CN116388530A - 为驱动器电路系统供电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种为半桥开关级的上晶体管的驱动器电路系统供电的方法包括：(1)经由第一电压源选择性地对自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内；(2)钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器处的电压超过预定最大值；以及(3)至少部分地经由该自举电容器为该驱动器电路系统供电。

Description

为驱动器电路系统供电的系统和方法
背景技术
半桥开关级包括在开关节点处连接的两个开关器件，通常称为上开关器件和下开关器件。例如，图1是包括上开关器件102和下开关器件104的半桥开关级100的示意图。上开关器件102电耦合在电源节点106与开关节点108之间，而下开关器件104电耦合在开关节点108与电源节点110之间。例如，半桥开关级100可以包括在D类放大器、直流到直流(DC到DC)转换器、逆变器或有源整流器中。
上开关器件102由控制信号Φ1控制，而下开关器件104由控制信号Φ2控制。例如，控制信号Φ1和Φ2由控制器(未示出)生成。控制信号Φ1和Φ2通常被生成，使得上开关器件102和下开关器件104以高频在它们相应的导通和关断状态之间重复地切换。此外，控制信号Φ1和Φ2通常以确保上开关器件102和下开关器件104不会同时在它们相应的导通状态工作的方式生成，以防止“击穿”(两个开关器件使电源节点106和110短路)。
图2是展示了半桥开关级100的操作的一个示例的曲线图200。曲线图200包括表示控制信号Φ1、控制信号Φ2和开关节点108处的电压Vx的曲线。曲线图200的纵轴表示幅值，而曲线图200的横轴表示时间。为清楚起见，曲线图200的三个曲线彼此竖直偏移。在图2的示例中，(1)开关器件102和104中的每一个在其相应的控制信号Φ1和Φ2为逻辑高时在其导通状态下操作，(2)电源节点106和110的相应电压是恒定的，并且(3)电源节点106的电压大于电源节点110的电压。半桥开关级100在电源节点106与电源节点110之间切换开关节点108，这导致开关节点电压Vx为方波，如图2所示。
可以组合多个半桥开关级。例如，可以组合两个半桥开关级以形成全桥转换器，比如用于生成交流(AC)波形或用于执行AC波形的有源整流。作为另一示例，三个半桥开关级可以组合以形成三相逆变器或形成用于对三相AC输入源进行整流的有源整流器。
发明内容
在第一方面，一种为半桥开关级的上晶体管的驱动器电路系统供电的方法包括：(1)经由第一电压源选择性地对自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内；(2)钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器处的电压超过预定最大值；以及(3)至少部分地经由该自举电容器为该驱动器电路系统供电。
在第一方面的实施例中，经由该第一电压源选择性地对该自举电容器充电包括：响应于该自举电容器处的电压超过第一阈值而闭合将该第一电压源电耦合到该自举电容器的开关。
在第一方面的另一个实施例中，经由该第一电压源选择性地对该自举电容器充电进一步包括：响应于该自举电容器处的电压超过第二阈值而断开将该第一电压源电耦合到该自举电容器的开关。
在第一方面的另一个实施例中，该第二阈值大于该第一阈值。
在第一方面的另一个实施例中，钳位该自举电容器处的电压包括：响应于该自举电容器处的电压超过阈值而使该自举电容器部分地放电。
在第一方面的另一个实施例中，该方法进一步包括：在包括该半桥开关级的设备上电期间经由第二电压源对该自举电容器充电。
在第一方面的另一个实施例中，该第二电压源的电压幅值小于该第一电压源的电压幅值。
在第一方面的另一个实施例中，(1)该上晶体管包括上场效应晶体管(FET)，(2)该自举电容器电耦合在该上FET的漏极与该上FET的源极之间，并且(3)该驱动器电路系统被配置为驱动该上FET的栅极。
在第一方面的另一个实施例中，该第一电压源的电压幅值大于该上FET的最大栅源电压额定值。
在第一方面的另一个实施例中，电流感测电阻器将该上FET的源极电耦合到该自举电容器的端子。
在第一方面的另一个实施例中，该上FET是n沟道FET。
在第一方面的另一个实施例中，(1)该半桥开关级进一步包括下FET，并且(2)该下FET的漏极电耦合到该上FET的源极。
在第二方面，一种为半桥开关级的上晶体管的驱动器电路系统供电的系统包括：(1)充电控制电路系统，该充电控制电路系统被配置为经由第一电压源选择性地对该半桥开关级的自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内，以及(2)钳位电路系统，该钳位电路系统被配置为钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器处的电压超过预定最大值。
在第二方面的实施例中，该充电控制电路系统包括：(1)开关，该开关被配置为选择性地将该自举电容器电耦合到该第一电压源，以及(2)控制电路系统，该控制电路系统被配置为控制该开关，使得该开关响应于该自举电容器处的电压分别超过第一阈值和第二阈值而闭合和断开。
在第二方面的另一个实施例中，该钳位电路系统包括：(1)放电晶体管，该放电晶体管被配置为至少部分地对该自举电容器放电；以及(2)控制电路系统，该控制电路系统被配置为响应于该自举电容器处的电压超过阈值而激活该放电晶体管。
