TWI566509B - 切換式轉換器以及升壓裝置 - Google Patents

切換式轉換器以及升壓裝置 Download PDF

Info

Publication number
TWI566509B
TWI566509B TW104127102A TW104127102A TWI566509B TW I566509 B TWI566509 B TW I566509B TW 104127102 A TW104127102 A TW 104127102A TW 104127102 A TW104127102 A TW 104127102A TW I566509 B TWI566509 B TW I566509B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
voltage
transistor
node
supply voltage
bootstrap
Prior art date
Application number
TW104127102A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201709651A (zh
Inventor
秦玉龍
林鑫成
林文新
胡鈺豪
Original Assignee
世界先進積體電路股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 世界先進積體電路股份有限公司 filed Critical 世界先進積體電路股份有限公司
Priority to TW104127102A priority Critical patent/TWI566509B/zh
Priority to US14/957,163 priority patent/US10033260B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI566509B publication Critical patent/TWI566509B/zh
Publication of TW201709651A publication Critical patent/TW201709651A/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/607—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using discharge tubes in parallel with the load as final control devices
    • G05F1/61—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using discharge tubes in parallel with the load as final control devices including two stages of regulation, at least one of which is output level responsive
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/62—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using bucking or boosting dc sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Description

切換式轉換器以及升壓裝置
本發明係有關於一種具有自舉電壓之切換式轉換器以及升壓裝置，特別係有關於一種利用改良式電晶體作為自舉二極體之切換式轉換器以及升壓裝置。
在切換式轉換器的應用中，往往需要單向開關元件以及電容的輔助，使得上橋電晶體能夠完全導通。第1圖係顯示一切換式轉換器之上橋驅動電路之方塊圖。如第1圖所示，上橋驅動電路100包括上橋驅動器101、上橋電晶體102、單向開關元件104以及電容103。由於輸入電壓VIN大於供應電壓VS，且上橋電晶體102係為N型電晶體，為了維持上橋電晶體102持續導通，需要利用單向開關元件104以及電容103將自舉電壓VB提升至輸入電壓VIN以及供應電壓VS之和。
此外，單向開關元件104除了需要自供應電壓VS提供電容103足夠的順向電流，單向開關元件104還用以阻隔升壓後之自舉電壓VB至供應電壓VS之反向電流。因此，我們需要一個有效率且能夠整合至積體電路中的單向開關元件104，用以提升電路效率以及降低製造成本。
