DE102004060631A1 - Gate Treiber mit Pegelumsetzung zwischen statischen Wannen ohne Leistungsversorgung - Google Patents

Gate Treiber mit Pegelumsetzung zwischen statischen Wannen ohne Leistungsversorgung Download PDF

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Abstract

Ein Kontrollterminal-Treiber-IC für einen Schaltkreis, aufweisend in Serie verbundene High- and Low-Seiten-Ausgangstransistoren, eine zugehörige geteilte Leistungsversorgung und eine potenzialfreien Eingang, das Gate Driver IC, von welchem ein exemplarisches, aber nicht begrenzendes Beispiel ein Klasse D Audio-Amplifier ist. Das IC beinhaltete einen Eingangsschaltkreis, einen Spannungs-zu-Stromumsetzer, der an den Eingangsschaltkreis angeschlossen ist, einen Pegelumsetzer, der in einem Mittel Well des ICs ausgeformt ist, der funktionsfähig ist, das Eingangssignal auf die Low-Seite zu transferieren, ohne den Bedarf nach einem Leistungsversorgungseingang zu dem Mittel Well, einen Strom-zu-Spannungskonverter auf der Low-Seite an den Pegelumsetzer gekoppelt ist; und einen Ausgangsschaltkreis, welcher funktionsfähig ist, Kontrolltermina-Treiber-Signale für die High- und Low-Seitentransistoren zu erzeugen.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der US Provisional Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/530,319, eingereicht am 16. Dezember 2003, mit dem Titel GATE DRIVER WITH LEVEL SHIFT BETWEEN STATIC WELLS WITH NO POWER SUPPLY, deren gesamte Offenbarung hiermit bezugnehmend einbezogen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG Feld der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft integrierte Schaltkreis (IC) Kontrollterminal Treiber für Schaltverstärker und andere schaltende Anwendungen, die eine geteilte Leistungsversorgung und einen potenzialfreien Eingang aufweisen und insbesondere solche Treiber, in denen die statische Wanne (static well), die mit dem Signaleingangsschaltkreis in Verbindung steht, keine logischen Schaltungen beinhaltet und deshalb keinen Leistungsversorgungseingang für diesen Teil des Chips benötigt.
  • Die Erfindung ist in dem Zusammenhang eines Klasse D Audio-Verstärker beschrieben, aber die Erfindung weist auch Nutzen in anderen Schaltanwendungen auf, in denen + und – Bus-Versorgungen für in Serie verbundene Leistungstransistoren wie MOSFETs oder IGBTs benötigt werden, die benutzt werden, eine Last von einem gemeinsamen Knoten zwischen den Transistoren zu treiben.
  • Relevanter Stand der Technik
  • Der Klasse D-Verstärker ist für viele Schaltanwendungen oder Verstärker repräsentativ, in denen ein Gate Treiber ein Eingangssignal, das nahe an einem Massepotenzial zwischen der High- und Low-Seiten Busspannungen liegt, für ein Paar von High- und Low-Seiten-Schalter anpassen muss. In dem Aufbau des benötigten IC Gate Treiber muss es zwei isolierte Wannen (wells) geben, eine zum Treiben des High-Siten Schalters und die andere, um das Eingangssignal-Signal zu empfangen.
  • Herkömmlich werden in beiden Wannen (wells) logische Schaltkreise benötigt, und konsequenterweise werden auch Leistungsversorgungen für beide Wannen (wells) benötigt.
  • Da Platz und Packungskosten immer ein Faktor bei ICs sind, kann jede Architektur, welche die Reduzierung der Größe des Chips erlaubt oder andererseits die Anwendung von einem kleineren oder weniger teureren Paket erlaubt, einen signifikanten kommerziellen Vorteil repräsentieren.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erreicht die oben beschriebene Anforderung, durch direkte Pegelumsetzung des Eingangssignals zu dem Low-Seiten Teil des ICs über einen Hochspannungsschalter. Da für die Eingangs-Wanne kein Logikschaltkreis benötigt wird, wird der Bedarf für eine separate Leistungsversorgung eliminiert. Das wiederum eliminiert einen Eingang zu dem IC und es erlaubt, im Fall eines Halbbrücken Gate Treibers mit einer geteilten Leistungsversorgung, die Verwendung eines kleineren und billigeren 8 Pin-Pakets. Somit kann ein Verstärker oder anderes Produkt, das den Steuer-Chip benutzt, in einem entsprechend kleineren Bereich konstruiert (werden).
  • Es ist dementsprechend eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Kontrollterminal Treiber IC für Schaltanwendungen anzugeben, das eine geteilte Leistungsversorgung und einen potenzialfreien Eingang aufweist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, solch einen Treiber IC anzugeben, in welchem die statische Well, die mit dem Signaleingangskreis in Verbindung steht, keine Logikschaltkreise beinhaltet und deshalb keinen Leistungsversorgungseingang für diesen Teil des Chips benötigt.
  • Es ist eine spezifischere Aufgabe der Erfindung, ein Gate Treiber IC für einen Klasse D-Audioverstärker anzugeben, in welchem das Eingangssignal direkt über einen Hochspannungsschalter an die Low-Seite gekoppelt ist und deshalb keinen separaten Leistungsversorgungseingang für den Eingangs-Well benötigt.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offenbart, in denen:
  • 1 ein Schaltbild einer Ausgangsstufe eines Klasse D-Verstärkers zeigt, das eine herkömmliche Halbbrücken-Topologie aufweist;
  • 2 ein funktionales Schaltbild eines Gate Treiber Schaltkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Gebrauch in einem Klasse D-Verstärker, wie in 1 gezeichnet, zeigt, in welchem der Audio-Input die Form eines pulsweiten modulierten (PWM) Signal aufweist;
