TW201414199A - 具有溫度補償的自我調整閘極驅動電路 - Google Patents

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Abstract

揭示一種可為MOSFET產生具有溫度補償的閘極偏置電壓的自我調整閘極驅動電路。該自我調整閘極驅動電路可產生具有可變驅動能力的閘極偏置電壓以對抗MOSFET在較高溫度時較高的閘極洩漏電流。在一種設計中，一種裝置包括控制電路和閘極驅動電路。該控制電路產生具有可變頻率的至少一個控制信號，該可變頻率是基於MOSFET的感測溫度來決定的。例如，可基於MOSFET的感測溫度來决定時鐘分頻比，可基於該時鐘分頻比對輸入時鐘信號進行分頻以獲得可變時鐘信號，並且可基於該可變時鐘信號來產生控制信號。閘極驅動電路基於該控制信號來產生用於MOSFET的偏置電壓。

Description

具有溫度補償的自我調整閘極驅動電路 【根據專利法的優先權請求】
本專利申請案請求於2012年7月26日提出申請的題為「Adaptive gate charge compensation for minimizing system quiescent current and thermal runaway(用於最小化系統靜態電流和熱散逸的自我調整閘極電荷補償)」的臨時申請案第61/676,094號的優先權，該臨時申請案已轉讓給本案受讓人並因此藉由援引明確納入於此。
本案大體係關於電子裝置，尤其係關於用於為電晶體產生偏置電壓的閘極驅動電路。
金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)是一種常常被用作電源電路中的開關以向負載提供電源電壓的電晶體。MOSFET在導通時在其漏極與源極之間具有電阻，該電阻可被稱為RDS_ON電阻。MOSFET在導通時向負載提供電源電流，並且該電源電流經由MOSFET的RDS_ON電阻耗散。閘極驅動電路可為MOSFET產生閘極偏置電壓，以使得可在 MOSFET導通時為其獲得充分低的RDS_ON電阻以限制MOSFET的功率耗散。
本文揭示一種自我調整閘極驅動電路，該自我調整閘極驅動電路為MOSFET或某種其他類型的電晶體產生具有溫度補償的閘極偏置電壓。該自我調整閘極驅動電路可產生具有可變驅動能力的閘極偏置電壓，以對抗MOSFET在較高溫度時較高的閘極洩漏電流。此舉可確保MOSFET隨溫度具有充分低的RDS_ON電阻。
在一示例性設計中，一種裝置包括控制電路和閘極驅動電路。控制電路產生具有可變頻率的至少一個控制信號，該可變頻率是基於耦合在電源電壓與負載之間的MOSFET的感測溫度來決定的。閘極驅動電路基於該至少一個控制信號來產生用於MOSFET的偏置電壓。該裝置亦可包括溫度感測器以感測MOSFET的溫度。
在一示例性設計中，控制電路包括溫度補償電路、時鐘分頻器以及控制信號產生器。溫度補償電路接收指示MOSFET的感測溫度的輸入信號並且基於該輸入信號來決定時鐘分頻比。時鐘分頻器基於該時鐘分頻比來對輸入時鐘信號進行分頻以獲得具有可變頻率的可變時鐘信號。控制信號產生器基於可變時鐘信號來產生該至少一個控制信號。
以下更加詳細地描述本案的各種態樣和特徵。
100‧‧‧電源電路
110‧‧‧N通道MOSFET
150‧‧‧閘極驅動電路
180‧‧‧電子電路/負載
210‧‧‧標繪
220‧‧‧標繪
230‧‧‧標繪
300‧‧‧電源電路
310‧‧‧nMOSFET
320‧‧‧自我調整閘極驅動電路
330‧‧‧溫度感測器
340‧‧‧控制電路
350‧‧‧閘極驅動電路
380‧‧‧電子電路/負載
410‧‧‧電流源
420‧‧‧PN二極體
510‧‧‧溫度補償電路
510a‧‧‧溫度補償電路
510b‧‧‧溫度補償電路
520‧‧‧時鐘分頻器
530‧‧‧控制信號產生器
540‧‧‧閘極驅動電路
610‧‧‧量化器
620‧‧‧查閱資料表
630‧‧‧比較器
632‧‧‧比較器
640‧‧‧查閱資料表
810‧‧‧開關
820‧‧‧開關
830‧‧‧電容器
840‧‧‧二極體
850‧‧‧開關
860‧‧‧Cgs電容器
900‧‧‧程式
912‧‧‧方塊
914‧‧‧方塊
圖1圖示具有固定閘極驅動的電源電路的示意圖。
圖2圖示MOSFET的RDS_ON電阻的標繪。
圖3圖示具有自我調整閘極驅動的電源電路的示意圖。
圖4圖示溫度感測器的示意圖。
圖5圖示控制電路的方塊圖。
圖6A和圖6B圖示溫度補償電路的兩個示例性設計。
圖7圖示可變時鐘信號和控制信號的時序圖。
圖8圖示閘極驅動電路的示意圖。
圖9圖示用於產生用於MOSFET的閘極偏置電壓的程式。
以下闡述的詳細描述意欲作為本案的示例性設計的描述，而無意表示可在其中實踐本案的僅有設計。術語「示例性」在本文中用於表示「用作示例、實例或圖示」。本文中描述為「示例性」的任何設計不必被解釋為優於或勝過其他設計。本詳細描述包括具體細節以提供對本案的示例性設計的透徹理解。對於本領域技藝人士將明顯的是，沒有該等具體細節亦可實踐本文描述的示例性設計。在一些實例中，公知的結構和裝置以方塊圖形式圖示以免湮沒本文中提供的示例性設計的新穎性。
