TW200427194A - PWM-based DC-DC converter with assured dead time control exhibiting no shoot-through current and independent of type of FET used - Google Patents

Description

200427194 玖、發明說明： 【相關申請案之交互參考】 本發明主張尚在申請中的美國專利申請案序號第 60/4371 80號中的所有權益，該案係由N· Dequina等人於 2002年12月31日所申請，該標題為："Assured Dead

Time Control Exhibiting No Shoot-Through Current and

Independent of Type 〇f FET Used，” 其受讓與本發明之 申請人，該揭示係包含於此。 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上相關於直流電源供應電路以及其中之組 件’並且特別相關於—種新式並且改良過的以脈波寬度調 變（PWM)為基礎之直流對直流轉換器電路，其係組態以維持 -固定之空載時間，其展現無貫穿電流並且與開關所使用 之FET形式無關。 【先前技術】 用於積體電路⑽之電源電路通常由一或多個直流, 流(電池)電源供應’例如以脈波寬度調變器(_為基礎_ 直流-直流轉換器。如第！圖所顯示者，該形式之轉換器彳 持-脈波寬度調變信號產生器卜其供應一同步脈波寬2 調變信號至一開關電路驅動器2。 ^ . .. 4. 此種以脈波寬度調變j 基礎之轉換器架構理想上係用以 赴 入甘认 寻& 口疋月匕®至一輸出i 點，！不"其輸入電麼為何。為了這種目的，該轉換電5 驅動為2控制一對電子電源開關元 、、 MFFTQ、夕道、s 士 3和4(一般為外名 NFETS)之V通日t間以及關閉時間， 遠對電子電源開關元和 200427194 係連接至電源供應線Vin以及接地（GND)之間。在該兩個 FET之間的一共同節點或是PHASE節點5係經由一電感器6 連接至一負載儲存電容7，在電感器6以及電容7之間的 連接8係作為一輸出節點，其中一欲求之（調節後）直流輸 出電慶係從該節點供應至負載9。 弟1圖之電路通常以顯示於第2圖之時序圖的設定而 運作。特別是，為回應於在一脈波寬度調變波形2〇〇内之 一往上爬升之轉換狀態201，該FET驅動器2關閉驅動下 方FET 4之LGATE。為回應降至一預定的偵測值211(例如 1 5伏特）之LG ATE電壓210，該驅動器控制電路2提供 一 UGATE開啟電壓220，其提供一往上爬升的偏移範圍 221至上方FET3之閘極驅動輸入。在該pjjase節點上之電 壓，其由信號追蹤230表示，實質上追隨該上方閘極電壓 信號並且追蹤以控制該LFET4的開啟。 特別的是，回應於一在脈波寬度調變信號2〇〇之向下 掉落的轉換狀態202，該UGATE信號接受一高態至低態的 轉換狀態222,以關閉UFET3。然後，回應於下降至一預定 飽和债難233之PHASE節點電壓23()内之相關的偏移範 圍232,該LGATE電壓係轉變到高態，如同該lgate信號 210之往上攀升的偏移範圍212，而開啟LFET4。第二圖同 樣顯示一三態或是啟動電源重設信號24〇之應用，其具有 上升訊、緣24i以在213處關閉該下方閘極驅動信號並以 有下降訊緣242以在214處導通該下方閘極信號。 在結束每個FET開關之導通時間的情形下，需要的是 200427194 在兩個受控開關（UFET3和LFET4)保證關閉的期間提供一時 間區間。該時間區間（習知技藝者所熟知的「空載時間」） 係用以重新設定在電源供應器内部的磁性電路組件。亦即 ’脈波寬度調變產生器的運作週期係限定的，以確保一空 載吟間週期永遠存在。如此一來也預防了效率的惡化，效 率惡化通常在上方以及下方FET兩者在一共同時間週期期 間間歇性的導通時發生。此種非欲求的間歇性導通問題係 擊因於在其他FET開始導通之前沒有充分的空載時間。造 成此種現象的因素係使用的FET種類以及電路板的非必要 性電路佈局。 【發明内容】 根據本發明，上述確定的「空載時間」係可經由基於 一開關模式的直流-直流轉換器信號處理架構而成功的解 決’該直流-直流轉換器信號處理架構係組態以保證不論 所使用的FET種類為何，在一 FET開關對的上方FET以及 下方FET每一者在其互補元件（該開關對之其他FET)開始 導通之前係完整的關閉。以下將詳細敘述的是，本發明利 用規定的電壓飽和值以及暫停（延遲）偵測器，其係選擇性 的連接至開關FETS之監視性的LOWER GATE節點，UPPER GATE節點以及phase節點。該些受監測之值係由一組組合 邏輯所處理，以產生控制信號，該控制信號係用於建立驅 動h號’以開啟或是關閉上方以及下方FET。 為了上述目的，隨著在該脈波寬度調變信號中低態至 同怨的轉換出現的一固定空白延遲之後，由於從高態至低 200427194 態的轉換而導致的該下方FET的閘極驅動信號關閉LFET。 利用此一由LGATE偵測器所偵測到的LFET信號之高態-至一 低態轉換作為一參考值，在一組預定狀態之其中一種下， 該PHASE節點電壓係由相位節點偵測器所監控以用於決定 何時開啟UFET。本發明解決可能會利用UGATE信號初始化 UFET的導通的此種三種個別狀況。對於每一種動作，具有 一内建的前置空白延遲會隨著LGATE信號的高態至低態轉 換之偵測後出現。

