CN113853735A - 用于在电荷泵中使用的开关的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
电力转换器包括电荷泵，在该电荷泵中晶体管在导通状态与不导通状态之间转变，从而使所述泵电容器在不同时间以不同布置互连。在晶体管之中，一个晶体管在该晶体管的源极和栅极处于相等电位时转变成导通状态。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月3日提交的题为“Driving Circuit for Switches Usedin a Charge Pump”的美国专利申请第16/402,874号的优先权，该美国专利申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及电力转换，并且特别地涉及电荷泵。
背景技术
在典型的电荷泵中，开关网络中的一组开关将泵电容器互连以在不同时间形成不同的电容器网络。通过在不同电容器网络之间转变，可以将输入电压变换成输出电压。这种类型的网络通常被称为“开关电容器网络”。
开关通常由场效应晶体管实现，可以通过增强和耗尽两个类似掺杂的半导体区域之间的反型层，使场效应晶体管在导通状态与不导通状态之间转变。为了引起该转变，通常使电场存在于在两个类似掺杂的半导体区域之间的相反掺杂的半导体区域中。这两个类似掺杂的区域通常被称为“源极”和“漏极”。相反掺杂的区域通常被称为“沟道”。
为了控制电场，通常在覆盖沟道区域的氧化层上放置传导金属板。该板通常被称为“栅极端子”。通过在该栅极端子上沉积和取出电荷，可以控制沟道区域内的电场。负责快速并且在特定时间沉积和取出该电荷的电路是“驱动器”。
一般而言，当不施加电压时，将不存在连接源极和漏极的反型层。因此，电荷载流子在试图穿越沟道时面临显著障碍。这意味着源极与漏极之间不存在显著的导通。当发生这种情况时，晶体管导通。在这种状态下，开关被称为“断开”或“截止”。
为了允许导通，必须在栅极端子上施加电压。该电压产生电场，该电场驱走多数载流子，从而削减栅极端子附近的层。然后，来自源极的电荷载流子可以进入该削减的层并从源极到达漏极。由于该层现在填充有从栅极的角度来看为少数载流子的载流子，即载流子反转，因此该层在本文中被称为“反型层”。当发生这种情况时，晶体管导通。在该状态下，开关被称为“闭合”或“接通”。
在如上所述的晶体管中，默认开关是断开的。这样的晶体管被称为“常断”。在这种情况下，要闭合开关，需要施加电压。
然而，也存在与这种特性相反的晶体管。在这些晶体管中，默认开关是闭合的。这种晶体管被称为“常通”。要断开开关，需要施加电压。这样的晶体管需要不同类型的驱动电路。
发明内容
本发明以用于电力转换的电荷泵为特征。电荷泵包括将电容器互连的开关，其中，开关中的至少一个开关由晶体管实现，该晶体管默认是闭合或接通的，并且必须通过施加合适的栅极电压来断开或关断。
在一方面，本发明以一种电力转换器为特征，其中，电荷泵包括用于将泵电容器互连的开关网络。控制器使实现开关网络的开关的晶体管在导通状态与不导通状态之间转变，由此使泵电容器在不同时间以不同布置互连。这些晶体管之中的第一晶体管在其源极和栅极处于相等电位时转变成导通状态。
在一些实施方式中，开关网络包括被设置成选择性地将泵电容器的阴极接地的晶体管以及被设置成将所述泵电容器的阳极互连的晶体管。前一个晶体管限定接地的开关，并且后一个晶体管限定浮置开关。
一些实施方式包括栅极驱动器，该栅极驱动器的输出连接至第一晶体管的栅极，其中第一晶体管的源极连接至栅极驱动器的电源。
同样在这些实施方式之中，存在其中第一晶体管的源极电位在电荷泵的操作期间相对于地浮置的实施方式。这意味着在电荷泵的操作期间，源极电位相对于地电位随时间变化。
在一些实施方式中，连接至第一晶体管的栅极的栅极驱动器使第一晶体管停止导通。这通过向第一晶体管的栅极施加电压来实现。当电力转换器在其操作期间在互连的泵电容器的不同布置之间转变时，该电压的值随时间变化。
同样在这些实施方式之中，电力转换器具有由不同半导体制成的两个管芯。第一管芯包括第一晶体管并且第二管芯包括用于驱动第一晶体管的驱动电路。在第一管芯与第二管芯之间存在通信链路。
在这些多管芯实施方式之中，存在其中第一管芯是无硅的并且第二管芯包括硅的实施方式。同样在这些实施方式之中，存在其中第一管芯由除硅之外的衬底形成的实施方式以及其中第二管芯由硅衬底形成的实施方式。
同样在这些多管芯实施方式之中，存在其中开关网络的晶体管在第一管芯上并且用于操作晶体管的控制器、栅极驱动器和电平移位器全部在第二管芯上的实施方式。这样的实施方式可以以由不同半导体制成的管芯为特征。在这些情况中的一些情况下，一个管芯是硅管芯，而另一个管芯是无硅管芯。在其他情况下，一个管芯由硅衬底制成，而另一管芯由除硅之外的衬底制成。
