专利名称：低损耗dc/dc变换器以及直流对直流功率变换方法
技术领域：
本发明涉及电流变换器，更具体地说，本发明涉及直流对直流 (DC/DC)变换器。
背景技术：
在一些用途中，可以使用高切换频率来操作DC/DC变换器。例如， 为了满足对于特定负载的响应时间要求，可能需要处于几十到几百兆 赫兹量级上的切换频率。然而，对于更高切换频率，作为栅极切换损 耗结果而耗散的功率就可能增大到不可接受的水平。
图1表示在称作"降压(buck)"配置的降压配置中的一种DC/DC 变换器系统IOO。其中脉宽调制控制器(PWM控制器)110控制p型 开关(p陽switch) 120和n型开关(n陽switch) 130， p型开关120禾口 n 型开关130使用大功率晶体管来实现。负载140可以经电感器150和 电容器160而耦合到p型开关120和n型开关130的输出。
系统100可能以多种方式消耗功率，其中每种方式都会降低系统 的效率。例如，由接通状态漏极/源极电阻(称作Rds.。》导致的电阻损
耗使系统的效率降低。为减少由Rds-。n导致的功率损耗，可能要使用更
大的晶体管。
然而，更大的晶体管在栅极与源极之间呈现增大的电容Cgs。而这
又增大了被称为晶体管栅极损耗的损耗。对于跨电容Cgs以频率f切换
的电压V，栅极损耗由下面的公式(1)给出
栅极损耗^/2CgsV2f 公式(1)
在较低频率下(例如在约lOOkHz量级上的频率)，栅极损耗可能
显著小于Rds.cm。然而，当使用较高切换频率时，栅极损耗可以构成系
统100中的功率消耗的主要部分。
发明内容
概括地说，在本发明的一个实施方案中提供了一种DC/DC变换器， 其包括第一开关，用以响应在第一控制终端处的接通电压而在第一输 出终端上输出第一电压。所述变换器也可以包括第二开关，以便响应 在第二控制终端处的接通电压而在与第一输出终端相连的第二输出终 端上输出第二电压。
第一控制终端可以选择性地、顺序地接到N个不同电压之一，其 中N为整数且N〉2，所述N个不同电压包括至少一个初始电压、 一个 中间电压、 一个最终电压，所述中间电压介于所述初始电压和所述最 终电压之间。第二控制终端可以选择性地接到M个不同电压之一，其 中M为整数且M〉2。
第一开关和第二开关例如可以包括第一和第二晶体管，其中第一 和第二输出终端包括第一和第二晶体管的相关漏极，并且其中第一和 第二控制终端包括第一和第二晶体管的相关栅极。
所述变换器也可以包括耦合至第一控制终端的第一多级控制器。 第一多级控制器可以包括N个驱动器，从n=l到n=N的每个驱动器选 择性地将一个不同电压Vn施加到第一控制终端上，其中n为整数。N 个驱动器可以选择性地施加不同电压，其施加时间足以使在第一控制 终端处的电压基本上与该不同电压相称。
所述变换器还可以包括耦合至第二控制终端的第二多级控制器。 第二多级控制器可以包括M个驱动器，从m=l到m=N的每个驱动器 选择性地将不同电压Vm施加到第二控制终端上，其中m为整数。第 一和第二多级控制器可以交替地接通第一开关和第二开关。第一输出 终端和第二输出终端可以经例如一个电感器和一个电容器而耦合至负 载。
概括地说，在本发明另一个实施方案中， 一个直流对直流(DC/DC) 变换器包括一个集成电路。集成电路包括第一开关，以响应在第一控 制终端处的接通电压而在第一输出终端上输出第一电压。集成电路也 可以包括第二开关，以响应在第二控制终端处的接通电压而在与第一
输出终端相连的第二输出终端上输出第二电压。
所述集成电路也可以包括耦合至第一控制终端的第一多级控制
器。第一多级控制器可以包括N〉2个驱动器，其中n-l到r^N驱动器
各自选择性地将一个不同电压Vn施加到第一控制终端上。N个驱动器
中至少一个可以包括一个相关电容。
所述变换器也可以包括一个与集成电路分立的电容器，其中该电
容器的电容包含在N个驱动器之一的相关电容中。该电容器可以是P 个电容器之一，其中P个电容器中的每一个电容器的电容包含在N个 驱动器中至少一个的相关电容中，其中P为非零正整数。
集成电路也可以包括一个耦合至第二控制终端的第二多级控制 器。第二多级控制器可以包括M〉2个驱动器，其中n^l到m-N驱动 器各自选择性地将一个不同电压Vm施加到第二控制终端上。
一般地，在一个实施方案中， 一个直流对直流变换器可以由包括I 个开关的第一切换组件组成，以便响应在第一相关控制终端处的接通 电压而在第一相关输出终端上输出电压，第一相关输出终端各自与配 置成将电压输出到负载的第一切换组件输出终端相连。I个开关中的一 个或多个开关也可以包括耦合至第一相关控制终端的第一相关多级控 制器。第i个第一相关多级控制器可以包括N(i)个驱动器，n(i)=l到 n(i"N(i)个驱动器中的每一个选择性地将一个不同电压V柳施加到第 一相关控制终端上，其中N(i)对于I个开关中的至少一个开关来说大于 2， I、 i、 N(i)和n(i)均为非零正整数。
