CN1717869A - 用于开关电路的驱动器和驱动方法 - Google Patents

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Abstract

驱动器电路包括用于监视高端和低端开关(6，8)的状态的监视电路(32，34，36)。驱动器电路具有用于接通晶体管(6，8)的可调节的延时。该延时当监视电路检测到相应于一个晶体管的电压在相应于另一个晶体管的电压经过另一个预定点V2之前经过预定的电压V1时被减小，而反之亦然。

Description

用于开关电路的驱动器和驱动方法
本发明涉及开关电路、用于这样的电路的驱动电路和用于驱动开关电路的方法，而具体地但非排他地涉及开关电压变换器电路。
各种各样的开关稳压器通常被用来生成电压。
一种类型的变换器，同步直流-直流变换器，被示意性地显示于图1。输入电压Vin被加到输入端2、4之间。一对晶体管，这里是场效应晶体管6、8，被连接在输入端2、4之间。靠近输入端2的晶体管6被称为控制FET或高端晶体管，而靠近地的晶体管8被称为同步(sync)晶体管或低端晶体管。虽然高端或低端不必具有相对于地的任何特定关系，但高端比低端相对更正(positive)。
在晶体管6、8之间的节点被称为开关节点10。开关节点10通过电感12且跨越电容14而馈入输出端16。
控制电路18具有在输入控制端20上的一个输入以及从输出端16经由反馈通路21馈送的另一个输入。控制电路18提供控制信号来控制FET6、8以便通过交替地关断和接通晶体管6、8而在输出端保持恒定电压。该控制信号是交变信号，它使得控制和同步FET交替地导通。传号空号比(mark-space ratio)被改变，即，控制FET导通的时间对同步FET导通的时间的比率被调制，以便在输出端16上达到想要的电压。
这样的直流-直流变换器的例子包括在给Intel公司的WO98/49607和给Lee的US 5,479,089中给出的那些变换器。
同步直流-直流变换器的一个特性是通常不希望同时接通高端和低端晶体管6、8。如果两个晶体管都被接通，则输入电压被通过控制和同步FET直接在两个输入端2、4之间流过的电流短路。这个现象被称为“击穿”。因此，控制电路18通常被安排成保证在同一时刻只有两个晶体管6、8中的一个晶体管接通。
传统上这是通过监视两个电压而实现的。在开关节点10处的电压被监视，以防止低端晶体管8在高端晶体管6被关断之前接通。在低端晶体管8的栅极处的电压被监视，以防止高端晶体管在低端晶体管8被关断之前接通。WO98/49607描述了一个这种类型的电路，给Lee的US5,479,089也描述了这种电路。
任一个FET都不接通的空载时间(dead time)取决于晶体管阈值电压和同步FET的电容，它们由于所选FET的参数的制造上的散差以及按照FET的个别选择而大范围地变化。这意味着，控制IC必须使用这些参数的保守的估值来产生避免击穿的空载时间。这通常是比当控制电路对于所使用的特定的FET进行最优化时可能的空载时间更长的空载时间。
现在的趋势是提高切换和时钟速度，这提高了空载时间的重要性，在此期间高端或低端晶体管6、8都不接通。减小这个时间将是有益的。
目的在于减小这个空载时间的一个电路是在给Philips的WO02/063752中描述的电路。在驱动节点10上的电压被监视以及与预定的电压进行比较，该预定的电压具有与输出电压相反的正负号。当控制FET6关断时，电感继续通过同步FET8的寄生体二极管(parasitic bodydiode)汲取电流。该体二极管的压降约为0.6伏，这样，若假设输入和输出电压是正的，当控制FET关断时驱动节点10处的电压变为负的。WO02/063752因此使用在驱动节点处降低到低于预定值的电压来触发同步FET的接通，以确保在控制FET被关断之前同步FET不被接通。
然而，虽然这样的电路可靠地避免了击穿，但仍旧有相当大的、至少是驱动器的延时加上FET的接通时间的空载时间，此时两个FET都没有接通。这个空载时间在使用当前的技术时约为30纳秒。
在US 6,396,250中描述了另一个方法。在这个电路中，在用来选通晶体管的输入端处提供可控制的延时，由反馈环用取自开关节点的信号控制。本发明人认识到，虽然这个电路提供了某些好处，但以这种方式从开关节点取控制信号有缺点。