在對應於該PHASE節點之多個電壓的第一種情形係在 LGATE節點的電壓極性在LGATE節點從高態轉換至低態之 後變為負。為回應於轉為低態的LGATE電壓，在phase節 點之電壓文監控以決定是否達到一規定之負向極性電壓（ 例如〇.4伏特）。特別是，在一空白延遲之後，若是在 PHASE節點處之相位電壓下降至低於_0 4伏特的飽和值， 組合邏輯觸發纟議上的一低態至高態的轉換，其會引 起相位節點電壓變成高態。

弟=種情形係相關於一反向電流狀態，並且對應於 TE即』攸尚態轉變至低態之後在叩ASE節點電壓的 性變為正值的声、〇 目的，若是第一種情況的情形 到，亦即若是在咖電壓從高態至低態轉 到G. 4伏特的飽和值，組合邏輯會尋找是否 的正二飽和值(例如+〇.6伏特)。若是達到-規 換至；：，該組合邏輯將會觸發咖信號從低態 、门〜、其會造成相位節點電壓變為高態。 10 200427194 第三種情形係相關於一沒有負載的狀況，其對應於在 預定的暫停時間消失後相位節點沒有達到正向極性飽和值 抑或負向極性飽和值。也就是說，如果在LGATE信號從高 態轉換至低態之後，一預定的暫停時間内在相位節點沒有 偵測到-0.4伏特以及+0· 6伏特飽和值，組合邏輯會觸發 UGATE信號的低態至高態轉換，使得在該相位節點之電壓 變成高態。 由相位節點電壓所表現的對於LGATE關閉轉態與 UGATE導通轉態相比較顯示在LFET的導通區間之終端與 UFET導通區間的初始部分沒有重疊因此，在回應於在脈波 寬度調變信號中的一低態至高態轉換時，在LFET關閉時間 與UFET導通時間之間，此兩種fet沒有同時導通。 在脈波寬度調變信號從高態轉換至低態之後，該UFET 之受控關閉與隨後的LFET導通如下進行。該UGATE驅動 之關閉至UFET係由在脈波寬度調變波形中的一高態至低態 轉換所致動。之後，該PHASE節點以及UGATE節點係由在 一空載％間控制益内的相關飽和值電路所監控。特別是， 回應於下降至一電壓位準之UGATE電壓位準係一高於相位 電壓之規定值（例如，在高於PHASE電壓（112V)上為i。乃 伏特），一規定的暫停時間（例如，丨〇奈秒）被觸發，因此 5亥LGATE彳§號係從低態轉換成高態，而打開lfet。 或者是，如果PHASE節點電壓的位準達到一預定的飽 和值（例如，約為〇· 8伏特的範圍），會致動LGATE電壓低 態至高態的轉換。若是脈波寬度調變器信號從低態至高態 200427194 的轉換之情形而言，對於比較麵開啟轉換與瞻關 :轉換顯示在傳導期間的終端與聰傳導期間的初 。部分沒有重疊的地方，於是在兩個um關閉與LFET開 啟之間的兩個m的同時導通不能夠回應於在該脈波寬度 调變器信號高態至低態轉換而發生。 【實施方式】 在洋、田敘述根據本發明之以脈波寬度調變器為基礎的 流對直流轉換ϋ電路之前，必須注意的是本發明基本上 屬種習知電路與組件的預先配置。