所述变换器可以进一步包括第二切换组件，该第二切换组件由J 个开关组成。该J个开关中的每个开关均可以响应在第二相关控制终 端处的接通电压而在第二相关输出终端上输出电压。每一个第二相关 输出终端可以与第二切换组件输出终端相连。第二切换组件输出终端 可以与第一切换组件输出终端相连。
在上述J个开关中， 一个或多个开关也可以包括耦合至一个第二 相关控制终端的第二相关多级控制器。例如，第j个第二相关多级控制 器可以包括N(j)个驱动器，n(j)=l到n(j^N(j)个驱动器中的每一个选择 性地将不同电压V柳施加到第二相关控制终端上，其中N(j)对于J个开 关中的至少一个开关来说大于2，其中J、 j、 N(j)和n(j)均为非零正整数。
概括地说，根据本发明一个实施方案所提供的方法可包括如下步 骤交替地在包括I个开关的第一切换组件的输出端产生第一输出电压 而在包括J个开关的第二切换组件的输出端产生第二输出电压。第一 切换组件的输出端可以与第二切换组件的输出端相连。
产生第一输出电压可以包括接通第一切换组件，这可以包括选择 性地将n(i)=l到n(i"N(i)个不同电压Vn(i)施加到I个开关中的第i个开
关的相关控制终端上。选择性地施加不同电压Vn(i)可以包括施加令第i
个开关断开的电压v1(i)、再施加中间电压Vint(i)、和其后施加令第i个
开关接通的最终电压VN(i)，其中Vi柳介于Vj(i)与V,之间，其中I、 J、
i、 N(i)和n(i)均为非零正整数。
产生第二输出电压可以包括接通第二切换组件。接通第二切换组 件可以包括选择性地将m(j)-l到m(j)-M(j)个不同电压Vm(j)施加到J个 开关中的第j个开关的相关控制终端上。选择性地施加不同电压VmQ) 可以包括施加令第j个开关断开的电压V1(j)、再施加中间电压Vint(j)、 和其后施加令第j个开关接通的电压VMG)，其中Vi一)介于V,g)与VM(i) 之间，其中j、 M(j)和m(D均为非零正整数。
该方法可以进一步包括滤波第一输出电压和第二输出电压以产生 一个基本直流的电压。可以将该基本直流的电压施加到一个负载上。
接通第一切换组件可以包括选择性将等于中间电压的电压V耶依 次施加到I个开关中的多个开关上，以及将等于最终电压的电压V3(D 施加到I个开关中的多个开关上。该方法可以包括将中间电压进一步施 加到I个开关中多个开关的至少一个开关上，以及同时将最终电压施加 到I个开关中的一个不同开关上。
一般地说，在本发明一个实施方案中， 一个DC/DC变换器可以包 括用来在该DC/DC变换器的一个节点处产生第一输出电压的装置。所 述变换器可以进一步包括用来在节点处产生与第一输出电压交替的第 二输出电压的装置。用来产生第一输出电压的装置可以包括用来选择 性地将n=l到t^N(i)个不同电压施加到I个开关中的第i个开关的控制 终端上的装置，其中不同电压包括令相关的第i个开关断开的电压VH、 令相关的第i个开关接通的电压VN(i)i、及介于Vu与VN(iu之间的电
压V;nt(i)。
一般地说，在本发明一个实施方案中， 一个DC/DC变换器可以包 括第一切换装置，用以响应在第一控制终端装置处的接通电压而在第 一输出终端装置上输出第一电压。该变换器可以进一步包括第二切换 装置，用以响应在第二控制终端装置处的接通电压，而在与第一输出 终端装置相连的第二输出终端装置上输出第二电压。
第一控制终端装置可以选择性地接到N〉2个电压之一。第二控制 终端装置可以选择性地接到M>2个电压之一。
所述变换器可以进一步包括一个用来控制第一切换装置的第一多 级控制装置。第一多级控制装置可以耦合至第一控制终端装置，并且 可以包括从11=1至i^N的N个驱动装置，其中每一个驱动装置均用来 选择性地将一个不同电压Vn施加到第一控制终端装置上，其中N大于 2。
一般地说，在本发明一个实施方案中， 一个DC/DC变换器可以包 括一个集成电路。该集成电路可以包括第一开关装置，用来响应在第 一控制终端装置处的接通电压而在第一输出终端装置上输出第一电 压。该集成电路可以进一步包括第二开关装置，用来响应在第二控制 终端装置处的接通电压而在与第一输出终端装置相连的第二输出终端 装置上输出第二电压。