本文所揭示的自我調整閘極驅動電路可用在(i)向負載提供電源電壓的電源電路及/或(ii)其他電路中。自我調整閘極驅動電路可用於各種電子設備，諸如無線通訊設備(例如，蜂巢式電話、智慧型電話等)、平板電腦、個人數 位助理(PDA)、掌上型設備、無線數據機、膝上型電腦、智慧型電腦、小筆電、無線電話、無線區域迴路(WLL)站、藍芽設備、消費電子設備等等。
圖1圖示具有固定閘極驅動的電源電路100的示意圖。電源電路100包括N通道MOSFET(nMOSFET)110和閘極驅動電路150。nMOSFET 110的漏極耦合至系統電源電壓(V系統_電源)且其源極耦合至電子電路/負載180並向負載180提供電源電壓(V電源)。負載180可包括基於V電源電壓來操作的數位電路及/或類比電路。閘極驅動電路150具有接收控制信號的輸入端以及耦合至nMOSFET 110的閘極的輸出端。
nMOSFET 110用作向負載180遞送系統電源電壓的傳輸電晶體。閘極驅動電路150產生用於nMOSFET 110的閘極偏置電壓，以使得nMOSFET 110在期望的工作區域中操作。
nMOSFET(諸如nMOSFET 110)常常用在電源電路中，因為對於給定的裝置大小，nMOSFET可提供比P通道MOSFET(pMOSFET)低的導通電阻。然而，nMOSFET 110需要比源極電壓或漏極電壓高的閘極偏置電壓才能導通。閘極驅動電路150可包括電荷泵，該電荷泵可產生充分高的閘極偏置電壓，以使得nMOSFET 110在期望的工作區域中操作。具體地，可產生比nMOSFET 110的源極電壓高的閘極偏置電壓，以使得在nMOSFET 110導通時該nMOSFET 110的RDS_ON電阻小於目標電阻。此情況可確保nMOSFET 110的功率耗散落在容限內。
nMOSFET 110具有閘極洩漏電流，其是從nMOSFET 110的閘極洩漏到源極的電流。nMOSFET 110的閘極洩漏電流在較高溫度時可顯著增加。
圖2圖示在不同溫度時nMOSFET 110的RDS_ON電阻相對於閘極放電時間的標繪。在圖2中，橫軸表示時間並且是以分鐘為單位來提供的。縱軸表示RDS_ON電阻並且是以歐姆(Ω)為單位來提供的。在時間0：00，由閘極驅動電路150在nMOSFET 110的閘極處施加合適的閘極偏置電壓。閘極驅動電路150隨後與nMOSFET 110的閘極斷開，並且閘極偏置電壓由於nMOSFET 110的閘極洩漏電流而減小。nMOSFET 110的RDS_ON電阻隨著閘極偏置電壓的減小而增大。
標繪210圖示在25℃的標稱溫度/室溫時nMOSFET 110的RDS_ON電阻相對於閘極偏置電壓的放電時間。如圖2中所示，RDS_ON電阻保持相對較低直至時間4：00，並且隨後由於因閘極泄漏電流導致的較低閘極偏置電壓而快速增大。標繪220圖示在52℃的中等溫度時nMOSFET 110的RDS_ON電阻相對於閘極偏置電壓的放電時間。如圖2中所示，RDS_ON電阻保持相對較低直至時間0：40，並且隨後由於因泄漏導致的較低閘極偏置電壓而快速增大。標繪230圖示在85℃的較高溫度時nMOSFET 110的RDS_ON電阻相對於閘極偏置電壓的放電時間。如圖2中所示，閘極驅動電路150一斷開，RDS_ON電阻就由於因泄漏導致的較低閘極偏置電壓而快速增加。圖2表明閘極泄漏電流隨著逐漸升高的溫度而變得更成問題。
閘極驅動電路150可被設計成在標稱條件(例如，室溫)下為nMOSFET 110的閘極偏置電壓提供充分的驅動。閘 極驅動電路150可具有用於計及nMOSFET 110在標稱條件下的閘極洩漏電流以及其他洩漏電流源的充分驅動能力。然而，閘極驅動電路150可能不能夠提供用於計及nMOSFET 110在較高溫度時顯著較高的閘極洩漏電流的充分驅動。此情況可能導致在較高溫度時該閘極偏置電壓低於為獲得nMOSFET 110的目標RDS_ON電阻所必需的閘極偏置電壓。較高溫度時較大的RDS_ON電阻可增加nMOSFET 110的功率耗散，此舉可進一步增高溫度並且加重閘極洩漏。nMOSFET 110在較高溫度時較大的RDS_ON電阻可能因此導致熱散逸和其他問題。
閘極驅動電路150可被設計成在最壞情形條件(例如，為電源電路100指定的最高溫度)下為nMOSFET 110的閘極偏置電壓提供充分的驅動能力。然而，用於閘極偏置電壓的較高驅動能力可能是以閘極驅動電路150的較高功耗為代價來獲得的。此情況可能導致閘極驅動電路150甚至在標稱條件下亦要消耗更多的電池功率。
在本案的一態樣，自我調整閘極驅動電路可為nMOSFET產生具有可變驅動能力的閘極偏置電壓，以對抗nMOSFET在較高溫度時較高的閘極洩漏電流。此舉可藉由偵測nMOSFET的溫度並且提供用於計及nMOSFET在較高溫度時較高的閘極洩漏電流的較大驅動能力來達成。
