TWI229970B - 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

1229970 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 60/437180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 of 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，並且特別相關於一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（IO之電源電路通常由一或多個直流電 流（電池）電源供應、，例如以脈波寬度調變器（PWM)為基礎之 直流-直流轉換器。如第1圖所顯示者， °茨形式之轉換器保 持一脈波寬度調變信號產生器1，兑徂處 ” 應一同步脈波寬度 調變信號至一開關電路驅動器2。此錄^ 此種以脈波寬度調變為 基礎之轉換器架構理想上係用以傳送间〜▲ 迗固疋能量至一輸出節 點，而不論其輸入電壓為何。為了這蘇 ^ 。夏目的，該轉換電路

驅動器2控制一對電子電源開關元件Q 和4 (一般為外部 NFETS)之導通時間以及關閉時間，节對 1 / 丁電子電源開關元件 1229970 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 出電壓係從該節點供應至負載9。 第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 一往上攸升之轉換狀態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LGATE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pHASE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 轉換狀悲222 ’以關閉UFET3。然後，回應於下降至一預定 飽和偵測值233之PHASE節點電壓230内之相關的偏移範 圍232，該LGATE電壓係轉變到高態，如同該[GATE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241以在213處關閉該下方閘極驅動信號並且具 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 1229970 在兩個受控開關（UFET3和LFET4)保證關閉的期 間區間。該時間區間(習知技藝者所熟知的「空載時「時 係用以重新設定在電源供應器内部的磁性電路組件，。間」： ，脈波寬度調變產生器的運作週期係限定的，以確保2即 載間週期永遠存在。如此一來也預防了效率的吳化a 率惡化通常在上方以及下方FET兩者在一共同時；週期： 間間歇性的導通時發生。此種非欲求的間歇性 ：4 肇因於在其他FET開始導通之前沒有充分的空載時間喊： 成此種現象的因素係使用的FET種類以及電路板的造 性電路佈局。 要 【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^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 動信號，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 高態的轉換出現的一固定空白延遲之後，由於從高態至低 1229970 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- 低怨轉換作為一參考值，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’文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U伏特）。特別是，在一空白延遲之後，若是在 烈似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| UGATE上的—低態至高態的轉換，其會引 起相位節點電壓變成高態。 第二種情形係相關於_泠 關於反向電流狀態，並且對應於在 性變為IS:二轉變至低態之後在議節點電壓的極 沒有被偵XI引"兄。為此㈣，若是第一種情況的情形並 之後沒有達到。4伏二TE電壓從高態至低態轉換 到一規定的不.4伏特的飽和值，組合邏輯會尋找是否達 ^的正向飽和值（例如+〇 6伏特 的正向飽和信，分 ^ J規疋 〇、、且a远輯將會觸發UGATE _ _ 換至高態，其合彳。唬攸低怨轉 a以成相位郎點電壓變為高態。 1229970 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 搞測到-0 · 4伏特以及+ 〇 · 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 一空載時間控制器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1。75 伏特）’ 一規定的暫停時間（例如，丨〇奈秒）被觸發，因此 該LGATE信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0· 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 1229970 的轉換之情形而言，對於比較LGATE開啟轉換與UGATE關 閉轉換顯示在UFET傳導期間的終端與LFET傳導期間的初 始部分沒有重疊的地方，於是在兩個UFET關閉與lfet開 啟之間的兩個FET的同時導通不能夠回應於在該脈波寬度 调變恭信號高態至低態轉換而發生。 【實施方式】 在詳細敘述根據本發明之以脈波寬度調變器為基礎的 直μ對直流轉換器電路之前，必須注意的是本發明基本上 屬於一種習知電路與組件的預先配置。在一種實作性的實 :方式中’有利於其被包裝至-硬體有效性組態，此配置 了以被無困難的實施為一場可程式化閘極陣列（FPGA)，或 =特殊應用積體電路（職）晶片組合。因此，此種配置的 包路和組件之組態ϋ其與其他電子電路界接的方式大 :分已經說明於可㈣解的方塊时，其顯示僅有對於本 ^明相關之特殊的細節’不至於對於習知技藝者而言具有 ^ -的::即而混淆本發明之揭示。因&，本方塊圖之說明 ' 方便的、功能性的方式顯示本發明之主要组 件’藉此對於本發明可以獲得更佳的理解。 、、· 在’主思到第3圖’其中根據本發明以脈波寬度調變 -基礎之直流—直流轉換器之架構係圖解的被說明。