专利名称：通过容性耦合的高电平位移的制作方法
技术领域：
本发明涉及高电平位移方法和电路。
高压信号(高达数百伏)电平位移是现代电力系统的核心部分。高电压信号电平位移方案需要提供控制信号和切换电源输出之间的隔离。传统地，高电平位移是通过专用的高电压结隔离技术、霍尔效应传感器或者通过光学隔离设备而实现的。所有这些方法均具有很长的传播延迟和很低的工作速度等缺陷。然而不断出现的应用和系统架构需要高工作速度，例如在兆赫兹范围内。
而且，霍尔效应传感器或者光学隔离设备非常笨重，并且不能在芯片中集成。而且，传统的高电压结隔离(HVJI)技术与标准低电压CMOS技术并不兼容，并且在信号在两个非接地之间进行电平位移时需要额外的处理步骤、外围调节电路或者多步电平位移。
在传统的半桥驱动系统中，DC总线配置为使得负DC总线电压为零电压。在近来的应用中，DC总线被构造为分别供电，这意味着DC总线的中点为零电压。在另一种近来的应用中，DC总线被配置为悬浮分别DC供电。对于这两种DC总线配置，传统的HVJI在输入为零电压时需要多步高电平位移，附加的高电压DC电源以将基底保持为负DC总线，以及参考零电压的附加输入。
发明内容
本发明的目标是提供一种高电平位移方案，可以避免现有技术的缺陷。
根据本发明的电路包括参考第一接地的输入电路，以及参考另一个接地的输出电路。所述输入电路通过至少一个电容容性耦合到所述输出电路。
在本发明的优选实施例中，所述输入电路提供互补输入信号。各个互补输入信号分别耦合到各个电容的输入板，并且各个电容的输出板耦合到所述输出电路。各个电容的输入板和输出板通过电容介电质而互相绝缘，从而提供所述输入电路和输出电路之间的欧姆隔离。然而，由于所述输入板和输出板之间的电荷转移，来自输入电路的输入信号可以用于重建输出信号。输出信号可以用于操作功率半导体设备，例如功率MOSFET。例如，所述输出电路可以供给至驱动电路的驱动级，然后所述驱动级驱动功率MOSFET、IGBT等等的栅级。
根据本发明的输出电路能够区分由于输入信号导致的电荷转移产生的电容输出板的电压改变和由于噪声例如共模噪声导致的电压改变。因此，根据本发明的输出电路将不受噪声相关的误操作的影响。
因此，根据本发明的电路集成了容性耦合概念和全差分信号处理。优选地，电容两端的信号可以参考至高达数百伏的任何悬浮接地。而且，根据本发明的电平位移方案对于固定或者悬浮DC电源配置均是单步骤电平位移方案并且不需要附加电源。
优选地，根据本发明的输出电路与集成驱动器IC单片集成。这种设备可以使用标准CMOS制造方法而制造。根据本发明的单片电路设备可以提供高达5MHz的工作速度下的高达数百伏的信号电平位移，高达50V/ns的共模噪声的抗扰性，以及低至50ns的IC传播延迟。
本发明的其他特征和优点通过下面的参考附图的详细描述可以更加明白。
图1显示了根据本发明实施例的电平位移方案的顶层结构图；图2A显示了根据本发明优选实施例的信号偏置电路；图2B显示了根据本发明优选实施例的信号偏置电路与电路的边缘触发逻辑部分之间的协作；图3显示了根据优选实施例的在电路中边缘触发信号重建的电路；图4显示了根据本发明的信号重建和噪声阻断方案；图5示意显示了根据本发明电路的优选应用；图6显示了本发明的另一个实施例；图7A-7E显示了在根据第二实施例的电路中实施的信号重建方案；以及图8A和8B显示了在根据第二实施例的电路中实施的噪声阻断方案。
具体实施例方式
参考图1，根据本发明实施例的电路结构包括参考接地1和电源1的输入电路10，以及参考接地2和电源2的输出电路12。输入电路10可以为能够产生控制信号的任何微控制器。在本发明优选实施例中，输入电路10能够产生互补信号，即相反极性的信号。
根据本发明一个方面，输入电路10和输出电路12通过至少一个电容互相容性耦合。在优选实施例中，两个电路14、16被用于容性耦合输入电路10和输出电路12。更具体的说，电容14的输入板18以及电容16的输入板20连接到输入电路10，而电容14的输出板22以及电容16的输出板电连接到输出电路12。因此，输入电路10和输出电路12被容性耦合，同时互相欧姆绝缘。因此，输入电路10和输出电路12可以参考不同的接地电压。
输出电路12优选的包括信号偏置部分26、边缘触发信号检测部分28、消隐滤波器和信号重建部分30、以及缓冲输出部分32。优选地，输出电路12实现为单块半导体晶片上的集成电路(IC)。信号偏置模块26电连接到电容14的输出板22，以及电容16的输出板24。
