TW201722042A - 具有低臨界電壓電晶體的功率轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種具有一高側電晶體與一低側電晶體之功率轉換器於該等高與低側電晶體分別由一高側驅動器與一低側驅動器之控制下而導通與關閉時可產生一相位電壓。該低側電晶體具有一低臨界電壓0.4或更小值。某些實施例中，小於0伏特之一驅動電壓關閉該低側電晶體。某些實施例中，該低側驅動器與該低側電晶體間之一低阻抗可使該驅動電壓於高輸出瞬時期間來關閉該低側電晶體。某些實施例中，該高側電晶體、該低側電晶體、該高側驅動器、以及該低側驅動器一起整合於該相同積體電路晶粒上。

Description

具有低臨界電壓電晶體的功率轉換器
本發明係有關於具有低臨界電壓電晶體的功率轉換器。
用於將電力提供至電子裝置之功率轉換器的某些類型具有一功率交換器，其具有快速切換導通與關閉之一高側功率電晶體與一低側功率電晶體，以便在該等兩電晶體之間的一節點(該相位節點)、於一所需電壓(該相位電壓)產生一電流。該相位電壓用來產生提供至該電子裝置之負載的一輸出電壓。
一典型的設計考量包含該高側電晶體將該相位節點拉至一高電壓時，特別是一快速輸出瞬時期間，該低側電晶體(通常為具有連接至該相位節點之一汲極的一nFET)之一汲極閘極電容的電位用來瞬時導通該低側電晶體。該低側電晶體導通而該高側電晶體亦導通的情況一般稱為“射穿”問題。該射穿問題為造成該功率轉換器電路一相當大的功率耗損與潛在的永久性危害之一短路。
為了防止該射穿問題，該低側電晶體典型需要高到足以確保閘極電壓之瞬時上升不會將其導通之一臨界電壓。然而，由於事實上一較高臨界電壓針對該交換器會造成較高功率耗損且需要一較大的整體實體維度，故該臨界電壓之準位需有所取捨。
該臨界電壓(Vt)為需要強烈反轉多閘極下之表面以及於該源極與該汲極區域間形成一傳導通道之最小閘極偏壓。針對具有較厚閘極氧化物之高電壓裝置，Vt之一般值為2-4伏特，而針對具有較薄閘極氧化物之較低電壓、邏輯可相容裝置為1-2伏特。由於發現功率MOSFET日益增加使用於可攜式電子裝置與無線通訊，而電池電力短缺，故趨勢朝向Ron與Vt之數值較低而Vt之一般值約為1伏特。
某些實施例中，一種功率轉換器包括一高側電晶體、一低側電晶體、一高側驅動器、以及一低側驅動器。該低側電晶體連接至該高側電晶體並具有一臨界電壓約0.4伏特或更小值。該高側驅動器連接至該高側電晶體來導通與關閉該高側電晶體。該低側驅動器連接至該低側電晶體來導通與關閉該低側電晶體。該高側電晶體與該低側電晶體產生一相位電壓。
某些實施例中，一種方法包含導通一高側電晶體來將一相位節點連接至一高電壓，而具有一臨界電壓0.4伏特或更小值之一低側電晶體為關閉；關閉該高側電晶體；導通該低側電晶體來將該相位節點連接至一低電壓，而該高側電晶體為關閉；關閉該低側電晶體；以及重覆該方法來於該相位節點產生一相位電壓。
某些實施例中，該低側驅動器產生來關閉該低側電晶體之一驅動電壓小於0伏特。某些實施例中，該等高側與低側電晶體以及該等高側與低側驅動器一起整合於一相同積體電路晶粒上。某些實施例中，該驅動電壓之一來源亦整合於該相同積體電路晶粒上。某些實施例中，於具有5奈秒或更短時間之一上升時間的相位電壓之瞬時期間，該驅動電壓可關閉該低側電晶體。某些實施例中，該驅動電壓小於-4.75伏特。某些實施例中，該低側驅動器與該低側電晶體間之一阻抗為0.5歐姆或更小值。
根據本發明之一實施例，一示範電子裝置100顯示於圖1，其具有將具有一輸出電壓Vout之規律電力提供至一負載102(亦即，代表用以執行該示範電子裝置100之功能的電路)的一功率轉換器101。某些實施例中，該功率轉換器101整合於一單一積體電路(IC)晶粒或晶片上。其他實施例中，該功率轉換器101之某些構件設置於一多晶片封裝體之分開的IC晶粒或分開的IC封裝體上。該繪示實施例中，該功率轉換器101包括一功率交換器103、一轉換器104、以及一控制單元105。該功率交換器103更包括由高與低側閘極驅動器操作之高與低側電晶體(參見以下圖2)。該等功率晶體、該等驅動器、以及該轉換器104之整合，特別是針對整合於一單一IC晶粒之實施例，可使該低側電晶體之臨界電壓(Vt)相當低，而仍可於一快速輸出瞬時，例如，具有一5奈秒上升時間或更短時間的期間來使該低側電晶體保持關閉。