在 4::示者’一過電壓保護(ovp)㈣電路】〇,其供應-2開啟重新設以_信號，該過電壓保護電路係連接至 方二及下方預先驅動器電肖30以及4〇，該上方以及下 預先驅動器電路係操作以供應閑極驅動信號至該上方 12 1229970 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 &之輸 入。該上方預先驅動器30具有第一與第二輸出控制線二 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Nm開關34具有其源極—汲 極路徑，其連接至一外部啟動供應節點β〇〇τ以及pMSE節 點5。PFET33以及NFET34之共同連接點35係作為一上方 問極驅動UGATE而連接至上方NFET 3。 以一補充的方式，該下方預先驅動器4〇具有一第一與 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。PEET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一汲極路徑。πΕΤ 以 T 44之共同連接點45係作為一下方閘極驅動[GATE 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 所供應，該組合邏輯係位於一空載時間控制器中，其由虛 線1 〇〇所圍繞而顯示。相似地，該下方預先驅動器之 &制輸入係由一下方位準位移器46所供應，而對其之控制 也同樣由空載時間控制器100内部之組合邏輯60所供應。 除了攸一上游脈波寬度調變器產生器接收該脈波寬度調變 叩L戒之外’組合邏輯6〇係連接以接收一組電壓飽和值偵 測杰之輸出。該些飽和值偵測器包含一 LGATE偵測器u 〇 13 1229970 ，其係連接以監視在該LGATE節點45之電壓；包含一 + u伏特PHASE 貞測器12〇，其係連接以監視在相位節點 一處之兒壓，包含一—0· 4伏特PHASE偵測器，其係 ，樣連接以監視在相位節點5之電壓；包含一 UGATE偵測 I40，其係連接以監視在UGATE節點35處之電壓；且包 ^ Up-D0WN移位器150，其係連接至該UGATE偵測器 WO之輸出。 ^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—4£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j丨〇偵測到 之此LFET化號之尚態至低態轉換4丨1作為參考值，該 些PHASE節點電壓（PHASE)係由相位節點偵測器12Q以及 130以作為一組預定狀況之一的發生（〇ccurrence)以便於 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420所顯示，其 對應PHASE節點5之電壓極性，其隨著在LGATE節點之後 在411從尚態轉換至低態，如同以上所參考者。為達到此 14 1229970 目的在411回應LGATE電壓轉換至低態，在刪e節點 =壓係被監視以決定是否其可以達到一預定之負向極 ^堅（例如，〜〇· 4伏特）。特別是，繼之出現—（7奈秒 工白延遲410-D，如果在PHASE節點5之該相位電廢掉落 至低於-0·4伏特飽和值（如同421所顯示者），組合邏輯 萄t在UGATE上之低態至高態轉換，其會引起相位節 點電壓在422達到高態。 由信號追蹤430所顯示之第二種情形⑴係相關 於—反向電流狀態’其並且對應^在p随節點之電壓極 杜，遠電壓極性在LGATE節點從高態轉為低態4ΐι之後變 為正向。 …為了此種目的，如果第一種情形沒有被觀察到，亦即 右疋-〇·4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，組合邏輯6〇會尋求是否一預定正向飽 值（例如+〇· 6 V)有達到。如果預定正向飽和值有達 成（女同飽和值431所顯示者），組合邏輯6〇將會觸發 /ATE仏號之低態至咼態的轉換，其會引起該相位節點電 壓轉換至高態，如在432所顯示。 第二種情形（Case 111 )，由信號追蹤440所顯示，其 系相關於/又有負載之狀況，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，該組合邏輯觸 15 1229970 發UGATE信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蹤422, 432以及441所表示之UGATE開啟轉換之比較來看，可以 LFET 4之傳導區間終端以及耐3之傳導區間初始 :7刀沒有重豐。因&，回應於脈波寬度調變器信號内之低 悲至尚態轉換，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 5〇〇中之高態至低態轉換5〇1之後，耐3之受控關閉以 及LFET 4之後續開啟。特別是，如同虛線5()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（Η〗）。之後 PHASE節點以及UGATE節點係由在空載時間控制器⑽内 部之相關飽和值電路14G Μ則所監視。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！。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，1〇奈秒） 被觸發，如虛、線521所顯示，於是該LGATE㈣52〇係在 522從低態轉換至高態，導通LFET4。 或者是，如果PHASE節點電壓53〇之位準達到一預定 的飽和值（例如，在0.8伏特之範圍），如同531所顯示者 ，LGATE電壓之低態至高態轉換係被初始化，如在522所 顯不者。如果疋在脈波寬度調變器信號中從低態轉換至高 16 1229970 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 之導通區間終端部分沒有重疊。因此，回應於脈波寬度調 變器信號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 了解的是’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 欲涵蓋對習知技藝者而言為明顯的所有此種變化和修改。 【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圖概要的圖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 第4A-4E圖與f 5A-5D圖係與第三圖之直流—直流轉換 器相關的時序圖。 (二） 元件符號說明

