专利名称：用于开关功率转换器的边沿速率控制门驱动器的制作方法
技术领域：
本文涉及转换器，并且更具体地说涉及用于功率转换器的边沿速率控制。
背景技术：
开关功率转换器可产生由于它们的开关节点处的快速过渡导致的不希望的电磁干扰(EMI)。所述开关过渡，例如可通过使用电阻镇流器慢化。然而，这种方案可能产生不可预料或不可控制的非线性开关边沿。
实用新型内容本申请大体涉及用于功率转换器开关的边沿速率驱动器的设备和方法。在一个示例中，所述驱动器可包括输入节点，所述输入节点被设置成接收脉宽调制信号；第一开 关，所述第一开关被设置成在第一状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至电源电压；第二开关，所述第二开关被设置成在第二状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至基准电压；和第一电流源，所述第一电流源被设置成当所述功率转换器开关从所述第二状态过渡(transition)至所述第一状态时，向所述第一开关提供充电电流,所述充电电流被设置成对所述功率转换器开关的寄生电容进行充电。此概述之目的在于提供本专利申请之主题的概览，而非提供对本实用新型的排他性或穷尽性阐释。包括有详细说明以提供与本专利申请有关的更多信息。
附图不一定按比例绘制，且不同附图中的类似部件可用相同的数字指代。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似部件的不同示例。总的来说，附图是通过举例(而非限制)的方式来说明本文中所探讨之诸实施例。图I大体描绘了应用至上升开关转换器的门驱动器的示例。图2大体描绘了包括边沿速率控制(ERC)门驱动器的上升转换器的示例。图3大体描绘了与操作图2中的上升转换器的示例方法有关的波形。图4大体描绘了具有ERC门驱动器的上升转换器的替换示例。图5大体描绘了包括ERC门驱动器的上升转换器的替换示例。
具体实施方式
本申请发明人已发现了一种通过可控并且有效率的方式慢化转换器功率开关的开关节点过渡以减小EMI的系统。在一个示例中，恒流门驱动器可控制功率开关的栅-漏电容的充电。这种栅-漏电容可以是转换器功率开关的寄生电容或明确的电容器。当控制功率M0SFET，例如在开关功率转换器中采用的功率MOSFET时，这种电容可以是主要参数。在一个示例中，功率MOSFET开关节点的上升和下降时间可以是充电电流的函数。在特定示例中，利用消耗极小功率的开关电流源可实现提高的效率，开关电流源即便有，也只是在开关节点状态的过渡间隔(例如第一高逻辑电平状态和第二低逻辑电平状态之间的过渡间隔)之外有功耗。在特定的示例中，功率转换器可包括电流源门驱动器，所述电流源门驱动器可控制功率转换器开关的电容(例如功率转换器开关的寄生电容)的充电。这种寄生电容可决定功率转换器的开关节点的上升和下降时间。在一个示例中，电流源门驱动器通过可控并且有效率的方式慢化开关节点过渡。例如，相比于相似大小的现有开关转换器，根据本主题的门驱动器可减小静态偏置电流。在特定示例中，可应用反馈以提高功率转换器的速度和可靠性。图I大体描绘了用于上升转换器100的门驱动器的示例。所述上升转换器100包括门驱动器101、功率开关102、电感器103、第二功率开关(例如二极管104)、和转换器输出105。在特定示例中，上升转换器100可包括连接至转换器输出105的一个或更多个负载电容器106和负载电阻器107。门驱动器101可包括连接至第一和第二驱动器开关109、110的输入108。在一个示例中，第一驱动器开关109可被连接至第一逻辑电平电源Vdd并且第二驱动器开关110可被连接至第二逻辑电平电源V。。。第一和第二驱动器开关109、110 可被彼此相连并且连接至驱动器输出111。驱动器输出111可被连接至功率开关102的控制节点112，例如功率晶体管的栅极节点。在一个示例中，控制节点112的开关动作可以是高-低-高反转过渡的开关动作。装置功率开关102的栅-漏电容可代表可确定上升转换器100的开关节点113的开关速度的主要因素。在输入信号(例如接收的脉宽调制(PWM)信号)的过渡期间，通过例如，例如包括第一驱动器开关109或第二驱动器开关110的很低的阻抗通路，控制节点112可被拉高或拉低。开关节点113处的过渡的特征可以是连接至用于功率开关102的开关节点Vgs的低到高逻辑电平过渡的转换器输出105的负载的函数，和第一逻辑电平电源Vdd和用于开关节点113的高到低逻辑电平过渡的第一驱动器开关109的装置大小的函数。图2大体描绘了包括边沿速率控制(ERC)门驱动器201的上升转换器200的示例。所述上升转换器200可包括ERC门驱动器201、功率开关202、电感器203、第二功率开关(例如二极管204)、和转换器输出205。在特定示例中，上升转换器200可包括连接至转换器输出205的一个或多个负载电容器206和负载电阻器207。ERC门驱动器201可包括连接至第一和第二驱动器开关209、210的输入208。在一个示例中，第一驱动器开关209可被连接至第一逻辑电平电源Vdd并且第二驱动器开关210可被连接至第二逻辑电平电源V。。。