  • 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, in welchem der Audio-Input die Form eines modulierten Analogsignals aufweist; und
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt, in welchem zwei parallele Stufen benutzt werden, um das Eingangssignal in einem Differenzmodus zu übertragen.
  • Durchwegs sind gleichen Teilen die selben Referenzzeichen gegeben.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Zunächst auf 1 bezugnehmend zeigt dies in schematischer Form einen Teil eines herkömmlichen Klasse D Verstärkers 10, der eine Halbbrücken-Topologie mit zwei MOSFET Ausgangstransistoren 12 und 14 aufweist, die in Serie zwischen den High- und Low-Seiten Bussen verbunden sind (manchmal als Totempfahlkonfiguration bezeichnet), die einen Lautsprecher 16 durch einen LC Filter 18 treibt. Das PWM Audio-Eingangssignal wird dem Gate Treiber 20 zugeführt, welcher zusammen mit einem Pegelumsetzer 22 die nötige Logik etc. beinhaltet, um die MOSFETs 12 und 14, alternierend zwischen einem im Wesentlichen voll leitenden und einem im Wesentlichen voll nicht-leitenden Zustand, zu betreiben.
  • Weil die MOSFETs 12 und 14, außer während den Schaltübergängen, entweder im Wesentlichen voll an oder im Wesentlichen voll aus sind, sind Klasse D Verstärker bekannt, einen geringen Leistungsverbrauch und eine hohe Effizienz, ebenso wie eine ausgezeichnete Audio-Frequenzantwort und Verzerrungswerte, welche mit solchen von gut designten Audio-Verstärker anderen Typs vergleichbar sind, aufzuweisen.
  • Klasse D Verstärker sind seit 50 Jahren bekannt, finden aber steigende Nützlichkeit in Anwendungen, in denen hohe Wärmeableitung (auf Grund eines hohen Stromverbrauches) vermieden werden muss, wie Flachpaneel-Fernseher, und wo die Batterie Lebensdauer für die Wirtschaftlichkeit und den Benutzerkomfort maximiert werden muss, wie in Mobiltelefonen und anderem tragbaren Audio-Equipment. Durch die Eliminierung eines Leistungsversorgungseingangs und dem Zulassen einer reduzierten Packungsgröße steigert die vorliegende Erfindung die Attraktivität von Klasse D Verstärkern für diese Anwendungen.
  • Nun wird auf 2 Bezug genommen. Dort sind bei 30, die wesentlichen Merkmale des Gate Treiber Schaltkreises für die MOSFETs 12 und 14, die in 1 gezeigt sind, gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine PWM Eingangssignalspannung durch einen Eingangskreis 32 einem Widerstand 34 zugeführt, der die Spannung in einen Strom wandelt. Dies wiederum ist über einen Hochspannungspegelumsetzer-Transistor 36 an die Low-Seite angeschlossen, wo es als Spannung über dem Widerstand 40 wiederhergestellt wird.
  • Da der Hochspannungspegelumsetzer-Transistor 36 das einzige Element in der Mittel Wanne 38 ist, das in dem IC Die ausgebildet ist, wird kein separater Leistungsversorgungseingang benötigt. Der N-TUB wird, wie dargestellt, von dem Eingangssignal alleine beeinflusst.
  • Immer noch bezugnehmend auf 2 ist die Spannung über dem Widerstand 40 über einen Pufferschaltkreis 42 an einen Totzeitschaltkreis 46 gekoppelt, welcher in einer konventionellen Art arbeitet, um die Gate Treiber Signale Ho und Lo für die High- und Low-Seiten MOSFETs 12 und 14 entsprechend über geeigneten Puffer (nicht dargestellt) anzubieten.
  • 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Gate Treiber Schaltkreises 30', in dem der Eingang in der Form eines modulierten Analogsignals über einen analogen Eingangsschaltkreis 50 gekoppelt ist. Wiederum ist die Eingangssignalspannung über einen Widerstand 34, welcher die Spannung in einen Strom wandelt und einen Pegelumsetzer-Transistor 36 an die Low-Seite gekoppelt, wo er als Spannung über Widerstand 40 wieder hergestellt wird.
  • In diesem Beispiel ist das Signal über Widerstand 4 immer noch in modulierter analoger Form. Dafür ist es über einen Differenzvergleicher 50 gekoppelt, um das PWM Signal zu erzeugen.
  • Dieses ist wiederum, wie oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben, an den Totzeitschaltkreis 46 gekoppelt.
  • Eine weitere Variation ist in 4 gezeichnet. Diese Anordnung hilft den Einfluss von Rauschen, das von Streukapazitäten zwischen dem Schaltknoten und dem potenzialfreien High-Seiten Well eingespeist wird, zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird zusätzlich zu dem Hoch-Spannungs Transistor Schalter 36 und Widerstand 54, welcher das Eingangs Signal an die Low-Seite koppelt, ein zweiter paralleler Transistor 36a, dessen Emitter, wie gezeichnet, mit Masse verbunden ist, vorgesehen. Der Transistor 36a ist an einen zweiten Widerstand 56 auf der Low-Seite angeschlossen. Die zwei Widerstände 54 und 56 transferieren daher das Eingangssignal in einen Differenzmodus und sind als Inputs an einen Differenzvergleicher 58 gekoppelt. Dieser wiederum treibt (den) Totzeitschaltkreis 46, wie vorher beschrieben.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Relation zu einem spezifischen Ausführungsbeispiel davon beschrieben worden ist, werden viele andere Variationen und Modifikationen und andere Nutzen dem Fachmann offenbart werden. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle Offenbarung hierin limitiert ist, sondern es muss der volle Umfang, der von den angefügten Ansprüchen zugelassen wird, gegeben werden.