在第三方面，一种半桥开关级包括：(1)上场效应晶体管(FET)，该上FET电耦合在第一节点与第二节点之间；(2)下场效应晶体管，该下场效应晶体管电耦合在该第二节点与第三节点之间；(3)驱动器电路系统，该驱动器电路系统被配置为驱动该上FET的栅极；(4)自举电容器，该自举电容器电耦合到第二节点并且被配置为至少部分地为该驱动器电路系统供电；(5)充电控制电路系统，该充电控制电路系统被配置为经由第一电压源选择性地对该自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内；以及(6)钳位电路系统，该钳位电路系统被配置为钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器两端的电压超过预定最大值。
在第三方面的实施例中，该半桥开关级进一步包括：软启动电路系统，该软启动电路系统被配置为在包括该半桥开关级的设备上电期间经由第二电压源对该自举电容器充电。
在第三方面的另一个实施例中，该充电控制电路系统包括：(1)开关，该开关被配置为选择性地将该自举电容器电耦合到该第一电压源，以及(2)控制电路系统，该控制电路系统被配置为控制该开关，使得该开关响应于该自举电容器处的电压分别超过第一阈值和第二阈值而闭合和断开。
在第三方面的另一个实施例中，(1)该上FET的漏极电耦合到该第一节点，(2)该上FET的源极电耦合到该第二节点，(3)该下FET的漏极电耦合到该第二节点，并且(4)该下FET的源极电耦合到该第三节点。
在第三方面的另一个实施例中，该半桥开关级进一步包括：电流感测电阻器，该电流感测电阻器电耦合在该第二节点与第四节点之间，其中，该自举电容器电耦合在该第一节点与该第四节点之间。
附图说明
图1是半桥开关级的示意图。
图2是展示了图1的半桥开关级的操作的一个示例的曲线图。
图3是包括n沟道场效应晶体管(FET)的半桥开关级的示意图。
图4是展示了图3的半桥开关级在示例理想操作场景中的两个波形的曲线图。
图5是根据实施例的包括为驱动器电路系统供电的系统的半桥开关级的示意图。
图6是展示了图5的半桥开关级的充电控制电路系统的一个实施例的操作示例的曲线图。
图7是图5的半桥开关级的充电控制电路系统的一个实施例的示意图。
图8是图5的半桥开关级的钳位电路系统的一个实施例的示意图。
图9是进一步包括软启动电路系统的图5的半桥开关级的替代实施例的示意图。
图10是图9的半桥开关级的软启动电路系统的一个实施例的示意图。
图11是展示了图9的半桥开关级在包含开关级的设备启动期间的操作的一个示例的曲线图。
图12是根据实施例的包括图5的半桥开关级的实例的直流到直流转换器的示意图。
图13是根据实施例的包括图5的半桥开关级的两个实例的全桥转换器的示意图。
图14是根据实施例的包括图5的半桥开关级的三个实例的电动机驱动器的示意图。
具体实施方式
场效应晶体管(FET)取得了长足的进步。例如，现代FET通常能够高速开关、处理高电压和高电流并且以低导通电阻操作。此外，FET与许多集成电路制造工艺兼容。因此，半桥开关级通常使用FET作为其上开关器件和下开关器件，而不是使用其他类型的晶体管，比如双极结型晶体管(BJT)或绝缘栅双极结型晶体管(IGBT)。n沟道FET通常比具有相似尺寸和额定电压的p沟道FET具有更好的工作特性，因此半桥开关级经常使用n沟道FET作为上开关器件和下开关器件两者。
例如，图3是半桥开关级300的示意图，其中，上开关器件由n沟道FET 302实施，下开关器件由n沟道FET 304实施，下文分别称为上FET 302和下FET 304。半桥开关级300进一步包括上驱动器电路系统306、下驱动器电路系统308、自举电容器310、二极管311和电流感测电阻器312。图3进一步描绘了电流感测电路系统314、电压源316、电压源318和控制器320，但是这些元件不一定是半桥开关级300的一部分。
上FET 302和下FET 304中的每一个包括漏极(D)、源极(S)和栅极(G)。此外，上FET302和下FET 304中的每一个都可以包括体二极管，如图3所示。上FET 302的漏极电耦合到电源节点322(例如，正电压轨)，并且上FET 302的源极电耦合到开关节点324。下FET 304的漏极电耦合到开关节点324，并且下FET 304的源极电耦合到电源节点326(例如，负电压轨或接地)。除非另有说明，否则半桥开关级300的以下讨论中的所有电压都参考电源节点326。
电流感测电阻器312电耦合在开关节点324与输出节点328之间。电流感测电路系统314基于电流感测电阻器312两端的电压生成表示流经电流感测电阻器312的电流i3的幅值的信号i感测。信号i感测可以是模拟信号或数字信号。
上驱动器电路系统306响应于控制信号Φ1驱动上FET 302的栅极，即，上驱动器电路系统302响应于控制信号Φ1在电源轨330与开关节点324之间切换上晶体管306的栅极，使得上晶体管302的栅极被驱动到电源轨330的电压或开关节点324的电压。例如，上驱动器电路系统306可以响应于控制信号Φ1被断言而将上FET 302的栅极连接到电源轨330，并且上驱动器电路系统306可以响应于控制信号Φ1被取消断言而将上FET 302的栅极连接到开关节点324，反之亦然。类似地，下驱动器电路系统308响应于控制信号Φ2驱动下FET 304的栅极，即，下驱动器电路系统308响应于控制信号Φ2在电源轨332与电源节点326之间切换下晶体管304的栅极，使得下晶体管304的栅极被驱动到电源轨332的电压或电源节点326的电压。例如，下驱动器电路系统308可以响应于控制信号Φ2被断言而将下FET 304的栅极连接到电源轨332，并且下驱动器电路系统308可以响应于控制信号Φ2被取消断言而将下FET304的栅极连接到电源节点326，反之亦然。例如，控制器320使用脉冲宽度调制(PWM)技术或脉冲频率调制(PFM)技术生成控制信号Φ1和Φ2。
