专利名称：用于功率变换器的放大器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率变换器，并且更尤其涉及在降低了寄生开关器件(parasitic switching device)活动性的功率变换器中的放大器系统。
背景技术：
配备功率电子器件的集成电路以及相关电路使成本高效的解决方案能够在功率管理中解决复杂问题。将上千个有源器件以及它们的连接件架构到一个单片半导体元件中，制成了非常高效的系统，这种系统使用最少的材料封装并使得不可靠的连接最少化。原理上这些器件的限制在于其不能存储大量的能量(电容器和电感器的尺寸有限)，并且在一个组件内多个器件的密集布置导致了非预期的信号(电流)从高电流构件被耦接到该电路的其它信号部分上。寄生元件，诸如与功率MOSFET相邻地形成的非预期的双极性晶体管，通常限制电压和电流水平，在此处MOSFET可以可靠地工作而不会被破坏。
发明内容
放大器系统通过将包括在放大器系统中的半导体基板上出现的至少一个寄生开关器件反向偏置，使寄生开关器件的活动力最小化。该放大器系统包括在半导体基板上的集成电路中形成的作为功率开关的开关器件，诸如功率M0SFET。这些开关器件可包括第一开关器件和第二开关器件，该第一开关器件和第二开关器件在半桥功率级配置下可协同地进行切换，以在该半导体的输出节点上生成放大的输出信号。该半导体还可包括用于接收电源电压的电源输入节点，以及与基板耦接的基板节点。电阻器和电容器可并联耦接在电源输入节点和基板节点之间。电容器可在第一和第二开关器件的开关周期期间被充电成去偏置(de-biasing)电压，以将所出现的任何寄生开关器件反向偏置。当第一和第二开关器件基本上都不导电时，该电容器可使用在第一和第二开关的开关周期期间(续流(free-wheeling)部分)发生的续流电流进行充电。在一个示例配置中，放大器系统可额外地包括耦接在输出节点和基板节点之间的二极管。该二极管可通过续流电流正向偏置对电容器进行充电。该二极管可连同作为分流电路(shunt circuit)的电阻器和电容器与被包括在第一开关器件和第二开关器件之一中的续流体二极管并联。该二极管的正向电压可小于被包括在第一开关器件和第二开关器件之一中的续流体二极管的正向电压，使得二极管被导通，并且在续流体二极管被导通之前开始对电容器充电。对该放大器系统感兴趣的特征是，在一些示例配置中电阻器、电容器和二极管 (如果存在)可以是在半导体外部的。因此，输出节点、电源输入节点和基板节点可分别从半导体伸出到该半导体的各个外部管脚。对该放大器系统的另一个感兴趣的特征是可包括任意数量的开关器件。由此，放大器系统可包括任意数量的半桥功率级或者全桥功率级。电阻器和电容器可以是半桥功率级或全桥功率级中每一个的公共的充/放电电路。
对该放大器系统的又另一个感兴趣的特征是，该系统可通过保持寄生开关器件基本切断对开关器件安全操作区域提供低成本的扩展。对这些开关器件安全操作区域的扩展可增加半导体的功率输出。当寄生开关器件保持断开时，不仅该开关器件的安全操作区域相对更高的电压和电流被扩展，而且可以降低噪声电流和电磁干扰(EMI)。被扩展的续流体二极管恢复时间可导致噪声电流，而且，在高电压下动态雪崩可能导致噪声电流。对于一个本领域的技术人员来说，根据对以下附图和详细说明的考查，本发明的其它系统、方法、特征和优势将会，或者将变得显而易见。所有这样的系统、方法、特征和优势将意图被包括在本说明书中，包括在本发明的范围之内，并且受到随附的权利要求书的保护。
参考后续的附图和描述可更好地理解本发明。图中的组件不必要依比例绘制，重点放在说明本发明的原理上。此外，贯穿不同的视图，在图中相似的参考标号代表相应的部分。图I是具有CMOS集成电路架构的形式的示例半导体架构；图2是图I中具有所说明的寄生开关器件示例的示例半导体架构；图3是包括半桥功率级的示例放大器系统的电路图；图4是包括分流电路的图3放大器系统的电路图；图5是包括全桥功率级和分流电路的示例放大器系统的电路图；图6是放大器系统的工作流程图。