Claims (10)

  1. Ein Steueranschluß-Treiber IC für einen Schalt-Schaltkreis mit in Serie verbundenen High- und Low-Seiten Ausgangstransistoren, einer zugehörigen geteilten Leistungsversorgung und einem potenzialfreien Eingang, wobei das Gate Treiber IC umfasst: eine Eingangsschaltung, die ein Eingangssignal empfängt; einen Spannungs-zu-Stromwandler, der mit einem Ausgang der Eingangsschaltung verbunden ist; einen Pegelumsetzer, der in einer Mittelwanne des ICs ausgebildet ist, der einen Eingang aufweist, der mit dem Spannungs-zu-Stromwandler verbunden ist, wobei der Pegelumsetzer betreibbar ist, das Eingangssignal ohne einer Leistungsversorgungseingabe in die Mittelwanne auf die Low-Seite zu übertragen; einen Strom-zu-Spannungswandler auf der Low-Seite, der mit einem Ausgang des Pegelumsetzers verbunden ist; und eine Ausgangsschaltung, die betreibbar ist, Steueranschluß-Treibersignale für die High- und Low-Seiten Transistoren zu erzeugen.
  2. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei der Eingangsschaltkreis ausgebildet ist, ein Eingangssignal in einer PWM-Form zu empfangen.
  3. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei: die Eingangsschaltung ausgebildet ist, ein moduliertes analoges Eingangssignal zu empfangen; und die Ausgangsschaltung betreibbar ist, ein moduliertes Analog-Signal in ein PWM-Signal umzuformen.
  4. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 3, wobei der Ausgangschaltkreis ein Differenzvergleicher ist.
  5. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei: der Spannungs-zu-Stromwandler ein erster Widerstand ist, in Serie mit einem Eingang zu dem Pegelumsetzer; der Strom-zu-Spannungswandler ein zweiter Widerstand ist, in Serie mit einem Ausgang des Pegelumsetzers; und der Eingang zu der Ausgangsschaltung über den zweiten Widerstand erhalten wird.
  6. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei der Pegelumsetzer ein Hochspannungstransistor ist.
  7. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei der Pegelumsetzer ein Bipolar-Transistor ist.
  8. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei ein N-Tub der Mittelwanne von dem Eingangssignal beeinflusst wird.
  9. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei der Schalt-Schaltkreis ein Klasse D Audio Verstärker ist.
  10. Ein Steueranschluß-Treiber IC, nach Anspruch 1, wobei: der Pegelumsetzer einen ersten Transistor aufweist, der einen Strompfad aufweist, der zwischen der Eingangsschaltung und einem ersten Eingang der Ausgangsschaltung angeschlossen ist; ein zweiter Transistor einen Strompfad aufweist, der zwischen einem Massepunkt und einem zweiten Eingang der Ausgangsschaltung angeschlossen ist; und die Ausgangsschaltung ein Differenzvergleicher ist; wodurch der Einfluss von Rauschen als Folge von Streukapazitäten der Schaltknoten zwischen den Ausgangstransistoren zu einer potenzialfreien High-Seiten Wanne reduziert wird.
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