有鑑於此，本發明提出一種切換式轉換器，包括： 一上橋驅動器、一上橋電晶體、一下橋驅動器、一下橋電晶體、一電容以及一主動式二極體。上述上橋驅動器接收一自舉節點之一自舉電壓以及一浮動參考節點之一浮動參考電壓，並產生一上橋輸出信號。上述上橋電晶體根據上述上橋輸出信號，將一輸入電壓提供至上述浮動參考節點。上述下橋驅動器產生一下橋輸出信號。上述下橋電晶體根據上述下橋輸出信號，將上述浮動參考節點耦接至一接地端。上述電容耦接於上述自舉節點以及上述浮動參考節點之間。上述主動式二極體將一供應電壓提供至上述自舉節點，其中當上述自舉電壓高於上述供應電壓時，上述主動式二極體根據一控制電壓，將上述供應電壓與上述自舉節點隔離。
根據本發明之一實施例，更包括一控制邏輯。上述控制邏輯接收上述供應電壓，並根據一輸入信號產生一上橋驅動信號至上述上橋驅動器以及一下橋驅動信號至上述下橋驅動器。
根據本發明之一實施例，上述上橋驅動器更包括：一第一P型電晶體以及一第一N型電晶體。上述第一P型電晶體之源極端耦接至上述自舉節點，汲極端產生上述上橋輸出信號，閘極端接收上述上橋驅動信號。上述第一N型電晶體之源極端耦接至上述浮動參考節點，汲極端產生上述上橋輸出信號，閘極端接收上述上橋驅動信號。
根據本發明之一實施例，上述下橋驅動器更包括：一第二P型電晶體以及一第二N型電晶體。上述第二P型電晶體之源極端接收上述供應電壓，汲極端產生上述下橋輸出信 號，閘極端接收上述下橋驅動信號。上述第二N型電晶體之源極端耦接至上述接地端，汲極端產生上述下橋輸出信號，閘極端接收上述下橋驅動信號。
根據本發明之一實施例，其中上述主動式二極體係為一常開電晶體，當上述浮動參考節點耦接至上述接地端時，上述常開電晶體根據上述控制電壓，決定上述供應電壓對上述電容之一順向電流，使得上述電容儲存之一電壓差，其中當上述輸入電壓提供至上述浮動參考節點時，上述自舉電壓係為上述輸入電壓以及上述電壓差之和，上述常開電晶體更根據上述控制電壓，將上述供應電壓以及上述自舉節點隔離。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一N型空乏型電晶體。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一P型空乏型電晶體。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一N型接面場效電晶體。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一P型接面場效電晶體。
本發明更提出一種升壓裝置，包括：一電容以及一主動式二極體。上述電容包括一第一節點以及一第二節點，其中上述第二節點交替地接收一第一電壓以及一第二電壓。上述主動式二極體將一供應電壓提供至上述第一節點，並根據一控制電壓將上述第一節點與上述供應電壓隔離，其中上述供應電壓小於上述第二電壓，且上述供應電壓大於上述第一電壓。
根據本發明之一實施例，其中上述主動式二極體係為一常開電晶體，當上述第二節點接收上述第一電壓時，上述常開電晶體將上述供應電壓提供至上述第一節點，用以對上述電容充電。當上述第二節點接收上述第二電壓時，上述常開電晶體根據上述控制電壓將上述供應電壓以及上述第一節點隔離。
根據本發明之一實施例，當上述第二節點接收上述第一電壓時，上述常開電晶體根據上述控制電壓，決定上述供應電壓對上述電容之一順向電流，使得上述電容儲存之一電壓差，其中當上述第二節點耦接至上述第二電壓時，上述第一節點之電壓係為上述第二電壓以及上述電壓差之和，上述常開電晶體更根據上述控制電壓，將上述供應電壓以及上述第一節點隔離，避免上述電容對上述供應電壓放電，其中上述電壓差係為上述供應電壓減去上述第一電壓。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一N型空乏型電晶體。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一P型空乏型電晶體。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一N型接面場效電晶體。
根據本發明之一實施例，上述主動式二極體係為一P型接面場效電晶體。
100‧‧‧上橋驅動電路
101、202、700‧‧‧上橋驅動器
102、203‧‧‧上橋電晶體
103、211、301、401、501‧‧‧電容
104、212‧‧‧單向開關元件
200‧‧‧切換式電路
201‧‧‧控制邏輯
204、800‧‧‧下橋驅動器
205‧‧‧下橋電晶體
210、300、400、500‧‧‧升壓裝置
302‧‧‧蕭特基二極體
402‧‧‧基體絕緣二極體
502‧‧‧主動式二極體
60‧‧‧常開電晶體
600‧‧‧半導體基板
602‧‧‧磊晶層
604‧‧‧N型之井區
606‧‧‧P型之主體區
608‧‧‧P型之接觸區
610‧‧‧N型之接觸區
612‧‧‧N型之接觸區
614‧‧‧場絕緣層
616‧‧‧閘極結構
618‧‧‧閘絕緣層
620‧‧‧導電源極電極
622‧‧‧導電閘極電極
624‧‧‧導電汲極電極
626‧‧‧層間介電層
630‧‧‧N+摻雜區
632‧‧‧P+摻雜區
701‧‧‧第一P型電晶體
702‧‧‧第一N型電晶體
801‧‧‧第二P型電晶體
802‧‧‧第二N型電晶體
SHD‧‧‧上橋驅動信號
