CN116436260A - 用于栅极驱动电压调节的装置、方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种装置、方法和控制器，方法包括：在包含背对背连接的两个晶体管的负载开关的第一工作模式中，将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的至少一个栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到栅极驱动电压的降低电位，并且在负载开关的第二工作模式中，将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的所述至少一个栅源电压从栅极驱动电压的降低电位升高到栅极驱动电压的正常电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动电压调节装置和控制方法，以及在特定的实施例中，涉及一种用于在电池供电的电子装置中降低功耗的栅极驱动电压调节装置、方法以及控制器。
背景技术
随着半导体技术的发展，金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)在集成电路中得到了广泛的应用。MOSFET是由电压控制的器件。在控制电压施加到MOSFET的栅极且控制电压大于MOSFET的阈值电压的情况下，MOSFET的漏极和源极之间会建立起导电沟道。在导电沟道建立后，电流会在MOSFET的漏极和源极之间流动。另一方面，在施加到MOSFET的栅极的控制电压小于MOSFET的阈值电压的情况下，MOSFET会相应地关断。
MOSFET可以包括N沟道型MOSFET和P沟道型MOSFET两大类。根据结构的不同，MOSFET又可分为平面型(Planar)MOSFET、侧向双扩散金属氧化物半导体(Lateral Double-diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)器件和垂直双扩散(vertical double-diffused)MOSFET三个子类。
在电池供电的电子器件中，负载开关被设置于电源和负载之间。负载开关被配置为将负载连接到电源或将负载从电源断开。负载开关可由外部信号控制。在工作过程中，当负载开关被关断时，负载开关能够在两个方向上阻止电流流动。另一方面，当负载开关被导通时，导电通路会建立在负载和电源之间。电流经由导电通路从电源流向负载。负载开关可被作为具有背对背(back-to-back)连接的两个晶体管的隔离开关。背对背连接的晶体管能够实现双向电流阻断。在一些应用中，负载开关的一端连接至电源(例如，电池)的正极，负载开关的另一端连接到系统负载。由于负载开关的两端都不接地，因此负载开关也被称为高压侧保护装置。
为了防止电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)和/或静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)干扰负载开关工作，负载开关包括双向瞬态电压抑制(Transient Voltage Suppression,TVS)二极管。具体地，第一双向TVS二极管设置在背对背连接的两个晶体管中的第一晶体管的栅极和源极之间。第二双向TVS二极管设置在背对背连接的两个晶体管中的第二晶体管的栅极和源极之间。此外，第一电阻(例如，10MΩ的电阻)与第一双向TVS二极管并联设置。第二电阻(例如，10MΩ的电阻)与第二双向TVS二极管并联设置。
在负载开关被施加很大的栅源电压(gate-to-source voltage)后，双向TVS二极管可能会导致漏电流的产生。在休眠模式或关机模式下，漏电流会导致明显的功率损耗，从而降低电池寿命。希望提供一种简单的装置和方法来减小负载开关的漏电流，从而延长电池寿命。本公开解决了这一需求。
发明内容
本公开提供了一种用于在电池供电的电子器件中降低功耗的栅极驱动电压调节装置、方法和控制器，在本公开的一些优选实施例中，上述问题和其他问题通常可以被解决或规避，并且可实现技术优势。
根据一个实施例，一种装置，包括：第一驱动器，配置为驱动第一开关；第二驱动器，配置为驱动第二开关，其中，第一开关与第二开关串联连接；串联连接在电源和第一驱动器之间的第一电压调节器和第一电荷泵，其中，第一电压调节器和第一电荷泵被配置以使得在第一开关处于导通状态期间，第一开关的栅源电压(栅极至源极的电压)从栅极驱动电压的正常电位降低至与第一开关的导通阈值电压一致(即，近似等于第一开关的导通阈值电压)；以及串联连接在电源和第二驱动器之间的第二电压调节器和第二电荷泵，其中，第二电压调节器和第二电荷泵被配置以使得在第二开关处于导通状态期间，第二开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低至与第二开关的导通阈值电压一致(即，近似等于第二开关的导通阈值电压)。