随着开关速度进一步提高，尽可能多地减小空载时间是有好处的。
因此，一方面，提供一种用于开关电路的驱动电路，包含：第一和第二选通控制输出端，用于连接到各自的第一和第二绝缘栅晶体管的栅极；第一和第二栅极驱动器，分别被连接到第一和第二选通控制输出端，用于驱动各自的栅极交替地接通和关断第一和第二绝缘栅晶体管；以及监视电路，用于监视在第一和第二监视点上的电压，而因此分别监视第一和第二晶体管的状态，第一监视点是第一选通控制输出端和第一和第二晶体管之间的开关节点中的一个而第二监视点是第二选通控制输出端，其中驱动电路被安排成：驱动第二栅极驱动器，以关断第二绝缘栅晶体管，然后在可控制的延时D以后驱动第一栅极驱动器，以接通第一绝缘栅晶体管；把第一监视点上的电压经过第一预定电压的时间与第二监视点上的电压经过第二预定电压的时间进行比较；以及如果第二时间是在第一时间之前则降低延时D而如果第二时间是在第一时间之后则增加延时D。
所述电路允许把空载时间减小到最小值，而不需要过分复杂的附加电路。
通过分开地使用关于每个晶体管的定时信息而不是像在US6,396,250中那样只从开关节点取反馈信号，所述电路可以以一致的和可靠的方式跟踪每个晶体管的接通时间。
所述晶体管可在开关节点被串联地连接。第一监视点可以是开关节点。替换地，第一监视点便利地可以是第一栅极。这些方法的好处将在下面更详细地说明。
延时D可以增加或减小一个预定量。预定量可以在0.5纳秒-10纳秒的范围内，优选地为1纳秒-5纳秒。通过使用在这个范围内特别是在优选的范围内的预定量，即使在运行期间工作电流和温度的改变影响元件的切换时间时，空载时间也可被减小到零-系统能够足够快速地调节以应付这些变化。而且，这个范围允许良好的稳定性。如果该延时以太大的步长减小，则选通信号可能重叠并延伸而使得两个FET全部接通，且将发生“击穿”，这增加了损耗。所以步长必须足够小以避免大的击穿。
替换地，延时D可以改变一个可变的量-例如在第一和第二时间之间的时间差越大，在每个周期内D可以被调节得越多。
预定的电压可以基于被使用于绝缘栅场效应晶体管的元件进行选择。
第一和第二预定的电压可以是在1伏-2伏的范围内；这个电压允许对于各种各样的输出电压进行良好的控制。在只工作于更高电压范围的电路中，该预定的电压可以更宽地改变。例如，对于12伏输出，预定的电压可以是在1伏-10伏的范围内。
电压可以是相同的，以及优选地可以是大约相应于晶体管的阈值电压的电平。
对于p沟道绝缘栅晶体管，相应的预定电压可以是比p沟道源电压低1伏-2伏。
在优选实施例中，驱动电路被安排成：关断第二绝缘栅晶体管以及在第二延时E以后接通第一绝缘栅晶体管；把第一选通控制输出端上的电压经过第三预定电压的时间与第二选通控制输出端上的电压经过第四预定电压的时间进行比较；以及如果第四时间是在第三时间之后则降低第二延时E而如果第四时间是在第三时间之前则增加第二延时E。这使得驱动电路能够把延时D设置成与第二延时E不同，由此允许分开地设置用于第一和第二晶体管的延时。
便利地，第三电压等于第一电压而第四电压等于第二电压。
本发明还涉及包含如上所述的驱动电路以及上部和下部绝缘栅晶体管的开关电路，每个绝缘栅晶体管具有栅极、源极和漏极，上部和下部绝缘栅晶体管的栅极被连接到驱动电路的相应的选通控制输出端。
预定电压可以在绝缘栅晶体管阈值电压的1伏内。
在实施例中，第一监视点是第一选通控制输出端。这个对称的安排避免了单独连接到开关节点的需要，因为该驱动电路内第一和第二选通控制输出端都可得到。另外，通过不需要监视开关节点，避免了在开关节点处噪声带来的困难。
在替换实施例中，第一监视点是开关节点。把第一晶体管取为高端晶体管后，第一晶体管的源极实际上浮动在振荡的开关节点电压上，意思是栅极源电压相对于地电位变动。通过监视开关节点，而不是栅极电压，便不需要考虑高端晶体管的变化的参考电压。而且，不再需要考虑第一晶体管的阈值电压的变化。
优选地，预定电压是在相对于低端晶体管的地的1伏-2伏范围内-这个范围允许驱动器分别用相同宽度范围的变换(输出)电压工作。
