TW201334410A - 浮接閘驅動器電路以及在浮接閘驅動器電路中為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路與方法 - Google Patents

Abstract

在一浮接閘驅動器電路中，偵測一切換信號的上升緣及下降緣觸發設定信號及重設信號，該設定信號及該重設信號經單端準位平移器轉譯到同一輸出端產生一輸出電壓，一暫態偵測器偵測該輸出電壓中的雜訊產生暫態偵測信號，一遮蔽電路受該暫態偵測信號控制以遮蔽該輸出電壓中的雜訊，將該轉譯出來的設定信號及重設信號提供給雙穩態電路，以產生準位平移的切換信號。此配置具有低面積成本及較佳的抗雜訊能力。

Description

浮接閘驅動器電路以及在浮接閘驅動器電路中為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路與方法

本發明係有關一種浮接閘驅動器電路，特別是關於一種在浮接閘驅動器電路中為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路及方法。

高壓積體電路係馬達、安定器、雙電感單電容轉換器及冷陰極管等高壓應用中必須使用的元件。例如參照圖1，半橋電路的高側(high side)功率電晶體T1及低側(low side)功率電晶體T2分別受控制器積體電路10提供的閘極控制信號UG及LG切換，閘極控制信號UG及LG由非重疊(non-overlapping)切換信號HIN及LIN分別產生。半H橋電路的直流輸入電壓VIN高達300~600伏特或更高，為了減少控制器積體電路10中使用的高壓電路元件的數量以及高側電路所承受的電壓，將高側電路製作在超高壓浮接井12當中，超高壓浮接井12電耦接半H橋電路的切換節點LX，以其電壓VLX作為高側電路的參考電位，切換信號HIN及LIN係參考到接地端GND產生的低壓邏輯信號，再將切換信號HIN平移到較高的準位去產生閘極控制信號UG。由於高側電路的參考電位不是接地端GND的電壓，而是切換節點LX的電壓VLX，因此這種結構稱為浮接閘驅動器電路。

為了平移切換信號HIN的準位，邊緣脈衝產生器14偵測切換信號HIN的上升緣及下降緣分別觸發設定信號Set及重設信號Reset，二者皆為短脈衝信號，經準位平移器16轉譯為RS正反器18的設定輸入信號S及重設輸入信號R，以觸發及結束參考到電壓VLX的切換信號Q，因此切換信號Q具有和切換信號HIN相同的邏輯表態，但準位不同。在準位平移器16中，輸入電晶體M1及M2分別用來傳送設定信號Set及重設信號Reset到輸出端AA及BB，電阻R1及R2分別作為輸入電晶體M1及M2的平移負載。輸出端AA及BB分別經電阻R1及R2連接到電源輸入端Vb，因此輸入電晶體M1及M2須使用高壓電晶體，設計電路時必須在面積及崩潰電壓之間妥協。輸入電晶體M1及M2若放在超高壓浮接井12外，則需要很大的面積，反之，若放在超高壓浮接井20中，則因為彼此靠近而有較嚴重的串擾問題(cross talk issue)。

美國專利號7,236,020改用單端準位平移器轉譯設定信號Set及重設信號Reset到同一輸出端給D正反器，以產生準位平移的切換信號。由於單端準位平移器僅包含一個輸入電晶體，因此能大幅減少準位平移器的電路面積，而且消除兩個輸入電晶體之間的串擾，但使用單端準位平移器有抗雜訊能力較差的問題。例如參照圖1，耦接在電源輸入端Vb及切換節點LX之間的靴帶電容Cb會把電壓VLX的暫態變化引入電源電壓Vb中，而輸入電晶體M1有寄生電容Cp1，電壓Vb的暫態變化對寄生電容Cp1充電或放電會在輸出端AA產生雜訊。由於單端準位平移器轉譯設定信號Set及重設信號Reset到同一輸出端AA，因此前述的雜訊容易導致D正反器誤動作，甚至造成功率電晶體T1及T2同時打開而讓高壓直流電源VIN直接短路到接地端GND。

因此，一種在浮接閘驅動器電路中為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路及方法，乃為所冀。

本發明的目的之一，在於提出一種為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種具單端準位平移器的浮接閘驅動器電路。