各種不同實施例中，該轉換器104整合於包含該功率交換器103之構件的相同IC晶粒上(例如，一晶載DC-DC轉換器)或設置於一分開晶粒上。該轉換器104可從一外部電源106，諸如一電池或AC-DC轉換器來接收電力。該轉換器104可針對高電壓條軌107來產生一高電壓以及針對低電壓條軌108來產生一低電壓。如下所述，該等高與低電壓條軌107與108連接至該功率交換器103來對該等閘極驅動器供電。
各種不同實施例中，該控制單元105整合於包含該功率交換器103之構件的IC晶粒上或設置於一分開晶粒上。如下所述，該控制單元105可於連接至該功率交換器103之線路109上產生控制信號來控制該等閘極驅動器。該控制單元105亦可接收指出該輸出電壓Vout之準位的一回饋信號，使得該控制單元105可調整該線路109上之控制信號的工作循環以確認該輸出電壓Vout約維持在一所需準位上。
某些實施例中，如圖2所示之示範功率交換器103為一連續電流降壓轉換器，其具有如圖所示連接一起之高與低側功率電晶體(例如，MOSFET)120與121、高與低側閘極驅動器122與123、一輸出電感器124、一輸出濾波電容器125、以及一準位位移器126，而其他構件為了簡化並未顯示。該等功率電晶體120與121顯示為一nFET(n通道MOSFET)。然而，某些實施例中，該高側功率電晶體120為一pFET(p通道MOSFET)。某些實施例中，如下文參照圖3-12所述，該等電晶體120與121以及該等驅動器122與123整合於該相同IC晶粒上。其他實施例中，該等電晶體120與121整合於一IC晶粒上，而該等驅動器122與123整合於另一IC晶粒上。
該繪示實施例中，該等功率電晶體120與121於該高側功率電晶體120之一源極以及該低側功率電晶體121之一汲極間的一相位節點127處連接。該高側功率電晶體120之一汲極連接至，例如，來自該外部電源106(圖1)之一輸入電壓Vin。該低側功率電晶體121之一源極連接至一接地或參考電壓。該高側功率電晶體120導通(而該低側功率電晶體121關閉)時，該相位節點127之一相位電壓Vp向上拉至該輸入電壓Vin。該低側功率電晶體121導通(而該高側功率電晶體120關閉)時，該相位電壓Vp向下拉曳至接地。該相位電壓Vp之重覆循環對該輸出電感器124充電與放電以產生該輸出電壓Vout。該輸出濾波電容器125可將該輸出電壓Vout之振盪消除。
某些實施例中，該低側功率電晶體121為具有約0.4伏特或更小電壓之一相當低臨界電壓Vt的一nFET。其他實施例中，該低側功率電晶體121之臨界電壓Vt為零(例如，針對一本質模式功率FET)或負值(例如，針對一空乏模式功率FET)。
該繪示實施例中，線路128上之一控制信號提供至該低側閘極驅動器123之一控制輸入，而一高電壓Vhigh與一低電壓Vlow分別提供至該低側閘極驅動器123之高與低功率輸入。例如，線路128上之控制信號為線路109(圖1)上之控制信號的其中之一。透過該等高與低電壓條軌107與108(圖1)提供之高與低電壓可分別作為該高電壓Vhigh與該低電壓Vlow之電壓源。因此，線路128之控制信號的控制下，該低側閘極驅動器123可替代地製造或產生該高電壓Vhigh與該低電壓Vlow，亦即，連接至該低側功率電晶體121之閘極的線路129之一輸出的一低側閘極驅動電壓。
該繪示實施例中，將該高電壓Vhigh施用至該低側功率電晶體121之閘極可導通該低側功率電晶體121來將一相位節點127(於該低側功率電晶體121之一汲極)連接至接地(連接至該低側功率電晶體121之一源極)。將該低電壓Vlow施用至該低側功率電晶體121之閘極可將其關閉以便將該相位節點127與接地隔離。
該繪示實施例中，線路130上之一控制信號提供至該準位位移器126，其將線路130上之控制信號轉換為一適當電壓準位來施用至該高側閘極驅動器122之一控制輸入。例如，線路130上之控制信號為線路109(圖1)上之控制信號的其中之一。該高側閘極驅動器122之一低功率輸入連接至該相位節點127，其進一步透過一自舉電容器131來連接至該高側閘極驅動器122之一高功率輸入。因此，該高側閘極驅動器122之低功率輸入於該相位節點127連結至該相位電壓Vp；而該高側閘極驅動器122之高功率輸入為浮動。該高側閘極驅動器122之一輸出可透過一線路132來連接至該高側功率電晶體120之閘極。例如，於一典型組態中，該相位電壓Vp為低準位時，該自舉電容器131可向上充電，其可向上充電至5伏特。該相位電壓Vp上升時，該自舉電容器131可跟上。此方式中，於線路130上之準位位移控制信號的控制下，該高側閘極驅動器122於線路132之輸出製造或產生一高側閘極驅動信號或電壓以控制該高側功率電晶體120之閘極。