n沟道FET的栅源电压(Vgs)必须超过FET可靠开启的阈值电压。另一方面，n沟道FET的Vgs不得超过FET的最大栅源电压额定值，以防止例如通过导致FET的栅极氧化物失效而损坏FET。因此，上驱动器电路系统306的电源电压Vdrv1，即电源轨330的电压与开关节点324的电压之间的差，必须在上FET 302的指定范围内。类似地，下驱动器电路系统308的电源电压Vdrv2，即电源轨332的电压与电源节点326的电压之间的差，必须在下FET 304的指定范围内。在一些应用中，例如在使用具有薄栅极氧化层的FET时，电源电压Vdrv1和Vdrv2的(多个)允许范围可能相对较窄，例如在1.5伏到2.2伏之间。
为下驱动器电路系统308实现可接受的电源电压Vdrv2相对简单，因为电源电压Vdrv2参考通常具有固定电压的电源节点326。因此，电源电压Vdrv2将等于电压源318的电压，并且电压源318可以被配置为提供电源电压Vdrv2的期望值。然而，为上驱动器电路系统306实现可接受的电源电压Vdrv1更为复杂，因为电源电压Vdrv1参考开关节点324，并且开关节点316的电压Vx随着上FET 302和下FET 304的开关而变化。
因此，半桥开关级300包括自举电容器310以用作上驱动器电路系统306的参考开关节点324而不是参考电源节点326的电源。在本文档中，自举电容器是电耦合到半桥开关级的开关节点以帮助提供参考开关节点的电源的电容器，用于为开关级的驱动器电路系统供电。例如，自举电容器310经由电流感测电阻器312电耦合在电源轨330与开关节点324之间。当下FET 304在其导通状态下操作时，自举电容器310经由电压源316和二极管311充电，以生成上驱动器电路系统306的电源轨330。二极管311可以用开关器件代替，该开关器件被控制为，例如(1)当下FET 304在其导通阶段工作时开关器件在其导通状态下工作，以及(b)当下FET 304在其关断状态下工作时开关器件在其关断状态下工作。在理想条件下，电源电压Vdrv1的幅值保持约等于电压源316的电压Vs减去二极管311两端的电压降(或减去替代二极管311的开关器件两端的电压降)，从而为参考开关节点324的上驱动器电路系统306提供稳定的电源。电源电压Vdrv1与自举电容器310两端的电压Vc(忽略了电流感测电阻器312两端的电压降)相同。在本文档中，术语“自举电容器310处的电压”可以表示电压Vdrv1或电压Vc。
图4是展示了在理想条件下半桥开关级300的两个电压的示例的曲线图400，即，在这些条件中，(1)下FET 304具有可忽略的导通电阻，(2)电流感测电阻器312两端的电压降可忽略不计，并且(3)在上FET 302的开关期间可忽略的电流在上FET 302的栅极与驱动器电路系统306之间流动。曲线图400包括表示开关节点324的电压Vx和自举电容器310两端的电压Vc的曲线。从曲线图400可以明显看出，电压Vx和Vc都是方波。然而，在以上讨论的理想条件下，电源电压Vdrv1的幅值等于Vc-Vx，因此尽管电压Vx和Vc发生变化，Vdrv1的幅值仍保持恒定，如图4所示。
遗憾的是，半桥开关级300的实际实施不会根据以上讨论的理想条件进行操作，因此电源电压Vdrv1的幅值可能会发生变化。例如，由于当FET处于其导通状态时下FET 304两端的电压降，下FET 304的导通电阻可能导致电压Vdrv1的变化。特别地，假设电流感测电阻器312两端的电压降可忽略不计，电压Vdrv1由下面的等式1给出，其中，i2是通过下FET 304的电流，并且Rds-on是下FET 304的漏源导通电阻。例如，假设基于上FET 302的栅极驱动要求电源电压Vdrv1必须在1.5伏到2.2伏之间，并且电压Vs被设置为大约在该范围的中间在1.8伏处。此外，假设Rds-on为0.1欧姆，并且i2为6安培。在这些条件下，Vdrv1将为2.4伏，这可以由等式1确定。因此，在这些条件下将超过上FET 302的最大允许栅源电压。现在假设Rds-on为0.1欧姆，并且i2为-6安培。可以由等式1确定，在这些条件下，Vdrv1将为1.2伏特，因此上FET 302的栅源电压将低于保证下FET 302导通所需的最小值。因此，即使电压Vs被设置为大约指定范围的中间值，下FET 304的导通电阻也可能导致电源电压Vdrv1的幅值超出其指定范围。
Vdrv1＝Vs+(i2)(Rds-on) (等式1)
应当注意，下FET 304导通电阻对电源电压Vdrv1的负面影响将在高工作温度下变得显著，因为FET导通电阻通常随着工作温度的增加而增加。例如，FET在高温下的导通电阻可能大约是FET在室温下的导通电阻的两倍。此外，下FET 304可以针对半桥开关级300的平均负载调整大小，而不是针对半桥开关级300的峰值负载调整大小，这增加了Vdrv1由于下FET 304的导通电阻而超出其指定范围的可能性。下FET 304导通电阻对电源电压Vdrv1的影响可以通过增加FET 304的大小以降低其导通电阻来减轻。然而，由于空间和成本限制，特别是在平均负载电流明显小于峰值负载电流的应用中，通常不希望增加FET大小。