具体实施例方式图I是结合在诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)功率IC的半导体102中的集成电路(IC) 100的示例架构。示例功率IC是建立在轻掺杂P型基板(lightly doped P-type substrate)上的，其使用更高掺杂的N阱以限定被建立在同一基板上的开关器件(诸如P 沟道M0SFET)。在其它示例中，这些开关器件可以是其它装置，例如PNP双极结型晶体管 (BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管(thyristor)或者包括在集成电路中并且能够在导电和非导电状态之间转变的任意其它形式的功率晶体管、机构或者器件。虽然在以下的讨论中使用了术语“M0SFETS”，但是其应该被理解为，这种开关器件并不限于MOSFET开关器件。N阱可以通过诸如电源被偏置成比在该IC100中包含的任何电路更为正向地偏置。 在其它示例中，半导体可包括在轻掺杂η型基板上的P阱。在图I中，NMOS器件可被直接建立在基板上或者在由正供电电压(Vdd)通过电源支持的深N型埋层(NBL)形成的N型盆 (N tub)内。由电源供应的负供电电压(Vss)可被施加给该基板中的P阱。NMOS和PMOS器件可在基板上由横向结构形成，其中，源极(S)、栅极(G)和漏极 (D)横向排列。备选地，或者此外，NMOS和PMOS器件可在基板上成垂直结构形成。在P外延区域(Pipi)内的N阱还可被用于容纳除诸如MOSFET的开关器件以外的电阻器、小型电感器和电容器。可使用绝缘硅(SOI)的绝缘方法，而非具有N层绝缘的P型基板。这种构架的单片性质造成了寄生器件。在图2中指示出了寄生双极型器件202的一些示例。诸如MOSFET的开关器件可固有地包含寄生开关器件，诸如寄生双极结型晶体管(BJT)，其可能位于每一个开关器件中。虽然在以下讨论中使用了术语“BJT”，但是应该理解，寄生开关器件不应被限制于BJT，而是可以是任意形式的寄生开关器件。在图2中并未示出在实际的IC中可能出现的所有寄生NPN BJT，但是，在图2中示出的那些可代表对IC 健壮功能性的重要限制。典型地，寄生开关器件的高电流击穿电压在相当大的程度上低于以寄生开关器件为部件的开关器件的击穿电压。例如，在较低的BJT集电极电流下，而非在较高的BJT集电极电流下，击穿电压等于MOSFET的漏极到源极击穿电压(BV dss)。因此， 应该避免寄生开关器件电流(诸如BJT集电极电流)变大。通过设计可使得由这样的寄生开关器件进行的导电最小化。在一个实施例中，当半导体的基板被连接/短接到MOSFET的源极时，注入基板的电流趋向于返回源极而不是使其开启寄生BJT。对于寄生晶体管的基极来说可具有三种主要的充电电源I.来自迅速增长的漏极源极电压(Vds)的位移/电容性电流；2.由先前的漏极基板结(drain-to-substrate junction)的正向偏置在该区域中留下的电量。3.由在漏极区域中的高电场引起的热载流子电流(hot-carrier current)(少数载流子)。在漏极和基板之间的电容提供了用于寄生BJT的大导通电流(turn-on current)，MOSFET的设计能够至少部分地包含寄生BJT，这种MOSFET的设计有效地将电流路径选择到MOSFET源极引线。然而，该导通电流并不只是起到使寄生BJT开启的作用的电流。功率变换器,诸如音频放大器,可使用功率IC来驱动负载。在一些示例中，使用功率IC的功率变换器可驱动电感性负载，诸如扬声器，该功率变换器使用高频脉冲信号的宽度调制以将能量以近乎无损失受控传输的方式提供给电感性负载。D类(Class-D)音频放大器就是一种这样的功率变换器的不例。图3是一种具有可被包括在功率变换器中的半桥功率级的示例放大器系统300。 这种半桥功率级可使用由第一栅极驱动器304驱动的第一开关器件302，以及由第二栅极驱动器308驱动的第二开关器件306实现。该第一和第二栅极驱动器304和308可基于被提供给输入节点310的输入信号来驱动各自的第一和第二开关器件302和306。该输入节点310可以是在半导体上的外部管脚，或者可以是集成电路的一部分，其接收输入信号。输入信号可以是一个或更多个控制信号，诸如脉冲宽度调制的信号。在音频放大器系统的一个示例中，该输入信号可以是通过使用高速比较器将三角波与音频信号进行比较以依据音频信号的瞬时幅度生成一系列具有不同宽度的脉冲所生成的脉冲宽度调制信号。备选地，在另一个音频放大器系统示例中，数字信号处理器可根据音频信号生成脉冲宽度调制信号。该功率变换器可包括其它装置和系统，诸如处理器、存储器、滤波器、用户接口、通信接口或者在功率变换器中包括的任意其它功能特性，诸如音频放大器。