开关电源控制器及电路的制作方法

专利名称：开关电源控制器及电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及利用驱动器将信号驱动到驱动节点(例如开关电源中或D类开关 放大器中开关晶体管的栅极)上，从而使信号发生转变，其中所述驱动器在转变的初始部 分中具有低的输出阻抗，并且其中所述驱动器在转变的结束部分中具有较高的输出阻抗。
背景技术：


图1是现有技术开关电源1的示意图。该具体电源是被称为“升压”转换器或者 “升压开关电源”的一种电源。在第一时间周期中，控制器集成电路2控制开关3接通和导 通，从而使电流流过电感器4和开关3流到地，如箭头5所示。随着该电流的流动，能量储 存在电感器4中。然后，在第2时间周期中，控制器集成电路2控制开关3断开和不导电。 电感器中的电流不能立即停止，因而电流经电感器4、二极管6流到电容器7和负载8。在 第二时间周期中流动的该电流在图2(现有技术)中由箭头9表示。存储在电感器4中的 能量现在转移到电 容器7和负载8。控制器集成电路2通过端子10监测VFB，并且快速地 接通和断开开关3，从而将流经负载(一串白色LED)的输出电流调节到所需电流。该转换 器之所以被称为“升压转换器”，是因为VOUT可高于输入电源电压VIN。开关电源的两个性能参数是效率和噪声排放。效率等于输出功率除以输入功率。 因此开关电源内的功率损失转变成较低的电源效率。存在多种功率损失。其中一种功率损 失被称为“转换功率损失”，其等于开关两端的电压(VDS)乘以流经开关的电流(IDS)。当 开关3断开时，没有显著的漏极-源极电流流经开关，因而功率损失非常小。当开关3完全 接通和导电时，在开关两端只存在微小的漏极-源极电压降。开关端子11非常接近于接地 电位。因此，IDS和VDS之积也非常小。然而，存在开关发生转变的较短时间周期。在该转 变时间中，存在显著的漏极_源极电流，并且在开关两端存在显著的漏极_源极电压降。该 转变时间中的功率耗散因而也很显著。图3是漏极-源极电流IDS和漏极-源极电压降VDS的示意图。虚线12表示转 变功率损失。可通过更猛烈地(使用具有较低输出阻抗的驱动器)驱动开关以使开关3更 快地进行开关，来减小转变功率损失。因此，在开关转变过程中IDS和VDS同时处于显著水 平的时间周期缩短，并且转变功率损失得以减小。然而，更猛烈地驱动开关3以使其更快地接通和断开会导致节点SW处的电压变化 (dV/dT)较大并且出现不期望的振铃，这两者都会增大EMI (电磁干扰)和噪声排放。图4是图1和2中的现有技术的升压转换器的操作的简化波形图。当开关3接通 时，存在如参考编号13所示的振铃。当开关3断开时，存在如14所示的振铃。开关节点15 上存在寄生电容。这些寄生电容包括由开关3的漏极、二极管6所引起的电容、电感器4的 固有电容、以及与开关节点15处的开关端子11和互连线相关的电容。节点15的此寄生电 容与电感器4的电感结合形成可发生振铃的LC电路。开关3断开和接通得越快，SW处的 电压变化越大，并且振铃和所得到的辐射噪声越大。期望能够同时提高效率和降低噪声排 放。[0007]图5是现有技术中力图在不产生过大噪声的情况下减小转变损耗的第一电路20 的示意图。开关21接通和断开，以如上文结合图1和2所述来开关流经电感器22的电流。 输入引线23上的输入信号SIN是脉冲串。反相器24和25具有递增的驱动强度。提供包 含反相器26和三态反相器27的第二辅助路径，以增强在信号SIN的每次转变的初始部分 中对开关21的栅极的驱动。图6是图5中的三态反相器27的电路图。边沿触发单触发电路(edge triggered one-shot) 29检测信号SIN的边沿，并响 应于每一此种边沿而产生一脉冲。该脉冲可启用三态反相器27，从而使辅助路径帮助驱动 开关21的栅极。此后，反相器25和三态反相器27同时驱动开关21的栅极。该电路的目 的是在开关21的栅极上的电压结束电压转变之前使该单触发脉冲终止。当脉冲终止时，三 态转换器27变为高阻抗(即“三态”)，从而将辅助路径从开关21的栅极解耦。因此，在转 变的其余部分中，只有反相器25驱动开关21的栅极。这会减小在每次转变结束时开关21 的栅极上的电压的变化率，并有助于减小噪声和振铃。然而，开关21的栅极上的电压在转 变的初始部分中的快速变化率有助于减小转变功率损失。然而，图5的电路存在许多问题。开关21的栅极上的电压的总转变持续时间较短。 产生用于控制开关21的极小脉冲(其中小脉冲具有精确的定时)可能很难实现或不可能 实现。很难实现使脉冲的定时跟踪因温度变化、电源电压变化和/或过程变化所造成的开 关21的特性变化。该电路复杂并且较大，因此在对成本敏感的开关电源控制器集成电路中 实现起来很昂贵。图7是现有技术中力图在不产生过大噪声的情况下减小转变损耗的第二电路30 的电路图。在图7的电路中，比较器31或其它电压检测放大器装置将开关32的栅极上的 电压与参考电压VREF相比较。考虑开关32的栅极上的电压的高-低电压转变。开始时， 栅极上的电压高于VREF。因此，比较器31输出数字逻辑高信号来启用三态反相器33。