同样在这些多管芯实施方式之中，存在以下实施方式，其中第一管芯包括晶体管，该晶体管具有即使在没有电压施加至其栅极时也能够在其源极与漏极之间导通的特性以及在其栅极施加合适的电压时抑制其源极与其漏极之间的导通的特性。
当然，并非所有实施方式都需要两个管芯。本文中描述和要求保护的主题也可以在单个管芯上实现。在特定的单管芯实施方式中，管芯包括第一晶体管和用于驱动第一晶体管的第一驱动电路两者。
或者，本文中描述和要求保护的主题可以在三个管芯上实现。一些实施方式可以在四个、五个或甚至六个管芯上实现。事实上，本文中描述的主题可以在任何数量的管芯上实现。
在其他实施方式中，驱动器包括电压调节器，该电压调节器使驱动器的输出电压响应于相对于地测量的第一晶体管的源极电压的变化而变化。在这些驱动器之中存在如下驱动器，其中当使第一晶体管停止导通时偏置电容器两端的电压控制第一晶体管的栅极电压与源极电压之间的偏移。在这些实施方式之中，存在如下实施方式：其中调节器包括在偏置电容器两端并联连接的具有低串联阻抗的稳定DC电压源。在一些实施方式中，齐纳二极管实现这样的源，其中该齐纳二极管的击穿电压用作所需的稳定DC电压。
同样在这些实施方式之中，存在其中调节器包括连接至偏置电容器的分流设备的实施方式。连接至分流设备的栅极的运算放大器控制有多少电流通过栅极，并且以在偏置电容器上保持足够电压的方式进行控制。这些实施方式包括用于控制分流设备的事物，例如分流调整器。在各种分流调整器之中，存在如下分流调制器：有其中差分放大器提供调整通过分流设备的电流的控制信号。差分放大器包括第一输入和第二输入，第一输入和第二输入限定了响应于偏置电容器两端的电压的变化而变化的电压差。
替选地，分流设备和差分放大器可以用源极跟随器来替换。示例是偏置电路系统基于第一晶体管的源极电压的变化来控制连接至偏置电容器的分流设备的示例。
在其他实施方式中，用于驱动第一晶体管的驱动器包括开关电容器电路，在该开关电容器电路中第一电容器两端的电压控制第一晶体管的源极与栅极之间的电压差，并且第二电容器根据需要补充第一电容器上的电荷，以维持所期望的电压。开关电容器电路还具有将第一电容器与第二电容器彼此连接和断开的开关。
在其他实施方式中，用于驱动第一晶体管的驱动器包括开关电容器电路，在该开关电容器电路中第一电容器两端的电压控制第一晶体管的源极与栅极之间的电压差，并且第二电容器根据需要补充第一电容器上的电荷，以维持所期望的电压。在该实施方式中，开关被配置成将第一电容器与第二电容器彼此连接和断开，并且将第二电容器与外部电压源连接以及另外将第二电容器与外部电压源断开。
在其他实施方式中，电荷泵包括维持在中间电压处的内部节点。这些实施方式包括用于使用包括第一电容器和第二电容器的开关电容器电路来驱动第一晶体管的驱动器。第一电容器两端的电压控制第一晶体管的源极与栅极之间的电压差，并且第二电容器连接至节点以获得用于根据需要补充第一电容器以维持第一电容器两端的期望电压的电荷。
在其他实施方式中，电荷泵包括处于中间电压的内部节点。这些实施方式包括用于使用开关电容器电路来驱动第一晶体管的驱动器。开关电容器电路包括第一电容器、第二电容器和第三电容器。第一电容器两端的电压控制第一晶体管的源极和栅极之间的电压差，第二电容器连接至节点以获得用于根据需要补充第一电容器以维持第三电容器两端的期望电压的电荷，并且第三电容器补充第一电容器上的电荷。
实施方式还包括其中电感连接至电荷泵使得当电荷通过电感时泵电容器中的至少一个上的电荷量改变的实施方式以及其中LC电路连接至电荷泵的实施方式。
在其他实施方式中，不同的布置将泵电容器互连以形成在所述开关网络的操作期间的不同时间存在的至少两个电荷转移路径。在这样的实施方式中，电荷转移路径不同时共存。在通常的情况下，一个电荷转移路径将在某个时段内开始存在，并且然后将停止存在。这之后是短暂的死区时间，在该短暂的死区时间期间不存在电荷转移路径。在该死区时间过去之后，开关网络随后带来新的电荷转移路径。
所附的描述和背景描述了设备物理机制的某些方面，这些方面可以有助于理解权利要求中记载的主题。然而，重要的是要记住，所要求保护的本发明的主题独立地存在并且与基本设备物理机制的描述分开并且绝不依赖于该描述的真实性。这是基本认识论事实的自然结果，即所有这样的描述仅基于基本物理现实的可通过实验验证的模型，因此所有基于物理机制的解释都必然经受错误，并且科学进步的历史基本上只是校正这样的错误的历史。
根据下面的详细描述和附图，本发明的这些特征和其他特征将变得明显，在附图中：
附图说明
图1示出了使用互连的电容器来执行电压变换的2:1电力转换器；
图2示出了用于驱动来自图1所示的电力转换器的开关的驱动器的细节；
图3示出了依赖于与防止通过来自图1的常通晶体管的导通结合使用的齐纳二极管的驱动器；
图4示出了依赖于分流调整器以防止通过来自图1的常通晶体管的导通进行导通的驱动器；