該高側功率電晶體120為一pFET(未顯示)之其他實施例中，一浮動接地組態可用來對該高側閘極驅動器122供電。此情況中，該高側閘極驅動器122之高功率輸入連接至該輸入電壓Vin，而該高側閘極驅動器122之低功率輸入連結至約為該輸入電壓Vin減去一適當電壓量之一電壓源，例如，約5伏特。再者，於線路130上之準位位移控制信號的控制下，該高側閘極驅動器122於線路132之輸出製造一閘極驅動信號以控制該高側功率電晶體120之閘極。
針對該高側功率電晶體120之任一示範實施例中，導通該高側功率電晶體120可將該相位節點127(於該高側功率電晶體120之一源極)連接至該輸入電壓Vin(連接至該高側功率電晶體120之一汲極)。關閉該高側功率電晶體120可將該相位節點127與該輸入電壓Vin隔離。
線路128上之控制信號設定來導通該低側功率電晶體121，該高電壓條軌107上之高電壓Vhigh透過該低側閘極驅動器123來提供至該低側功率電晶體121之閘極。然而，由於該低側功率電晶體121之相當低臨界電壓Vt，故該高電壓Vhigh所需來導通該低側功率電晶體121之電壓準位顯著小於習知設計所需之準位，因而降低功率耗損或功率損失。例如，某些實施例中，一1.8伏特閘極驅動電壓可用於一臨界電壓0.4伏特。換言之，使用與一習知設計中相同之電壓準位(典型約5伏特)，但具有該低臨界電壓Vt，可使該低側功率電晶體121更強烈導通，因而傳導更多電流以及使該功率交換器103更有效率。此方式中，例如，可取得約30%額外電流而不需增加該功率交換器103之實體維度。
此外，該臨界電壓Vt之降低可使該低側功率電晶體121之一較低“導通”電阻(Ron)賦能。典型情況是，一較低Ron需要一較大的電晶體裝置尺寸。然而，該較低臨界電壓Vt可允許該較低Ron而不需增加該低側功率電晶體121之尺寸或布局、或者與該低側功率電晶體121之一較小尺寸或布局具有相同Ron。因此，該較低臨界電壓Vt可形成較低Ron(而因此有較低功率耗損/損失)及/或較小的裝置尺寸之優點。某些實施例中，由於該較低臨界電壓Vt造成之尺寸降低可為約20%的等級。
再者，該較小的裝置尺寸可形成與該低側功率電晶體121相關聯之一較小的閘極電容。該較小的閘極電容可形成較低的切換損失，因為該切換損失由計算fC2 來決定，其中f為該切換頻率，C為該閘極電容，而V為該閘極驅動電壓。另一方面，因為需要一較低電壓來驅動該低側功率電晶體121，故可使該閘極氧化物更薄。該較薄的閘極氧化物可導致較大的閘極電容。不過，該降低的閘極驅動電壓仍可形成改善的切換損失。
另外，(由於該較小的臨界電壓Vt)降低該Ron及/或閘極電容的能力可形成一較低的Ron*Qg測量，亦即，該導通電阻Ron乘上該電荷Qg之乘積需要對該閘極充電以導通該低側功率電晶體121。此乘積值可視為該技術針對該功率交換器103是如何好的一良好或概略測量，而一較低值視為更佳。某些實施例中，該Ron*Qg測量可降低約10%。
此外，該低側功率電晶體121之尺寸是個很大的設計議題，因為典型其會占用該功率交換器103之整個尺寸的一較大比例。該低側功率電晶體121之大尺寸一般係由於事實上因為大多數應用以一相當低Vout與相當高Vin來操作，故該工作循環(亦即，該高側為導通之循環時間週期的一部分)通常很小。於是，大多數應用典型需要該低側功率電晶體121針對該循環時間週期之一更長部分而非針對該高側功率電晶體120來導通。因此，與該低側功率電晶體121相關聯之功率損失會呈現一主要的設計議題，其可藉由使該低側功率電晶體121之電阻儘量低，例如，以約1毫歐姆的等級來減緩。然而，一低電阻一般需要一較大尺寸，例如，以約5-15平方毫米的等級。於是，該低側功率電晶體121之任何尺寸的降低代表該功率交換器103之整個尺寸顯著降低，而因此降低成本。
由於該低側功率電晶體121之相當低臨界電壓Vt以及該低側閘極驅動器123與該低側功率電晶體121間之一固有阻抗(以一閘極電感Lg 134來代表)，故一寄生汲極閘極電容Cdg 133會呈現一潛在的射透問題。若此情況發生，則該高側功率電晶體120導通(而該低側功率電晶體121應關閉)時，該相位節點127之相位電壓Vp會朝向該輸入電壓Vin快速上拉。然而，該相位電壓Vp之快速上升將透過該寄生汲極閘極電容Cdg 133耦合至該低側功率電晶體121之閘極，此將導通該低側功率電晶體121。因此，該輸入電壓Vin與該接地之間會造成一功率汲取短路。
