TWI448078B - 電壓準位移位器與昇壓驅動電路 - Google Patents

電壓準位移位器與昇壓驅動電路 Download PDF

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Description

電壓準位移位器與昇壓驅動電路
本發明係關於一種電壓準位移位器，尤指一種具有避免誤開啟功率開關功能的電壓準位移位器。
在液晶電視螢幕中，影像轉換器(scaler)為了省電與節省晶片面積的考量，一般使用一較低的操作電壓，譬如說是3.3V。但是，液晶電視螢幕的背光(back light)光源，其可能是發光二極體(light-emitting diode，LED)或是冷陰極螢光燈(cold-cathode fluorescent lamp，CCFL)，其操作電壓可能需要高達40V。因此，就需要有電源轉換器(power converter)，將一操作電源轉換到另一操作電源。
一種廣為使用的電源轉換器是開關式電源供應器(switched-mode power supply，SMPS)，因具有優秀之轉換效率(power conversion efficiency)。如其名所示，SMPS多具有一功率開關，用以控制流經一電感元件的儲能或是釋能，以達到轉換電能的目的。
只是，此功率開關多半需要承受相當高的電壓，因此，功率開關的控制閘之臨界電壓往往也相當的高。以操作電源3.3V供電的影像轉換器所產生的信號，其最高電壓可能只有3.3V，而不足以驅動一般功率開關的控制閘。因此，需要一電壓準位移位器(level shifter)或是一驅動電路(driver)，將影像轉換器所輸出的，屬於3.3V系統的驅動信號，移位到一電壓較高之電壓系統的閘驅動信號，藉以驅動一功率開關。
設計電壓準位移位器時，需要考慮到供電順序(power-on sequence)，也需要考慮到不能有誤開啟一功率開關的情形。如果一功率開關在供電順序過程中被誤開啟了，可能導致一電感元件飽和，而導致危險。
本發明實施例揭露一種電壓準位移位器，包含有一共基級放大器以及一電流放大器。該共基級放大器具有一第一雙接面電晶體。該第一雙接面電晶體具有一基極耦接於一第一預設電壓，一射極接收一輸入信號，以及一集極耦接至一第一電壓源。該電流放大器由該第一電壓源供電，具有一輸入端耦接於該第一雙接面電晶體的該集極，以及一輸出端用以輸出一閘驅動信號。該第一預設電壓由該第一電壓源供電產生；以及該輸入信號由一第二電壓源供電產生，相較於該第一電壓源，該第二電壓源係為一低電壓源。
本發明實施例揭露一種電壓準位移位器，包含有一輸入級以及一輸出級。該輸入級具有一輸入級開關供接收一輸入信號。該開關依據該輸入信號而選擇性地開啟。該輸出級串接於該輸入級，供輸出一閘驅動信號。當該輸入級開關開啟，該閘驅動信號處於一低邏輯位準；當該輸入級開關關閉，該閘驅動信號處於一高邏輯位準。該輸入信號與該閘驅動信號的邏輯準位一致。
本發明實施例揭露一種昇壓驅動電路，包含有一第一電壓源、一線性降壓器、一影像轉換器、一電壓準位移位器、以及一昇壓轉換器。該線性降壓器接收該第一電壓源以產生一第二電壓源。相較於該第一電壓源，該第二電壓源係為一低電壓源。該影像轉換器接收該第二電壓源，包含有一閘預驅動器。該閘預驅動器提供一輸入信號。該電壓準位移位器耦接於該閘預驅動器，包含有一輸入級以及一輸出級。該輸入級接收該輸入信號。該輸出級串接於該輸入級，供輸出一閘驅動信號。該輸入級與該輸出級分別接受複數之固定參考電壓。該複數固定參考電壓由該第一電壓源供電產生。該輸入信號係由該第二電壓源供電產生。當該第一電壓源之電壓升高至一預設工作電壓時，該輸入信號與該閘驅動信號的邏輯準位一致。該昇壓轉換器包含有一功率開關。該功率開關耦接於該電壓準位移位器，用以接收該閘驅動信號並輸出一驅動電壓。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖顯示依據本發明所實施，適用於一液晶螢幕之電路。輸入電壓源VIN，譬如說是12V，作為整個電路的主電源(major voltage source)。昇壓轉換器(booster)10，在輸出端OUT上，提供一較高的電壓源，作為背光的驅動電壓。譬如說其電壓為40V，用以驅動數個LED串列(LED chains)。線性降壓器(low drop-out，LDO)13，產生一3.3V的電壓源VCC，供電給影像轉換器20。在供電順序考量上，一般設計為電壓源VIN已經大約備妥後，譬如說電壓源VIN的電壓已經高到非常接近12V了，線性降壓器13才開始使電壓源VCC的電壓上升，從0V漸漸拉抬到3.3V後，才驅動影像轉換器20開始工作。
