CN114696596A - 功率转换器控制 - Google Patents

Abstract

本申请涉及功率转换器控制。在一些示例中，一种装置(100)包括具有驱动器输出的驱动器(110)；具有第一板件和第二板件的电容器(114)，该第一板件耦合到该驱动器输出；以及具有晶体管栅极、晶体管源极和晶体管漏极的晶体管(126)。该装置还包括，耦合在该第二板件与该晶体管栅极之间的第一开关(118)、耦合在该第二板件与该晶体管漏极之间的第二开关(116)和耦合在该晶体管栅极与该晶体管漏极之间的第三开关(120)。

Description

功率转换器控制

背景技术

开关模式电源(SMPS)通过切换一个或多个功率晶体管或经过开关节点/端子耦合到能够耦合到负载的能量储存元件(比如电感器、变压器电感和/或电容器)的其他开关元件，将电力从输入电源转移到该负载。功率晶体管可以包括在功率转换器中，该功率转换器包括或能够耦合到能量储存元件。SMPS可以包括SMPS控制器，以提供一个或或多个控制信号来切换该功率晶体管。

发明内容

在一些示例中，一种装置包括，具有驱动器输出的驱动器；具有第一板件和第二板件的电容器，该第一板件耦合到该驱动器输出；以及具有晶体管栅极、晶体管源极和晶体管漏极的晶体管。该装置还包括，耦合在该第二板件与该晶体管栅极之间的第一开关、耦合在该第二板件与该晶体管漏极之间的第二开关和耦合在该晶体管栅极与该晶体管漏极之间的第三开关。

在一些示例中，一种方法包括，控制驱动器和第一开关以形成第一电路布置，以从电源为电容器充电；控制第二开关以形成第二电路布置，以从该电源为晶体管的栅极电容充电来为该晶体管预充电；以及控制该驱动器和第三开关以形成第三电路布置，该第三电路布置将该电容器的顶部板件耦合到该晶体管的栅极来为该晶体管的栅极电容充电。

在一些示例中，一种系统包括负载和被配置成将电力从电源切换到该负载的开关模式电源(SMPS)。该SMPS包括，具有驱动器输出的驱动器；具有第一板件和第二板件的电容器，该第一板件耦合到该驱动器输出；以及具有晶体管栅极、晶体管源极和晶体管漏极的晶体管。该SMPS还包括，耦合在该第二板件与该晶体管栅极之间的第一开关、耦合在该第二板件与该晶体管漏极之间的第二开关和耦合在该晶体管栅极与该晶体管漏极之间的第三开关。

附图说明

图1是示例系统的示意图解。

图2是示例信号波形的图解。

图3是示例信号波形的图解。

图4是示例电压感测电路的示意图解。

图5是示例方法的流程图。

具体实施方式

在一些设备架构中，开关模式电源(SMPS)包括或能够耦合到与该负载并联的输出/大容量电容器。SMPS控制器切换(超过一个)功率晶体管以形成具有(超过一个)能量储存元件的电路布置，以将负载电流供应到该负载和/或供应到该输出/大容量电容器来保持已调节的输出电压。替代地，尽管本文未示出，但这些功率晶体管中的至少一些功率晶体管被实现为被动开关，比如二极管。在功率转换器的充电和/或放电切换状态期间，功率晶体管可以通过开关节点/端子耦合到能量储存电感器。在至少一些情况下，该能量储存电感器由该SMPS控制器在充电和放电切换状态之间切换，以将电感器电流(例如，通过该能量储存电感器的电流)供应到该负载并供应到该输出/大容量电容器，以保持已调节的输出电压。如上所述，在至少一些情况下，这些功率晶体管中的一个或多个被被动开关代替，这些被动开关基于接收的输入信号的特征做出反应且不是由该SMPS控制器切换。在一些情况下，SMPS可以被配置用于作为具有能量储存元件但没有输出/大容量电容器的恒定电流源操作。功率转换器周期性地重复切换状态序列(比如“开”状态和“关”状态)。单个开/关周期可以被称为切换周期。

这些功率晶体管可以实现为场效应晶体管(FET)，比如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)或任何其他合适的固态晶体管设备(例如，双极结型晶体管(BJT))。功率转换器可以是各种架构的，每种架构都具有特定的功能，例如降压、升压和降压-升压(例如，反相的或者非反相的)等等。取决于在其中使用降压-升压转换器的应用，该功率转换器的输入电压(VIN)和/或输出电压(VOUT)可能改变。为了解决这个问题，SMPS控制器将控制该降压-升压转换器在不同的操作模式下操作。例如，基于VIN大于VOUT，该SMPS控制器将导致该功率转换器在降压操作模式下操作。基于VIN小于VOUT，该SMPS控制器将导致该功率转换器在升压操作模式下操作。基于VIN近似等于VOUT，该SMPS控制器将导致该功率转换器在降压-升压操作模式下操作，或在降压模式和升压模式操作的交替周期中操作。上述实例是非排他性的，并一般应用于降压-升压拓扑或架构的功率转换器。然而，上述实例中的至少一些实例也应用于其他拓扑或架构的功率转换器，比如降压或升压功率转换器、操作各种特定控制模式的功率转换器。