另一方面，提供一种具有控制和同步绝缘栅晶体管的开关变换器电路，每个绝缘栅晶体管具有栅极、源极和漏极，控制和同步绝缘栅晶体管被与开关节点串联在一起，用于驱动一个负载绝缘栅晶体管；而驱动电路被连接到绝缘栅晶体管的栅极，用于交替地接通和关断该控制与同步绝缘栅晶体管，其中驱动电路被安排成：关断同步绝缘栅晶体管以及在延时D以后接通控制绝缘栅晶体管；监视在第一和第二监视点上的电压，第一监视点是开关节点或控制晶体管的栅极电压而第二监视点是同步晶体管的栅极电压；把第一监视点上的电压下降到低于第一预定电压的时间与第二监视点上的电压上升到超过第二预定电压的时间进行比较；以及如果第二时间是在第一时间之后则减小延时D而如果第二时间是在第一时间之前则增加延时D。
在另外的一个方面，本发明涉及一种驱动具有控制和同步绝缘栅晶体管的变换器电路的方法，每个绝缘栅晶体管具有栅极、源极和漏极，上部和下部绝缘栅晶体管被串联连接一起并且在它们之间有开关节点，用于连接到一个负载；该方法包括以下步骤：(a)关断第一绝缘栅晶体管；(b)在延时D以后接通第二绝缘栅晶体管；(c)监视在第一和第二监视点上的电压，第一监视点是第一晶体管的栅极和开关节点中的一个而第二监视点是第二晶体管的栅极；以及(d)把第一监视点上的电压经过第一预定电压的时间与第二监视点上的电压经过第二预定电压的时间进行比较；(e)如果第二时间是在第一时间之后则减小延时D而如果第二时间是在第一时间之前则增加延时D；以及(f)交替地接通第一和第二晶体管，当接通第二晶体管和关断第一晶体管时重复以上的步骤(a)-(e)。
为了更好地了解本发明，现在参照附图纯粹作为例子描述本发明的
实施例，其中：
图1显示现有技术的降压转换器(buck converter)电路；
图2显示按照本发明的第一实施例的开关转换器电路；
图3(a)-3(c)显示在本发明的第一实施例中的电压；以及
图4显示本发明的第二实施例。
参照图2，高端(控制)FET6经由开关节点10与低端(同步)FET8串联连接在被连接到高端输入端2的高端线和被连接到低端输入端4的地之间。开关节点10通过电感12和跨接的电容14被连接到输出端16，输出端可被连接到负载。负载可以是例如微处理器。
驱动电路18驱动高端FET6和低端FET8的栅极38。输入信号被提供在端子20上。在本实施例中，输入信号是由适当的生成器生成的脉冲宽度调制信号。生成器在图上未示出，因为适当的生成方案对于本领域技术人员是熟知的。生成方案具体地可以使用来自输出端16的反馈，以控制在端子20上输入的信号的传号空号比，而因此控制在输出端16处的电压输出。
第一栅极驱动器电路22和第二栅极驱动器电路24被安排来在第一和第二选通控制输出端26、28处提供适当的信号。这些又分别被依次连接到高端FET6和低端FET8的栅极。栅极驱动器22、24都包含根据在信号输入端20的信号脉冲关断各自的晶体管，以及在信号输入端20上接收到相反符号脉冲的预定延时后接通各自的晶体管。具有可控制的接通延时的这样的电路可以由本领域技术人员以许多方式制成。例如，某些电路在授权给Bridge的US 6,396,250中描述。
第一和第二比较器32、34被提供为分别连接到第一和第二选通控制输出端26、28。每个比较器把在选通输出端上的电压与各自预定的电压进行比较而把相应的输出信号提供到控制单元36。比较器32、34和控制单元36因此构成监视电路，用于监视FET6、8上的栅极电压。
控制单元36被连接到驱动电路22、24，以设置在这些电路中的可编程的接通延时。
在使用时，当低端FET8被关断时，高端FET6在可编程的延时D后被接通。在被连接到高端FET6的第一选通控制输出端26处的电压在图3a上以虚线表示，而在被连接到低端FET8的第二选通控制输出端28处的相应的电压以实线表示。
在图3a显示的情形中，延时D是足够长的，以使得低端FET8远在高端FET6接通之前被关断。在这种情形下，控制单元36检测到，低端FET8的栅极电压远在第一选通控制输出端26上的电压经过电压V1之前经过预定的电压V2。术语“第一时间”将被使用来描述关于第一晶体管的时间，而术语“第二时间”将被使用来描述关于第二晶体管的时间，即使第一和第二时间的次序改变，例如在开始状态下第二时间在第一时间之前。