根据另一实施例，一种方法，包括：在包含背对背连接的两个晶体管的负载开关的第一工作模式中，将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的至少一个栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降至栅极驱动电压的降低电位，并且在负载开关的第二工作模式中，将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的所述至少一个栅源电压从栅极驱动电位所述降低电位增加到所述正常电位。
根据又一实施例，一种控制器，包括：第一驱动器，被配置为驱动负载开关的第一开关；第二驱动器，被配置为驱动负载开关的第二开关，其中，第一开关与所述第二开关串联连接；串联连接在电源和第一驱动器之间的第一电压调节器和第一电荷泵；串联连接在电源和第二驱动器之间的第二电压调节器和第二电荷泵，其中，第一电压调节器，第一电荷泵，第二电压调节器和第二电荷泵被配置以使得在第一开关处于导通状态期间，第一开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到与第一开关的导通阈值电压一致的栅极驱动电压(近似等于第一开关的导通阈值电压)，并且在第二开关处于导通状态期间，第二开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到与第二开关的导通阈值电压一致的栅极驱动电位(近似等于第二开关的导通阈值电压)。
以上描述宽泛地概括了本公开的特征和技术优点，使得下面对本公开的详细描述可以被更好地理解。下面会对本公开的附加特征和优点进行描述，这些附加特征和优点构成了本公开的权利要求保护的主题。本领域技术人员应当理解，基于本公开的构思和具体实施例，对那些与本公开具有相同目的的其它结构或工艺进行修改或设计是容易实现的。本领域技术人员还应认识到，这些等效结构未偏离如所附权利要求中所阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现将结合附图提供以下描述以供参考，其中：
图1示出了根据本公开的各种实施例的负载开关的栅极驱动电压调节电路的示意性框图；
图2示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的栅极驱动电压调节电路的另一示意性框图；
图3示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的栅极驱动电压调节电路的一种实现结构示意图；
图4示出了根据本公开的各种实施例的如图1中所示的电荷泵的示意图；
图5示出了根据本公开的各种实施例的栅极驱动电压调节电路的另一种实现结构示意图；
图6示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的栅极驱动电压调节电路的工作流程图；以及
图7示出了根据本公开的各种实施例的用于驱动如图1所示的负载开关的控制器的结构示意图。
在不同附图中，相对应的数字和符号一般用于指示相对应的部分，除非另有说明。这些附图是为了清楚地示出各实施例的相关方面，不一定且不必按比例绘制。
具体实施方式
下面将详细讨论本公开优选实施例的实现和使用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可以在多种具体的上下文描述中有所体现。所讨论的具体实施例仅仅是对实现和应用本公开的一些具体方式的说明，并且不用于限制本公开的范围。
本公开将在具体上下文中描述一些实施例，即用于在电池供电的电子装置中降低功耗的栅极驱动电压调节电路。然而，本公开也可应用于各种电子装置。以下，将参照附图详细说明各种实施例。
图1示出了根据本公开的各种实施例的负载开关的栅极驱动电压调节电路的示意性框图。如图1所示，负载开关100包括背对背连接的两个N型晶体管Q1和Q2。第一晶体管Q1包括第一漏极D1、第一栅极G1和第一源极S1。第二晶体管Q2包括第二漏极D2、第二栅极G2和第二源极S2。如图1所示，这两个N型晶体管的漏极直接连接在一起。图1所示的背对背连接的N型晶体管起到负载开关的作用。负载开关能够实现双向电流阻断。因此，负载开关100也被称为隔离开关。
根据一个实施例，图1示出的开关(例如，开关Q1和Q2)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件、超结晶体管(Super Junction Transistor,SJT)器件、氮化镓(GaN)基功率器件和/或类似器件。