为了控制功率转换器的操作模式，该SMPS控制器将栅极控制信号提供到该功率转换器的一个或多个功率晶体管。由功率晶体管接收的栅极控制信号控制该功率晶体管是处于导电状态(例如，接通)还是处于非导电状态(例如，断开)。功率转换器的每个状态都涉及处于导电状态的晶体管和处于非导电状态的晶体管的特定组合。为了更改该功率转换器的操作模式，该SMPS控制器修改其命令该晶体管承担的切换状态序列。在至少一些情况下，该SMPS控制器实现状态机或其他逻辑，使得这些栅极控制信号的值是基于该功率转换器的操作模式确定的或为该功率转换器的操作模式确定的。而且，在保持处于该功率转换器的操作模式的同时，该SMPS控制器可以修改这些栅极控制信号中的一个或多个栅极控制信号的值，以交替接通和断开一个或多个功率晶体管。

在一些情况下，驱动器基于该SMPS控制器提供的控制信号(比如脉冲宽度调制(PWM)信号)将该栅极控制信号提供到功率晶体管。为了使该功率晶体管变为导电的，该栅极控制信号的值应大于该功率晶体管的相应阈值电压(Vth)。在FET晶体管中，Vth是相对于该功率晶体管的栅极到源极电压(Vgs)的。在至少一些情况下，对于功率转换器的操作来说，将该功率转换器的功率晶体管实现为n型或n沟道FET(NFET)是有利的。例如，NFET设备可以具有更小的尺寸，因此在比如轻负载条件下，比其他设备(比如p型或p沟道FET(PFFET))的效率更高。然而，包括NFET的具体实施可能会带来挑战。例如，为了使NFET变为导电的，相对于该源极的栅极控制信号的值应大于Vth。如果该NFET的以这种方式实现，以在其源极端子处提供基本等于VIN的值，则半导体物理可能规定必须为该NFET的栅极端子提供具有大于或等于Vth+VIN的值的信号，以使该NFET保持导电。因此，半导体物理可能规定，该栅极控制信号的值可能在值上需要大于该SMPS的输入电压。在各种情况下，该栅极控制信号是通过硬件电路或部件(比如电荷泵、自举电容器等)的辅助提供的。然而，为了提供性能，这些电路或部件常可以具有大尺寸。例如，自举电容器可以占据半导体芯片上大量的硅区域。在至少一些情况下，该自举电容器可以占据的表面区域近似与NFET一样多，该自举电容器为该NEET辅助提供该栅极控制信号。

而且，通过自举电容器辅助接收栅极控制信号的NFET可能会迅速变为导电的。这种电导率的快速增加可能造成电流通过该NFET快速流动到该功率转换器的开关端子或节点。然而，该SMPS中的寄生元件可以产生共振效应，比如寄生LC腔。该LC腔可能在该开关端子处导致高频振铃，这造成电磁干扰(EMI)的发射和该功率转换器的效率和可靠性降低。这些寄生元件可以是该SMPS的部件的构造所固有的。例如，该SMPS的FET可以具有结型电容、金属痕迹、丝焊件、引线或其他导电互连(比如耦合硅芯片的焊盘和一种端子，该端子将该焊盘电暴露到外界作为包围该硅片的设备封装的端子)，这些导线互连可以具有相关联的电阻、电感和/或电容。这些寄生元件可以形成上文描述的LC腔，而不是物理部件(比如电感器、电阻器或电容器)的特征可以形成上文描述的LC腔。

本说明书的至少一些方面涉及用于控制功率转换器的电路和控制方案。例如，该电路和控制方案可以提供针对功率转换器的高侧NFET的两阶段接通过程。该电路和控制方案还可以提供自举电容器，该自举电容器比未根据本说明书的教导的电路中的自举电容器具有更小的电容和占据的硅区域。

在至少一些示例中，开关耦合在提供了VIN的输入节点与该高侧NFET的栅极端子之间。响应于高侧控制信号的激活/有效，该开关可以被闭合以将该高侧NFET的栅极端子耦合到该输入节点，为该高侧NFET的栅极充电。该栅极端子处提供的电压相对于该高侧NFET的源极端子处提供的电压(可能等于或低于接地电压)超过Vth，响应于此，该高侧NFET可以开始导电，并且该开关端子处提供的电压可以开始上升。随着该开关端子处提供的电压接近VIN-Vth，该高侧NFET的栅极端子处提供的电压将变得不足以保持该高侧NFET处于导电或导通状态。阈值感测电路可以感测该高侧NFET的栅极端子处提供的电压值，并响应于该电压达到指定值和该高侧控制信号被激活，控制驱动器将该栅极控制信号提供到该高侧NFET的栅极端子。该栅极控制信号可以被提供到具有耦合到该高侧NFET的栅极端子的顶部板件的自举电容器的底部板件。

