用于开关电容转换器的高效率栅极驱动器的制造方法
【专利说明】用于开关电容转换器的高效率栅极驱动器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的美国申请第13/837，796号的优先权日的权益，其内容由此以引用的方式全部并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及开关电容转换器，并且更加具体地涉及用于这样的转换器的高效率栅极驱动器。
【背景技术】
[0004]切换模式功率转换器是一种特定类型的功率转换器，其通过使用切换网络将储能元件(即，电感器和电容器)切换为不同电气配置而产生输出电压。开关电容转换器是主要利用电容器来传输能量的一类切换模式功率转换器。在这样的转换器中，电容器和切换器的数量随着转换增益的增加而增加。
[0005]如本文使用的，如果开关电容功率转换器产生大于输入电压的输出电压，那么转换增益代表电压增益，或者，如果开关电容功率转换器产生小于输入电压的输出电压，那么转换增益代表电流增益。
[0006]图1和图2示出了开关电容功率转换器的两个示例，其接收来自电压源16的输入电压VI，并且向负载18提供输出电压V0。这两个示例也都称为级联倍增器。注意，在图2中，在图1中的电路的多个开关器件被一系列多个器件替代，从而减少跨在电路中的分别的器件的最大电压。
[0007]在正常操作中，当栗电容器C1-C3正在被连续地充电和放电时，沿着二极管连接式NM0S晶体管M0-M5的链路栗送电荷包。如图1和图2所示，相电压VP1、VP2是一百八十度异相的。NM0S晶体管M0-M5中的每一个是二极管连接的，从而仅仅允许增压操作(即，V0大于VI)。另外，效率被严重地影响，这是因为在正常操作期间跨晶体管M0-M5中的每一个的电压量明显降低。因此，期望在其欧姆区中操作NM0S晶体管M0-M5，但是由于驱动晶体管M0-M5的困难性和/或复杂性，所以典型地使用PM0S晶体管和高压晶体管两者的组合。
[0008]如果在开关电容功率转换器中的晶体管集成在单个衬底上，那么可以期望使用尽可能少的不同的类型的器件。对于给定的半导体工艺，成本与掩膜层的数量有关。随着在半导体工艺中的不同类型的器件的数量的增加，掩膜层的数量也增加，因此成本也增加。
[0009]此外，众所周知，在硅中电子具有比空穴更高的迀移率。结果，带有给定导通电阻的NM0S器件具有比带有相同导通电阻的PM0S器件更小的栅极电容。也是真实的是，带有给定栅极电容的NM0S器件具有比带有相同栅极电容的PM0S器件更小的导通电阻。在功率转换器中，因此，理想的是用NM0S器件替代在主功率路径中的尽可能多的PM0S器件并且用低压器件替代尽可能多的高压器件。
【发明内容】
[0010]在一个方面中，在通常情况下，开关电容功率转换器具有:第一端子，该第一端子用于在基本高压(例如，20v)下耦合至第一外部电路；以及第二端子，该第二端子用于在量级上低于高压的基本低压(例如，5v)下耦合至第二外部电路。第一多个有源半导体开关元件配置为在连续状态下将电容器彼此电互连以及/或者电互连至第一端子或者第二端子。开关元件配置为通过一系列多个开关元件将至少一些电容器彼此互连。多个开关元件耦合至并且用于由开关驱动电路中的一个的驱动输出部控制。每个驱动电路具有控制输入部、功率连接部、和驱动输出部，该驱动输出部耦合至并且用于开关元件中的一个或者多个的控制。至少一些开关驱动电路配置为被经由驱动电路的功率连接部从电容器中的一个或者多个供电，从而使得跨驱动电路的功率连接部的电压基本小于高压。
