示(例如，断言的信号)，端口控制电路212被配置为例如通过将通道晶体管218、222的栅极耦合至接地节点108来关断通道晶体管218、222。在一些示例中，通道晶体管218、222的栅极电容相对较大，因此通道晶体管218、222需要不可忽略的时间量来完全关断。
端口控制电路212还被配置为接收通道晶体管218、222的栅极电压已经下降到阈值电压以下的第二指示，从而指示通道晶体管218、222被截止。响应于接收到第二指示(例如，基于通道晶体管218、222的栅极电压与阈值的比较，下面进一步说明)，端口控制电路212被配置为例如通过去断言提供给PWM调制器204的使能信号(EN)而关断降压转换器201，这继而使PWM调制器204控制栅极驱动器206以关断高压侧FET 102和低压侧FET 104。在另一个示例中，端口控制电路212被配置为在与通道晶体管218、222大约同时或同时关断降压转换器201。
一旦端口控制电路212已关断通道晶体管218、222和降压转换器201，负载220、224就与输出节点208隔离，例如由于通道晶体管218、222的体二极管的方向。另外，输出电容器216相对较大，因此保持充电至降压转换器201的大约输出电压(例如，在汽车示例中为5V)。此外，系统200包括耦合至输入节点106并耦合至输出节点208的电压调节器226。电压调节器226被配置为在通道晶体管218、222和降压转换器201被关断时(例如，响应于使能信号(EN)被去断言)来调节输出节点208处的VOUT。继续汽车USB C型PD示例，电压调节器226被配置为将VOUT调节至约5V。在没有电压调节器226的情况下，即使通道晶体管218、222处于关断状态，输出电容器216最终也会通过结泄漏或其他泄漏源(诸如输出节点208耦合至的印刷电路板)进行放电，这继而将开关节点110处的电压拉至接地节点108处的电压。
如上所述，如果开关节点110一直向接地节点108放电，则在汽车环境中的甩负载故障状况期间，高压侧FET 102应承受40V，由于上述原因，这是不希望的。因此，通过提供电压调节器226，即使当降压转换器201和通道晶体管218、222被关断时，也保持电容器216两端的电压(例如，为5V)。结果，在甩负载故障状况期间，开关节点110也稳定到5V，从而在高压侧FET 102两端产生35V而不是40V。如上所述，这允许高压侧FET 102为额定电压较低的FET(例如，额定为30V，具有约36V的绝对最大电压)，这导致高压侧FET 102具有减小的Rsp*Qg因数。由减小的Rsp*Qg因数引起的减小的开关损耗使得降压转换器201能够支持更高的功率电平(例如30W)，特别是对于在较高频率下的多端口(例如多负载220、224)USB C型PD应用而言。如上所述，上述特定电压是在汽车应用的背景下进行的，并且无意于限制本文所述示例的范围。
图3示出了上面相对于图2所说明的用于电压调节器226的示例性电路的示意图。在一个示例中，电压调节器226为线性电压调节器。特别地，电压调节器226包括耦合至输入节点106并耦合至齐纳二极管304的第一电阻器302，齐纳二极管304继而耦合至接地节点108。电压调节器还包括晶体管306、第二电阻器310以及第二晶体管308，晶体管306在这种情况下为n型MOSFET，第二晶体管308在这种情况下为双极结型晶体管(BJT)。n型MOSFET306具有耦合至输入节点106的漏极、耦合至第二电阻器310的源极以及耦合至第一电阻器302与二极管304之间的节点的栅极。BJT 308的集电极耦合至n型MOSFET 306的栅极以及第一电阻器302和齐纳二极管304之间的节点。在该示例中，齐纳二极管304将参考电压提供给n型MOSFET 306的栅极。BJT 308还具有耦合至输出节点208的发射极和耦合至n型MOSFET306的源极的基极。