SHO‧‧‧上橋輸出信號
SLD‧‧‧下橋驅動信號
SLO‧‧‧下橋輸出信號
NB‧‧‧自舉節點
NF‧‧‧浮動參考節點
VB‧‧‧自舉電壓
VC‧‧‧控制電壓
VF‧‧‧浮動參考電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VS‧‧‧供應電壓
N1‧‧‧陽極端
N2‧‧‧陰極端
第1圖係顯示一切換式轉換器之上橋驅動電路之方塊圖；第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之切換式電路之方塊圖；第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之升壓裝置之電路圖；第4圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之升壓裝置之電路圖；第5圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之升壓裝置之電路圖；第6圖係顯示依據本發明之一實施例所述之常開電晶體之剖面圖；第7圖係顯示根據本發明之一實施例所述之第2圖之上橋驅動器之電路圖；以及第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之第2圖之下橋驅動器之電路圖。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特例舉一較佳實施例，並配合所附圖式，來作詳細說明如下：
以下將介紹係根據本發明所述之較佳實施例。必須要說明的是，本發明提供了許多可應用之發明概念，在此所揭露之特定實施例，僅是用於說明達成與運用本發明之特定方式，而不可用以侷限本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之切換 式電路之方塊圖。如第2圖所示，切換式電路200包括控制邏輯201、上橋驅動器202、上橋電晶體203、下橋驅動器204、下橋電晶體205以及升壓裝置210，其中輸入電壓VIN係大於供應電壓VS。
根據本發明之一實施例，切換式電路200係為一半橋驅動電路(half bridge driver)；根據本發明之另一實施例，切換式電路200係為切換式降壓轉換器；根據本發明之其他實施例，切換式電路200係為其他切換式電路，其中輸入電壓VIN係大於供應電壓VS。
如第2圖所示，控制邏輯201接收供應電壓VS之供應，並根據輸入信號SIN產生上橋驅動信號SHD至上橋驅動器202，並且產生下橋驅動信號SLD至下橋驅動器204。上橋驅動器202接收自舉節點NB之自舉電壓VB以及浮動參考節點NF之浮動參考電壓VF之供應，並根據上橋驅動信號SHD而產生上橋輸出信號SHO，用以控制上橋電晶體203之動作。根據本發明之一實施例，上橋輸出信號SHO之電壓位準係位於上述自舉電壓VB以及上述浮動參考電壓VF之間。
下橋驅動器204接收供應電壓VS之供應，並根據下橋驅動信號SLD而產生下橋輸出信號SLO，用以控制下橋電晶體205，用以控制下橋電晶體205之動作。根據本發明之一實施例，當下橋驅動器204利用下橋輸出信號SLO而控制下橋電晶體205導通時，上橋驅動器202利用上橋輸出信號SHO控制上橋電晶體203不導通，浮動參考節點NF係經由下橋電晶體205而耦接至接地端，使得浮動參考電壓VF係為0V。上橋驅動器202以 及下橋驅動器204，將於下文中加以詳細說明。
根據本發明之另一實施例，當下橋驅動器204控制下橋電晶體205不導通時，上橋驅動器202控制上橋電晶體203導通而將輸入電壓VIN提供至浮動參考節點NF，使得浮動參考電壓VF係等於輸入電壓VIN。由於上橋電晶體203以及下橋電晶體205係為相同的元件，為了維持上橋電晶體203與下橋電晶體205皆具有相同的閘極-源極跨壓，因此利用升壓裝置210將自舉電壓VB升壓至供應電壓VS以及輸入電壓VIN之和。
如第2圖所示，升壓裝置210包括電容211以及單向開關元件212。電容211耦接於自舉節點NB以及浮動參考節點NF之間。單向開關元件212耦接於供應電壓VS以及自舉節點NB之間，根據本發明之一實施例，當自舉電壓VB小於供應電壓VS時，單向開關元件212將供應電壓VS提供至自舉節點NB。
根據本發明之另一實施例，當自舉電壓VB高於供應電壓VS時，單相開關元件212將供應電壓VS與自舉節點NB隔離，以避免過高的自舉電壓VB回灌至供應電壓VS，而將其他的電路損毀。升壓裝置210將於下文中，詳細說明。
第3圖係顯示根據本發明之一實施例所述之升壓裝置之電路圖。如第3圖所示，升壓裝置300包括電容301以及蕭特基二極體302，其中蕭特基二極體302包括陽極端N1以及陰極端N2。陽極端N1接收供應電壓VS，陰極端N2耦接至自舉節點NB。與第2圖相比，單向開關元件212替換為蕭特基二極體302。