因 此，包含转换器34和三态反相器33的辅助路径与包含反相器35和36的主路径一起驱动 开关32的栅极。在该初始时间中，开关32的栅极上的电压快速下降。当开关32的栅极上 的电压达到VREF时，比较器31切换并禁用三态反相器33，从而禁用辅助路径。所期望的结 果是在开关转变的最终部分中开关32的栅极上的电压不快速变化。在转变的最终部分中 栅极电压的变化率减小会使振铃减小，但在转变的初始部分中使开关32的栅极上的电压 快速变化有助于减小转变功率损失。图7的电路存在许多问题。例如，使辅助路径接通和断开电路的性能的变化跟踪 开关32的工作特性的变化可能很难实现。这两种电路是不同的，因此趋于对变化的状态作 出不同的反应。第二，比较器和三态禁用路径可能不够快。开关32的栅极上的电压可能向 下转变并达到VREF，并且在比较器31检测到越过VREF并禁用反相器33以禁用辅助路径之 前，继续向下变化显著的量。使该辅助启用/禁用信号路径变快可使比较器的功率损失增 大不可接受的量。而且，比较器(例如比较器31)是比较大的电路，因此在对成本敏感的开 关电源控制器集成电路中实现起来很昂贵。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种开关电源控制器，可以实现使其中的 驱动器电路在转变的初始部分中以低输出阻抗在转变中驱动开关的栅极，并接着在转变的其余部分中以中等范围的输出阻抗驱动开关的栅极。从而可以有效实现同时提高开关电源 的转换效率和降低排出噪声。另外，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电路，也可 以解决上述问题。为了解决以上技术问题，本实用新型提供了如下技术方案本实用新型提供了一种开关电源控制器，包括一驱动节点；一输入信号节点；一 第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动节点经一二极管延伸到一晶体管的漏极、再经 所述晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述晶体管的栅极被耦接成从所述输入信号节 点接收所述输入信号；和一第二电流路径，从所述驱动节点经相当大的电阻延伸到所述晶 体管的漏极、再经所述晶体管延伸到所述第一电源节点。本实用新型还提供了一种开关电源控制器，其包括一驱动节点；一输入信号节 点；一第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动节点经二极管延伸到一第一晶体管的 漏极、再经所述第一晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述第一晶体管的栅极被耦接 成从所述输入信号节点接收输入信号；和一第二电流路径，从所述驱动节点经相当大的电 阻延伸到一第二晶体管的漏极、再经所述第二晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述 第二晶体管的栅极耦接到所述第一晶体管的栅极。本实用新型还提供了一种开关电源控制器，其包括一驱动节点；一输入信号节 点，其中在所述输入节点上存在输入信号；一第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动 节点延伸到第一导电率类型的第一晶体管的源极、经所述第一晶体管延伸到所述第一晶体 管的漏极、再延伸到所述第一电源节点，其中所述第一晶体管的栅极被耦接成接收所述输 入信号的反相型式；和一第二电流路径，从所述驱动节点延伸到第二导电率类型的第二晶 体管的漏极、经所述第二晶体管延伸到所述第二晶体管的源极、再延伸到所述第一电源节 点，其中所述第二晶体管的栅极被耦接成接收所述输入信号。本实用新型还提供了一种电路，其包括一场效应晶体管，具有一栅极；一接地节 点；和用于当所述栅极上的电压高于一预定电压时通过将所述栅极经相对低的下拉阻抗初 始地耦接到所述接地节点来引起所述栅极上的高-低电压转变的装置，并且所述装置还用 于在所述栅极上的所述电压下降到所述预定电压以下时增大所述下拉阻抗，所述下拉阻抗 的所述增大是在不利用比较器和不利用单触发电路的情况下实施。本实用新型所采用的开关电源控制器及电路，可以实现开关电源内的开关电源控 制器集成电路中的驱动器电路在转变的初始部分中以低输出阻抗在转变中驱动开关的栅 极，并接着在转变的其余部分中以中等范围的输出阻抗驱动开关的栅极。该开关继而开关 流经电感器的电流。该驱动器电路包括驱动节点电压相关阻抗电路(DNVDIC，Drive Node Voltage Dependent Impedance Circuit)，用于将栅极耦接到电源电压节点。存在两条通 过DNVDIC的电阻性电流路径。第一电流路径中的非线性器件在该器件两端的电压降降到 小于阈值电压时从具有非常小的阻抗变为具有非常大的阻抗。第一电流路径在转变结束时 所产生的阻抗增大有助于增大驱动器的输出阻抗，从而减慢开关的栅极上的电压的变化率 并减小电源中的噪声。驱动器的低初始输出阻抗有助于减小开关栅极上的电压转变所需的 总时间量并进而有助于减小转变功率损失。