[0011]在另一个方面中，在通常情况下，开关电容功率转换器具有:第一端子，该第一端子用于在基本高压下耦合至第一外部电路；以及第二端子，该第二端子用于在量级上低于高压的基本低压下耦合至第二外部电路。多个有源半导体开关元件配置为在连续状态下将电容器彼此电互连以及电互连至第一端子或者第二端子。开关元件和电容器配置为在第一端子与第二端子之间形成多重的分别的电荷转移路径。多个开关驱动电路耦合至并且用于由开关驱动电路中的一个的驱动输出部控制，每个驱动电路具有控制输入部、功率连接部、和驱动输出部，该驱动输出部耦合至并且用于开关元件中的一个或者多个的控制。至少一些开关驱动电路配置为被经由驱动电路的功率连接部从电容器中的一个或者多个供电，从而使得跨驱动电路的功率连接部的电压基本小于高压。控制分别的电荷转移路径中的一个的开关元件的开关驱动电路中的至少一些被从一个或者多个其他电荷转移路径的电容器供电。
[0012]各个方面可以包括一个或者多个以下特征。
[0013]开关电容功率转换器还包括多个电容器，该多个电容器耦合至所述第一多个开关元件并且经过所述半导体切换器可控地耦合，或者包括多个端子，该多个端子耦合至第一多个开关元件以连接至电容器。
[0014]转换器配置为向驱动电路中的至少一些提供相对于低压的时变电压。
[0015]每个开关元件具有低于高压的最大额定电压。
[0016]—系列开关元件中的每一个包括N个元件，N>1，并且其中，开关元件的最大额定电压不大于低压的2/N倍。
[0017]跨驱动电路的功率连接部的电压配置为被以小于或实质上等于二倍低压从电容器驱动。
[0018]在一系列多个开关元件中的每一个开关元件由对应的驱动电路驱动，所述驱动电路中的每一个配置为被经过驱动电路的功率连接部从在操作中具有不同的电压的所述多个电容器的不同的电容器供电。
[0019]开关元件和电容器配置为在第一端子与第二端子之间形成多重的分别的电荷转移路径，并且其中，控制分别的电荷转移路径中的一个电荷转移路径的开关元件的开关驱动电路中的至少一些被从一个或者多个其他电荷转移路径的电容器供电。
[0020]开关电容功率转换器还包括相移发生器，该相移发生器包括第二多个开关元件。相移发生器配置为向多个电容器中的每一个的一个端子提供时变电压电平，并且配置为使用来自在其他电荷转移路径中的电容器的电压发生用于在一个电荷转移路径中的至少一个电容器的电压电平。
[0021]—个或者多个方面的优点可以包括以下方面。
[0022]通过减少发生反复地充电和放电开关电容功率转换器中的晶体管的栅极的栅极驱动信号中的损失，提高了转换器的总体效率。
[0023]通过限制栅极源极电压，可以使用低压晶体管。
[0024]通过利用不同的电压来驱动级联系列中的不同晶体管，可以高效率地驱动级联配置。
[0025]在利用外部(例如，分立的)电容器的转换器的情况下，使用这些相同的电容器对内部栅极驱动器电路供电避免了向器件提供附加中间电源端子的需要。
[0026]集成电路典型地受限于其被允许具有的引脚的数量。每个引脚占用硅裸片上的一定量的面积，并且，如果引脚计数很大，那么引脚所占用的面积可能大于硅裸片上的有源器件所占用的面积。每个电容器将需要至少一个引脚，并且在某些情况下，需要两个引脚。使用电荷转移路径中使用的电容器上的可用电压对栅极驱动器供电优于通过器件上的附加引脚提供这些电压，这是因为不必须增加总引脚计数。
[0027]本发明的其他特征和优点是从以下的描述以及从权利要求明显的。
【附图说明】
[0028]图1是单相升压级联倍增器的示意图；
[0029]图2是具有级联切换器的单相升压级联倍增器的示意图；
[0030]图3是具有级联切换器的单相级联倍增器和对应的栅极驱动器和预充电电路的示意图；
[0031]图4和图5分别是在两个操作阶段中的图3的电路的已注释的示意图；
[0032]图6是递变栅极驱动器的示意图；
[0033]图7是级联栅极驱动器的示意图；
[0034]图8是具有级联切换器的双相级联倍增器和对应的栅极驱动器的示意图；
[0035]