当由降压转换器201供应输出节点208时(例如，在降压转换器201的正常工作期间)，电压调节器226被关断(例如，如上所述由使能信号(EN)的互补控制)。然而，当降压转换器201被关断时(例如，由于甩负载故障状况)，电压调节器226被导通(例如，响应于EN被去断言)并且将VOUT调节至特定电压，该特定电压在上述汽车USB C型PD示例中为5V。在一个示例中，开关312耦合至输出节点208并且耦合至BJT 308和电阻器310。开关312响应于EN信号被断言而断开，当降压转换器201导通时，这将电压调节器226与输出节点208去耦；开关312响应于EN信号被去断言而闭合，当降压转换器201关断时，这将电压调节器226耦合至输出节点208。齐纳二极管304用作n型MOSFET 306的栅极的参考，n型MOSFET 306基于其VGS和齐纳二极管304的电压提供输出电压VOUT。电阻器310感测流到输出节点208的电流，因为当电阻器310两端的电压降达到BJT 308的VBE时，n型MOSFET 306的栅极被BJT 308下拉，从而限制了流入输出节点208的电流。因此，BJT 308调节n型MOSFET 306的栅极处的电压以维持流入输出节点208的电流，其中该电流值由电阻器310的值设定。应当理解，前述内容为电压调节器226的一种示例实施方式，并且将输出节点208偏置或钳位到特定电压的其他拓扑也在本公开的范围内。
在另一个示例中，作为降压转换器201的启动过程的一部分，但是在降压转换器201导通之前，电压调节器226还用于对电容器216进行预充电。例如，当在输入节点106处存在电池电压并且降压转换器201仍处于关断状态(例如，EN信号的互补被断言)时，电压调节器226导通并将输出节点208调节为特定电压(例如在汽车示例中为5V)，从而为电容器216充电。当输出节点208达到调节后的电压时，一旦电容器216已经被预充电，降压转换器201就被导通以调节输出节点208。一旦降压转换器201导通，通道晶体管218、222也导通。在此示例中，由电阻器310提供的电流限制在初始为电容器216充电时限制了浪涌电流。然而，在其中在降压转换器201被关断之后电压调节器226导通的示例性甩负载故障状况期间，由于相对较小的漏电流致使电阻器310两端的电压未达到BJT 308的VBE，所以电压调节器226的电流限制部分不起作用。
图4示出了上面相对于图2所说明的端口控制电路212的示意图。特别地，端口控制电路212包括电荷泵402，电荷泵402将足以导通通道晶体管218的电荷泵电压(VCP)提供给通道晶体管218的栅极。应当理解，尽管为简单起见相对于单个通道晶体管218描述了端口控制电路212，但是端口控制电路212也可扩展以控制和感测多个通道晶体管218、222的栅极电压。电流源404耦合至电荷泵402的输出，并且第一开关406耦合至电流源并耦合至通道晶体管218的栅极。第二开关408耦合至通道晶体管218的栅极并耦合至接地节点108。
在一个示例中，第一开关406和第二开关408由比较器210的输出(OVP)和负载开关使能信号(EN_LS)的组合来控制。在一个示例中，与门405接收反相的OVP信号和EN_LS信号作为输入，而与门405的输出控制第一开关406。继续该示例，或门407接收反相的EN_LS信号和OVP信号作为输入，而或门407的输出控制第二开关408。因此，当EN_LS被断言并且OVP被去断言时，指示通道晶体管218将被导通并且没有发生过压状况，第一开关406被闭合，第二开关408被断开，因此VCP被提供给导通的通道晶体管218的栅极。类似地，当EN_LS被去断言或OVP被断言时，指示通道晶体管218将被关断或发生过压状况，第一开关406断开，第二开关408闭合，因此通道晶体管218的栅极被拉到接地节点108，这关断通道晶体管218。如上所述，响应于VIN超过VREF而断言OVP，这指示发生了甩负载故障或其他过压状况，并且作为响应，端口控制电路212使通道晶体管218关断。因此，至少基于是否发生甩负载故障状况来导通和关断通道晶体管218。为了简化描述本公开的示例，该示例假设负载220保持耦合至通道晶体管218。例如，如果负载220没有耦合至通道晶体管218并且OVP被去断言(例如，没有发生甩负载故障状况)，则通道晶体管218将不会导通，直到负载220耦合至通道晶体管218。然而，为简单起见，假设负载220保持耦合至通道晶体管218，并且因此开关406、408由比较器210的输出(OVP)和EN_LS信号控制。
端口控制电路212还包括分压器，该分压器包括耦合至通道晶体管218的栅极并耦合至接地节点108的电阻器410、412。比较器414具有耦合至电阻器410和电阻器412之间的分压节点的反相端子和被配置为接收参考电压或阈值电压(VR)的非反相端子。因此，比较器414将与通道晶体管218的栅极电压相关的分压与VR比较，并响应于该分压下降到VR以下而断言其输出(LS_OFF)。在一个示例中，VR被建立在低于分压的电平指示通道晶体管218被关断的电平。