根據本發明之一實施例，當浮動參考節點NF耦接 至接地端時，供應電壓VS大於自舉電壓VB，蕭特基二極體302導通，使得供應電壓VS對電容301充電，電容301儲存之電壓差係為供應電壓VS。當輸入電壓VIN經由第2圖之上橋電晶體203提供至浮動參考節點NF時，浮動參考節點VF係等於輸入電壓VIN。由於電容301儲存之電壓差係為供應電壓VS，使得自舉電壓VB係為供應電壓VS以及輸入電壓VIN之和。
為了增加蕭特基二極體302對電容301之順向電流，蕭特基二極體302之金屬以及摻雜層之接觸面積需要增加，然而增加了金屬以及摻雜層之接觸面積後，蕭特基二極體302之反向電流隨之增加，使得當自舉電壓VB大於供應電壓VS時，蕭特基二極體302無法有效隔離自舉電壓VB以及供應電壓VS。因此，儘管蕭特基二極體302能夠作為單向開關元件212之應用，但是由於蕭特基二極體302本身物理特性的限制，而使得蕭特基二極體302的效能有所限制。
第4圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之升壓裝置之電路圖。如第4圖所示，升壓裝置400包括電容401以及基體絕緣二極體402，其中基體絕緣二極體402包括陽極端N1以及陰極端N2，其中陽極端N1接收供應電壓VS，陰極端N2耦接至自舉節點NB。與第2圖相比，單向開關元件212替換為基體絕緣二極體402。
儘管基體絕緣二極體402能夠提供較蕭特基二極體302更好的隔離效果，但是由於基體絕緣二極體402係位於P型基體之上，在基體絕緣二極體402順向導通的時候，供應電壓VS提供至電容401的順向電流中，有部份的電流會經由P型基 體流失而造成功率損耗。
第5圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之升壓裝置之電路圖。如第5圖所示，升壓裝置500包括電容501以及主動式二極體502，其中主動式二極體502耦接於供應電壓VS以及自舉節點NB之間，並接收控制電壓VC之控制。與第2圖相比，單向開關元件212替換為主動式二極體502。
根據本發明之一實施例，主動式二極體502係為N型或P型空乏型電晶體。根據本發明之另一實施例，主動式二極體502係為P型或N型接面場效電晶體。根據本發明之其他實施例，主動式二極體502係為目前已經發明以及尚未發明的常開(normally-ON)電晶體。
第6圖係顯示依據本發明之一實施例所述之常開電晶體之剖面圖。常開電晶體60為一N型裝置，且包括P型之一半導體基板600與設置於此半導體基板600上之一磊晶層(epitaxial layer)602。根據本發明之另一實施例，常開電晶體60係為一P型裝置，在此N型裝置僅用以說明之用。於磊晶層602上設置有一閘極結構616與一場絕緣層614。閘絕緣層618係設置於閘極結構616與場絕緣層614之間。閘絕緣層618之一部延伸並覆蓋了場絕緣層614之一部。
再者，於閘極結構616之兩側之磊晶層602內分別設置有P型之主體區606與N型之井區604。N型之井區604係設置於半導體基板600與磊晶層602兩者之內。P型之接觸區608與鄰近之N型之接觸區610共同形成了位於主體區606內之一源極區。N型之接觸區612形成了位於井區604內之一 汲極區。再者，於井區604內設置有一P+摻雜區632且其朝向主體區606延伸至井區604之外。常開電晶體60更包括堆疊於P+摻雜區632上之一N+摻雜區630。N+摻雜區630亦設置於井區604內且朝向主體區606延伸至井區604之外。於部分實施例中，此些N+摻雜區630與P+摻雜區632可經過延伸而交疊於主體區606之一部，但未接觸源極區608/610。於部分實施例中，N+摻雜區630以及P+摻雜區632可延伸至井區604之外但並未交疊於主體區606。
再者，常開電晶體60更包括電性連結於P型接觸區608與N型接觸區610之一導電源極電極620。一導電汲極電極624係電性連結於N型接觸區612。一導電閘極電極622係電性連結於閘極結構616。藉由層間介電層626的設置以覆蓋導電源極電極620、導電閘極電極622以及導電汲極電極624。
根據本發明之一實施例，第5圖之主動式二極體502係為第6圖之常開電晶體60，其中第6圖之導電源極電極620係接收第5圖之供應電壓VS，而導電汲極電極624係耦接自舉節點NB，並且導電閘極電極622用以接收控制電壓VC。當供應電壓VS大於自舉電壓VB時，供應電壓VS可自然地對電容501充電，並且常開電晶體60之導通電阻可因控制電壓VC增加而降低，而使得導通電阻可忽略不計。當自舉電壓VB大於供應電壓VS時，常開電晶體60可根據控制電壓VC而不導通，進而避免自舉電壓VB對供應電壓VS充電。
根據本發明之一實施例，由於主動式二極體502係 一常開電晶體，因此不需要偏壓則可導通。此外，更可藉由調整控制電壓VC而控制主動式二極體502之順向電流。當自舉電壓VB大於供應電壓VS時，主動式二極體502亦可根據控制電壓VC而不導通，藉以隔離供應電壓VS以及自舉節點NB。
以下將以主動式二極體502係為一N型空乏型電晶體為例，用以詳細說明本發明。當供應電壓VS大於自舉電壓VB時，由於N型空乏型電晶體常開之物理特性，當控制電壓VC為0V時，N型空乏型電晶體將供應電壓VS提供至自舉節點NB。隨著控制電壓VC增加，供應電壓VS經由N型空乏型電晶體流至自舉節點NB之電流亦隨之增加。