第一和第二驱动器开关209、210可被彼此相连并且连接至驱动器输出211。驱动器输出211可被连接至功率开关202的控制节点212，例如功率晶体管的栅极节点。功率开关202可包括电容213。电容213可与功率开关202的结构有关或可包括与功率开关电路有关的一个或多个电容器。ERC门驱动器201可包括第一开关电流源214，和第二开关电流源215。在一个示例中，第一开关电流源214和第二开关电流源215均包括电流镜。各电流镜包括电流感测晶体管216、217和电流镜晶体管218、219。各电流镜可感测流过感测晶体管216、217的感测电流Ic以提供可控的镜像电流IA、Ib对功率开关电容213进行充电和放电。在一个示例中，第一和第二电流镜的感测电流I。可被独立设置。在一个示例中，第三电流源220可控制感测电流I。。在一个示例中，各电流镜提供感测电流Ic的成比例表征作为镜像电流IA、IB，使得感测电流Ic基本小于镜像电流IA、IB。在一个示例中，第三电流源220可包括控制器。所述控制器可接收输入信号并且可独立开关第一和第二开关电流源214、215。在特定示例中，第三电流源220可以是可调节的以允许输出205处的信号的边沿速率的分别或动态调节。在特定示例中，可控电流可在功率开关202的第一状态和功率开关202的第二状态之间提供更平滑的过渡。在特定示例中，功率开关状态之间的可控倾斜可提供具有减小的和带宽限制的EMI的快速开关。图3大体描绘了与操作图2中的上升转换器的示例方法有关的波形。在一个示例中，在时间h处，可在输入208处提供低逻辑信号，例如脉宽调制(PWM)信号，并且在功率开关202的控制节点(Vg) 212，或栅极处提供相应的高逻辑电平。在稳态中，功率开关202可将电感器连接至第二电源电压V。。使得功率开关202和电感器203的公共节点，即开关节点Vgs约为第二电源电压V。。。在处，可在输入208处接收高PWM信号至ERC门驱动器201。高PWM信号可使电流Ib开始使功率开关202的电容213进行放电，因此，将控制节点Vg212处的电压拉向第二电源电压V。。。在t2处，控制节点Vg212可到达通过功率开关202的电流 基本等于通过电感器203的电流Iy即，Il-Ib的点。栅极节点Vg212处的电压可保持几乎恒定并且开关节点Vgs处的电压以基本线性的方式开始上升。在t3处，开关节点Vgs处的电压近似达到高于输出电压的二极管压降并且二极管204开始导通。控制节点Vg212处的电压继续使电容放电直到在t4处到达约V。。。在一个示例中，在t5处，PWM信号的下降过渡可使电流Ia开始对功率开关202的电容213进行充电，因此，将控制节点Vg212处的电压拉向第一电源电压Vdd直到在t6处汇聚基本等于IA+k的电流。通过电流平衡，控制节点Vg212处的电压可保持几乎恒定并且功率开关202的开关节点Vgs处的电压以基本线性的方式开始下降。在t7处，功率开关202的开关节点Vgs处的电压可近似达到第二电源电压V。。并且控制节点Vg212继续充电直到在t8处到达第一电源电压Vdd。图4大体描绘了上升转换器400的替换示例，所述上升转换器400包括ERC门驱动器401、功率开关402、电感器403、第二功率开关(例如二极管404)，、和转换器输出405。在特定示例中，上升转换器400可包括连接至转换器输出405的一个或多个负载电容器406和负载电阻器407。ERC门驱动器401可包括连接至第一和第二驱动器开关409、410的输入408。如上文关于图2所讨论的，ERC门驱动器401可包括第一电流镜414、和第二电流镜415、和电流源420以帮助控制输出405的过渡边沿速率。此外，上升转换器400可包括施密特触发器电路429，包括施密特触发器430和第一和第二开关431、432。施密特触发器电路429可提供功率开关402的控制节点412的硬开关。在一个示例中，施密特触发器电路429可感测功率开关402的控制节点412处的电压是接近高状态还是低状态，Vdd还是\c。施密特触发器电路429可分别接通第一或第二开关431、432以为功率开关402的控制节点412提供到第一电源Vdd或第二电源V。。的低阻抗通路。第一和第二开关431、432提供的低阻抗通路可防止控制节点412上的短脉冲干扰影响功率开关402的稳态。图5大体描绘了上升转换器500的替换示例，所述上升转换器500包括ERC门驱动器501、功率开关502、电感器503、第二功率开关(例如二极管504)、和转换器输出505。在特定示例中，上升转换器500可包括连接至转换器输出505的一个或多个负载电容器506和负载电阻器507。ERC门驱动器501可包括连接至第一和第二驱动器开关509、510的输入508。如上文关于图2所讨论的，ERC门驱动器501可包括第一电流镜514、和第二电流镜515、和电流源520以帮助控制输出505的过渡边沿速率。在特定示例中，上升转换器500可包括反馈电路533以帮助控制上升转换器输出505的边沿速率。在特定示例中，反馈电路533可包括基准电容器534、误差放大器535、二级驱动器开关536和537、二级电流源538和539、和反转器540。反馈电路533可接收指示需要的上升转换器输出505的过渡斜率的命令信号。