图5示出了依赖于源极跟随器以防止通过来自图1的常通晶体管的导通进行导通的驱动器；
图6示出了依赖于开关电容器以防止通过来自图1的常通晶体管的导通进行导通的替选驱动器；以及
图7示出了依赖于一对开关电容器以防止通过来自图1的常通晶体管的导通的替选驱动器。
具体实施方式
图1示出了包括电荷泵12的电力转换器10。电荷泵12包括通过第一接地开关18和第二接地开关20以及第一浮置开关至第六浮置开关22、24、26、28、30、32互连的第一泵电容器14和第二泵电容器16。
图1所示的类型的电力转换器的另外示例在美国专利第8,860,396号、美国专利第8,743,553号、美国专利第8,723,491号、美国专利第8,503,203号、美国专利第8,693,224号、美国专利第8,724,353号、美国专利第8,619,445号、美国专利第9,203,299号、美国专利第9,742,266号、美国专利第9,041,459号、美国公开第2017/0085172号、美国专利第9,887,622号、美国专利第9,882,471号、PCT公开第WO2017161368号、PCT公开第WO2017/091696号、PCT公开第WO2017/143044号、PCT公开第WO2017/160821号、PCT公开第WO2017/156532号、PCT公开第WO2017/196826号/以及美国公开第2017/0244318号中详细地描述，以上美国专利和PCT公开的内容全部通过引用并入本文。
电荷泵12包括用于对电容器预充电使得电荷泵可以开始操作的附加电路系统。为清楚起见，该电路系统已被省略。
在操作期间，第一接地开关18和第二接地开关20以及第一浮置开关至第六浮置开关22、24、26、28、30、32被编排成在开关布置之间转变。每个开关布置由断开的一组开关和闭合的另一组开关限定。每个开关布置存在一段时间。
在其操作的过程期间，电荷泵12从第一开关布置转变至下一开关布置并且最终回到第一开关布置。从第一开关布置经过一个或更多个下一开关布置然后回到第一开关布置的这些转变将在电荷泵的操作期间无限地重复。
所示的转换器10具有处于第一电压和第二电压的第一端口34和第二端口36。在所示的电力转换器10中，这些电压之间的比例是2:1。然而，所示的架构能够容易地扩展到具有N:1的电压比例。
电荷泵12的开关布置中的两个开关布置在电荷泵12内形成两个不同的电荷转移路径。然而，本文中描述的方法和系统可以与以下电荷泵一起使用，该电荷泵具有在操作期间形成多于两个单独且不同的电荷转移路径的布置以及仅依赖于穿过电荷泵的单个电荷转移路径的布置。
当充电时，每个泵电容器14、16在由存储在其中的电荷产生的电场内存储能量。电荷泵12的操作涉及在泵电容器14、16之间移动与该场相关联的能量。由于该能量由电荷产生，因此一种实现方式是例如通过简单地将两个电容器连接在一起将电荷从一个电容器移动到另一个电容器。这将使一个电容器放电，同时给另一个电容器充电。因此，电荷的移动引起能量从一个电容器移动到另一个电容器。
然而，在电容器之间移动能量的这种方式引起损失。为了减少这样的损失，从一个电容器中获取能量并将其暂时存储在磁场中是有用的。然后，可以将该存储的磁能转换成存储在另一电容器中的电能。这样做的实际效果是实现将电能从一个电容器移动到另一电容器，同时避免与电容器之间的电荷重新分配相关联的损失。
这种形式的能量转移可以通过如下来执行：策略上放置电感使得转入和转出至少一个电容器的电荷与通过电感器的电流相关联。电感使用该电流来支持存储相关联能量的磁场。然后，该能量可以在电荷泵12的操作中的后期阶段期间从磁场恢复并且被转换成存储在电容器中的电能。实际上，电感创建了一种形式的“磁性飞轮”，其恢复和回收能量，如果不恢复和回收，这些能量会在电荷重新分配期间丢失。
因此，所示的电力转换器10包括电感器38，可以通过第三浮置开关至第六浮置开关26、28、30、32的操作使该电荷通过该电感器38。在维持在相对恒定的电压的终端电容器40处收集通过电感器38的电荷。
电感器38的位置被选择成确保泵电容器14与泵电容器16之间的电荷重新分配将引起电流通过电感器38。因此，将允许电感器38捕获与该电荷重新分配相关联的能量，并且然后在后来的时间处释放该能量。此外，电感器38必须具有被选择成避免引起谐振条件的电感，谐振条件可能由第三浮置开关至第六浮置开关26、28、30、32的操作激发。
本文中描述的电力转换器的特定示例以第一管芯42和第二管芯50为特征。然而，这仅作为示例。可以在单个管芯上实现结合本文中描述的原理的电力转换器。替选地，可以在三个或更多个管芯中实现如本文中所述的电力转换器。
第一管芯42承载开关18至32。第二管芯50承载用于操作电荷泵12的其他电路。这样的电路的示例包括驱动电路44、电平移位器46和控制器48。在电力转换器10的操作期间，第一管芯42和第二管芯50交换输入信号52和输出信号54。第二管芯50还包括用于与其他设备交换数字信号的外部接口56。