當自舉電壓VB大於供應電壓VS時，將控制電壓VC增加使得控制電壓VC減去供應電壓VS後小於N型空乏型電晶體之臨限電壓，即可不導通N型空乏型電晶體，進而隔離供應電壓VS以及自舉節點NB。
根據本發明之一實施例，當供應電壓VS大於自舉電壓VB時，控制電壓VC係為0V以導通N型空乏型電晶體。根據本發明之另一實施例，當供應電壓VS小於自舉電壓VB時，控制電壓VC係為供應電壓VS，使得N型空乏型電晶體不導通，而隔離供應電壓以及自舉節點NB。
根據本發明之一實施例，由於單向開關元件係為空乏型電晶體以及接面場效電晶體之一者，因此能夠整合至積體電路中，而達到降低生產成本之目的。並且，由於空乏型電晶體以及接面場效電晶體之物理特性，使得設計者能夠利用控制電壓VC而有效的控制單向開關元件之反向漏電流，也能夠 於順向導通時利用控制電壓VC來控制單向開關元件之電流驅動能力。
第7圖係顯示根據本發明之一實施例所述之第2圖之上橋驅動器之電路圖。如第7圖所示，上橋驅動器700包括第一P型電晶體701以及第一N型電晶體702。第一P型電晶體701之源極端耦接至自舉節點NB，汲極端輸出上橋輸出信號SHO，閘極端接收上橋驅動信號SHD。第一N型電晶體702之源極端耦接至浮動參考節點NF，汲極端輸出上橋輸出信號SHO，閘極端接收上橋驅動信號SHD。
第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之第2圖之下橋驅動器之電路圖。如第8圖所示，下橋驅動器800包括第二P型電晶體801以及第二N型電晶體802。第二P型電晶體801之源極端接收供應電壓VS，汲極端輸出下橋輸出信號SLO，閘極端接收下橋驅動信號SLD。第二N型電晶體802之源極端耦接至接地端，汲極端輸出下橋輸出信號SLO，閘極端接收下橋驅動信號SLD。
以上敘述許多實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者能夠清楚理解本說明書的形態。所屬技術領域中具有通常知識者能夠理解其可利用本發明揭示內容為基礎以設計或更動其他製程及結構而完成相同於上述實施例的目的及/或達到相同於上述實施例的優點。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解不脫離本發明之精神和範圍的等效構造可在不脫離本發明之精神和範圍內作任意之更動、替代與潤飾。
200‧‧‧切換式電路
201‧‧‧控制邏輯
202‧‧‧上橋驅動器
203‧‧‧上橋電晶體
204‧‧‧下橋驅動器
205‧‧‧下橋電晶體
210‧‧‧升壓裝置
211‧‧‧電容
212‧‧‧單向開關元件
SHD‧‧‧上橋驅動信號
SHO‧‧‧上橋輸出信號
SLD‧‧‧下橋驅動信號
SLO‧‧‧下橋輸出信號
NB‧‧‧自舉節點
NF‧‧‧浮動參考節點
VB‧‧‧自舉電壓
VF‧‧‧浮動參考電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VS‧‧‧供應電壓

Claims (16)

  1. 一種切換式轉換器，包括：一上橋驅動器，接收一自舉節點之一自舉電壓以及一浮動參考節點之一浮動參考電壓，並產生一上橋輸出信號；一上橋電晶體，根據上述上橋輸出信號，將一輸入電壓提供至上述浮動參考節點；一下橋驅動器，產生一下橋輸出信號；一下橋電晶體，根據上述下橋輸出信號，將上述浮動參考節點耦接至一接地端；一電容，耦接於上述自舉節點以及上述浮動參考節點之間；以及一主動式二極體，將一供應電壓提供至上述自舉節點，其中當上述自舉電壓高於上述供應電壓時，上述主動式二極體根據一控制電壓，將上述供應電壓與上述自舉節點隔離，其中上述主動式二極體更根據上述控制電壓，控制上述自舉電壓至上述供應電壓之一反向漏電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式轉換器，更包括：一控制邏輯，接收上述供應電壓，並根據一輸入信號產生一上橋驅動信號至上述上橋驅動器以及一下橋驅動信號至上述下橋驅動器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之切換式轉換器，其中上述上橋驅動器更包括： 一第一P型電晶體，源極端耦接至上述自舉節點，汲極端產生上述上橋輸出信號，閘極端接收上述上橋驅動信號；以及一第一N型電晶體，源極端耦接至上述浮動參考節點，汲極端產生上述上橋輸出信號，閘極端接收上述上橋驅動信號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之切換式轉換器，其中上述下橋驅動器更包括：一第二P型電晶體，源極端接收上述供應電壓，汲極端產生上述下橋輸出信號，閘極端接收上述下橋驅動信號；以及一第二N型電晶體，源極端耦接至上述接地端，汲極端產生上述下橋輸出信號，閘極端接收上述下橋驅動信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之切換式轉換器，其中上述主動式二極體係為一常開電晶體，其中當上述浮動參考節點耦接至上述接地端時，上述常開電晶體根據上述控制電壓，決定上述供應電壓對上述電容之一順向電流，使得上述電容儲存之一電壓差，其中當上述輸入電壓提供至上述浮動參考節點時，上述自舉電壓係為上述輸入電壓以及上述電壓差之和，上述常開電晶體更根據上述控制電壓，將上述供應電壓以及上述自舉節點隔離。