TWI543503B - 開關電路 - Google Patents

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Description

開關電路
本發明涉及一種開關電路。
目前，常用的開關電路(例如用於直流轉換的開關電路，DC-DCswitching regulator)可以節省外接二極管，以在輕載的時候節省秏電。因為在導通電阻固定的情況下，透過的電流小的時候開關晶體管(MOS)的跨壓也相應減小，從而所消秏的功率也變少。然而，在極輕載時，省電效率仍不理想，因為對開關晶體管的閘極電容的充放電會消秏大部份的功率。
鑒於以上內容，有必要提供一種可節省耗電的開關電路，其包括上橋開關和下橋開關，該上橋開關包括第一閘極、第一源極以及第一汲極，該下橋開關包括第二閘極、第二源極以及第二汲極，該第一閘極與第一源極之間具有第一閘源電容，該第二閘極與第二源極之間具有一第二閘源電容，該第一閘極透過一第一預驅動器與一儲存電容連接，該第二閘極透過一第二預驅動器與該儲存電容連接，該第一源極連接一電源電壓，該第一汲極與第二汲極連接，該第二源極接地，第一汲極與第二汲極之間具有一節點作為該開關電路的輸出端口，其中：當上橋開關導通時，第一閘源電容由電源電壓充電而儲存電荷；當該上橋開關關閉時，該第一 閘源電容儲存的電荷透過第一驅動器放電至儲存電容儲存；當該下橋開關開啟時，該儲存電容透過所述第二預驅動器放電至第二閘源電容對該第二閘源電容充電。
相較於習知技術，本發明的開關電路在上橋開關關閉時將上橋開關閘源電容內儲存的電荷儲存於一儲存電容中，然後在下橋開關開啟時，該儲存電容儲存的電荷對下橋開關的閘源電容進行充電，從而實現電荷回收以達到節省能耗的目的。
100‧‧‧開關電路
11‧‧‧第一預驅動器
Vc，Vz‧‧‧電源端口
Po‧‧‧第一輸出端口
Vs‧‧‧電流源端口
P_IN‧‧‧第一控制端
12‧‧‧第二預驅動器
N_IN‧‧‧第二控制端
GND‧‧‧接地端
No‧‧‧第二輸出端口
Vcc‧‧‧電源電壓
P1‧‧‧上橋開關
Gp‧‧‧第一閘極
Sp‧‧‧第一源極
Dp‧‧‧第一汲極
P_Cgs‧‧‧第一閘源電容
N1‧‧‧下橋開關
Gn‧‧‧第二閘極
Sn‧‧‧第二源極
Dn‧‧‧第二汲極
N_Cgs‧‧‧第二閘源電容
Is‧‧‧電流源
D1‧‧‧第一二極管
D2‧‧‧第二二極管
Cz‧‧‧儲存電容
Lx‧‧‧輸出端
Vin‧‧‧外接電源
圖1是本發明第一實施例提供的一開關電路的示意圖。
圖2是圖1所示的該開關電路的工作時序圖。
圖3是本發明第二實施例提供的開關電路的示意圖。
本發明提供的開關電路可應用於直流轉換開關調節器(DC-DC Switching Regulator)中。該開關電路包括上橋開關和下橋開關。上橋開關和下橋開關可為金屬氧化物場效應半導體晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。例如N型MOSFET(N-MOS)或P型MOSFET(P-MOS)。其中，該上橋開關在關閉時，其閘極與源極之間的極間電容(下稱“閘源電容”)之間儲存的電荷被放電並儲存在一儲存電容器中，在下橋開關開啟時，使用該儲存電容器中儲存的電荷對下橋開關的閘源電容充電以開啟下橋開關，進而達到電荷回收與省電之目的。為便於理解，下面將結合較佳實施例及圖式對本發明作進一步之詳細說明。
為使熟習本發明所屬技術領域的技術人員能進一步瞭解本發明，下文特列舉本發明的優選實施例，並配合附圖，詳細說明本發明的構成內容。需注意的是附圖僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。此外，在文中使用的例如“第一”與“第二”等敘述，僅用以區別不同的元件，並不構成對其產生順序的限制。