由于该高侧NFET的栅极端子已经充电到VIN，所以该自举电容器的大小可能比在该高侧NFET的栅极端子没有预充电到VIN的实施方案中小。基于通过该自举电容器提供到该高侧NFET的栅极端子的栅极控制信号，该高侧NFET的栅极端子处提供的电压保持大于Vth+VIN，并且该高侧NFET保持导电。通过这种方式，实现了对于该高侧NFET的两阶段接通过程，其中第一阶段包括基于VIN为该高侧NFET的栅极端子充电，而第二阶段包括基于自举电容器为该高侧NFET的栅极端子充电。在至少一些示例中，这种两阶段接通过程造成该自举电容器占据的表面区域比在不包括该两阶段接通过程的电路中少了近似20％到25％。

图1是示例系统100的示意图解。在至少一个示例中，系统100包括SMPS102，该SMPS包括控制器104和功率转换器106。SMPS 102至少通过功率转换器106将提供到SMPS 102作为VIN的电力切换到负载108，SMPS 102被适配成在节点132处耦合到该负载。在一些示例中，功率转换器106是降压功率转换器。在其他示例中，尽管未在图1中示出，但功率转换器106可以是降压-升压功率转换器，该降压-升压功率转换器能够根据降压操作模式、升压操作模式和/或降压-升压操作模式来操作。在其他示例中，功率转换器106是升压功率转换器。本文假定了降压功率转换器实施方案用于描述。在至少一个示例中，控制器104包括适合于提供高侧控制信号(PWM_HS)以及低侧控制信号(PWM_LS)用于控制功率转换器106的任何部件或电路。在至少一些示例中，SMPS 102进一步包括或被适配成耦合到驱动器110、驱动器112、电容器114、开关116、开关118、开关120、开关122和电压感测电路124。尽管未在图1中示出，但控制器104的至少一些实施方案包括驱动器110、驱动器112、电容器114、开关116、开关118、开关120、开关122和/或电压感测电路124中的一个或多个。功率转换器106包括功率晶体管126、功率晶体管128，并且被适配成耦合到电感器130。功率转换器106可以根据任何合适的控制方法进行控制，包括谷值电流模式控制、峰值电流模式控制、平均电流模式控制、电压模式控制或固定频率法、可变频率法、恒定时间法(例如，恒定Ton或恒定Toff)等中实现的任何其他合适的控制形式。

SMPS 102的至少一个示例包括在相同的半导体芯片上和/或在相同的部件封装(或包封)中的控制器104和功率转换器106的至少一些方面，而在其他示例中，控制器104和功率转换器106可以分开制造并被适配成耦合到一起。因此，SMPS 102的至少一些方面可以分开制造并耦合到一起。虽然被示出为包括驱动器110和驱动器112，但在至少一个示例中，SMPS 102不包括驱动器110和驱动器112，而是被适配成耦合到驱动器110和驱动器112。类似地，被示出为包括在SMPS 102中的其他部件可以被适配成全部或部分耦合到SMPS 102，并且不包括在与SMPS 102相同的半导体芯片上和/或与SMPS 102相同的部件封装中。类似地，在本说明书中被示出为或描述为包括在功率转换器106中的部件(比如电感器130)可以被适配成全部或部分耦合到功率转换器106，并且不包括在与功率转换器106相同的半导体芯片上和/或与功率转换器106相同的部件封装中。

在系统100的至少一个示例架构中，驱动器110耦合到VIN节点134、接地节点136，并具有被适配成从比如控制器104接收PWM_HS的第一输入端子、耦合到电压感测电路124的输出的第二输入端子和输出端子。驱动器112耦合到VIN节点134、接地节点136，具有被适配成从比如控制器104接收PWM_LS的第一输入端子和输出端子。电容器114具有耦合到驱动器110的输出端子的底部板件和耦合到节点138的顶部板件。开关116耦合在VIN节点134与节点138之间。开关118耦合在节点138与节点140之间。开关120耦合在节点140与VIN节点134之间。在至少一些示例中，开关120包括栅极端子耦合到一起的背对背FET晶体管(未示出)。在一些示例中，开关120可以由驱动器(未示出)驱动。开关122耦合在节点140与开关节点142之间。开关116、开关118和开关122中的每一个都可以实现为FET或其他工艺技术晶体管。电压感测电路124具有耦合到节点140的输入。功率晶体管126具有耦合到节点140的栅极端子、耦合到VIN节点134的漏极端子和耦合到开关节点142的源极端子。功率晶体管128具有耦合到驱动器112的输出端子的栅极端子、耦合到开关节点142的漏极端子和耦合到接地节点136的源极端子。电感器130被适配成耦合在开关节点142与负载108之间。在至少一些示例中，功率转换器106被适配成耦合到节点132与接地节点136之间的电容器143(例如，输出电容器)。在至少一些示例中，VOUT被提供在节点132处。