第一和第二开关器件302和306可以是作为在半导体的基板312中的集成电路的一部分被包括的功率M0SFET。在半桥配置中，第一和第二开关器件302和306可分别被称为高侧开关(HSFET)，和低侧开关(LSFET)。集成电路可从一个或更多个外部电源进行供电。在图3中，第一电源输入节点314 可接收正电源电压(+Vcc)作为输入电压。该第一电源输入节点314可包括在半导体上的外部管脚，其还通过基板312在IC内部与第一开关器件302耦接。第二电源输入节点316 可接收负电源电压(-Vcc)作为输入电压。该第二开关器件306和第二栅极驱动308可通过基板312耦接到IC内部的第二电源输入节点316。该第二电源输入节点316还可包括在半导体上的外部管脚。在第二电源输入节点316处接收的电压可以是放大器半桥的最负电源电压 (-Vcc)。由此，在该第二电源输入节点316处接收的电压可以是该第二开关器件306的最负供电电压电位。在一些示例中，最负电源电压(-Vcc)可以是接地电压。在其它功率IC示例中，最负电源电压(-Vcc)可以大于或者小于零伏。在进一步的其它示例中，电源输入可以基于开关器件是N型还是P型器件(诸如NMOS和PMOS器件)而被反向，使得第一电源输入节点314接收负电源电压(-Vcc)，而第二电源输入节点316接收正电源电压(+Vcc)。 因此，在以下讨论中，虽然未指示出，但是正负电源电压可互换。在图3中,基板312通过跨接电路(jumper circuit) 318与负电源电压(_Vcc)率禹合。该跨接电路318在第二电源输入节点316和基板输入节点320之间形成了短路。该基板输入节点320具有外接到半导体的外部管脚的形式。由此，分流电路318在半导体外部。 在其它示例中，基板312可通过在半导体内部且被包括在IC内的分流电路318被耦接到负电源电压(-Vcc)上。在工作期间，半桥功率级300在输出节点322上生成输出信号，该输出节点322可设置为半导体上的外部管脚。该输出信号可代表经放大的在输入节点310上提供的输入信号。输出节点322可被耦接到一个或更多个滤波器324上，诸如包括一个或更多个电感器 (LI) 326和一个或更多个电容器(Cl) 328的无源滤波器。在其它示例中，有源滤波器，或者任意其它类型的滤波器可加强滤波器324。滤波器324在其它示例配置中也可作为半导体中包括的集成电路的一部分被包括在内。由此，在一些示例中，由半桥功率级300生成的输出信号可不直接被供给半导体上的外部管脚。输出节点322也可与负载330耦接。负载 300可以是能够接收输出信号的任意装置。在图3中，负载330包括一个或更多个扬声器， 这些扬声器通过输出信号驱动产生可听到的声音。在放大器系统300的工作期间，包含在半导体中的集成电路(IC)中可能出现一个或更多个寄生开关器件334，诸如寄生BJT。在一个示例中，寄生开关器件334可以是寄生 NPN BJT0在操作期间，电荷可以通过在第一开关器件302(高侧FET-HSFET)断开时流动的电流进入寄生开关器件334，并且电感器326 (LI)上电流的一部分被迫流入输出节点322， 并且流过第二开关306(低侧FET-LSFET)的正向偏置的体二极管或者基板二极管。体二极管或者续流体二极管可包括在第一和第二开关器件302和306的每一个中，在各开关器件的漏极和源极之间。当关闭第一或第二开关器件302或306并且在开启另一个开关器件(第一或第二开关器件302或306)之前的这个部分的转换周期可被描述成周期的续流部分。在第一开关器件(HSFET) 302被关闭的情况下，周期的续流部分，无后续开关的情况下，将持续直到在电感器326 (LI)上的电流由于第二开关器件306 (LSFET)导通并供应电压和电流到输出节点322上而反转方向。例如，第二开关器件306可在该方向上开始导电，在此时FET沟道仅使用多数载流子导电。在相对高的瞬时输出电流下，交流开关器件(FET)可在电感器 326 (LI)中电流方向反转之前导通。