如圖1所示，為本發明第一實施例提供的一開關電路100的示意圖。該開關電路100包括一上橋開關P1以及一與上橋開關P1配合的下橋開關N1。該上橋開關P1以及該下橋開關N1其中之一導通時，另一個則截止。該上橋開關P1包括第一閘極Gp、第一源極Sp以及第一汲極Dp。該第一閘極Gp與第一源極Sp之間具有第一閘源電容P_Cgs。該下橋開關N1包括第二閘極Gn、第二源極Sn以及第二汲極Dn。該第二閘極Gn與第二源極Sn之間具有一第二閘源電容N_Cgs。其中，所述的第一閘源電容P_Cgs是指所述第一閘極Gp與第一源極Sp之間的極間電容，所述的第二閘源電容N_Cgs是指所述第二閘極Gn與第二源極Sn之間的極間電容。本實施例中，所述上橋開關P1以及下橋開關N1可以是金屬氧化物場效應半導體晶體管。優選地，該上橋開關P1為P-MOS，該下橋開關N1為N-MOS。
所述第一閘極GP透過一第一預驅動器(pre-driver)11與一儲存電容Cz連接。同時，所述第二閘極Gn透過一第二預驅動器12與該儲存電容Cz連接，可以理解，所述第一預驅動器11與第二預驅動器12均連接至該存儲電容Cz的同一端。所述第一源極Sp連接一電源電壓Vcc。所述第一汲極Dp與第二汲極Sn連接，所述第二源極Dn接地。其中，第一汲極Dp與第二汲極Sn之間具有一輸出端Lx。當上橋開關P1導通時，所述第一閘源電容P_Cgs由電源電壓Vcc充 電而儲存電荷。當該上橋開關P1關閉時，該第一閘源電容P_Cgs儲存的電荷透過所述第一預驅動器11放電至所述儲存電容Cz對該儲存電容Cz充電，而將P_Cgs儲存的電荷儲存在該儲存電容Cz中。當該下橋開關N1開啟時，該儲存電容Cz透過所述第二預驅動器12放電至所述第二閘源電容N_Cgs對該第二閘源電容N_Cgs充電。透過這種方法，使得上橋開關P1在關閉時，其第一閘源電容P_Cgs中儲存的電荷回收至所述儲存電容Cz中以用於對第二閘源電容N_Cgs充電，進而達到省電的目的。
具體地，所述第一預驅動器11包括一第一控制端P_IN、一電源端口Vc、一電流源端口Vs以及一第一輸出端口Po。該第一控制端P_IN用於接收用以控制上橋開關P1的外部控制訊號。該電源端口Vc與所述電源電壓Vcc連接。該第一輸出端口Po與上橋開關P1的第一閘極Gp連接，以將所述外部控制訊號傳輸至該第一閘極Gp以控制該上橋開關P1開啟或關閉。此外，所述開關電路100還包括一電流源Is，其中，為防止電流倒灌，所述第一閘極GP依序透過一第一預驅動器11及該電流源Is與該儲存電容Cz連接，而所述第二閘極Gn可直接透過一第二預驅動器12與該儲存電容Cz連接。具體地，該電流源Is具有與所述第一預驅動器11的電流源端口Vs連接的第一端，以及與所述儲存電容Cz連接的第二端。此外，該電流源Is的第一端透過一第一二極管D1與所述電源電壓Vcc連接，第二端連接一接地的第二二極管D2。其中，該第一二極管D1以及第二二極管D2可為具有一反向擊穿電壓(如5V)的齊納二極管。該第一二極管D1的正極連接所述電源電壓Vcc，負極連接所述電流源Is的第一端。該第二二極管D2的正極連接所述電流源Is的第二端，負極接地，用於保護第二預驅動器12。例如，當電流源Is 產生的電壓高於一極限電壓(例如5V)時，所述第二二極管D2反向擊穿使電流源Is接地，進而保護該第二預驅動器12。
所述第二預驅動器12包括一第二控制端N_IN、一電源端口Vz、一接地端GND以及第二輸出端口No。該第二控制端N_IN用於接收用以控制下橋開關N1的外部控制訊號。該電源端口Vz與所述儲存電容Cz以及所述電流源Is連接。該第二輸出端口No與下橋開關N1的第二閘極Gn連接，用於傳輸控制該下橋開關N1的控制訊號，以控制該下橋開關N1開啟或關閉。
本實施例中，所述第一預驅動器11以及第二預驅動器12可以是一緩衝(buffer)電路，其可由複數反向器串接組成，後級的反向器比前級的反向器尺寸更大，能在瞬間提供更大電流，從而在電路中提升驅動能力以驅動所述上橋開關P1以及下橋開關N1。也即，所述第一預驅動器11以及第二預驅動器12可構成上橋開關P1以及下橋開關N1的驅動電路。