在至少一些示例中，VIN节点134和接地节点136各自是硅芯片上的节点或焊盘，该硅芯片上实现了SMPS 102的至少一些部件。该硅芯片可以包封在包括引线或端子的软管或封装中。VIN节点134可以耦合到VIN端子(未示出)，并且接地节点136可以耦合到接地端子(未示出)。将VIN节点134耦合到该VIN端子并将接地节点136耦合到该接地端子的互连、导线或其他导电材料可以将寄生效应引入到SMPS 102中。如图1所示，功率晶体管126和功率晶体管128可以各自具有耦合在其相应的漏极与源极端子之间的体二极管，并具有相关联的结型电容(未示出)。驱动器110和驱动器112可以各自近似于FET上拉和下拉开关。响应于驱动器112接收被激活的输入信号，驱动器112可以将驱动器112的输出端子耦合到VIN节点134。响应于驱动器112接收去激活的输入信号，驱动器112可以将驱动器112的输出端子耦合到接地节点136。响应于驱动器110接收具有断言值的PWM_HS和具有断言值的电压感测电路124的输出信号(指示为Vsense)，驱动器110可以将驱动器110的输出端子耦合到VIN节点134。响应于驱动器110接收具有去断言值的PWM_HS或者Vsense，驱动器110可以将驱动器110的输出端子耦合到接地节点136。在至少一些示例中，如果Vsense在系统100中不可用，则可以使用另一个信号代替Vsense，比如可以用在控制功率转换器106中的功率转换器106的电流感测信息。

在系统100操作的示例中，电容器114被充电。在至少一些示例中，为了将电容器114充电，驱动器110被控制以将驱动器110的输出端子耦合到接地节点136，开关116被控制以被闭合，从而将电容器114的顶部板件电耦合到VIN节点134。在此期间，开关118、120和122被控制以被打开。在至少一些示例中，电容器114可以基于PWM_LS的有效/激活进行充电。因此，在至少一些示例中，开关116可以是基于PWM_LS控制的常开开关。响应于PWM_HS被激活，PWM_LS被去激活，反之亦然。响应于PWM_HS被激活，开关120被控制以被闭合，从而将功率晶体管126的栅极端子电耦合到VIN节点134。在此期间，开关116、118和122被控制以被打开。因此，在至少一些示例中，开关120可以是基于PWM_HS控制的常开开关。当开关120闭合时，电流从耦合到VIN节点134的电压源(未示出)流动到功率晶体管126的栅极端子。响应于节点140处提供的电压增加到至少大于功率晶体管126源极端子处提供的电压的Vth，功率晶体管126可以开始将电流从耦合到VIN节点134的电压源传导到开关节点142，以使开关节点142处提供的电压增加。

流动到开关节点142的电流可以在为电感器130充能之前首先寻求为功率晶体管128的结型电容(例如，上文描述的寄生LC腔的电容)充电。随着由功率晶体管128的结型电容储存的电荷增加，电流将开始为电感器130充能。电流流动到功率晶体管128的结型电容的速率可以确定功率晶体管128结型电容的近似电容，其中流动到功率晶体管128的结型电容的电流越快，功率晶体管128的结型电容的电容就越大，并且由功率晶体管128的结型电容储存的能量就越多。随着由功率晶体管128的结型电容储存的能量的量的增加，可以发生在开关节点142处的振铃的量(比如经由如上所述的寄生元件和/或LC腔)也可以增加。通过将功率晶体管126的栅极端子耦合到VIN节点134的开关120，为功率晶体管126的栅极端子预充电，功率晶体管128的结型电容被缓慢充电，如下文图2所述。

随着开关节点142处提供的电压增加以接近VIN-Vth，流动通过功率晶体管126的电流可能减少。电压感测电路124监测节点140处提供的电压，并且响应于节点140处提供的电压相对于功率晶体管126的源极端子处提供的电压达到Vth，电压感测电路124激活Vsense。响应于Vsense的激活，并在Vsense和PWM_HS两者都保持激活的同时，驱动器110可以将驱动器110的输出端子耦合到VIN节点134，从而在驱动器110的输出端子处近似提供VIN。因此，在Vsense和PWM_HS两者都保持激活的同时，驱动器110可以将近似等于VIN的电压提供到电容器114的底部板件，使得如果电容器114已经充电到近似如上所述的VIN的值，则在电容器114的顶部板件处提供近似2*VIN的值。在至少一些示例中，开关118可以是基于Vsense控制的常开开关，使得开关118响应于Vsense的激活而闭合。在其他示例中，开关118可以基于由电路(未示出)提供的信号进行控制，该电路监测电容器114的顶部板件处提供的电压并响应于电容器114顶部板件处提供的电压近似等于2*VIN来激活该信号。在开关118闭合的同时，电容器114的顶部板件耦合到节点140和功率晶体管126的栅极端子，从而在PWM_HS被激活的同时将近似2*VIN的电压自举/引导到功率晶体管126的栅极端子。该自举将提供到功率晶体管126的栅极端子的电压保持在大于Vth+Vgs的值，从而导致功率晶体管126保持导电，尽管开关节点142的值增加到近似VIN加上或减去在开关节点142处提供的任何相关联的噪声或电磁干扰。在至少一些示例中，响应于PWM_HS被解除激活，开关122可以在PWM_LS激活之前闭合。响应于开关122的闭合，在开关节点142处提供的值将减小到近似等于或小于接地，并且功率转换器106的下一个切换周期可以开始。

