專利名稱：采用同步整流場(chǎng)效應(yīng)三極管驅(qū)動(dòng)器中的比較器的探測(cè)相位的體二極管的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖寬度調(diào)制(PWM)功率校正器，特別是涉及采用同步整流金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)三極管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器中的自動(dòng)零點(diǎn)比較器的探測(cè)相位體二極管的方法。
背景技術(shù)：
功率校正器所用同步整流場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)驅(qū)動(dòng)器包含串聯(lián)耦合在輸入電壓信號(hào)與地之間的中間相位節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)。輸出電感的一邊耦合到該相位節(jié)點(diǎn)，另一邊耦合到一個(gè)負(fù)載。一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)反饋電路往復(fù)活化二開關(guān)FET以校正供給負(fù)載的功率。PWM邏輯響應(yīng)于具有雙邏輯態(tài)來(lái)表示每個(gè)PWM周期的相位的PWM信號(hào)。在每個(gè)PWM周期的一個(gè)相位中，上FET開通而下FET關(guān)斷，然后在該P(yáng)WM周期的另一個(gè)相位中，上FET關(guān)斷而下FET開通。在這樣往復(fù)活化運(yùn)作之時(shí)，此PWM控制電路校正PWM占空因數(shù)來(lái)控制發(fā)送給負(fù)載的功率。
主要為了防止FET中任一個(gè)過(guò)早活化而設(shè)計(jì)了貫通的保護(hù)。兩個(gè)FET的同時(shí)活化會(huì)導(dǎo)致效率明顯下降，還可能損壞系統(tǒng)。貫通保護(hù)設(shè)計(jì)需要對(duì)FET活化之時(shí)的探測(cè)時(shí)間的快環(huán)響應(yīng)。最好是每個(gè)PWM周期的兩個(gè)相位邊緣的死時(shí)間盡可能小，以便改進(jìn)功率轉(zhuǎn)換效率或者說(shuō)使之盡可能大。須考慮的一個(gè)重要的死時(shí)間為表明下FET處在關(guān)斷狀態(tài)的該下FET的體二極管開始導(dǎo)通的時(shí)間。體二極管探測(cè)是挑戰(zhàn)性的，因?yàn)橹饕?dāng)FET處于開通態(tài)時(shí)電壓下降造成的相位節(jié)點(diǎn)的可變化性，以及立即關(guān)斷該FET引起的自然振蕩。在為了減小死時(shí)間的嘗試中，過(guò)早探測(cè)會(huì)引起誤探測(cè)，而遲的探測(cè)又增加了死時(shí)間。
“相位”節(jié)點(diǎn)(the PHASE node)的電壓是下FET的RDSON和換流器負(fù)載電流的副產(chǎn)品。例如，RDSON為5毫歐姆，負(fù)載電流為20安培(A)，則PHASE節(jié)點(diǎn)的電壓降近似為地電位以下100毫伏(mV)，或-100mV。該RDSON可依賴FET變化，且隨溫度而變。在別的各種變化因素中，溫度和電流負(fù)載引起PHASE節(jié)點(diǎn)電壓隨時(shí)間一周一周地變化。這類變化使得確定何時(shí)下FET關(guān)斷及何時(shí)上FET該活化變得困難。在一些常規(guī)結(jié)構(gòu)中為了嘗試確定何時(shí)FET關(guān)斷，采取監(jiān)視下FET門驅(qū)動(dòng)信號(hào)，稱為L(zhǎng)GATE。特別當(dāng)LGATE降到預(yù)定電壓水平，例如1.5伏特(V)，就假定下FET關(guān)斷了而可以開通上FET了。這種方案有些不可靠也不連貫。溫度、負(fù)載和別的因素變化引起的隨時(shí)間一周一周間明顯變化導(dǎo)致難以預(yù)料的結(jié)果和效率的明顯下降。經(jīng)常出現(xiàn)自下FET關(guān)斷到上FET活化之間的死時(shí)間大得明顯降低效率的情況。最好是既能防止誤觸發(fā)開關(guān)、避免連累死時(shí)間，又能識(shí)別探測(cè)體二極管的恰當(dāng)時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的同步整流場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)驅(qū)動(dòng)器所用的體二極管比較器電路包含了一個(gè)取樣電路和一個(gè)比較器。該FET驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)耦合在一對(duì)上、下開關(guān)FET之間的相位節(jié)點(diǎn)，并響應(yīng)于一個(gè)在每一周期具有第一和第二相位的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)，該取樣電路對(duì)該相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓取樣，并在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)，給出一個(gè)表征初始相位電壓被加到相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平上的和電壓。該比較器將此和電壓與預(yù)定的參考電壓比較后，給出表征在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)的下FET活化狀態(tài)的輸出信號(hào)。當(dāng)比較器表明下FET為關(guān)斷時(shí)，該FET驅(qū)動(dòng)器開通上FET。