根據本發明，在使用單端準位平移器的浮接閘驅動器電路中，偵測單端準位平移器的輸出電壓產生暫態偵測信號，在該暫態偵測信號控制下，遮蔽該輸出電壓中的雜訊，因而獲得強軔的單端準位平移器。

在一實施例中，使用暫態偵測器偵測單端準位平移器的輸出電壓，以產生暫態偵測信號。

在一實施例中，使用遮蔽電路遮蔽該輸出電壓中的雜訊。

本發明不但保有使用單端準位平移器的低面積成本的優點，而且改善了單端準位平移器的抗雜訊能力。

參照圖2的實施例，為了平移切換信號HIN的準位，邊緣脈衝產生器20偵測切換信號HIN的上升緣及下降緣分別觸發脈衝信號PLS在同一輸出端，因此脈衝信號PLS包含前述的短脈衝設定信號Set及重設信號Reset，單端準位平移器22轉譯設定信號Set及重設信號Reset到同一輸出端AA，以輸出電壓VAA表達轉譯出來的設定信號Set及重設信號Reset給遮蔽電路24，暫態偵測器26偵測輸出電壓VAA產生暫態偵測信號TD，在暫態偵測信號TD的控制下，遮蔽電路24遮蔽輸出電壓VAA中的雜訊，將設定信號Set及重設信號Reset分別提供給SR正反器18的設定輸入端S及重設輸入端R，以觸發及結束準位平移的切換信號Q。在其他實施例中，亦可改用其他雙穩態電路來取代SR正反器18，例如D正反器或其他閂鎖裝置。在單端準位平移器22中，平移負載28和輸入電晶體M1串聯在電源輸入端Vb及接地端GND之間，輸入電晶體M1的閘極接受脈衝信號PLS，其包含的脈衝會打開輸入電晶體M1造成輸出電壓VAA產生負脈衝，因此切換信號HIN的上升緣觸發負脈衝設定信號Set，下降緣觸發負脈衝重設信號Reset。平移負載28可使用電阻、電流源、二極體或可程式化阻抗元件。較佳者，單端準位平移器22更包含齊納二極體ZD並聯平移負載28，以箝制輸出電壓VAA，即限制輸出電壓VAA不低於某個箝位電壓Vclamp。齊納二極體ZD亦可改用其他箝位電路來取代。

圖3係暫態偵測器26的第一實施例，用於偵測電壓VLX下降時產生的雜訊。在此實施例中，電晶體M3及電流源30串聯在單端準位平移器22的輸出端AA及超高壓浮接井12之間，電晶體M3的控制端極連接控制器積體電路10的直流電源輸入端Vb，緩衝器32的兩偏壓輸入端分別連接控制器積體電路10的電源輸入端Vb及超高壓浮接井12，根據電晶體M3的汲極電壓Sf決定暫態偵測信號TD。在穩態時，電晶體M3為斷路，電壓Sf約等於VLX，緩衝器32的輸出TD為邏輯0。在電壓VLX突然下降超過某個臨界值時，電壓Vb被拉低而導致電晶體M3導通，電壓Sf瞬間上升，緩衝器32因而觸發暫態偵測信號TD。

圖4係暫態偵測器26的第二實施例，用於偵測電壓VLX上升時產生的雜訊。在此實施例中，齊納二極體ZD1及電流源30串聯在控制器積體電路10的電源輸入端Vb及超高壓浮接井12之間，電流源34及電晶體M3串聯在控制器積體電路10的電源輸入端Vb及單端準位平移器22的輸出端AA之間，緩衝器32的兩偏壓輸入端分別連接控制器積體電路10的電源輸入端Vb及超高壓浮接井12，根據電晶體M3的汲極電壓決定暫態偵測信號的反相信號。在穩態時，電晶體M3為斷路，電壓約等於Vb，緩衝器32的輸出為邏輯1，即暫態偵測信號TD為邏輯0。在電壓VLX突然上升超過某個臨界值時，電壓Vb被拉高而導致電晶體M3導通，電壓瞬間下降，觸發信號變為邏輯0。

