電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率控制器的制造方法
【專利說(shuō)明】電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率控制器
[0001]相關(guān)串請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2013年3月9日申請(qǐng)的第61/775，523號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案的權(quán)益，所述案的全文并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種用于負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路的轉(zhuǎn)換速率控制器；特定來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于將電力提供到電感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)器電路，例如電機(jī)或切換式電力供應(yīng)器(SMPS)。
【背景技術(shù)】
[0004]各種現(xiàn)代電子器件利用負(fù)載開關(guān)來(lái)控制電力到負(fù)載(其從可用電力供應(yīng)器(例如電機(jī)或SMPS)汲取電流)的輸送。負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路用于對(duì)負(fù)載開關(guān)施加控制。除確定負(fù)載開關(guān)何時(shí)將電力提供到負(fù)載之外，負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路還可控制負(fù)載的性質(zhì)的變化率。通常將這些性質(zhì)的變化率稱為轉(zhuǎn)換速率。通常使用MOSFET來(lái)實(shí)施負(fù)載開關(guān)，MOSFET提供對(duì)電力到負(fù)載的輸送及對(duì)轉(zhuǎn)換速率的精確控制，例如電機(jī)的相位節(jié)點(diǎn)上的電壓的變化或SMPS的電感上的電壓降。
[0005]一旦已確定將電力接通到負(fù)載，則負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路通常經(jīng)配置以盡可能快速地供電給所述負(fù)載。這通過(guò)最小化供電給所述負(fù)載的延時(shí)而最大化效率，使得被供電的組件可執(zhí)行其期望功能。然而，存在負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路可多快地供電給負(fù)載的限制。
[0006]許多類型的電流負(fù)載(例如，電動(dòng)機(jī))為阻抗源。這些負(fù)載的阻抗引起由供電給這些負(fù)載所致的成問(wèn)題的副作用。例如，就為電機(jī)的負(fù)載來(lái)說(shuō)，在由高側(cè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)與由低側(cè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)之間切換負(fù)載電流路徑，這導(dǎo)致電流路徑在供應(yīng)路徑與接地路徑之間切換。此切換引起負(fù)載上的電壓快速改變，這導(dǎo)致反沖電荷反向流動(dòng)到負(fù)載開關(guān)。此反沖電壓可橫過(guò)負(fù)載開關(guān)，且可導(dǎo)致相對(duì)負(fù)載開關(guān)的非所期望切換。這又具有從良性效率降低到對(duì)負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路及/或負(fù)載開關(guān)的損壞的一系列后果。
[0007]除反沖之外，供電給電流負(fù)載還可導(dǎo)致產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。EMI的一個(gè)尤其相關(guān)來(lái)源為由供電給電感性負(fù)載(例如電機(jī))快速所致或由電源線及接地線中的快速變化電流所致的電磁力。供電給負(fù)載的電壓的變化率越大，所誘發(fā)的磁場(chǎng)的量值越大且所得EMI的水平越大。EMI的均勻適度量可導(dǎo)致系統(tǒng)中的虛假電流，所述虛假電流可引起相鄰電路中的故障且甚至潛在地?fù)p壞相鄰電路。
[0008]歸因于電流路徑上的寄生電感，通過(guò)開關(guān)的快速電流變化將產(chǎn)生大電壓尖波。這些大尖波可超過(guò)開關(guān)及驅(qū)動(dòng)器電路的安全操作限制且損壞部件。
[0009]—般來(lái)說(shuō)，可通過(guò)減緩負(fù)載上的電壓的變化率而改善由對(duì)負(fù)載施加電力引起的這些問(wèn)題。緩和負(fù)載上的電壓的變化率導(dǎo)致反沖及EMI的產(chǎn)生減少。
[0010]更緩慢地改變負(fù)載上的電壓可至少部分減輕這些問(wèn)題的部分，但其將非所要低效率引入到系統(tǒng)中。通過(guò)延遲到達(dá)供應(yīng)電壓(或接地電壓，這取決于負(fù)載是否被接通還是被切斷)所需的時(shí)間，這引入負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間的延時(shí)。任何此類延遲隨時(shí)間積累且引起波及整個(gè)系統(tǒng)的不可接受低效率。因此，可期望按使負(fù)載(例如，電機(jī))的響應(yīng)時(shí)間的延時(shí)最小化且不產(chǎn)生反沖電流及EMI的非所要水平的速率將電壓施加到所述負(fù)載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]常規(guī)驅(qū)動(dòng)器電路歸因于其對(duì)環(huán)境性質(zhì)的依賴性而無(wú)法提供適當(dāng)轉(zhuǎn)換速率控制，且其為未考慮受控值的觀測(cè)量的開環(huán)解決方案。因此，需要提供轉(zhuǎn)換速率的更準(zhǔn)確且更可靠控制的閉環(huán)解決方案?，F(xiàn)有技術(shù)中的這些及其它缺點(diǎn)大部分由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)及方法克服。