這樣，在每一周期相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓水平得到取樣和儲(chǔ)存，而相位節(jié)點(diǎn)相對(duì)其初始水平的電壓降也與預(yù)定值作比較。初始相位電壓水平的取樣補(bǔ)償了連累下FET狀態(tài)探測(cè)的各種因素，諸如所用的FET的類型、負(fù)載狀況、溫度變化等等。這樣，(上、下)FET的活化之間的死時(shí)間減到最小，而且從一周到下一周也一致起來(lái)，從而改進(jìn)了效率和性能。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二電壓源分別提供預(yù)定參考電壓和一個(gè)公共模式電壓。一個(gè)開關(guān)電路在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)將預(yù)定參考電壓與該公共模式電壓之間的第一差值電壓加以儲(chǔ)存，而在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)將該第一差值電壓施加到比較器上。在此情況，同一個(gè)電路還運(yùn)作來(lái)在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)將該公共模式電壓與相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓之間的第二差值電壓加以儲(chǔ)存，而在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)將相位節(jié)點(diǎn)電壓與第二差值電壓的和提供給比較器。在更特殊的實(shí)施例中，所述比較中相應(yīng)電壓水平的取樣和儲(chǔ)存采用了電容器和開關(guān)。該比較器可包含一個(gè)消隱電路之類來(lái)補(bǔ)償在開關(guān)時(shí)相位節(jié)點(diǎn)的初始振蕩。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的整流同步FET功率校正器包含了上和下FET、PWM邏輯和一個(gè)比較器電路。此二個(gè)FET一起耦合在一個(gè)相位節(jié)點(diǎn)，處于輸入電壓信號(hào)與一個(gè)電壓源的參考端之間。根據(jù)具有第一和第二狀態(tài)的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM邏輯開關(guān)該上和下FET。該比較器電路用來(lái)探測(cè)下FET的活化狀態(tài)，它包含一個(gè)取樣電路和一個(gè)比較器。該取樣電路在PWM信號(hào)的第一狀態(tài)時(shí)對(duì)相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓取樣，而在PWM信號(hào)的第二狀態(tài)時(shí)提供一個(gè)表示相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓與其電壓水平的和的和電壓。該比較器將此和電壓與預(yù)定參考電壓比較后給出表示下FET的活化狀態(tài)的輸出?？捎肕OSFET之類器件來(lái)實(shí)施所述二FET。
一個(gè)同步整流FET驅(qū)動(dòng)器往復(fù)活化在它的相位節(jié)點(diǎn)處耦合在一起的上、下兩個(gè)開關(guān)FET，對(duì)其中下開關(guān)FET的活化狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)的方法，包含當(dāng)下FET開通時(shí)儲(chǔ)存表示相位節(jié)點(diǎn)初始電壓水平的第一電壓水平的步驟，及在該FET驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)斷該下FET后確定該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平降落到比其初始電壓水平低一個(gè)預(yù)定量的時(shí)間的步驟。
所述方法可包含將該第一電壓水平加到該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平后與預(yù)定參考電壓比較的步驟。該方法可包含將公共模式電壓與該初始電壓水平之間的第一電壓差值儲(chǔ)存的步驟，將公共模式電壓與預(yù)定參考電壓水平之間的第二電壓差值儲(chǔ)存的步驟，及將第一電壓差值和該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平之和與第二電壓差值比較的步驟。所述儲(chǔ)存的步驟可包含對(duì)電容器或別的存儲(chǔ)元件充電，在不同電壓水平之間開關(guān)切換電容器，及將儲(chǔ)存的電壓加給一個(gè)比較器。所述方法還可包含在FET驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)斷下FET后忽略該相位節(jié)點(diǎn)的初始振蕩的步驟。


從后面的詳述和所附各圖將可更好理解本發(fā)明的利益、特征、和優(yōu)點(diǎn)。
圖1為按照本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例的、用于探測(cè)相位體二極管的、包含一個(gè)自動(dòng)零點(diǎn)比較器的一個(gè)整流同步MOSFET驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的概略方框圖。
圖2為對(duì)圖1中的體二極管自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路的較詳細(xì)的概圖。