可以使用各种晶体管来实现开关18至32。其中存在场效应晶体管和结型晶体管。结型晶体管的示例包括双极结型晶体管。场效应晶体管的示例包括异质结晶体管和同质结晶体管。同质结晶体管的示例是MOSFETS和JFET。异质结晶体管的示例包括高电子迁移率晶体管。
可以使用各种材料作为半导体。在一些实施方式中，半导体是单质半导体，例如硅或锗。在其他实施方式中，半导体是化合物半导体。示例包括碳化硅、磷酸铟、砷化镓、氮化镓、氮化铝镓和硅锗。
适于实现开关18至32中的一个或更多个开关的晶体管中的一个晶体管除非电压被施加至其栅极以防止其源极与漏极之间导通，否则其源极与漏极之间导通。常通的合适晶体管的示例包括在两种不相似的材料且不仅是相同材料的两种不同掺杂的变体之间存在结的晶体管。
在这些实施方式中的一些实施方式中，管芯具有由彼此邻接以形成结的两种不相似材料制成的两个区域。通过合适地布置这两个不相似材料的区域，可以形成在导带中填充有高迁移电子的非常薄的层。这些高迁移率电子好像它们是气体一样自由流动。如此，这些高迁移率电子形成晶体管的源极与漏极之间的导通的基础，只要不对晶体管的栅极端子施加电压以抑制这样的导通。
在一个实施方式中，不相似材料中的一种不相似材料是半导体晶体的节点填充有镓原子和砷原子的半导体晶体，并且另一种不相似材料是节点填充有镓原子、铝原子和砷原子的半导体晶体。这两个区域彼此邻接以形成结。
前述示例是晶体管或电子阀的许多可能实现方式中的一个，上述晶体管或电子阀允许电流通过，除非采取某步骤来停止电流流动。这样的设备不同于没有电流通过设备的设备——除非采取某步骤来允许这样的电流流动。本文中描述的电路与设备为何处于常通状态的特定原因无关，并且因此适用于所有这样的设备，而不管使设备如此表现的基本物理机制如何。
在电力转换器中，有用的是，电荷泵12自身内的开关用提供高迁移率电荷载流子的晶体管来实现以实现高电力效率。然而，用于控制电荷泵12的附加电路系统没有从该优点中获益太多。因此，难以证明这样的开关的附加成本是合理的。因此，考虑到当今制造技术的限制，有用的是，由节点是硅原子的晶体制造第二管芯50。与第一管芯42上的晶体管相比，第二管芯50上的晶体管是在没有施加到其对应栅极的电压的情况下不支持它们各自的源极与漏极之间的导通路径的类型。
控制器48以使第一泵电容器14和第二泵电容器16具有不同配置的方式使开关18至32断开和闭合。通常，控制器48不直接与开关18至32通信。为了断开或闭合开关18至32，控制器48向驱动电路44发送控制信号。正是该驱动电路44最终使电荷流入或流出被驱动晶体管的栅极区域以断开或闭合开关18至32。
图2示出了用于驱动一个晶体管64的一个栅极驱动器58，该晶体管64在下文中将被称为“被驱动晶体管”64。驱动电路44具有与被驱动晶体管64一样多的栅极驱动器58。
栅极驱动器58包括控制输入60和栅极驱动输出62。控制输入60连接至控制器48并从该控制器48接收控制信号。栅极驱动输出62连接至实现开关18至32的被驱动晶体管64的栅极端子。响应于其控制输入60处的控制信号，栅极驱动器58使电荷朝向或远离被驱动晶体管64的栅极端子流动，以使被驱动晶体管64在导通状态与不导通状态之间转变。
该电荷必须来自某处。为了供应该电荷，栅极驱动器58以第一电力端子66和第二电力端子68为特征。第一电力端子66与第二电力端子68之间的电位差提供了电动势，该电动势可以用于在被驱动晶体管的栅极端子处放置过量电荷并且因此放置电压。
为了使这样的电位差存在，有用的是，将两个电力端子66、68中的一个电力端子连接至被驱动晶体管64的源极，并且将两个电力端子68、66中的另一个电力端子连接至相对于源极电压以一定偏移固定的电压。
在被驱动晶体管64是需要向其栅极施加电压以停止其源极与漏极之间的导通的晶体管的那些情况下，被驱动晶体管的源极端子连接至第一电力端子66。这是图2所示的配置。在所有其他情况下，被驱动晶体管的源极端子连接至第二电力端子68。
第一电力端子66与第二电力端子68之间的恒定电压差由偏置电容器70产生，该偏置电容器70的阳极连接至第一电力端子66而其阴极连接至第二电力端子68。因此，偏置电容器70两端的电压是维持第一电力端子66与第二电力端子68之间的恒定电位差的偏移。这意味着，调整偏置电容器70两端的电压相当于调整第一电力端子66与第二电力端子68之间的电位差。
在正常操作中，被驱动晶体管的源极电压在相对于地的不同值之间转变。因此，最终连接至被驱动晶体管的源极的第一电力端子66处的电压也在相对于地的不同值之间转变。因为偏置电容器70相对于第一电力端子66以固定偏移维持第二电力端子68，因此第二电力端子68处的电压同样相对于地变化。然而，第一电力端子66与第二电力端子68之间的电压差保持箝位在与偏置电容器70两端的电压的相同值。