在特定示例中，可在连接至第一和第二驱动器开关509、510之间的结点Vg的基准电容器534两侧产生命令信号。误差放大器535使用从命令信号和指示功率开关502的开关输出Vgs的反馈信号得出的误差信号可控制二级电流源538和539。在特定示例中，反馈电路533可导致反转，并且因此，反转器540可提供给二级驱动器开关536和537合适的控制信号。在特定示例中，反馈电路533可允许功率开关502的开关输出Vgs的更快的过渡。在特定示例中，通过选择不同基准电容器大小可调节过渡速率。在特定示例中，反馈电路533的闭环属性为功率开关502的开关输出Vgs提供比开环边沿速率控制下更线性的过渡。更可控的边沿速率可提供更加可预测并且带宽限制的EMI，甚至更快的过渡，并且相应的，可提供EMI的更有效和精确的处理的机会。此外，更可·控的过渡可提供更高效率的上升转换器500。其它注释在示例I中，一种用于功率转换器开关的边沿速率驱动器可包括输入节点，所述输入节点被设置成接收脉宽调制信号；第一开关，所述第一开关被设置成在第一状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至电源电压；第二开关，所述第二开关被设置成在第二状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至基准电压；和第一电流源，所述第一电流源被设置成当所述功率转换器开关从所述第二状态过渡至所述第一状态时，向所述第一开关提供充电电流，所述充电电流被设置成对所述功率转换器开关的寄生电容进行充电。在示例2中，示例I中的所述边沿速率驱动器可选择的包括第二电流源，所述第二电流源被设置成当所述功率转换器开关从所述第一状态过渡至所述第二状态时，向所述第二开关提供放电电流，所述放电电流被设置成使所述功率转换器开关的寄生电容进行放电。在示例3中，示例1-2中的任意一个或多个中的所述边沿速率驱动器可选择的包括连接至所述第一电流源和所述第二电流源的第三电流源，所述第三电流源被设置成控制所述功率转换器开关输出处的电压的斜变率。在示例4中，示例1-3中的任意一个或多个中的所述第一电流源可选择的包括第一电流镜，所述第一电流镜被设置成提供代表所述感测电流的第一镜像电流。在示例5中，示例1-4中的任意一个或多个中的所述第三电流源可选择的被设置成提供所述感测电流。在示例6中，示例1-5中的任意一个或多个中的所述第二电流源可选择的包括第二电流镜，所述第二电流镜被设置成提供代表所述感测电流的第二镜像电流。在示例7中，示例1-6中的任意一个或多个中的所述第三电流源可选择的包括可调节电流源，所述可调节电流源被设置成调节所述功率转换器开关的过渡速率(transition rate)。[0032]在示例8中，一种方法可包括在用于功率转换器开关的边沿速率驱动器的输入处接收脉宽调制信号；在第一状态期间，使用所述边沿速率驱动器的第一开关将所述功率转换器开关的控制节点连接至电源电压；在第二状态期间，使用所述边沿速率驱动器的第二开关将所述功率转换器开关的控制节点连接至基准电压；和当所述功率转换器开关从所述第二状态过渡至所述第一状态时，使用第一电流源对所述功率转换器开关的寄生电容进行充电。在示例9中，示例1-8中的任意一个或多个中的对所述寄生电容进行充电可选择的包括使用第一电流镜向所述第一开关提供充电电流。在示例10中，示例1-9中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括使用所述第一电流镜的感测电流设置所述功率转换器开关的过渡速率。在示例11中，示例1-10中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括使用附加电流镜提供所述感测电流。 在示例12中，示例1-11中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括当所述功率转换器开关从所述第一状态过渡至所述第二状态时，使用第二电流源使所述功率转换器开关的寄生电容进行放电。在示例13中，示例1-12中的任意一个或多个中的对所述寄生电容进行充电可选择的包括使用第一电流镜向所述第一开关提供充电电流。在示例14中，示例1-13中的任意一个或多个中的使所述寄生电容进行放电可选择的包括使用第二电流镜从所述第二开关提供放电电流。在示例15中，示例1-14中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括使用所述第一电流镜的第一感测电流设置所述功率转换器开关的第一过渡速率。在示例16中，示例1-15中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括使用所述第二电流镜的第二感测电流设置所述功率转换器开关的第二过渡速率。在示例17中，示例1-16中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括使用第三电流源提供所述第一感测电流。在示例18中，示例1-17中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括使用所述第三电流源提供所述第二感测电流。