為了防止該射透問題發生，該閘極電感Lg 134(與一相關閘極電阻)製作得愈小愈好。於是，即使高輸出瞬時期間、不管該低臨界電壓Vt，該低側閘極驅動器123之一非常低阻抗、或該低側閘極驅動器123與該低側功率電晶體121間之一低阻抗，仍可使該低側驅動電壓(低電壓Vlow)來保持該低側功率電晶體121關閉。某些實施例中，該阻抗為約0.5歐姆或更小電阻。
某些實施例中，如下文參照圖3-12所述，該閘極電感Lg 134可藉由將該低側閘極驅動器123與該低側功率電晶體121(以及該高側閘極驅動器122與該高側功率電晶體120)整合一起在該相同IC晶粒上來降低。此方式中，該低側閘極驅動器123與該低側功率電晶體121彼此相當靠近來形成，因而降低該閘極電感Lg 134。此外，某些實施例中，因為該低側功率電晶體121(以及該高側功率電晶體120)典型形成為分布在該IC晶粒中之多個分開的FET部段，故亦如下所述，該低側閘極驅動器123(以及該高側閘極驅動器122)亦形成為分布在該IC晶粒中之多個對應的分開閘極驅動器部段。此設計中，該等閘極驅動器部段放置在儘量接近該等FET部段，因而可進一步降低該閘極電感Lg 134(與相關閘極電阻)。
由於該低閘極電感Lg 134，該相位電壓Vp快速增加時，該低側功率電晶體121之閘極的效應會不顯著或幾乎不受注意。而是，從該低側閘極驅動器123至該閘極之低電壓Vlow能夠適當地關閉該低側功率電晶體121。
某些實施例中，關閉該低側功率電晶體121之能力可藉由使該低電壓Vlow大幅低於該臨界電壓Vt，甚至為負值來進一步協助。此情況中，該轉換器104於該低電壓條軌108上製造一低或負電壓，亦即，某些實施例中，其形成一負電力條軌。某些實施例中，例如，依照該潛在射穿問題之嚴重性，從約0或-1伏特至約-5伏特(亦即，小於-4.75伏特)之一電壓準位可用於該低電壓Vlow。
此設計可與一低側功率電晶體具有一相當低臨界電壓Vt，亦即，小於約1伏特之習知功率交換器的設計對照。該等情況中之臨界電壓Vt的準位會因關閉該低側功率電晶體之困境而受限制，即使某些習知設計可包括一下拉FET來確保該低側功率電晶體關閉時，其閘極可下拉至接地。換言之，該臨界電壓必須夠高使得該閘極之零伏特可關閉該低側功率電晶體。因此只有本發明之實施例中，該低側功率電晶體121之臨界電壓Vt可製造與本文所述的一樣低、且仍能夠確實地將其關閉與保持關閉。
一更負向準位可用於該功率交換器103、該轉換器104、以及該控制單元105不完全整合一起在該相同IC晶粒上之實施例中，因為該類實施例典型具有必須由該低電壓Vlow來克服之一較大閘極電感Lg 134。另一方面，一更高度整合的設計可使用一較少負向電壓準位，因為該類設計典型具有一較低閘極電感Lg 134。因此，某些實施例中，該低電壓Vlow之準位可部分依照該設計係如何高度整合。然而，一般而言，在該更高度整合的實施例中，提供或維持該負向閘極驅動電壓會更容易。於是，某些實施例中，該轉換器104為整合在包含該功率交換器103之構件的相同IC晶粒上之一晶載DC-DC轉換器。
一負向閘極驅動電壓實施例之一潛在問題為電力開啟或啟動時該負向條軌尚未作用中。因此，該低側功率電晶體121於此早期階段傳導，因而有一初始射透問題的風險。此情況可以禁止該功率交換器103切換為導通的一啟動電路來加以避免，直到該負向條軌建立為止。
該負向電力條軌的特徵針對具有一本質(零Vt)或空乏模式(負Vt)之功率FET的實施例特別有用。為關閉該類裝置，該低電壓條軌108上之一負電壓可用來供應該低電壓Vlow。
某些實施例中，該高側功率電晶體120具有一低臨界電壓Vt，但該低側功率電晶體121具有一習知臨界電壓Vt。此外，若一負驅動電壓用來關閉該高側功率電晶體120，則其需要提供一方法來防止電力開啟時，一電力汲出經過該等功率電晶體120與121，諸如禁止該高Vt低側功率電晶體121切換為導通的一啟動電路，直到該高側負電力條軌變為作用中為止。