对于接地开关18、20，不需要另外的电路系统。最终，接地开关18、20的源极端子接地。因此，接地开关18、20不得不具有恒定的源极电压。因此，要使接地开关18、20停止导通，只需将偏置电容器的阴极连接至负电源电压即可。该负电源电压的幅度被设置为用于停止被驱动晶体管64的导通的栅极电压与源极电压之间的期望偏移。偏置电容器70的阳极与被驱动晶体管的源极端子一起接地。
对于浮置开关22至32，驱动电路44依赖于电压调节器72来适应被驱动晶体管的源极电压的变化。本文中描述的各种驱动电路44的主要区别在于电压调节器72的细节。
图3示出了其中电压调节器72依赖于具有低串联阻抗的稳定DC电压源的驱动电路44。在所示的特定注入中，齐纳二极管74用作所需的DC电压源。
偏置电容器70的阴极连接至串联电阻器76，该串联电阻器76与电压源78串联，该电压源78维持其端子两端的负电压。如此，偏置电容器的阴极处的电压是该负电压偏移与串联电阻器76相关联的电压降。
在仅到目前为止标识的部件的情况下，偏置电容器70两端的电压将趋于随时间变化。这是不期望的，因为当被驱动晶体管64应该截止时，在被驱动晶体管64处的栅极电压与源极电压之间需要固定的偏移。
为了确保这样的固定偏移，有用的是，将齐纳二极管74连接在偏置电容器70两端并且其中齐纳二极管74在击穿模式下操作。这确保偏置电容器70两端的电压保持与齐纳二极管74的击穿电压相关。串联电阻器76和电压源78确保DC路径可用于齐纳二极管的电流流动。
因此，在操作中，当控制器48向控制输入60提供控制信号以闭合开关时，栅极电压将等于源极电压。这是因为被驱动晶体管64的源极端子已经与栅极驱动器58的第一电力端子66短路。这导致在被驱动晶体管的栅极与源极之间没有电压差。在该配置中，被驱动晶体管64导通。
当控制器48向栅极驱动器的控制输入60发送信号以断开开关时，栅极电压由于已被齐纳二极管74箝位而将处于与源极电压的固定偏移下。得到的晶体管的栅极与源极之间的电压差防止被驱动晶体管64导通。
虽然所示的特定实施方式依赖于齐纳二极管74，但是可以用具有低串联阻抗的任何稳定的DC电压源来替换齐纳二极管74。
在图4所示的替选驱动电路44中，调节器72依赖于分流调整器。该实施方式包括RC电阻器82和与该RC电阻器82并联的RC电容器84。RC电阻器82和RC电容器84一起限定了连接在第一电力端子66与差分放大器90的反相输入88之间的RC电路86。因此，呈现给反相输入88的电压等于第一电力端子66处的电压，但减小了由电流源94汲取的电流引起的RC电阻器82两端的电压降。
同时，差分放大器90的非反相输入88连接至第二电力端子68。
因此，差分放大器90经受由RC电阻器82控制的电压差和流过电流源94的电流。该电压差提供差分放大器90执行对偏置电容器70两端的电压的反馈控制的基础。
差分放大器90具有连接至分流设备92的栅极的输出，在该实施方式中，分流设备92被实现为增强型场效应晶体管。分流设备92连接至偏置电容器70的阴极，使得当使分流设备92导通时，其使偏置电容器70放电。
当差分放大器90使分流设备92导通时，电荷流出偏置电容器70，从而降低偏置电容器70两端的电压。这提供了调整偏置电容器70两端的电压的方式。因此，电流源94和分流设备92协作以形成电压受控的电流源。通过该电压受控的电流源的电流取决于由差分放大器的输出提供的电压。
差分放大器的反相输入88也连接至该电流源94。电流源94提供的电流与RC电阻器82的电阻的乘积所限定的电压降设置偏置电容器70两端的期望电压差。当被驱动晶体管64不导通时，该电压差将最终设置栅极与源极之间的电压差。
同时，差分放大器90的非反相输入96连接至偏置电容器70的阴极。
在操作中，可以看出差分放大器调整分流设备92的栅极电压以努力确保反相输入与非反相输入88、96之间的电压差为零。这相当于确保偏置电容器70两端的电压等于由于由电流源94汲取的电流而引起的RC电阻器82两端的电压降。
只要反相输入与非反相输入88、96之间的电压差为零，分流设备92就保持断开。因此，已经处于正确值的偏置电容器70两端的电压不会改变。在所有其他情况下，差分放大器90闭合分流设备92以允许在偏置电容器70两端的电压下存储的电荷以将反相输入与非反相输入88、96之间的电压差恢复为零的方式改变。一旦发生这种情况，平衡已经恢复并且差分放大器90再次断开分流设备92。
偏置电容器70提供电荷以关断被驱动晶体管64。偏置电容器70还提供支持操作栅极驱动器58所需的任何供应电流和偏置电流所需要的电荷。在提供该电荷的过程中，偏置电容器70将自然地自己放电。因此，必须补充偏置电容器70在这些操作期间不可避免地损失的电荷。差分放大器90、分流设备92、电流源94、RC电阻器82和RC电容器84全部协作以限定补充偏置电容器70在执行其功能时损失的电荷的分流调整器。