所述集成电路可以进一步包括用来控制第一切换装置的第一多级 控制装置。第一多级控制装置可以耦合至第一控制终端装置，并且可 以包括从n=l至n=N的N个驱动装置，其中每一个驱动装置均用来选 择性地将一个不同电压Vn施加到第一控制终端装置上，其中N大于2。 N个驱动装置中至少有一个可以包括一个相关电容装置。
所述变换器可以进一步包括一个与集成电路分立的第二电容装 置，第二电容装置的电容包含在N个驱动装置之一的相关电容中。 一般地说，在本发明一个实施方案中， 一个DC/DC变换器可以包括第 一切换组件装置，第一切换组件装置包括I个切换装置，用来响应在相 关控制终端装置处的接通电压而在相关输出终端装置上输出第一电 压。相关输出终端装置中，每个均可以耦合至第一切换组件装置输出 终端装置，其配置成将电压输出到一个负载。在I个切换装置中， 一个
或多个切换装置可以进一步包括一个用来控制切换装置的相关多级控 制装置，该相关多级控制装置耦合至一相关控制终端装置。第i个相关
多级控制装置可以包括从n(i)=l到n(i"N(i)的N(i)个驱动装置，每一个
驱动装置用来选择性地将一个不同电压Vn(i)施加到相关控制终端装置
上，其中N(i)对于I个切换装置中的至少一个开关来说大于2。
以下结合
一种或多种实施方案的细节。通过说明和附图 以及权利要求书，本发明的其它特征和优点将是显而易见的。
图1是原有技术DC/DC变换器的示意图。 图2是本发明的一种DC/DC变换器实施方案的示意图。 图3A是本发明的另一种DC/DC变换器实施方案的示意图。 图3B是本发明的再一种DC/DC变换器实施方案的示意图。 图4是本发明的又一种DC/DC变换器实施方案的示意图。 图5A是对于Vcs的不同值Ids相対于VDS的曲线图。 图5B是包括一个开关组件控制器的DC/DC变换器的一种实施方 案的示意图。
图6是在一种单晶体管实施方案中电流作为时间函数的曲线图。
图7是包括M个晶体管的一种实施方案的示意图。
图8是在一种使用多晶体管的实施方案中电流相对于时间的曲线图。
图9是一种包括多个控制器的实施方案的示意图，其中该多个控 制器使切换不经由所有的中间电压等级完成。
图IO是在一种其中各晶体管之间的过渡中有一些重叠的实施方案 中电压相对于时间的曲线图。
在各图中以相同的参考编号表示相同的元件。
具体实施例方式
在此所述的低损耗DC/DC变换器在增大的切换频率下具有显著优 点。诸如DC/DC变换器之类的输出调节器在代理人摘要号MP0185、 提交于2003年7月12日的美国专利申请No. 10/460,825中有描述，在
此将全部该申请内容结合作为参考资料。
如上所述，通过将交替接通和断开的两个开关的输出加以滤波，
DC/DC变换器可以将一个基本直流的电压提供给负载。图2展示出根 据本发明的实施方案的低损耗DC/DC变换器系统200。
系统200包括第一开关210和第二开关220。第一开关210可以响 应在第一控制终端212处的接通电压而在第一输出终端211处输出电 压。类似地，第二开关220可以响应在第二控制终端222处的接通电 压而在第二输出终端221处输出电压。第一开关210和第二开关220 可以交替地接通和断开，并且用滤波器230对其输出加以滤波。经过 滤波的基本为直流的输出可被提供给负载240。
相关控制终端可以选择性地接至多个不同电压之一，而不是将相 关控制终端处的电压直接加以切换，使其从开关的断开电压切换到开 关的接通电压，从而接通第一开关210和第二开关220。亦即，第一开 关210和第二开关220可以选择性地接至令相关开关断开的第一电压、 令相关开关接通的第二电压、及介于第一电压与第二电压之间的一个 或多个中间电压。
相关控制终端可以以多种方式选择性地接至不同电压。例如，系 统200可以包括一个多级连接器215，用以选择性地将N个不同电压 等级接至第一控制终端212。对于第一开关210， V, (1)可以是令第一开 关210断开的电压，而Vw①可以是令第一开关210接通的电压。多级 连接器215可选择性地将一个或多个中间电压如V2 (1,和V (n.d①接至 第一控制终端212，而不是直接在V,(n与Vw(,)之间切换。类似地， 第二多级连接器225可以选择性地将从V,(2)到Vm(2)的M个不同电压 等级接至第二控制终端222，以此方式接通第二开关220。
第一开关210和第二开关220可以以类似方式断开。也就是说， 相关控制终端可以选择性地接至多个不同电压之一，而不是直接从令 相关开关接通的第二电压切换到令该相关开关断开的第一电压。
根据图2的DC/DC变换器可以比按常规方式接通和断开各开关的 DC/DC变换器更有效。在一个说明性例子中，第一幵关210和第二开 关220可以实施为第一和第二晶体管，并且第一控制终端212和第二 控制终端222可以是上述晶体管的相关栅极。