下面結合圖2對本發明的開關電路100的工作原理進行說明。
請參閱圖2，圖2是該開關電路100的工作時序圖。其中，圖2所示的LX代表該開關電路100的輸出端LX輸出訊號的波形圖，PGate代表所述上橋開關P1第一閘極Gp的控制訊號的波形圖，Ngate代表所述下橋開關N1第二閘極Gn的控制訊號的波形圖，Ip_Cgs代表上橋開關P1的第一閘源電容P_Cgs儲存電荷量的波形圖，IN_Cgs代表下橋開關N1的第二閘源電容N_Cgs儲存電荷量的波形圖。
在T1時刻，PGATE控制訊號由低位準跳變為高位準，此時上橋開關P1關閉，該上橋開關的第一閘源電容P_Cgs儲存的電荷透過第一 預驅動器11的電流源端口Vs以及電流源Is放電至所述儲存電容Cz對該儲存電容Cz充電，因而該第一閘源電容P_Cgs的電荷量因放電而減少。同時，由於NGATE控制訊號仍處於低位準狀態，下橋開關N1則仍處於關閉狀態，即此時輸出端Lx仍維持在一高位準狀態。
在T2時刻，NGATE控制訊號由低位準跳變為高位準，此時下橋開關N1開啟，所述儲存電容Cz儲存的電荷透過第二預驅動器12的電源端口放電至所述第二閘源電容N_Cgs對該第二閘源電容N_Cgs充電，因而該第二閘源電容N_Cgs的電荷量IN_Cgs因充電而增加。同時，由於下橋開關N1開啟，將輸出端LX透過該下橋開關N1接地，使得輸出端Lx輸出一低位準訊號。
在T3時刻，NGATE控制訊號由高位準跳變為低位準，此時下橋開關N1關閉，所述第二閘源電容N_Cgs儲存的電荷透過接地端放電而流失。同時，由於下橋開關N1關閉，使得輸出端Lx輸出一高位準訊號。
在T4時刻，PGATE控制訊號由高位準跳變為低位準，此時上橋開關P1開啟，該上橋開關的第一閘源電容P_Cgs由電源電壓Vcc充電二儲存電荷，因此，該第一閘源電容P_Cgs的電荷量Ip_Cgs增加。同時，由於上橋開關P1導通，使得輸出端Lx透過上橋開關P1與電源電壓Vcc連接而輸出一高位準訊號。
在T5-T8時刻，該開關電路100的工作時序與T1-T4時刻的工作時序相同，此處不再贅述。
另外，從圖2可看出，本實施例中，在開關電路100的一個工作週 期內，所述上橋開關P1的關閉時間(截止時間，如T1-T4)大於下橋開關N1的開啟時間(導通時間如T2-T3)。相應地，下橋開關N1的關閉時間(截止時間，如T3-T6)大於上橋開關P1的開啟時間(導通時間，如T4-T5)。
請參閱圖3所示，圖3為本發明開關電路100第二實施例的示意圖。該第二實施例與第一實施例基本相同，區別在於，該第二實施例中，省略了所述第二二極管D2，同時，所述第二預驅動器12的電源端口Vz還連接一外接電源Vin。由於所述電流源Is產生電壓會被限定在一預設的電壓值，例如5V。在第二預驅動器12需要較大的驅動電壓時，可以透過該外接電源Vin進行補償。
綜上所述，本發明的開關電路100在上橋開關P1關閉時將上橋開關P1閘源電容內儲存的電荷儲存於一儲存電容Cz中，然後在下橋開關N1開啟時，該儲存電容Cz儲存的電荷對下橋開關N1的閘源電容進行充電，從而實現電荷回收以達到節省能耗的目的。
綜上所述，本創作符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本創作之較佳實施例，本創作之範圍並不以上述實施例為限，舉凡熟習本案技藝之人士爰依本創作之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧開關電路
11‧‧‧第一預驅動器
Vc，Vz‧‧‧電源端口
Po‧‧‧第一輸出端口
Vs‧‧‧電流源端口
P_IN‧‧‧第一控制端
12‧‧‧第二預驅動器
N_IN‧‧‧第二控制端
GND‧‧‧接地端
No‧‧‧第二輸出端口
Vcc‧‧‧電源電壓
P1‧‧‧上橋開關
Gp‧‧‧第一閘極
Sp‧‧‧第一源極
Dp‧‧‧第一汲極
P_Cgs‧‧‧第一閘源電容