通过适当地选择RC电阻器82两端的电压降的值，可以建立偏置电容器70两端的电压差的设置点。这确保当被驱动晶体管64要断开时，栅极电压与源极电压相差所需的量。
差分放大器90和分流设备92限定了分流调整器98。
在电荷泵12具有用于对偏置电容器70再充电的50％占空比的情况下，分流调整器98可以具有相对低的带宽。这利于反馈回路的稳定性。在一些情况下，可以完全省去反馈回路。
除了被驱动晶体管64和偏置电容器70之外的部件被集成到第二管芯50中。在使用高密度电容器的实施方式中，存在还集成偏置电容器70的可能性。在一些实施方式中，附加的内部电容器在瞬态事件期间维持稳定的电源电压。
图5示出了其中调节器72依赖于源极跟随器的驱动电路44。
栅极驱动器58的第一电力端子66连接至偏置电容器70的阳极和被驱动晶体管的源极两者。第二电力端子68连接至偏置电容器70的阴极和作为源极跟随器的分流设备92。
驱动电路44还包括并联RC电路86，其连接在栅极驱动器58的第一电力端子66与分流设备92的栅极之间。并联RC电路86包括与RC电容器84并联的RC电阻器82。分流设备92的栅极还连接至电流源94。由电流源的电流与RC电阻器82的电阻的乘积限定的电压降设置偏置电容器70两端的期望电压差。
RC电路86和偏置电容器70的阳极两者都连接至相同的电压。在该配置中，RC电阻器82两端的电压降和分流开关的栅极与源极之间的电压降之和将等于偏置电容器70两端的期望电压降。如果被驱动晶体管64的源极电压改变，则呈现给分流设备92的栅极端子的电压和呈现给分流设备92的源极端子的电压将偏离。因此，通过分流设备92的电流将改变。这将允许偏置电容器70上的电荷量改变，从而改变偏置电容器70两端的电压差，直到该电压差再次与电阻器82两端的电压差匹配。此时，呈现给分流设备92的栅极电压和源极电压将再次达到稳态条件。
通过适当地选择RC电阻器82两端的电压降的值，可以建立偏置电容器70两端的电压差的设置点。这确保当被驱动晶体管64要断开时，栅极电压与源极电压相差所需的量。
如图5所示的源极跟随驱动电路44对于N:1转换器特别有用，其中，来自电荷泵12的中间电压在分流设备98处产生较低的偏置电压，从而利于在偏置电容器70的阴极处响应其阳极产生负偏置电压。这进而产生负偏置电压以使被驱动晶体管64停止导通。电流源94和RC电阻器82协作以生成相对于电荷泵12中的中间电压中的适当中间电压的偏置电压。
在图5所示的源极跟随驱动电路44中，除了被驱动晶体管64和偏置电容器70之外的部件被集成到第二管芯50中。在使用高密度电容器的实施方式中，存在还集成偏置电容器70的可能性。在一些实施方式中，附加的内部电容器在瞬态事件期间维持稳定的电源电压。
图6示出了替选驱动电路44，其中第一开关100、第二开关102、第三开关104和第四开关106使第一存储电容器108在收集更多电荷与根据需要向偏置电容器70分配电荷之间交替。
闭合第一开关100将第一存储电容器108连接至被驱动晶体管的源极、连接至第一电力端子66以及连接至偏置电容器70的阳极。闭合第二开关102将第一存储电容器108连接至第二电力端子68以及连接至偏置电容器70的阴极。闭合第三开关104将第一存储电容器108连接至电压源。闭合第四开关108使第一存储电容器106接地。
当被驱动晶体管64导通时，控制器48使第三开关104和第四开关106闭合以补充第一存储电容器108。这将确保存储电容器108在其被调用采取结束导通的动作时准备好足够的电荷。
在电荷补充阶段，控制器48使第三开关104和第四开关106断开，并且然后使第一开关100和第二开关102闭合。这允许第一存储电容器108补充偏置电容器70上的电荷，因此确保偏置电容器70两端的电压足以驱动被驱动晶体管64进入不导通状态并将其保持在该状态。
在图6所示的实施方式中，可能需要第三开关104和第四开关106足够鲁棒以维持高电压。图7中所示的替选的基于开关电容器的驱动电路44通过从电荷泵12内可用的中间电压之一获取电源电压来消除该困难。这是以附加电容器为代价的。
在图7中，也依赖于开关电容器电路的替选驱动电路44包括具有控制输入60、栅极驱动输出62、第一电力端子66和第二电力端子68的栅极驱动器58。控制输入60连接至控制器16以接收用于控制被驱动晶体管64的控制信号。栅极驱动输出62连接至被驱动晶体管64的栅极。
栅极驱动器58的第一电力端子66连接至偏置电容器70的阳极和被驱动晶体管的源极两者。第二电力端子68连接至偏置电容器70的阴极。
驱动电路44还包括将偏置电容器70与第一存储电容器108和第二存储电容器110互连以形成开关电容器网络的第一开关100和第二开关102。第一存储电容器108和第二存储电容器110用作分压器，使得偏置电容器70两端的电压最终取决于第一存储电容器108和第二存储电容器110的电容之间的比例。