閘極驅動電路可包括電荷泵，該電荷泵接收一或多個控制信號並且提供用於nMOSFET的閘極偏置電壓。電荷泵可具有取决於提供給該電荷泵的控制信號的頻率(例如，與之成比例)的驅動能力。在一示例性設計中，電荷泵可按可 變頻率來操作，該可變頻率可取決於偵測到的nMOSFET的溫度。具體地，電荷泵可(i)在較高溫度時以較高頻率操作以提供用於閘極偏置電壓的較大驅動能力，或者(ii)在較低溫度時以較低頻率操作以在閘極洩漏電流較小時減少閘極驅動電路的功耗。
圖3圖示具有自我調整閘極驅動的電源電路300的示例性設計的示意圖。電源電路300包括nMOSFET 310和自我調整閘極驅動電路320。nMOSFET 310的漏極耦合至系統電源電壓(V系統_電源)且其源極耦合至電子電路/負載380並向負載380提供電源電壓(V電源)。負載380可包括基於V電源電壓來操作的數位電路及/或類比電路。閘極驅動電路350具有接收輸入時鐘信號的輸入端以及耦合至nMOSFET 310的閘極的輸出端。
在圖3所示的示例性設計中，自我調整閘極驅動電路320包括溫度感測器330、控制電路340以及閘極驅動電路350。溫度感測器330感測nMOSFET 310的溫度(或者nMOSFET 310附近的溫度)並且向控制電路340提供感測溫度信號。感測溫度信號指示由溫度感測器330感測到的溫度。控制電路340接收輸入時鐘信號和感測溫度信號並且產生用於閘極驅動電路350的控制信號。閘極驅動電路350產生具有基於該控制信號所决定的可變驅動能力的閘極偏置電壓並且向nMOSFET 310的閘極提供該閘極偏置電壓。閘極驅動電路350可以能够向nMOSFET 310的閘極提供較高的閘極偏置電壓及/或較多的偏置電流以計及較高溫度時較大的閘極洩漏電流。
圖3圖示其中自我調整閘極驅動電路320包括溫度感 測器330、控制電路340和閘極驅動電路350的示例性設計。自我調整閘極驅動電路亦可按其他方式來實現。例如，自我調整閘極驅動電路可包括直接耦合至閘極驅動電路的溫度感測器。自我調整閘極驅動電路亦可包括圖3中未圖示的其他電路。
圖3亦圖示其中基於輸入時鐘信號和感測溫度信號來產生用於閘極驅動電路350的控制信號的示例性設計。用於閘極驅動電路350的控制信號亦可以用其他信號及/或以其他方式來產生。
自我調整閘極驅動電路320內的溫度感測器330、控制電路340和閘極驅動電路350可按各種方式來實現。以下描述溫度感測器330、控制電路340和閘極驅動電路350的一些示例性設計。
圖4圖示圖3中的自我調整閘極驅動電路320內的溫度感測器330的示例性設計的示意圖。在此設計中，溫度感測器330包括電流源410和PN二極體420。電流源410的一端耦合至電源電壓(Vdd)且另一端耦合至節點X。PN二極體420的陽極耦合至節點X且其陰極耦合至電路接地。節點X是溫度感測器330的輸出端並且提供感測溫度信號，其可以是電壓信號(V溫度)。
電流源410可提供固定的偏置電流I偏置，該偏置電流可獨立於溫度或者可以隨溫度儘可能小地變化。PN二極體420傳導來自電流源410的偏置電流並且具有取決於各種因素(諸如由PN二極體420傳導的電流量、PN二極體420的大小以及溫 度)的壓降。對於給定的偏置電流量和給定的PN二極體大小，跨PN二極體420的壓降(並且因此V溫度電壓)與溫度逆相關。例如，用於三個不同溫度的V溫度可以如下：在100℃，V溫度=V高溫(例如，V高溫=0.6V)，在25℃，V溫度=V標稱溫度(例如，V標稱溫度=0.75V)，以及在-40℃，V溫度=V低溫(例如，V低溫=0.88V)。 V溫度亦可在不同溫度時具有其他電壓，此情況可取决於以上所列出的因素。
圖4圖示基於PN二極體的溫度感測器330的示例性設計。溫度感測器330亦可按本領域技藝人士已知的其他方式來實現。
圖5圖示圖3中的自我調整閘極驅動電路320內的控制電路340的示例性設計的方塊圖。在此設計中，控制電路340包括溫度補償電路510、時鐘分頻器520、控制信號產生器530和閘極驅動電路540。溫度補償電路510從溫度感測器330接收感測溫度信號(或即V溫度信號)並且產生用於時鐘分頻器520的時鐘分頻比。時鐘分頻器520基於該時鐘分頻比來對輸入時鐘信號進行分頻並且向控制信號產生器530提供可變時鐘信號。產生器530基於該可變時鐘信號來產生用於閘極驅動電路350的控制信號。該控制信號的頻率是由該可變時鐘信號的頻率來決定的(例如，等於該可變時鐘信號的頻率)。閘極驅動電路350接收該控制信號並且產生用於nMOSFET 310的閘極偏置電壓。
閘極驅動電路350可包括電荷泵，該電荷泵具有基於 該控制信號的頻率所决定的驅動能力。電荷泵對於較快的控制信號可具有較高的驅動能力並且對於較慢的控制信號可具有較低的驅動能力。可能需要較高的驅動能力以計及較高溫度時較大的閘極洩漏電流，而較低的驅動能力可能對於較低溫度時較小的閘極洩漏電流而言是充分的。