圖3為圖2所示體二極管自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路的運(yùn)作的定時(shí)關(guān)系圖。
圖4顯示在單通道MOSFET驅(qū)動(dòng)器中將貫通保護(hù)集成進(jìn)來(lái)后的定時(shí)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式以下的描述使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠在特定的應(yīng)用和需求方面制造和使用本發(fā)明。然而本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員會(huì)明白對(duì)于優(yōu)選的實(shí)施方案的各種變形，而且此處定義的一般原理也可適用于別的實(shí)施方案。所以，本發(fā)明不該被局限于這里所顯示和描述的特殊的實(shí)施方案，而應(yīng)該是符合于與這里披露的原理和新奇特征相一致的最廣的范圍。
本發(fā)明致力于減少相位體二極管死時(shí)間的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在其工作的動(dòng)態(tài)模式里從一個(gè)周期到下一個(gè)周期有一致的死時(shí)間。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)同步整流MOSFET驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，采用自動(dòng)零點(diǎn)比較器來(lái)探測(cè)相位體二極管的系統(tǒng)和方法，解決了減少體二極管死時(shí)間的問(wèn)題，而不論所采用的FET的類型、以及負(fù)載電流條件和溫度變化等情況。采用體二極管死時(shí)間小的MOSFET驅(qū)動(dòng)器展示了效率的改進(jìn)，這被認(rèn)為是本系統(tǒng)性能的一個(gè)基準(zhǔn)。不論溫度、FET類型和電流負(fù)載等的變化情況，從一個(gè)周期到下一個(gè)周期死時(shí)間成為一致起來(lái)。探測(cè)點(diǎn)也可設(shè)置得低得多而不會(huì)由于噪聲跳動(dòng)誤觸發(fā)開關(guān)。
按照本發(fā)明的實(shí)施方案，基于從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的運(yùn)作，在該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)的電壓降被取樣并儲(chǔ)存進(jìn)一個(gè)取樣保存電容器。當(dāng)該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)降到低于該初始儲(chǔ)存電壓水平以下的預(yù)定量時(shí)，就決定關(guān)斷下FET。在探測(cè)時(shí)，比較器所見(jiàn)電壓為參照所述電容器上前已儲(chǔ)存的電壓預(yù)編程確定的電壓。此情況下，探測(cè)點(diǎn)保持為該比較器上的該預(yù)編程確定的電壓，而與該電容器上所儲(chǔ)存的電壓無(wú)關(guān)。這樣，從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的死時(shí)間就維持得一致起來(lái)，并且減少或消除了由于噪聲跳動(dòng)誤觸發(fā)開關(guān)。
圖1為按照本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例的、用于探測(cè)一個(gè)低N-通道MOSFET Q2的相位體二極管BD的、包含一個(gè)自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路115的一個(gè)整流同步MOSFET驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)100的概略方框圖。經(jīng)過(guò)相對(duì)5V的源電壓的上拉和下拉電阻器R1和R2將PWM輸入信號(hào)(PWMIN)提供給PWM邏輯101的輸入端。該P(yáng)WM IN信號(hào)往復(fù)處于表示每個(gè)PWM周期的第一和第二相位的兩個(gè)狀態(tài)。該P(yáng)WM邏輯101設(shè)定上驅(qū)動(dòng)信號(hào)UD提供上門放大器驅(qū)動(dòng)器103的輸入端，而設(shè)定下驅(qū)動(dòng)信號(hào)LD提供下門放大器驅(qū)動(dòng)器107的輸入端。驅(qū)動(dòng)器103在其輸出端設(shè)定UGATE信號(hào)，以此提供給上N-通道MOSFET Q1的門極，并饋送回到上門探測(cè)電路105的輸入端。該上門探測(cè)電路105將該UGATE信號(hào)電壓饋送回到PWM邏輯101。在圖示的實(shí)施例采用了MOSFET作開關(guān)裝置Q1和Q2，雖然也考慮過(guò)別類的FET裝置，包括體二極管。
驅(qū)動(dòng)器107在其輸出端設(shè)定LGATE信號(hào)，以此提供給Q2的門極，并饋送回到下門探測(cè)電路109的輸入端。該下門探測(cè)電路109將該LGATE信號(hào)電壓饋送回到PWM邏輯101。Q1的漏極耦合到輸入源電壓PVIN，Q1的源極耦合到PHASE節(jié)點(diǎn)，還耦合到下FET Q2的漏極和輸出電感L的一邊。Q2的源極耦合到地。電感L的另一邊耦合到負(fù)載電路111，其另端接地。該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)耦合到相位探測(cè)器電路113的輸入端，該電路113傳感該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)的電壓水平并輸出饋送回該P(yáng)WM邏輯110。