在示例19中，示例1-18中的任意一个或多个中的所述方法可选择的包括调节所述第三电流源以改变所述功率转换器开关的所述第一过渡速率和/或所述第二过渡速率。上述详细说明书参照了附图，附图也是所述详细说明书的一部分。附图以图解的方式显示了可应用本实用新型的具体实施例。这些实施例在本实用新型中被称作“示例”。本实用新型所涉及的所有出版物、专利及专利文件全部作为本实用新型的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本实用新型与参考文件之间存在用途差异，则将参考文件的用途视作本实用新型的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本实用新型的用途为准。在本实用新型中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或多个，但其他情况或在使用“至少一个”或“一个或多个”时应除外。在本实用新型中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语。同样，在下面的权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、装置、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些元件以外的部件的，依然视为落在该条权利要求的范围之内。而且，在下面的权利要求中，术语“第一”、
“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。上述说明的作用在于解说而非限制。例如，尽管已经描绘了与PNP器件相关的示例，但是，但是一个或更多个示例适用于NPN器件。在其他示例中，上述示例(或者它们的一个或更多个方面)可彼此结合使用。可采用其他实施例，例如一名本领域普通技术人员在阅读上述说明的基础上能够采用的那样。遵照37C.F.R. § I. 72(b)的规定提供摘要，允许读者快速确定本技术公开的性质。提交本摘要时要理解的是该摘要不用于解释或限制权利要求的范围或意义。同样，在上面的具体实施方式
中，各种特征可归类成将本公开合理化。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求必不可少。相反，本实用新型的主题可在于的特征少于特定公开的实施例的所有特征。因此，下面的权利要求据此并入具体实施方 式中，每个权利要求均作为一个单独的实施例。应参看所附的权利要求，以及这些权利要求所享有的等同物的所有范围，来确定本实用新型的范围。
权利要求1.一种用于功率转换器开关的边沿速率驱动器，所述驱动器包括 输入节点，所述输入节点被设置成接收脉宽调制信号； 第一开关，所述第一开关被设置成在第一状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至电源电压； 第二开关，所述第二开关被设置成在第二状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至基准电压；和 第一电流源，所述第一电流源被设置成当所述功率转换器开关从所述第二状态过渡至所述第一状态时，向所述第一开关提供充电电流，所述充电电流被设置成对所述功率转换器开关的寄生电容进行充电。
2.根据权利要求I所述的驱动器，包括第二电流源，所述第二电流源被设置成当所述功率转换器开关从所述第一状态过渡至所述第二状态时，向所述第二开关提供放电电流，所述放电电流被设置成使所述功率转换器开关的寄生电容进行放电。
3.根据权利要求2所述的驱动器，包括连接至所述第一电流源和所述第二电流源的第三电流源，所述第三电流源被设置成控制所述功率转换器开关的输出处的电压的斜变率。
4.根据权利要求3所述的驱动器，其中所述第一电流源包括第一电流镜，所述第一电流镜被设置成提供代表感测电流的第一镜像电流；并且 其中所述第三电流源被设置成提供所述感测电流。
专利摘要本文涉及用于开关功率转换器的边沿速率控制门驱动器。本文除其它事情外，讨论用于功率转换器开关的边沿速率驱动器的设备和方法。在一个示例中，所述驱动器可包括输入节点，所述输入节点被设置成接收脉宽调制信号；第一开关，所述第一开关被设置成在第一状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至电源电压；第二开关，所述第二开关被设置成在第二状态期间将所述功率转换器开关的控制节点连接至基准电压；和第一电流源，所述第一电流源被设置成当所述功率转换器开关从所述第二状态过渡至所述第一状态时，向所述第一开关提供充电电流，所述充电电流被设置成对所述功率转换器开关的寄生电容进行充电。
文档编号H02M1/44GK202565160SQ201220045949
公开日2012年11月28日 申请日期2012年2月13日 优先权日2011年2月11日
发明者迈克尔·大卫·穆里根, 蒂莫西·艾伦·迪伊薇特 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司