在第一例子中，所述器件是二极管接法的晶体管，其中所述晶体管是与开关相同 类型的晶体管。二极管接法的晶体管和开关的晶体管二者可例如是具有相同构造和相同栅极介电厚度的高电压N沟道晶体管。在第二例子中，所述器件是其栅极被耦接成接收数字逻辑电平信号并且其源极被 耦接到开关的栅极的晶体管。在栅极电压信号跃迁过程中，当开关栅极上的电压接近器件 晶体管的栅极上的电压时，器件晶体管的栅极-源极电压降到器件晶体管的阈值电压以 下。器件晶体管因此关断并从具有非常低的漏极_源极阻抗变为关断并具有非常高的漏 极_源极阻抗。器件晶体管的此种 关断会使电流停止流过第一电流路径，并且使DNVDIC的 整个输出阻抗从低阻抗变为中等范围阻抗。在某些实施例中，驱动器电路包括两个DNVDIC电路。其中一个是下拉DNVDIC电 路，用于将开关的栅极耦接到接地节点。在栅极电压的高_低跃迁过程中，下拉DNVDIC将 开关的栅极电容放电到地电位。第二个是上拉DNVDIC电路，用于将开关的栅极耦接到电源 电压节点。在栅极电压的低-高跃迁过程中，上拉DNVDIC对开关的栅极电容充电。所述驱动器电路可应用于开关电源之外的应用中。在一个例子中，所述驱动器电 路驱动D类开关放大器中的开关。在下文详细说明中描述了其它结构和方法。本实用新型内容并非要限定本实用新 型。本实用新型受权利要求书限定。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。附图图解说明本实用新型的实施例，其中相同的编号指示相同的组件。图1是现有技术中当电源的开关3接通时升压开关电源的示意图。图2是现有技术中当开关3断开时图1的升压开关电源的示意图。图3是现有技术中跃迁功率损失的示意图。图4是图1和2中的现有技术的升压转换器的操作的简化波形图。图5是现有技术中单触发受控电路的示意图，所述电路用于驱动开关电源的开关 的栅极。在栅极电压跃迁过程中，所述电路以初始低输出阻抗驱动栅极，并随后以较高输出 阻抗驱动栅极。图6是现有技术中图5所示电路的三态反相器27的电路图。图7是现有技术中有源电压检测电路的示意图，所述电路用于驱动开关电源的开 关的栅极。在栅极电压跃迁过程中，所述电路以初始低输出阻抗驱动栅极，并随后以较高输 出阻抗驱动栅极。图8是一种新颖的开关电源控制器集成电路的第一实施例的示意图。图9是图解说明图8所示电路的操作的波形图。图10是解释说明图8所示新颖驱动器电路的输出阻抗在栅极电压跃迁过程中如 何变化的波形图。在跃迁时间的初始部分中，该新颖的驱动器具有低输出阻抗。在跃迁时 间的随后的结束部分中，该新颖的驱动器具有中等范围的输出阻抗。图11是一种新颖的开关电源控制器集成电路的第二实施例的示意图。图12是一种新颖的开关电源控制器集成电路的第三实施例的示意图。图13是一种新颖的开关电源控制器集成电路的第四实施例的示意图。图14是一种新颖的开关电源控制器集成电路的第五实施例的示意图。[0040]图15是一种新颖的开关电源控制器集成电路的第六实施例的示意图。图16是包括两个新颖的DNVDIC的D类开关放大器的示意图。
具体实施方式
现在将详细参照本实用新型的某些实施例，这些实施例的例子在附图中被示出。图8是根据一个新颖方面的开关电源的第一实施例的图。开关电源40是升压转换器。开关电源40包括新颖的开关电源控制器集成电路41、电感器42、肖特基(Schottky) 二极管43、存储电容器44和负载45。新颖的开关电源控制器集成电路41包括开关Q0、开 关端子46、接地端子47、电源电压端子48、反馈端子49、P沟道上拉晶体管Q3和新颖的驱 动节点电压相关阻抗电路(DNVDIC)50。控制器集成电路41通过反馈端子49监测VFB并 且切换开关Q0，以调节流过负载45的电流。在本例子中，负载45是一串白色发光二极管 (LED)，用于为移动电话的显示屏提供背光。VOUT约为20. 3伏，而电源电压端子48上的VIN 为4.0伏(例如，由锂电池提供)。控制器集成电路41在输入信号节点52上提供数字输入信号SIN。如果要断开开 关Q0，则使节点52上的数字输入信号SIN从数字逻辑低电平跃迁到数字逻辑高电平。相 反，如果要接通开关Q0，则使节点52上的数字输入信号SIN从数字逻辑高电平转变到数字 逻辑低电平。此处未示出用于接收反馈端子49上的信号并据以产生输入信号SIN的电路， 但可使用现有技术中已知的用于执行该功能的诸多常规电路和技术中的任何一种适宜电 路和技术。结合开关QO的栅极53上的电压的两次转变来解释图8所示开关电源40的操作 1)高-低转变，和2)低-高转变。栅极53耦接到驱动节点54。因此，栅极电压在此也称 为驱动节点电压VDN。如在图8中所示，DNVDIC 50包括第一二极管接法的晶体管Q1、第二 晶体管Q2、第一电阻器Rl和第二电阻器R2。高-低VDN转变开始时，信号输入节点52上的输入信号SIN具有数字逻辑低电平。N沟道晶体管 Q2是不导电的，并且P沟道晶体管Q3是导电的。驱动节点54因此耦接到电源电压端子48， 并且栅极53上的电压是4伏。由于N沟道晶体管Q2关断并且不导电，因而DNVDIC 50在 驱动节点54与接地端子47之间提供高阻抗。