对于第一开关220， V,")对应于令晶体管断开的电压，而V^n 对应于令晶体管完全接通的电压。类似地，对于第二开关220， V1(2)
对应于令晶体管断开的电压，而VM(2)对应于令晶体管完全接通的电压。
第一和第二晶体管各自具有其相关的栅极-源极电容Cg,。
如上所述，在频率f下工作的晶体管开关会有取决于Cg,的相关栅
极损耗。根据公式(l)，如果栅极电压直接在VKp与VN(,)之间切换，
则第一开关的栅极损耗等于Cgs )2 / 。
2
假定有N个等间隔的电压等级，对于每一个(N-l)电压变化，对 应每个电压变化的栅极损耗表示在公式(2)中
栅极损耗每个等级-丄Cgs( ')—、'))2/ 公式(2)
<formula>formula see original document page 13</formula>
由于等级差为N-1个，所以净栅极损耗由公式(3)给出
栅极损耗净《gs(、"-、'))、 公式(3)
<formula>formula see original document page 13</formula>
因而，理论净栅极损耗是在直接在V,(n与Vwu)之间切换(接通 或者断开第一开关)的系统中得到的损耗的1/(N-l)倍。在栅极损耗方 面取得的改善可能小于理论数值。例如，如果栅极电压在切换到下一 级之前未完全稳定到一个中间电压等级，则在栅极损耗中的实际改善 可能小于理论数值。
如公式(3)表明的那样，使用较大数目的N可以导致净栅极损耗 的较大改善。然而，由于通过各个中间电压等级的步进占用一定时间， 所以一般将N选择为一个适当数目，用来改善栅极损耗和在合理时间 内完成切换。在一些实施方案中，N可以处于4 8的范围内。
图3A表示根据本发明实施方案的一种DC/DC变换器系统300。 其中第一 NMOS晶体管320的栅极310连接到多级控制器330。多级 控制器330选择性地将从340-0到340-N的不连续电压级施加到栅极 310上。多级控制器330可以包括N+1个驱动器，如驱动器348-1。驱 动器348-1包括用于电荷存储和再循环的电容器332-1，以及一个选择 性地将电压级340-1施加到栅极310上的切换机构。N+l个驱动器中， 有一些可包括选择性地将相关电压施加到栅极的切换机构，但可以不
包括相关电容。可以选择电容器332-1的值，使其能提供足够的电荷存 储和再循环能力。对于具有栅极-源极电容Cgs的晶体管，电容器332-1 的电容一般远大于Cgs。系统300可以进一步包括第二多级控制器360。 多级控制器360可以连接到第二 PMOS晶体管350的栅极355。多级 控制器360可以包括M个驱动器，以便选择性地将M个不同电压级施 加到栅极355上。
在一些实施方案中，多级控制器330的至少一部分可以包括在一
集成电路中。然而，由于用于电荷存储和再循环的电容一般远大于Cgs，
所以在集成电路上包含所有电容器可能是困难和昂贵的。因此，离开 芯片提供一些电荷存储能力可能是有益的；也就是说，使得用于电荷 存储和再循环的电容器与包含多级控制器330的其它元件的集成电路 分立。
第一晶体管320和第二晶体管350可以交替地接通；也就是说， 可以在断开第二晶体管350的同时接通第一晶体管320(或者依据具体 情况而仅仅接通)，且反之亦然。通过在第一晶体管320和第二晶体管 350的漏极使用电感器370和电容器380进行滤波，可以将基本直流的 电压提供到负载390。
通过使栅极310的电压在令第一晶体管320断开的第一电压340-0 与令第一晶体管320接通的第二电压340-N之间进行切换，可以接通 和断开第一晶体管320。然而，栅极310的电压是经中间电压等级340-1 至340- (N-l)而在第一电压与第二电压之间切换，而不是使第一晶体 管320的栅极310直接在第一电压340-0与第二电压340-N之间(例 如在0伏与5伏或12伏之间)切换。
使用一个分压器可以提供从340-0到340-N的不同电压等级，该 分压器例如可包括如图所示的电阻器334-1至334-N。注意电阻器334-1 至334-N应该较大，使得在分压器中耗散的功率最小。在一些实施方 案中，电阻器334-1至334-N可以基本上相同，从而电压等级是等间 隔的。在其它实施方案中，在电阻器334-1至334-N中至少有一个可 以不同于一个或多个其它电阻器。
注意在图3A中表示的分压器只是用来提供不同电压等级的多种 可选方案中的一种。可以使用其它配置。例如，可以使用利用运算放
大器、数模(D/A)转换器的电压源，或使用电流源。
