柵極驅動電路的製作方法
2023-12-11 13:36:37 1
柵極驅動電路的製作方法
【專利摘要】在高電壓CMOS技術中，電源電壓通常高於最大允許柵極電壓。在例如D類放大器的放大器和DC-DC轉換器的切換輸出級，需要快速地改變功率場效應電晶體的柵極。這需要一種柵極驅動器，能夠傳送較大電流，而不超過功率場效應電晶體的柵極上的最大允許電壓。
【專利說明】柵極驅動電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於切換功率電晶體電路的柵極驅動電路和切換功率電晶體電路的方法。更具體地，本發明涉及包括這種柵極驅動電路的音頻放大器或DC-DC轉換器，包括這種音頻放大器的音頻揚聲器驅動器，或包含這種音頻放大器的可攜式電子設備。
【背景技術】
[0002]功率放大器通常在音頻應用中用作揚聲器驅動器。這種應用可能包括消費者、自動或可攜式電子設備。將特定類型的功率放大器稱作所謂的D類放大器。D類放大器是切換模式放大器，其中通過採用脈衝寬度調製(PWM)技術來在電源軌道電壓(supply railvoltage)和地之間切換輸出。在功率放大器中，習慣於將兩個功率電晶體串聯結構以形成輸出或末級(end stage)。例如,在音頻應用的情況下,接著將末級與揚聲器相連接。
[0003]圖1示出了 D類放大器輸出級(也稱作末級)的簡化示意圖。該簡化示意圖包括:兩個互補功率場效應電晶體(FET)MpM11和用於產生驅動信號以控制柵極驅動器的控制邏輯。這裡，柵極驅動器控制功率FET 1卩1111的柵極電壓￥(；11、￥(^柵極驅動器能夠切換輸出級，並且在切換期間精確控制輸出電壓Vtot的改變速率。如美國專利US7271655所公開，這種控制能夠確保最小或為零的停滯時間(deadtime)，該專利的內容通過全文引用合併與此。由於必須快速切換功率FET的要求，這種功率FET通常具有較大的柵極電容。因此，柵極驅動器需要能夠源匯(source and sink)極高的峰值電流。
[0004]通常，如圖2所示，柵極驅動器可以實現為使用FET的CMOS反相器。從放大器的主電源VSUP和地VGND流出柵極驅動器需要進行源匯的峰值電流。因為柵極驅動器必須能夠源匯極高的峰值電流，柵極驅動器對輸出級的切換能力具有一定影響。因此，必須針對特定放大器應用，適當地調整形成柵極驅動的FET大小，也就是說，必須設計FET的長度和覽度。
[0005]對於圖2的結構而言，由於要求功率FET Ml, Mh的柵極在放大器的電源Vsup和地Vgnd之間切換，電源電壓不能超過形成該柵極驅動器Mffl/s卩、Mln7lp的FET的最大允許柵極源電壓額定值。這樣，以行動裝置應用為例，將用於驅動內部揚聲器和耳機輸出的D類放大器直接與設備電池(例如，通常最大5.5V)相連接，以便最大化輸出功率。如果有必要增加電源電壓，則可以使用DC-DC升壓器。
[0006]這種設計中使用的典型功率FET可以具有大於20V的漏極-源極擊穿電壓，而功率FET的最大柵極-源極電壓通常大約3.3V的量級。因此，如果功率FET的漏極-源極擊穿電壓是20V，則有可能使用20V的電源電壓。然而，根據圖2的結構，電源電壓20V同樣呈現在功率FET的柵極和源極之間，其中柵極和源極之間的電壓定額在3.3V。因此，由於柵極驅動器不能夠源匯較大峰值電流，且功率FET的最大柵極源極電壓將高於柵極驅動器FET的電壓，超過該最大值可能永久性地損壞柵極驅動器。
[0007]圖3示出了備選結構，由於柵極驅動器使用單獨的低側輔助電源電壓，不存在與圖2的結構相關聯的問題。由於分離的輔助電源，限制了功率FET的柵極-源極兩端出現的電壓，使得所述電壓不能超過柵極驅動器的電源電壓。