负载开关100还包括由D11和D12形成的第一双向TVS二极管。第一双向TVS二极管被置于开关Q1的栅极和源极之间。负载开关100还包括由D21和D22形成的第二双向TVS二极管。第二双向TVS二极管被置于开关Q2的栅极和源极之间。此外，第一电阻R1与第一双向TVS二极管(D11和D12)并联设置。在一些实施例中，第一电阻R1是10MΩ(兆欧姆)电阻。第二电阻R2与第二双向TVS二极管(D21和D22)并联设置。在一些实施例中，第二电阻R2是10MΩ(兆欧姆)电阻。
在施加到开关Q1的栅极和源极的电压瞬变的正周期期间，TVS二极管D11被反向偏置，而另一二极管D12被正向偏置。D11进入雪崩模式以吸收电压瞬变引起的大电流。在电压瞬变的正周期期间，开关Q1的栅极和源极之间的电压被钳位在约等于D11提供的最大钳位电压的电位上。同样，在施加到开关Q1栅极的电压瞬变的负周期期间，TVS二极管D12被反向偏置，而另一二极管D11被正向偏置。D12进入雪崩模式以吸收电压瞬变引起的大电流。在电压瞬变的负周期期间，开关Q1的栅源电压被钳位在约等于D12提供的最大钳位电压的电位上。D21和D22的工作原理与D11和D12的工作原理相似，因此在此不进行讨论以避免重复。
栅极驱动电压调节电路包括：第一电压调节器(voltage regulator，或称为稳压器)102、第一电荷泵(charge pump)104、第一驱动器106、第二电压调节器112、第二电荷泵114和第二驱动器116。如图1所示，第一电压调节器102、第一电荷泵104和第一驱动器106级联连接在电源和开关Q1的栅极之间。在一些实施例中，电源是耦合到负载开关100的电池。如图1所示，在本公开的全文描述中，电池的节点被示为BATT。第二电压调节器112、第二电荷泵114和第二驱动器116级联连接在电源和开关Q2的栅极之间。
第一电压调节器102用于产生稳定且可调节的电压。该稳定且可调节的电压用于调节开关Q1的栅源电压(栅极至源极的电压)。例如，开关Q1的栅源电压可以从正常的栅极驱动电压(例如，8V)被调节至降低的栅极驱动电压(例如，被调节以稳定在约2.5V或约4V的电压)。第一电荷泵104用于提供高于开关Q1的源极电压(如图1所示的BATT节点处的电压)的栅极驱动电压。在一些实施例中，第一电荷泵104具有1：3的功率转换比。第一驱动器106被配置为将低功率驱动信号转换为施加到开关Q1的栅极的高电流驱动信号。此外，第一驱动器106能够将第一电荷泵104与开关Q1的栅极断开。
第二电压调节器112用于产生稳定且可调节的电压。该稳定且可调节的电压用于调节开关Q2的栅源电压。例如，开关Q2的栅源电压可以从正常的栅极驱动电压(例如，8V)被调节至降低的栅极驱动电压(例如，被调节以稳定在约2.5V或约4V的电压)。第二电荷泵114用于提供高于开关Q2的源极电压(如图1所示的PACK节点处的电压)的栅极驱动电压。在一些实施例中，第二电荷泵114具有1：3的功率转换比。第二驱动器116被配置为将低功率驱动信号转换为施加到开关Q2的栅极的高电流驱动信号。此外，第二驱动器116能够将第二电荷泵114与开关Q2的栅极断开。
在工作过程中，第一电压调节器102和第一电荷泵104被配置以使得第一开关Q1的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低至栅极驱动电压的降低电位(近似等于第一开关Q1的导通阈值电压)。例如，在轻负载工作条件下，第一开关Q1的栅源电压可以从栅极驱动电压的正常电位(例如，8V)被降至栅极驱动电压的降低电位(例如，被调节以稳定在约2.5V或约4V的电压)，用于减小流经第一TVS二极管(D11和D12)的漏电流。
为了进一步减小流经第一驱动器106的平均电流，通过周期性地对第一电荷泵104进行开启和关闭，开关Q1的栅源电压被配置为围绕稳压点(regulation point)，例如为被调节以稳定在约2.5V或约4V的电压)波动。在工作过程中，第一电荷泵104暂时禁用，以减小流经第一驱动器106的平均电流。当开关Q1的第一栅源电压下降到第一预定阈值电压以下时，再次启用第一电荷泵104。在第一电荷泵104被启用之后，在第一预定阈值电压之上添加预定的迟滞电压，使得第一栅源电压被充电至高于第一预定阈值电压。
在工作过程中，第二电压调节器112和第二电荷泵114被配置以使得第二开关Q2的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到栅极驱动电压的降低电位(近似等于第二开关Q2的导通阈值电压)。例如，在轻负载工作条件下，第二开关Q2的栅源电压可以从栅极驱动电压的正常电位(例如，8V)降低至栅极驱动电压的降低电位(例如，被调节以稳定在约2.5V或约4V的电压)，用于减小流经第二TVS二极管(D21和D22)的漏电流。