在本例子中，该阻抗大于500k。接着，使信号输入节点52上的输入信号SIN从低数字逻辑电平转变到高数字逻辑 电平。信号输入节点52上的电压从地电位转变到4伏。P沟道晶体管Q3因此关断，并且N 沟道晶体管Q2导通。从驱动节点54到接地端子47存在两个电流路径。第一电流路径从 驱动节点54经电阻器R1、二极管接法的晶体管Q1、导电的N沟道晶体管Q2延伸到接地端 子47。第二电流路径从驱动节点54经电阻器R2、N沟道晶体管Q2延伸到接地端子47。假 定每一晶体管Ql和Q2的阻抗远小于Rl和R2的电阻，则DNVDIC 50在节点54和接地端子 47之间的阻抗近似等于并联电阻器Rl和R2的等效电阻。该等效电阻由(R1*R2)/R1+R2给 出。该阻抗在此处被称为“低阻抗”，因为其小于上述的“高阻抗”并且小于下述的“中等范 围阻抗”。在本例子中，该低阻抗小于50。由于驱动节点54和接地端子47之间存在此低阻 抗，驱动节点54上的电压VDN从4. 0伏快速地向下转变到二极管接法的晶体管Ql的阈值 电压。[0049]当电压VDN下降到二极管接法的晶体管Ql的阈值电压以下时，二极管接法的晶体 管Ql便不再承受正向偏压并且停止传导电流(至多传导非常小的电流)。因此，经过电阻 器Rl的第一电流路径关闭。然而，经过电阻器R2的第二电流路径继续传导电流。DNVDIC 50的有效阻抗是电阻器R2的电阻(假定晶体管Q2的漏极-源极电阻远小于电阻器R2的 电阻)。此时，DNVDIC 50的阻抗在此处被称为“中等范围阻抗”。在本例子中，该中等范围 阻抗大于50、但小于500k。由于驱动节点54和接地端子47之间的阻抗增大，开关QO的栅 极电容的放电速率从下降较快变为下降不快。节点54上的栅极电压继续通过该中等范围 阻抗下降到地电位，直到VDN的高-低转变完成为止。低-高VDN转变开始时，信号输入节点52上的输入信号SIN具有数字逻辑高电平。N沟道晶体管 Q2是导电的，并且P沟道晶体管Q3是不导电的。节点54上的电压VDN处于地电位。由于 二极管接法的晶体管两端的电压降小于二极管接法的晶体管的阈值电压，因此通过二极管 接法的晶体管Ql的第一电流路径具有非常高的阻抗，但是通过电阻器R2的第二电流路径 继续具有其R2阻抗。因此，DNVDIC 50在驱动节点54与接地端子47之间提供中等范围阻 抗，并且该中等范围阻抗使开关QO的栅极上的电压保持为地电位。接着，使信号输入节点52上的输入信号SIN从高数字逻辑电平转变到低数字逻辑 电平。使N沟道晶体管Q2关断，以使DNVDIC 50具有高阻抗。如上文所述，本例子中的高 阻抗大于500k。信号输入节点52上的输入信号SIN的高-低转变使P沟道晶体管Q3导 通。开关QO的栅极上的电压VDN从地电位快速升高到电源端子48上的4伏电位。不同于高-低电压转变，VDN的低-高电压转变并不是在陡的斜率后面跟踪着小 的斜率。在本例子中的上拉电路在VDN转变的结束部分中不具有中等范围的上拉阻抗。因 此，低_高电压转变可能会导致产生不希望的EMI。在一个新颖方面中，晶体管Q2和Q3为具有相同具体结构和相同栅极介电厚度的 低电压晶体管，而晶体管Ql和QO为均具有不同的具体结构和栅极介电厚度的高电压晶体 管。晶体管Ql和QO 二者均为N沟道器件，并且彼此非常近地设置在控制器集成电路电路 裸片(die)上。因此，这两个晶体管Ql和QO具有相同或相似的温度，并且以相同的方式受 到温度变化的影响。由于晶体管Ql和QO的位置相互靠近，半导体处理中的差异将以相同 方式影响这两个晶体管。相应地，Ql的阈值电压很好地跟踪开关QO的阈值电压的变化。相 反，图5和7所示现有技术电路的阻抗调整部分则很难根据开关晶体管的阈值电压的变化 进行调整，这至少部分地是因为构成阻抗调整电路的组件的结构不同于开关。在第二新颖方面中，使阻抗从低阻抗变为中等范围阻抗的组件是设置在第一电流 路径中的组件(二极管接法的晶体管Ql)。该组件直接响应于流经该组件的放电电流而改 变其自身的阻抗，并且该变化后的阻抗直接影响DNVDIC的总体阻抗。相反，图5和7所示 现有技术电路的阻抗调整部分则采用处于栅极放电电流路径之外的电路来控制和改变处 于放电电流路径中的另一组件。例如，图5所示的现有技术电路利用处于放电电流路径之 外的单触发电路29。例如，图7所示的现有技术电路利用处于放电电流路径之外的比较器 31和电压参考电路。与图5和7所示的现有技术电路的阻抗调整部分相比，二极管接法的 晶体管Ql和电阻器Rl则是相对较小和相对简单的电路，不会消耗任何静态电流，此会提高 效率。[0056]在第三新颖方面中，与图5和7所示的现有技术电路的阻抗调整部分相比，二极管接法的晶体管Ql可响应于电压VDN下降到预定电压以下而更快地改变DNVDIC的阻抗。在 图5所示的现有技术中，在单触发电路29中存在明显的信号传播延迟。在图7所示的现有 技术中，在比较器31中存在明显的信号传播延迟。在图8所示的新颖电路中则不存在这些 信号传播延迟。图9是简化波形图，其图解说明图8所示的新颖开关电源控制器集成电路41的操 作。图9中DNVDIC 50的“高阻抗”为500k，DNVDIC 50的“低阻抗”为25，并且“中等范围 阻抗”为100。