当闭合时，第一开关100创建第一存储电容器108与偏置电容器70之间的并联连接。当闭合时，第二开关102串联连接第一存储电容器108和第二存储电容器110。第二存储电容器110连接至源自电荷泵112内的另一位置的中间电压。
在操作中，当被驱动晶体管64导通时，第一开关100断开并且第二开关102闭合。因此，第二存储电容器108使用中间电压源补充其电荷。
当需要补充偏置电容器70上的电荷时，第二开关102断开，之后第一开关100闭合。在第一存储电容器106和偏置电容器70现在并联的情况下，第二存储电容器108能够补充偏置电容器70上的电荷，从而将偏置电容器70两端的电压升高到使被驱动晶体管64停止导通所需的偏移。
在该配置中，第一开关100和第二开关102可以是相对低电压的开关，因为它们将连接至电荷泵12内的较低中间电压，而不是连接至可能高得多的外部电源电压。
已经描述了本发明及其优选实施方式，所要求保护的内容由所附权利要求来限定。
Claims (26)
1.一种装置，包括：
电力转换器，其包括：电荷泵，所述电荷泵包括用于将多个泵电容器互连的开关网络，其中，所述开关网络包括控制器和能够被控制以在不同状态之间转变的多个晶体管；以及
驱动电路，其用于经由所述开关网络驱动所述多个晶体管以使所述多个泵电容器以不同的布置互连，
其中，所述控制器使所述多个晶体管在所述不同状态中的至少第一状态与第二状态之间转变以形成所述不同布置，并且
其中，所述多个晶体管包括第一晶体管，响应于所述第一晶体管的源极和栅极处的电位基本上相同，所述第一晶体管转变成所述第一状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括连接至所述第一晶体管的所述栅极的栅极驱动器，并且其中，所述第一晶体管的所述源极连接至所述栅极驱动器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述电荷泵的操作期间，所述第一晶体管的所述源极电位随时间变化。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括连接至所述第一晶体管的所述栅极的栅极驱动器，所述栅极驱动器向所述第一晶体管的所述栅极施加电压以使所述第一晶体管停止导通，并且其中，所述电压随着所述电力转换器的所述不同布置而变化，并且在所述电力转换器的特定布置期间保持恒定。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，所述驱动器包括电压调节器，所述电压调节器使所述驱动器的输出电压响应于所述第一晶体管的源极电压的变化而变化。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括第一管芯和第二管芯，其中，所述第一管芯包括所述第一晶体管，其中，所述第二管芯包括用于驱动所述第一晶体管的所述驱动电路，其中，在所述第一管芯与所述第二管芯之间存在通信链路，并且其中，所述第一管芯和所述第二管芯由不同的半导体制成。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二管芯还包括外部接口，所述外部接口利于与一个或更多个设备交换数字信号。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括由除硅之外的衬底形成的第一管芯以及由硅衬底形成的第二管芯，其中，所述第一管芯包括所述第一晶体管，其中，所述第二管芯包括用于驱动所述第一晶体管的所述驱动电路，并且其中，在所述第一管芯与所述第二管芯之间存在通信链路。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述除硅之外的衬底包括氮化镓衬底。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，所述驱动器包括与偏置电容器并联连接的齐纳二极管，所述偏置电容器两端的电压在使所述第一晶体管停止导通时控制所述第一晶体管的栅极电压与源极电压之间的偏移，并且其中，所述齐纳二极管耦接在所述第一晶体管的源极与电压源之间。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，其中，所述驱动器包括偏置电容器和晶体管开关，其中，所述偏置电容器连接至所述晶体管开关，并且其中，所述晶体管开关在所述偏置电容器两端的电压超过所述第一晶体管的漏极与所述源极之间的期望偏移时闭合。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，其中，所述驱动器包括偏置电容器、差分放大器和晶体管开关，其中，所述偏置电容器连接至所述晶体管开关，其中，所述差分放大器提供控制信号以断开或闭合所述晶体管开关，其中，所述差分放大器包括第一输入和第二输入，所述第一输入和所述第二输入限定响应于所述偏置电容器两端的电压的变化而变化的电压差，并且