在一種實作性的實 二式中，有利於其被包裝至一硬體有效性組態，此配置 y以被無困難的實施為一場可程式化閘極陣列⑽⑷，或 :特殊應用積體電路⑽〇晶片組合。因此，此種配置的 :路和組件之組態，以及其與其他電子電路界接的方式大 H已經說明於可以理解的方塊圖中，其顯示僅有對於本 y月相關之特殊的細節’不至於對於習知技藝者而言具有 其^的細節而混淆本發明之揭示。因此，本方塊圖之說明 二上欲以一方便的、功能性的方式顯示本發明之主要组 件，精此對於本發明可以獲得更佳的理解。 現在注意到第3圖，其中根據本發明以脈波寬度調變 4基礎之直流-直流轉換器之架構係圖解的被說明。在 1所顯不者，一過電塵保護(ovp)㈣電路10,其供應一 ^源開啟重新設定⑽）信號，該過電㈣護電路係連接至 方以及下方預先驅動器轉30以及4〇，該上方以及下 預先驅動器電路係操作以供應閘極驅動信號至該上方 12 200427194 NFET 3以及至該下方NFET 4。除此之外，一過電壓保護電 阻50係連接至相位節點5以及至下方NFET 4之LGATE輸 入。該上方預先驅動器30具有第一與第二輸出控制線3ι 以及32，其個別連接至pFET開關33以及NFEt開關34之 閘極驅動。PFET開關33以及NFET開關34具有其源極一汲 極路徑，其連接至一外部啟動供應節點BOOT以及phase節 點5。PFET33以及NFET34之共同連接點35係作為一上方 間極驅動UGATE而連接至上方NFET 3。 以補充的方式，該下方預先驅動器40具有一第一與 | 第二輸出控制線41以及42,其個別連接至一 PEET開關43 以及一 NFET開關44之閘極驅動開關43以及nfet 開關44具有在一線電壓供應節點LVCC以及一電源地 (PGND)節點之間以串聯連接的源極_汲極路徑。pFET 43以 及NFET 44之共同連接點45係作為一下方間極驅動lGATE 連接至該下方NFET 4。 到上方預先驅動器30之該些控制輸入係由一上方位準 移位器36所供應，對於該些的控制係由一組組合邏輯6〇 φ 所供應’該組合邏輯係位於載時間控制器中，其由虛 =100所圍繞而顯示。相似地，該下方預先驅動器4〇之 輸入係由一下方位準位移器所供應，而對其之控制 同樣由二載犄間控制益1 00内部之組合邏輯所供應。 =從—上游Μ寬度器產生器接收該脈波寬度調變 w Α之外，組合邏輯60係連接以接收一組電壓飽和值偵 ' 輸出。δ亥些飽和值偵測器包含一 LGATE偵測器11 〇 13 200427194 其係連接以監視在該lgate + 〇· 8伏特pHASE偵測器12〇， 5處之電壓；包含一 -0· 4伏4 同樣連接以監視在相位節點 LGATE節點45之電壓；包含— 12 0 ’其係連接以監視在相位節點 4伏特PHASE偵測器130，其係