DNVDIC 50的低阻抗下拉操作使电压VDN在高-低VDN转变的第一部分中存 在相对陡的下降60。DNVDIC 50的中等范围阻抗下拉操作使电压VDN在高-低VDN转变的 随后第二部分中存在不太陡的下降61。DNVDIC 50以初始低阻抗、然后以中等范围阻抗在 驱动节点54上下拉，以帮助防止或减小开关节点55上VSW信号的振铃。应注意，在VSW波 形中的T4时刻周围未示出振铃。图10是波形图，其更详细地显示VDN波形和DNVDIC电路50的阻抗。在VDN下降 到VTQO以下的时刻与VDN的斜率发生变化的时刻之间的时间延迟Dl非常小(在本例子中， 时间延迟Dl小于2纳秒)。图11是新颖的开关电源控制器集成电路41的第二实施例的图。在本实施例中， DNVDIC 50包括额外的N沟道晶体管Q3。第一电流路径从驱动节点54经电阻器R1、二极 管接法的晶体管Q1、晶体管Q2延伸到接地端子47。第二电流路径从驱动节点54经电阻器 R2、晶体管Q3延伸到接地端子47。如在图8的电路中一样，当电压VDN在高-低VDN转变 中下降到二极管接法的晶体管Ql的阈值电压以下时，该二极管接法的晶体管变得不导电 并且变为具有非常高的阻抗。电流停止在第一电流路径中流动，并且DNVDIC 50的阻抗从 “低阻抗”(R1*R2)/R1+R2变为“中等范围阻抗”R2。由于电流流经第二电流路径，驱动节点 电压VDN然后继续下降，直到VDN达到地电位。图12是新颖的开关电源控制器集成电路41的第三实施例的图。在本实施例中， 晶体管Q2和Q3与电阻器R2和R3形成数字逻辑反相器。此外，存在如图所示进行连接的 第二反相器56。DNVDIC 50包括第一 P沟道晶体管Q1、第一电阻器R1、第二晶体管Q2和 第二电阻器R2。第一电流路径从驱动节点54经晶体管Q1、电阻器Rl延伸到接地端子47。 第二电流路径从驱动节点54经电阻器R2、晶体管Q2延伸到接地端子47。开始时，当输入 信号节点52上的输入信号SIN具有数字逻辑低电平时，在驱动节点54上和开关QO的栅极 53上存在数字逻辑高电平。由于输入信号节点52上的电压较低，P沟道晶体管Q3导通并 导电，并且N沟道晶体管Q2关断并且不导电。反相器56在P沟道晶体管Ql的栅极上提供 输入信号的反相型式。由于SIN是数字逻辑低电平，在Ql的栅极上存在数字逻辑高电平， 而且Ql关断并且不导电。由于晶体管Ql和Q2 二者均关断并且不导电，DNVDIC 50在驱动 节点54和接地端子47之间提供“高阻抗”。由于P沟道晶体管Q3导通并且导电，驱动节点 54被上拉到端子48上的4伏的电源电压VIN。接着，输入信号SIN从数字逻辑低电平转变到数字逻辑高电平。此使晶体管Ql和 Q2导通并且导电，并且使P沟道晶体管Q3关断。由于晶体管Ql和Q2 二者均导电，电流同 时经第一电流路径和第二电流路径从驱动节点54流到接地端子47。假定晶体管Ql和Q2 的漏极-源极导通电阻远小于电阻器Rl或R2的电阻，DNVDIC 50的有效下拉阻抗为并联电阻器Rl和R2的等效电阻。该等效电阻(“低阻抗”)由(R1*R2)/R1+R2给出。由于节点54上的此种低阻抗下拉，驱动节点电压VDN快速地下降。当节点54上的电压VDN达到并降到P沟道晶体管Ql的阈值电压以下时，在晶体 管Ql的栅极_源极之间存在小于阈值电压的电压。由于反相器56的作用，晶体管Ql的栅 极处于地电位。因此，晶体管Ql关断，并形成高的漏极-源极阻抗。流经第一电流路径的 电流停止。DNVDIC 50在节点54和接地端子47之间的有效下拉阻抗因而为电阻R2。这是 比“低阻抗”高的阻抗，并且在此处被称为“中等范围阻抗”。由于节点54和接地端子47之 间此种较高的阻抗，电压VDN的降低速率变至较小的速率。电流继续流经电阻器R2和第二 电流路径，直到开关QO的栅极电容完全放电并且电压VDN达到地电位。由此可见，图12的 电路类似于图8和11的电路之处在于，DNVDIC 50开始时以“低阻抗”将节点54耦接到接 地端子47，但当电压VDN达到第一电流路径中某个器件的阈值电压时，DNVDIC 50变为具 有较高的“中等范围阻抗”。图12的电路不同于图8和11的电路之处在于，具有该阈值电 压的器件是P沟道晶体管(晶体管Q1)。相反，在图8和11的电路中，该器件是二极管接 法的N沟道晶体管。而且，图12的电路不同于图8和11的电路之处在于，具有该阈值电压 的器件是低电压晶体管，而开关QO则是更大的高电压晶体管。该器件与开关QO是不同类 型的晶体管这一事实使得使DNVDIC 50的阈值电压跟踪开关QO的阈值有些困难。在其跟 踪开关QO的阈值电压变化的能力方面，相信图8和11的电路的DNVDIC优于图12电路的 DNVDIC。然而，尽管相对于较佳实施例而言存在这些困难，该实施例仍在某些应用中提供优 于现有技术的优点。图13是第四实施例的示意图。在第四实施例中，开关电源控制器集成电路41包括 两个DNVDIC电路50和57。上拉DNVDIC 57与下拉DNVDIC 50对称并互补。