在圖示的結(jié)構(gòu)中，體二極管自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路115具有耦合到PHASE節(jié)點(diǎn)的輸入端和將OUT信號(hào)提供給PWM邏輯101的輸出端。如下所述，該P(yáng)WM邏輯設(shè)定開關(guān)信號(hào)SW1和SW2提供給比較器電路115。亦如下述，當(dāng)下FET的體二極管BD通過(guò)了探測(cè)水平時(shí)，發(fā)生該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)的探測(cè)。PWM邏輯101接收比較器115來(lái)的OUT邏輯信號(hào)，并為下門和上門的轉(zhuǎn)換處理“準(zhǔn)備好了”的信號(hào)。
圖2為對(duì)體二極管自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路115的較詳細(xì)的概圖。高速比較器201具有耦合到節(jié)點(diǎn)D的非倒相輸入端，耦合到節(jié)點(diǎn)B的倒相輸入端，和設(shè)定OUT信號(hào)的輸出端。該比較器201內(nèi)部包含消隱電路BC，將在下述。還包含三個(gè)單刀單擲(SPST)開關(guān)S1-1，S1-2，和S1-3，它們集體也稱為S1開關(guān)。D節(jié)點(diǎn)耦合到開關(guān)S1-2的一個(gè)端子和電容器C1的一端。B節(jié)點(diǎn)耦合到開關(guān)S1-3的一個(gè)端子和另一電容器C2的一端。開關(guān)S1-2和S2-3各自的另一端子一起耦合到一個(gè)+1.0V的公共模式電壓源205的正端，電壓源的負(fù)端接地。電容器C1的的另一端耦合到節(jié)點(diǎn)C，并進(jìn)一步耦合到開關(guān)S1-1的一個(gè)端子和另一個(gè)SPST開關(guān)S2的一個(gè)端子。開關(guān)S2的另一端子接地。開關(guān)S1-1的另一端子耦合到一個(gè)+0.200V的參考源203的正端，其負(fù)端接地。電容器C2的另一端為節(jié)點(diǎn)A，它耦合到一個(gè)N通道雙擴(kuò)散MOS(DMOS)三極管207的源極。DMOS三極管207的漏極耦合到電阻器R的一端，其另一端耦合到PHASE節(jié)點(diǎn)。DMOS三極管207的門極接收4V信號(hào)。
該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)一般工作的電壓范圍約為-2V到22V，而電容器C2和比較器201為5V裝置。電阻器R和DMOS三極管207集體作為限壓器來(lái)將A節(jié)點(diǎn)的電壓鉗制在如3-4V的一個(gè)最高電壓極限水平，當(dāng)PHASE節(jié)點(diǎn)電壓水平上升時(shí)防止過(guò)高電壓水平到5V裝置上。另方面，當(dāng)該P(yáng)HASE節(jié)點(diǎn)的電壓水平低于該最高電壓極限水平時(shí)，A節(jié)點(diǎn)與隨PHASE節(jié)點(diǎn)的電壓水平。DMOS三極管基本上是MOS三極管的一個(gè)特殊類，制造時(shí)在三極管的漏極一邊增加了輕微摻雜的擴(kuò)散。此外加的擴(kuò)散使得有效通道長(zhǎng)度比原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度變短。此外加擴(kuò)散增加了傳導(dǎo)性，使得DMOS三極管具有較低的“開通”電阻。通道里的這種外加的輕微摻雜區(qū)使其漏極到源極擊穿電壓增大，從而在擊穿前能承受較高的電壓(大約為25-40V)。
二開關(guān)S1和S2設(shè)置成常開的，當(dāng)收到活化信號(hào)時(shí)閉合。開關(guān)S1在接到設(shè)定為SW1的活化信號(hào)時(shí)閉合，開關(guān)S2在接到設(shè)定為SW2的活化信號(hào)時(shí)閉合，PWM邏輯101在接到PWM IN信號(hào)后就會(huì)提供這兩個(gè)活化信號(hào)。替代方案可讓PWM邏輯101設(shè)定單一的活化信號(hào)SW(未圖示)，再經(jīng)比較器電路115內(nèi)部轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生所述SW1和SW2兩個(gè)信號(hào)。
圖3為體二極管自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路115的工作的定時(shí)關(guān)系圖。此定時(shí)關(guān)系圖顯示了活化信號(hào)SW1和SW2、A、B、C、和D節(jié)點(diǎn)的電壓、和OUT信號(hào)的變化關(guān)系。SW1和SW2信號(hào)彼此間采取相反的邏輯狀態(tài)。SW2信號(hào)初始為低(0V)使得S2開關(guān)初始開(斷)。SW1開關(guān)初始為高(如5V)使得S1開關(guān)(包括S1-1、S1-2和S1-3)初始都閉合。當(dāng)開關(guān)S1都閉合，節(jié)點(diǎn)B和D從公共模式電壓源205充電到1V，而比較器201的輸出信號(hào)OUT為低(例如0V)。電容器C1的另一端，在節(jié)點(diǎn)C，從參考電壓源203耦合到0.2V。于是電容器C1初始充電到0.8V，這就是二電壓源203和205的電壓差。