本揭示內容之某些實施例中，其建立該等閘極驅動器122與123以及該等功率電晶體120與121之一分散布局。某些實施例中，該等閘極驅動器122與123之部段散布在該半導體晶粒上的功率電晶體120與121之部段間。一供應解耦合電容亦分散在該等閘極驅動器部段之間以降低該等閘極驅動器部段上的Vdd與Vss電感(其亦有效與Ls串聯)。該解耦合電容器可放置在該作用中電路之頂部以節省空間，諸如放置在一互連層或一再分布層(RDL)或使用一層次轉移技術。或者，該解耦合電容器可與該作用中電路相鄰。某些實施例中，每一解耦合電容器部段對應該等多個閘極驅動器部段的其中之一，每一解耦合電容器部段與該等閘極驅動器部段之該對應部段相鄰。其他實施例中，該等閘極驅動器部段與該等功率電晶體部段以叉合指針的方式來安排，而該等解耦合電容器部段分布在該等閘極驅動器部段指針間。某些實施例中，該解耦合電容器的至少部分位在該半導體裝置之一閘極氧化層中。其他實施例中，該等閘極驅動器122與123於該半導體晶粒之一水平區域中製造，而該等解耦合電容器位在該水平區域中之該等閘極驅動器122與123上方，亦即，與該等閘極驅動器122與123之水平區域垂直準直。某些實施例中，該等解耦合電容器部段位於該等閘極驅動器部段之100微米內。
圖3與4顯示根據某些實施例，在沒有(圖3)與具有(圖4)解耦合電容器部段151的情況下，閘極驅動器部段150可如何實際分布在一晶粒152或153上之示範布局。圖3中，該等閘極驅動器部段150散布在功率FET部段154間。此實施例中，該等部段150與154為彼此叉合之線性安排。該閘極驅動器(亦即，部段150)因此平均地分布在該功率FET(亦即，部段154)。該等分布的閘極驅動器與FET元件可分布在各種不同的組態中，諸如彼此鄰近的線性安排中，來作為包圍閘極驅動器部段之FET部段、或環繞FET部段之閘極驅動器部段。
圖4類似圖3，但附加上每一電容器部段151與每一功率FET部段154相鄰。該等半導體晶粒152或153之電容因此分布在該閘極驅動器(亦即，部段150)間，諸如針對每一閘極驅動器部段150與功率FET部段154之一電容器部段151。某些實施例中，該閘極驅動器(亦即，部段150)可於該半導體晶粒152或153之一定義的水平區域中製造，而該解耦合電容器部段151位於該閘極驅動器部段150的上方或下方。例如，某些實施例中，該解耦合電容器部段151可與該水平區域垂直準直，諸如使用該半導體晶粒152或153之金屬間或RDL層來製造，而因此位於該閘極驅動器(亦即，部段150)上方。其他實施例中，該解耦合電容器部段151可與該閘極驅動器部段150相鄰，諸如藉由使用該閘極氧化層來建造該解耦合電容器部段151的一部分。
針對一功率FET 160(例如，圖2之120或121)(為了圖形簡化)具有四個部段之一示範實施例的一示意代表圖顯示於圖5。此外，一閘極驅動器161(例如，圖2之122或123)具有四個閘極驅動器(GD1、GD2、GD3、GD4)部段，每一部段與一功率FET(PF1、PF2、PF3、PF4)部段相關聯。例如，該等閘極驅動器部段(GD1、GD2、GD3、GD4)可為，諸如藉由在該等功率FET部段/指針(PF1、PF2、PF3、PF4)間叉合來散布之指針。一解耦合電容器162分布為四個部段(C1、C2、C3、C4)，每一部段放置鄰近該等閘極驅動器部段(GD1、GD2、GD3、GD4)的其中之一。使該解耦合電容(其於本揭示內容中亦參照為“解耦合cap”)非常靠近該閘極驅動器161可藉由改善速度與降低能量損失來改善該轉換器(例如，功率轉換器101)之效能。應注意該閘極驅動器161、該功率FET 160或該解耦合電容162之特別實施態樣並不由圖5之示意圖來暗喻。執行該等元件之所有不同方法可涵蓋於本揭示內容中。例如，該功率FET 160可為一DMOS電晶體、JFET、等等。該閘極驅動器161可為一連串反相器或緩衝器、一固定電流源、等等。該解耦合電容162可使用閘極氧化物、金屬間電容、RDL層、等等來植入。
選擇性延遲元件(Del1、Del2、Del3、Del4)亦顯示於圖5，其可用來控制該陣列切換導通/關閉之不同部分間的延遲。該延遲可有效用來，例如，控制該切換導通/關閉瞬時之持續期間以便限制電磁(EM)發射、等等。該等延遲元件(Del1、Del2、Del3、Del4)可以任何適當方式來執行，諸如傳輸線、RC常數、反相器連串等等。