[0008]可以使用兩個單獨電源電壓VKEffl、Vkkp來實現這些輔助電源，低側(low side)和高側(high side)柵極驅動器各一個。可以使用集成在放大器晶片上的電壓調節器來產生電源電壓。然而，由於要求源匯較大的峰值電流，需要外部去耦電容器CKEeP、Ceegn以供應較大的峰值電流。實現該解決方案所需的附加組件可能增加管芯面積和成本。
[0009]描述了一種將功率電晶體的最大柵極電壓限制為低於電源電壓的安全值的柵極驅動器結構。
【發明內容】
[0010]公開了一種用於切換功率電晶體電路的柵極驅動器電路，包括:高側部分和低側部分，所述高側部分和低側部分中的每個包括:具有柵極端子的功率電晶體；第一開關和第二開關；電壓傳感器，布置為檢測在所述功率電晶體柵極端子處的電壓；其中所述電壓傳感器還布置為可切換地操作所述第一和第二開關，使得所述柵極端子在第一電壓和第二電壓之間切換。
[0011]根據實施例，描述了一種將功率電晶體的最大柵極電壓限制為安全值的柵極驅動器結構，該安全值低於特定應用(例如，移動音頻應用)所需的電源電壓。可以直接從電源對柵極充電。感測電路檢測柵極電荷何時接近最大允許值。當達到該最大值時，停止充電，將柵極與高阻抗參考電壓相連接以防止其浮置。電壓傳感器可以布置為響應於輸入電壓超過閾值電壓，可切換地操作所述第一和第二開關，其中輸入電壓是所述功率電晶體的柵極源極電壓。
[0012]閾值電壓可以是功率電晶體的最大柵極源極電壓額定值。本領域技術人員將理解，可以依賴於特定應用選擇閾值電壓，閾值電壓可能高於或低於柵極源極電壓額定值。
[0013]同樣公開了一種切換功率電晶體電路的方法，包括:檢測功率電晶體柵極端子處的電壓；以及切換第一和第二開關，使得所述柵極端子在第一電壓和第二電壓之間進行切換。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]在附圖和以下描述中，類似的附圖標記表示類似的特徵。
[0015]下文中，參考附圖僅作為示例進一步描述本發明:
[0016]圖1示出了根據現有技術的D類放大器輸出級；
[0017]圖2示出了根據現有技術的CMOS D類放大器輸出級；
[0018]圖3示出了根據現有技術的輔助柵極驅動器結構；
[0019]圖4是功率放大器的柵極驅動器的低側部分的說明；
[0020]圖5是切換序列期間柵極驅動器信號的時序圖；以及
[0021]圖6是功率放大器的柵極驅動器結構的低側部分的電路圖。
【具體實施方式】
[0022]總體參考圖4和6，應注意，為了清楚的目的，它們僅示出了柵極驅動器的低側部分。附加地或替代地，可以包括互補的高側部分。根據以下公開的教義，實現柵極驅動器的高側部分對本領域技術人員而言是常規技術。
[0023]概述中，參考圖4，所示低側柵極驅動器包括充電開關Sqin和鎖定開關SraN。如示例性所示，低側柵極驅動器也包括附加開關，作為下拉電晶體Mm。本領域技術人員將認識至IJ，例如，可以使用電流或電壓控制的開關或電晶體開關來實現這裡所述的開關。
[0024]低側柵極驅動器也包括比較器C0MP，由參考電壓源Vkefn向低側柵極驅動器供電。充電開關Saffl通過電流源Iqin可切換地將電源電壓端子Vsup連接到低側功率電晶體Ml的柵極和下拉電晶體Mm的漏極。將該比較器布置為電壓傳感器，確保在不超過功率FET 的柵極-源極電壓的前提下的最大預定電壓閾值。
[0025]鎖定開關S_可切換地將參考電壓端子Vkefn連接到功率FETM^的柵極和下拉電晶體Mm的漏極。參考電壓電源端子Vkefn和電源電壓端子Vsup可切換地連接到功率FET Ml的柵極和下拉電晶體Mm的漏極。應注意，布置充電開關Sqin和鎖定開關SraN，使得不會將參考Vkffn和電源電壓Vsup同時地連接到功率FET Ml的柵極或下拉電晶體Mln的漏極。