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之切換式轉換器，其中上述主動式二極體係為一N型空乏型電晶體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之切換式轉換器，其中上述主 動式二極體係為一P型空乏型電晶體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之切換式轉換器，其中上述主動式二極體係為一N型接面場效電晶體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之切換式轉換器，其中上述主動式二極體係為一P型接面場效電晶體。
  10. 一種升壓裝置，包括：一電容，包括一第一節點以及一第二節點，其中上述第二節點交替地接收一第一電壓以及一第二電壓；以及一主動式二極體，將一供應電壓提供至上述第一節點，並根據一控制電壓將上述第一節點與上述供應電壓隔離，其中上述供應電壓小於上述第二電壓，且上述供應電壓大於上述第一電壓。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之升壓裝置，其中上述主動式二極體係為一常開電晶體，其中當上述第二節點接收上述第一電壓時，上述常開電晶體將上述供應電壓提供至上述第一節點，用以對上述電容充電，其中當上述第二節點接收上述第二電壓時，上述常開電晶體根據上述控制電壓將上述供應電壓以及上述第一節點隔離。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之升壓裝置，其中當上述第二節點接收上述第一電壓時，上述常開電晶體根據上述控制電壓，決定上述供應電壓對上述電容之一順向電流，使得上述電容儲存之一電壓差，其中當上述第二節點耦接至上述第二電壓時，上述第一節點之電壓係為上述第二電壓以 及上述電壓差之和，上述常開電晶體更根據上述控制電壓，將上述供應電壓以及上述第一節點隔離，避免上述電容對上述供應電壓放電，其中上述電壓差係為上述供應電壓減去上述第一電壓。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之升壓裝置，其中上述主動式二極體係為一N型空乏型電晶體。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之升壓裝置，其中上述主動式二極體係為一P型空乏型電晶體。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之升壓裝置，其中上述主動式二極體係為一N型接面場效電晶體。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之升壓裝置，其中上述主動式二極體係為一P型接面場效電晶體。
TW104127102A 2015-08-20 2015-08-20 切換式轉換器以及升壓裝置 TWI566509B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104127102A TWI566509B (zh) 2015-08-20 2015-08-20 切換式轉換器以及升壓裝置
US14/957,163 US10033260B2 (en) 2015-08-20 2015-12-02 Boost devices with active diodes and switch-mode converters thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104127102A TWI566509B (zh) 2015-08-20 2015-08-20 切換式轉換器以及升壓裝置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI566509B true TWI566509B (zh) 2017-01-11
TW201709651A TW201709651A (zh) 2017-03-01

Family

ID=58158549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104127102A TWI566509B (zh) 2015-08-20 2015-08-20 切換式轉換器以及升壓裝置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10033260B2 (zh)