下拉DNVDIC 50在高-低VDN转变中如上文所述以初始低阻抗、随后以较高中等范围阻抗在驱动节点54 上进行下拉，上拉DNVDIC 57则在低-高VDN转变中以初始低阻抗、随后以较高中等范围阻 抗在驱动节点54上进行上拉。当输入信号SIN在转变之前具有高数字逻辑电平时，P沟道 晶体管Q4关断并且不导电。因此称DNVDIC 57以高阻抗将驱动节点54耦接到电源端子。 然后，当输入信号SIN从高数字逻辑电平转变到低数字逻辑电平时，P沟道晶体管Q4导通。 电流同时流经第一电流路径和第二电流路径。第一电流路径是从电源端子48经晶体管Q4、 二极管接法的晶体管Q3和电阻器R3到达驱动节点54。第二电流路径是从电源端子48经 晶体管Q4和电阻器R4到达驱动节点54。假定晶体管Q4和Q3的漏极-源极电阻远小于电 阻R3和R4，则电源电压端子48和驱动节点54之间的DNVDIC阻抗是并联的电阻器R3和R4 的等效电阻。该值由(R3*R4)/R3+R4给出，并且在此处被称为“低阻抗”。由于通过第一和 第二电流路径对开关QO的栅极电容进行充电，节点54上的电压VDN继续升高。充电速率 相对较快。然后，当电压VDN达到端子48上电源电压VIN的一倍阈值电压时，在二极管接 法的晶体管Q3两端不再存在阈值电压降。二极管接法的晶体管Q3关断并且变为高阻抗， 从而使电流停止流过第一电流路径。因此，DNVDIC 57的阻抗为第二电流路径中电阻器R4 的电阻。此更大的电阻在此处被称为“中等范围阻抗”。栅极53继续通过该中等范围阻抗 进行充电，直到栅极电压达到端子48上的VIN为止。在低-高转变的结束部分中通过较高中等范围阻抗对栅极进行充电会减小电压 VDN的上升速率，并有助于避免当开关SO接通时电压VSW向下转变的情况下在开关节点55上出现高的dV/dT和振铃。请注意在开关节点55上的高-低VSW转变结束时，图9所示 VSW波形中的振铃62。DNVDIC 57会减轻或消除此种振铃62。并非波形VDN的上升沿具有 如图9所示的单个较大斜率，而是如果使用DNVDIC 57，则低-高VDN转变将具有初始较陡 部分、然后是不太陡的结束部分。可通过改变器件Q3 JfDNVDIC 57的阻抗从其低上拉阻抗 变为其中等范围上拉阻抗时的驱动节点电压设定为所期望的电压。例如，可采用多个串联 连接的二极管接法的晶体管。图14是第五实施例的示意图。在第五实施例中，DNVDIC 50和DNVDIC 57均为如 在上文结合图11所示出和描述的DNVDIC 50的布局。DNVDIC 57是下拉阻抗DNVDIC 50的 上拉阻抗型式。图15是第六实施例的图。在第六实施例中，DNVDIC 50和DNVDIC 57均为如在上 文结合图12所示出和描述的DNVDIC 50的布局。DNVDIC 57是下拉阻抗DNVDIC 50的上拉 阻抗型式。图16是D类开关放大器100的图，D类开关放大器100包括两个新颖的DNVDIC 101 和 102。尽管上文结合某些实例性实施例描述本实用新型，本实用新型 并不限于这些实例 性实施例。尽管在以上实施例中将电阻器显示为在第一和第二电流路径中与晶体管串联设 置，然而在某些实施例中不存在这些电阻器。而是，使晶体管的漏极-源极导通电阻等于电 阻器的电阻，而不在实际电路中提供电阻器。当晶体管导通并且导电时，晶体管的导通电阻 即提供电流路径的电阻。通过正确确定晶体管(例如图11所示实施例中的晶体管Q2和Q3) 的规格以使其具有恰当的漏极-源极导通电阻，“低阻抗”和“中等范围阻抗”均被设定为所 期望的阻抗值并且无需提供串联电阻器(例如电阻器Rl和R2)。尽管上述新颖DNVDIC电 路利用两个平行电流路径，DNVDIC也可采用多于两个平行电流路径，以使DNVDIC所表现出 的输出阻抗具有不止上述三个驱动节点电压相关阻抗值(高输出阻抗、中等范围输出阻抗 和低输出阻抗)。尽管上文结合驱动一开关电源中的开关来解释DNVDIC，DNVDIC也可应用于驱动 其它电路。例如，DNVDIC可用于例如以能避免信号线上出现振铃的方式将信号驱动到信号 线上。该新颖DNVDIC所驱动的器件不必为普通的场效应晶体管，而是可以为另一类型的器 件，例如DMOS晶体管、IGBT或普通的双极晶体管。在本专利文件中所用的术语“阈值电压” 宽泛地适用于描述不只是二极管接法的场效应晶体管(参见图8的晶体管Ql)、而且是其 它半导体器件(例如普通PN结或二极管接法的双极结晶体管)的导通所需的电压。可利 用体效应(body effect)调整使DNVDIC从其低输出阻抗变为中等范围输出阻抗的预定电 压。并非使用二极管接法的晶体管，而是采用晶体管并将本体连接到电压上。利用电压的 大小来设定和/或调整晶体管的阈值电压，以使预定电压为所期望的值。相应地，可在不脱 离权利要求所述本实用新型范围的条件下对所述实施例的各种特征实施各种修改、改动和 组合。
权利要求一种开关电源控制器，其特征在于，其包括一驱动节点；一输入信号节点；一第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动节点经一二极管延伸到一晶体管的漏极、再经所述晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述晶体管的栅极被耦接成从所述输入信号节点接收所述输入信号；和一第二电流路径，从所述驱动节点经相当大的电阻延伸到所述晶体管的漏极、再经所述晶体管延伸到所述第一电源节点。