此外，电流感测电阻器312两端的电压降可能导致电压Vdrv1超出其指定范围。具体地，虽然如果电流i3在自举电容器310的充电和放电期间保持恒定则电流感测电阻器312的电阻不会影响Vdrv1的幅值，但是电流i3在半桥开关级300的实际操作条件下将不会保持恒定。因此，电流感测电阻器312通常将影响由下面的等式2近似的电压Vdrv1，其中，R是电流感测电阻器312的电阻。例如，假设R等于0.1欧姆，i3等于-6安培，并且Vc等于1.9伏特。由等式2可以确定，Vdrv1将等于2.5伏，这明显大于电源电压Vdrv1的最大允许值，假设允许范围为1.5至2.2伏，如上面的示例所示。此外，虽然没有反映在下面的等式2中，但是电流感测电阻器312对电压Vdrv1的影响随着电流i3频率的增加而增加，因为电流变化率随着电流i3频率的增加而增加。
Vdrv1＝Vc-(i3)(R) (等式2)
可以通过将自举电容器310的下端子334连接到开关节点324而不是输出节点328来避免电流感测电阻器312对电压Vdrv1的负面影响。然而，在半桥开关级300部分地由集成电路实施的实施例中，开关节点324可以在集成电路内部并且自举电容器310可以在集成电路外部。此外，集成电路上可能没有足够的输出引脚或焊料凸块来允许外部访问开关节点324。因此，将端子334直接连接到开关节点334可能是不可行的，并且端子334可能需要经由电流感测电阻器312电耦合到开关节点324，如图3所示。
本文披露了至少部分地克服了上述问题的用于为驱动器电路系统供电的系统和方法。新系统包括充电控制电路系统和钳位电路系统。充电控制电路系统被配置为经由电压源选择性地对半桥开关级的自举电容器充电，使得自举电容器处的电压保持在预定电压范围内，从而帮助防止驱动器电路系统的电源电压下降到低于最小允许水平。钳位电路系统被配置为钳位自举电容器处的电压以防止自举电容器处的电压超过预定最大值，从而帮助防止驱动器电路系统的电源电压上升到超过最大允许水平。因此，新系统和方法有助于防止下FET导通电阻和电流感测电阻器电阻导致驱动器电路系统的电源电压超出指定的允许范围。
图5是包括本文披露的新系统的实施例的半桥开关级500的框图。半桥开关级500包括图3的半桥开关级300的许多元件。具体地，半桥开关级500包括上FET 302、下FET 304、上驱动器电路系统306、下驱动器电路系统308、自举电容器310和电流感测电阻器312。此外，半桥开关级500进一步包括充电控制电路系统502和钳位电路系统504。图5进一步描绘了电流感测电路系统314、电压源316、电压源318和控制器320，但是这些元件不一定是半桥开关级500的一部分。元件302、304、306、308、310、312、314、316、318和320被配置为以与上面关于图3所讨论的相同的方式操作。在一些实施例中，电压源316和318由公共电压源而不是由不同的相应电压源实施。此外，在一些实施例中，省略了电流感测电阻器312(和相关联的电流感测电路系统314)。例如，在包括半桥开关级500的多个实例的应用中，半桥开关级500的仅一个实例可能需要电流感测能力。
此外，充电控制电路系统502被配置为监测电压Vdrv1或自举电容器310两端的电压Vc，以控制从电压源316对自举电容器310的充电，使得Vdrv1或电压Vc保持在预定电压范围内。预定电压范围被选择为例如至少基本上与上FET 302的Vgs范围一致，这保证上FET 302将完全导通而不超过上FET 302的最大Vgs额定值。因此，将充电控制电路系统502并入半桥开关级500有助于防止电源电压Vdrv1的幅值例如由于下FET 304的导通电阻和/或电流感测电阻器302的电阻而下降到低于最小允许值。
充电控制电路系统502通过控制从电压源316对自举电容器310的充电来帮助调节电压Vc和/或电压Vdrv1的事实可以使电压源316的电压Vs大于上FET 302的最大Vgs额定值。例如，在一些实施例中，上FET 302的最大Vgs额定值为2.2伏，并且电压Vs为3.3伏或5伏。作为另一示例，在一些其他实施例中，上FET 302的最大Vgs额定值是3.3伏，并且电压Vs是5伏或12伏。
图6是展示了充电控制电路系统502的一个实施例的操作示例的曲线图600。在该实施例中，充电控制电路系统502被配置为控制自举电容器310的充电，使得电源电压Vdrv1保持在由最小值Vdrv1_min和最大值Vdrv2_max界定的范围内。在时间t0，充电控制电路502使自举电容器310能够经由电压源316充电。在时间t1，充电控制电路502响应于电源电压Vdrv1的幅值达到Vdrv1_max而禁止对自举电容器310的充电。在时间t2，充电控制电路502响应于电源电压Vdrv1下降到Vdrv1_min，再次使自举电容器310能够经由电压源316充电。在时间t3，充电控制电路502响应于电源电压Vdrv1的幅值达到Vdrv1_max，再次禁止对自举电容器310充电。重复该过程使得电源电压Vdrv1在Vdrv1_min到Vdrv1_max之间反复转变。不应将图6解释为要求电压Vdrv1波形的任何特定形状或频率。该波形的实际形状和频率取决于实施方式，并且还将取决于半桥开关级500的操作条件以及与其电耦合的负载(未示出)的特性。此外，充电控制电路系统502可以被配置为控制经由电压源316对自举电容器310充电以调节自举电容器310两端的电压Vc，而不是调节电源电压Vdrv1。