TW (1) TWI566509B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7265344B2 (ja) * 2018-11-09 2023-04-26 ローム株式会社 電源ｉｃ及び電源回路
US10784764B2 (en) 2019-02-01 2020-09-22 Texas Instruments Incorporated Switched-mode DC/DC converter having a bootstrapped high-side driver
US11251691B2 (en) * 2019-09-23 2022-02-15 Stmicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd Floating power supply for a driver circuit configured to drive a high-side switching transistor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200845544A (en) * 2007-05-08 2008-11-16 Richtek Technology Corp Charging circuit for bootstrap capacitor and integrated driver circuit using same
TW201145775A (en) * 2010-06-07 2011-12-16 Richtek Technology Corp Control circuit of switching regulator and control method thereof and transistor device therefor
US20130002313A1 (en) * 2004-01-28 2013-01-03 Renesas Electronics Corporation Switching power supply device and a semiconductor integrated circuit
TW201424233A (zh) * 2012-12-06 2014-06-16 Anpec Electronics Corp 靴帶式直流至直流轉換器
TW201505341A (zh) * 2013-07-19 2015-02-01 Upi Semiconductor Corp 電源轉換器的驅動器及其驅動控制方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10001394A1 (de) 2000-01-14 2001-07-26 Infineon Technologies Ag Schaltungsanordnung zum Anlegen einer Versorgungsspannung an eine Last
US6903535B2 (en) * 2002-04-16 2005-06-07 Arques Technology, Inc. Biasing system and method for low voltage DC—DC converters with built-in N-FETs
US7145316B1 (en) * 2005-06-06 2006-12-05 Micrel, Inc. Control circuit for monitoring and maintaining a bootstrap voltage in an N-channel buck regulator
US20080123373A1 (en) 2006-11-29 2008-05-29 General Electric Company Current fed power converter system including normally-on switch
CN101247080B (zh) 2007-02-16 2011-05-11 立锜科技股份有限公司 对电压转换器的自举电容充电的电路
JP5586088B2 (ja) 2010-06-07 2014-09-10 ローム株式会社 昇圧型ｄｃ／ｄｃコンバータ及びこれを備えた電子機器
US8310284B2 (en) * 2011-01-07 2012-11-13 National Semiconductor Corporation High-voltage gate driver that drives group III-N high electron mobility transistors