溫度補償電路510可基於感測溫度信號來產生時鐘分頻比，並且可(i)針對較高的感測溫度提供較小的時鐘分頻比或者(ii)針對較低的感測溫度提供較大的時鐘分頻比。時鐘分頻器520可按該時鐘分頻比來對輸入時鐘信號進行分頻並且提供可變時鐘信號，該可變時鐘信號可(i)針對在感測到較高溫度時的較小時鐘分頻比具有較快速率/較高頻率，或者(ii)針對在感測到較低溫度時的較大時鐘分頻比具有較慢速率/較低頻率。控制信號產生器530可基於該可變時鐘信號來產生控制信號，並且可(i)在針對較低感測溫度的較慢時鐘信號下提供較慢的控制信號，或者(ii)在針對較高感測溫度的較快時鐘信號下提供較快的控制信號。閘極驅動電路350內的電荷泵可(i)基於針對較高感測溫度的較快控制信號產生具有較高驅動能力的閘極偏置電壓，或者(ii)基於針對較低感測溫度的較慢控制信號產生具有較低驅動能力的閘極偏置電壓。
溫度補償電路510、時鐘分頻器520、控制信號產生器530以及閘極驅動電路540可按各種方式來實現。以下描述溫度補償電路510、時鐘分頻器520、控制信號產生器530和閘極驅動電路540的一些示例性設計。
圖6A圖示溫度補償電路510a的方塊圖，該溫度補償電路510a是圖3中的控制電路340內的溫度補償電路510的一個示例性設計。在此設計中，溫度補償電路510a包括量化器610和查閱資料表620。量化器610從溫度感測器330接收感測溫度信號(V溫度信號)，量化此信號以獲得數位值，並將該數位值提供給查閱資料表620。查閱資料表620從量化器610接收該數位值並且提供時鐘分頻比。每個數位值可對應於感測溫度信號在特定時刻的量化值，並且該量化值可指示該時刻的感測溫度。查閱資料表620可將每個數位值映射到合適的時鐘分頻比，從而能為與該數位值相對應的感測溫度獲得控制信號的期望/目標頻率。
一般而言，量化器610可將感測溫度信號量化成具有任何位元數的解析度的數位值。較多位元的數位值可允許以較大的查閱資料表620為代價用較精細的細微性來調整閘極驅動電路350的驅動能力。
圖6B圖示溫度補償電路510b的示意圖，該溫度補償電路510b是圖3中的控制電路340內的溫度補償電路510的另一示例性設計。在此設計中，溫度補償電路510b包括兩個比較器630和632以及查閱資料表640。比較器630在非反相輸入端接收V溫度信號以及在反相輸入端接收V高溫電壓，並且提供第一量化信號(A)。比較器632在非反相輸入端接收V溫度信號以及在反相輸入端接收V標稱溫度電壓，並且提供第二量化信號(B)。
在一個實例中，V高溫電壓可以等於0.6V，此情况可 對應於100℃時的V溫度電壓。V標稱溫度電壓可以等於0.75V，此情况可對應於25℃時的V溫度電壓。當V溫度信號超過0.6V時，比較器630可在A信號上輸出(i)邏輯高(‘1’)(此情况可以是感測溫度低於100℃時的情形)，否則輸出(ii)邏輯低(‘0’)。當V溫度信號超過0.75V時，比較器632可在B信號上輸出(i)邏輯高(‘1’)(此情况可以是感測溫度低於25℃時的情形)，否則輸出(ii)邏輯低(‘0’)。對於圖6B中所示的示例性設計，表1列出了來自比較器630和632的A和B信號的三種可能的狀態、每種狀態的溫度範圍、每種狀態的時鐘分頻比，以及對每種狀態的描述。在該設計中，比較器630和632被用於感測三個範圍內的溫度，此三個範圍包括大於100℃的第一溫度範圍、在25℃與100℃之間的第二溫度範圍，以及小於25。℃的第三溫度範圍。感測溫度落在此三個溫度範圍之一內。 如表1中所示，藉由A和B信號的邏輯值來反映覆蓋感測溫度的溫度範圍。每個溫度範圍與特定的時鐘分頻比相關聯。如表1中所示，逐漸升高的溫度範圍與逐漸降低的時鐘分頻比相關聯，逐漸降低的時鐘分頻比對應於提供給閘極驅動電路350的控制信號的逐漸增大的時鐘速度以及閘極驅動電路350的逐漸增大的閘極驅動能力。
圖6B和表1圖示其中V溫度信號被量化成用於偵測三個範圍內的溫度的2位元數位值的示例性設計。V溫度信號亦可被量化成更多或更少位元的數位值以偵測更多或更少範圍內的溫度。例如，V溫度信號可被提供給單個比較器並且被量化成用於偵測兩個範圍內的溫度的1位元數位值。
圖6A和6B圖示其中查閱資料表接收V溫度信號的量化值並且提供時鐘分頻比的示例性設計。在另一設計中，V溫度信號可被用於控制壓控振盪器(VCO)或流控振盪器(ICO)的頻率。例如，V溫度信號可調整VCO的可變電容器(可變電抗器)，該可變電容器可隨後改變VCO的頻率。在另一實例中，電流源可提供與絕對溫度成比例(PTAT)的輸出電流，並且該輸出電流可對包括電容器和電阻器的RC振盪器的電容器進行充電。
回到圖5，時鐘分頻器520接收輸入時鐘信號並且基於來自溫度補償電路510的時鐘分頻比來對輸入時鐘信號進行分頻，並提供可變時鐘信號。時鐘分頻比可由於溫度變化及/或其他因素而隨時間變化。控制信號產生器530接收該可變時鐘信號並且產生用於閘極驅動電路350的C1和C2控制信號。