比较器414的输出LS_OFF作为至两输入与非门416的输入来提供。与非门416的另一输入耦合至比较器210的输出(OVP)。仅当LS_OFF和OVP均被断言时，或者当通道晶体管218完全关断且比较器210已检测到甩负载故障状况时，与非门416的输出才被去断言。在所有其他情况下，与非门416的输出被断言。
在该示例中，与非门416的输出为上述的使能信号(EN)。因此，当与非门416的输出被断言时，PWM调制器204控制门驱动器206以正常操作降压转换器201。相反，当使与非门416的输出去断言时，PWM调制器204控制栅极驱动器206以使高压侧FET 102和低压侧FET104关断，并因此使降压转换器201关断。
图5示出了根据本公开的示例的方法500的状态图，而图6示出了一组波形600，该波形600展示了以上关于图2描述的系统200的功能。一起参考图5和图6。图6示出了作为时间的函数的上述系统200的各个节点的电压电平。例如，如上所述，VIN波形对应于输入节点106处的电压(VIN)。OVP波形对应于比较器210(OVP)的输出，该输出被断言或被去断言。如上所述，VOUT波形对应于输出节点208处的电压(VOUT)。VGATE1和VGATE2波形分别对应于负载电阻器220、224的栅极电压。如上所述，EN波形对应于由端口控制器212的与非门416生成的使能信号。最后，SW波形对应于如上所述的开关节点110处的电压。
方法500从框502开始，在框502中，降压转换器201处于对应于图6中的时间t0的正常工作模式。继续该上面的汽车USB C型PD示例，VIN为14V(例如，汽车电池供应其正常电压)，因此OVP被去断言，从而指示没有发生甩负载故障状况。结果，端口控制器212输出经断言的EN信号，这使降压转换器201将VOUT维持在5V处，同时将足以导通通道晶体管218、222的电压提供给VGATE1和VGATE2。此外，随着PWM调制器204和栅极驱动器206控制降压转换器的高压侧FET 102和低压侧FET 104，开关节点110(SW)在接地节点108处的电压与输入节点106处的电压之间振荡。只要VIN保持低于VREF，在一个示例中VREF约为20V，方法500就保持在框502中。
然而，当VIN超过VREF时，这指示正在发生甩负载故障或其他过压状况，并且方法500继续到框504，在框504中，响应于由于VIN已超过VREF，OVP被断言，端口控制电路212关断通道晶体管218、222。至框504的过渡对应于图6中的时间t1。如上所述，在一些示例中，通道晶体管218、222的栅极电容相对较大，因此通道晶体管218、222需要不可忽略的时间量来完全关断，这反映在图6中从时间t1到时间t2的VGATE1和VGATE2的逐渐减小中。因此，只要通道晶体管218、222的栅极电压保持在阈值(例如，接地电压)以上，方法500就保持在框504中。
一旦通道晶体管218、222的栅极电压下降到阈值以下(例如，如上图4中所述，分压下降到VR以下)，方法500就继续到框506，在框506中，降压转换器201响应于端口控制器212去断言使能信号(EN)而被关断，该使能信号(EN)对应于图6中的时间t2。一旦降压转换器201被关断，随着流经电感器214的电流在零附近波动，开关节点110处的电压(SW波形)会振铃一段时间。然而，与VIN的上升时间相比，从时间t2到t3的SW波动持续时间相对较短，VIN直到t4才达到40V，此后VIN停止SW波动。结果，尽管SW不会立即稳定到5V(例如，它会波动到大于5V的电压)，但在一个示例中，VIN的上升速度不足以引起超过高压侧FET 102的额定电压的风险。在该示例中，SW在VIN达到40V之前稳定至5V，从而确保高压侧FET 102如上所述仅需要维持35V。
如上所述，由于将开关节点110偏置到大于接地节点108处的电压的电压的结果，所以能够使用额定电压较低的高压侧FET 102，这致使高压侧FET 102具有减小的Rsp*Qg因数。由减小的Rsp*Qg因数引起的减小的开关损耗允许本文描述的降压转换器201在较高的频率下支持更高的功率电平。
此外，尽管上面的示例是针对汽车应用描述的，以实现数值上的一致性，但本文描述的示例同样适用于其他情况，诸如工业或其他应用，以通过利用比其他情况下额定电压更低的高压侧FET 102来降低降压转换器100的开关损耗而无需偏置开关节点110。