叩140，其係連接以監視在UGATE節點35處之電壓；且包 3 UP-D0WN移位器150，其係連接至該UGATE偵測器 140之輸出。 卜第3圖之轉換器操作係可以藉由參考第4A-4E圖以及 第5A-5D圖之時序圖而加以了解。參考第4A-4e圖，繼一 · 預疋空白延遲410-D之後出現脈波寬度調變器信號4〇〇之 第一次低態至高態之轉換401(例如，以7奈秒之次方）， 施加至該LGATE節點45之該下方FET之閘極驅動信號 410係引起從高態至低態之轉換，如同由偏移範圍4ιι顯 不者，將LFET 4關閉。利用由LGATE偵測器11〇偵測到 之此一 LFET信號之高態至低態轉換411作為參考值，該 些PHASE節點電壓（PHASE)係由相位節點偵測器12〇以及 130以作為一組預定狀況之一的發生以便於着 何時開啟UFET3。本發明藉由UGATE信號處理三種可能會 初始化UFET 3之開啟的個別情形。對於每一種動作，其具 有一内建先前之空白信號延遲，其隨著LGATE信號410 之高態至低態轉換411之後出現。 該第一種情形（Case I)，由信號追蹤42〇所顯示，其 對應PHASE節點5之電>1極性，其隨著在[GATE節點之後 在411從高態轉換至低態，如同以上所參考者。為達到此 14 目的，在411回應LG ATE雷厭喆仏γ 5 電[轉換至低態，在PHASE節點 b之電壓係被監視以決定Η不* 性个厂/ 决疋疋否其可以達到一預定之負向極 f生電壓（例如，-〇 4袂ϋ )办 ·寺）。特別是，繼之出現一（7奈秒

疋白延这410-D，如果在phasj?鲛科R 6 t 隹rHASE即點5之該相位電壓掉落 氐於-0· 4伏特飽和值（如同 βπ 、 u 421所顯不者），組合邏輯 60觸發一在UGATE上之低能5古&姑& 之低怨至南恕轉換，其會引起相位節 點電壓在422達到高態。 由信號追縱430所顯示之第二種情形心％⑴係相關 反向電抓狀’其並且對應於在pHASE節點之電麼極 性’該電壓極性在LGATE節點從高態轉為低態m之後變 為正向 〇 …為了此種目的，如果第一種情形沒有被觀察到，亦即 若是-0.4伏特飽和值421並沒有在LGATE電壓從高態轉 換至低態之後達到，、组合邏輯6〇 t尋求是否一預定正向餘 和值（例如，+0. 6 V)有達到。如果預定正向飽和值有達 成（如同飽和值431所顯示者），組合邏輯6〇將會觸發 UGATE信號之低態至高態的轉換，其會引起該相位節點電 壓轉換至高態，如在432所顯示。 第三種情形（Case in)，由信號追蹤440所顯示，其 係相關於沒有負載之狀況，其對應至在相位節點5處沒有 達到正向或是負向極性飽和值時一預定之暫停時間。亦即 ，如果上述之-〇· 4伏特與+〇· 6伏特飽和值，在相位節點5 於在LGATE信號410之高態至低態轉換之後一預定暫停時 間訊窗440-TO(例如，50 ns)内觀齊，該組合邏輯60觸 15 200427194 秦UGATE彳s號之低態至高態轉換，使得在相位節點5之電 壓變為高態，如441所顯示者。 從LGATE關閉轉換411與由相位節點電壓追縱422， 432以及441所表示之UGATE開啟轉換之比較來看，可以 看到在LFET 4之傳導區間終端以及UFET3之傳導區間初始 部分沒有重疊。因此，回應於脈波寬度調變器信號内之低 態至高態轉換，在LFET之關閉與UFET3之導通之間的FET 沒有同時導通。 第5A-5C圖之時序圖詳細說明在脈波寬度調變器信號 g 500中之高態至低態轉換501之後，UFET 3之受控關閉以 及LFET 4之後續開啟。特別是，如同虛線5〇2所顯示者， 關閉驅動至UFET 3之UGATE係由在第5A圖中之脈波寬度 調變波形内之高態至低態轉換5〇1所初始化（511)。之後 PHASE節點以及UGATE節點係由在空載時間控制器1〇〇内 部之相關飽和值電路140到160所監視。特別是，回應於 掉落至一電壓位準（在相位電壓上之一預定電壓值（例如， 在PHASE電壓（112V)上之1。75伏特的範圍）的UGATE電 ® 壓（如在511所顯示），一預定之時間暫停（例如，丨〇奈秒） 被觸發，如虛線521所顯示，於是該[GATE信號520係在 522從低態轉換至高態，導通LFET4。 或者是，如果PHASE節點電壓530之位準達到一預定 的飽和值（例如，在〇·8伏特之範圍），如同531所顯示者 ，LG ATE電壓之低悲至咼悲轉換係被初始化，如在522所 顯示者。如果是在脈波寬度調變器信號中從低態轉換至高 16 200427194 態的情形，將LGATE開啟轉換522與UGATE關閉轉換511 比較，可以看出在LFET4之導通區間初始部分以及ufet3 之‘通區間終端部分沒有重疊。因此，回應於脈波寬度調 艾裔^唬内之高態至低態轉換，在LFET4之導通與UFET3 之關閉之間的FET沒有同時導通。 當根據本發明之實施例已經顯示並且敘述之後，可以 了解的疋，並不限制而可容許習知技藝者所熟知的許多變 化與修改。因此並不希望限制於在此敘述的細節，而是意 奴涵盍對習知技藝者而言為明顯的所有此種變化和修改。g 【圖式簡單說明】 (一）圖式部分 第1圖概要的圖示一以脈波寬度調變器為基礎的直流 對直流轉換器的基礎架構； 第2A 2E圖包含一組與第一圖的直流對直流轉換器運 作相關的時序圖； 第3圖概要的目不根據本發明一以脈波寬度調變器為 基礎之直流-直流轉換器；以及 0 口。第4A 4E圖與第5A—5D圖係與第三圖之直流一直流轉換 器相關的時序圖。 (一）元件符號說明 1脈波寬度調變信號產生器 2開關電路驅動器