圖7圖示可變時鐘信號以及C1和C2控制信號的時序 圖。可變時鐘信號具有由時鐘分頻比決定的頻率和約50%的工作週期。C1和C2控制信號具有與該可變時鐘信號的頻率相同的頻率並且不交叠，以使得在任何給定時刻僅一個控制信號(若有)有效。例如，如圖7中所示，在第一時鐘相位期間，C1信號可以有效長達短於可變時鐘信號的每個邏輯高脈衝的歷時。同樣如圖7中所示，在第二時鐘相位期間，C2信號可以有效長達短於可變時鐘信號的每個邏輯低脈衝的歷時。C1和C2控制信號亦可按其他方式來產生。
圖8圖示圖3中的自我調整閘極驅動電路320內的閘極驅動電路350的示例性設計的示意圖。在此設計中，閘極驅動電路350實現電荷泵，該電荷泵接收參考電壓(Vref)並且產生用於nMOSFET 310的閘極偏置電壓。Vref電壓可以是電池電壓、系統電源電壓，或者某個其他電壓。
在閘極驅動電路350內，開關810具有接收Vref電壓的一個端子以及耦合至節點U的另一端子。開關820具有耦合至電路接地的一個端子以及耦合至節點V的另一端子。電容器830耦合在節點U與節點V之間。二極體840的陽極耦合至節點U且其陰極耦合至nMOSFET 310的閘極。開關850的一個端子耦合至節點V且其另一端子耦合至nMOSFET 310的源極。開關810和820由C1控制信號來控制。開關850由C2控制信號來控制。二極體840可用耦合在節點U與nMOSFET 310的閘極之間且由C2控制信號控制的開關來代替。
閘極驅動電路350如下操作。在與可變時鐘信號上的邏輯高相對應的第一時鐘相位期間，開關810和820封閉，並 且開關850斷開。電容器830由Vref電壓充電，並且跨電容器830形成壓降Vref。在與可變時鐘信號上的邏輯低相對應的第二時鐘相位期間，開關810和820斷開，並且開關850封閉。電容器830耦合在nMOSFET 310的閘極與源極之間，並且在nMOSFET 310的閘極與源極之間施加跨電容器830的壓降Vref。nMOSFET 310的閘極處的電壓比nMOSFET 310的源極處的電壓高約Vref(減去跨二極體840的壓降)。閘極驅動電路350因此將其輸入端處參考電路接地的Vref電壓轉換成nMOSFET 310的閘極與源極之間約為Vref的電壓差。
如圖8中所示，nMOSFET 310具有閘源寄生電容器(Cgs)860，Cgs 860可以由於nMOSFET 310較大的參差大小而相對較大以在nMOSFET 310導通時提供充分小的RDS_ON電阻。電容器830可以比Cgs電容器860小得多以減小電容器830的電路面積。例如，Cgs電容器860可以比電容器830大一百至一千倍。電容器830可以在第一時鐘相位期間由Vref電壓充電並且可在第二時鐘相位期間將其電荷提供給Cgs電容器860。在許多時鐘週期中相繼的電荷轉移之後，Cgs電容器860可被電容器830充電至Vref。
閘極洩漏電流流過Cgs電容器860並且減少Cgs電容器860上的電荷，此舉隨後減小nMOSFET 310的閘極偏置電壓。電容器830可按與時鐘週期T相對應的頻率f由Vref電壓充電並向Cgs電容器860放電。在較低溫度(例如，小於25℃)，閘極洩漏電流可以相對較低，並且電容器830可以能夠在每個時鐘週期T中提供該較低的閘極洩漏電流。因此，閘極偏置電 壓可得以維持，並且RDS_ON電阻可以相對較小。在較高溫度(例如，大於100℃)，閘極洩漏電流可以相對較高，並且電容器830可能不能在每個時鐘週期T中提供該較高的閘極洩漏電流。因此，閘極偏置電壓可能在數個時鐘週期之後降低相對較大的量，並且RDS_ON電阻可能增加較大的量。
可以藉由以與較短時鐘週期相對應的較快速率對電容器830進行充電來獲得較大的驅動能力。例如，可以按與時鐘週期T/2相對應的頻率2f對電容器830進行充電。則，可以按兩倍速率對電容器830進行充電並且可向Cgs電容器860提供約兩倍的電荷。一般而言，在以較快的速率對電容器830進行充電和放電時，電容器830可以能夠提供較多的電荷和較大的驅動能力，並且可以能夠對抗較大的閘極洩漏電流。對電容器830進行充電和放電的速率可以取決於閘極洩漏電流的量，後者可取決於溫度。因此，可以根據溫度來選擇對電容器830進行充電和放電的速率。一般而言，可選擇對電容器830進行充電和放電的速率以及電容器830的大小以提供使nMOSFET 310跨目標溫度範圍保持在期望工作區域中的充分的閘極驅動。
圖8圖示接收Vref並且為nMOSFET 310提供約為Vref的Vgs的閘極驅動電路350的示例性設計的示意圖。在另一設計中，閘極驅動電路接收Vref並且為nMOSFET提供大於Vref的Vgs。在此設計中，閘極驅動電路可包括(i)電壓倍增器(例如，倍壓器)以產生大於Vref的倍增電壓，以及(ii)電荷泵以基於倍增電壓來產生用於nMOSFET的Vgs。
圖8亦圖示用電荷泵來實現的閘極驅動電路350的示例性設計的示意圖，該電荷泵接收來自Vref的電荷並且將該電荷提供給Cgs電容器860。閘極驅動電路亦可用其他類型的具有可變驅動能力的電路來實現。
