TWI484756B - 具較佳安全操作區及抗雜訊能力的浮接閘驅動器電路以及平移切換信號準位的方法 - Google Patents

Description

具較佳安全操作區及抗雜訊能力的浮接閘驅動器電路以及平移切換信號準位的方法

本發明係有關一種浮接閘驅動器電路，特別是關於一種改善浮接閘驅動器電路的準位平移器的安全操作區及抗雜訊能力的電路。

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的浮接閘驅動器電路，控制器積體電路10分別根據切換信號Hin及Lin產生閘極控制信號Vh及Vl切換半H橋電路的高側(high side)功率電晶體Ht及低側(low side)功率電晶體Lt，為了減小高側電路承受的電壓，以半H橋電路的切換節點SX的電壓Vs作為高側電路的參考電位，再將參考到接地端GND產生的低壓邏輯信號Hin平移到較高的準位去產生高側功率電晶體Ht的閘極控制信號Vh。為了平移高側功率電晶體Ht的切換信號Hin的準位，參照圖1及圖2，邊緣脈衝產生器12偵測高側功率電晶體Ht的切換信號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，準位平移器14包含第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2分別接受設定信號Set及重設信號Reset，因而在準位平移器14的第一輸出端AA及第二輸出端BB造成第一輸出電壓VAA的負脈衝及第二輸出電壓VBB的負脈衝，邏輯再生電路16根據第一輸出電壓VAA的負脈衝及第二輸出電壓VBB的負脈衝產生切換信號Hin準位平移後的信號，其與切換信號Hin具有相同的邏輯表態，因此，由其產生的閘極控制信號Vh受設定信號Set觸發，被重設信號Reset關閉。

在這種浮接閘驅動器電路中，透過耦接在直流電源輸入端Vboot及切換節點SX之間的靴帶電容Cboot，切換節點SX的電壓Vs的暫態變化會在準位平移器14的第一輸出端AA及第二輸出端BB各引起電壓雜訊，可能進而造成邏輯再生電路16誤動作，甚至造成高側功率電晶體Ht及低側功率電晶體Lt同時打開而讓直流電源VCC直接短路到接地端GND。為了改善準位平移器14的抗雜訊能力，美國專利申請公開號2011/0006828將第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2改為差動輸入對，藉由固定的共用偏壓電流的限制，將雜訊引起的充、放電電流分攤到差動輸入對的兩個電晶體，因而降低在第一輸出端AA及第二輸出端BB引起的雜訊電壓的大小。然而此法使用共用偏壓電流源將差動輸入對的兩個電晶體綑綁在一起，反而導致兩個電晶體容易互相干擾。

另一方面，高側電路需要以超高壓(Ultra High Voltage;UHV)製程製作，而UHV制程非常昂貴，因此控制器積體電路10具有很高的成本。使用多晶片模組(Multi-Chip Module;MCM)可以減少成本，例如參照圖1，以虛線18標示的界線將浮接閘驅動器電路分成兩部份，虛線18上方的高側電路及準位平移器14的一部份製作在UHV晶片中，虛線18下方的低側電路及準位平移器14的另一部份製作在低壓晶片中，如此減少UHV晶片的電路及尺寸，因而減少成本。不過此MCM係以電壓的形式將信號從低側傳送到高側，而MCM傳送電壓信號通常具有較差的抗雜訊能力，因此準位平移器14的抗雜訊能力變差。

再者，介於高側電路及低側電路之間的第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2必須使用高壓元件，因此在設計控制器積體電路10時必須在第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2的崩潰電壓與其他參數之間妥協。雖然增加電晶體的尺寸可以提高其崩潰電壓，但同時也會增加積體電路的面積和成本，尤其是在使用UHV製程的情況下，增加第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2的尺寸更是不利的作法，因此通常以調整第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2的工作點的方式來改善其安全操作區。以NMOSFET為例，參照圖3，在不同的閘-源極電壓Vgs下，電晶體有不同的電流-電壓特性曲線，圖中Vgs1>Vgs2>Vgs3>Vgs4，右側的虛線是在不同的Vgs下的崩潰電壓連線而成，左側的虛線是在不同的Vgs下的開啟電壓連線而成，介於此二虛線之間的區域為安全操作區。當電晶體操作在較大的閘-源極電壓Vgs時，其崩潰電壓較低，較容易發生崩潰，因此將電晶體操作在較小的閘-源極電壓Vgs或較小的汲極電流Ids，可以讓電晶體的工作點距離其崩潰電壓較遠，亦即比較不容易發生崩潰，但這同時也會降低電晶體的抗雜訊能力。

