TWI771816B - 開關穩壓器 - Google Patents

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Abstract

一種開關穩壓器，包括：第一電源開關和電感器，其中所述第一電源開關耦接在所述開關穩壓器的輸入端和所述電感器的第一端之間，所述電感器的第二端耦接到所述開關穩壓器的輸出端；二極管，當所述第一電源開關截止時正向偏置以提供耦接到所述電感器的所述第一端的電流路徑；第一驅動器，用於驅動所述第一電源開關；和驅動器電源箝位器，用於箝位所述第一驅動器的接地端處的電壓。

Description

開關穩壓器
本發明涉及穩壓器，特別地涉及開關穩壓器。
開關穩壓器是使用開關元件將輸入電源轉換成穩定的輸出電壓的電壓穩壓器。通過導通(on)和截止(off)電源開關(例如MOSFET)，電源可從輸入提供給輸出。與標準線性穩壓器相比，開關穩壓器的主要優點是效率更高。通過內在地在導通狀態和截止狀態之間切換電源開關，可以獲得較低的功耗。反复切換電源開關可以有效地提供電壓，並且產生較少的熱量。
然而，電源開關的切換可能導致電路中的電壓尖峰(voltage spike)。響應於電源開關的切換，印刷電路板(PCB)或其他封裝組件引入的寄生電容和電感可能會而引起信號彈跳(bounce)。信號彈跳包括例如接地彈跳(ground bounce)，電源彈跳(supply bounce)和輸出彈跳(output bounce)。信號彈跳產生的電勢差將可能使電路中的某些設備受到壓力甚至損壞。
圖1A描繪了降壓(buck)穩壓器102。當電源開關Mp從導通狀態切換到截止狀態時，在降壓穩壓器102的內部電源PVDD處存在正電壓尖峰(由於寄生電感的電流連續性)和電源開關Mp和Mn之間的連接端處存在負電壓尖峰(由於對寄生電容進行放電)。在這樣的過渡間隔期間，強電壓應力(voltage stress)被施加到電源開關Mp。電源開關Mp可能會被損壞。
圖1B示出了升壓(boost)穩壓器104。當電源開關Mn從導通 狀態切換到截止狀態時，在升壓穩壓器104的內部接地Pgnd處存在負電壓尖峰(由於寄生電感的電流連續性)和電源開關Mp和Mn之間的連接端處存在正電壓尖峰(由於對寄生電容進行充電)。在這樣的過渡間隔期間，強的電壓應力被施加到電源開關Mn。電源開關Mn可能會被損壞。
如何保護電源開關Mp和Mn以及電源開關驅動器中的MOS(例如MOSFET)不受損壞是開關穩壓器領域中的重要問題。
本發明提供開關穩壓器，可保護開關穩壓器中的電源開關及電源開關驅動器中的MOS不受損壞。
在一些實施例中，本發明提供的開關穩壓器可包括：第一電源開關和電感器，其中所述第一電源開關耦接在所述開關穩壓器的輸入端和所述電感器的第一端之間，所述電感器的第二端耦接到所述開關穩壓器的輸出端；二極管，當所述第一電源開關截止時正向偏置以提供耦接到所述電感器的所述第一端的電流路徑；第一驅動器，用於驅動所述第一電源開關；和驅動器電源箝位器，用於箝位所述第一驅動器的接地端處的電壓。這樣的穩壓器通過驅動器電源箝位器鉗位第一驅動器的接地端處的電壓，由此，可保護開關穩壓器中的電源開關及電源開關驅動器中的MOS不受損壞。
在一些實施例中，本發明提供的開關穩壓器可包括：電感器和第一電源開關，其中，所述電感器的第一端耦接至所述開關穩壓器的輸入端，所述第一電源開關耦接在所述電感器的第二端和電源的負電源端之間；二極管，當所述第一電源開關截止時正向偏置，以在所述電感器的所述第二端和所述開關穩壓器的輸出端之間建立電流路徑；第一驅動器，用於驅動所述第一電源開關；和驅動器電源箝位器，用於箝位所述第一驅動器的電源端處的電壓。這樣 的穩壓器通過驅動器電源箝位器鉗位第一驅動器的電源端處的電壓，由此，可保護開關穩壓器中的電源開關及電源開關驅動器中的MOS不受損壞。
102,202:降壓穩壓器
Vin:輸入端
PVDD:內部電源
Pgnd:內部接地
Vout:輸出端
Mp,Mn:電源開關
VSS:負電源端
104,222:升壓穩壓器
Vboost:內部升壓端/升壓電壓
LP1,LP2:寄生電感器
216,214,238,232:電源端
204,206,226,224:驅動器
212,218,234,236:接地端
208,228:驅動器電源箝位器
PVDD_clamp:箝位的內部電源
Pgnd_clamp:箝位的內部接地
t1:電感器L的第一端
L:電感器
t2:電感器L的第二端
210,230:體二極管