在一示例性設計中，一裝置(例如，無線設備、IC、電路模組等)可包括控制電路和閘極驅動電路。控制電路(例如，圖3中的控制電路340)可產生具有可變頻率的至少一個控制信號，該可變頻率是基於MOSFET(例如，圖3中的nMOSFET 310)的感測溫度來決定的。nMOSFET可以耦合在電源電壓(例如，系統電源電壓)和負載(例如，負載380)之間。閘極驅動電路(例如，閘極驅動電路350)可基於該至少一個控制信號來產生用於MOSFET的偏置電壓。該裝置亦可包括感測MOSFET的溫度的溫度感測器(例如，溫度感測器330)。
在一示例性設計中，控制電路可包括控制信號產生器(例如，圖5中的控制信號產生器530)，該控制信號產生器接收具有可變頻率的可變時鐘信號並且基於該可變時鐘信號來產生該至少一個控制信號。控制電路亦可包括溫度補償電路和時鐘分頻器。溫度補償電路(例如，溫度補償電路510)可接收指示MOSFET的感測溫度的輸入信號並且可基於該輸入信號來決定時鐘分頻比。時鐘分頻器(例如，時鐘分頻器520)可基於該時鐘分頻比來對輸入時鐘信號進行分頻以獲得可變時鐘信號。
在一示例性設計中，溫度補償電路可包括量化器和 查閱資料表。量化器(例如，圖6A中的量化器610)可量化輸入信號並且提供數位值。查閱資料表(例如，查閱資料表620)可接收該數位值並且提供時鐘分頻比。在另一示例性設計中，溫度補償電路可包括至少一個比較器和查閱資料表。該至少一個比較器(例如，圖6B中的比較器630和632)可將輸入信號與至少一個閾值作比較並且提供至少一個輸出信號。查閱資料表(例如，查閱資料表640)可接收該至少一個輸出信號並且提供時鐘分頻比。在又一示例性設計中，控制電路可包括振盪器，該振盪器接收指示MOSFET的感測溫度的輸入信號並且提供可變時鐘信號。溫度補償電路亦可按其他方式來實現。
在一示例性設計中，閘極驅動電路可被實現為(或者可包括)電荷泵，該電荷泵接收該至少一個控制信號並且提供用於MOSFET的偏置電壓。電荷泵可接收參考電壓並且在MOSFET的閘極處提供偏置電壓。MOSFET可包括nMOSFET。在此種情形中，偏置電壓可以比MOSFET的源極電壓高出由參考電壓决定的量。
在一示例性設計中，閘極驅動電路可包括電容器(例如，圖8中的電容器830)，其由參考電壓來充電並且向MOSFET提供偏置電壓。該至少一個控制信號可包括第一控制信號(例如，圖8中的C1信號)和第二控制信號(例如，C2信號)。閘極驅動電路可包括第一和第二開關。第一開關(例如，開關810)可以耦合在參考電壓與電容器之間並且可由第一控制信號控制。第二開關(例如，開關850)可以耦合在 電容器與MOSFET之間並且可由第二控制信號控制。閘極驅動電路可包括附加的開關(例如，開關820)及/或其他電路(例如，二極體840)。
閘極驅動電路可具有(i)針對第一感測溫度(例如，25℃)的第一驅動能力和(ii)針對比第一感測溫度高的第二感測溫度(例如，100℃)的比第一驅動能力大的第二驅動能力。閘極驅動電路可(i)針對第一感測溫度基於第一頻率的控制信號來產生偏置電壓以及(ii)針對第二感測溫度基於比第一頻率高的第二頻率的控制信號來產生偏置電壓。MOSFET可(i)在第一感測溫度時具有第一閘極洩漏電流以及(ii)在第二感測溫度時具有比第一閘極洩漏電流高的第二閘極洩漏電流。閘極驅動電路可(i)在第一感測溫度時提供第一偏置電流以及(ii)在第二感測溫度時提供比第一偏置電流高的第二偏置電流以計及較高的第二閘極洩漏電流。
在一示例性設計中，控制電路和閘極驅動電路可產生偏置電壓以使MOSFET的導通電阻在預定的溫度範圍上保持在目標電阻範圍內。此情况可藉由調整閘極驅動電路的驅動能力以計及MOSFET的隨溫度而變的閘極洩漏電流來達成，如以上所描述的。
圖9圖示用於產生用於MOSFET的偏置電壓的程式900的示例性設計。可基於向負載提供電源電壓的MOSFET的感測溫度來决定具有可變頻率的至少一個控制信號(方塊912)。可基於該至少一個控制信號來產生用於MOSFET的偏置電壓(方塊914)。
在方塊912的一個設計中，可基於指示MOSFET的感測溫度的輸入信號來決定時鐘分頻比。例如，輸入信號可被量化以獲得數位值，並且可基於該數位值和查閱資料表來决定時鐘分頻比。可基於該時鐘分頻比來對輸入時鐘信號進行分頻以獲得具有可變頻率的可變時鐘信號。該至少一個控制信號可基於該可變時鐘信號來產生。
在方塊914的一個設計中，偏置電壓可基於該至少一個控制信號和電荷泵來產生。偏置電壓可基於(i)針對第一感測溫度的第一驅動能力以及(ii)針對比第一感測溫度高的第二感測溫度的比第一驅動能力大的第二驅動能力來產生。