图2是示例信号波形的图解200。在至少一些示例中，图解200表示图1的SMPS 102中提供的信号。因此，在描述图2时可以参考图1的部件或信号。图解200示出了VIN、开关节点142处提供的信号(在图2中指示为SW)、功率晶体管126的Vgs(在图2中指示为Vgs_hs)、功率晶体管128的Vgs(在图2中指示为Vgs_ls)、流动通过功率晶体管126的电流(在图2中指示为I_hs)。VIN、SW、Vgs_hs和Vgs_ls被示出在以微秒(us)为单位表示时间的水平轴线上和以伏特(V)为单位表示电压的竖直轴线上。I_hs被示出在以微秒(us)为单位表示时间的水平轴线上和以安培(A)为单位表示电压的竖直轴线上。

图解200示出了在本说明书的两阶段接通过程的至少一个示例实施中的SMPS 102的信号。例如，图解200示出了从PWM_LS被激活和PWM_HS被解除激活开始的SMPS 102的信号，接着是响应于PWM_HS被激活和PWM_LS被解除激活的SMPS 102的信号，其中该接通过程的第一阶段(例如，预充电阶段)被执行，然后该接通过程的第二阶段(例如，快速接通阶段)被执行。如图解200所示，在时间t1之前，PWM_LS被激活，从而导致Vgs_ls的值为约4V，并且PWM_HS被解除激活，从而导致Vgs_hs的值为约0V。在时间t1时，PWM_LS可以被解除激活并且PWM_HS被激活。在至少一些示例中，可以存在一段时间，其中PWM_HS和PWM_LS两者都不被激活。这段时间可以称为空载时间(dead-time)。在空载时间期间，Vgs_hs近似等于0V，而Vgs_ls也近似等于0V，从而导致电感器130中的电流流动通过功率晶体管128的体二极管，从晶体管128的阳极(例如，功率晶体管128的源极)流动到晶体管128的阴极(例如，功率晶体管128的漏极)。由于此电流流动，整个功率晶体管128漏极到源极的电压可以近似为功率晶体管128的体二极管的二极管电压(VD)，比如约0.7V，并在接地节点136处具有正极性并且在开关节点142处具有负极性。结果便是，开关节点142处提供的电压近似等于-VD，使得开关节点142相对于接地为负。响应于PWM_HS的激活，可以开始该接通过程的预充电阶段。在预充电阶段期间，功率晶体管126的栅极端子通过将功率晶体管126的栅极端子经过开关120耦合到VIN节点134进行充电。功率晶体管126的栅极端子处的电压上升导致Vgs_hs增大，如图解200所示。

响应于Vgs_hs超过功率晶体管126的Vgs阈值(有时为约0.7V)，功率晶体管126在其漏极与源极端子之间传导电流，如I_hs所示，从而导致SW的值从-VD增加。随着SW的值增加，SMPS 102的寄生电容(比如功率晶体管128的结型电容)在预充电阶段期间基于功率晶体管126的有限接通以及因此流动通过功率晶体管126的有限电流而缓慢充电。而且，随着SW的值增大，Vgs_hs和SW的增加速率减慢，使得SW和Vgs_hs中的每一个的值都出现平坦区(在Vgs_hs上下文中有时中称为Miller平坦区)。响应于Vsense通过电压感测电路124激活，比如基于Vgs_hs的值，可以开始该接通过程的快速接通阶段。该快速导通阶段可以术语化为快速，因为功率晶体管126的栅极端子被提供了近似2*VIN的电压，或因为在该快速接通阶段期间SW的增加速率(例如，与流动通过功率晶体管126的电流的量相关)。由于SMPS 102的寄生电容已经在该预充电阶段期间被缓慢充电，因此SW中的振铃在该快速接通阶段会减少，从而减少了SMPS 102的EMI发射。

图3是示例信号波形的图解300。在至少一些示例中，图解300表示图1的SMPS 102中提供的信号。因此，在描述图3时可以参考图1的部件或信号。图解300示出了开关节点142处提供的信号(在图3中表示为SW)、VIN以及接地(GND)。每个信号都在多个SMPS 102寄生值上示出，被指示为1纳亨(nH)、2nH、3nH和4nH，各自表示SMPS 102的寄生电感。每个信号都被示出在以微秒为单位表示时间的水平轴线上和以伏特为单位表示电压的竖直轴线上。

如图解300所示，寄生效应(比如SMPS 102中的寄生电感)的增加在SMPS 102中产生延迟。然而，虽然寄生效应的增加可能会增加开关节点142处的振铃，但来自多至4nH的寄生电感的振铃的值可能小于约+/-500毫伏特(mV)，对于SMPS 102的许多使用情况来说，这在EMI方面可以是可接受的量。类似地，VIN中的衰减和GND的增加保持了约1V或以上的供应余量(VIN与GND的值之间的差)。在至少一些示例中，如本文所述，减少的振铃提供了在SMPS102中对VIN的值变为小于GND值的抗扰性。图解300还示出，SW的上升斜率在SMPS 102中不同的寄生电感之间近似相同，使得SMPS 102的效率在这些寄生电感之间保持近似相同。

