用于驱动具有高阈值电压的晶体管的系统和方法
【专利说明】用于驱动具有高阈值电压的晶体管的系统和方法
[0001]本申请是申请日为2011年10月12日、题为“用于驱动具有高阈值电压的晶体管的系统和方法”的中国发明专利申请N0.201110317087.1的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及集成电路。更具体地，本发明提供了用于驱动晶体管的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已应用于驱动具有高阈值电压的晶体管。但是将认识到，本发明具有更广泛的应用范围。
【背景技术】
[0003]在高电压应用中，功率场效应晶体管(FET)通常应具有高的漏极-源极击穿电压(例如，彡100V)。这样的功率FET通常具有3-4V的阈值电压。使用具有低输出电压(例如，5V)的栅极驱动器来驱动功率FET常常导致功率FET的高导通电阻或者不完全导通。因此，常常需要具有大于5V的较高输出电压(例如，输出电压为8-10V)的栅极驱动器。
[0004]图1是示出用于驱动晶体管104的系统100的简化传统示图。栅极驱动系统100包括栅极驱动器102和晶体管104。栅极驱动器102包括电源122以及四个反相器124、126、128和130。反相器124包括彼此相连的晶体管106和114，并且反相器126包括彼此相连的晶体管108和116。另外，反相器128包括彼此相连的晶体管110和118，并且反相器130包括彼此相连的晶体管112和120。这四个反相器124、126、128和130以级联方式相连。例如，晶体管106、108、110和112是P沟道FET，并且晶体管114、116、118和120是N沟道FET。在另一示例中，晶体管104是功率FET。电源122向级联连接的反相器124、126、128和130的每个提供低电平偏置电压132(例如，GND)和高电平偏置电压134 (例如，VJ。
[0005]输入信号136 (例如，GATE_IN)由级联连接的反相器124、126、128和130接收，并且作为响应，栅极驱动器102生成用于驱动晶体管104的输出信号138。具体地，在操作中，反相器124接收输入信号136 (例如，GATE_IN)，并且生成第一反相信号140。反相器126接收该第一反相信号140，并且生成由反相器128接收的第二反相信号142。反相器128随后生成由反相器130接收的第三反相信号144。反相器130最后生成用于驱动晶体管104的输出信号138。例如，如果输入信号136为逻辑高电平，则晶体管106截止并且晶体管114导通。于是第一反相信号140被生成为近似等于低电平偏置电压132(例如，GND)。反相器126接收第一反相信号140，并且晶体管108导通而晶体管116截止。第二反相信号142被生成为近似等于高电平偏置电压134(例如，VDD)。进而，第三反相信号144近似等于低电平偏置电压132 (例如，GND)，并且输出信号138近似等于高电平偏置电压134(例如，VDD)。于是，如果晶体管104是N沟道FET，则输出信号138使晶体管104导通。在另一示例中，当输入信号136为逻辑低电平时，则如果晶体管104是N沟道FET，则输出信号138使晶体管104截止。
[0006]通常，栅极驱动器102中的晶体管(例如，晶体管106等)是制造成本常常较高的高电压器件。此外，这些晶体管通常每单位面积具有低的驱动能力并且具有高的导通电阻。因此，为了驱动相同负载，栅极驱动器102中的晶体管常常要使用比低电压器件大的多的面积。
[0007]为了提高每单位面积的驱动能力，自举升压结构(bootstrap structure)和低电压器件常被用在栅极驱动器中。图2是示出具有用于驱动晶体管204的自举升压结构的系统200的简化传统示图。该栅极驱动系统200包括栅极驱动器202和晶体管204。栅极驱动器202包括低压侧驱动器206、高压侧驱动器208和电源210。栅极驱动器202还包括自举升压端子248 (例如，BS)。低压侧驱动器206包括反相器212、214、216和218以及晶体管220。高压侧驱动器208包括反相器222，224，226和228、电平位移器230、晶体管232、升压电容器234以及二极管236。反相器212、214、216和218以级联方式相连接，并且反相器222、224、226和228以级联方式相连接。例如，晶体管220和232是横向扩散MOSFET (LDM0S)，例如横向扩散N沟道M0SFET。在另一示例中，晶体管204是功率FET。