圖5係遮蔽電路24的實施例，單端準位平移器22的輸出電壓VAA及其經延遲器40延遲時間Δt產生的延遲電壓VAAd輸入解碼器42，計數器44計算輸入電壓VAA中的脈衝個數產生計數值CT給解碼器42，暫態偵測信號TD或其反相信號輸入計數器44的重設輸入端R，以重設計數器44，解碼器42根據電壓VAA及VAAd解碼產生設定信號S及重設信號R，並根據計數值CT決定是否釋放設定信號S及重設信號R，計數器44亦提供設定信號S或重設信號R給SR正反器18。在一實施例中，當計數值CT達到某個預設值時，解碼器42在延遲時間Δt後釋出電壓VAAd中的第一個脈衝作為設定信號S，然後遮蔽電壓VAA中的第二個脈衝後，再釋出電壓VAA中的第三個脈衝作為重設信號R。亦可讓解碼器42提供額外的保護功能，以規範SR正反器18在安全的電壓範圍內運作，例如在遮蔽電路24設置欠壓鎖定(under voltage lockout)裝置46，藉其偵測電壓Vb以產生設定信號S或重設信號R給SR正反器18，在電壓Vb不足時關閉高側功率電晶體T1。

圖6係圖5的解碼器24在一個實施例中的時序圖，單端準位平移器22的輸出電壓VAA相對於電壓VLX如波形50所示，脈衝52係設定信號Set造成的，脈衝54係重設信號Reset造成的，脈衝56係雜訊，其可能低於齊納二極體ZD限制的箝位電壓Vclamp。在計數器44偵測到第一個脈衝56時，計數值CT變為1，解碼器42不釋放任何信號，而是在延遲時間Δt後才釋放第二個脈衝52作為設定信號S，並將下一個脈衝54作為重設信號R。

圖7係欠壓鎖定裝置46的實施例，使用遲滯比較器60偵測電壓Vb以產生欠壓鎖定信號UVLO。當控制器積體電路10的直流電源供應器VCC開啟後，如波形62所示，電壓Vb從0上升到最大值。當電壓Vb超過上邊界值Vb+時，欠壓鎖定信號UVLO轉為邏輯1，如波形64所示，因而致能SR正反器18，於是SR正反器18可響應切換信號HIN產生切換信號Q，如波形66及68所示。當控制器積體電路10的直流電源供應器VCC關閉時，電壓Vb從最大值降到0。當電壓Vb交越下邊界值Vb-時，欠壓鎖定信號UVLO轉為邏輯0而禁能SR正反器18，於是SR正反器18不能再運作，即使切換信號HIN未關閉，也不會產生切換信號Q，如波形66及68所示。在其他實施例中，亦可改用單一邊界值Vb+或Vb-供電壓Vb比較來產生欠壓鎖定信號UVLO。

圖8係本發明在不同應用中的示意圖。在非零電壓切換應用中，如圖A所示，脈衝72係設定信號Set造成的，脈衝74係重設信號Reset造成的，在偵測到脈衝72後經過時間Δt才打開UG，高側功率電晶體T1打開時引起的電壓VLX暫態變化產生雜訊76，高側功率電晶體T1關閉時引起的電壓VLX暫態變化產生雜訊78。在這種操作模式中，在偵測到脈衝72後遮蔽雜訊76，再釋放的脈衝74。在零電壓切換應用中，如圖B所示，在脈衝72以前發生雜訊76，在偵測到雜訊76後經過時間Δt打開UG，然後釋放脈衝74。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．控制器積體電路

12．．．超高壓浮接井

14．．．邊緣脈衝產生器

16．．．單端準位平移器

18．．．SR正反器

20．．．邊緣脈衝產生器

22．．．單端準位平移器

24．．．遮蔽電路

26．．．暫態偵測器

28．．．平移負載

30．．．電流源

32．．．緩衝器

34．．．電流源

40．．．延遲器

42．．．解碼器

44．．．計數器

46．．．欠壓鎖定裝置

50．．．電壓VAA相對於電壓VLX的波形

52．．．設定信號造成的脈衝

54．．．重設信號造成的脈衝

56．．．雜訊

60．．．遲滯比較器

62．．．電壓VCC的波形

64．．．欠壓鎖定信號的波形

66．．．切換信號HIN的波形

68．．．切換信號Q的波形

70．．．電壓VAA相對於電壓VLX的波形

72．．．設定信號造成的脈衝

74．．．重設信號造成的脈衝

76．．．雜訊

78．．．雜訊

圖1係習知的浮接閘驅動器電路；

圖2係本發明的實施例；

圖3係暫態偵測器的第一實施例；

圖4係暫態偵測器的第二實施例；

圖5係遮蔽電路的實施例；

圖6係圖5的解碼器的時序圖；

圖7係欠壓鎖定裝置的實施例；以及

圖8係本發明在不同應用中的示意圖。

10．．．控制器積體電路

12．．．超高壓浮接井

18．．．SR正反器

20．．．邊緣脈衝產生器

22．．．單端準位平移器

24．．．遮蔽電路

26．．．暫態偵測器

28．．．平移負載

Claims (23)