图4是示例电压感测电路400的示意图解。在至少一些示例中，电压感测电路400适合于实现为图1的电压感测电路124。在至少一些示例中，电压感测电路400包括电阻器402和功率晶体管404。在其他示例中，电阻器402被任何其他合适的负载所代替，比如电流源(未示出)。在至少一些示例中，比如响应于电压感测电路400被实现为电压感测电路124，功率晶体管404是图2的功率晶体管126的复制。例如，功率晶体管404可以是功率晶体管126的成比例的复制。

在一些实施方案中，电阻器402被适配成耦合在VIN节点406与功率晶体管404的漏极端子之间。功率晶体管404的源极端子被适配成耦合到接地节点408。功率晶体管404的栅极端子被配置成接收输入信号。在至少一些示例中，比如当电压感测电路400被实现为电压感测电路124时，功率晶体管404的栅极端耦合或被适配成耦合到节点140。而且，当电压感测电路400被实现为电压感测电路124时，电压感测电路400可以耦合或者被适配成耦合到驱动器110，以将Vsense提供到驱动器110，如上所述。在至少一些示例中，响应于功率晶体管404的栅极端子处提供的输入信号的电压超过功率晶体管404的Vgs阈值，功率晶体管404开始传导电流。响应于功率晶体管404开始传导电流，电流从VIN节点406被适配成耦合到的电源，通过电阻器402和功率晶体管404流动到接地节点408。流动通过电阻器402的电流在功率晶体管404的漏极端子处提供电压，该电压由电压感测电路400提供作为输出信号(例如，当电压感测电路400被实现为电压感测电路124时的Vsense)，该输出信号指示输入信号的值已经超过功率晶体管404的Vth。

图5是示例方法500的流程图。在至少一些示例中，方法500在SMPS(比如图1的SMPS102)中实现。方法500可以为功率晶体管(比如功率转换器的高侧功率晶体管)提供两阶段接通过程。在至少一些示例中，该两阶段接通过程可以减少功率转换器开关节点处比如由该功率转换器和/或该功率转换器的部件封装的寄生效应产生的或与该功率转换器和/或该功率转换器的部件封装相关的寄生效应产生的振铃。在至少一些示例中，当与该两阶段接通过程以外的接通过程的自举电容器相比时，该两阶段接通过程还可以或替代地减小在将信号提供到该功率晶体管的栅极端子时使用的自举电容器的尺寸。在一些示例中，当与本说明书的两阶段接通过程以外的接通过程的自举电容器相比时，这种尺寸减小可以至多为该自举电容器硅表面区域的约20％。在其他示例中，当与本说明书的两阶段接通过程以外的接通过程的自举电容器相比时，这种尺寸减小可以至多为该自举电容器硅表面区域的约20％-25％。在其他示例中，当与本说明书的两阶段接通过程以外的接通过程相比时，这种尺寸减小可以大于该自举电容器硅表面区域的约25％。

在操作502处，自举电容器被充电。在至少一些示例中，该自举电容器通过控制电路元件，以形成适合于为该自举电容器充电的电路布置来充电。例如，第一控制信号可以被提供到驱动器，以使该驱动器将该自举电容器的底部板件耦合到接地。第二控制信号可以被提供到开关，以使该开关将该自举电容器的顶部板件耦合到电源，从而使电荷从该电源转移到该自举电容器。在至少一些示例中，该开关可能是背对背取向的FET对。在这些示例中的一些示例中，可以包括驱动器，该驱动器接收该第二控制信号并基于该第二控制信号将输出信号提供到FET。自举电容器的充电可以继续直到该第一和/或第二控制信号中的一者或两者的值被改变，比如在编程的或预定的时间量到期时，或响应于SMPS中的另一个信号、条件或事件。

在操作504处，功率晶体管的栅极端子在两阶段接通过程的第一阶段中被预充电。在至少一些示例中，该栅极端子通过控制电路部件，以形成适合于将电荷转移到该栅极端子的电路布置来预充电。例如，第三控制信号可以被提供到开关，以使该开关将该栅极端子耦合到该电源，从而使电荷从该电源转移到该栅极端子，从而为该功率晶体管的栅极电容预充电。随着该功率晶体管的栅极电容预充电，该功率晶体管的Vgs增大。响应于该功率晶体管的Vgs超过针对该功率晶体管的Vth，该功率晶体管变为导电的，并在其漏极和源极端子之间传导电流。该功率晶体管可以保持导电直到Vgs不再等于或超过针对该功率转换器的Vth。