再次参考图5，虽然充电控制电路系统502被配置为通过控制从电压源316对自举电容器310的充电来帮助控制电源电压Vdrv1或自举电容器310两端的电压Vc，但是在某些条件下可能会超过电源电压Vdrv1的最大允许值。例如，假设电流i3沿图5所指示的方向流动并且电流的幅值持续增加。由于电流感测电阻器312两端的电压降，增加电流i3将导致Vdrv1下降，如上文关于等式2所讨论的。因此，充电控制电路系统502将对自举电容器310充电以补偿电流感测电阻器312两端的电压降。接下来，假设电流i3改变方向。流过电流感测电阻器312的电流i3将增加电源电压Vdrv1，而不是降低电源电压Vdrv1，并且自举电容器310因此将在半桥开关级500的当前操作条件下过度充电。因此，电源电压Vdrv1可能超过其最大允许值，直到自举电容器310被充分放电以将电源电压Vdrv1的幅值降低到允许值为止。
钳位电路系统504有利地例如在上述情景中帮助防止电源电压Vdrv1的过压。特别地，钳位电路系统504被配置为钳位电源电压Vdrv1(或电压Vc)的幅值以防止电压超过预定最大值，比如上FET302的最大Vgs额定值。钳位电路系统504被配置为通过传导足够的电流i4以将自举电容器310部分地放电到电耦合到输出节点328的负载(未示出)来限制电源电压Vdrv1，以防止电源电压Vdrv1超过预定最大值。例如，钳位电路系统504可以响应于电源电压Vdrv1超过阈值而使自举电容器310部分地放电。因此，充电控制电路502和钳位电路系统504共同帮助确保电源电压Vdrv1保持在指定的允许范围内。
图7是充电控制电路系统700的示意图，该充电控制电路系统是充电控制电路系统502的一个可能实施例。但是，应当理解，充电控制电路系统502不限于图7的实施例。相反，充电控制电路系统502可以具有其他配置，只要它被配置为控制经由电压源316对自举电容器310的充电，使得Vdrv1和/或Vc保持在预定范围内。
充电控制电路系统700包括开关器件702、比较器704和参考源706。开关器件702被配置为选择性地将自举电容器310电耦合到电压源316以经由电压源316选择性地对自举电容器310充电。具体地，开关器件702电耦合在电压源316与电源轨330之间，并且开关器件702由比较器704生成的控制信号Φ3控制。在一些实施例中，开关器件702包括晶体管，比如FET或BJT。参考源706被配置为生成参考电压Vref_1。在一些实施例中，参考源706包括电流源(未示出)，该电流源被配置为驱动电流通过电阻器件(未示出)以生成Vref_1。尽管图7将参考源706描述为参考开关节点324，但是在不脱离其范围的情况下，参考源706可以替代地参考不同的节点，例如输出节点328。
比较器704被配置为将电源电压Vdrv1与Vref_1比较并响应于此生成控制信号Φ3。比较器704表现出具有值Vhyst的迟滞，并且比较器704被配置为响应于电源电压Vdrv1超过(例如，下降到)第一阈值Vref_1-Vhyst而使开关器件702闭合。此外，比较器704被配置为响应于电源电压Vdrv1超过(例如，上升到)第二阈值Vref_1+Vhyst而使开关器件702断开。因此，充电控制电路系统700被配置为控制自举电容器310的充电，使得电源电压Vdrv1保持在由低侧的Vref_1-Vhyst和高侧的Vref_1+Vhyst界定的范围内。在替代实施例中，比较器704将电压Vdrv1的缩放版本(比如由电阻分压器分压的电压Vdrv1)与Vref_1进行比较。图7展示了比较器704由参照电源节点326的辅助(housekeeping)电源轨708供电，但是在不脱离其范围的情况下比较器704可以以另一种方式供电。
图8是钳位电路系统800的示意图，该钳位电路系统是钳位电路系统504的一个可能实施例。但是，应当理解，钳位电路系统504不限于图8的实施例。相反，钳位电路系统800可以具有其他配置，只要它被配置为通过传导足够的电流i4以将自举电容器310部分地放电到电耦合到输出节点328的负载(未示出)来限制电源电压Vdrv1。
钳位电路系统800包括放电晶体管802、误差放大器804、参考源806、电阻器808和电阻器器件810。放电晶体管802是被配置为响应于来自误差放大器804的信号而使自举电容器310部分地放电的晶体管。放电晶体管802电耦合在电源轨330与开关节点324之间，并且放电晶体管802由误差放大器804生成的误差信号Φ4控制。尽管放电晶体管802被示为n沟道FET，但是放电晶体管802可以是不同类型的晶体管，包括但不限于p沟道FET或BJT。此外，放电晶体管802可以用多个晶体管代替，比如用并联电耦合的多个晶体管代替。参考源806被配置为生成参考电压Vref_2。在一些实施例中，参考源806包括电流源(未示出)，该电流源被配置为驱动电流通过电阻器件(未示出)以生成Vref_2。电阻器808和810串联电耦合在电源轨330和开关节点324之间以形成分压器，该分压器在两个电阻器连接的节点处生成电压Vy。Vy是电源电压Vdrv1的缩放版本。
误差放大器804将电压Vy与Vref_2进行比较以生成误差信号Φ4，并由此调制放电晶体管802以控制电流i4的幅值以使自举电容器704部分地放电，使得电压Vy不超过电压Vref_2。可以选择电阻器808和810以及Vref_2的值，使得电源电压Vdrv1不超过预定最大值，例如不超过上FET 302的最大栅源电压额定值。在一些替代实施例中，电阻器808和810被省略，并且误差放大器804将电源电压Vdrv1与Vref_2进行比较。钳位电路系统800可以包括额外的部件，例如额外的无源元件，以实现包括误差放大器804、放电晶体管802和自举电容器310的闭合控制环路的期望响应，例如期望的相位裕度和/或增益裕度。
