低噪声电源mosfet栅极驱动方案的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开一般地涉及电源，并且更具体地涉及低噪声开关电源。
【背景技术】
[0002]低噪声电源一般地要求对电压和电流两者进行软开关。诸如零电压开关(ZVS )之类的技术通常允许电压转变具有受控转换速率。图1图示出使用ZVS的推挽式DC至DC电源100的示例。在该示例中，电源100包括两个第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(在这里，MOSFET I和MOSFET 2)和负载(Load)处的输出电压(Vout)。
[0003]将电流软关断通常要求施加足够大以促使电流斜降但并未大到以致于电流的转换速率导致不可接受的噪声级的串联阻抗。用于施加此类串联阻抗的一个普遍接受的手段是缓慢地驱动MOSFET的栅极通过其阈值电压。
[0004]大多数(如果不是全部的话)功率MOSEFT具有在各部分之间改变几伏且也可以随温度而变的阈值电压。缓慢栅极驱动转变一般地将导致穿过阈值时的时间上的大的变化。然而，可以在合理的时间量内摆动通过所有可能阈值电压的栅极驱动将导致MOSFET更快地对电流进行开关并产生更多的噪声。
[0005]图2是栅极驱动波形200的图形表示，其图示出缓慢栅极驱动202和快速栅极驱动204对用于典型开关电源的开关的时间上的变化可能具有的影响。可以很容易地确定快速栅极驱动204导致比缓慢栅极驱动202更小的定时上的变化(例如，在最大阈值206与最小阈值208之间)。
[0006]因此，仍存在对改善的低噪声开关电源的需要。
【发明内容】
[0007]公开技术的实施例一般地针对一种开关电源，其中，使用针对正和/或负斜率具有快速转换速率区和缓慢转换速率区两者的栅极驱动波形来驱动初级功率MOSFET接通和/或关断。在电源的初始接通之后，可以针对每个MOSFET独立地调整栅极驱动波形的偏移或形状，使得每个MOSFET的阈值在受控的时间点被其栅极驱动波形的缓慢转换速率区穿过。
【附图说明】
[0008]图1图示出使用零电压开关(ZVS)的推挽式DC至DC电源的示例。
[0009]图2是栅极驱动波形的示例的图形表示，其图示出缓慢和快速栅极驱动对用于典型开关电源的开关的定时上的变化可能具有的影响。
[0010]图3是栅极驱动波形的示例的图形表示，其图示出用于公开技术的某些实施方式的初始和提尚棚■极驱动对开关时间可能具有的影响。
[0011]图4是用于公开技术的某些实施方式的初始栅极驱动电压的示例的图形表示。
[0012]图5是用于公开技术的某些实施方式的提高栅极驱动电压的示例的图形表示。
[0013]图6是根据公开技术的某些实施例的在调整之前通过电阻器在示波器上测量的共模噪声的示例的图形表示。
[0014]图7是根据公开技术的某些实施例的在调整之后通过电阻器在示波器上测量的共模噪声的示例的图形表示。
[0015]图8图示出根据公开技术的某些实施例的其中MOSFET被关断并随后重新接通的示例。
【具体实施方式】
[0016]公开技术的实施例可包括:至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；至少一个波形发生器，其被配置成驱动所述至少一个MOSFET中的每一个MOSFET的栅极使得所述至少一个MOSFET中的每一个MOSFET的关断转变被成形为具有较快转换区、随后是较慢转换区；以及检测部件，其被配置成检测所述至少一个MOSFET中的每一个MOSFET关断的时间。
[0017]所述至少一个MOSFET可包括其中栅极驱动转换成负以将(一个或多个)M0SFET关断的η沟道M0SFET。在备选实施例中，所述至少一个MOSFET可包括其中栅极驱动将转换成正以将(一个或多个)MOSFET关断的P沟道MOSFET。