N1‧‧‧下橋開關
Gn‧‧‧第二閘極
Sn‧‧‧第二源極
Dn‧‧‧第二汲極
N_Cgs‧‧‧第二閘源電容
Is‧‧‧電流源
D1‧‧‧第一二極管
D2‧‧‧第二二極管
Cz‧‧‧儲存電容
Lx‧‧‧輸出端

Claims (10)

  1. 一種開關電路，其包括上橋開關和下橋開關，該上橋開關包括第一閘極、第一源極以及第一汲極，該下橋開關包括第二閘極、第二源極以及第二汲極，該第一閘極與第一源極之間具有第一閘源電容，該第二閘極與第二源極之間具有一第二閘源電容，該第一閘極透過一第一預驅動器與一儲存電容連接，該第二閘極透過一第二預驅動器與該儲存電容連接，該第一源極連接一電源電壓，該第一汲極與第二汲極連接，該第二源極接地，第一汲極與第二汲極之間具有該開關電路的輸出端，其中：當上橋開關導通時，第一閘源電容由電源電壓充電而儲存電荷；當該上橋開關關閉時，該第一閘源電容儲存的電荷透過第一驅動器放電至儲存電容儲存；當該下橋開關開啟時，該儲存電容透過所述第二預驅動器放電至第二閘源電容對該第二閘源電容充電。
  2. 如請求項1所述的開關電路，其中，所述上橋開關和下橋開關為金屬氧化物場效應半導體晶體管，該上橋開關以及該下橋開關其中之一導通時，另一個則截止。
  3. 如請求項2所述的開關電路，其中，所述上橋開關為P型金屬氧化物場效應半導體晶體管，所述下橋開關為N型金屬氧化物場效應半導體晶體管。
  4. 如請求項2所述的開關電路，其中，在該開關電路的一個工作週期內，所述上橋開關的截止時間大於下橋開關導通時間，且該下橋開關的截止時間大於該上橋開關的導通時間。
  5. 如請求項1所述的開關電路，其中，所述第一預驅動器包括一第一控制端、一電源端口、一電流源端口以及一第一輸出端口，該第一控制端用於接收用以控制上橋開關的外部控制訊號，該電源端口與所述電源電壓連 接，該第一輸出端口與上橋開關的第一閘極連接，以將所述外部控制訊號傳輸至該第一閘極以控制該上橋開關導通或截止，該開關電路還包括一電流源，該電流源具有與所述第一預驅動器的電流源端口連接的第一端，以及與所述儲存電容連接的第二端。
  6. 如請求項5所述的開關電路，其中，所述第二預驅動器包括一第二控制端、一電源端口、一接地端以及第二輸出端口，該第二控制端用於接收用以控制下橋開關的外部控制訊號，該第二預驅動器的電源端口與所述儲存電容以及所述電流源的第二端連接，該第二輸出端口與下橋開關的第二閘極連接，用於傳輸控制該下橋開關的控制訊號，以控制該下橋開關導通或截止。
  7. 如請求項6所述的開關電路，其中，所述電流源的第一端透過一第一二極管與所述電源電壓連接，第二端連接一接地的第二二極管；該第一二極管的正極連接所述電源電壓，負極連接所述電流源的第一端；該第二二極管的正極連接所述電流源的第二端，負極接地，用於保護第二預驅動器。
  8. 如請求項7所述的開關電路，其中，所述第一二極管以及第二二極管為具有一反向擊穿電壓的齊納二極管。
  9. 如請求項6所述的開關電路，其中，所述第二預驅動器的電源端口還連接一外接電源。
  10. 一種開關電路，其包括上橋開關、下橋開關、及用於驅動該上橋開關與下橋開關的驅動電路，該上橋開關包括第一閘極、第一源極以及第一汲極，該下橋開關包括第二閘極、第二源極以及第二汲極，該第一閘極與第一源極之間具有第一閘源電容，該第二閘極與第二源極之間具有一第二閘源電容，該上橋開關還與一儲存電容連接，該下橋開關也與該儲存電容連接，該第一源極連接一電源電壓，該第一汲極與第二汲極連接， 該第二源極接地，第一汲極與第二汲極之間具有該開關電路的輸出端，其中：當上橋開關導通時，第一閘源電容由電源電壓充電而儲存電荷；當該上橋開關關閉時，該第一閘源電容儲存的電荷放電至儲存電容儲存；當該下橋開關開啟時，該儲存電容透過放電至第二閘源電容對該第二閘源電容充電。
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