当控制单元36确定第二时间在第一时间之前时，延时D被减小2纳秒的预定量。这在信号输入端20处信号的每个输入周期上重复进行，在每个周期该延时被减小预定的时间2纳秒，直至达到图3b的情形为止，其中第一和第二时间基本是相同的。电压V1，V2被选择成使得在这种状态下，空载时间被减小到约1-2纳秒，这代表比起传统的方案显著减小的空载时间，它包括典型地可以是约为12纳秒的上升时间。
当元件数值随时间改变时，例如当元件变热时，可能出现图3c的情形，其中第二时间是在第一时间之后。在这种情形下，控制电路36增加延时，以避免击穿。
相应的反馈环被用来接通第二晶体管和关断第一晶体管。单独的接通延时E被用于第二晶体管，以考虑在第一和第二晶体管6、8之间的元件变化。
当晶体管被切换时，在驱动器与晶体管之间的连接，即连线和PCB，的电感与栅极驱动电流相组合将造成沿连接的电压降，导致感测到的栅极电压的错误。所以，在优选的变例中，比较器32、34的传感连接可以通过分开的连接到达载送栅极驱动电流的连接而被直接连接到晶体管的绝缘栅。替换地，在多芯片模块实施方案中，比较器可被集成在与绝缘栅晶体管相同的封装中而被直接连接到绝缘栅晶体管。
在本发明的第二实施例中，第一比较器32的输入是从开关节点10取得的，而不是第一控制输出端26。这被显示于图4中。
这是行得通的，因为当高端FET6被接通时开关节点10上的电压从约-0.5伏上升到输入电压。关断高端FET6使得开关节点10从输入电压下降到约-0.5伏。所以参考电压可以是在0伏与变换电压之间的任何点，但优选地在1-2伏之间，允许驱动电路工作在尽可能宽的变换电压范围以及给出一定的抗噪声水平，因为开关节点10必然是有噪声的
图4的方法的好处是控制FET的阈值电压变化不再是相关的。第二个优点是高端FET6的栅极-源极电压是参照一个源，当FET被接通时它浮动到高电位而当FET被关断时它浮动到低电位。这使得更难监视高端FET6的栅极电压信号。作为对于高端FET的栅极的替代，监视开关节点没有这样的困难。
通过阅读本公开内容，本领域技术人员将会看到其它变例和修正。这样的变例和修正可包括在开关电路的设计、制造和使用方面已知的等价物和其它特性，而其可以附加或代替这里描述的特性使用。虽然在本申请中对于特性的特定的组合阐明了权利要求，但应当看到，公开内容的范围也包括这里明显地或隐含地揭示的任何新颖的特性或特性的任何新颖的组合或它们的任何广义化，不管它是否与本发明一样缓和任何或所有的相同的技术问题。本申请人由此提请注意，在本专利申请或从本申请得出的任何进一步的申请正在进行期间可以对于任何这样的特性和/或这样的特性的组合阐明新的权利要求。
例如，描述的实施例使用本发明的方法用于接通两个晶体管，但有可能使用本发明的方法只用于接通一个晶体管而不接通另一个晶体管。
不需要两个晶体管都是n沟道。例如，控制FET可以是p沟道。在这种情形下，预定的参考电压将比这个晶体管的阈值电压低约1伏-2伏。
描述的实施例使用恒定尺寸的步长达到最小延时。然而，这并不是本质的特性，本领域技术人员将容易设想替换的方法。例如，步长的尺寸可以正比于在第一和第二时间之间的时间上的差值。
而且，虽然描述的实施例涉及开关电压变换器，但本发明也可应用于其中开关需要以动作之间最小延时运行的其它开关装置。

Claims (14)

1.一种用于开关电路的驱动电路(8)，包含：
第一和第二选通控制输出端(26，28)，用于连接到各自的第一和第二绝缘栅晶体管(6，8)的栅极；
第一和第二栅极驱动器(22，24)，分别被连接到第一和第二选通控制输出端(26，28)，用于驱动各自的栅极以交替地接通和关断第一和第二绝缘栅晶体管；
监视电路(32，34，36)，用于分别监视在第一和第二监视点上的电压，而因此监视第一和第二晶体管(6，8)的状态，第一监视点是第一栅极与在第一和第二晶体管之间的开关节点(10)中的一个而第二监视点是第二栅极；
其中驱动电路元件被安排成：
驱动第二栅极驱动器(24)以关断第二绝缘栅晶体管(8)，而然后在可控制的延时D以后驱动第一栅极驱动器(22)以接通第二绝缘栅晶体管(6)；
把第一监视点上的电压经过第一预定电压的时间与第二监视点上的电压经过第二预定电压的时间进行比较；以及