3上方FET

4下方FET 17 200427194 5共同節點或是PHASE節點 6電感器 7負載儲存電容 8連接 9負載 10過電壓保護（0VP)控制電路 30上方預先驅動器電路 31第一輸出控制線 32第二輸出控制線 33PFET開關 34NFET開關 35UGATE 節點 36上方位準移位器 40下方預先驅動器電路 41第一輸出控制線 42第二輸出控制線 43PEET開關 44NFET開關 46下方位準位移器 5 0過電壓保護電阻 60組合邏輯 100空載時間控制器 110LGATE偵測器 120PHASE積測器 18 200427194 130PHASE偵測器 140UGATE偵測器 150UP_DOWN 移位器 200脈波寬度調變波形 201轉換狀態 211預定偵測值 210LGATE 電壓 213，241上升訊緣 220UGATE開啟電壓 221，232偏移範圍 222轉換狀態 230PHASE節點電壓 233預定飽和偵測值 2 4 0啟動電源重設信號 242下降訊緣 400脈波寬度調變器信號 401低態至高態之轉換 411偏移範圍 430信號追蹤 440信號追蹤 422，432，441相位節點電壓 500脈波寬度調變器信號 501高態至低態轉換 530PHASE節點電壓 追蹤

19 200427194 V i η電源供應線 GND接地

Claims (1)

1. 200427194 拾、申請專利範圍： 1 · 一種用於一開關模式直流—直流轉換器之控制電路， 其包含受監控之LGATE，UGATE和PHASE節點狀況飽和值摘 測器之配置，該些偵測器之輸出係由根據一切換控制操作 器所處理，以確保一上方FET(UFET)以及一下方FET (LFET)之任何一者在其他FET開始導通之前係完全關閉， 而因此維持一空載時間，其展現無貫穿電流並且與開關 FET之形式無關。