根據某些實施例，分布該解耦合電容之目的可由觀察圖6圖形來了解，其提供圖5之一對閘極驅動器170(例如，GD1、GD2、GD3、GD4)與功率FET 171(例如，PF1、PF2、PF3、PF4)部段之一更詳細視圖。圖6中，Lvdd與Lvss代表來自該電路之線導體的固有電感－亦即，與該電源供應以及接地連接串聯之電感－其中Vdd為該汲極電壓而Vss為該源極電壓。即使該Ls可藉由分布該閘極驅動器161(亦即，閘極驅動器170接近該功率FET 171，因此形成較小電感)來最小化，Lvdd與Lvss仍將動作來限制該功率FET 171可如何快速切換導通與關閉。為何會發生有兩個主要原因。首先，該解耦合電容器Cdecouple作為該能量貯存器以便於一突然瞬時期間對該閘極驅動器170本身充電，若Lvdd與Lvss太大時，該等本地電壓vdd_loc、vss_loc會崩陷。其次，針對該功率FET 171之閘極充電，會需要大量能源(來對該閘極上之電容充電至若干奈法拉)，而存在Lvdd與Lvss會限制對該功率FET 171之閘極充電所產生的瞬間電流峰值。為了克服上述兩問題，該解耦合電容器Cdecouple可分布在沿著該閘極驅動器170之位元或在其頂部的整個陣列。將該解耦合電容器Cdecouple分布進入該半導體晶粒153可藉由於，例如，該閘極氧化物中、從金屬-金屬間層、再分布層形成該解耦合電容器Cdecouple、或將其黏合在該半導體晶粒153上來達成。某些實施例中，該解耦合電容器Cdecouple的一部分可於該閘極氧化物中製造，其可提供一高密度電容器。其他實施例中，該解耦合電容器Cdecouple可於位於該半導體電路上方並節省晶片區域之金屬間或RDL層中製造。
不具有一分布電容器之一功率FET以及具有一分布電容器(例如，Cdecouple)之一功率FET(例如，171)的瞬時響應之模擬分別顯示於圖7與8。圖7中，其顯示Lvdd與Lvss的每一個設定為1奈亨利之一模擬情況。針對該追蹤之長度顯著大於寬度的實際情況，晶載金屬追蹤可近似為1奈亨利/毫米。因此，圖7之情況代表一習知解耦合電容器與該閘極驅動器/功率FET陣列相距1毫米的一範例，實際上其為一樂觀的情況。如圖7所見，vdd_loc(頂部線路181)、vss_loc(中間線路182)以及vgate(底部線路183)上有顯著的振鈴現象持續超過一微秒。亦即，該閘極驅動器上之本地供應電壓(vdd_loc/ vss_loc)會瞬時崩陷，其依次造成該功率FET閘極上之振盪、以及其可如何快速切換導通與關閉之一普遍的降低速度。該類振鈴現象不僅於一真實應用中使該功率轉換效率嚴重降級，而且會產生影響附近系統之顯著EM干擾。
相形之下，圖8之模擬顯示該解耦合電容器Cdecouple已受分布，而其中Lvdd與Lvss為10微微亨利的一示範實施例。例如，該分布的解耦合電容器Cdecouple可與該閘極驅動器170相距10微米，其對應10微微亨利。如圖8所見，該電壓響應(vdd_loc線路191、vss_loc線路192、與vgate線路193)之變遷可藉由與圖7之範例(分別對應線路181、182、與183)作比較而相當整齊，其中僅有少量電磁波干擾持續小於1-2毫微秒。各種不同實施例中，該解耦合電容器Cdecouple可分布來達成小於或等於，例如，100微微亨利之電感Lvdd與Lvss。亦即，該解耦合電容器Cdecouple可與該閘極驅動器170相距100微米以內。因此，圖8清楚顯示分布具有一功率交換器之一閘極驅動器的電容可大幅降低一功率FET之電壓響應中的振盪，因此可增加一功率FET可切換導通與關閉的速率以及改善功率轉換效率。
分散該閘極驅動器之另一實施例顯示於圖9。該替代實施態樣中，已完成提供僅分布該閘極驅動器之一部分(部段201)，例如，僅為該最後階段或者僅為該最後階段之一部分。其他實施例中，類似的分布布局可應用在該整個陣列分布該解耦合電容器。圖9之實施例中，應假設即使未明確顯示來使該圖形更具可讀性，但該解耦合電容連同該閘極驅動器(部段201)仍一起分布。
該驅動器/控制電路與功率裝置於相同晶粒上執行之習知轉換器中，該功率裝置關閉時，一大量電荷會散逸進入該基體並於鄰接電路中潛在地產生雜訊。該閘極驅動器分布在整個功率FET之本揭示內容的某些實施例中，於一SOI(矽晶絕緣體)晶粒上執行該組合電路可緩和該雜訊議題，因為來自該功率裝置之電荷並不會散逸與影響該晶粒上之額外電路。
本文所述之某些或所有實施例可於SOI式程序上達成。然而，某些程序(例如，具有溝槽隔離之成批CMOS)上，某些實施態樣會耗損過多區域。此原因為該功率FET指針與該閘極驅動器指針之間需維持一固定間距以避免電壓擊穿與閂鎖的雙重問題。該等情況中，亦有可能僅將該閘極驅動器之一部分分布至該功率FET布局，諸如僅分布驅動一功率NFET之該閘極驅動器的最後階段之一半N型、或分布一PFET之該閘極驅動器的最後階段之一半P型。
亦可能有分布該閘極驅動器或其部分之其他幾何配置，且有益於許多情況。例如，分布集中於如圖10所示，一功率FET 203之周圍附近的一閘極驅動器202可提供超越位於該功率NFET旁之一習知閘極驅動器改善的效能。根據圖10之實施例中，該有效電感可由至少一因素四減少。