電容器C2的另一端，在節(jié)點(diǎn)A，耦合到PHASE節(jié)點(diǎn)。為了說(shuō)明起見(jiàn)，當(dāng)下FET Q2開通時(shí)PHASE節(jié)點(diǎn)的初始電壓水平假定近似為-100mV(或-0.1V)，假設(shè)了Q2的RDSON為5毫歐姆以及流經(jīng)負(fù)載211的電流水平在20A。然而，可以理解，從一周到一周隨時(shí)間推移，PHASE節(jié)點(diǎn)的初始電壓水平受各種因素影響是在變的，例如包括溫度、Q2的FET類型、負(fù)載211的電流。當(dāng)Q2開通時(shí)，電容器C2充電到PHASE節(jié)點(diǎn)初始電壓與公共模式電壓源205的電壓的差值電壓。圖示結(jié)構(gòu)中，電容器C2充電到1.1V，等于公共模式電壓1V減去假定的PHASE節(jié)點(diǎn)電壓-100mV。
T1時(shí)刻PWM IN信號(hào)升高，此時(shí)SW2信號(hào)升高并閉合開關(guān)S2而SW1信號(hào)降低打開各開關(guān)S1。C節(jié)點(diǎn)接地到0，當(dāng)S2開關(guān)閉合時(shí)C節(jié)點(diǎn)維持0電位。D節(jié)點(diǎn)切換到跨電容器C1的電壓，即0.8V，它是二電壓源203和205的電壓差值。與隨PHASE節(jié)點(diǎn)電壓水平升到最高電壓極限的A節(jié)點(diǎn)，此時(shí)如圖示降了約-100mV到了-200mV。B節(jié)點(diǎn)電壓成為A節(jié)點(diǎn)電壓加上電容器C2上的電壓之和。這樣，B節(jié)點(diǎn)切換為0.9V，此為A節(jié)點(diǎn)電壓加上了電容器C2的初始電壓(后者，例如為，1.1V)。當(dāng)開關(guān)S1-3為打開，A節(jié)點(diǎn)與隨PHASE節(jié)點(diǎn)的電壓，B節(jié)點(diǎn)則與隨A節(jié)點(diǎn)電壓加上電容器C2上的電壓。
初始振蕩401(圖4)會(huì)出現(xiàn)在PHASE節(jié)點(diǎn)上，它被加到A和B節(jié)點(diǎn)并到達(dá)比較器201的倒相輸入端。由于其持續(xù)短，例如短于5納秒(ns)，圖3中未顯示出此振蕩來(lái)。消隱電路BC提供了例如5ns左右的短延遲，讓比較器201得以忽略此初始振蕩，以防止開關(guān)切換過(guò)早發(fā)生的可能性。
在T10時(shí)刻，PHASE和A二節(jié)點(diǎn)電壓下降到至少比PHASE節(jié)點(diǎn)的初始電壓低200mV，圖示中A節(jié)點(diǎn)降到-0.310V的電壓水平。此時(shí)B節(jié)點(diǎn)降到約0.790V，剛低于D節(jié)點(diǎn)的電壓0.8V。B節(jié)點(diǎn)電壓剛剛低于D節(jié)點(diǎn)的電壓后短時(shí)間內(nèi)，比較器201認(rèn)定OUT信號(hào)高，表示下FET Q2關(guān)斷。當(dāng)提供給PWM邏輯101的OUT信號(hào)升高了，PWM邏輯101設(shè)定UD信號(hào)以活化上FET Q1。從B節(jié)點(diǎn)電壓降到低于D節(jié)點(diǎn)之時(shí)到PWM邏輯101設(shè)定UD信號(hào)來(lái)活化FET Q1之時(shí)，其間的總邏輯延遲大約小于20ns。從一個(gè)周期到另一個(gè)周期這個(gè)相對(duì)短的延遲實(shí)際上是常數(shù)，保證了不至于過(guò)早的開關(guān)切換，并且使得FET Q1和FET Q2切換之間的死時(shí)間最小化。
綜上所述，包含電容器C1和開關(guān)S1-1、S1-2和S2的開關(guān)電路的工作先是將電容器C1充電到預(yù)定的參考電壓水平，例如0.2V。包含電容器C2和開關(guān)S1-3的取樣電路的工作先是將電容器C2充電到PHASE節(jié)點(diǎn)的初始電壓的水平，此時(shí)Q2開通緊接著PWM周期。兩個(gè)電容器C1和C2的初始充電也反映了加到每一個(gè)上的公共模式電壓，這在圖示的實(shí)施例中為1.0V。采用了此1.0V預(yù)充電公共模式電壓來(lái)優(yōu)化比較器201的公共模式范圍速度，還采用準(zhǔn)確0.2V源作為準(zhǔn)確探測(cè)器參考電壓。公共模式電壓可為任何合適的電壓水平，可為0。如果電壓源205被撤去，代之以將開關(guān)S1-2和S1-3直接接地，那么電容器C1初始充電到電壓源203的電壓，而電容器C2初始充電到PHASE節(jié)點(diǎn)的初始電壓水平。公共模式電壓可設(shè)置到任何合適的水平，以使所用的特定比較器的開關(guān)速度最大化。
當(dāng)這些PWM相位開關(guān)和PWM邏輯101啟動(dòng)關(guān)斷Q2時(shí)，電容器C1上的電壓被加到比較器201的非倒相輸入端。PHASE節(jié)點(diǎn)與電容器C2兩端電壓之和電壓被加到比較器201的倒相輸入端。當(dāng)PHASE節(jié)點(diǎn)電壓從其初始水平降下了預(yù)定參考電壓的量，表明下FET Q2被關(guān)斷，此時(shí)OUT信號(hào)被設(shè)定為高位，表明上FET Q1可被開通。因?yàn)閺囊恢艿较乱恢茇?fù)載電流有所變化(由于如象溫度變化或如CPU之類的負(fù)載所要求的)，及因?yàn)镕ET RDSON是依賴溫度變化的，PHASE節(jié)點(diǎn)的電壓也會(huì)從一周到下一周有所變化及/或隨時(shí)間漂移。體二極管自動(dòng)零點(diǎn)比較器電路115對(duì)每一周期的初始PHASE電壓作取樣，且當(dāng)該P(yáng)HASE電壓從其初始值降下了某參考量，如在圖示實(shí)施例中的降下了200mV時(shí)，作開關(guān)切換。這樣，死時(shí)間就減小了，而且不管負(fù)載和溫度等條件的變化，從一周到下一周死時(shí)間基本上保持一致。