当第一开关器件302(HSFET)突然导通，续流电流仍然流入第二开关器件 306 (LSFET)的续流体二极管时，可发生寄生开关器件334完全导通。这可被称为寄生开关器件充电事件。在一些情况下，寄生开关器件334可在续流周期期间偏置，但是可能缺乏足够的集电极电位来传导足够的电流而引起问题，直到第一开关器件302 (HSFET)导通，并且迫使寄生开关器件334两端，诸如寄生BJT的集电极电路两端，的电压使所传导的电流有害地增加。在一些示例中，寄生开关器件334的一部分，诸如寄生BJT集电极，可以终止于保护环(guard ring)。该保护环可以是集成电路的构成，并且可被用于收集杂散电流，以便使IC中的杂散串扰(spurious cross talk)最小化。该保护环可使用相对于基板312的正(或负)电位被偏置，诸如使用正电源电压(+Vcc)的至少部分进行偏置。这样，当续流电流仍然流入第二开关器件306 (LSFET)的体二极管且第一开关器件302 (HSFET)突然导通时，寄生开关器件334两端的电压可以更大。在操作期间，当第一开关器件302 (HSFET)开始导通时，在第一开关器件 302 (HSFET)的漏极附近可生成热载流子。当第一开关器件302 (HSFET)的漏极-源极电压足够大时，在多数载流子(电子)上具有足够的能量以从第一开关器件302 (HSFET)的硅晶格上驱除电子。自由电子加入流向第一开关器件302(HSFET)的漏极的流中。一些得到的空穴可流入基板312并且激励寄生开关器件334。空穴电流可与漏极电流成比例，并且相对于漏极-源极电压成指数关系。在第一开关器件302 (HSFET)中的热载流子电流的表达式可以以下形式提供
权利要求
1.一种用于功率变换器的放大器系统，包括半导体，其具有在基板上形成的集成电路；多个开关器件，其包括在所述集成电路中包括的第一开关器件和第二开关器件；所述第一开关器件和所述第二开关器件使用第一电源输入和第二电源输入，利用脉冲宽度调制信号可协同地开关，以生成放大的信号；以及电容器和电阻器，其被并联耦接，并且被耦接到所述第一电源输入或第二电源输入中的一个与所述基板之间。
2.如权利要求I所述的放大器系统，进一步包括被耦接在所述放大的信号和所述基板之间的二极管。
3.如权利要求2所述的放大器系统，其中，所述二极管为肖特基二极管，其位于所述半导体外部。
4.如权利要求I所述的放大器系统，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件的每个包括被耦接在所述第一开关器件和所述第二开关器件中每一个的漏极和源极之间的体二极管，在所述第一开关器件和所述第二开关器件各自的开关期间通过续流电流可操作地将所述体二极管进行正向偏置，并且将所述电阻器和电容器作为分流电路与所述第二开关器件的体二极管并联。
5.如权利要求I所述的放大器系统，其中，所述电阻器和所述电容器是所述半导体之外的器件。
6.如权利要求I所述的放大器系统，其中，所述电阻器和所述电容器是在所述基板上形成的器件。
7.一种用于功率变换器的放大器系统，包括在基板上形成的集成电路，该基板具有基板输入；多个开关器件，其被包括在所述集成电路中；所述开关器件包括利用脉冲宽度调制信号可协同地开关的第一开关器件和第二开关器件，以生成放大的信号；与所述第一开关器件耦接的第一电源输入，以及与所述第二开关器件耦接的第二电源输入；电阻器，其被耦接在所述第二电源输入和所述基板输入之间；以及电容器，其被耦接在所述第二电源输入和所述基板输入之间，所述电容器还与所述电阻器并联耦接。
8.如权利要求7所述的放大器，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件的每个是在所述基板上形成的功率MOSFET。
9.如权利要求7所述的放大器系统，其中，所述第二电源输入被配置成接收处于所述第二开关器件的最负供电电压电位的电源电压，并且所述第二开关器件包括NMOS FET0
10.如权利要求7所述的放大器系统，其中，所述第二电源输入被配置成接收处于所述第二开关器件的最正电压供电电位的电源电压，并且所述第二开关器件包括PMOS FET0
11.如权利要求7所述的放大器系统，进一步包括耦接在所述放大的信号和所述基板之间的二极管，该二极管与所述电容器和所述电阻器选择性地将所述放大的信号电流中的至少部分分流到所述基板。
12.如权利要求11所述的放大器系统，其中，所述二极管被配置成具有至少是在所述第一和第二电源输入之间期望的电压的差异的阻断电压额定值，和小于所述第二开关器件中包括的体二极管的正向电压的正向电压。
13.如权利要求11所述的放大器系统，其中，所述二极管是第一二极管，所述放大的信号为可供应给负载的第一放大信号，并且，所述多个开关器件进一步包括利用所述脉冲宽度调制信号可协同开关的第三开关器件和第四开关器件，以生成可供应给所述负载的第二放大信号，该放大器系统进一步包括被耦接在所述第二放大信号和所述基板之间的第二二极管。