图3B表示一个根据本发明一实施方案的系统305，其中第二晶体 管350实施为PMOS晶体管。第二晶体管350的栅极355与一个多级 控制器365连接。多级控制器365选择性地将离散电压等级345-0至 345-M施加到栅极355上。在系统305中，第一晶体管320实施为NMOS 晶体管，控制器335连接到第一晶体管320的栅极310。就图3A的实 施而言，使用一个电阻性的分压器可以提供345-0至345-M的不同电 压等级，而使用电容器可以提供电容性的电荷存储和再循环。
图4表示一个系统400，其中第一晶体管420和第二晶体管450 都实施为NMOS晶体管。第一多级控制器430选择性地将N个不同电 压等级接到第一晶体管420的栅极410，而第二多级控制器415选择性 地将M个不同电压等级接到第二晶体管450的栅极455。
在图4中所示的例子中，M等于5。第二多级控制器415选择性 地将电压等级440-1至440-5施加到栅极455上。对于这种实施方案， 电压等级440-1等于在第一晶体管420和第二晶体管450的漏极处的电 压Vx。对应于电压等级440-5的节点经二极管445接到自举电压VBS 上，因而对于一个理想二极管，电压等级440-5等于Vx+Vbs。对应于 电压等级440-5的节点经一个自举电容器连接到对应于电压等级440-1
的节点，该自举电容器所具有的电容值等于CBS。
图4中展示了确定中间电压等级的一个电阻性分压器。当在该分 压器中的每一个电阻相等时，电压等级440-2等于1/4 (VX+VBS)，电 压等级440-3等于1/2(VX+VBS)，而电压等级440-4等于3/4(Vx+VBS)。 如以上参考图3A所进行的说明，可以使用其它配置方案来提供不同的 电压等级。
这里所描述的系统和技术可以提供额外的优点。例如，当图2的 第一开关210和第二开关220实施为晶体管时(如图3A、图3B、和 图4所示)，可以选择性地对晶体管施加多个不同电压而不是直接接通 和断开晶体管，这可以减小晶体管应力，并因此而减小了相关晶体管 发生故障的平均时间。
图5A是一曲线图，展示在不同数值的栅极-源极电压下，Vcs漏极 -源极电流lDs相对于漏极-源极电压Vos的曲线。在图5A中，与大数 值Vgs和VDs相对应的较高应力区域500内，晶体管承受应力，并且
可能开始击穿。高晶体管应力情况的重复出现和/或时间延长可能缩短 晶体管的寿命。
将栅极电压直接从令晶体管断开的电压(v。ff)切换到令晶体管完
全接通的电压(V。n)可能将晶体管置于图5A所示的较高应力区域500
中。例如，刚刚在栅极电压从V。ff切换到V。n之后，Vds和Vcs可能都
较高，并且晶体管可能在与在较高应力区域500中的点501相对应的
Vds和Vgs下工作。VDs随着栅极下的区域耗尽多数载流子而减小，并
且产生一个反型层。在一段时间之后，VDs和Ves即对应于较低应力区 域510中的点502。 一般在较高应力区域500中的时间越长，对于晶体 管寿命的影响越大。
通过选择性地将一个或多个中间电压等级施加到栅极而不是直接 在V。n与V。ff之间切换电压(例如运用上述的和在图3A、图3B和图4 中所示的系统)，可以将Vds和Vcs保持在图5A所示的较低应力区域 510中。例如，通过选择性地施加与图5A中所示的那些电压相对应的 中间电压等级可以接通一个晶体管。电压可以首先从V。ff增大到Vcs=l
的第一中间电压等级。刚刚在这一电压变化之后，Vcs和VDS对应于
图5A所示较低应力区域510中的点503。在栅极下的区域中的多数载 流子的耗散开始，并且漏极-源极电压减小，从而晶体管工作于点504 处，该点处于低应力区域510中。
电压然后可以从VGS=1增大到VcjS=2。刚刚在这一电压变化之后， 晶体管工作于点505处，该点仍处于低应力区域510中。VDs继续减小， 直到晶体管工作于点506处。类似地，刚刚在栅极电压从Vcs=2增大 到Vc^3之后，晶体管工作于点507处，然后工作于点508处，该点 与较低数值的VDs相对应。最后，在栅极电压刚刚从Vc^3增大到V(^4 (V。n)之后，晶体管工作于较低应力区域510中的点502处，并且按 曲线所示在较低等级的Vds上工作。
对于上述接通过程，在点502至点508中，每个点都处于较低应 力区域510而不是较高应力区域500。因而，选择性地将中间电压等级 施加到栅极上可以减小或消除晶体管在较高应力区域500中工作的时 间。
在一些实施方案中，可以设置一个开关组件控制器以控制电压变 化的计时，从而可以避免高应力状态。设置开关组件控制器使得可在