本文描述的自我調整閘極驅動電路可在IC、類比IC、RFIC、混合信號IC、ASIC、印刷電路板(PCB)、電子設備等上實現。該自我調整閘極驅動電路亦可用各種IC製程技術來製造，諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)、N通道MOS(N-MOS)、P通道MOS(P-MOS)、雙極結型電晶體(BJT)、雙極CMOS(BiCMOS)、矽鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)、異質結雙極型電晶體(HBT)、高電子行動性電晶體(HEMT)、絕緣體上矽(SOI)等。
實現本文中所描述的自我調整閘極驅動電路的裝置可以是獨立設備或者可以是較大設備的一部分。設備可以是(i)獨立的IC，(ii)可以包括用於儲存資料及/或指令的記憶體IC的一或多個IC的集合，(iii)RFIC，諸如RF接收器(RFR)或RF發射器/接收器(RTR)，(iv)ASIC，諸如行動站數據機(MSM)，(v)可嵌入在其他設備內的模組，(vi)接收器、蜂 巢式電話、無線設備、手持機或者行動單元，(vii)其他等等。
在一或多個示例性設計中，所描述的功能可以在硬體、軟體、韌體或其任何組合中實現。若在軟體中實現，則各功能可以作為一或多數指令或代碼儲存在電腦可讀取媒體上或藉其進行傳送。電腦可讀取媒體包括電腦儲存媒體和通訊媒體兩者，其包括促成電腦程式從一地向另一地轉移的任何媒體。儲存媒體可以是能被電腦存取的任何可用媒體。作為實例而非限定，此類電腦可讀取媒體可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存、磁碟儲存或其他磁存放裝置，或能被用來攜帶或儲存指令或資料結構形式的期望程式碼且能被電腦存取的任何其他媒體。任何連接亦被正當地稱為電腦可讀取媒體。例如，若軟體是使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數位用戶線(DSL)，或諸如紅外、無線電以及微波之類的無線技術從web網站、伺服器或其他遠端源傳送而來，則該同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL，或諸如紅外、無線電以及微波之類的無線技術就被包括在媒體的定義之中。如本文中所使用的，磁碟(disk)和光碟(disc)包括壓縮光碟(CD)、雷射光碟、光碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟和藍光光碟，其中磁碟(disk)往往以磁的方式再現資料，而光碟(disc)用雷射以光學方式再現資料。上述的組合亦應被包括在電腦可讀取媒體的範圍內。
提供對本案的先前描述是為使得本領域任何技藝人士皆能夠製作或使用本案。對本案各種修改對於本領域技藝 人士將是顯而易見的，並且本文中定義的普適原理可被應用於其他變形而不會脫離本案的範圍。由此，本案並非意欲被限定於本文中所描述的實例和設計，而是應被授予與本文中所揭示的原理和新穎性特徵相一致的最廣範圍。
100‧‧‧電源電路
110‧‧‧N通道MOSFET
150‧‧‧閘極驅動電路
180‧‧‧電子電路/負載

Claims (29)

  1. 一種裝置，包括：一控制電路，配置成產生具有一可變頻率的至少一個控制信號，該可變頻率是基於耦合在一電源電壓與一負載之間的一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的一感測溫度來決定的；及一閘極驅動電路，配置成基於該至少一個控制信號來產生用於該MOSFET的一偏置電壓。
  2. 如請求項1述及之裝置，進一步包括：一溫度感測器，配置成感測該MOSFET的一溫度。
  3. 如請求項1述及之裝置，其中該控制電路包括：一控制信號產生器，配置成接收具有該可變頻率的一可變時鐘信號並且基於該可變時鐘信號來產生該至少一個控制信號。
  4. 如請求項3述及之裝置，其中該控制電路進一步包括：一溫度補償電路，配置成接收指示該MOSFET的該感測溫度的一輸入信號並且基於該輸入信號來決定一時鐘分頻比；及一時鐘分頻器，配置成基於該時鐘分頻比對一輸入時鐘信號進行分頻以獲得該可變時鐘信號。
  5. 如請求項4述及之裝置，其中該溫度補償電路包括：一量化器，配置成量化該輸入信號並且提供一數位值；及一查閱資料表，配置成接收該數位值並且提供該時鐘分頻比。
  6. 如請求項4述及之裝置，其中該溫度補償電路包括：至少一個比較器，配置成將該輸入信號與至少一個閾值作比較並且提供至少一個輸出信號；及一查閱資料表，配置成接收該至少一個輸出信號並且提供該時鐘分頻比。
  7. 如請求項3述及之裝置，其中該控制電路包括：一振盪器，配置成接收指示該MOSFET的該感測溫度的一輸入信號並且提供該可變時鐘信號。
  8. 如請求項1述及之裝置，其中該閘極驅動電路包括：一電荷泵，配置成接收該至少一個控制信號並且提供用於該MOSFET的該偏置電壓。
  9. 如請求項8述及之裝置，其中該電荷泵被配置成接收一參考電壓並且在該MOSFET的一閘極處提供該偏置電壓，該偏置電壓比該MOSFET的一源極電壓高出由該參考電壓决定的一量。