[0018]不同于现在的电源的信号快速栅极驱动，公开技术的实施方式一般地包括栅极驱动，该栅极驱动被成形为具有快速边沿、随后是缓慢边沿，例如使得快速边沿可以在相对短的时间量内穿过所有可能阈值。图3是栅极驱动波形300的示例的图形表示，其图示出用于公开技术的某些实施方式的初始栅极驱动302和提高栅极驱动304对开关时间可能具有的影响。在本示例中，起始成形栅极驱动或初始栅极驱动302具有穿过最大阈值306和最小阈值308两者的快速边沿，但直至其已经完全穿过最大阈值306与最小阈值308之间的所有可能阈值为止随后才是缓慢边沿。
[0019]—旦电源正在运行，可以进行MOSFET关断时的相对于栅极驱动波形的测量。提高栅极驱动波形将促使MOSFET在稍后关断。因此，栅极驱动波形可以被提高304直至MOSFET在提高波形304的缓慢边沿期间关断为止，如由其穿过实际阈值310所指示的那样。在这种情况下，MOSFET现在以较慢的速率将电流关断，并且因此将有利地减少产生的噪声。
[0020]图4是用于公开技术的某些实施方式的初始栅极驱动电压400的示例的图形表示。在本示例中，初始栅极驱动电压(Vtil和Vti2)快速地通过所有可能阈值(例如，I至3伏)。漏极电流(Idi (在这里，?13uS)和Id2 (在这里，?38uS))快速地关断。一旦漏极电流关断(即，MOSEFT关断)，则MOSFET I和MOSFET 2的漏极电压(分别地Vdi和V D2)对分别地在?15uS和?40uS进行电压翻转。这允许在跨漏极具有约零伏(即，ZVS)的情况下将接近于零伏的漏极接通。在这里，MOSFET 2在?24uS被接通且MOSFET I在?49uS被接通。
[0021]图5是用于公开技术的某些实施方式的提高栅极驱动电压500的示例的图形表示。在(例如，通过提高栅极驱动波形)调整之后，栅极驱动电压(Vei和Ve2)缓慢地通过MOSFET阈值(在这里，?2V)，并且漏极电流(IdJP ID2)更慢地关断。
[0022]图6是根据公开技术的某些实施例的在栅极驱动已被调整之前通过电阻器600在示波器上测量的共模噪声的示例的图形表示。在该示例中，电阻器是被连接在电源(在这里，2mV=> IuA)的初级接地和次级接地之间的2千欧电阻器。在图中，示波器CH2正在测量漏极电压中的一个。在栅极驱动已被调整之前，探头电压(CHI)602具有?0.8*2mV的测量范围，其转换成0.8uA峰间值。
[0023]图7是根据公开技术的某些实施例的在调整之后(例如，在图6中执行的测量之后)通过电阻器700在示波器上测量的共模噪声的示例的图形表示。在该示例中，在调整已经完成之后，探头电压(CHl) 702现在具有?0.2*2mV的测量范围，其转换成0.2uA峰间值一一这表示与在图6中执行的测量相比[约]四倍的改善。
[0024]图8图示出根据公开技术的某些实施例的其中MOSFET被关断并随后重新接通800的示例。在该示例中，起始成形栅极驱动或初始栅极驱动802具有穿过最大可能阈值806和最小可能阈值808两者的快速边沿，但直至其已经完全穿过最小可能阈值808为止随后才是缓慢边沿。栅极驱动波形可以被提高804直至MOSFET在提高波形804的缓慢边沿期间关断为止，如由其穿过实际阈值810所指示的那样。
[0025]在这里，初始栅极驱动802和提高波形804均具有向上缓慢和快速边沿，其大致上分别地对应于前面的向下缓慢和快速边沿，使得MOSFET在提高波形804的后面的缓慢边沿期间重新接通，如由其第二次穿过实际阈值810所指示的那样。
[0026]以下讨论意图提供其中可以实现本公开技术的实施例的适当机器的简要的一般性描述。如本文所使用的术语“机器”意图宽泛地涵盖单个机器或一起操作的通信耦合机器或设备的系统。示例性机器可包括计算设备，诸如个人计算机、工作站、服务器、便携式计算机、手持式设备、平板设备等。