符合一特定应力阈值的最小时间内完成切换。图5B表示包括这样一个 开关组件控制器的系统505。系统505包括第一晶体管开关520，可通 过选择性地将不同电压等级施加到栅极510而接通和断开第一晶体管 开关520。例如，多级连接器525 (可以是多级控制器的一部分)可以 选择性地将不同电压施加到栅极510。
系统505包括第二晶体管开关550，可通过使用多级连接器515 选择性地将不同电压等级施加到栅极555而接通和断开第二晶体管开 关550。电压检测器560测量源极-漏极电压VDS，电压检测器560连 接第一晶体管520的漏极522和第一晶体管520的源极523。类似地， 电压检测器565可以测量第二开关550的VDS。电压检测器560的输出 可以提供给开关组件控制器562。
为了接通第一开关520，栅极电压可以从令第一开关520断开的第 一电压变化到第一中间电压等级。电压检测器560将VDs输出到开关 组件控制器562。开关组件控制器562可以将电压检测器560所提供的 VDs测量值与一个阈值VDS (阈值)相比较。当Vds測量値在Vds (阈 值)以下时，开关组件控制器562可以将一个信号提供到多级连接器 525，以使栅极510的电压从第一中间电压等级变到第二中间电压等级。 上述过程可以重复，直到在栅极510处的电压等级足以完全接通第一 开关520为止。可以利用同样过程，以电压检测器565和开关组件控 制器567来断开和接通第二开关550。注意尽管在图5B中电压检测器 和开关组件控制器表示成为分立的，但它们并非必须是分立的。
如上所述，如果栅极电压在切换到下一级之前未完全稳定到所施 加的中间电压等级，则在栅极损耗中的实际改善可能小于理论数值。 然而，若使用单独一个多级控制器/晶体管系统就可能要求不切实际的 长稳定时间。图6表示在一个这样的系统中从其中一个存储电容器流 向大功率晶体管栅极的电流的关系。该电流呈现出大波峰和长稳定时 间。
图7表示一个系统700的实施方案，该实施方案可提供较小电流 波峰和较小稳定时间。在系统700中不是使用单独一个多级控制器/晶体管系统，而是使用多个多级控制器/晶体管系统。也就是说，M个多
级控制器710-1至710-M各自连接到切换晶体管730-1至730-M的栅 极720-1至720-M。在一些实施方案中，控制器710-1至710-M各自选 择性地顺序施加不同的电压等级。例如，控制器710-1选择性地顺序施 加电压等级715-0 (1)至715-N (1)，而控制器710-2选择性地顺序施 加电压等级715-0 (2)至715-N (2)。对于每个控制器来说，电压等 级的数量和/或数值可以是相同的或者是不同的。
可以选择上述M数值以提供所希望的切换时间和波峰电流。在一 些实施方案中，M可以在约IO与约IOOO之间选择。通过使用控制器 710-1至710-M顺序地施加不同电压，可以更迅速地接通和断开晶体管 730-1至730-M而不在PWM输出级的供电电压上引入大的瞬态电流。
对于在诸如系统700之类的系统中，M=10和N=4的例子，图8 展示了当晶体管的相关栅极从1/4Vs经1/2VJ卩3/4Vs切换到Vs时，在 电荷存储器件与该晶体管的相关栅极之间的电流流动。在to处，经控 制器710-1施加的电压从1/4Vs切换到1/2VS。在一个可能小于所示的 第一晶体管的稳定时间的时间间隔At之后，经控制器710-2施加的电 压从1/4Vs切换到1/2VS。经控制器710-3至710-10施加的电压顺序从 1/4Vs切换到1/2VS。由于各个晶体管730-1至730-10相对小，所以每
个晶体管的稳定时间tsettle以及波峰电流ipeak比在其中使用单个大晶体
管的情况显著减小。
在时刻t,处，经控制器710-1施加的电压从1/2Vs切换到3/4Vs。 间隔"-to)可能小于将经所有控制器710-1至710-10施加的电压切换 到1/2VS (如图8所示)需要的时间，或者可能与切换经所有控制器施 加的电压需要的时间相同或大于该时间。经其余控制器施加的电压然 后可以从1/2Vs切换到3/4Vs。类似地，在时刻12处，经控制器710-1 施加的电压从3/4Vs切换到Vs，经其余控制器710-2至710-10施加的 电压顺序从3/4Vs切换到Vs。
尽管所用的时间可以变化，但在一些实施方案中，At可以处于约 50皮秒的量级，(trto)可以处于约半纳秒的量级，而从高压到低压(或 相反)的过渡可能处于约5纳秒的量级。
在一些实施方案中，经一些控制器施加的电压可以以少于全部N
个电压等级的步数而步进，或直接在接通电压与断开电压之间步进。