1. 一種在浮接閘驅動器電路中為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路，該浮接閘驅動器電路具有電源輸入端，該單端準位平移器轉譯設定信號及重設信號到同一輸出端，以產生輸出電壓用來控制雙穩態電路產生切換信號，該雙穩態電路以超高壓浮接井的電壓作為參考電位，該為單端準位平移器改善抗雜訊能力的電路包含：暫態偵測器，連接該單端準位平移器的輸出端、該電源輸入端以及該超高壓浮接井，偵測該單端準位平移器的輸出電壓以產生暫態偵測信號；以及遮蔽電路，連接該單端準位平移器的輸出端、該電源輸入端以及該暫態偵測器，在該暫態偵測信號的控制下遮蔽該單端準位平移器的輸出電壓中的雜訊，將該轉譯出來的設定信號及重設信號提供給該雙穩態電路。
2. 如請求項1之電路，其中該暫態偵測器包含：電晶體及電流源，串聯在該單端準位平移器的輸出端及該超高壓浮接井之間，該電晶體具有控制端連接該電源輸入端；以及緩衝器，具有輸入端連接該電晶體的輸出端，以及兩偏壓輸入端分別連接該電源輸入端及該超高壓浮接井，根據該電晶體的輸出端電壓決定該暫態偵測信號。
3. 如請求項1之電路，其中該暫態偵測器包含：齊納二極體及第一電流源，串聯在該電源輸入端及該超高壓浮接井之間；第二電流源及電晶體，串聯在該電源輸入端及該單端準位平移器的輸出端之間，該電晶體具有控制端連接該齊納二極體；以及緩衝器，具有輸入端連接該電晶體的輸出端，以及兩偏壓輸入端分別連接該電源輸入端及該超高壓浮接井，根據該電晶體的輸出端電壓決定該暫態偵測信號。
4. 如請求項1之電路，其中該遮蔽電路包含：延遲器，連接該單端準位平移器的輸出端，將該輸出電壓延遲一段時間；計數器，連接該單端準位平移器的輸出端及該暫態偵測器，計算該輸出電壓中的脈衝個數產生計數值，具有重設輸入端接受該暫態偵測信號；以及解碼器，連接該單端準位平移器的輸出端、該延遲器及該計數器，根據該輸出電壓及該延遲後的輸出電壓解碼產生該設定信號及該重設信號，並根據該計數值決定是否釋放該設定信號及該重設信號。
5. 如請求項4之電路，其中該計數器提供一信號重設該雙穩態電路。
6. 如請求項4之電路，其中該遮蔽電路更包含欠壓鎖定裝置連接該電源輸入端，偵測該電源輸入端的電壓以重設該雙穩態電路。
7. 一種在浮接閘驅動器電路中為單端準位平移器改善抗雜訊能力的方法，該浮接閘驅動器電路具有電源輸入端，該單端準位平移器轉譯設定信號及重設信號到同一輸出端，以產生輸出電壓用來控制雙穩態電路產生切換信號，該雙穩態電路以超高壓浮接井的電壓作為參考電位，該方法包含以下步驟：(A)偵測該單端準位平移器的輸出電壓以產生暫態偵測信號；以及(B)在該暫態偵測信號的控制下遮蔽該單端準位平移器的輸出電壓中的雜訊，將該轉譯出來的設定信號及重設信號提供給該雙穩態電路。
8. 如請求項7之方法，其中該步驟A包含在該超高壓浮接井的電壓突然下降超過臨界值時，觸發該暫態偵測信號。
9. 如請求項7之方法，其中該步驟A包含在該超高壓浮接井的電壓突然上升超過臨界值時，觸發該暫態偵測信號。
10. 如請求項7之方法，其中該步驟B包含以下步驟：在該暫態偵測信號觸發後計算該單端準位平移器的輸出電壓中的脈衝個數產生一計數值；以及在偵測到該單端準位平移器的輸出電壓中的第一個脈衝後一段預定時間釋出該設定信號給該雙穩態電路。