US8593211B2 (en) * 2012-03-16 2013-11-26 Texas Instruments Incorporated System and apparatus for driver circuit for protection of gates of GaN FETs
US10041982B2 (en) * 2012-08-15 2018-08-07 Texas Instruments Incorporated Switch mode power converter current sensing apparatus and method
CN102904565B (zh) 2012-10-09 2014-05-28 长安大学 一种用于dc-dc驱动的超低静态电流的电平移位电路
TWI521847B (zh) * 2014-04-29 2016-02-11 鉅晶電子股份有限公司 高壓靴帶式閘極驅動裝置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130002313A1 (en) * 2004-01-28 2013-01-03 Renesas Electronics Corporation Switching power supply device and a semiconductor integrated circuit
TW200845544A (en) * 2007-05-08 2008-11-16 Richtek Technology Corp Charging circuit for bootstrap capacitor and integrated driver circuit using same
TW201145775A (en) * 2010-06-07 2011-12-16 Richtek Technology Corp Control circuit of switching regulator and control method thereof and transistor device therefor
TW201424233A (zh) * 2012-12-06 2014-06-16 Anpec Electronics Corp 靴帶式直流至直流轉換器
TW201505341A (zh) * 2013-07-19 2015-02-01 Upi Semiconductor Corp 電源轉換器的驅動器及其驅動控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW201709651A (zh) 2017-03-01
US10033260B2 (en) 2018-07-24
US20170054369A1 (en) 2017-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI571040B (zh) 上橋電路
JP5267616B2 (ja) 駆動制御装置
US8664927B2 (en) Voltage regulator
US9369038B2 (en) Semiconductor integrated circuit and power supply circuit
JP6658021B2 (ja) 半導体装置
US9306059B2 (en) Power semiconductor transistor with improved gate charge
JP4995873B2 (ja) 半導体装置及び電源回路
CN105845164B (zh) 电压产生电路、快闪存储器及半导体装置
TWI727349B (zh) 降壓轉換器電路以及降壓轉換方法
TWI566509B (zh) 切換式轉換器以及升壓裝置
CN108111023B (zh) 用于半桥二极管的控制电路
US20190341846A1 (en) Voltage Converter and Method for Voltage Conversion
US9774250B2 (en) Cold start DC/DC converter
US7700970B2 (en) Integrated power device having a start-up structure
JP2013165498A (ja) 駆動制御装置
JP2010187463A (ja) チャージポンプ回路および電源切換え装置
CN106487220B (zh) 切换式转换器以及升压装置
US10666158B2 (en) Rectifier device
US7863707B2 (en) DC-DC converter
US20140063882A1 (en) Circuit Arrangement with Two Transistor Devices
KR100902596B1 (ko) 반도체 소자와 그의 제조방법 및 반도체 소자를 이용한변압회로
CN106487206B (zh) 上桥电路
JP6329054B2 (ja) スイッチング回路
JP2015015345A (ja) 半導体回路および電力変換回路