如果第二时间是在第一时间之前则降低延时D而如果第二时间是在第一时间之后则增加延时D。
2.按照权利要求1的驱动电路，其中第一监视点是第一选通控制输出端(26)而第二监视点是第二选通控制输出端(28)。
3.按照权利要求1的驱动电路，其中第一和第二绝缘栅晶体管在开关节点处被串联连接在一起而第一监视点是该开关节点。
4.按照任一前述权利要求的驱动电路，其中每次延时D被增加或减小时，所述延时被增加或减小一个恒定的预定的时间。
5.按照权利要求4的驱动电路，其中预定的时间是在1纳秒-5纳秒的范围。
6.按照任一前述权利要求的驱动电路，其中驱动电路元件被安排成：
关断第一绝缘栅晶体管(6)而在第二延时E以后接通第二绝缘栅晶体管(8)；
把第一监视点上的电压经过第三预定电压的时间与第二监视点上的电压经过第四预定电压的时间进行比较；以及
如果第四时间是在第三时间之后则减小第二延时E而如果第四时间是在第三时间之前则增加第二延时E，这样，驱动电路元件可以把延时D设置成与第二延时E不同。
7.一种开关电路，包含：
按照任一前述权利要求的驱动电路(18)；以及
第一和第二绝缘栅晶体管(6，8)，每个具有栅极、源极和漏极，第一和第二绝缘栅晶体管(6，8)的栅极(38)被连接到驱动电路的相应的选通控制输出端(26，28)。
8.按照权利要求7的开关电路，其中预定的电压是在绝缘栅晶体管(6，8)的阈值电压的1伏内。
9.一种开关变换器电路，包含：
控制和同步绝缘栅晶体管(6，8)，每个都具有栅极、源极和漏极，该控制和同步绝缘栅晶体管(6，8)在开关节点(10)处被串联连接在一起，用于驱动负载；以及
驱动电路(18)，被连接到绝缘栅晶体管的栅极，用于交替地接通和关断该控制和同步绝缘栅晶体管；
其中驱动电路(18)被安排成：
关断同步绝缘栅晶体管(8)而在延时D以后接通控制绝缘栅晶体管(6)；
监视在第一和第二监视点上的电压，第一监视点是开关节点或控制晶体管(6)的栅极电压而第二监视点是同步晶体管(8)的栅极电压；
把第一监视点上的电压下降到低于第一预定电压的时间与第二监视点上的电压上升到超过第二预定电压的时间进行比较；以及
如果第二时间是在第一时间之后则减小延时D而如果第二时间是在第一时间之前则增加延时D。
10.一种驱动具有第一和第二绝缘栅晶体管(6，8)的变换器电路的方法，其中每个绝缘栅晶体管具有栅极、源极和漏极，该方法包括以下步骤：
(a)关断第一绝缘栅晶体管(6)；
(b)在延时D以后接通第二绝缘栅晶体管(8)；
(c)监视在第一和第二监视点上的电压，第一监视点是第一晶体管(6)的栅极和第一和第二晶体管之间的开关节点(10)中的一个，而第二监视点是第二晶体管(8)的栅极；以及
(d)把第一监视点上的电压经过第一预定电压的时间与第二监视点上的电压向上经过第二预定电压的时间进行比较；
(e)如果第二时间是在第一时间之后则减小延时D而如果第二时间是在第一时间之前则增加延时D；以及
(f)交替地接通第一和第二晶体管(6，8)，当接通第二晶体管和关断第一晶体管时重复以上的步骤(a)-(e)。
11.按照权利要求10的方法，还包含：
(g)关断第二绝缘栅晶体管(8)而在可能与延时D不同的第二延时E以后接通第一绝缘栅晶体管(6)；
(h)监视第一和第二监视点上的电压；
(i)把第二监视点上的电压下降到低于第三预定电压的第三时间与第一监视点上的电压上升到超过第四预定电压的第四时间进行比较；
(j)如果第四时间是在第三时间之后则减小第二延时E而如果第四时间是在第三时间之前则增加第二延时E；以及
在晶体管被交替地接通时当接通第一晶体管(6)和关断第二晶体管(8)时重复以上的步骤(g)-(j)。
12.按照权利要求10或11的方法，其中在每次循环该延时都被增加或减小一个在1纳秒-5纳秒范围内的预定的量。
13.按照权利要求10-12的任一项的方法，其中第一监视点分别是控制晶体管的栅极。
14.按照权利要求10-12的任一项的方法，其中第一和第二绝缘栅晶体管(6，8)被串联连接在一起，并且在它们之间有开关节点(10)用于连接到负载，而其中第一监视点是该开关节点。
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