通過自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器stag的開關(guān)模式dcdc轉(zhuǎn)換器效率提升的制作方法
【專利說明】通過自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器STAG的開關(guān)模式DCDC轉(zhuǎn)換器效率提升
[0001]相關(guān)專利的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)案主張2013年10月9日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)案N0.61/888，883的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容通過引用合并與此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及一種開關(guān)模式感應(yīng)電路。
【背景技術(shù)】
[0004]圖1說明常規(guī)開關(guān)模式感應(yīng)D⑶C轉(zhuǎn)換器100。
[0005]如圖所示，開關(guān)模式感應(yīng)D⑶C轉(zhuǎn)換器100包含輸入節(jié)點(diǎn)102、電感器104、控制組件106、功率級(jí)108、電容器110和輸出節(jié)點(diǎn)112。控制組件106包含驅(qū)動(dòng)組件114、驅(qū)動(dòng)組件116和控制器118。驅(qū)動(dòng)組件114包含開關(guān)120和開關(guān)122。驅(qū)動(dòng)組件116包含開關(guān)124和開關(guān)126。功率級(jí)108包含開關(guān)128和開關(guān)130。開關(guān)模式感應(yīng)D⑶C轉(zhuǎn)換器100中還示出寄生電感132、134和136。
[0006]在示例開關(guān)模式感應(yīng)ECDC轉(zhuǎn)換器100中，開關(guān)120是P溝道場效應(yīng)晶體管(P-FET)，開關(guān)122是η溝道場效應(yīng)晶體管(n_FET)，開關(guān)124是ρ-FET，開關(guān)126是n_FET，開關(guān)128是p-FET，且開關(guān)130是n_FET。
[0007]電感器104被設(shè)置在輸入節(jié)點(diǎn)102與功率級(jí)108之間。p_FET 128被設(shè)置在電感器104與輸出節(jié)點(diǎn)112之間。n-FET 130被設(shè)置在電感器104與地之間。電感器104、n_FET130和p-PET 128在節(jié)點(diǎn)158處連接。電容器110被設(shè)置在輸出節(jié)點(diǎn)112與地之間。p_FET120和n-FET 122被設(shè)置在輸入節(jié)點(diǎn)102與地之間，其中p_FET 120的源極被連接到輸入節(jié)點(diǎn)102，且其中n-FET 122的源極被連接到地。p-FET 120的漏極和n_FET 122的漏極經(jīng)由線路138被連接到功率級(jí)108的n-FET 130的柵極。p-FET 120的柵極和n_FET 122的柵極經(jīng)由線路140被連接到控制器118。p-FET 124和n_FET 126被設(shè)置在輸入節(jié)點(diǎn)102與地之間，其中P-FET 124的源極被連接到輸入節(jié)點(diǎn)102，且其中n_FET 126的源極被連接到地。p-FET 124的漏極和n-FET 126的漏極經(jīng)由線路142被連接到功率級(jí)108的p-FET128的柵極。p-FET 124的柵極和n-FET 126的柵極經(jīng)由線路144被連接到控制器118。
[0008]輸入節(jié)點(diǎn)102可操作以接收輸入電壓Vin。電感器104可操作以在第一狀態(tài)中輸出第一電壓V1并在第二狀態(tài)中輸出第二電壓V2。
[0009]控制組件106可操作以控制功率級(jí)108。特別地，控制器118可操作以經(jīng)由線路140上的控制信號(hào)146控制驅(qū)動(dòng)組件114，且進(jìn)一步可操作以經(jīng)由線路144上的控制信號(hào)148控制驅(qū)動(dòng)組件116?？刂菩盘?hào)146交替地驅(qū)動(dòng)p-FET 120和n_FET 122，其進(jìn)而經(jīng)由線路138提供偏置信號(hào)150以控制功率級(jí)108的n-FET 130。類似地，控制信號(hào)148交替地驅(qū)動(dòng)p-FET 124和n-FET 126，其進(jìn)而經(jīng)由線路142提供偏置信號(hào)152以控制功率級(jí)108的p-FET 128。
[0010]功率級(jí)108以第一模式操作，其中由箭頭154表明的電流路徑行進(jìn)穿過電感器104、穿過n-FET 130且到達(dá)地。功率級(jí)108以第二模式操作，其中由箭頭156指示的電流路徑行進(jìn)穿過電感器104、穿過p-FET 128且到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)112。
[0011]電容器110充當(dāng)?shù)屯V波器。
[0012]在操作中，出于論述的目的，讓常規(guī)開關(guān)模式感應(yīng)D⑶C轉(zhuǎn)換器100以第一模式操作，其中電流沿著電流路徑154行進(jìn)。在該模式中，控制組件106首先控制功率級(jí)108使得P-FET 128斷開且n-FET 130導(dǎo)通。在此情況下，輸入節(jié)點(diǎn)102接收Vin，Vin產(chǎn)生沿著電流路徑154穿過電感器104、穿過n-FET 130、穿過寄生電感器136且最終到達(dá)地的電流。