在操作506处，该功率晶体管的栅极端子在该两阶段接通过程的第二阶段中被充电。在至少一些示例中，该两阶段接通过程的第二阶段响应于确定预充电操作504已经导致该功率晶体管的栅极端子被充电到该功率晶体管的至少为Vth值而开始。在一些示例中，该确定基于该功率晶体管的复制晶体管做出。在至少一些示例中，该功率晶体管的栅极端子在该第二阶段通过控制电路元件，以形成适合于为该栅极端子充电的第二电路布置来充电。例如，第四控制信号可以被提供到该驱动器，以使该驱动器将该自举电容器的底部板件耦合到该电源。第二控制信号可以被提供到开关，以使该开关将该自举电容器的顶部板件耦合到该栅极端子。该栅极端子可以被提供有信号，该信号的值为近似该电源提供的电压的两倍(假定该自举电容器在操作502处被充电到近似由该电源提供的电压)。该两阶段接通过程的第二阶段可以是快速接通阶段，因为该栅极端子被提供的信号的值至少是该功率晶体管源极端子处可以提供的信号的值的二倍。

在至少一些示例中，通过为该栅极端子预充电，一些电流在快速接通阶段之前流动通过该功率晶体管。这种电流可以以慢于该快速接通阶段期间的速率流动通过该功率晶体管。在该预充电期间流动通过该功率晶体管的电流可以缓慢地为该功率转换器的寄生电容充电。通过在该预充电阶段缓慢地为该功率转换器的寄生电容充电，该功率转换器中的振铃与不包括该预充电阶段的实施方案相比减少。类似地，如上文所述，当与不包括该预充电阶段的实施方案相比时，通过在从该自举电容器为该栅极端子充电之前为该栅极端子预充电，该自举电容器的尺寸可以减小。

虽然本文描述的方法500的操作已经进行了描述并用数字标识标记，但在各种示例中，方法500包括本文未列举的操作。在一些示例中，本文列举操作中的任一个或多个操作包括一个或多个子操作。在一些示例中，本文列举操作中的任一个或多个操作被省略。在一些示例中，本文列举操作中的任一个或多个操作都以本文呈现的顺序以外的顺序(例如，以相反顺序、基本上同时、重叠等)执行。这些替代方案中的每一个都落入本说明书的范围内。

在本说明书中，术语“耦合”可以涵盖启用与本说明书一致的功能关系的连接、连通或信号路径。例如，如果设备A将信号提供到控制设备B以执行动作，则：(a)在第一示例中，设备A直接耦合到设备B；或(b)在第二示例中，如果中间部件C基本没有改变设备A与设备B之间的功能关系，则设备A通过中间部件C间接耦合到设备B，因此，设备B经由设备A提供的控制信号由设备A控制。

“被配置成”执行任务或功能的设备可以在制造商制造时被配置成(例如，被编程和/或被硬连线)执行该功能和/或可以在制造后能够由用户配置(或重新配置)以执行该功能和/或其他额外或另选功能。配置可以通过该设备的固件和/或软件编程、通过该设备的硬件部件和互连的构造和/或布局或它们的组合来完成。

本文描述为包括某些部件的电路或设备可以被适配成耦合到这些部件以形成所描述的电路系统或设备。例如，被描述为包括一个或多个半导体元件(比如晶体管)、一个或多个被动元件(比如电阻器、电容器和/或电感器)和/或一个或多个源(比如电压源和/或电流源)的结构可以仅包括单个物理设备内的半导体元件(例如，半导体芯片和/或集成电路(IC)封装)，并可以在制造时或者制造后被比如最终用户和/或第三方适配成耦合到这些被动元件和/或源中的至少一些被动元件和/或源，以形成所描述的结构。

虽然某些部件在本文中可以被描述为属于特定的工艺技术，但这些部件可以被替换为其他工艺技术的部件。本文描述的电路能够重新配置，以包括被代替的部件，以提供至少部分类似于部件更换前可用的功能。除另行陈述外，被示出为电阻器的元件一般表示串联和/或并联耦合的任一个或多个元件，以提供由所示电阻器表示的阻抗量。例如，本文所示和描述为单个部件的电阻器或电容器可以分别是多个电阻器或电容器，它们串联或并联耦合在与单个电阻器或电容器相同的两个节点之间。

本说明书中“接地电压电位”一词的使用包括底板接地、地面接地、浮动接地、虚拟接地、数字接地、共用接地和/或可应用于或适于本说明书教导的任何其他形式的接地连接。除另行陈述外，值前面的“约”、“近似”或“基本”意指+/-10％的陈述值。

在权利要求的范围内，能够在所描述的示例中进行修改并能够实现其他示例。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

驱动器，所述驱动器具有驱动器输出；

电容器，所述电容器具有第一板件和第二板件，所述第一板件耦合到所述驱动器输出；

晶体管，所述晶体管具有晶体管栅极、晶体管源极和晶体管漏极；

第一开关，所述第一开关耦合在所述第二板件与所述晶体管栅极之间；

第二开关，所述第二开关耦合在所述第二板件与所述晶体管漏极之间；以及

第三开关，所述第三开关耦合在所述晶体管栅极与所述晶体管漏极之间。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括电压感测电路，所述电压感测电路具有感测电路输入和感测电路输出，其中所述感测电路输入耦合到所述晶体管栅极，并且其中所述驱动器具有被配置成接收控制信号的第一驱动器输入和耦合到所述感测电路输出的第二驱动器输入。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述电压感测电路包括电阻器和复制晶体管，所述复制晶体管具有复制栅极、复制漏极和复制源极，所述复制栅极耦合到所述晶体管栅极，所述复制漏极耦合到所述第二驱动器输入并通过所述电阻器耦合到所述晶体管漏极，而所述复制源极被适配成耦合到接地端子。