在前面的讨论中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，因此应解释为表示“包括但不限于…”。在整个说明书中使用术语“耦合”。该术语可以涵盖实现与本公开的描述一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果器件A生成信号以控制器件B以执行动作，则在第一示例中，器件A与器件B耦合，或者在第二示例中，如果中间部件C不会实质上改变器件A与器件B之间的功能关系，则器件A通过中间部件C与器件B耦合，使得器件B经由器件A生成的控制信号被器件A控制。“被配置为”执行任务或功能的器件可以在制造时被制造商配置(例如，进行编程和/或硬连线)以执行功能和/或可以在制造后由用户配置(或重新配置)以执行功能和/或其他附加或替代功能。可以通过器件的固件和/或软件编程、通过硬件部件的构造和/或布局以及器件的互连或其组合来进行配置。此外，据说包括某些部件的电路或器件可以替代地被配置为耦合至那些部件以形成所描述的电路或器件。例如，被描述为包括一个或多个半导体元件(诸如晶体管)、一个或多个无源元件(诸如电阻器，电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(诸如电压源和/或电流源)的一种结构可以替代地仅包括单个物理器件内的半导体元件(例如，半导体管芯和/或集成电路(IC)封装)，并且可以被配置为耦合至至少一些无源元件和/或源以在制造时或制造后例如由最端用户和/或第三方形成所述结构。
尽管本文将某些部件描述为具有特定的处理技术(例如FET、金属氧化物半导体FET(MOSFET)、n型、p型等)，但可以将这些部件替换为其他处理技术的部件(例如，用BJT替换FET和/或MOSFET、用p型替换n型，反之亦然，等等)，并重新配置电路包括被替换部件，以提供至少部分类似于在部件替换之前可用的功能的期望功能。除非另有说明，否则示出为电阻器的部件通常代表串联和/或并联耦合以提供由示出的电阻器表示的一定量的阻抗的任何一个或多个元件。另外，在上述讨论中，短语“接地电压电势”的使用旨在包括机架接地、大地接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、公共接地和/或适用于或适合于本公开的教导的任何其他形式的接地连接。除非另有说明，否则在值之前的“约”、“大约”或“基本上”是指所述值的+/-10％。
以上讨论意在说明本公开的原理和各种示例。一旦完全理解上述公开，许多变化和修改对于本领域技术人员将变得明显。旨在将本公开解释为涵盖所有这样的变型和修改。

Claims (20)

1.一种器件，包括：
降压转换器，所述降压转换器耦合至输入节点和输出节点；以及
线性电压调节器，所述线性电压调节器耦合至所述输入节点并耦合至所述输出节点。
2.根据权利要求1所述的器件，进一步包括比较器，所述比较器具有耦合至所述输入节点的第一输入端和被配置为耦合至参考电压源的第二输入端。
3.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：
第一通道晶体管，其耦合至所述输出节点并耦合至第一端口；以及
第二通道晶体管，其耦合至所述输出节点并耦合至第二端口。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述电压调节器进一步包括：
齐纳二极管，其耦合至接地节点；
第一晶体管，所述第一晶体管耦合至所述输入节点，并具有耦合至所述齐纳二极管的控制端子；
电阻器，所述电阻器耦合至所述第一晶体管并耦合至所述输出节点；以及
第二晶体管，所述第二晶体管耦合至所述第一晶体管的所述控制端子并耦合至所述输出节点，并且具有耦合至所述电阻器和所述第一晶体管的控制端子。
5.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：
脉宽调制调制器即PWM调制器；以及
栅极驱动器，所述栅极驱动器耦合至所述PWM调制器并且耦合至所述降压转换器的高压侧晶体管的控制端子并且耦合至所述降压转换器的低压侧晶体管的控制端子。
6.根据权利要求5所述的器件，进一步包括：
电感器，所述电感器耦合至所述高压侧晶体管和所述低压侧晶体管之间的开关节点并耦合至所述输出节点；以及
电容器，所述电容器耦合至所述输出节点并耦合至接地节点。
7.根据权利要求5所述的器件，其中，所述高压侧晶体管的额定电压小于汽车甩负载电压。
8.一种器件，包括：
降压转换器，所述降压转换器被配置为基于输入电压生成输出电压；