再次参考图5，在一些实施例中，电压源316的电压Vs大于上FET 302的最大栅源电压额定值，如上所述。虽然充电控制电路系统502和钳位电路系统504防止电源电压Vdrv1的幅值在半桥开关级500的稳态操作期间超过该最大额定值，但是在包括半桥开关级500的设备启动期间在某些条件下电源电压Vdrv1可能超过最大额定值。例如，假设在包括半桥开关级500的设备启动期间电压源316在充电控制电路系统502之前变得活跃的情景。在这种情景下，可能会超过电源电压Vdrv1的最大允许值，直到充电控制电路系统502变得活跃，从而能够控制从电压源316对自举电容器310的充电。
因此，半桥开关级500的一些替代实施例进一步包括用于防止在包括半桥开关级的设备启动期间对自举电容器310过度充电的电路系统。例如，图9是半桥开关级900的示意图，该半桥开关级是进一步包括软启动电路系统902的半桥开关级500的替代实施例。图9进一步描绘了电压源904和电源OK电路系统906，但是这些元件都不一定是半桥开关级900的一部分。电压源904被配置为生成具有不超过上FET 302的最大栅源电压额定值的幅值的电压Vz。此外，电压Vz的幅值小于电压源316生成的电压Vs的幅值。
电源OK电路系统904被配置为生成至少反映充电控制电路系统502使用的一个或多个电源轨(未示出)是否在确保充电控制电路系统502正常操作所需的范围内的信号Φ5。例如，再次参考图7，假设比较器704由辅助电源轨708供电。电源OK电路系统904可以生成反映辅助电源轨708是否在确保比较器704正常操作所需的范围内的信号Φ5。在图9的实施例中，当充电控制电路系统502使用的一个或多个电源轨(未示出)在确保充电控制电路系统502正常操作所需的相应范围内时，断言信号Φ5。然而，在不脱离本发明范围的情况下，电源OK电路系统904可以被配置为使得信号Φ5具有不同的极性。此外，信号Φ5可以是在包含半桥开关级900的设备启动期间生成的两个或更多个电源状态信号之一。例如，在一些实施例中，信号Φ5是指示一个或多个电源轨在相应调节范围内的最终信号。
软启动电路系统902被配置为在包括半桥开关级900的设备启动期间经由电压源904对自举电容器310充电。具体地，软启动电路系统902被配置为当信号Φ5被取消断言时经由电压源904对自举电容器310充电，并且软启动电路系统902被配置为当信号Φ5被断言时禁止经由电压源904对自举电容器310充电。图10是软启动电路系统1000的示意图，该软启动电路系统是图9的软启动电路系统902的一个可能实施例。然而，应当理解，软启动电路系统902可以以其他方式实施。软启动电路系统1000包括电耦合在电压源904与电源轨330之间的开关器件1002，例如晶体管。开关器件1002被配置为当信号Φ5被取消断言时在其闭合状态下操作，并且开关器件1002被配置为当信号Φ5被断言时在其断开状态下操作。
再次参考图9，充电控制电路系统502被配置在半桥开关级900中，使得它被禁用直到信号Φ5被断言为止。例如，图7的开关器件702可以被配置为无论控制信号Φ3的值如何都在其断开状态下操作，直到控制信号Φ5被断言为止。在控制信号Φ5被断言之后，开关器件702可以被配置为根据控制信号Φ3进行切换。
因此，例如在包括开关级的设备的启动期间，半桥开关级900的自举电容器310经由电压源904充电同时信号Φ5被取消断言，并且例如在包括开关级的设备启动之后，自举电容器310经由电压源316充电同时信号Φ5被断言。在充电控制电路系统502不一定操作的时间期间使用电压源904对自举电容器310充电有助于防止电源电压Vdrv1的值过高。
图11是展示了半桥开关级900在包含开关级的设备启动期间的操作的一个示例的曲线图1100。曲线图1100包括表示电源电压Vdrv1的曲线以及表示信号Φ5的曲线。为清楚起见，两个曲线彼此竖直偏移。在时间t0，包含开关级900的设备开始启动，并且充电控制电路系统502使用的一个或多个电源轨不在确保充电控制电路系统502正常操作所需的相应范围内。因此，信号Φ5被取消断言，软启动电路系统902被启用，并且充电控制电路系统502被禁用。因此，自举电容器310由于电压Vz的幅值相对较小而开始以相对慢的速率充电。在时间t1，充电控制电路系统502使用的一个或多个电源轨在确保充电控制电路系统502正常操作所需的相应范围内，并且电源OK电路系统906因此断言信号Φ5。作为响应，软启动电路系统902被禁用，并且充电控制电路系统502被启用。充电控制电路系统502此后控制从电压源316对自举电容器310的充电，使得电压Vdriv1保持在由Vdrv1_min和Vdrv1_max界定的预定范围内，如图11所示。
图11不应被解释为在包含开关级的设备启动期间要求半桥开关级900中的电压Vdrv1波形的任何特定形状或定时。该波形的实际形状和定时取决于实施方式，也可能取决于包含开关级的设备的特性。
半桥开关级500和900可以结合到包括但不限于以下的设备中：放大器、直流到直流(DC到DC)转换器、交流到直流(AC到DC)转换器、逆变器、电动机驱动器和有源整流器。下面关于图12至图14讨论的是半桥开关级500和900的几个示例应用。然而，应认识到，半桥开关级500和900不限于这些示例应用。