圖4顯示在單通道MOSFET驅(qū)動(dòng)器中將貫通保護(hù)集成進(jìn)來(lái)后的定時(shí)關(guān)系圖。PWM IN信號(hào)與LGATE、PHASE、和UGATE各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)信號(hào)的時(shí)間關(guān)系畫在一起。此處每個(gè)節(jié)點(diǎn)和其所載信號(hào)采用相同的名字，除非另外指出。此情況下，PWM IN信號(hào)升高以啟動(dòng)每一PWM周期，并且響應(yīng)某控制條件而下降以結(jié)束每一PWM周期。UGATE和LGATE信號(hào)為低來(lái)非活化(即關(guān)斷)及為高來(lái)活化(即開通)它們各自相應(yīng)的FET開關(guān)Q1和Q2。
當(dāng)PWM IN信號(hào)為低，由于邏輯運(yùn)算PHASE節(jié)點(diǎn)也為低。在T1時(shí)刻，PWM IN信號(hào)升高以啟動(dòng)下一周。在T2時(shí)刻，LGATE信號(hào)被PWM邏輯101設(shè)定為從高到低以關(guān)斷下FET Q1。響應(yīng)LGATE信號(hào)的下降，PHASE節(jié)點(diǎn)開始振蕩，如圖示401。這種振蕩反映為L(zhǎng)GATE信號(hào)上的變遷403，也如圖示。PHASE節(jié)點(diǎn)終于下滑到圖示405處，當(dāng)PHASE節(jié)點(diǎn)下降到比其初始電壓水平低200mV，如圖示的407處時(shí)，OUT信號(hào)被設(shè)定來(lái)指明上FET可被開通。經(jīng)一短的邏輯延遲，在T3時(shí)刻UGATE信號(hào)被設(shè)定為高來(lái)開通上FET。當(dāng)PHASE節(jié)點(diǎn)降到約-0.6V以下，體二極管BD開始導(dǎo)通。
如圖4所示，圖中405處PHASE節(jié)點(diǎn)的斜率往往變化得非常慢，它通常是在FET本身內(nèi)含的體二極管BD的大小的函數(shù)。主要因?yàn)樵贔ET處于開通態(tài)時(shí)的電壓降和該FET的緊接著的關(guān)斷引起的自然振蕩造成了相位節(jié)的可變化性，有鑒于此，體二極管探測(cè)是挑戰(zhàn)性的。為減少死時(shí)間的嘗試中，過(guò)早探測(cè)會(huì)引起誤探測(cè)，而遲的探測(cè)又會(huì)增加死時(shí)間。本發(fā)明既能識(shí)別探測(cè)體二極管BD的恰當(dāng)時(shí)間，又避免了連累死時(shí)間和/或引起誤觸發(fā)開關(guān)。
雖然參照了它的幾個(gè)優(yōu)選的方案，對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)描述，但是本發(fā)明還可能并且認(rèn)為會(huì)有別的方案和變形。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，他們可以容易地用這里披露的概念和特殊實(shí)施例為基礎(chǔ)，去設(shè)計(jì)或修改別的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相同的目的，而并沒(méi)有脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種同步整流場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)驅(qū)動(dòng)器所用的體二極管比較器電路，這里的驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)耦合在上、下開關(guān)FET之間的相位節(jié)點(diǎn)并且響應(yīng)于一個(gè)在每一周期具有第一和第二相位的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，所述體二極管比較器電路包含一個(gè)取樣電路，它在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)對(duì)該相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓取樣，并在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)給出一個(gè)表征所述初始相位電壓被加到該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平上的和電壓；及一個(gè)比較器，它將所述和電壓與預(yù)定的參考電壓比較后，給出表征在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)的下FET的活化狀態(tài)的輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1的體二極管比較器電路，還包含所述比較器具有第一和第二輸入端；第一電壓源，提供所述預(yù)定參考電壓；一個(gè)開關(guān)電路，它在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)對(duì)所述預(yù)定參考電壓取樣，并且在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)將表示所述預(yù)定參考電壓的第一電壓施加到所述比較器所述第一輸入端；及所述取樣電路在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)進(jìn)行取樣一個(gè)第二電壓表示該相位節(jié)點(diǎn)的所述初始電壓，并且在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)通過(guò)將所述第二電壓加到相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平上來(lái)確定所述和電壓，然后將所述和電壓施加到所述比較器的所述第二輸入端。