美國專利號5896043提出一種改良的準位平移器，將兩個輸入電晶體各並聯一個電阻-電容電路，在剛打開輸入電晶體時提高其電流，以加快轉態的速度，但此法需要更複雜的控制。

本發明的目的之一，在於改善浮接閘驅動器電路的準位平移器。

本發明的目的之一，在於提出一種準位平移器以電流的形式將信號從低側傳送到高側的電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種具較佳安全操作區及抗雜訊能力的浮接閘驅動器電路。

根據本發明，在浮接閘驅動器電路的準位平移器中增加高壓電晶體及限流元件串聯在輸入電晶體及輸出端之間，控制該高壓電晶體一直維持在導通的狀態，在該輸入電晶體導通時產生脈衝傳輸電流信號傳送到該輸出端，藉該限流元件限制該脈衝傳輸電流信號的大小，並進而限制該高壓電晶體的閘-源極電壓。

由於該準位平移器改用電流的形式將信號從低側傳送到高側，因此提高其抗雜訊能力。

對該脈衝傳輸電流信號的限流作用限制了該高壓電晶體的閘-源極電壓的大小，因此獲得較佳的安全操作區。

圖4係本發明的第一實施例，其係在第一輸入電晶體M1及第二輸入電晶體M2與其各自的負載R1及R2之間增加疊接的第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4以及電阻Rcl1及Rcl2，並控制第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4一直維持在導通的狀態。參照圖4及圖5，當設定信號Set導通第一輸入電晶體M1時，在第一輸入電晶體M1導通期間，產生脈衝傳輸電流信號Is=[(VCC-Vt)/Rcl1]，在第一輸入電晶體M1關閉後，脈衝傳輸電流信號Is=[(VCC-Vt)/Rcl1]×e^-t/(Rp×Cp) ，此處Vt係第一高壓電晶體M3的臨界電壓，t為第一輸入電晶體M1關閉後經過的時間，Rp為限流電阻Rcl1及第一輸入電晶體M1的導通阻值的和，Cp為第一高壓電晶體M3的源極對地端GND的寄生等效電容，在第一輸出端AA的第一輸出電壓VAA=Vboot-[(VCC-Vt)/Rcl1]×R1產生負脈衝設定電壓信號Vset=(VCC-Vt/Rcl1)×R1；當重設信號Reset導通第二輸入電晶體M2時，在第二輸入電晶體M2導通期間，產生脈衝傳輸電流信號Ir=[(VCC-Vt)/Rcl2]，在第二輸入電晶體M2關閉後，脈衝傳輸電流信號Ir=[(VCC-Vt)/Rcl2]×e^-t/(Rp×Cp) ，此處Vt係第二高壓電晶體M4的臨界電壓，t為第二輸入電晶體M1關閉後經過的時間，Rp為限流電阻Rcl2及第二輸入電晶體M1的導通阻值的和，Cp為第二高壓電晶體M4的源極對地端GND的寄生等效電容，在第二輸出端BB的第二輸出電壓VBB=Vboot-[(VCC-Vt)/Rcl2]×R2產生負脈衝重設電壓信號Vreset=(VCC-Vt/Rcl2)×R2。換言之，準位平移器14被改成以電流的形式將信號從低側傳送到高側。在此實施例中，電阻Rcl1及Rcl2作為限流元件限制脈衝電流Is及Ir的大小，當電阻Rcl1增加時，脈衝電流Is減小，因而使第一高壓電晶體M3的閘-源極電壓Vgs減小，進而增加第一高壓電晶體M3的安全操作區，隨著電阻Rcl1的增加，第一輸出電壓VAA的負脈衝Vset的大小也跟著減小，同理，電阻Rc12對第二高壓電晶體M4的安全操作區及第二輸出電壓VBB的負脈衝Vreset的大小也是一樣的作用。在其他實施例中，亦可改用其他限流元件或電路來取代電阻Rcl1及Rcl2。較佳者，增加齊納二極體ZD1及ZD2分別並聯到電阻R1及R2，以限制第一輸出電壓VAA及第二輸出電壓VBB不低於某個值。在此實施例中，第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4皆為增強型NMOSFET，在其他實施例中，第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4可以改用空乏型NMOSFET，如圖6的實施例所示，但其閘極改為連接到接地端GND，使其一直維持在導通的狀態。