2.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于1)如果所述驱动节点上的电压高于所述二极管的阈值电压并且如果所述输入信号具 有第二数字逻辑电平，则一第一电流流经所述第一电流路径，并且一第二电流流经所述第 二电流路径，使得所述第一电流路径和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源 节点之间形成相对低阻抗的耦合；而2)如果所述驱动节点上的电压低于所述二极管的阈值电压并且如果所述输入信号具 有所述第二数字逻辑电平，则实质上没有电流流经所述第一电流路径，使得所述第一电流 路径和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源节点之间形成中等范围阻抗的 耦合；而3)如果所述输入信号具有第一数字逻辑电平，则所述晶体管不导电，并且实质上没有 电流在所述第一电流路径或所述第二电流路径中流动，使得所述第一电流路径和所述第二 电流路径在所述驱动节点和所述第一电源节点之间形成相对高阻抗的耦合。
3.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述二极管是一二极管接法的晶体管。
4.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述第一电源节点是一接地节 点，并且其中所述输入信号的低-高电压转变引起所述驱动节点上的高-低电压转变。
5.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述第一电源节点是一电源电 压节点，并且其中所述输入信号的高-低电压转变引起所述驱动节点上的低-高电压转变。
6.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，其还包括一场效应晶体管，具有栅极、漏极和源极，其中所述栅极耦接到所述驱动节点，并且所 述场效应晶体管对流经开关电源的电感器的电流进行开关。
7.如权利要求6所述的开关电源控制器，其特征在于，所述二极管是一二极管接法的 高电压晶体管，所述场效应晶体管是一高电压晶体管，并且所述晶体管是一低电压晶体管。
8.如权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，在所述第一电流路径中于所述 驱动节点和所述二极管之间设置电阻器。
9.一种开关电源控制器，其特征在于，其包括一驱动节点；一输入信号节点；一第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动节点经二极管延伸到一第一晶体管的漏极、再经所述第一晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述第一晶体管的栅极被耦接成从所述输入信号 节点接收输入信号；和一第二电流路径，从所述驱动节点经相当大的电阻延伸到一第二晶体管的漏极、再经 所述第二晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述第二晶体管的栅极耦接到所述第一晶 体管的栅极。
10.如权利要求9所述的开关电源控制器，其特征在于1)如果所述驱动节点上的电压高于所述二极管的阈值电压并且如果所述输入信号具 有第二数字逻辑电平，则一第一电流流经所述第一电流路径，并且一第二电流流经所述第 二电流路径，使得所述第一电流路径和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源 节点之间形成相对低阻抗的耦合；而2)如果所述驱动节点上的电压低于所述二极管的阈值电压并且如果所述输入信号具 有所述第二数字逻辑电平，则实质上没有电流流经所述第一电流路径，使得所述第一电流 路径和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源节点之间形成中等范围阻抗的 耦合；而3)如果所述输入信号具有第一数字逻辑电平，则所述第一和第二晶体管不导电，并且 实质上没有电流在所述第一电流路径或所述第二电流路径中流动，使得所述第一电流路径 和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源节点之间形成相对高阻抗的耦合。
11.一种开关电源控制器，其特征在于，其包括一驱动节点；一输入信号节点，其中在所述输入节点上存在输入信号；一第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动节点延伸到第一导电率类型的第一晶体管的源极、经所 述第一晶体管延伸到所述第一晶体管的漏极、再延伸到所述第一电源节点，其中所述第一 晶体管的栅极被耦接成接收所述输入信号的反相型式；和一第二电流路径，从所述驱动节点延伸到第二导电率类型的第二晶体管的漏极、经所 述第二晶体管延伸到所述第二晶体管的源极、再延伸到所述第一电源节点，其中所述第二 晶体管的栅极被耦接成接收所述输入信号。