3.如權(quán)利要求1的體二極管比較器電路，還包含所述比較器具有第一和第二輸入端；第一電壓源，提供所述預(yù)定參考電壓；第二電壓源，提供公共模式電壓；一個(gè)開關(guān)電路，在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)將所述預(yù)定參考電壓與所述公共模式電壓之間的第一差值電壓加以儲(chǔ)存，而在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)將所述第一差值電壓施加到所述比較器的所述第一輸入端上；及所述取樣電路在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存一個(gè)在所述公共模式電壓與該相位節(jié)點(diǎn)的所述初始電壓之間的第二差值電壓，并且在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)將該相位節(jié)點(diǎn)的電壓與所述第二差值電壓的和提供到所述比較器的所述第二輸入端。
4.如權(quán)利要求3的體二極管比較器電路，其中所述開關(guān)電路包含第一電容器，耦合在所述比較器的所述第一輸入端與第一節(jié)點(diǎn)之間；第一開關(guān)，耦合在所述第二電壓源與所述比較器的所述第一輸入端之間；第二開關(guān)，耦合在所述第一電壓源與所述第一節(jié)點(diǎn)之間；及第三開關(guān)，耦合在所述第一節(jié)點(diǎn)與地之間；其中所述取樣電路包含第二電容器，耦合在所述比較器的所述第二輸入端與該相位節(jié)點(diǎn)之間；及第四開關(guān)，耦合在所述第二電壓源與所述比較器的所述第二輸入端之間；及其中所述第一、第二和第四開關(guān)在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)打開，而在其第二相位時(shí)閉合；其中所述第三開關(guān)在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)閉合，而在其第二相位時(shí)打開。
5.如權(quán)利要求4的體二極管比較器電路，還包含一個(gè)電壓限制器，耦合在該相位節(jié)點(diǎn)與所述第二電容器之間。
6.如權(quán)利要求1的體二極管比較器電路，其中所述比較器包含一個(gè)消隱電路。
7.一種整流同步FET功率校正器，包含一個(gè)上FET和一個(gè)下FET，一起耦合在一個(gè)相位節(jié)點(diǎn)并且耦合在輸入電壓信號(hào)與一個(gè)電壓源的參考端子之間；PWM邏輯，根據(jù)具有第一和第二狀態(tài)的PWM信號(hào)來(lái)切換所述上和下FET的開和關(guān)；及一個(gè)比較器電路，耦合到所述相位節(jié)點(diǎn)和所述PWM邏輯，此比較器電路探測(cè)所述下FET的活化狀態(tài)，它包含一個(gè)取樣電路，它在所述PWM信號(hào)的第一狀態(tài)時(shí)對(duì)該相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓取樣，并在所述PWM信號(hào)的第二狀態(tài)時(shí)給出一個(gè)表示所述初始電壓與所述相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平的和的和電壓；及一個(gè)比較器，它將所述和電壓與預(yù)定的參考電壓比較后，給出表示所述下FET的所述活化狀態(tài)的輸出信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7的整流同步FET功率校正器，其中所述上和下FET都包含MOSFET。
9.如權(quán)利要求7的整流同步FET功率校正器，其中所述比較器電路還包含所述比較器具有的第一和第二輸入端；第一電壓源，提供所述預(yù)定的參考電壓；一個(gè)開關(guān)電路，它在所述PWM信號(hào)的所述第一狀態(tài)時(shí)對(duì)所述預(yù)定參考電壓作取樣，而在所述PWM信號(hào)的所述第二狀態(tài)時(shí)將表示所述預(yù)定參考電壓的第一電壓施加到所述比較器所述第一輸入端；及所述取樣電路的工作，在所述PWM信號(hào)的所述第一狀態(tài)時(shí)取樣一個(gè)第二電壓來(lái)表示該相位節(jié)點(diǎn)的所述初始電壓，而在所述PWM信號(hào)的所述第二狀態(tài)時(shí)將所述第二電壓加到該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平上來(lái)確定所述的和電壓，并將所述和電壓施加到所述比較器的所述第二輸入端。
10.如權(quán)利要求7的整流同步FET功率校正器，其中所述比較器電路還包含所述比較器具有的一個(gè)非倒相輸入端和一個(gè)倒相輸入端；第一電壓源，提供所述預(yù)定的參考電壓；第二電壓源，提供公共模式電壓；一個(gè)開關(guān)電路，它在所述PWM信號(hào)的所述第一狀態(tài)時(shí)儲(chǔ)存所述預(yù)定參考電壓與所述公共模式電壓之間的第一差值電壓，而在所述PWM信號(hào)的所述第二狀態(tài)時(shí)將所述第一差值電壓提供給所述比較器所述非倒相輸入端；及所述取樣電路，在所述PWM信號(hào)的所述第一狀態(tài)時(shí)儲(chǔ)存所述公共模式電壓與所述相位節(jié)點(diǎn)的所述初始電壓之間的第二差值電壓，將所述第二差值電壓加到所述相位節(jié)點(diǎn)的電壓上來(lái)確定所述的和電壓，并將所述和電壓提供給所述比較器的所述倒相輸入端。