为了进一步减小流经第二驱动器116的平均电流，通过周期性地对第二电荷泵114进行开启和关闭，开关Q2的栅源电压被配置为围绕稳压点(例如为被调节以稳定在约2.5V或约4V的电压)波动。在工作过程中，第二电荷泵114暂时禁用，以减小流经第二驱动器116的平均电流。当第二开关Q2的栅源电压下降到第二预定阈值电压以下时，第二电荷泵114再次被启用。在第二电荷泵114被启用之后，在第二预定阈值电压之上添加预定迟滞电压，使得第二开关Q2的栅源电压被充电至高于第二预定阈值电压。
应当注意，第一开关Q1和第二开关Q2形成负载开关100。电流可以通过负载开关从电池流向负载。在一些实施例中，在轻负载工作条件下，第一开关Q1的栅源电压和第二开关Q2的栅源电压被同时降低，从而降低负载开关的漏电流。在替代实施例中，第一开关Q1的栅源电压和第二开关Q2的栅源电压以交替的方式被降低。此外，第一开关Q1和第二开关Q2的栅源电压中的至少一个栅源电压被降低，以节约负载开关100的功耗。
具有如图1所示的栅极驱动电压调节电路的有益特征是，通过降低第一开关Q1的栅源电压和第二开关Q2的栅源电压，可以显著地降低第一开关Q1和第二开关Q2的栅极至源极的漏电流。在一些实施例中，总漏电流可以从34.4μA(微安)被降低到2.4μA。
图2示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的栅极驱动电压调节电路的另一示意性框图。图2所示的框图与图1所示的框图类似，但图2所示的方案增加了第一比较器257、第二比较器258和处理器250。
如图2所示，第一比较器257的第一输入端连接到第一驱动器255的输入端，第二输入端连接到BATT节点(开关Q1的源极)，输出端连接到处理器250。第一比较器257用于：检测第一开关Q1的栅源电压，将检测到的电压与预定基准进行比较，并将比较结果提供给处理器250。
应当注意，当第一开关Q1导通时，第一驱动器255的输入端上的电压约等于第一开关Q1的栅极电压。因此，通过将第一比较器257的第一输入端连接到第一驱动器255的输入端，可以获得第一开关Q1的栅源电压。
第二比较器258的第一输入端连接到第二驱动器256的输入端，第二输入端连接到PACK节点(开关Q2的源极)，输出端连接到处理器250。第二比较器258用于：检测第二开关Q2的栅源电压，将检测到的电压与预定基准进行比较，并将比较结果提供给处理器250。
处理器250能够生成用于第一电压调节器251、第一电荷泵253、第二电压调节器252和第二电荷泵254的控制信号。具体地，处理器250被配置为：检测负载开关的多个工作参数，并基于这多个工作参数确定负载开关是否进入省电工作模式(例如，轻负载工作模式)。在确定负载开关已经进入省电工作模式的情况下，处理器250对第一电压调节器251和/或第二电压调节器252进行配置以降低输出电压，使得开关Q1和开关Q2的栅源电压约等于开关Q1和开关Q2的导通阈值电压。此外，处理器250能够暂时禁用第一电荷泵253和/或第二电荷泵254，以减小流经各个驱动器的平均电流。
图3示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的栅极驱动电压调节电路的一种实现结构示意图。如图3所示，可以采用电压调节器220，例如低压差稳压器(Low-DropoutRegulator,LDO)，来产生两个干线电压(rail voltage)Vp和Vm。干线电压Vp和Vm通过第一电荷泵206被施加到开关Q1的栅极。在一些实施例中，第一电荷泵206是转换比为1：3的电荷泵。换句话说，开关Q1栅极和源极之间的电压约等于Vp和Vm之差的三倍，即3×(Vp-Vm)。同样，干线电压Vp和Vm通过第二电荷泵226被施加到开关Q2的栅极。在一些实施例中，第二电荷泵226是转换比为1：3的电荷泵。换句话说，Q2栅极和源极之间的电压约等于Vp和Vm之差的三倍，即3×(Vp-Vm)。
第一升压转换器(low-to-high converter)202、第一非交叠信号发生器204、第一电荷泵206和第一驱动器208耦合在干线电压(Vp、Vm)与开关Q1的栅极之间。由R11、R12和R13组成的第一分压器连接在第一驱动器208的输入端和BATT节点之间。
第一比较器216的正相输入端连接到R11和R12的公共节点，反相输入端连接到第一预定基准REF1，输出端馈入第一降压转换器(high-to-low converter)212的输入端。第二比较器218的正相输入端连接到R12和R13的公共节点，反相输入端连接到第一预定基准REF1，输出端馈入第二降压转换器214的输入端。第一比较器216和第二比较器218被配置为检测开关Q1的栅源电压。第一降压转换器212用于将高电压域中的控制信号转换为低电压域中的控制信号。低电压域中的控制信号可以由处理器201直接处理。同样，第二降压转换器214用于将高电压域中的控制信号转换为低电压域中的控制信号。第二降压转换器214的输出信号可以由处理器201直接处理。