影像轉換器20可以以單晶片(monolithic chip)構成，其具有一脈波寬度調變(pulse-width modulation，PWM)控制器18，用以控制昇壓轉換器10中的功率開關15之工作週期(duty ratio)。脈波寬度調變控制器18中有一閘預驅動器(gate pre-driver)16，其產生的驅動信號SDRV ，由電壓源VCC供電所產生，屬於電壓源VCC所決定之3.3V系統。換言之，驅動信號SDRV 的邏輯準位，將介於0V到3.3V之間。舉例來說，驅動信號SDRV 的低邏輯準位可以約是0V，高邏輯準位可以約是3.3V。
電壓準位移位器14耦接於閘預驅動器(gate pre-driver)16與功率開關15之間，用以驅動功率開關15的控制閘GATE，同時接收屬於3.3V系統的驅動信號SDRV ，產生屬於12V系統的閘驅動信號SGATE 。舉例來說，閘驅動信號SGATE 的低邏輯準位可以約是0V，高邏輯準位可以約是11V。
第2圖為第1圖之電壓準位移位器14之詳細電路圖。電壓準位移位器14具有輸入級(input stage)62與輸出級(output stage)64，可以用分離式元件(discrete device)組裝所構成。從第2圖中可以得知，除了作為一輸入信號的驅動信號SDRV 屬於3.3V系統外，電壓準位移位器14內所有的訊號，不論是參考電壓或是輸出入訊號，都是由12V之電壓源VIN供電產生，且獨立於第一圖中3.3V的電壓源VCC。這樣的好處是：儘管供電給驅動信號SDRV 的電壓源VCC可能還沒有備妥，也就是其電壓尚未升高至接近3.3V，只要電壓源VIN已經穩定，電壓準位移位器14也就隨之穩定，準備依據驅動信號SDRV 產生相對應的閘驅動信號SGATE 。
輸入級62為一共基級放大器(common-base amplifier)。輸入級62包含一作為輸入級開關的NPN雙接面電晶體(bipolar-junction transistor，BJT)BF，其射極接收驅動信號SDRV 。當電壓源VIN穩定時，基納二極體Z的箝制電壓(clamping voltage)設定或是提供了接點N1的電壓，所以也大約決定了雙接面電晶體BF基級之電壓。雙接面電晶體BF的集極，也就是接點NC，透過電阻R1耦接到12V之電壓源VIN。當驅動信號SDRV 處於一低邏輯準位時，譬如0V時，作為開關之雙接面電晶體BF打開(turn on)且操作於飽和狀態，所以接點NC會在一很低的電壓，譬如說是0.2V。當驅動信號SDRV 處於一高邏輯準位時，譬如說是3.3V時，雙接面電晶體BF操作於關閉狀態，所以接點NC被電阻R1拉到一很高的電壓，可能接近電壓源VIN的電壓12V。因此，接點NC上的訊號已經屬於電壓源VIN所決定之12V系統。
如第2圖所示，輸出級64為一推拉式射級隨耦器(push-pull emitter follower)。NPN雙接面電晶體BT與PNP雙接面電晶體BB兩者的基極相連接，作為一輸入端，連接到接點NC。雙接面電晶體BT與雙接面電晶體BB兩者的射極相連接，作為一輸出端，輸出閘驅動信號SGATE 。雙接面電晶體BT的集極耦接到電壓源VIN；雙接面電晶體BT的集極耦接到接地線。閘驅動信號SGATE 的電壓準位，將會大約追隨(follow)著接點NC的電壓準位之變化而變化。所以，閘驅動信號SGATE 也是屬於12V系統。輸出級64會放大從接點NC來而輸入的電流，產生放大電流，由雙接面電晶體BT或雙接面電晶體BB的射極輸出。因此輸出級64可以視為一電流放大器。
由以上分析可推知，當電壓源VIN備妥時，閘驅動信號SGATE 與驅動信號SDRV 的邏輯準位會一致。舉例來說，當驅動信號SDRV 處於邏輯上的”0”時，其電壓值為一低邏輯準位(0V)，閘驅動信號SGATE 的電壓準位也會在另一低邏輯準位(0V)，邏輯上為”0”。當驅動信號SDRV 處於一高邏輯準位(3.3V)，邏輯上為”1”，閘驅動信號SGATE 的電壓準位也會在另一高邏輯準位(可能是11V)，邏輯上為”1”。