某些實施例中，如圖11之示範布局中所示，該閘極驅動器204可容納於該中心，而該閘極驅動器205集中安排於其附近。集中式幾何配置兩者(圖10與11中，內側之閘極驅動器202或204或者該功率FET 203或205之外側)可給定一類似的Ls降低。顯而易見地亦可有具有其他幾何安排之某些實施例，諸如圖12所示之較小集中式安排的一陣列206。
文中已詳細參照本揭示發明之實施例，其一或多個範例已於該等附圖中繪示。每一範例已藉由本技術之說明來提供，而非視為本技術之一限制。事實上，很明顯地對業界熟於此技者而言，本技術在不違背其精神與範疇的情況下可作不同修改與變化型態。例如，如一實施例之一部分繪示或說明之特徵可與其他實施例使用來產出一另一實施例。於是，本標的意欲涵蓋該等後附請求項與其等效物之範疇的所有該類修改與變化型態。
雖然本發明之實施例主要已相關其特定實施例來說明，但亦可有其他變化型態。該說明架構或程序之各種不同組態可用來替代本文呈現之組態、或除了本文呈現之組態外使用該等組態。
業界熟於此技者可體認上述說明除了明確地陳述外，其僅藉由範例來說明、而不意欲限制本發明。該歇示內容中不應指出將本發明限制在一單一電路中執行之系統中。該歇示內容中不應指出將本發明限制在需要一特定類型的積體電路之系統中。該歇示內容中不應將本發明限制在特定半導體裝置。一般而言，呈現之任何圖形僅意欲指出一可能的組態，而亦可有許多變化型態。業界熟於此技者亦可體認與本發明一致之方法與系統適合用於包含電子電路之廣大範圍的應用中。
該規格說明已相關本發明之特定實施例來詳細說明的情況下，業界熟於此技者可體認，根據取得對上文之一了解，其可輕易構想到該等實施例之改變、變化型態、以及等效配置。在不違背於後附請求項中更特別提出之本發明精神與範疇的情況下，本發明之該等以及其他修改與變化型態可由業界熟於此技者來加以實作。
100‧‧‧電子裝置
101‧‧‧功率轉換器
102‧‧‧負載
103‧‧‧功率交換器
104‧‧‧轉換器
105‧‧‧控制單元
106‧‧‧外部電源
107‧‧‧高電壓條軌
108‧‧‧低電壓條軌
109、128、129、130、132、181、182、183、191、192、193‧‧‧線路
120‧‧‧高側功率電晶體
121‧‧‧低側功率電晶體
122‧‧‧高側閘極驅動器
123‧‧‧低側閘極驅動器
124‧‧‧輸出電感器
125‧‧‧輸出濾波電容器
126‧‧‧準位位移器
127‧‧‧相位節點
131‧‧‧自舉電容器
133、Cdg‧‧‧汲極閘極電容
134、Lg‧‧‧閘極電感
150‧‧‧閘極驅動器部段
151‧‧‧解耦合電容器部段
152、153‧‧‧晶粒
154‧‧‧功率FET部段
160、171、203、205、PF1、PF2、PF3、PF4‧‧‧功率FET
161、170、202、204、GD1、GD2、GD3、GD4‧‧‧閘極驅動器
162、Cdecouple‧‧‧解耦合電容
201、C1、C2、C3、C4‧‧‧部段
206‧‧‧陣列
Vout‧‧‧輸出電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vp‧‧‧相位電壓
Vt‧‧‧臨界電壓
Vlow‧‧‧低電壓
Vhigh‧‧‧高電壓
Ron‧‧‧導通電阻
f‧‧‧切換頻率
c‧‧‧閘極電容
V‧‧‧閘極驅動電壓
Qg‧‧‧電荷
Del1、Del2、Del3、Del4‧‧‧延遲元件
Vdd‧‧‧汲極電壓
Vss‧‧‧源極電壓
Ls、Lvdd、Lvss‧‧‧電感
vdd_loc、vss_loc‧‧‧本地電壓
vgate‧‧‧閘極電壓
圖1為一合併本發明之一實施例的一示範電子裝置之簡化電子示意圖。
圖2為一合併本發明之一實施例，用於圖1所示之示範電子裝置的一示範功率交換器之簡化電子示意圖。
圖3顯示一根據本發明之一實施例的一示範功率交換器之簡化布局圖。
圖4顯示一根據本發明之一實施例的一交替功率交換器之簡化布局圖。
圖5為一根據本發明之一實施例的一示範功率交換器之簡化電子示意圖。
圖6顯示一根據本發明之一實施例，用於圖4之功率交換器的一閘極驅動器/FET部段之簡化電子示意圖。
圖7顯示一習知技術功率FET之示範瞬時響應圖。
圖8顯示根據本發明之一實施例的一功率FET之示範瞬時響應圖。
圖9顯示根據本發明之一實施例的另一交替功率交換器之簡化布局圖。