R1,R2,R3,R4:電阻元件
502,504:分壓器
圖1A描繪了降壓(buck)穩壓器102。
圖1B示出了升壓(boost)穩壓器104。
圖2A根據本發明的示例性實施例描繪了降壓(buck)穩壓器202。
圖2B根據本發明的示例性實施例描繪了升壓(boost)穩壓器222。
圖3描繪了由驅動器電源箝位器208/228產生的箝位的內部電源PVDD_clamp(或箝位的升壓電壓Vboost_clamp)和箝位的內部接地Pgnd_clamp。
圖4A根據本發明的示例性實施例描繪了降壓穩壓器202的驅動器電源箝位器的時序。
圖4B根據本發明的示例性實施例描繪了升壓穩壓器222的驅動器電源箝位器的時序。
圖5A描繪了用於降壓穩壓器202的驅動器電源箝位操作的第一分壓器502和第二分壓器504。
圖5B示出了用於升壓穩壓器222的驅動器電源箝位操作的第一分壓器506和第二分壓器508。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬技術領域具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元 件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的“包含”及“包括”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定於”。“大體上”是指在可接受的誤差範圍內，所屬技術領域具有通常知識者能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接於該第二裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電性連接至該第二裝置。以下所述為實施本發明的較佳方式，目的在於說明本發明的精神而非用以限定本發明的保護範圍，本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為准。
接下面的描述為本發明預期的最優實施例。這些描述用於闡述本發明的大致原則而不應用於限制本發明。本發明的保護範圍應在參考本發明的申請專利範圍的基礎上進行認定。
在本發明中引入了一種箝位電源開關驅動器的電源或接地的開關穩壓器。
圖2A根據本發明的示例性實施例描繪了降壓(buck)穩壓器202。
降壓穩壓器202具有第一電源開關Mp，第二電源開關Mn，電感器L，被配置為驅動第一電源開關Mp的第一驅動器(Mp驅動器)204，被配置為驅動第二電源開關Mn的第二驅動器(Mn驅動器)206，以及用於箝位第一驅動器204的電源並箝位第二驅動器206的接地的驅動器電源箝位器208。
第一電源開關Mp耦接在降壓穩壓器202的輸入端Vin和電感器L的第一端t1之間，電感器L的第二端t2耦接在降壓穩壓器202的輸出端Vout。第二電源開關Mn耦接在電感器L的第一端t1和降壓穩壓器202的內部接地Pgnd之間。
當第一電源開關Mp導通時，第二電源開關Mn的體二極管210 被反向偏置(reverse biased)。電流從降壓穩壓器202的輸入端Vin流到電感器L，再到降壓穩壓器202的輸出端Vout處的連接負載。當第一電源開關Mp截止時，第二電源開關Mn的體二極管210被正向偏置(forward biased)以建立耦接到電感L的第一端t1的電流路徑。由於電流路徑建立了環路，電感L中存儲的能量迫使電流繼續以相同的方向流經負載L。在降壓穩壓器202的輸出端Vout處產生降壓電壓。
應當注意，驅動器電源箝位器208產生箝位的內部接地Pgnd_clamp以箝位第一驅動器204的接地端212處的電壓。以這種方式，在第一驅動器204的接地端212處的彈跳被控制在有限的區域內。第一電源開關Mp在安全區域中操作並被保護而免受圖1A所示的電壓應力損壞。此外，第一驅動器204中的MOS也被保護而免受損壞。
在該示例中，驅動器電源箝位器208進一步產生箝位的內部電源PVDD_clamp以箝位第二驅動器206的電源端214處的電壓。因此，第二驅動器206的電源端214處的彈跳被控制在有限的區域內。第二電源開關Mn也由驅動器電源箝位器208保護。此外，第二驅動器206中的MOS也被保護而免受損壞。