端口控制器，所述端口控制器耦合至所述降压转换器并被配置为耦合至通道晶体管，所述端口控制器被配置为：
接收指示所述输入电压高于第一阈值电压的第一信号；
响应于接收到所述第一信号而生成用于关断所述通道晶体管的控制信号；
接收指示所述通道晶体管的栅极电压低于第二阈值电压的第二信号；以及
响应于接收到所述第二信号而关断所述降压转换器；以及
线性电压调节器，所述线性电压调节器被配置为在所述降压转换器关断时调节所述输出电压。
9.根据权利要求8所述的器件，进一步包括比较器，所述比较器被配置为生成所述输入电压高于第一阈值电压的所述第一信号。
10.根据权利要求8所述的器件，进一步包括：
第一通道晶体管，其耦合至所述降压转换器和所述端口控制器；以及
第二通道晶体管，其耦合至所述降压转换器并耦合至所述端口控制器，
其中，所述第一通道晶体管和所述第二通道晶体管被配置为分别选择性地将第一负载和第二负载耦合至所述降压转换器。
11.根据权利要求10所述的器件，其中，所述端口控制器进一步被配置为：
接收指示所述第一通道晶体管和所述第二通道晶体管中的每个通道晶体管的栅极电压低于所述第二阈值电压的第三信号；以及
响应于接收到所述第三信号而关断所述降压转换器。
12.根据权利要求8所述的器件，其中，所述端口控制器进一步被配置为：
接收指示所述输入电压低于所述第一阈值电压的第三信号；以及
响应于接收到所述第三信号，导通所述通道晶体管和所述降压转换器。
13.一种用于操作降压转换器的方法，包括：
接收指示至所述降压转换器的输入电压高于第一阈值电压的第一信号；
响应于接收到所述第一信号，生成用于关断耦合至所述降压转换器的输出的通道晶体管的控制信号；
接收指示所述通道晶体管的栅极电压低于第二阈值电压的第二信号；
响应于接收到所述第二信号，关断所述降压转换器；以及
在关断所述降压转换器之后，调节所述降压转换器的所述输出的电压。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括由比较器生成所述输入电压高于第一阈值电压的所述第一信号。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
通过第一通道晶体管将第一负载选择性地耦合至所述降压转换器；以及
通过第二通道晶体管将第二负载选择性地耦合至所述降压转换器。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
接收指示所述第一通道晶体管和所述第二通道晶体管中的每个通道晶体管的栅极电压低于所述第二阈值电压的第三信号；以及
响应于接收到所述第三信号，关断所述降压转换器。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
接收指示所述输入电压低于所述第一阈值电压的第三信号；以及
响应于接收到所述第三信号，导通所述通道晶体管和所述降压转换器。
18.一种器件，包括：
汽车电池，所述汽车电池被配置为提供输入电压；
降压转换器，所述降压转换器被耦合至所述汽车电池并被配置为基于所述输入电压而生成输出电压；
第一比较器，所述第一比较器具有耦合至所述汽车电池，并被配置为响应于所述输入电压高于第一阈值电压而断言第一输出信号的输入；
端口控制器，所述端口控制器耦合至所述降压转换器并被配置成耦合至通道晶体管，所述端口控制器包括：
第二比较器，所述第二比较器具有耦合至所述通道晶体管的控制端子，并被配置为响应于所述控制端子的电压低于第二阈值电压而断言第二输出信号的输入；以及
与非门，所述与非门具有被配置为接收所述第一输出信号和所述第二输出信号的输入，其中，所述降压转换器被配置为响应于所述与非门的输出被去断言而关断；以及
线性电压调节器，所述线性电压调节器被配置为在所述降压转换器关断时调节所述输出电压。
19.根据权利要求18所述的器件，其中，所述端口控制器被配置为：
接收指示所述输入电压高于第一阈值电压的所述第一输出信号；
响应于接收到所述第一输出信号而生成用于关断所述通道晶体管的控制信号；
接收指示所述通道晶体管的栅极电压低于第二阈值电压的所述第二输出信号；以及
响应于接收到所述第二输出信号而关断所述降压转换器。
20.根据权利要求18所述的器件，其中，响应于所述汽车电池被断开连接，所述降压转换器的高压侧晶体管的额定电压小于汽车甩负载电压。
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