一實施例中，一驅動電路大致上僅有一輸入級以及一輸出級。每一級中的每一信號路徑上只有一主動元件。譬如，第2圖中的輸入級62的信號路徑SP1 上僅有主動元件雙接面電晶體BF，輸出級64在有兩個信號路徑SPB 與SPU ，一個會過雙接面電晶體BT，另一會經過雙接面電晶體BB。在另一實施例中，一驅動電路可以有至少一緩衝級，設置於一輸入級以及一輸出級之間。基於降低信號延遲跟元件數目成本的考量，僅有一輸入級以及一輸出級是比較好的。
就算電壓源VIN還沒有穩定，只要電壓源VIN的電壓超過基納二極體Z的箝制電壓(作為一預設的工作電壓)，基納二極體Z就會大約將雙接面電晶體BF的基級電壓穩定在一固定電壓，確保雙接面電晶體BF一開始就操作於飽和狀態，而使接點NC維持在一較低的電壓。所以，在供電順序過程中，接點NC一開始就會一直維持在一較低電壓。這個現象會持續到電壓源VCC備妥後驅動信號SDRV 的電壓準位上升，接點NC的電壓才可能拉高。
電壓準位移位器14有以下優點：
1.　不會在供電順序中，產生誤動作。電壓準位移位器14只需要單一電壓源VIN供電，來產生其中的任何參考電壓或是工作點。如前所述，只要電壓源VIN的電壓超過基納二極體Z的箝制電壓，基納二極體Z就會將雙接面電晶體BF的基級電壓穩定在一固定電壓，確保雙接面電晶體BF一開始就操作於飽和狀態，而使接點NC維持在一較低的電壓。如果電壓源VCC的3.3V還沒有備妥，驅動信號SDRV 的電壓將會很接近0V。此時，如果電壓源VIN的12V已經備妥，電壓準位移位器14就正常工作，而其所產生的閘驅動信號SGATE 的邏輯準位會跟驅動信號SDRV 一樣，也就是一低電壓，大約為閘驅動信號SGATE 的低邏輯準位。因此，閘驅動信號SGATE 不會錯誤地處於高邏輯準位。
2.　元件數目少。如同第2圖所示，只需要有三個BJT、一個基納二極體以及數個電阻。元件數目少便意味者低成本。
3.　操作速度快。輸入級62的雙接面電晶體BF為NPN，其速度一般高於PNP雙接面電晶體。輸出級64也是一高速的推拉式射級隨耦器。所以，電壓準位移位器14的操作速度，理論上可達500kHz以上。
本發明雖然以液晶螢幕之電路為例，但是本發明可以適用於其他的應用。只要是要把一屬於較低電壓系統之訊號轉成一屬於較高壓系統之驅動訊號的驅動電路，都可以應用本發明。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．昇壓轉換器
13．．．線性降壓器
14．．．電壓準位移位器
15．．．功率開關
16．．．閘預驅動器
18．．．脈波寬度調變控制器
20．．．影像轉換器
62．．．輸入級
64．．．輸出級
BB．．．PNP雙接面電晶體
BF．．．PNP雙接面電晶體
BT．．．NPN雙接面電晶體
GATE．．．控制閘
N1．．．接點
NC．．．接點
OUT．．．輸出端
R1．．．電阻
SDRV ．．．驅動信號
SGATE ．．．驅動信號
SP1 、SPB 、SPU ．．．信號路徑
VCC．．．電壓源
VIN．．．電壓源
Z．．．基納二極體
第1圖為一顯示器的透視圖。
第2圖顯示第1圖之電壓準位移位器。
14．．．電壓準位移位器
62．．．輸入級
64．．．輸出級
BB．．．PNP雙接面電晶體
BF．．．NPN雙接面電晶體
BT．．．NPN雙接面電晶體
N1．．．接點
NC．．．接點
R1．．．電阻
SDRV ．．．驅動信號
SGATE ．．．驅動信號
SP1 、SPB 、SPU ．．．信號路徑
VIN．．．電壓源
Z．．．基納二極體

Claims (11)

  1. 