[0008]电源210向低压侧驱动器206中的每个反相器提供高电平偏置电压238(例如，VDD)和低电平偏置电压246 (例如，GND)。输入信号240 (例如，GATE_IN)被提供给低压侧驱动器206和高压侧驱动器208两者，并且栅极驱动器202作为响应生成用于驱动晶体管204的输出信号242。具体地，在操作中，在低压侧驱动器206中，反相器212接收输入信号240 (例如，GATE_IN)，并且生成第一反相信号260。反相器214接收第一反相信号260，并且生成由反相器216接收的第二反相信号262。反相器216然后生成由反相器218接收的第三反相信号264。反相器218生成用于驱动晶体管220的信号244。如果信号244使晶体管220导通同时晶体管232截止，则输出信号242 (例如，GATE_0UT)变得近似等于低电平偏置电压246 (例如，GND)。例如，高电平偏置电压238 (例如，VDD)为5V。
[0009]另一方面，输入信号240也由电平位移器230接收，并且作为响应，电平位移器230生成信号256。级联连接的反相器222、224、226和228接收信号256，并且生成用于驱动晶体管232的信号258。高电平偏置电压252(例如，VJ被提供给晶体管232。如果信号258使晶体管232导通，同时晶体管220截止，则输出信号242 (例如，GATE_0UT)变得近似等于高电平偏置电压252 (例如，VJ。例如，偏置电压252 (例如，VJ为10V。
[0010]升压电容器234操作来将自举升压端子248 (例如，BS)的电压增加为在大小上比输出信号242 (例如，GATE_0UT)大预定电压，并且为高压侧驱动器208提供电压250以进行操作。二极管236操作来对从电源210流到二极管236的电流254进行整流，以防止当自举升压端子248(例如，BS)的电压变得大于由电源210提供的偏置电压238(例如，VDD)时电流从高压侧驱动器208流向电源210。
[0011]传统的栅极驱动器202通常使用包括升压电容器234和自举升压端子248 (例如，BS)的自举升压结构来为高压侧驱动器208提供合适的工作电压。然而，升压电容器234常常具有几十或几百nF的电容，因此可能不易被包括进集成电路(1C)芯片中。此外，如果端子(例如，引脚)在1C芯片上受到限制，则自举升压端子248是不合适的。另外，栅极驱动器202通常需要二极管236来对电流254整流。如果二极管236是通常具有良好整流性能的肖特基二极管，则制造成本可能增加。
[0012]因此，开发出用于驱动具有高阈值电压的晶体管的技术变得非常重要。
【发明内容】
[0013]本发明涉及集成电路。更具体地，本发明提供了用于驱动晶体管的系统和方法。仅仅作为示例，本发明已应用于驱动具有高阈值电压的晶体管。但是将认识到，本发明具有更广泛的应用范围。
[0014]根据一个实施例，一种用于驱动晶体管的系统包括浮动电压生成器、第一驱动电路和第二驱动电路。浮动电压生成器被配置为接收第一偏置电压并生成浮动电压，浮动电压生成器还被配置为当第一偏置电压改变时改变浮动电压，并且维持浮动电压的大小比第一偏置电压低第一预定值。第一驱动电路被配置为接收输入信号、第一偏置电压和浮动电压。第二驱动电路被配置为接收输入信号、第二偏置电压和第三偏置电压，第一驱动电路和第二驱动电路被配置为生成用以驱动晶体管的输出信号。另外，第一驱动电路包括第一驱动晶体管，该第一驱动晶体管被配置为接收第一偏置电压和第一栅极信号，该第一栅极信号至少与输入信号、第一偏置电压和浮动电压相关联。第二驱动电路包括第二驱动晶体管，第二驱动晶体管被配置为接收第三偏置电压和第二栅极信号，该第二栅极信号至少与输入信号、第二偏置电压和第三偏置电压相关联。第一驱动晶体管和第二驱动晶体管还被配置为生成输出信号。此外，如果第一栅极信号使第一驱动晶体管导通，则第二栅极信号使第二驱动晶体管截止。如果第一栅极信号使第一驱动晶体管截止，则第二栅极信号使第二驱动晶体管导通。
[0015]根据另一实施例，一种用于驱动晶体管的方法包括:接收第一偏置电压，处理与第一偏置电压相关联的信息，并且至少基于与第一偏置电压相关联的信息生成浮动电压。该方法还包括:接收输入信号、第一偏置电压、第二偏置电压、第三偏置电压和浮动电压；处理与输入信号、第一偏置电压、第二偏置电压、第三偏置电压和浮动电压相关联的信息；并且至少基于与输入信号、第一偏置电压、第二偏置电压、第三偏置电压和浮动电压相关联的信息生成用以驱动晶体管的输出信号。另外，用于至少基于与第一偏置电压相关联的信息生成浮动电压的处理包括:当第一偏置电压改变时改变浮动电压；并且维持浮动电压的大小比第一偏置电压低第一预定值。
[0016]根据又一实施例，一种用于驱动晶体管的系统包括第一驱动电路和第二驱动电路。第一驱动电路被配置为接收输入信号、第一偏置电压和第二偏置电压，该第一驱动电路包括电流镜电路、开关和电流阱。第二驱动电路被配置为接收输入信号和第二偏置电压，第一驱动电路和第二驱动电路被配置为生成用以驱动晶体管的输出信号。另外，开关被配置为接收输入信号。电流阱被配置为生成第一电流。电流镜电路通过开关被耦合到电流阱，并被配置为基于第一电流生成第二电流。此外，输出信号至少是基于与