图12是包括半桥开关级500的实例的DC到DC转换器1200的示意图。为清楚起见，半桥开关级500的细节未在图12中示出。DC到DC转换器1200进一步包括电感器1202、电容器1204和控制器1206。此外，图12描绘了输入电压源1208和负载1210，但是这两个元件不一定是DC到DC转换器1200的一部分。电压源316和318未在图12中示出，但这些电压源可以在DC到DC转换器1200的内部或外部。
输入电压源1208电耦合在电源节点322和326之间。因此，电源节点322是输入电源轨并且电源节点326是接地或参考节点。电感器1202电耦合在输出节点328与负载节点1212之间。电容器1204和负载1210中的每一个电耦合在负载节点1212与电源节点326之间。控制器1206被配置为生成控制信号Φ1和Φ2以调节负载1210两端的电压Vout。控制器1206的一些实施例被配置为根据电流模式控制方案操作，并且控制器1206因此可选地从半桥开关级500接收信号i感测，如图12所示。在某些实施例中，负载1210包括一个或多个集成电路，包括但不限于处理单元(例如，中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU))、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)(例如，用于人工智能和/或机器学习)和/或存储器单元。
DC到DC转换器1200具有降压拓扑，并且负载1210两端的电压Vout的幅值因此小于或等于输入电压源1208两端的电压Vin的幅值。然而，DC到DC转换器1200可以被修改为具有不同的拓扑，例如，升压拓扑或降压-升压拓扑，同时仍包含半桥开关级500的一个或多个实例。此外，半桥开关级500可以用半桥开关级900代替。
图13是包括半桥开关级500的两个实例即半桥开关级500(1)和半桥开关级500(2)以及控制器1302的全桥转换器1300的示意图。在本文档中，项目的特定实例可以通过使用括号中的数字来指代(例如，半桥开关级500(1))，而没有括号的数字指代任何这样的项目(例如，半桥开关级500)。图13另外描绘了输入电压源1304和负载1306，但是这两个元件不一定是全桥转换器1300的一部分。电压源316和318未在图13中示出，但这些电压源可以在全桥转换器1300内部或转换器1300外部。在不脱离本发明范围的情况下，半桥开关级500可以用半桥开关级900代替。
每个半桥开关级500的电源节点322电耦合到输入电压源1304的正节点，并且每个半桥开关级500的电源节点326电耦合到输入电压源1304的负节点。负载1306电耦合在半桥开关级500(1)的输出节点328(1)与半桥开关级500(2)的开关节点324(2)之间。从半桥开关级500(2)中省略了电流感测电阻器312，并且半桥开关级500(2)因此不具有电源节点328。然而，在全桥转换器1300的替代实施例(其中，半桥开关级500(2)包括电流感测电阻器312的实例)中，负载1306电耦合到半桥开关级500(2)的输出节点328(2)，而不是电耦合到半桥开关级500(2)的开关节点324(2)。负载1306是电阻电感负载，如负载1306象征性示出的，包括集总电阻元件1308和集总电感元件1310。负载1306包括例如音频扬声器或电动机。
控制器1302被配置为响应于输入信号Sin生成(1)控制信号Φ1(1)和Φ2(1)以控制半桥开关级500(1)，并且生成(2)控制信号Φ1(2)和Φ2(2)以控制半桥开关级500(2)。输入信号Sin例如是音频信号或电动机驱动器信号。由半桥开关级500(1)生成的信号i感测被全桥转换器1300外部的一个或多个系统使用，比如在负载1306包括音频扬声器的实施例中用于动态扬声器管理和/或扬声器校准。
应当注意，由于负载电流IL的双向性质，在半桥开关级500中包括充电控制电路系统502和钳位电路系统504在全桥转换器1300中可能是特别有利的。特别地，负载电流IL可能在两个方向上流动的事实增加了电源电压Vdrv1轨330上的过压状况和欠压状况的风险。因此，在全桥转换器1300中，包括充电控制电路系统502和钳位电路系统504可能特别有助于将电源电压Vdrv1的幅值保持在预定允许范围内。
图14是包括半桥开关级500的三个实例即半桥开关级500(1)、半桥开关级500(2)和半桥开关级500(3)以及控制器1402的三相电动机驱动器1400的示意图。图14另外描绘了输入电压源1404和三相电动机1406，但是这两个元件不一定是电动机驱动器1400的一部分。电压源316和318未在图14中示出，但这些电压源可以在电动机驱动器1400内部或电动机驱动器1400外部。在不脱离本发明范围的情况下，半桥开关级500可以用半桥开关级900代替。
每个半桥开关级500的电源节点322电耦合到输入电压源1404的正节点，并且每个半桥开关级500的电源节点326电耦合到输入电压源1404的负节点。电动机1406的每一相1408电耦合到相应的半桥开关级500的输出节点328。
控制器1402被配置为响应于输入信号Sin和来自每个半桥开关级500的信号i感测生成(1)控制信号Φ1(1)和Φ2(1)以控制半桥开关级500(1)，生成(2)控制信号Φ1(2)和Φ2(2)以控制半桥开关级500(2)，并且生成(3)控制信号Φ1(3)和Φ2(3)以控制半桥开关级500(3)。输入信号Sin是例如指定电动机1406的速度、扭矩或旋转位置的信号。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以对以上方法、设备和系统做出改变。例如，上FET 302和下FET 304可以通过多个晶体管和/或除n沟道FET之外的晶体管来实施，并对半桥开关级进行适当修改。作为另一示例，可以修改半桥开关级500使得省略充电控制电路系统502和钳位电路系统504中的一个。因此，应当注意，包含在以上说明书中并且在附图中示出的主题应当被解释为是说明性的而非限制性的意义。权利要求旨在涵盖本文中所描述的一般特征和具体特征，并且本方法和系统范围的所有陈述在语言上可以被认为落在其间。