圖7係本發明的第三實施例，除了前述的第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4以外，電阻Rcl3和Rcl1串聯在第一高壓電晶體M3及第一輸入電晶體M1之間，電阻Rcl4和Rcl2串聯在第二高壓電晶體電晶體M4及第二輸入電晶體M2之間，並且將邏輯再生電路16、第一高壓電晶體M3、第二高壓電晶體M4、齊納二極體ZD1、ZD2以及電阻R1、R2、Rcl3、Rcl4製作在UHV晶片20中，將邊緣脈衝產生器12、第一輸入電晶體M1、第二輸入電晶體M2以及電阻Rcl1、Rcl2製作在低壓晶片22中。此實施例使用MCM，因此可以降低成本，而且因為改用電流的型式將設定信號Set及重設信號Reset從低壓晶片22傳送到UHV晶片20，所以也消除了MCM的低抗雜訊能力的缺點。此外，在UHV晶片20及低壓晶片22皆設置限流電阻，可以在UHV晶片20及低壓晶片22各自調整電阻Rcl3、Rcl4、Rcl1、Rcl2的電阻值，例如在UHV晶片20的空間太小而無法提高電阻值Rcl3、Rcl4時，可以提高在低壓晶片22中的電阻值Rcl1、Rcl2達到想要的效果。在其他實施例中，可以取消電阻Rcl1、Rcl3其中之一，也可以取消電阻Rcl2、Rcl4其中之一。在此實施例中，第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4皆為增強型NMOSFET，在其他實施例中，第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4可以改用空乏型NMOSFET，如圖8的實施例所示，但其閘極改為連接到接地端GND，使其一直維持在導通的狀態。

如以上的實施例所展示的，電阻Rcl1、Rcl2、Rcl3、Rcl4提供的限流作用限制了第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4的閘-源極電壓Vgs的大小，因此不必加大第一高壓電晶體M3及第二高壓電晶體M4的尺寸也可以獲得較佳的安全操作區，同時因為準位平移器14改成以電流的形式將信號從低側傳送到高側，所以也提高了其抗雜訊能力，進而可應用在MCM，進一步降低成本。

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．．．邊緣脈衝產生器

14．．．準位平移器

16．．．邏輯再生電路

18．．．UHV晶片和低壓晶片的界線

20．．．UHV晶片

22．．．低壓晶片

AA．．．準位平移器的第一輸出端

BB．．．準位平移器的第二輸出端

Cboot．．．靴帶電容

GND．．．接地端

Ht．．．高側功率電晶體

Hin．．．高側功率電晶體的切換信號

Is．．．設定信號的脈衝傳輸電流信號

Ir．．．重設信號的脈衝傳輸電流信號

Lt．．．低側功率電晶體

Lin．．．低側功率電晶體的切換信號

M1．．．第一輸入電晶體

M2．．．第二輸入電晶體

M3．．．第一高壓電晶體

M4．．．第二高壓電晶體

R1．．．電阻

R2．．．電阻

Rcl1．．．電阻

Rcl2．．．電阻

Rcl3．．．電阻

Rcl4．．．電阻

Reset．．．重設信號

Set．．．設定信號

SX．．．半H橋電路的切換節點

VCC．．．直流電源電壓

Vh．．．高側功率電晶體的閘極控制信號

Vl．．．低側功率電晶體的閘極控制信號

Vreset．．．負脈衝重設電壓信號

Vs．．．切換節點的電壓

Vset．．．負脈衝設定電壓信號

ZD1．．．齊納二極體

ZD2．．．齊納二極體

圖1係浮接閘驅動器電路；

圖2係圖1的浮接閘驅動器電路平移切換信號準位的示意圖；

圖3係NMOSFET的電流-電壓特性曲線以及安全操作區；

圖4係本發明的第一實施例；

圖5係圖4中的準位平移器將信號從低側傳送到高側的示意圖；

圖6係本發明的第二實施例；

圖7係本發明的第三實施例；以及

圖8係本發明的第四實施例。

10．．．控制器積體電路

12．．．邊緣脈衝產生器

14．．．準位平移器

16．．．邏輯再生電路

AA．．．準位平移器的第一輸出端

BB．．．準位平移器的第二輸出端

Cboot．．．靴帶電容

GND．．．接地端

Ht．．．高側功率電晶體

Hin．．．高側功率電晶體的切換信號

Is．．．設定信號的傳輸電流信號

Ir．．．重設信號的傳輸電流信號

Lt．．．低側功率電晶體

Lin．．．低側功率電晶體的切換信號

M1．．．第一輸入電晶體

M2．．．第二輸入電晶體

M3．．．第一高壓電晶體

M4．．．第二高壓電晶體

R1．．．電阻

R2．．．電阻

Rcl1．．．電阻

Rcl2．．．電阻

Reset．．．重設信號

Set．．．設定信號

SX．．．半H橋電路的切換節點

VCC．．．直流電源電壓

Vh．．．高側功率電晶體的閘極控制信號

Vl．．．低側功率電晶體的閘極控制信號

Vs．．．切換節點的電壓

ZD1．．．齊納二極體

ZD2．．．齊納二極體

Claims (14)