这可以减小在高与低压级之间的过渡中花费的时间。图9表示一种实 施方案，其中多级控制器910-1和910-4从0伏的低电压经三个中间电 压等级(i/4Vs、 1/2Vs和3/4Vs)切换到高电压Vs。
在图9所示系统中，不是选择性地施加所有中间电压等级，而是 使得经一个控制器910-2施加的电压从低电压(在本例中为0V)直接 切换到高电压Vs。经控制器910-3施加的电压通过单独一个中间电压 1/2Vs切换。尽管在图9中控制器910-2和910-3的结构表示为与控制 器910-1和910-4的结构不同，但在一些实施方案中，各个控制器可以 具有相同结构。在这样一种实施方案中，经特定控制器顺序施加的电 压等级可以例如利用软件来确定。
通过减小在断开第一开关与接通第二开关之间的过渡时间("死区 时间")可以得到更快的响应时间。通过使开关之间的过渡区重叠也可 以减小死区时间。
在一个例子中，第一开关可以是一个NMOS晶体管，而第二开关 可以是一个PMOS晶体管。在接通PMOS晶体管之前，施加到NMOS 晶体管的栅极上的电压从V。,经中间电压等级步进到V。ff(N)。为了减 小死区时间，可以在施加到NMOS晶体管的栅极上的电压达到V。ff(N) 之前，开始接通PMOS晶体管的过程。例如，当施加到NMOS晶体管 栅极上的电压处于中间级而不是V。,)时，施加到PMOS晶体管栅极上 的电压可以从V。ff(p)变到第一中间电压等级。
由于PMOS晶体管几乎未接通，所以显著减小了在器件过渡期间 大短路电流产生的危险。在一些实施方案中，可以选择最低电压等级 的数值以便于这种过渡。
图IO表明这种过程。在本例子中，NMOS晶体管在时刻to是接通 的，所施加的电压等于Vs。在时刻t,，施加到NMOS晶体管栅极的电 压从Vs减小到3/4Vs。在时刻12，该电压从3/4Vs减小到1/2VS。
在时刻t3，施加到NMOS晶体管栅极的电压从1/2Vs减小到1/4VS。 在大约相同时刻，施加到PMOS晶体管栅极的电压从V。ff(p)减小到第一 中间电压等级(本例中就是从0V减小到约-l/4Vs)。因而，可以把死 区时间减小约等于稳定时间的数值。
以上已经描述了多种实施方案。尽管如此，应理解可以对上述各 实施方案进行各种修改，而不脱离本发明的精神和范围。例如，尽管
为说明而描述了降压配置，但所描述的系统和技术可以与DC/DC转换
器的其它实施方案一起使用。因而，这类其它实施方案仍属于所附权 利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种包括DC/DC变换器的设备，包括输出级，其包含一对输出功率晶体管；和至少一个多级控制器，其与该对输出功率晶体管的第一晶体管的栅极相连；其中所述至少一个多级控制器被配置成将N个不同的单调序列的电平顺序地连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管的所述栅极，而N至少为3。
2. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少另一多级控制器， 其与该对输出功率晶体管的第二晶体管的栅极相连，其中所述至少另一 多级控制器被配置成将M个不同的电平与该对输出功率晶体管的所述 第二晶体管的所述栅极连接，而M至少为3。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个多级控制器包含 第一电压线和最后电压线，所述最后电压线与该对输出功率晶体管的所 述第一晶体管的漏极并与自举电容器相连，而所述第一电压线与所述自 举电容器并与二极管相连以连接到自举电压。
4. 根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个多级控制器包含 在所述第一电压线和所述最后电压线之间的电阻性分压器，并且所述至 少一个多级控制器包含与所述电阻性分压器相连的多个去耦合电容器。
5. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括电压检测器，其与该对输出功率晶体管的所述第一晶体管相连；和开关组件控制器，其响应于所述电压检测器并被配置成控制所述至 少一个多级控制器，以便将所述N个不同的单调序列的电平选择性地连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管的所述栅极。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个多级控制器包含 多个多级控制器。