[0026]將比較器COMP連接到功率FET Ml和下拉電晶體Mm。將比較器COMP的負端子連接到功率FET 的源極和下拉電晶體Mm的源極。將下拉電晶體布置為由控制信號來確定在導通狀態和截止狀態之間切換，下文進一步討論。
[0027]將比較器COMP的正端子連接到功率FET Ml的柵極和下拉電晶體Mln的漏極。將下拉電晶體Mln的源極連接到功率FET Ml的源極，將下拉電晶體Mln的漏極連接到功率FETMl的柵極。
[0028]將充電開關Sqin和鎖定開關SraN相連接，使得它們共享連接到下拉電晶體Mln的漏極和功率FET 的柵極的公共節點。將下拉電晶體Mm的柵極連接到狀態機(statemachine)(未示出)，該狀態機提供圖4、5和6所示的控制信號「放電」。
[0029]下拉電晶體Mm可以是η溝道電晶體，以將功率FET 的柵極-源極短接。備選地，可以使用P溝道電晶體，然而必須使下拉電晶體仏，的柵極相對地為負，以實現相同功能。備選地，可以使用電流或電壓控制開關。
[0030]如上所述，實施例中，與圖4所示低側柵極驅動器具有相同布局的柵極驅動器高側部分(未示出)可以包括與低側相同的電路元件，即:充電開關和鎖定開關；比較器；下拉電晶體；參考電壓源；以及電流源，以和上述低側部分相同的方式結構其中的每個。對於針對所討論的低側結構提供的電路元件而言，這些電路元件可以是附加的或備選的。在高側驅動器的情況下，應將電路元件連接到該高側功率fetmh。因此，本領域技術人員應理解，高側與低側互補，使得將P型電晶體交換為η型電晶體。不是電晶體的電路元件與這裡所述的低側部分的電路元件相同。
[0031]可以參考圖5理解柵極驅動器的操作。圖5是功率FET Ml的接通序列的時序圖，示出了上述控制信號和向功率FET 施加的電壓VGL。操作中，低側柵極驅動器布置為根據控制信號「充電」、「鎖定」、「放電」和「準備好」來導通和截止功率FET Ml,使得功率FET Ml可以驅動放大器的輸出V.。
[0032]為了導通功率FET Ml,使得將放大後的信號呈現在輸出端子Vqut處，通過在下拉電晶體Mln的柵極處的邏輯「低」控制信號「放電」來截止下拉電晶體Mm。作為下拉電晶體Mln截止的結果，任何電流將下拉電晶體Mm旁路，流向功率FET Ml的柵極和比較器COMP的正端子。
[0033]與此同時，當將「低」控制信號「放電」施加到下拉電晶體的柵極時，由邏輯「高」控制信號「充電」接通充電開關SCHN。可以通過任何適當手段來產生控制信號「充電」和「放電」。例如，可以通過邏輯狀態機(未示出)來產生控制信號「充電」和「放電」，如本領域所公知，可以通過硬體或軟體實現邏輯狀態機。
[0034]現將功率FET Ml的柵極連接到電源電壓VSUP，由電流Ichn來對功率FET Ml充電，並且導通功率FET Ml。
[0035]當功率FET 的柵極電壓Vei與比較器COMP的閾值電壓Vesmx相交時，比較器COMP觸發並產生控制信號「準備好」。控制信號「準備好」導致控制信號「充電」變「低」，控制信號「鎖定」變「高」，由此分別關斷充電開關Sqin並且接通鎖定開關SraN。
[0036]由於「低」 「放電」信號而關斷下拉電晶體Mm，停止對功率FETM^的柵極充電，並且將參考電壓Vkefn施加到功率FET Ml的柵極。如果參考電壓Vkefn等於比較器COMP的閾值電壓Vcsmax，則由於接通鎖定開關Smn而導致功率FET Ml的柵極電壓Va與閾值電壓Vkmax相同，流過鎖定開關Smn的電流是可忽略的。
[0037]在這種類型的電路中，由於應對應用的功率需求所需的設備的相對較大尺寸，功率FET 通常具有較大柵極電容(通常為幾百皮法)。由於較大柵極電容，功率FET MJ勺柵極電壓在關斷充電開關Sqin之後仍保持穩定，停止對功率FET 的柵極的充電。這是由於功率FETMJ勺開關時間與其柵極電容成正比。換言之，如果停止流向柵極和從柵極流出的所有電流，則不改變柵極電容上的電荷，因此柵極電容上的電壓保持相同。然而，由於洩露電流(例如，柵極洩露電流)，柵極電壓從充電值浮動或漂移，且因為洩露電流通常較小(例如通常為納安培)，這種漂移通常是慢(在電子設備操作中，可以是I到5秒的範圍)處理。