   2·根據申請專利範圍第1項之控制電路，其中，在 LFET關閉之後，並且回應於在pHASE節點之電壓在一空白 延遲之後已經達到一預定負向極性電壓，該轉換控制操作 器係操作以觸發UFET之關閉，其會引起相位節點電壓升至 高態。 3 ·根據申請專利範圍第2項之控制電路，其中在該 PHASE節點之電壓在LGATE電壓轉低態之後沒有達到該預 定之負向極性電壓時，並且回應於該pHASE節點已經在一 空白延遲之後達到預定的正向飽和值，該轉換控制操作器 着 係操作以觸發該UFET之開啟，其造成該相位節點電壓轉至 高態。 4 ·根據申晴專利範圍第3項之控制電路，其中，回應 於:歡的時間暫停消mm延遲之後在㈣ 位節點沒有達到預定之正向與負向延遲電壓，該轉換控制 操作器係操作以觸發該UFET之開啟，於是在該相位節點之 電壓轉至高態。 21 200427194 5 ·根據申請專利範圍第1項之控制電路，其中，在， UFET關閉之後，回應於該UGATE電壓降至_電壓位準，二 電壓位準係在該相位電壓上之一預定值 了貝疋值，遠轉換控制操作 器係操作以在開啟該LFET之前觸發一預定之暫停時間。 6·根據申請專利範圍第5項之控制電路，其中，在關 閉該UFET之後，並且回應於該PHASE節點電壓位準達到一 預定飽和值，該轉換控制操作器係操作以打開該lj?et。 ‘ 7· 一種用以控制一開關模式之直流-直流轉換器的方法 ，該開關模式之直流-直流轉換器具有連接至電源供應電 I 壓線之間的一上方FET (UFET)以及一下方FET(LFET)，並 且其中具有一共同相位節點，該方法包含下列步驟： (a) 監控LGATE ’ UGATE以及PHASE節點電壓；以及 (b) 在關閉该LFET之後’並且回應於在一空白延遲之 後在該PHASE節點之電壓達到一預定負向極性電壓，觸發 該UFET之開啟，以造成該相位節點電壓轉至高態。 8·根據申請專利範圍第7項之方法，其中步驟（…進 一步包含，在該PHASE節點在LGATE電壓轉至低態之後沒 β 有達到該預定負向極性電壓，並且回應於該PHASE節點在 一空白延遲之後達到預定正向飽和值，觸發該UFET之開啟 ，以造成該相位節點電壓轉至高態。 9 ·根據申请專利範圍第8項之方法，其中步驟（b)進一 步包含，回應於在一預定暫停時間消失後該相位節點在一 空白延遲之後沒有達到預定之正向或是負向飽和值，觸發 該UFET之開啟’使得在該相位節點處之電壓轉至高態。 22 200427194 I 0. —種用於控制一開關模式直流-直流轉換器之方法 ， 該開關模式之直流-直流轉換器具有一上方FET(UFET) 以及一下方FET(LFET)，連接至電源供應電壓線之間，並 且其中具有一共同相位節點，該方法包含下列步驟： (a) 監控LGATE， UGATE以及PHASE節點之電壓；並且 (b) 在關閉該UFET之後，並且回應於掉落至一電壓位 準之UGATE電壓，該位準係在相位電壓上之一預定值，觸 發一預定之暫停時間並且開啟該LFET。

   II · 一種用以控制一開關模式之直流-直流轉換器之方 法，其開關模式之直流-直流轉換器具有一上方FET(UFET) 以及一下方FET(LFET)，其連接至電源供應電壓線之間， 並且其中具有一共同相位節點，該方法包含下列步驟： (a) 監控LGATE，UGATE以及PHASE節點之電壓；以及 (b) 在關閉該UFET之後，並且回應於該PHASE節點電 壓之位準達到一預定之飽和值電壓，而導通該LFET。

   拾壹、圖式： 如次頁 23