1. 一種浮接閘驅動器電路，包括：邊緣脈衝產生器，偵測一切換信號的上升緣及下降緣而分別觸發設定信號及重設信號；準位平移器，包含第一輸入電晶體及第二輸入電晶體皆連接該邊緣脈衝產生器，分別將該設定信號及該重設信號傳送到第一輸出端及第二輸出端，產生負脈衝設定電壓信號及負脈衝重設電壓信號；以及邏輯再生電路，連接該第一輸出端及該第二輸出端，根據該負脈衝設定電壓信號及該負脈衝重設電壓信號產生該切換信號準位平移後的信號；其中，該準位平移器更包含：第一高壓電晶體及第二高壓電晶體分別連接該第一輸出端及該第二輸出端，該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體一直維持在導通的狀態；第一限流元件，連接在該第一高壓電晶體及該第一輸入電晶體之間；以及第二限流元件，連接在該第二高壓電晶體及該第二輸入電晶體之間。
2. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，其中該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體各為一增強型NMOSFET。
3. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，其中該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體各為一空乏型NMOSFET。
4. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，其中該第一限流元件及該第二限流元件各包括一電阻。
5. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，其中該邊緣脈衝產生器、該準位平移器及該邏輯再生電路全部製作在一超高壓晶片中。
6. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，其中該邏輯再生電路、該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體製作在一超高壓晶片中，該邊緣脈衝產生器、該第一輸入電晶體、該第二輸入電晶體、該第一限流元件及該第二限流元件製作在一低壓晶片中。
7. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，其中該邏輯再生電路、該第一高壓電晶體、該第二高壓電晶體、該第一限流元件及該第二限流元件製作在一超高壓晶片中，該邊緣脈衝產生器、該第一輸入電晶體及該第二輸入電晶體製作在一低壓晶片中。
8. 如請求項1之浮接閘驅動器電路，更包括：第三限流元件，與該第一限流元件串聯在該第一高壓電晶體及該第一輸入電晶體之間；以及第四限流元件，與該第二限流元件串聯在該第二高壓電晶體及該第二輸入電晶體之間。
9. 如請求項8之浮接閘驅動器電路，其中該邏輯再生電路、該第一高壓電晶體、該第二高壓電晶體、該第三限流元件及該第四限流元件製作在一超高壓晶片中，該邊緣脈衝產生器、該第一輸入電晶體、該第二輸入電晶體、該第一限流元件及該第二限流元件製作在一低壓晶片中。
10. 一種平移切換信號準位的方法，包括以下步驟：A.)偵測該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；B.)產生該設定信號的脈衝傳輸電流信號；C.)將該設定信號的脈衝傳輸電流信號傳送到第一輸出端；D.)在該第一輸出端產生負脈衝設定電壓信號；E.)產生該重設信號的脈衝傳輸電流信號；F.)將該重設信號的脈衝傳輸電流信號傳送到第二輸出端；G.)在該第二輸出端產生負脈衝重設電壓信號；以及H.)根據該負脈衝設定電壓信號及負脈衝重設電壓信號產生該切換信號準位平移後的信號。
11. 如請求項10之方法，其中該步驟B包括限制該設定信號的脈衝傳輸電流信號的大小，該步驟E包括限制該重設信號的脈衝傳輸電流信號的大小。
12. 如請求項10之方法，其中該步驟C包括將該設定信號的脈衝傳輸電流信號從低壓晶片傳送到超高壓晶片，該步驟F包括將該重設信號的脈衝傳輸電流信號從該低壓晶片傳送到該超高壓晶片。
13. 如請求項10之方法，其中該步驟C包括經第一高壓電晶體傳送該設定信號的脈衝傳輸電流信號到該第一輸出端，該步驟F包括經該第二高壓電晶體傳送該重設信號的脈衝傳輸電流信號到該第二輸出端。
14. 如請求項13之方法，更包括以下步驟：藉該設定信號的脈衝傳輸電流信號限制該第一高壓電晶體的閘-源極電壓；以及藉該重設信號的脈衝傳輸電流信號限制該第二高壓電晶體的閘-源極電壓。