具体参考图2A，当通过输入板18接收到正输入信号INP时，电容14的输出板22的电压暂时地正向升高。当正输入信号INP中止时，输出板22的电压暂时地负向降低。类似地，当通过输入板20接收到负输入信号INN时，输出板24的电压暂时地负向改变，并且当负输入信号INN关断时，输出板24的电压暂时地正向改变。输出板22、24的暂时电压改变是由于电荷转移造成的。
图2A显示了节点V+34和V-36的偏置方案，所述节点通常参考交换接地2。D1、D2、D3和D4为齐纳二极管，保持V+节点34和V-节点36等于POWER2和GROUND2。R1、R2、R3和R4为V+节点34和V-节点36提供适当的DC电平。R5、R6和R7偏置V+节点34和V-节点36的DC电压从而为后续信号处理产生电源电压参考P_REF和N_REF，从而参考电压跟踪V+节点34和V-节点36上的DC电压。P_REF和N_REF跟踪V+节点34电压(V+)和V-节点36电压(V-)。
输出板22连接到V+节点34，而输出板24电连接到V-节点36。输出板22的电压改变导致V+节点34的电压改变，而输出板24的电压改变导致了V-节点36的电压改变。参考图2B，可以使用差分比较器25以检测V+节点34和V-节点36的电压改变并且产生逻辑信号，然后所述逻辑信号被用于分别确定各个输入信号INP、INN的开始和结束边缘，即正输入信号INP的上升沿和下降沿以及负输入信号INN的下降沿和上升沿。除了基于由输入信号导致的电压改变而产生逻辑信号，信号偏置模块可以基于由噪声，例如共模噪声，导致的V+节点34和V-节点36的电压改变而产生逻辑信号。
通过信号偏置部分26产生的逻辑信号由边缘触发信号检测部分28接收，边缘触发信号检测部分28通过执行逻辑操作而区分与正和负输入信号相关的逻辑信号和与噪声相关的逻辑信号，并且相应地产生信号以重建接收到的输入信号。更具体的说，边缘触发信号检测部分28响应于负和正输入信号INP、INN的开始而产生设置信号，并且响应于检测到正和负输入信号INP、INN的结束而产生复位信号。
消隐滤波器和信号重建部分30接收设置信号并且相应地产生输出电压，并且当接收到复位信号时关断输出电压，由此重建输入电压。应当注意，在消隐滤波器和信号重建部分30中包含的消隐滤波器被用于延迟设置和复位信号的产生以滤除噪声。而且，消隐滤波器和信号重建部分30的消隐滤波器拒绝任何由于元件、或者信号不匹配、或者由于不同寄生路径从共模噪声产生的异差模信号导致的差模噪声。然后重建信号通过缓冲输出部分32被提供给驱动级，例如驱动功率半导体设备的驱动级，例如功率MOSFET。
参考图3，输入信号INP、INN的开始和结束被如下确定。如果确定V+＞P_REF并且V-＜N_REF，则认为接收到的信号为输入信号INN、INP的开始，并且产生设置信号。如果确定V+＜N_REF并且V-＞P_REF，则认为接收到的信号为输入信号INN、INP的结束，并且产生复位信号。如果这些条件不满足，则不产生信号。因此，由噪声导致的输入板22、24的电压改变不会被识别。也就是说，噪声被有效区分于真正的输入信号。
更具体的说，比较器27确定是否满足V+＞P_REF，并且如果满足则产生高信号，并且比较器29确定是否满足V-＜N_REF，并且如果满足则产生高信号。然后与门35如果从比较器27和比较器29接收到两个高信号则产生高信号，该信号由闩锁电路39的设置端41接收。响应于该设置信号，闩锁电路39锁存，从而产生输出信号，该输出信号然后可以耦合到驱动级。类似地，比较器31确定是否满足V+＜N_REF，并且如果满足则产生高信号，并且比较器33确定是否满足V-＜N_REF，并且如果满足则产生高信号。然后与门37如果从比较器31和比较器33接收到两个高信号则产生高信号，该信号由闩锁电路39的复位端43接收。响应于复位端43接收的高信号，闩锁电路39关断输出信号。
参考图4，当输入电路10产生正输入信号INP时，电容14的输入板18上的电压变为正，这标志着正输入信号INP的开始。类似地，当输入电路10产生负输入信号INN时，电容16的输入板20上的电压变为负，这标志着负输入信号INN的开始。由于输入板18、20的电压改变，对应输出板22、24的电压也暂时改变。更具体的说，输出板22的电压38变为正，而输出板24的电压40变为负。