Claims (20)

1.一种为半桥开关级的上晶体管的驱动器电路系统供电的方法，包括：
经由第一电压源选择性地对自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内；
钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器处的电压超过预定最大值；以及
至少部分地经由该自举电容器为该驱动器电路系统供电。
2.如权利要求1所述的方法，其中，经由该第一电压源选择性地对该自举电容器充电包括：响应于该自举电容器处的电压超过第一阈值而闭合将该第一电压源电耦合到该自举电容器的开关。
3.如权利要求2所述的方法，其中，经由该第一电压源选择性地对该自举电容器充电进一步包括：响应于该自举电容器处的电压超过第二阈值而断开将该第一电压源电耦合到该自举电容器的开关。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该第二阈值大于该第一阈值。
5.如权利要求1所述的方法，其中，钳位该自举电容器处的电压包括：响应于该自举电容器处的电压超过阈值而使该自举电容器部分地放电。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括在包括该半桥开关级的设备上电期间经由第二电压源对该自举电容器充电。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该第二电压源的电压幅值小于该第一电压源的电压幅值。
8.如权利要求1所述的方法，其中：
该上晶体管包括上场效应晶体管(FET)；
该自举电容器电耦合在该上FET的漏极与该上FET的源极之间；并且
该驱动器电路系统被配置为驱动该上FET的栅极。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该第一电压源的电压幅值大于该上FET的最大栅源电压额定值。
10.如权利要求8所述的方法，其中，电流感测电阻器将该上FET的源极电耦合到该自举电容器的端子。
11.如权利要求8所述的方法，其中，该上FET是n沟道FET。
12.如权利要求8所述的方法，其中：
该半桥开关级进一步包括下FET；并且
该下FET的漏极电耦合到该上FET的源极。
13.一种为半桥开关级的上晶体管的驱动器电路系统供电的系统，包括：
充电控制电路系统，该充电控制电路系统被配置为经由第一电压源选择性地对该半桥开关级的自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内；以及
钳位电路系统，该钳位电路系统被配置为钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器处的电压超过预定最大值。
14.如权利要求13所述的系统，其中，该充电控制电路系统包括：
开关，该开关被配置为选择性地将该自举电容器电耦合到该第一电压源；以及
控制电路系统，该控制电路系统被配置为控制该开关，使得该开关响应于该自举电容器处的电压分别超过第一阈值和第二阈值而闭合和断开。
15.如权利要求13所述的系统，其中，该钳位电路系统包括：
放电晶体管，该放电晶体管被配置为至少部分地对该自举电容器放电；以及
控制电路系统，该控制电路系统被配置为响应于该自举电容器处的电压超过阈值而激活该放电晶体管。
16.一种半桥开关级，包括：
上场效应晶体管(FET)，该上FET电耦合在第一节点与第二节点之间；
下场效应晶体管，该下场效应晶体管电耦合在该第二节点与第三节点之间；
驱动器电路系统，该驱动器电路系统被配置为驱动该上FET的栅极；
自举电容器，该自举电容器电耦合到第二节点并且被配置为至少部分地为该驱动器电路系统供电；
充电控制电路系统，该充电控制电路系统被配置为经由第一电压源选择性地对该自举电容器充电，使得该自举电容器处的电压保持在预定电压范围内；以及
钳位电路系统，该钳位电路系统被配置为钳位该自举电容器处的电压，以防止该自举电容器两端的电压超过预定最大值。
17.如权利要求16所述的半桥开关级，进一步包括软启动电路系统，该软启动电路系统被配置为在包括该半桥开关级的设备上电期间经由第二电压源对该自举电容器充电。
18.如权利要求16所述的半桥开关级，其中，该充电控制电路系统包括：
开关，该开关被配置为选择性地将该自举电容器电耦合到该第一电压源；以及
控制电路系统，该控制电路系统被配置为控制该开关，使得该开关响应于该自举电容器处的电压分别超过第一阈值和第二阈值而闭合和断开。
19.如权利要求16所述的半桥开关级，其中：
该上FET的漏极电耦合到该第一节点；
该上FET的源极电耦合到该第二节点；
该下FET的漏极电耦合到该第二节点；并且
该下FET的源极电耦合到该第三节点。
20.如权利要求16所述的半桥开关级，进一步包括电流感测电阻器，该电流感测电阻器电耦合在该第二节点与第四节点之间，其中，该自举电容器电耦合在该第一节点与该第四节点之间。
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