11. 如請求項10之方法，其中該步驟B更包含在該計數值達到一預定值時釋出該重設信號給該雙穩態電路。
12. 如請求項7之方法，其中該步驟B包含以下步驟：在該暫態偵測信號觸發後計算該單端準位平移器的輸出電壓中的脈衝個數產生一計數值；以及在該計數值達到一預定值時啟動一段時間遮蔽該單端準位平移器的輸出電壓中的脈衝。
13. 一種浮接閘驅動器電路，包含：電源輸入端；超高壓浮接井；邊緣脈衝產生器，偵測切換信號的上升緣及下降緣分別觸發設定信號及重設信號到同一脈衝信號中；單端準位平移器，連接該電源輸入端及該邊緣脈衝產生器，轉譯該脈衝信號中的設定信號及重設信號到同一輸出端，以產生輸出電壓；雙穩態電路，連接該電源輸入端及該超高壓浮接井，產生以該超高壓浮接井的電壓作為參考電位的切換信號；暫態偵測器，連接該電源輸入端、該超高壓浮接井及該單端準位平移器的輸出端，偵測該單端準位平移器的輸出電壓以產生暫態偵測信號；以及遮蔽電路，連接該電源輸入端、該超高壓浮接井、該單端準位平移器的輸出端及該暫態偵測器，在該暫態偵測信號的控制下遮蔽該單端準位平移器的輸出電壓中的雜訊，將該轉譯出來的設定信號及重設信號提供給該雙穩態電路，以分別觸發及結束該切換信號。
14. 如請求項13之浮接閘驅動器電路，更包含靴帶電容連接在該電源輸入端及該超高壓浮接井之間。
15. 如請求項13之浮接閘驅動器電路，其中該單端準位平移器包含：輸入電晶體，具有控制端連接該邊緣脈衝產生器，傳送該脈衝信號中的設定信號及重設信號到該輸出端；以及平移負載，連接在該電源輸入端及該輸出端之間。
16. 如請求項15之浮接閘驅動器電路，其中該輸入電晶體在該超高壓浮接井中。
17. 如請求項15之浮接閘驅動器電路，更包含箝位電路並聯該平移負載。
18. 如請求項13之浮接閘驅動器電路，其中該雙穩態電路包含正反器受控於該轉譯出來的設定信號及重設信號。
19. 如請求項13之浮接閘驅動器電路，其中該暫態偵測器包含：電晶體及電流源，串聯在該單端準位平移器的輸出端及該超高壓浮接井之間，該電晶體具有控制端連接該電源輸入端；以及緩衝器，具有輸入端連接該電晶體的輸出端，以及兩偏壓輸入端分別連接該電源輸入端及該超高壓浮接井，根據該電晶體的輸出端電壓決定該暫態偵測信號。
20. 如請求項13之浮接閘驅動器電路，其中該暫態偵測器包含：齊納二極體及第一電流源，串聯在該電源輸入端及該超高壓浮接井之間；第二電流源及電晶體，串聯在該電源輸入端及該單端準位平移器的輸出端之間，該電晶體具有控制端連接該齊納二極體；以及緩衝器，具有輸入端連接該電晶體的輸出端，以及兩偏壓輸入端分別連接該電源輸入端及該超高壓浮接井，根據該電晶體的輸出端電壓決定該暫態偵測信號。
21. 如請求項13之浮接閘驅動器電路，其中該遮蔽電路包含：延遲器，連接該單端準位平移器的輸出端，將該輸出電壓延遲一段時間；計數器，連接該單端準位平移器的輸出端及該暫態偵測器，計算該輸出電壓中的脈衝個數產生計數值，具有重設輸入端接受該暫態偵測信號；以及解碼器，連接該單端準位平移器的輸出端、該延遲器及該計數器，根據該輸出電壓及該延遲後的輸出電壓解碼產生該設定信號及該重設信號，並根據該計數值決定是否釋放該設定信號及該重設信號。
22. 如請求項21之浮接閘驅動器電路，其中該計數器提供一信號重設該雙穩態電路。
23. 如請求項21之浮接閘驅動器電路，其中該遮蔽電路更包含欠壓鎖定裝置連接該電源輸入端，偵測該電源輸入端的電壓以重設該雙穩態電路。