7. 根据权利要求6所述的设备，其中该对输出功率晶体管的所述第 一晶体管包含10到1000之间的开关晶体管，并且所述多个多级控制器 包含10到1000之间的多级控制器，每个控制器与所述开关晶体管的相 应一个相连。
8. 根据权利要求6所述的设备，其中所述多个多级控制器包含至少 第一多级控制器和至少第二多级控制器，所述至少第一多级控制器被配 置成将N个不同的电平顺序地连接到该对输出功率晶体管的所述第一 晶体管，而N至少为3;所述至少第二多级控制器被被配置成将少于N 个不同的电平顺序地连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中所述第一多级控制器被配置成 连接至少3个中间电压，所述第二多级控制器被配置成不连接中间电压， 第三多级控制器被配置成连接至少一个中间电压，而第四多级控制器被 配置成连接所述至少3个中间电压。
10. 根据权利要6所述的设备，其中所述多个多级控制器每个都被 配置成响应于可编程的控制而连接一连串电平。
11. 一种方法，包括为DC/DC变换器的输出级提供输出功率；所述输出级包含一对输 出功率晶体管；和通过利用多级控制器将N个不同的单调序列的电平顺序地连接到该对输出功率晶体管的第一晶体管，驱动该对输出功率晶体管的至少所述第一晶体管，其中N至少为3。
12. 根据权利要求ll所述的方法，进一步包括通过利用另一多级控 制器将M个不同的电平连接到该对输出功率晶体管的第二晶体管，驱动 该对输出功率晶体管的至少所述第二晶体管，其中M至少为3。
13. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述驱动包含将第一电压从 源于二极管的自举电压提供至该对输出功率晶体管的所述第一晶体管 并提供到自举电容器；并包含将最后电压提供至该对输出功率晶体管的 所述第一 晶体管并提供到所述自举电容器。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述驱动包含利用电阻性分 压器，以及包含用去耦合电容器将瞬态电流提供给该对输出功率晶体管 的所述第一晶体管。
15. 根据权利要求ll所述的方法，进一步包含 检测跨接在该对输出功率晶体管的所述第一晶体管上的电压；和响应于所检测的电压，控制所述多级控制器以将N个不同的单调序 列的电平选择性地连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管。
16. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述驱动包含利用多个多级 控制器驱动该对输出功率晶体管的所述第一晶体管。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中利用所述多个多级控制器包 含用10到1000个多级控制器的相应控制器来驱动10到1000个开关晶 体管的相应一个，所述开关晶体管组成该对输出功率晶体管的所述第一 晶体管。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中利用所述多个多级控制器包 含用第一多级控制器将N个不同电平顺序地连接到该对输出功率晶体 管的所述第一晶体管；并且包含用第二多级控制器将少于N个不同电平 连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中用所述第一多级控制器连接 所述N个不同电平包含连接至少三个中间电压；用所述第二多级控制器 连接少于所述N个不同电平包含不连接中间电压；而所述驱动进一步包 含利用第三多级控制器将所述至少一个中间电平连接到该对输出功率 晶体管的所述第一晶体管，并包含利用第四多级控制器将所述至少三个 中间电平连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中利用所述多个多级控制器包 含选择性地连接电平序列，以响应可编程的控制。
全文摘要
本发明提供了一种包括DC/DC变换器的设备和直流对直流功率变换方法，所述设备包括输出级，其包含一对输出功率晶体管；和至少一个多级控制器，其与该对输出功率晶体管的第一晶体管的栅极相连；其中所述至少一个多级控制器被配置成将N个不同的单调序列的电平顺序地连接到该对输出功率晶体管的所述第一晶体管的所述栅极，而N至少为3。
文档编号H02M3/10GK101179227SQ200710162719
公开日2008年5月14日 申请日期2003年10月23日 优先权日2002年10月25日
发明者S·苏塔迪亚 申请人:马维尔国际贸易有限公司