在該段中描述了降壓穩壓器202的更多細節。第一驅動器204包括耦接至降壓穩壓器202的內部電源PVDD的電源端216。第一電源開關Mp是PMOS，包括被第一驅動器204的電源端216偏置的源極，由第一驅動器204控制的柵極和耦接至電感器L的第一端t1的漏極。第二驅動器206包括耦接至降壓穩壓器202的內部接地Pgnd的接地端218。第二電源開關Mn是NMOS，包括被第二驅動器206的接地端218偏置的源極，由第二驅動器206控制的柵極，和耦接到電感器L的第一端t1的漏極。在降壓穩壓器202的輸入端Vin和內部電源PVDD之間存在第一寄生電感器LP1，以及在內部接地Pgnd和電源的負電源端VSS之間存在第二寄生電感器LP2。降壓穩壓器架構可能會有其他變 化。
在一些示例性的實施例中，降壓穩壓器202的第二電源開關Mn被二極管替代。當第一電源開關Mp導通時，二極管被反向偏置，而當第一電源開關Mp截止時，二極管被正向偏置。
圖2B根據本發明的示例性實施例描繪了升壓(boost)穩壓器222。
升壓穩壓器222包括第一電源開關Mn，第二電源開關Mp，電感器L，配置為驅動第一電源開關Mn的第一驅動器(Mn驅動器)224，配置為驅動第二電源開關Mp的第二驅動器(Mp驅動器)226，以及箝位第一驅動器224的電源並箝位第二驅動器226的接地的驅動器電源箝位器228。
升壓穩壓器222的輸入端Vin耦接到電感器L的第一端t1，並且第一電源開關Mn耦接在電感器L的第二端t2和電源的負電源端VSS之間。
當第一電源開關Mn導通時，第二電源開關Mp的體二極管230被反向偏置。由於導通的第一電源開關Mn提供的較短的內部路徑，流過電感器L的電流增加。當第一電源開關Mn截止時，第二電源開關Mp的體二極管230被正向偏置，以在電感器L的第二端t2和升壓穩壓器222的輸出端Vout之間建立電流路徑。存儲在電感器L中的能量在升壓穩壓器222的輸出端Vout處被推到連接的負載。在升壓穩壓器222的輸出端Vout處產生升壓電源。升壓穩壓器222還具有內部升壓端Vboost(升壓電壓也標記為Vboost)。
應當注意，驅動器電源箝位器228產生箝位的升壓電壓Vboost_clamp以箝位第一驅動器224的電源端232處的電壓。以這種方式，在第一驅動器224的電源端232處的彈跳被控制在有限的區域內。第一電源開關Mn在安全區域中操作，受到保護而免受圖1B所示的電壓應力損壞。此外，第一驅動器224中的MOS也被保護而免受損壞。
在該示例中，驅動器電源箝位器228還產生箝位的內部接地Pgnd_clamp以箝位第二驅動器226的接地端234處的電壓。因此，第二驅動器226的接地端234處的彈跳被控制在有限的區域內。第二電源開關Mp也由驅動器電源箝位器228保護。此外，第二驅動器226中的MOS也被保護而免受損壞。
在該段中描述了升壓穩壓器222的更多細節。第一驅動器224包括耦接至升壓穩壓器222的內部接地Pgnd的接地端236。第一電源開關Mn是NMOS，包括被第一驅動器224的接地端236偏置的源極，由第二驅動器224控制的柵極和耦接到電感器L的第二端t2的漏極。第二驅動器226包括電源端238，電源端238是耦接到升壓穩壓器222的輸出端Vout的內部升壓端Vboost。第二電源開關Mp是PMOS，包括被第二驅動器226的電源端238偏置的源極，被第二驅動器226控制的柵極和耦接到電感器L的第二端t2的漏極。在內部接地Pgnd和電源的負電源端VSS之間存在第一寄生電感器LP1，且在升壓穩壓器222的輸出端Vout和內部升壓端Vboost之間存在第二寄生電感器LP2。
在一些示例性實施例中，升壓穩壓器222的第二電源開關Mp由二極管代替。當第一電源開關Mn導通時，二極管反向偏置，而當第一電源開關Mn截止時，二極管正向偏置。
圖3描繪了由驅動器電源箝位器208/228產生的箝位的內部電源PVDD_clamp(或箝位的升壓電壓Vboost_clamp)和箝位的內部接地Pgnd_clamp。驅動器電源箝位器208/228由內部電源PVDD(或升壓電壓Vboost)供電，並接地至內部接地Pgnd。如圖所示，內部電源PVDD的彈跳(或升壓電壓Vboost的彈跳)和內部接地Pgnd的彈跳被有效地箝位。箝位的內部電源PVDD_clamp(或箝位的升壓電壓Vboost_clamp)和箝位的內部接地Pgnd_clamp被應用於電源開關驅動器，以保護電源開關Mp和Mn以及電源開關驅動器的MOS免受損壞。
圖4A根據本發明的示例性實施例描繪了降壓穩壓器202的驅動器電源箝位器的時序。驅動器電源箝位器208在第一驅動器204將第一電源開關Mp從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間被激活。