  10. 如請求項1述及之裝置，其中該閘極驅動電路包括：一電容器，配置成由一參考電壓來充電並且向該MOSFET提供該偏置電壓。
  11. 如請求項10述及之裝置，其中該至少一個控制信號包括一第一控制信號和一第二控制信號，並且該閘極驅動電路進一步包括：耦合在該參考電壓與該電容器之間並且由該第一控制信號控制的一第一開關，以及耦合在該電容器與該MOSFET之間並且由該第二控制信號控制的一第二開關。
  12. 如請求項1述及之裝置，其中該閘極驅動電路具有針對一第一感測溫度的一第一驅動能力並且具有針對比該第一感測溫度高的一第二感測溫度的比該第一驅動能力大的一第二驅動能力。
  13. 如請求項1述及之裝置，其中該閘極驅動電路針對一第一感測溫度基於一第一頻率的該至少一個控制信號來產生該偏置電壓，並且針對比該第一感測溫度高的一第二感測溫度基於比該第一頻率高的一第二頻率的該至少一個控制信號來產生該偏置電壓。
  14. 如請求項1述及之裝置，其中該MOSFET在一第一溫度時具有一第一閘極洩漏電流並且在比該第一溫度高的一第二溫度時具有比該第一閘極洩漏電流高的一第二閘極洩漏電流，該閘極驅動電路在該第一溫度時提供一第一偏置電流並且在該第二溫度時提供比該第一偏置電流高的一第二偏置電流以計及較高的該第二閘極洩漏電流。
  15. 如請求項1述及之裝置，其中該MOSFET包括一N通道MOSFET。
  16. 如請求項1述及之裝置，其中該控制電路和該閘極驅動電路被配置成產生該偏置電壓以在一預定的溫度範圍上使該MOSFET的一導通電阻保持在一目標電阻範圍內。
  17. 一種方法，該方法包括以下步驟：產生具有一可變頻率的至少一個控制信號，該可變頻率是基於向一負載提供一電源電壓的一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的一感測溫度來決定的；及基於該至少一個控制信號來產生用於該MOSFET的一偏置電壓。
  18. 如請求項17述及之方法，其中產生至少一個控制信號之該步驟包括以下步驟：基於具有該可變頻率的一可變時鐘信號來產生該至少一個控制信號。
  19. 如請求項18述及之方法，其中產生至少一個控制信號之該步驟進一步包括以下步驟：基於指示該MOSFET的該感測溫度的一輸入信號來決定一時鐘分頻比；及基於該時鐘分頻比對一輸入時鐘信號進行分頻以獲得該可變時鐘信號。
  20. 如請求項19述及之方法，其中決定一時鐘分頻比之該步驟包括以下步驟：量化該輸入信號以獲得一數位值；及基於該數位值和一查閱資料表來决定該時鐘分頻比。
  21. 如請求項17述及之方法，其中產生一偏置電壓之該步驟包括以下步驟：基於該至少一個控制信號和一電荷泵來產生該偏置電壓。
  22. 如請求項17述及之方法，其中產生一偏置電壓之該步驟包括以下步驟：基於針對一第一感測溫度的一第一驅動能力以及基於針對比該第一感測溫度高的一第二感測溫度的比該第一驅動能力大的一第二驅動能力來產生該偏置電壓。
  23. 一種設備，包括：用於產生具有一可變頻率的至少一個控制信號的手段， 該可變頻率是基於用於向一負載提供一電源電壓的手段的一感測溫度來決定的；及用於基於該至少一個控制信號來產生用於所述用於提供的手段的一偏置電壓的手段。
  24. 如請求項23述及之設備，其中用於產生至少一個控制信號的該手段包括用於基於具有該可變頻率的一可變時鐘信號來產生該至少一個控制信號的手段。
  25. 如請求項24述及之設備，其中用於產生至少一個控制信號的該手段進一步包括：用於基於指示所述用於提供的手段的該感測溫度的一輸入信號來決定一時鐘分頻比的手段；及用於基於該時鐘分頻比對一輸入時鐘信號進行分頻以獲得該可變時鐘信號的手段。
  26. 如請求項25述及之設備，其中用於決定一時鐘分頻比的該手段包括：用於量化該輸入信號以獲得一數位值的手段；及用於基於該數位值來決定該時鐘分頻比的手段。
  27. 如請求項23述及之設備，其中用於產生一偏置電壓的該手段包括用於基於該至少一個控制信號和一電荷泵來產生該偏置電壓的手段。
  28. 如請求項23述及之設備，其中用於產生一偏置電壓的該手段包括用於基於針對一第一感測溫度的一第一驅動能力以及基於針對比該第一感測溫度高的一第二感測溫度的比該第一驅動能力大的一第二驅動能力來產生該偏置電壓的手段。
  29. 一種電腦程式產品，包括：一非瞬態電腦可讀取媒體，包括：用於使至少一台電腦指導產生具有一可變頻率的至少一個控制信號的代碼，該可變頻率是基於向一負載提供一電源電壓的一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的一感測溫度來決定的；及用於使該至少一台電腦指導基於該至少一個控制信號來產生用於該MOSFET的一偏置電壓的代碼。
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