14.如权利要求13所述的放大器系统，其中，所述电阻器和所述电容器形成充放电电路，该充放电电路通过所述第一二极管和所述第二二极管中的每一个独立地操作，以调节所述基板的电压电位。
15.如权利要求11所述的放大器系统，其中，所述二极管、所述电阻器和所述电容器在所述半导体外部，并且可操作地作为分流电路与在所述第二开关器件中包括的体二极管并联。
16.如权利要求7所述的放大器系统，其中，所述电容器可操作地作为电压存储池以响应于寄生开关器件充电事件，调节所述基板的电压电位。
17.一种用于功率变换器的放大器系统，包括电阻器；电容器，其与所述电阻器并联耦接，以形成充/放电电路；所述电阻器和所述电容器被耦接在半导体的基板和在该半导体的基板上形成的第一开关器件之间；并且所述第一开关器件还与在所述半导体的基板上形成的第二开关器件耦接，使得所述充 /放电电路、所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述基板串联耦接；其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件可操作地响应于脉冲宽度调制控制信号生成放大的输出信号。
18.如权利要求17所述的放大器系统，其中，所述半导体包括作为基板节点的第一外部管脚和作为电源节点的第二外部管脚，并且所述充/放电电路在所述半导体外部被耦接到所述基板节点和所述电源节点之间。
19.如权利要求18所述的放大器系统，其中，所述电源节点被配置成从电源接收电压，该电压是由所述半导体接收的最负电压，并且所述第一和第二开关器件是N沟道功率 MOSFET。
20.如权利要求18所述的放大器系统，进一步包括被连接在所述基板节点和所述半导体的第三外部管脚之间的二极管，该第三外部管脚是输出节点，其中，所述第一开关器件和所述第二开关器件可操作成在所述输出节点上产生放大的输出信号。
21.如权利要求17所述的放大器系统，其中，所述电容器被配置成选择性地充电至去偏置电压，以将所述基板的电压电位调节成使在所述基板上出现的任意寄生开关器件反向偏置。
22.如权利要求17所述的放大器系统，其中，所述电容器被配置成响应于所述第一和第二开关器件进入开关周期的续流部分而选择性地充电，在该开关周期的续流部分中所述第一开关器件和所述第二开关器件基本上都不导电。
23.—种操作功率变换器的放大器系统的方法,该方法包括协同地操作在半导体基板上形成的第一开关器件和第二开关器件，以在输出节点上生成放大的输出信号；断开所述第一开关器件和所述第二开关器件中的一个；进入开关周期的续流部分，在其中所述第一开关器件和所述第二开关器件中的至少一个不导电；利用在所述开关周期期间产生的续流电流，对被耦接在半导体的基板节点和电源节点之间的电容器进行充电；以及依据被存储在所述电容器中的去偏置电压，调节所述基板的电压电位。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括，依据所述续流电流对所述电容器进行充电，对被耦接在所述半导体的所述输出节点和基板节点之间的二极管进行正向偏置。
25.如权利要求23所述的方法，其中，对所述基板的电压电位进行调节包括使所述基板的电压电位降低到所述第二开关器件的最负供电电位以下。
26.如权利要求23所述的方法，其中，对所述基板的电压电位进行调节包括使在所述基板上出现的任意寄生开关器件反向偏置。
27.如权利要求23所述的方法，其中，对所述电容器进行充电包括对所述电容器和所述电阻器进行操作以选择性地将所述输出节点上存在的电流中的至少部分分流到所述基板。
全文摘要
本发明涉及一种用于功率变换器的放大器系统，至少包括在半导体基板的集成电路中形成的第一开关器件和第二开关器件。该第一和第二开关器件可形成半桥配置，并且可协同地进行开关，以在该半导体的输出节点上生成经放大的输出信号。电阻器和电容器可被并联耦接在半导体中包括的电源输入节点和基板节点之间。在第一和第二开关器件的开关周期期间该电容器可被选择性地充电至去偏置电压，以使得在集成电路中出现的寄生开关器件反向偏置。
文档编号H02M3/155GK102611401SQ201210017988
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者G.R.斯坦利 申请人:哈曼国际工业有限公司