基于由第一降压转换器212和第二降压转换器214产生的控制信号，处理器201能够控制第一电荷泵206的工作状态。具体地，处理器201可以暂时禁用第一电荷泵206，以减小流经第一驱动器208的平均电流。此外，处理器201可在开关Q1的栅源电压降至低于第一预定阈值电压之后启用第一电荷泵206。在第一电荷泵206被启用之后，在第一预定阈值电压之上添加迟滞电压，使得开关Q1的栅源电压被充电至高于第一预定阈值电压。应当注意，该迟滞电压是通过第一比较器216和第二比较器218被添加的。
第二升压转换器222、第二非交叠信号发生器224、第二电荷泵226和第二驱动器228耦合在干线电压(Vp、Vm)和开关Q2的栅极之间。由R21、R22和R23组成的第二分压器连接在第二驱动器228的输入端和PACK节点之间。
第三比较器236的正相输入端连接到R21和R22的公共节点，反相输入端连接到第二预定基准REF2，输出端馈入到第三降压转换器232的输入端。第四比较器238的正相输入端连接到R22和R23的公共节点，反相输入端连接到第二预定基准REF2，输出端馈入第四降压转换器234的输入端。第三比较器236和第四比较器238被配置为检测开关Q2的栅源电压。第三降压转换器232用于将高电压域中的控制信号转换为低电压域中的控制信号。低电压域中的控制信号可以由处理器201直接处理。同样，第四降压转换器234用于将高电压域中的控制信号转换为低电压域中的控制信号。第四降压转换器234的输出信号可以由处理器201直接处理。
基于由第三降压转换器232和第四降压转换器234产生的控制信号，处理器201能够控制第二电荷泵226的工作状态。具体地，处理器201可以暂时禁用第二电荷泵226，以减小流经第二驱动器228的平均电流。此外，处理器201可在开关Q2的栅源电压降至低于第二预定阈值电压之后启用第二电荷泵226。在第二电荷泵226被启用之后，在第二预定阈值电压之上添加迟滞电压，使得开关Q2的栅源电压被充电至高于第二预定阈值电压。应当注意，该迟滞电压是通过第三比较器236和第四比较器238添加的。
图4示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的电荷泵的示意图。返回参考图1，第一电荷泵104和第二电荷泵114具有相同的结构。如图4所示，电荷泵(例如图1所示的第一电荷泵104)包括在输入端和输出端之间级联连接的三个电路级401、402和403。这三个电路级具有相同的结构。为了简单起见，下面仅详细讨论第一电路级401。
如图4所示，第一晶体管M1连接在VIN和节点N1之间。第二晶体管M2连接在VIN和节点N2之间。M1的栅极连接到节点N2。M2的栅极连接到节点N1。晶体管M3和M4串联在节点N1和N2之间。M3的栅极连接到节点N1。M4的栅极连接到节点N2。第一级401的输出端连接到M3和M4的公共节点。
晶体管M5和M6串联在VIN和地之间。M5和M6的栅极连接在一起，并被配置为接收第一时钟信号CLK11。晶体管M7和M8串联在VIN和地之间。M7和M8的栅极连接在一起，并被配置为接收第二时钟信号CLK12。在一些实施例中，CLK11和CLK12是两个互补信号。
第一电容C1a连接在M5和M6的公共节点与N1之间。第二电容C1b连接在M7和M8的公共节点与N2之间。
电荷泵的三个电路级401、402和403能够实现1：3的转换比。转换比为1：3的电荷泵的工作原理是众所周知的，因而在此不进行讨论。
图5示出了根据本公开的各种实施例的栅极驱动电压调节电路的另一种实现的结构示意图。如图5所示，开关Q3连接在开关Q1的栅极和开关Q2的栅极之间。电压调节器552、电荷泵554和驱动器556连接在电源(例如，BATT节点)与开关Q1、开关Q2的栅极之间。比较器558的第一输入端连接到PACK节点，第二输入端连接到BATT节点，输出端馈入处理器550的输入端。
在工作过程中，在负载开关100处于导通状态期间，开关Q3导通。比较器558对第一开关Q1的源极与第二开关Q2的源极之间的电压进行检测。基于检测到的电压(即，第一开关Q1的源极与第二开关Q2的源极之间的电压)，处理器550被配置为将负载开关100的栅源电压调节到约等于负载开关100的导通阈值电压。此外，处理器550被配置为临时禁用电荷泵554，以减小流经驱动器556的平均电流。处理器550被配置为：当第一开关Q1的源极与第二开关Q2的源极之间的电压超过预定阈值电压时，就启用电荷泵554。
在替代实施例中，处理器550被配置为：在预定时间内启用电荷泵554。在预定时间结束后，电荷泵554再次被暂时禁用。