4.根据权利要求2所述的装置，进一步包括第四开关，所述第四开关耦合在所述感测电路输入与所述晶体管源极之间。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动器具有驱动器电压输入和驱动器接地输入，所述驱动器电压输入耦合到所述晶体管漏极并且所述驱动器接地输入被适配成耦合到接地端子。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路被适配成在所述晶体管漏极处耦合到电源。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述晶体管是第一晶体管，所述装置进一步包括第二晶体管，所述第二晶体管具有第二晶体管漏极和第二晶体管源极，所述第二晶体管漏极耦合到所述晶体管源极，而所述第二晶体管源极被适配成耦合到接地端子。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被适配成在所述晶体管源极处耦合到电感器。

9.一种方法，包括：

控制驱动器和第一开关以形成第一电路布置，以从电源为电容器充电；

控制第二开关以形成第二电路布置，以从所述电源为晶体管的栅极电容充电来为所述晶体管预充电；以及

控制所述驱动器和第三开关以形成第三电路布置，所述第三电路布置将所述电容器的顶部板件耦合到所述晶体管的栅极来为所述晶体管的栅极电容充电。

10.根据权利要求9所述的方法，其中控制所述驱动器以形成所述第三电路布置将所述电容器的底部板件耦合到所述电源。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二电路布置提供针对所述晶体管的两阶段接通过程的第一状态，并且其中所述第三电路布置提供所述两阶段接通过程的第二状态，其中所述第二状态是快速接通状态。

12.根据权利要求9所述的方法，其中控制所述驱动器和所述第三开关以形成所述第三电路布置是响应于确定所述晶体管的栅极处的电压大于所述晶体管的阈值电压而执行的。

13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述晶体管的栅极处的电压大于所述晶体管的阈值电压由复制晶体管执行，所述复制晶体管复制所述晶体管并具有耦合到所述晶体管的栅极的复制晶体管栅极。

14.一种系统，包括：

负载；以及

开关模式电源即SMPS，所述开关模式电源被配置成将电力从电源切换到所述负载，所述SMPS包括：

驱动器，所述驱动器具有驱动器输出；

电容器，所述电容器具有第一板件和第二板件，所述第一板件耦合到所述驱动器输出；

晶体管，所述晶体管具有晶体管栅极、晶体管源极和晶体管漏极；

第一开关，所述第一开关耦合在所述第二板件与所述晶体管栅极之间；

第二开关，所述第二开关耦合在所述第二板件与所述晶体管漏极之间；以及

第三开关，所述第三开关耦合在所述晶体管栅极与所述晶体管漏极之间。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述SMPS包括：

电压感测电路，所述电压感测电路具有感测电路输入和感测电路输出，其中所述感测电路输入耦合到所述晶体管栅极，并且其中所述驱动器具有被配置成接收侧控制信号的第一驱动器输入和耦合到所述感测电路输出的第二驱动器输入；以及

第四开关，所述第四开关耦合在所述感测电路输入与所述晶体管源极之间。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述驱动器具有驱动器电压输入和驱动器接地输入，所述驱动器电压输入耦合到所述晶体管漏极并且所述驱动器接地输入被适配成耦合到接地端子。

17.根据权利要求14所述的系统，其中所述驱动器和所述第一开关被配置成被控制以形成第一电路布置来从电源为所述电容器充电，所述SMPS被适配成在所述晶体管的漏极处耦合到所述电源，其中所述第二开关被配置成被控制以形成第二电路布置，以从所述电源为所述晶体管的栅极电容充电来为所述晶体管预充电，并且其中所述驱动器和所述第三开关被配置成被控制以形成第三电路布置，所述第三电路布置将所述电容器的第一板件耦合到所述晶体管栅极并将所述电容器的第二板件耦合到所述电源来为所述晶体管的栅极电容充电。

18.根据权利要求17所述的系统，其中控制所述驱动器和所述第三开关以形成所述第三电路布置是响应于确定所述晶体管栅极处的电压大于所述晶体管的阈值电压而执行的。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述电压感测电路包括电阻器和复制晶体管，所述复制晶体管具有复制栅极、复制漏极和复制源极，所述复制栅极耦合到所述晶体管栅极，所述复制漏极耦合到所述第二驱动器输入并通过所述电阻器耦合到所述晶体管漏极，而所述复制源极被适配成耦合到接地端子，并且其中确定所述晶体管栅极处的电压大于所述晶体管的阈值电压是基于所述复制晶体管的电导率而执行的。

20.根据权利要求14所述的系统，其中所述SMPS被适配成在所述晶体管的源极处经由电感器耦合到所述负载。

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