12.如权利要求11所述的开关电源控制器，其特征在于1)如果所述驱动节点上的电压高于所述第一晶体管的阈值电压并且如果所述输入信 号具有第二数字逻辑电平，则第一电流流经所述第一电流路径，并且第二电流流经所述第 二电流路径，使得所述第一电流路径和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源 节点之间形成相对低阻抗的耦合；而2)如果所述驱动节点上的电压低于所述第一晶体管的阈值电压并且如果所述输入信 号具有所述第二数字逻辑电平，则实质上没有电流流经所述第一电流路径，使得所述第一 电流路径和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源节点之间形成中等范围阻 抗的耦合；而3)如果所述输入信号具有第一数字逻辑电平，则所述第一和第二晶体管不导电，并且 实质上没有电流在所述第一电流路径或所述第二电流路径中流动，使得所述第一电流路径 和所述第二电流路径在所述驱动节点和所述第一电源节点之间形成相对高阻抗的耦合。
13.如权利要求11所述的开关电源控制器，其特征在于，所述第一晶体管是P沟道晶体 管，所述第二晶体管是N沟道晶体管，所述第一晶体管的漏极被电阻性地耦接到所述第一 电源节点，所述第二晶体管的漏极被电阻性地耦接到所述驱动节点，并且所述第一电源节 点是接地节点。
14.如权利要求11所述的开关电源控制器，其特征在于，所述第一电源节点是接地节 点，并且所述输入信号的低_高电压转变引起所述驱动节点上的高_低电压转变。
15.如权利要求11所述的开关电源控制器，其特征在于，所述第一电源节点是电源电 压节点，其中所述第一晶体管是N沟道晶体管，所述第二晶体管是P沟道晶体管，如果所述 第一晶体管导电，则第一电流经由所述第一电流路径从所述第一电源节点流到所述驱动节 点，如果所述第二晶体管导电，则第二电流经由所述第二电流路径从所述第一电源节点流 到所述驱动节点，并且所述输入信号的低_高电压转变引起所述驱动节点上的高_低电压 转变。
16.如权利要求11所述的开关电源控制器，其特征在于，其还包括一场效应晶体管，具有栅极、漏极和源极，所述栅极耦接到所述驱动节点，并且其中所 述场效应晶体管对流经开关电源的电感器的电流进行开关。
17.—种电路，其特征在于，其包括一场效应晶体管，具有一栅极；一接地节点；和用于当所述栅极上的电压高于一预定电压时通过将所述栅极经相对低的下拉阻抗初 始地耦接到所述接地节点来引起所述栅极上的高_低电压转变的装置，并且所述装置还用 于在所述栅极上的所述电压下降到所述预定电压以下时增大所述下拉阻抗，所述下拉阻抗 的所述增大是在不利用比较器和不利用单触发电路的情况下实施。
18.如权利要求17所述的电路，其特征在于，所述装置包括所述栅极和所述接地节点 之间的电流路径，在所述电流路径中设置二极管，并且当所述栅极上的所述电压下降到所 述预定电压以下时，所述二极管不再承受正向偏压并且停止所述电流路径中的电流流动。
19.如权利要求17所述的电路，其特征在于，所述装置包括所述栅极和所述接地节点 之间的电流路径，在所述电流路径中设置P沟道晶体管，并且当所述栅极上的所述电压下 降到所述预定电压以下时，所述P沟道晶体管两端的栅极-源极电压下降到所述P沟道晶 体管的阈值电压以下，以使所述P沟道晶体管变得不导电并且停止所述电流路径中的电流 流动。
20.如权利要求17所述的电路，其特征在于，所述装置不包括大于三个的晶体管数量。
21.如权利要求17所述的电路，其特征在于，所述装置包括具有第一电阻Rl的第 一电阻性元件和具有第二电阻R2的第二电阻性元件，所述相对低的下拉阻抗近似等于 (R1*R2)/R1+R2，当所述栅极上的所述电压下降到所述预定电压以下时，所述装置具有中等 范围的阻抗，并且所述中等范围的阻抗近似等于R2。
22.如权利要求17所述的电路，其特征在于，所述电路为开关电源控制器集成电路。
23.如权利要求17所述的电路，其特征在于，所述电路为D类开关放大器。
专利摘要本实用新型公开了一种开关电源控制器及电路，可以实现使开关电源控制器的驱动器电路在转变的初始部分中以低输出阻抗在转变中驱动开关的栅极，并接着在转变的其余部分中以中等范围的输出阻抗驱动开关的栅极。该开关电源控制器包括一驱动节点；一输入信号节点；一第一电源节点；一第一电流路径，从所述驱动节点经一二极管延伸到一晶体管的漏极、再经所述晶体管延伸到所述第一电源节点，其中所述晶体管的栅极被耦接成从所述输入信号节点接收所述输入信号；和一第二电流路径，从所述驱动节点经相当大的电阻延伸到所述晶体管的漏极、再经所述晶体管延伸到所述第一电源节点。
文档编号H05B37/00GK201571221SQ20092015334
公开日2010年9月1日 申请日期2009年6月16日 优先权日2008年6月18日
发明者盖瑞·迈克尔·赫兹, 郑克惠, 龚大伟 申请人:技领半导体(上海)有限公司;技领半导体股份有限公司