图6示出了根据本公开的各种实施例的如图1所示的栅极驱动电压调节电路的工作流程图。图6所示的流程图只是一个示例，不应用于过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。例如，图6中所示的各种步骤可以被添加、删除、替换、重新排列和重复。
返回参考图1，第一驱动器被配置为驱动负载开关的第一开关。第二驱动器被配置为驱动负载开关的第二开关。第一开关与第二开关串联连接。第一电压调节器和第一电荷泵串联连接在电源和第一驱动器之间。第二电压调节器和第二电荷泵串联连接在电源和第二驱动器之间。处理器被配置为对第一电压调节器、第一电荷泵、第二电压调节器和第二电荷泵进行控制，以减小负载开关的漏电流。
在步骤602，在负载开关(包括背对背连接的两个晶体管)的第一工作模式中，将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的至少一个栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降至降低的栅极驱动电压的电位(降低电位)。
在一些实施例中，第一工作模式是一种降低的栅源电压和增加的导通电阻可以被负载开关的主机系统接受的工作模式。例如，第一工作模式可以发生在主机系统的轻负载工作条件下，第一工作模式例如为：由电池供电的电子装置的休眠模式或关机模式。
在步骤604，在负载开关的第二工作模式中，将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的上述至少一个栅源电压从栅极驱动电压的降低电位增加到栅极驱动电压的正常电位。
在一些实施例中，第二工作模式是一种降低的栅源电压和增加的导通电阻不可被负载开关的主机系统接受的工作模式。例如，第二工作模式可以发生在主机系统的重负载工作条件下。
该方法还包括：对负载开关的多个工作参数进行检测，以及基于所述多个工作参数确定负载开关是否进入第一工作模式。
负载开关包括串联连接的第一开关和第二开关，其中，第一开关的漏极连接到第二开关的漏极，第一开关的源极被配置为耦合到负载，并且第二开关的源极被配置为耦合到电池。
该方法还包括：将第一电压调节器、第一电荷泵和第一驱动器耦合在电源和第一开关的栅极之间，以及将第二电压调节器、第二电荷泵和第二驱动器耦合在电源和第二开关的栅极之间。
第一电荷泵与第二电荷泵的功率转换比为1：3。
该方法还包括：在负载开关的第一工作模式中，临时禁用第一电荷泵，以便减小流经第一驱动器的平均电流，且当第一栅源电压降至低于第一预定阈值电压时启用第一电荷泵，其中，在启用第一电荷泵之后，在第一预定阈值电压之上添加迟滞电压，使得第一栅源电压被充电至高于第一预定阈值电压。
该方法还包括：调节第一电压调节器的输出电压，以将背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到栅极驱动电压的降低电位，以及调节第二电压调节器的输出电压，以将背对背连接的两个晶体管的第二栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降至栅极驱动电压的降低电位。
该方法还包括：将耦合在第一开关的栅极和第二开关的栅极之间的开关导通；对所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压进行检测，并基于所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压，将所述负载开关的栅源电压调节到近似等于所述负载开关的导通阈值电压。
该方法还包括：暂时禁用电荷泵，所述电荷泵被配置为提供用于对栅源电压进行充电的电能；以及当所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压超过预定阈值电压时，启用所述电荷泵，其中，在所述电荷泵已被启用之后，增加迟滞电压，使得所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压下降到所述预定阈值电压减去迟滞电压的结果电压之下。
该方法还包括：暂时禁用电荷泵，所述电荷泵被配置为提供用于对栅源电压进行充电的电能；以及当所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压超过预定阈值电压时，启用所述电荷泵，其中，在所述电荷泵被启用预定时间之后，所述电荷泵再次被暂时禁用。
图7示出了根据本公开的各种实施例的用于驱动如图1所示的负载开关的控制器的示意图。控制器702包括第一驱动器、第二驱动器和其他功能单元。第一驱动器被配置为：产生第一栅极驱动信号，并将第一栅极驱动信号施加到第一开关Q1的第一栅极CHG。第二驱动器被配置为：产生第二栅极驱动信号，并将第二栅极驱动信号施加到第二开关的第二栅极DSG。