圖10顯示根據本發明之一實施例的另一交替功率交換器之簡化布局圖。
圖11顯示根據本發明之一實施例的另一交替功率交換器之簡化布局圖。
圖12顯示根據本發明之一實施例的另一交替功率交換器之簡化布局圖。
100‧‧‧電子裝置
101‧‧‧功率轉換器
102‧‧‧負載
103‧‧‧功率交換器
104‧‧‧轉換器
105‧‧‧控制單元
106‧‧‧外部電源
107‧‧‧高電壓條軌
108‧‧‧低電壓條軌
109‧‧‧線路

Claims (20)

  1. 一種功率轉換器，包含有： 一高側電晶體； 一連接至該高側電晶體並具有一臨界電壓0.4伏特或更小值之低側電晶體； 一連接至該高側電晶體並導通與關閉該高側電晶體之高側驅動器；以及 一連接至該低側電晶體並導通與關閉該低側電晶體之低側驅動器； 其中該高側電晶體與該低側電晶體產生一相位電壓。
  2. 如請求項第1項之功率轉換器，其中： 該低側電晶體耦合至接地；以及 該低側驅動器產生來關閉該低側電晶體之一電壓小於0伏特。
  3. 如請求項第2項之功率轉換器，其中： 該高側電晶體、該低側電晶體、該高側驅動器、以及該低側驅動器一起整合於一相同積體電路晶粒上。
  4. 如請求項第3項之功率轉換器，其中： 該低側驅動器產生來關閉該低側電晶體之一電壓源亦整合於該相同積體電路晶粒上。
  5. 如請求項第3項之功率轉換器，其中： 該高側電晶體與該低側電晶體之每一個包含分布在該積體電路晶粒中之多個電晶體部段；以及 該高側驅動器與該低側驅動器之每一個包含分布在該積體電路晶粒中並散布在該等多個電晶體部段間之多個驅動器部段。
  6. 如請求項第5項之功率轉換器，其中： 每一驅動器部段與該等多個電晶體部段的其中之一相鄰。
  7. 如請求項第2項之功率轉換器，其中： 該高側電晶體與該低側電晶體一起整合於一第一積體電路晶粒上；以及 該高側驅動器與該低側驅動器一起整合於一第二積體電路晶粒上。
  8. 如請求項第2項之功率轉換器，其中： 該低側驅動器產生來關閉該低側電晶體之電壓，於具有5奈秒或更短時間之一上升時間的相位電壓之瞬時期間可關閉該低側電晶體。
  9. 如請求項第2項之功率轉換器，其中： 該低側驅動器產生來關閉該低側電晶體之電壓小於-1.0伏特。
  10. 如請求項第2項之功率轉換器，其中： 該低側驅動器與該低側電晶體間之一阻抗為0.5歐姆或更小值。
  11. 一種方法，其包含： 導通一高側電晶體來將一相位節點連接至一高電壓，而具有一臨界電壓0.4伏特或更小值之一低側電晶體為關閉； 關閉該高側電晶體； 導通該低側電晶體來將該相位節點連接至一低電壓，而該高側電晶體為關閉； 關閉該低側電晶體；以及 重覆該方法來於該相位節點產生一相位電壓。
  12. 如請求項第11項之方法，其中： 該低側電晶體耦合至接地；以及 該低側電晶體之關閉可以小於0伏特之一驅動電壓來關閉該低側電晶體。
  13. 如請求項第12項之方法，更包含： 由一高側驅動器來導通與關閉該高側電晶體；以及 由一低側驅動器來導通與關閉該低側電晶體； 其中該高側電晶體、該低側電晶體、該高側驅動器、以及該低側驅動器一起整合於一相同積體電路晶粒上。
  14. 如請求項第13項之方法，其中： 該驅動電壓之一來源亦整合於該相同積體電路晶粒上。
  15. 如請求項第13項之方法，其中： 該高側電晶體與該低側電晶體之每一個包含分布在該積體電路晶粒中之多個電晶體部段；以及 該高側驅動器與該低側驅動器之每一個包含分布在該積體電路晶粒中並散布在該等多個電晶體部段間之多個驅動器部段。
  16. 如請求項第15項之方法，其中： 每一驅動器部段與該等多個電晶體部段的其中之一相鄰。
  17. 如請求項第11項之方法，更包含： 由一高側驅動器來導通與關閉該高側電晶體；以及 由一低側驅動器來導通與關閉該低側電晶體； 其中： 該高側電晶體與該低側電晶體一起整合於一第一積體電路晶粒上；以及 該高側驅動器與該低側驅動器一起整合於一第二積體電路晶粒上。
  18. 如請求項第12項之方法，更包含： 該驅動電壓於具有5奈秒或更短時間之一上升時間的相位電壓之瞬時期間可關閉該低側電晶體。
  19. 如請求項第12項之方法，其中： 該驅動電壓小於-1.0伏特。
  20. 如請求項第12項之方法，更包含： 由產生該驅動電壓之一低側驅動器來導通與關閉該低側電晶體，其中該低側驅動器與該低側電晶體間之一阻抗為0.5歐姆或更小值。
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