11.如權(quán)利要求10的整流同步FET功率校正器，其中所述開關(guān)電路包含第一電容器，耦合在所述比較器的所述非倒相輸入端與第一節(jié)點(diǎn)之間；第一開關(guān)，耦合在所述第二電壓源與所述比較器的所述非倒相輸入端之間；第二開關(guān)，耦合在所述第一電壓源與所述第一節(jié)點(diǎn)之間；及第三開關(guān)，耦合在所述第一節(jié)點(diǎn)與所述電壓源的所述參考端子之間；其中所述取樣電路包含第二電容器，耦合在所述比較器的所述倒相輸入端與所述相位節(jié)點(diǎn)之間；及第四開關(guān)，耦合在所述第二電壓源與所述比較器的所述倒相輸入端之間；及其中在所述PWM信號(hào)的所述第一狀態(tài)時(shí)，第一、第二和第四開關(guān)為打開，而所述第三開關(guān)為閉合；在所述PWM信號(hào)的所述第二狀態(tài)時(shí)，第一、第二和第四開關(guān)為閉合，而所述第三開關(guān)為打開。
12.如權(quán)利要求11的整流同步FET功率校正器，還包含一個(gè)耦合在所述相位節(jié)點(diǎn)與所述第二電容器之間的電壓限制器。
13.如權(quán)利要求7的整流同步FET功率校正器，其中所述比較器包含一個(gè)消隱電路。
14.一個(gè)同步整流FET驅(qū)動(dòng)器往復(fù)活化在它的相位節(jié)點(diǎn)處耦合在一起的上、下兩個(gè)開關(guān)FET，對(duì)其中下開關(guān)FET的活化狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)的一種方法，所述方法包含當(dāng)下FET開通時(shí)，儲(chǔ)存表示該相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓水平的第一電壓水平的步驟；及在該FET驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)閉該下FET后，確定該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平降落到比其初始電壓水平低一個(gè)預(yù)定量的時(shí)間的步驟。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中所述確定步驟包含將該第一電壓水平加到該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平后與預(yù)定參考電壓比較的步驟。
16.如權(quán)利要求14的方法，還包含所述儲(chǔ)存表示該初始電壓水平的第一電壓水平的步驟包含儲(chǔ)存公共模式電壓與該初始電壓水平之間的第一電壓差值的步驟；儲(chǔ)存該公共模式電壓與預(yù)定參考電壓水平之間的第二電壓差值的步驟；及所述確定步驟還包含將第一電壓差值和該相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平之和與第二電壓差值比較的步驟。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中所述儲(chǔ)存第一電壓差值的步驟還包含對(duì)第一電容器充電的步驟，該第一電容器具有耦合到該相位節(jié)點(diǎn)的第一端和耦合到公共模式電壓源的第二端；及其中所述儲(chǔ)存第二電壓差值的步驟還包含對(duì)第二電容器充電的步驟，該第二電容器具有耦合到參考電壓源的第一端和耦合到該公共模式電壓源的第二端。
18.如權(quán)利要求17的方法，其中所述比較步驟還包含，在FET驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)斷下FET后，將第一電容器的第二端切換到比較器的第一輸入端，將第二電容器的第一端切換到地，及將第二電容器的第二端切換到該比較器的第二輸入端。
19.如權(quán)利要求14的方法，還包含，在FET驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)斷下FET后，迅即忽略該相位節(jié)點(diǎn)的初始振蕩的步驟。
20.如權(quán)利要求14的方法，還包含，在FET驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)斷下FET后，且在該相位節(jié)點(diǎn)的電壓下降到比其初始電壓水平低預(yù)定量時(shí)，開通上FET的步驟。
全文摘要
一個(gè)包含了一個(gè)取樣電路和一個(gè)比較器的同步整流場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)驅(qū)動(dòng)器所用的體二極管比較器電路。該場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)耦合在一對(duì)上、下開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)之間的相位節(jié)點(diǎn)，并響應(yīng)于一個(gè)在每一周期具有第一和第二相位的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。在PWM信號(hào)的第一相位時(shí)，該取樣電路對(duì)該相位節(jié)點(diǎn)的初始電壓取樣，并在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)，提供一個(gè)表征初始相位電壓被加到相位節(jié)點(diǎn)的電壓水平上的和電壓。該比較器將此和電壓與預(yù)定的參考電壓比較后，給出表征在PWM信號(hào)的第二相位時(shí)、下FET的活化狀態(tài)的輸出信號(hào)。當(dāng)比較器表明下FET為關(guān)斷時(shí)，該FET驅(qū)動(dòng)器開通上FET。
文檔編號(hào)H02M5/42GK1638251SQ20041010201
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者N·B·德奎納, D·R·普萊斯拉, P·K·斯弗拉扎 申請(qǐng)人:英特賽爾美國(guó)股份有限公司