另一方面，在正输入信号INP的结束，输入板18的电压朝负向位移，并且在负输入信号INN的结束，输入板20的电压朝正向位移。因此，输出板22的电压42朝负向位移，并且输出板24的电压44朝正向位移。
当在输入板18、20处存在噪声或者共模噪声时，电压朝负向位移导致输出板22、24的电压46的位移，并且输入板18、20的电压朝正向位移导致输出板22、24的电压48朝正向位移。
根据本发明，逻辑操作可以确定输出板22、24处的电压改变是否与输入信号INP、INN或者噪声相关。更具体的说，如果确定V+＞P_REF，V-＜N_REF，V+＜N_REF或者V-＞P_REF，比较器25产生信号50。如果确定V+＜N_REF或者V+＞P_REF，则比较器25不产生信号。当确定V+＞P_REF并且V-＜N_REF时，通过边缘触发信号检测部分28产生设置信号52。设置信号52代表输入信号INP、INN的开始并且导致通过闩锁电路39启动输出信号54。当确定V+＜N_REF并且V-＞P_REF时，产生复位信号56。复位信号56标记结束并且导致关断输出信号54。由此，产生输出信号54。应当注意，消隐滤波器和信号重建部分30的消隐滤波器可以导致输出信号54的产生的略微时间位移。
当不满足上述条件时，设置信号52和复位信号56均不被产生。因此，噪声和共模噪声被有效阻断。更具体的说，当V+＜N_REF并且V-＜N_REF时不产生复位信号52。类似地，当V+＞P_REF并且V-＞P_REF时，不产生复位信号56。因此，不产生输出信号54。
由输出电路12产生的输出可以用于操作功率半导体设备，例如功率MOSFET。
参考图5，在一个实施例中，设置信号52和复位信号56可以由驱动器IC 58的驱动级接收，所述驱动器被配置为驱动一个或者多个功率MOSFET。例如，配置为在半桥结构中驱动高端功率MOSFET 60和低端功率MOSFET62的驱动器IC 58可以被修改以包含根据本发明的输出电路12。因此，根据本发明的输出电路12可以与驱动电路结合并且实现为单块半导体晶片上的集成电路。可以被修改以包含根据本发明的输出电路12的适当驱动器IC 58可以为IR 2112，这是本发明申请人所销售的高端和低端驱动器，其操作在美国专利5,514,981进行了描述，该专利作为参考而结合于此。应当注意，图6所示的值仅是示例性的，并且本领域技术人员可以理解的是所显示的值可以根据需要而改变，但是并不背离本发明的范围和实质。
参考图6，在根据本发明第二实施例的输出电路12中，由比较器64接收P_REF，并且由比较器66接收N_REF。缓冲器68连接到V+节点34，并且缓冲器70连接到V-节点36，并且各个缓冲器68、70连接到如图所示的运算放大器72。
应当注意，图6所示的电阻值仅是示例性的，并且可以根据需要而改变，但是并不背离本发明。运算放大器72的输出如图所示连接到比较器64、66，由此输出板22、24的电压改变可以与P_REF和N_REF比较以识别输入信号INP、INN的开始和结束。更具体的说，如果确定V+＞P_REF并且V-＜N_REF，则设置信号被发送到闩锁电路39(可以通过一对交叉耦合NAND门74而形成)，由此产生输出信号54。如果确定V+＜N_REF并且V-＞P_REF，则发送复位信号至闩锁电路39，表示输入信号INP、INN的结束，并且关断输出信号54。如此产生的输出信号通过驱动器IC 58的驱动级而接收，然后驱动器提供门驱动信号给功率半导体设备。
现在参考图6、7A-7E，在点A(图7A)，当在输入板22和输入板20分别接收到输入信号INP和INN时，输出板22上的电压38上升，并且输出板24上的电压下降。并且，一旦分别中止输入信号INP和输入信号INN，则输出板22的电压下降并且输出板24的电压上升。
在点B(图7B)，缓冲器68的输出68’和缓冲器70的输出70’被显示并且与输出板电压改变进行对比。
在点C(图7C)，由运算放大器72接收缓冲器68、70的输出，然后运算放大器72产生V+和V-信号分别表示输入信号INP、INN的开始和结束。接着，在点D(图7D)，比较器64、66的逻辑操作产生设置信号52和复位信号56。此后，闩锁电路39产生如图7E所示的输出信号54。