[0038]因此，由於在停止對功率FET M1的柵極充電時柵極浮動，也就是說柵極具有極高的DC阻抗，接通「鎖定」信號的時間可以是寬鬆的。然而，由於較大電容，因為所提及的洩露電流而僅能夠非常慢地改變(例如，放電)。因此，無需立即用「鎖定」信號設置功率FETM1的柵極電壓。所以從關斷充電開關到接通鎖定開關的時間是寬鬆的。
[0039]此外，由於功率FET 勺柵極已在充電而導致參考電壓電源VkefnF需要供應較大峰值電流，功率FET Ml的柵極可以是高阻抗節點，使得不需要低阻抗緩衝或電壓調節器。
[0040]由功率FET Ml的最大柵極源極電壓額定值來確定比較器COMP的閾值電壓VesMAX。可以選擇比較器COMP的閾值電壓VesMX，使得它等於功率FET的最大柵極源極電壓額定值。備選地，可以選擇閾值電壓Vesmx，使得它小於功率FET 的柵極源極電壓額定值。為了截止功率FET Ml使得放大後的信號不會呈現在輸出端子Vott處，通過在下拉電晶體Mm的柵極處的控制信號「放電」來接通下拉電晶體Mm，並且通過控制信號「充電」和控制信號「鎖定」來分別關斷充電開關Sqin和鎖定開關SraN。作為通過接通下拉電晶體Mln來對功率FET Ml的柵極放電的結果，短接功率FET M1的柵極-源極，對柵極電容進行完全放電。
[0041]本領域技術人員將認識到可以通過任何適合手段來產生控制信號，例如邏輯狀態機(未示出)。布置邏輯狀態機使得以正確序列和時序產生信號轉換。本領域技術人員同樣應認識到，可以通過電平轉移電路(未示出)將控制信號施加至開關。
[0042]在通過FET實現充電開關Schn和鎖定開關S.的情況下，由特定FET的閾值電壓來確定接通或斷開該開關所需的控制信號電平是「高」或「低」。類似地，同樣可用於選擇下拉電晶體Mln和功率FETMp
[0043]在實施例中，如圖6的電路圖所示，可以使用較小參考電流源Ikefi^P較高歐姆電阻器Rkefn來實現參考電壓源VKEFN。去耦電容器Ckefn允許參考電壓源Vkefn向產生正確控制信號所需的其它邏輯電路供電，例如電平轉移電路、復用器。
[0044]可以使用標準PMOS電晶體Mmn來實現鎖定開關S_，並且可以使用標準PMOS電晶體Maffl來實現充電開關。類似於下拉電晶體Mm，源極、柵極和漏極端子電壓決不能高於功率FET M1的柵極電壓，使得可以使用低電壓額定值的FET，其趨向於使用遠小於具有高電壓額定值的FET。可以通過單個PMOS電晶體Maffl來實現充電開關Sqin和電流源Iaffl 二者，其中漏極源極電壓可以等於電源電壓VSUP，使得它與功率FET M1的漏極-源極電壓額定值相同。通過用高於FET閾值電壓的適合有限電壓驅動Mqin的柵極，漏極電流將飽和，從而用作電流源。
[0045]電壓源電阻器Rkefn的高阻抗緩解參考電壓源Vkefn和比較器COMP的閾值電壓Vesmx之間的關係，令參考電壓Vkefn並非必須精確等於VesMAX。當接通鎖定開關Smn時，功率FET Ml的柵極電壓Va將收斂為參考電壓源VKEFN。在柵極驅動器的正常操作下，也就是放大器的正常操作下，響應於來自放大器級(未示出)的輸入信號來周期性地導通和截止功率FET Ml,所以將功率FET M1的柵極驅動(或鎖定)至參考電壓源Vkefn的效果是可忽略的。例如，在測試期間，當永久性地導通功率FET Ml時，由於洩露而導致浮點上的電壓能夠游離並能夠獲得可對電路造成損壞的值，參考電壓源Vkefn防止功率FET Ml的柵極浮動。