[0013]現(xiàn)在，讓常規(guī)開關(guān)模式感應(yīng)DCDC轉(zhuǎn)換器100從第一模式切換到第二模式，其中在該切換期間不存在電流路徑。當(dāng)在模式之間切換時(shí)，控制組件106控制功率級(jí)108使得當(dāng)P-FET 128保持?jǐn)嚅_時(shí)，n-FET 130被斷開。應(yīng)存在p-FET 128和n_FET 130均為斷開的某一時(shí)間，以避免兩個(gè)開關(guān)均導(dǎo)通的情形，這將使輸出節(jié)點(diǎn)112到地短路。
[0014]接著，讓控制組件106控制功率級(jí)108使得p-FET 128被導(dǎo)通且n_FET 130保持?jǐn)嚅_。在此情況下，輸入節(jié)點(diǎn)102接收Vin，Vin產(chǎn)生沿著電流路徑156穿過電感器104、穿過P-FET 128、穿過寄生電感器132且最終到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)112的電流。
[0015]常規(guī)開關(guān)模式感應(yīng)Drac轉(zhuǎn)換器100可繼續(xù)在如上所述的兩個(gè)模式之間來回切換，其中在切換期間存在P-FET 128和n-FET 130兩者均斷開的時(shí)段。
[0016]在任一切換事件時(shí)，穿過電感器104的電流需要從電流路徑154變化到電流路徑156，或反之亦然。這產(chǎn)生切換損失，且因此將電壓轉(zhuǎn)換的效率從Vin減小到V。。如此，盡可能快地進(jìn)行切換將是有益的。快速切換模式存在的問題是，存在來自接合線、PCB和無源組件的寄生電感(例如，如寄生電感132、134和136所示)。寄生電感不允許電流在零時(shí)間從電流路徑154快速變化到電流路徑156，或反之亦然。當(dāng)寄生組件中的dl/dt達(dá)到過高的高水平時(shí)，寄生電感器引起電壓振鈴(voltage ringing)。此外，寄生組件可致使電壓在P-FET 128或n-FET 130中的一個(gè)的漏極處累積，這可能會(huì)毀壞這些組件。此電壓振鈴和電壓累積現(xiàn)將額外參考圖2-4進(jìn)一步地描述。
[0017]圖2說明當(dāng)常規(guī)開關(guān)模式感應(yīng)D⑶C轉(zhuǎn)換器100切換模式時(shí)n-FET 130與p_FET128之間的節(jié)點(diǎn)158處的電壓。
[0018]圖形包含曲線200和曲線202。曲線200包含y軸204、x軸206、脈沖208和脈沖210。曲線202包含y軸212、x軸214、函數(shù)216和閾值電壓Vth(由虛線217指示)。
[0019]y軸204具有對(duì)應(yīng)于FET斷開時(shí)的標(biāo)度零，對(duì)應(yīng)于FET導(dǎo)通時(shí)的或I單位。x軸206是時(shí)間且以微秒為單位。脈沖208對(duì)應(yīng)于n-FET 130導(dǎo)通直到時(shí)間線220對(duì)應(yīng)于n-FET 130斷開，直到其在時(shí)間t2完全關(guān)閉。因此，在此情況下，n_FET 130花費(fèi)周期At1來斷開。在稍后某一時(shí)間，P-FET 128導(dǎo)通。線221對(duì)應(yīng)于p-FET 128導(dǎo)通，直到p-FET 128完全導(dǎo)通(如線210所示)。
[0020]y軸212對(duì)應(yīng)于n-FET 130的漏極處的電壓且以伏特為單位測量。x軸214是時(shí)間且以微秒為單位。函數(shù)216對(duì)應(yīng)于n-FET 130的漏極處作為時(shí)間的函數(shù)的電壓。函數(shù)216包含上升部分218、最大部分220和小振鈴部分222。虛線217對(duì)應(yīng)于Vth，其中n_FET 130有被毀壞的風(fēng)險(xiǎn)。
[0021]如曲線200中所示，n-FET 130不立即斷開。其在時(shí)間&處開始斷開，且在Λ &之后，在時(shí)間t2處完成斷開。在該周期斷開期間，電流從電流路徑154變化到電流路徑156，從而廣生寄生電壓Vpm:
[0022]Vpar = L*dl/dt， (I)
[0023]其中L是寄生電感器132和136的電感，且dl/dt是電流變化量。此Vpa,在n_FET130的漏極處累積。電壓達(dá)到如最大部分220所示的最大值。上升部分218的斜率是n_FET130斷開的速率(即，At1)的函數(shù)。n-FET 130中的寄生電容與電路內(nèi)的寄生電感器諧振以產(chǎn)生振鈴部分222。現(xiàn)將參看圖3更詳細(xì)描述振鈴部分222的產(chǎn)生。
[0024]圖3說明與圖1的n-FET 130相關(guān)聯(lián)的寄生電容和電感。
[0025]如圖3所示，寄生電容302被設(shè)置在節(jié)點(diǎn)158處。此外，除了寄生電感136夕卜，還存在與P-FET 128 (未圖示)并聯(lián)的寄生二極管304，其中寄生二極管304的陽極被設(shè)置為朝向節(jié)點(diǎn)158。
[0026]圖3示出當(dāng)n-FET 130被斷開的時(shí)刻的情形。在此情形中，在n_FET 130不能再傳導(dǎo)電感器電流的時(shí)刻，該電感器電流需要經(jīng)過寄生電感136和寄生二極管304。然而，電感器不能具備電流中的此種跳躍。這意味著物理電感繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電流,而這花費(fèi)一些時(shí)間直到寄生電感136累積電流。直到寄生電感136可傳導(dǎo)全電流，剩余電流才流進(jìn)寄生電容302中，這保持節(jié)點(diǎn)158處的電壓增加。寄生電感136以電流中的變化量累積電流，即，
[0027]dl/dt = Vpi/Lpi, (2)
[0028]其中Vpi是寄生電感136兩端的電壓，且其中Lpi是寄生電感136的電感。
[0029]返回圖2，如果最大部分220將大于Vth，那么n-FET 130有可能被毀壞。這可在許多情形下發(fā)生，其非限制性示例包含在極端溫度下操作