圖4B根據本發明的示例性實施例描繪了升壓穩壓器222的驅動器電源箝位器的時序。驅動器電源箝位器228在第一驅動器224將第一電源開關Mn從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間被激活。
在一些示例性實施例中，驅動器電源箝位器208/228由分壓器實現。
圖5A描繪了用於降壓穩壓器202的驅動器電源箝位操作的第一分壓器502和第二分壓器504。第一分壓器502包括串聯耦接在降壓穩壓器202的內部電源PVDD和降壓穩壓器202的內部接地Pgnd之間的第一電阻元件R1和第二電阻元件R2。第一驅動器204的接地端212處的電壓被第一電阻元件R1和第二電阻元件R2之間的連接端處的分壓箝位。第二分壓器504包括串聯耦接在降壓穩壓器202的內部電源PVDD和降壓穩壓器202的內部接地Pgnd之間的第三電阻元件R3和第四電阻元件R4。第二驅動器206的電源端214處的電壓被第三電阻元件R3和第四電阻元件R4之間的連接端處的分壓箝位。應當注意的是，圖5A中所示的驅動器電源箝位在第一驅動器204將第一電源開關Mp從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間執行。
圖5B示出了用於升壓穩壓器222的驅動器電源箝位操作的第一分壓器506和第二分壓器508。第一分壓器506包括串聯耦接在升壓穩壓器222的升壓電壓Vboost和內部接地Pgnd之間的第一電阻元件R1和第二電阻元件R2。第一驅動器224的電源端232上的電壓被第一電阻元件R1和第二電阻元件R2之間的連接端上的分壓箝位。第二分壓器508包括串聯耦接在升壓穩壓器222的升壓電壓Vboost和內部接地Pgnd之間的第三電阻元件R3和第四電阻元件 R4。第二驅動器226的接地端234處的電壓被第三電阻元件R3和第四電阻元件R4之間的連接端處的分壓箝位。應當注意的是，圖5B中所示的驅動器電源箝位在第一驅動器224將第一電源開關Mn從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間執行。
開關穩壓器架構可以有各種修改。具有驅動器電源箝位器的任何開關穩壓器應被認為在本發明的範圍內。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視申請專利範圍所界定者為准。
202:降壓穩壓器
Vin:輸入端
PVDD:內部電源
Pgnd:內部接地
Vout:輸出端
Mp,Mn:電源開關
VSS:負電源端
LP1,LP2:寄生電感器
216,214:電源端
204,206:驅動器
212,218:接地端
208:驅動器電源箝位器
PVDD_clamp:箝位的內部電源
Pgnd_clamp:箝位的內部接地
t1:電感器L的第一端
L:電感器
t2:電感器L的第二端
210:體二極管

Claims (16)

  1. 一種開關穩壓器，包括：第一電源開關和電感器，其中所述第一電源開關耦接在所述開關穩壓器的輸入端和所述電感器的第一端之間，所述電感器的第二端耦接到所述開關穩壓器的輸出端；二極管，當所述第一電源開關截止時正向偏置以提供耦接到所述電感器的所述第一端的電流路徑；第一驅動器，用於驅動所述第一電源開關；驅動器電源箝位器，用於箝位所述第一驅動器的接地端處的電壓；和第二電源開關，耦接在所述電感器的所述第一端和所述開關穩壓器的內部接地之間，其中：當所述第一電源開關截止時，正向偏置的所述二極管為所述第二電源開關的體二極管。
  2. 如請求項1所述的開關穩壓器，還包括：第二驅動器，用於驅動所述第二電源開關，其中，所述驅動器電源箝位器還用於箝位所述第二驅動器的電源端處的電壓。
  3. 如請求項1或2所述的開關穩壓器，其中：所述驅動器電源箝位器包括第一分壓器；所述第一分壓器包括串聯連接在所述開關穩壓器的內部電源和所述開關穩壓器的內部接地之間的第一電阻元件和第二電阻元件；和所述第一驅動器的接地端處的電壓被所述第一電阻元件和所述第二電阻元件之間的連接端處的分壓箝位。
  4. 如請求項3所述的開關穩壓器，其中： 所述第一電阻器和第二電阻器之間的連接端在所述第一驅動器將所述第一電源開關從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間被連接到所述第一驅動器的所述接地端。