[0012]根據(jù)實(shí)施例，提供一種用于驅(qū)動(dòng)第一負(fù)載開關(guān)的集成電路，其中所述第一負(fù)載開關(guān)供電給電感性負(fù)載，所述集成電路包括:第一數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元，其用于產(chǎn)生控制信號(hào)，其中所述第一數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元基于指示所述負(fù)載上的電壓變化率的反饋信號(hào)而產(chǎn)生所述控制信號(hào)；及第一負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路，其由所述控制信號(hào)操作，其中所述第一負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路產(chǎn)生操作所述第一負(fù)載開關(guān)的轉(zhuǎn)換速率控制輸出電壓。
[0013]根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例，所述第一負(fù)載開關(guān)為MOSFET。根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例，所述集成電路為轉(zhuǎn)換速率控制驅(qū)動(dòng)器；且所述集成電路進(jìn)一步包括產(chǎn)生恒定輸出的非控制驅(qū)動(dòng)器，其中由所述非控制驅(qū)動(dòng)器及所述轉(zhuǎn)換速率控制驅(qū)動(dòng)器操作所述負(fù)載開關(guān)，且其中所述轉(zhuǎn)換速率控制驅(qū)動(dòng)器在所述負(fù)載開關(guān)的穩(wěn)態(tài)期間產(chǎn)生恒定輸出，且其中所述轉(zhuǎn)換速率控制驅(qū)動(dòng)器經(jīng)調(diào)制以在所述負(fù)載開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變期間產(chǎn)生轉(zhuǎn)換速率控制輸出。根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例，所述轉(zhuǎn)換速率控制驅(qū)動(dòng)器為大低阻抗驅(qū)動(dòng)器，且所述非控制驅(qū)動(dòng)器為小電流限制驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例，所述集成電路為低側(cè)驅(qū)動(dòng)器且所述第一負(fù)載開關(guān)為低側(cè)負(fù)載開關(guān)，且所述集成電路進(jìn)一步包括:第二數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元，其用于產(chǎn)生高側(cè)控制信號(hào)，其中所述第二數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元基于指示所述負(fù)載上的電壓變化率的所述反饋信號(hào)而產(chǎn)生所述控制信號(hào)；及第二負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路，其由所述高側(cè)控制信號(hào)操作，其中所述第二負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路產(chǎn)生操作所述第二負(fù)載開關(guān)的轉(zhuǎn)換速率控制輸出電壓，其中所述第二負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路及所述第二數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元包括高側(cè)驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例，所述第一數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元包括:電容器，其接收所述反饋信號(hào)；及電阻器，其與界定轉(zhuǎn)換速率的所述電容器耦合。根據(jù)進(jìn)一步實(shí)施例，所述第一數(shù)字轉(zhuǎn)換速率控制單元進(jìn)一步包括:與非門，其具有接收所述反饋信號(hào)的第一輸入端及接收輸入電壓信號(hào)的第二輸入端，其中所述與非門的輸出控制所述第一負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路的P-溝道場(chǎng)效晶體管；及或非門，其具有接收所述反饋信號(hào)的第一輸入端及接收所述輸入電壓信號(hào)的第二輸入端，其中所述或非門的輸出控制所述第一負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路的η-溝道場(chǎng)效晶體管。
【附圖說(shuō)明】
[0014]所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可通過(guò)參考附圖而更好地理解本發(fā)明且明白本發(fā)明的許多目的、特征及優(yōu)點(diǎn)。不同圖式中所使用的相同參考符號(hào)指示類似或相同項(xiàng)。
[0015]圖1展示實(shí)施常規(guī)轉(zhuǎn)換速率控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。