[0027]通常，机器包括系统总线，可将处理器、诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)及其它状态保持介质之类的存储器、存储设备、视频接口以及输入/输出接口端口附接到所述系统总线。机器还可包括嵌入式控制器(诸如可编程或不可编程逻辑器件或阵列)、专用集成电路(ASIC)、嵌入式计算机、智能卡等。可至少部分地通过来自诸如键盘和鼠标之类的常规输入设备的输入、以及通过从另一机器接收到的指令、与虚拟现实(VR)环境的交互、生物计量反馈或其它相关输入控制来控制所述机器。
[0028]机器可利用至一个或多个远程机器的一个或多个连接，诸如通过网络接口、调制解调器或其它通信耦合。可以通过物理和/或逻辑网络将机器互连，所述网络诸如内部网、因特网、局域网、广域网等。本领域技术人员将认识到的是，网络通信可利用各种有线和/或无线的近程或远程载体和协议，包括射频(RF)、卫星、微波、电气和电子工程师协会(IEEE) 545.11、蓝牙、光学、红外、电缆、激光等。
[0029]已参考所示实施例描述并举例说明了本发明的原理，但将认识到的是，在不脱离此类原理的情况下可在布置和细节方面修改所示实施例，并且可以以任何期望方式组合。并且，虽然前述讨论关注于特定实施例，但预期存在其它配置。
[0030]特别地，即使在本文中使用诸如“根据本发明的实施例”等表述，这些短语一般指的是参考实施例可能性，而并不意图将本发明局限于特定实施例配置。如本文所使用的这些术语可参考能够组合成在其它实施例中的相同或不同的实施例。
[0031]因此，鉴于对本文所述实施例的多种置换，本详细描述和所附材料仅仅意图是说明性的，并且不应理解为限制本发明的范围。因此，作为本发明所请求保护的是可在以下权利要求及其等价物的精神和范围内的所有此类修改。
【主权项】
1.一种开关电源，包括: 至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET); 至少一个波形发生器，其被配置成驱动所述至少一个MOSFET中的每一个MOSFET的栅极，使得所述至少一个MOSFET中的每一个MOSFET的关断转变被成形为具有较快转换区、随后是较慢转换区；以及 检测部件，其被配置成检测所述至少一个MOSFET中的每一个MOSFET关断的时间。2.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述至少一个MOSFET被结构化成在较快转换区期间关断。3.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述至少一个波形发生器进一步被配置成将能够调整的偏置提供给输入到所述至少一个MOSFET的栅极驱动波形。4.如权利要求3所述的开关电源，其中，所述至少一个MOSFET被结构化成在经调整栅极驱动波形的较慢转换区期间关断。5.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述转换区处于被配置成将所述至少一个MOSFET关断的方向。6.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述至少一个MOSFET包括η沟道M0SFET。7.如权利要求6所述的开关电源，其中，所述栅极驱动转换成负，以将η沟道MOSFET关断。8.如权利要求1所述的开关电源，其中，所述至少一个MOSFET包括P沟道M0SFET。9.如权利要求8所述的开关电源，其中，所述栅极驱动转换成正，以将P沟道MOSFET关断。
【专利摘要】本发明公开了低噪声电源MOSFET栅极驱动方案。一种开关电源可以包括多个功率MOSFET，其接收包括具有负斜率的快速转换速率区和也具有负斜率的缓慢转换速率区的初始栅极驱动波形。MOSFET可以在初始栅极驱动波形的缓慢转换速率区期间关断。
【IPC分类】H02M1/08, H02M1/088
【公开号】CN105610304
【申请号】CN201510773186
【发明人】W.C.格克
【申请人】基思利仪器公司
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年11月13日
【公告号】EP3021487A1, US20160141948