其中，当使所述第一晶体管停止导通时，所述偏置电容器两端的电压控制所述第一晶体管的栅极电压和源极电压之间的偏移。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，其中，所述驱动器包括偏置电容器和连接至所述偏置电容器的晶体管开关，其中，所述晶体管开关接收响应于所述第一晶体管的源极电压的变化而断开或闭合的信号，并且其中，所述偏置电容器两端的电压控制所述第一晶体管的栅极电压与源极电压之间的差。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，其中，所述驱动器包括开关电容器电路，所述开关电容器电路包括第一开关和第二开关以及第一电容器和第二电容器，并且其中，所述第一电容器两端的电压控制所述第一晶体管的所述源极和所述栅极之间的电压差。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第二电容器根据需要补充所述第一电容器上的电荷以维持所述第一电容器两端的期望电压，并且其中，所述第一开关和所述第二开关用于将所述第一电容器与所述第二电容器彼此连接和断开。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路包括用于驱动所述第一晶体管的驱动器，其中，所述驱动器包括开关电容器电路，所述开关电容器电路包括将偏置电容器与第一电容器和第二电容器互连的第一开关和第二开关，并且其中，所述第一电容器两端的电压控制所述第一晶体管的所述源极和所述栅极之间的电压差。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，在所述第一电容器和所述偏置电容器并联耦接的情况下，所述第二电容器根据需要补充所述偏置电容器上的电荷以维持所述偏置电容器两端的期望电压，并且其中，所述第一开关和所述第二开关用于将所述第一电容器与所述第二电容器彼此连接和断开，以及用于将所述第二电容器与外部电压源连接和断开。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电荷泵包括处于中间电压的内部节点，还包括驱动器，所述驱动器包括开关电容器电路，其中，所述开关电容器电路包括第一电容器和第二电容器，其中，所述第一电容器两端的电压控制所述第一晶体管的所述源极和所述栅极之间的电压差，并且其中，所述第二电容器连接至所述内部节点以获得用于根据需要补充所述第一电容器以维持所述第一电容两端的期望电压的电荷。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电荷泵包括处于中间电压的内部节点，还包括驱动器，所述驱动器包括开关电容器电路，其中，所述开关电容器电路包括第一电容器、第二电容器和第三电容器，其中，所述第一电容器两端的电压控制所述第一晶体管的所述源极和所述栅极之间的电压差，其中，所述第二电容器连接至所述内部节点以获得用于根据需要补充所述第一电容器以维持所述第三电容器两端的期望电压的电荷，并且其中，所述第三电容器用于补充所述第一电容器上的电荷。
20.根据权利要求1所述的装置，还包括电感，所述电感连接至所述电荷泵以恢复至少一些能量，如果不恢复，所述至少一些能量会在所述泵电容器之间的重新分配电荷期间损失，并且随后将所述恢复的能量释放回至所述电荷泵。
21.根据权利要求1所述的装置，其中，所述不同布置将所述泵电容器互连以形成在所述开关网络的操作期间的不同时间存在的至少两个电荷转移路径。
22.根据权利要求1所述的装置，还包括管芯，其中，所述管芯包括所述第一晶体管和用于驱动所述第一晶体管的所述驱动电路。
23.根据权利要求1所述的装置，还包括第一管芯和第二管芯，其中，所述开关网络的所述多个晶体管在所述第一管芯上并且操作所述多个晶体管的所述控制器、栅极驱动器和电平移位器在所述第二管芯上。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述第一管芯至少部分地由氮化镓形成并且所述第二管芯由以下中的至少一个形成：碳化硅；磷酸铟；砷化镓；氮化铝镓；或硅锗；或其任何组合。
25.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开关网络包括被设置成选择性地将所述泵电容器的阴极接地的晶体管和被设置成将所述泵电容器的阳极互连的晶体管。
26.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一状态包括导通状态并且所述第二状态包括不导通状态。
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