[0016]圖2展示接通MOSFET時(shí)的常規(guī)轉(zhuǎn)換速率控制的時(shí)序。
[0017]圖3展示切斷MOSFET時(shí)的常規(guī)轉(zhuǎn)換速率控制的時(shí)序。
[0018]圖4展示實(shí)施轉(zhuǎn)換速率控制的另一常規(guī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。
[0019]圖5展示根據(jù)實(shí)施例的實(shí)施轉(zhuǎn)換速率控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的高電平繪圖。
[0020]圖6展示根據(jù)實(shí)施例的實(shí)施轉(zhuǎn)換速率控制的負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。
[0021]圖7展示使用實(shí)施例所產(chǎn)生的時(shí)序圖。
[0022]圖8描繪其中雙MOSFET負(fù)載開關(guān)控制來(lái)自高側(cè)驅(qū)動(dòng)器及低側(cè)驅(qū)動(dòng)器的電力的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1說(shuō)明使用串聯(lián)于負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路與負(fù)載開關(guān)之間的電阻器Rmte的所述負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路的常規(guī)轉(zhuǎn)換速率控制。以此方式使用串聯(lián)電阻器用以緩和負(fù)載上的電壓Vds的變化率，這減少EMI的量且減輕由用于驅(qū)動(dòng)電流負(fù)載的輸出電壓的快速變化產(chǎn)生的反沖。將串聯(lián)電阻器用于緩和負(fù)載開關(guān)的轉(zhuǎn)換速率無(wú)法提供對(duì)負(fù)載上的電壓的變化率的充分控制，這是因?yàn)樗鲭娮杵鞯男袨楦鶕?jù)系統(tǒng)的操作溫度而變動(dòng)且因?yàn)樗鲭娮杵鳠o(wú)法解釋負(fù)載開關(guān)中的容限變動(dòng)(其可在使用晶體管負(fù)載開關(guān)(例如M0SFET)時(shí)較顯著)或由負(fù)載汲取的實(shí)際電流。此外，基于電阻器的常規(guī)轉(zhuǎn)換速率控制為必須基于電路行為的預(yù)測(cè)而設(shè)計(jì)且無(wú)法解釋電路的實(shí)際操作特性的開環(huán)解決方案。
[0024]用于限制轉(zhuǎn)換速率的串聯(lián)電阻器使開關(guān)更易受反沖的影響且導(dǎo)致需要常規(guī)反沖防止電路，例如圖1中所描繪的電路。所述開關(guān)利用切換到接通狀態(tài)以提供用于使反沖電壓放電的低阻抗路徑的雙極晶體管Q,。由雙極晶體管Q-提供的所述低阻抗路徑允許反沖電流被汲取，同時(shí)阻止反沖電荷到達(dá)負(fù)載開關(guān)的柵極端子。需要額外二極管來(lái)接通所述雙極晶體管且產(chǎn)生到負(fù)載開關(guān)柵極的充電路徑。用于防止反沖的此常規(guī)電路為非所要的，這是因?yàn)槠湓黾又圃斐杀炯翱臻g要求。可由負(fù)載驅(qū)動(dòng)器避免這些缺點(diǎn)，所述負(fù)載驅(qū)動(dòng)器能夠以減少反沖的方式輸送電力且具有足夠低的輸出阻抗以汲取剩余反沖電流。
[0025]圖2及3提供利用串聯(lián)電阻器來(lái)緩和MOSFET負(fù)載開關(guān)的轉(zhuǎn)換速率的常規(guī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路的更詳細(xì)視圖。圖2及3摘錄自描述常規(guī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路的“用于高速M(fèi)OSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及應(yīng)用指南(Design and Applicat1n Guide for High Speed MOSFETGate Drive Circuits) ”(拉斯洛?洛格(Laszlo Balogh)，尤尼特德電力供應(yīng)研討會(huì)(Unitrode Power Supply Seminar) (2001)) 0圖2的頂部處描繪使用串聯(lián)電阻器Rgate的常規(guī)轉(zhuǎn)換速率控制的電路圖。圖2的底部處的時(shí)序圖展示將MOSFET切換到接通狀態(tài)時(shí)的各種MOSFET參數(shù)的變化。
[0026]圖2的時(shí)序圖的時(shí)段I被稱為接通延遲且表示使柵極電壓Vtis從切斷狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電壓升高到閾值電壓Vth所需的時(shí)間，在閾值電壓V TH處，MOSFET開始切換到接通狀態(tài)。時(shí)段I的持續(xù)時(shí)間依據(jù)MOSFET的內(nèi)部電容而變化。在時(shí)段I期間柵極電壓的初始增大起因于對(duì)MOSFET的內(nèi)部電容器充電。由于每一 MOSFET將具有某一內(nèi)部電容，所以時(shí)段I中所表示的此接通延遲無(wú)法被完全消除。然而，利用串聯(lián)電阻器ReATE的常規(guī)負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路在加負(fù)載于MOSFET的內(nèi)部負(fù)載開關(guān)柵極電容器且使柵極電壓升高到閾值電壓所需的時(shí)間中引入額外時(shí)段I延遲。所述延遲歸因于與由此電阻器引起的MOSFET的內(nèi)部電容器充電電流成比例的輸入電壓的降低。在時(shí)段I的延遲期間，漏極電流ID保持于切斷電平處且漏極電壓Vds保持于高態(tài)中，這是因?yàn)?