应当注意，具有上述两个驱动器的控制器702仅仅是示例，其不应当用于不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。
尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开各实施例进行各种变换、替换和修改。
此外，本申请的范围不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员可以容易地从本公开中理解到的那样，与本文所述的相应实施例具有基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤可以根据本公开被采用，这些工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤可以是目前存在的或未来被开发的。基于此，所附权利要求书旨在将这样的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
Claims (20)
1.一种装置，其中，包括：
第一驱动器，被配置为驱动第一开关；
第二驱动器，被配置为驱动第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联连接；
串联连接在电源和所述第一驱动器之间的第一电压调节器和第一电荷泵，所述第一电压调节器和所述第一电荷泵被配置以使得在所述第一开关处于导通状态期间，所述第一开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降到与所述第一开关导通阈值电压一致的栅极驱动电位；以及
串联连接在所述电源和所述第二驱动器之间的第二电压调节器和第二电荷泵，其中，所述第二电压调节器和所述第二电荷泵被配置以使得在所述第二开关处于导通状态期间，所述第二开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到与所述第二开关导通阈值电压一致的栅极驱动电位。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一开关是第一N型MOSFET，所述第二开关是第二N型MOSFET，且所述第一开关和所述第二开关形成的负载开关被配置为耦合于电池和负载之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一开关的漏极连接到所述第二开关的漏极；所述第一开关的源极被配置为耦合到负载；所述第二开关的源极被配置为耦合到电池。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一电荷泵被暂时禁用，以减小流经所述第一驱动器的平均电流；且当所述第一开关的栅源电压降至低于第一预定阈值电压时，所述第一电荷泵被启用。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二电荷泵被暂时禁用，以减小流经所述第二驱动器的平均电流；且当所述第二开关的栅源电压降至低于第二预定阈值电压时，第二电荷泵被启用。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一电荷泵的功率转换比为1：3；和所述第二电荷泵的功率转换比为1：3。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，第一TVS二极管连接在所述第一开关的栅极和源极之间；第一电阻与所述第一TVS二极管并联；第二TVS二极管连接在所述第二开关的栅极和源极之间；以及第二电阻与所述第二TVS二极管并联。
8.一种方法，其中，包括：在包含背对背连接的两个晶体管的负载开关的第一工作模式中，将所述背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的至少一个栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到栅极驱动电压的降低电位；以及在所述负载开关的第二工作模式中，将所述背对背连接的两个晶体管的第一栅源电压和第二栅源电压中的所述至少一个栅源电压从栅极驱动电压的所述降低电位增加到栅极驱动电压的所述正常电位。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，还包括：对所述负载开关的多个工作参数进行检测；以及基于所述多个工作参数确定所述负载开关是否进入所述第一工作模式。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述负载开关包括串联连接的第一开关和第二开关，并且，所述第一开关的漏极连接到所述第二开关的漏极，所述第一开关的源极被配置为耦合到负载，所述第二开关的源极被配置为耦合到电池。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，还包括：