[0046]上述組件和功能可以實現在單個集成電路上。
[0047]在以下描述中，本領域技術人員應認識到術語「低」和「高」的使用可以表示邏輯低(也就是O)和邏輯高(也就是I)。此外，高低指示高控制信號高於低控制信號。
[0048]在所附獨立權利要求中描述了本發明的特定和優選方面。來自從屬權利要求和/或獨立權利要求的特徵的組合可以適當地結合，而不僅限於權利要求中所述。
[0049]本公開的範圍包括任何新型特徵、或這裡明示或暗示所述的特徵的組合，或它們的任何衍生物，而無論是否涉及要求保護的發明或是否緩解由本發明解決的任何問題或所有問題。 申請人:在此注意到，在執行該應用或執行從中得到的任何這種其它應用期間，可以將新權利要求表達為這種特徵。具體地，參考所附權利要求，來自從屬權利要求的特徵可以與獨立權利要求的特徵相結合，來自各獨立權利要求的特徵可以以任何適合方式組合，不僅限於權利要求所枚舉的特定組合。
[0050]也可以將在單獨實施例的上下文中描述的特徵提供為單個實施例的組合。相反地，為了簡便起見，單個實施例的上下文中所述的多種特徵也可以提供為單獨的，或提供為任何適合的子組合。
[0051]在以上描述中，術語所連接或連接表示電連接。
[0052]為了完整性的目的，也注意術語「包括」不排除其他元素或步驟，術語「一個」或「一」不排除多個，單個處理器或其它單元可以實現權利要求所述的若干裝置的功能，不應將權利要求所述的參考符號理解為限制權利要求的範圍。
【權利要求】
1.一種用於切換功率電晶體電路的柵極驅動器電路，所述功率電晶體電路包括: 高側部分和低側部分，其中所述高側部分和低側部分中的至少一個包括: 第一開關和第二開關； 電壓傳感器，布置為檢測在所述功率電晶體柵極端子處的電壓；其中所述電壓傳感器還布置為可切換地操作所述第一和第二開關，使得所述柵極端子在第一電壓和第二電壓之間切換。
2.根據權利要求1所述的柵極驅動器電路，還包括第三開關，布置為可切換地操作所述功率電晶體。
3.根據權利要求1所述的柵極驅動器電路，其中所述電壓傳感器布置為產生控制信號，以便可切換地操作所述第一和所述第二開關。
4.根據權利要求3所述的柵極驅動器電路，其中所述電壓傳感器布置為響應於超過閾值電壓的輸入電壓，可切換地操作所述第一和第二開關，其中輸入電壓是所述功率電晶體的柵極源極電壓。
5.根據權利要求4所述的柵極驅動器電路，其中所述電壓傳感器是比較器。
6.根據權利要求4所述的柵極驅動器電路，其中所述閾值電壓是功率電晶體的最大柵極源極電壓額定值。
7.根據任一前述權利要求所述的柵極驅動器電路，其中所述第一和第二開關布置為使得禁止同時導通第一和第二開關。
8.根據任一前述權利要求所述的柵極驅動器電路，其中第一開關可切換地布置為向功率電晶體的柵極端子施加第一電壓，第二開關可切換地布置為向功率電晶體的柵極端子施加第二電壓。
9.根據權利要求1或8所述的柵極驅動器電路，其中第一電壓是電源電壓，第二電壓是聞阻抗參考電壓。
10.一種音頻放大器，包括任一前述權利要求所述的柵極驅動器電路。
11.一種音頻揚聲器驅動器，包括權利要求10所述的音頻放大器。
12.一種可攜式電子設備，包括權利要求11所述的音頻揚聲器驅動器。
13.—種DC-DC轉換器，包括權利要求1到9之一所述的柵極驅動器電路。
14.一種切換功率電晶體電路的方法，包括:檢測功率電晶體柵極端子處的電壓；以及切換第一和第二開關，使得所述柵極端子在第一電壓和第二電壓之間切換。
【文檔編號】H03F3/217GK104135237SQ201410180529
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2013年4月30日
【發明者】馬克·伯克豪特, 保盧斯·皮特魯斯·弗蘭西斯特斯·馬裡亞·布魯因 申請人:Nxp股份有限公司