一種電壓準位移位器，包含有：一共基級放大器，具有一第一雙接面電晶體，該第一雙接面電晶體具有一基極耦接於一第一預設電壓，一射極接收一輸入信號，以及一集極耦接至一第一電壓源；以及一電流放大器，由該第一電壓源供電，該電流放大器具有一輸入端耦接於該第一雙接面電晶體的該集極，以及一輸出端用以輸出一閘驅動信號，其中該電流放大器包含有一第一射級隨耦器，具有一第二雙接面電晶體，該第二雙接面電晶體具有一集極耦接至該第一電壓源，一基極耦接至該第一雙接面電晶體的該集極，以及一射極輸出該閘驅動信號；以及一第二射級隨耦器，具有一第三雙接面電晶體，該第三雙接面電晶體具有一基極耦接到該第一雙接面電晶體的該集極，一集極耦接到一接地線，以及一射極用以輸出該閘驅動信號；其中，該第一預設電壓由該第一電壓源供電產生；以及該輸入信號由一第二電壓源供電產生，相較於該第一電壓源，該第二電壓源係為一低電壓源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓準位移位器，其中，當該輸入信號位於一低邏輯位準時，該第一雙接面電晶體操作於一飽和狀態，當該輸入信號位於一高邏輯位準時，該第一雙接面電晶體操作於一關閉狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓準位移位器，其中， 該共基級放大器包含有一基納二極體，用以提供該第一預設電壓。
  4. 一種電壓準位移位器，包含有：一輸入級，具有一輸入級開關供接收一輸入信號，該開關依據該輸入信號而選擇性地開啟(turn on)並據以產生一第一信號；以及一輸出級，接收該輸入級的該第一信號，供輸出一閘驅動信號，當該輸入級開關開啟，該閘驅動信號處於一低邏輯位準，當該輸入級開關關閉，該閘驅動信號處於一高邏輯位準，其中，該輸入信號與該閘驅動信號的邏輯準位一致；其中，該輸出級包括一電流放大器，且該電流放大器包含一第一雙接面電晶體，具有一集極耦接至一第一電壓源，一基極接收該第一信號，以及一射極輸出該閘驅動信號；以及一第二雙接面電晶體，具有一基極接收該第一信號，一集極耦接到一接地線，以及一射極耦接至該第一雙接面電晶體的該射極。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓準位移位器，其中，該輸入級為一共基級放大器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之電壓準位移位器，其中，該輸入級開關係為一第三雙接面電晶體，其當該輸入信號位於一低邏輯位準時，該第三雙接面電晶體操作於一飽和 狀態，當該輸入信號位於一高邏輯位準時，該第一雙接面電晶體操作於一關閉狀態。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之電壓準位移位器，其中，該輸出級為一射級隨耦器。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之電壓準位移位器，其中，該輸出級為一推拉式放大器。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之電壓準位移位器，其中，每一該輸入級以及該輸出級中的每一信號路徑，只有經過一主動元件。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之電壓準位移位器，其中，該輸入級具有一基納二極體以及一主動元件，當該第二電壓源之電壓尚未升高至一預設工作電壓時，該基納二極體確保該主動元件工作於一飽和狀態。
  11. 一種昇壓驅動電路，包括：一第一電壓源；一線性降壓器，接收該第一電壓源以產生一第二電壓源，其中，相較於該第一電壓源，該第二電壓源係為一低電壓源；一影像轉換器，接收該第二電壓源，包含有一閘預驅動器，該閘預驅動器提供一輸入信號； 一電壓準位移位器，耦接於該閘預驅動器，包含有：一輸入級，接收該輸入信號，並輸出一第一信號；一輸出級，接收該輸入級的該第一信號，供輸出一閘驅動信號；該輸入級與該輸出級分別接受複數之固定參考電壓，該複數固定參考電壓由該第一電壓源供電產生；該輸入信號係由該第二電壓源供電產生；以及當該第一電壓源之電壓升高至一預設工作電壓時，該輸入信號與該閘驅動信號的邏輯準位一致；以及一昇壓轉換器，包含有一功率開關，該功率開關耦接於該電壓準位移位器，用以接收該閘驅動信號並輸出一驅動電壓；其中，該輸出級包括一電流放大器，且該電流放大器包含有一第一射級隨耦器，具有一第一雙接面電晶體，該第一雙接面電晶體具有一集極耦接至該第一電壓源，一基極接收該第一信號，以及一射極輸出該閘驅動信號；以及一第二射級隨耦器，具有一第二雙接面電晶體，該第二雙接面電晶體具有一基極接收該第一信號，一集極耦接到一接地線，以及一射極耦接至該第一雙接面電晶體的該射極。
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