1脈波寬度調變信號產生琴 2開關電路驅動器 3上方FET 4下方FET 17 1229970 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 50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偵測器 18 1229970 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 240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 4 4 0信號追縱 422，432，441相位節點電壓追蹤 500脈波寬度調變器信號 501高態至低態轉換 530PHASE節點電壓 19 1229970

Vin電源供應線 givd接地 20

Claims (1)

1. 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* PHASE節點狀況飽和值偵 測器之配置，該LGATE狀況飽和值偵測器係操作以監視一 下方FET(LFET)之閘極，該UGATE狀況飽和 作以監視一上方顺聰）之閉極，該聰E節點狀= 和值偵測器係操作以監視相位或是共同節點，該相位或是 共同節點係位於該UFET與該·之間，該些侧器之輸 出係由根據一切換控制操作器所處理，以確保該ufet以 及該LFET之任何一者在其他FET開始導通之前係完全關 閉’而SUb維持-空載時Μ，其I現無貫穿電流並且與開 關FET之形式無關，並且其中，該切換控制操作器係操作 以觸發該UFET之啟動’其在該贈關閉之後造成相位節 點電壓轉為高態，並且回應該pHASE節點之電壓，該電壓 係在一預定空白延遲之後達到一預定負極性電壓。 2. 根據申請專利範圍第丨項之控制電路，其中，該 PHASE節點在LGATE電壓變為低態之後沒有達到預定的負 極性並且回應於PHASE節點在—空白延遲之後達到 -預定負向極性電壓，該轉換控制操作器係操作以觸發 UFET之開啟，其造成相位節點電壓升至高熊。 3. 根據申請專利範圍帛2項之控制電路，直中，回應 :-預定的暫停時間過去，以及在一空白延遲之後該相二 即點叹有達到預定之正向或是負向飽和值，該轉換控制操 作器係操作以觸發該觀τ之開啟，於是在該相位節點之電 21 12299德頁

   壓升至高態。 4·根據申請專利範圍第丨項之控制電路，其中， UFET關閉之後’回應於該UGATE電料至—電壓 3 «位準係在該相位電壓上之—敎值，該㈣控制^ 益係刼作以在開啟該LFET之前觸發一預定之暫停時間。 5.根據申請專利範圍第4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開啟該lfet。 6.—種用以控制一開關模式之直流_直流轉換器的方法 ，該轉換器包含一上方FET (UFET)，該FET之閘極係一上 方閘極（UGATE)，以及一下方FET(LFET)，並且其FET之閘 極係一下方閘極“以^)，該UFET與該lfet係連接在電源 供應電壓線之間，並且其中具有一共同或是相位節點，該 方法包含下列步驟： (a) 監控LGATE ’ UGATE以及PHASE節點電壓；以及 (b) 在關閉該LFET之後，並且回應於該pHASE節點之 電壓在一空白延遲之後達到一預定負向極性電壓，而觸發 該UFET之開啟，造成該相位節點電壓轉至高態。 7.根據申請專利範圍第6項之方法，其中步驟（…進 一步包含，該PHASE節點在LGATE電壓轉至低態之後沒有 達到該預定之負向極性電壓，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，而觸發該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（to進 22

   一步包含，回應於在一預定暫停時間過去後該相位節點在 一空白延遲之後沒有達到預定之正向或是負向飽和值，而 觸發該UFET之開啟，使得在該相位節點處之電壓轉至高態 拾壹、圖式： 如次頁 23