现在参考图8A和8B，由于噪声产生的信号导致输出板22、24在相同方向上的电压改变(图8A)。响应于这种信号组合，运算放大器72不产生信号，从而有效阻断通过输出电路12最终产生输出信号。
图6仅显示了可以结合高端驱动器级使用的输出电路12。然而应当理解，本发明并不限于高端驱动器级，而是同样可以与低端驱动器结合。
尽管参考特定实施例描述了本发明，但是各种其他变化和修改以及其他使用对于本领域技术人员来说是显然的。因此，优选地，本发明并不限于在此公开的特定内容，而是仅由所附权利要求限制。
权利要求
1.一种电路结构，包括参考第一接地的输入电路；参考第二接地的输出电路；以及至少一个电容，所述电容包括电连接到所述输入电路的输入板和电连接到所述输出电路的输出板。
2.根据权利要求1所述的电路结构，其进一步包括另一个电容，所述另一个电容包括电连接到所述输入电路的输入板和电连接到所述输出电路的输出板。
3.根据权利要求1所述的电路结构，其中所述输出电路包括信号偏置部分、边缘触发信号检测部分、以及信号重建部分。
4.根据权利要求3所述的电路结构，其中所述信号偏置部分基于从所述输入电路至所述电容的所述输入板的输入信号而产生参考信号。
5.根据权利要求4所述的电路结构，其中所述边缘触发信号检测部分基于由所述信号偏置部分产生的参考信号而检测所述输入信号的开始和结束，并且当检测到所述开始时产生边缘标识信号，而当检测到所述输入信号的结束时产生边缘标识信号。
6.根据权利要求5所述的电路结构，其中所述信号重建部分基于所述边缘标识信号产生输出信号。
7.根据权利要求6所述的电路结构，其中所述输出电路进一步包括消隐滤波器，用于在信号重建之前滤除噪声。
8.根据权利要求6所述的电路结构，其中所述输出电路进一步包括缓冲输出部分。
9.一种电路结构，包括参考第一接地并且能够产生互补输入信号的输入电路；参考第二接地的输出电路；第一电容，所述第一电容包括电连接到所述输入电路以接收所述互补输入信号中一者的输入板和电连接到所述输出电路的输出板；以及第二电容，所述第二电容包括电连接到所述输入电路以接收所述互补信号中另一者的输入板和电连接到所述输出电路的输出板。
10.根据权利要求9所述的电路结构，其中所述输出电路包括信号偏置部分、边缘触发信号检测部分、以及信号重建部分。
11.根据权利要求10所述的电路结构，其中所述信号偏置部分基于所述第一电容的所述输出板的电压的改变而产生参考信号，并且基于所述第二电容的所述输出板的电压的改变而产生参考信号。
12.根据权利要求11所述的电路结构，其中所述边缘触发信号检测部分基于各个所述输出板的电压的改变而产生边缘标识信号。
13.根据权利要求12所述的电路结构，其中所述信号重建部分基于所述边缘标识信号而产生输出信号。
14.根据权利要求13所述的电路结构，其中所述输出电路进一步包括消隐滤波器，用于在产生所述输出信号之前滤除噪声。
15.根据权利要求13所述的电路结构，其中所述输出电路进一步包括缓冲输出部分。
16.根据权利要求13所述的电路结构，其中所述信号重建部分能够区分与噪声相关的所述输出板的电压改变和与所述互补输入信号相关的所述输出板的电压改变。
17.一种高端电平位移的方法，包括将参考第一接地电压的输入电路容性耦合到参考第二接地电压的输出电路；在所述输出电路处检测来自所述输入电路的输入信号的开始；检测所述输入信号的结束；基于所述检测步骤而重建输出信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中响应于检测到所述输入信号的开始而发送设置信号至闩锁电路，并且响应于检测到所述输入信号的结束而发送复位信号至所述闩锁电路。
19.根据权利要求18所述的方法，其中响应于噪声不发送信号至所述闩锁电路。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述输出信号被发送到驱动电路的驱动级。
全文摘要
一种电路结构，包括参考一个接地电压(接地1)的输入电路(10)和参考另一个接地电压(接地2)并且通过电容(C1或者C2)容性耦合到所述输入电路的输出电路(12)。
文档编号H03K5/22GK101040189SQ200580035443
公开日2007年9月19日 申请日期2005年10月19日 优先权日2004年10月19日
发明者E·阿卜杜林 申请人:国际整流器公司