将第一电压调节器、第一电荷泵和第一驱动器耦合于电源和所述第一开关的栅极之间；以及
将第二电压调节器、第二电荷泵和第二驱动器耦合于所述电源和所述第二开关的栅极之间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电荷泵和所述第二电荷泵的功率转换比为1：3。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括：
在所述负载开关的所述第一工作模式中，暂时禁用所述第一电荷泵，以便减小流经所述第一驱动器的平均电流；以及
当所述第一栅源电压降至低于第一预定阈值电压时，启用所述第一电荷泵，在启用所述第一电荷泵之后，在所述第一预定阈值电压之上添加迟滞电压，使得所述第一栅源电压被充电至高于所述第一预定阈值电压。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括：
对所述第一电压调节器的输出电压进行调节，以将所述背对背连接的两个晶体管的所述第一栅源电压从栅极驱动电压的所述正常电位降低到栅极驱动电压的所述降低电位；以及
对所述第二电压调节器的输出电压进行调节，以将所述背对背连接的两个晶体管的所述第二栅源电压从栅极驱动电压的所述正常电位降低到栅极驱动电压的所述降低电位。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，还包括：
将耦合在所述第一开关的栅极和所述第二开关的栅极之间的开关导通；
对所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压进行检测；以及基于所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压，将所述负载开关的栅源电压调节到与所述负载开关的导通阈值电压一致。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，还包括：
暂时禁用电荷泵，所述电荷泵被配置为提供用于对所述负载开关的所述栅源电压进行充电的电能；以及
当所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压超过预定阈值电压时，启用所述电荷泵，并在所述电荷泵已经启用之后添加迟滞电压，使得所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压下降到所述预定阈值电压减去所述迟滞电压的结果电压之下。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，还包括：
暂时禁用电荷泵，所述电荷泵被配置为提供用于对所述栅源电压进行充电的电能；以及
当所述第一开关的源极和所述第二开关的源极之间的电压超过预定阈值电压时，启用所述电荷泵，并在所述电荷泵被启用预定时间之后，再次暂时禁用所述电荷泵。
18.一种控制器，其中，包括：
第一驱动器，被配置为驱动负载开关的第一开关；
第二驱动器，被配置为驱动所述负载开关的第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联连接；
串联连接在电源和所述第一驱动器之间的第一电压调节器和第一电荷泵；
串联连接在所述电源和所述第二驱动器之间的第二电压调节器和第二电荷泵，所述第一电压调节器、所述第一电荷泵、所述第二电压调节器和所述第二电荷泵被配置为：
在所述第一开关处于导通状态期间，将所述第一开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到与所述第一开关导通阈值电压一致的栅极驱动电位；以及
在所述第二开关处于导通状态期间，将所述第二开关的栅源电压从栅极驱动电压的正常电位降低到与所述第二开关导通阈值电压一致的栅极驱动电位。
19.根据权利要求18所述的控制器，其中，所述电源为电池；所述第一开关为第一N型MOSFET；所述第二开关为第二N型MOSFET，所述第一开关的漏极连接到所述第二开关的漏极，所述第一开关的源极被配置为耦合到负载，所述第二开关的源极被配置为耦合到电池。
20.根据权利要求18所述的控制器，其中，在所述第一开关处于导通状态期间，所述第一电荷泵暂时被禁用，以减小流经所述第一驱动器的平均电流；以及在所述第二开关处于导通状态期间，所述第二电荷泵暂时被禁用，以减小流经第二驱动器的平均电流。
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