  5. 如請求項3所述的開關穩壓器，其中：所述驅動器電源箝位器還包括第二分壓器；所述第二分壓器包括串聯連接在所述開關穩壓器的所述內部電源和所述開關穩壓器的所述內部接地之間的第三電阻元件和第四電阻元件；和所述第二驅動器的所述電源端處的電壓被所述第三電阻元件和所述第四電阻元件之間的連接端處的分壓箝位。
  6. 如請求項5所述的開關穩壓器，其中：在所述第一驅動器將所述第一電源開關從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間，所述第一電阻元件和所述第二電阻元件之間的連接端被連接到所述第一驅動器的所述接地端以及所述第三電阻元件和所述第四電阻元件之間的連接端被連接到所述第二驅動器的所述電源端。
  7. 如請求項6所述的開關穩壓器，其中：所述第一驅動器包括耦接至所述開關穩壓器的所述內部電源的電源端；所述第一電源開關為PMOS，所述PMOS包括被所述第一驅動器的所述電源端偏置的源極，被所述第一驅動器控制的柵極，以及耦接至所述電感器的所述第一端的漏極；所述第二驅動器包括耦接到所述開關穩壓器的所述內部接地的接地端；和所述第二電源開關是NMOS，所述NMOS包括被所述第二驅動器的所述接地端偏置的源極，被所述第二驅動器控制的柵極，以及耦接到所述電感器的所述第一端的漏極。
  8. 如請求項7所述的開關穩壓器，還包括： 所述開關穩壓器的所述輸入端和所述開關穩壓器的所述內部電源之間的第一寄生電感器；和所述開關穩壓器的所述內部接地和電源的負電源端之間的第二寄生電感器。
  9. 一種開關穩壓器，包括：電感器和第一電源開關，其中，所述電感器的第一端耦接至所述開關穩壓器的輸入端，所述第一電源開關耦接在所述電感器的第二端和電源的負電源端之間；二極管，當所述第一電源開關截止時正向偏置，以在所述電感器的所述第二端和所述開關穩壓器的輸出端之間建立電流路徑；第一驅動器，用於驅動所述第一電源開關；驅動器電源箝位器，用於箝位所述第一驅動器的電源端處的電壓；第二電源開關，耦接在所述電感器的所述第二端和所述開關穩壓器的所述輸出端之間，其中：當所述第一電源開關截止時，正向偏置的所述二極管為所述第二電源開關的體二極管。
  10. 如請求項9所述的開關穩壓器，還包括：第二驅動器，用於驅動所述第二電源開關，其中，所述驅動器電源箝位器還用於箝位所述第二驅動器的接地端處的電壓。
  11. 如請求項9或10所述的開關穩壓器，其中：所述驅動器電源箝位器包括第一分壓器；和所述第一分壓器包括串聯耦接在所述開關穩壓器的升壓端和所述開關穩壓器的內部接地之間的第一電阻元件和第二電阻元件；和 所述第一驅動器的電源端處的電壓被所述第一電阻元件和所述第二電阻元件之間的連接端處的分壓箝位。
  12. 如請求項11所述的開關穩壓器，其中：所述第一電阻元件和所述第二電阻元件之間的連接端在所述第一驅動器將所述第一電源開關從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間被連接到所述第一驅動器的所述電源端。
  13. 如請求項11所述的開關穩壓器，其中：所述驅動器電源箝位器還包括第二分壓器；和所述第二分壓器包括串聯耦接在所述開關穩壓器的升壓端和所述開關穩壓器的內部接地之間的第三電阻元件和第四電阻元件；和所述第二驅動器的接地端處的電壓被所述第三電阻元件和所述第四電阻元件之間的連接端處的分壓箝位。
  14. 如請求項13所述的開關穩壓器，其中：在第一驅動器將第一電源開關從導通狀態切換到截止狀態的過渡間隔期間，所述第一電阻元件和所述第二電阻元件之間的連接端被連接到第一驅動器的所述電源端以及所述第三電阻元件和第四電阻元件之間連接端被連接到所述第二驅動器的所述接地端。
  15. 如請求項14所述的開關穩壓器，其中：所述第一驅動器包括耦接到所述開關穩壓器的所述內部接地的接地端；所述第一電源開關是NMOS，所述NMOS包括被所述第一驅動器的所述接地端偏置的源極，被所述第一驅動器控制的柵極，耦接到所述電感器的所述第二端的漏極；所述第二驅動器包括耦接到所述開關穩壓器的所述升壓端的電源端；和所述第二電源開關是PMOS，所述PMOS包括被所述第二驅動器的所述電 源端偏置的源極，被所述第二驅動器控制的柵極，耦接到所述電感器的所述第二端的漏極。
  16. 如請求項15所述的開關穩壓器，還包括：所述開關穩壓器的所述內部接地和所述電源的所述負電源端之間的第一寄生電感器；和所述電源的正電源端和所述開關穩壓器的所述輸出端之間的第二寄生電感器。
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