用于多相位降压转换器电路的共享式自举电容器及方法技术

在所描述实例中，一种具有共享式自举电容器(221)的多相位dc/dc转换器(20)包含n个切换级(220、240)，每一切换级耦合到对应切换节点(SW1、SW2)，且每一切换级进一步包含高侧驱动器MOS装置(211、231)，所述高侧驱动器MOS装置耦合于正电压供应端子(Vdd)的端子与所述对应切换节点(SW1、SW2)之间。电感器(223、243)并联耦合于所述对应切换节点与输出端子(Vo)之间，经配置用于提供DC输出电压。高侧驱动器控制电路(215)经配置以将共享式自举电容器(221)选择性地耦合到所述高侧驱动器(211、231)中的每一者的栅极端子。所述共享式自举电容器(221)经配置以对所述高侧驱动器MOS装置(211、231)中的每一者的栅极电容进行充电。

Shared bootstrap capacitor for multi-phase buck converter circuit and method

In the described example, a shared bootstrap capacitor (221) multi phase dc/dc converter (20) includes a switching stage (n 220, 240), each switching stage coupled to the corresponding switching nodes (SW1, SW2), and each switching stage further comprises a high side MOS driver. The (211, 231), the high side MOS device driver Yu Zheng coupling (Vdd) voltage supply terminal of the terminal and the corresponding switching nodes (SW1, SW2). The inductor (223, 243) is coupled between the corresponding switching node and the output terminal (Vo) in parallel, and is configured to provide a DC output voltage. The high side driver control circuit (215) is configured to selectively connect the shared bootstrap capacitor (221) to the gate terminal of each of the high side drivers (211, 231). The shared bootstrap capacitor (221) is configured to charge the gate capacitance of each of the high side driver MOS devices (211, 231).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
此一般来说涉及用于从输入电压提供减压电压的DC-DC切换转换器中的多相位切换电路。
技术介绍
最近对DC电力供应器电路的改进在便携式及电池供电式装置中越来越重要。在此类装置中，供应电压有时由AC到DC变压器或“砖块(brick)”提供，所述AC到DC变压器在AC电力可用时输出DC电压(例如12伏特或24伏特)。便携式装置通常也在AC电力不可用时在从可再充电电池或其它电池提供的类似DC电压上操作。一些便携式装置可不具有“砖块”，而是仅从电池操作。便携式装置内所使用的电子器件通常包含集成电路(例如微处理器)、易失性或非易失性存储装置、数字无线电或手机收发器装置以及其它功能件，例如蓝牙、WiFi及显示驱动器。集成电路装置不断地经设计以在越来越低的操作电压(例如1.8伏特DC或甚至更低)下操作。用于集成电路的较低操作电压消耗较少电力且因此延长电池寿命。有时使用其它供应电压，例如2.8V、3.3V或5V。来自电池或AC到DC变压器或“砖块”的系统供应电压通常高于由电子电路需要的电压，因此使用DC-DC减压转换器。切换电力转换器电路不断地用于提供用于电子装置的DC电压及电流。在“减压”切换转换器的情形中，通常使用“降压”配置中的脉冲宽度调制式(“PWM”)转换器。这些PWM转换器电路远比先前所使用的线性调节器更高效且运行温度更低以提供经减压DC-DC电压。在降压转换器中，高侧开关(例如，MOS晶体管)与输入电压端子与切换节点之间的高侧开关的电流传导路径耦合。耦合到高侧开关的栅极端子的脉冲宽度调制式信号用于将高侧开关接通或“闭合”为“接通”状态，且所述脉冲宽度调制式信号用于将高侧开关关断或“断开”为“关断”状态。这两种状态以相对恒定频率型式交替。转换器的“工作循环”为高侧开关的“接通”时间与“关断”时间的比率。电感器耦合于切换节点与用于输出电压的输出端子之间。输出电容器耦合于输出端子与接地端子之间。通过闭合高侧开关以实现“接通”状态时间，且在“接通”状态期间将电流驱动到电感器中，且接着随后断开高侧开关以实现“关断”状态时间，电流流动到电感器中且流动到负载中，且形成跨由输出电容器支持的负载的输出电压。整流装置也耦合于切换节点与接地电位之间。整流装置用于在高侧开关断开时(此为电路的“关断时间”)将电流供应到电感器中。越来越多地，此整流装置由低侧驱动器开关替换，但有时使用二极管整流器。通过将MOSFET晶体管用于高侧开关及低侧开关(替换较旧的二极管整流器)两者而形成同步切换转换器拓扑。通过使用具有低RDSon值的MOSFET晶体管，且通过控制高侧开关及低侧开关的接通及关断时间，高效DC-DC降压转换器电路得以实施。在使用具有脉冲宽度调制的恒定频率及工作循环的切换降压转换器中，当输出电流不断地流动到负载时，在输出端子处获得的DC输出电压与电压输入端子处的输入DC电压成正比。更具体来说，输出电压与输入电压乘以高侧开关接通时间与关断时间的比率成比例。因此，DC输出电压与工作循环成比例。因此，通过改变“接通”状态的脉冲宽度，可将输出电压变化到所要值，且可对其进行调节。板上(onboard)或板下(offboard)振荡器通常用于获得对电路进行时控的脉冲源。举例来说，通过在输出处使用感测电阻器或其它电流传感器连同反馈控制，可接着通过变化闭合高侧开关的经调制脉冲的宽度而将输出电压调节到所要值，借此将输入电压或供应电压耦合到电感器的切换节点。额外电路有时用于在无电流或低电流流动到负载中时的时间期间调节输出。举例来说，电路可在存在轻负载条件时切换到脉冲式频率模式或其它跳跃循环。作为实例，在2014年4月29日发布的颁予宫崎(Miyazaki)的标题为“在轻负载下具有经减小纹波的降压转换器(BuckConverterhavingReducedRippleunderLightLoad)”的第8,710,816号美国专利(其与本专利技术申请案共同拥有，且所述美国专利特此以其全文引用方式并入本文中)揭示用于当在轻负载下操作时增加降压转换器电路的效率的电路。虽然降压转换器比先前所使用线性调节器基本上更高效以提供DC电压，但仍不断使用多相位降压转换器来进一步改进降压转换器性能。在多相位降压转换器中，数个切换电路级及对应电感器彼此并联耦合，且这多个级以不重叠相位操作。接着将多个相位输出简单相加以形成总体输出。可存在两个、三个、四个或更多相位及对应电路级。然而，多个相位的相加增加控制电路的复杂性，因此在相位的数目与控制电路的量(及复杂性)之间存在设计折衷。多相位转换器的使用有利地降低针对单相位降压转换器的输出处的不合意纹波电压，且在与单相位降压转换器相比时，多相降压转换器还非常好地处理负载电流中的变化。现代微处理器所需要的电流将明显变化，这是因为现代微处理器具有许多用于在闲置微处理器循环期间减少电力使得延长便携式装置的电池寿命的“睡眠”及“电力节省”模式。因此越来越多地使用多相降压转换器，尤其用于在微处理器系统中供应DC电压。图1是典型多相降压转换器电路10的框图。在图1中，第一级切换电路11包含高侧MOSFET开关111，所述高侧MOSFET开关为n型MOSFET(“NMOS”)晶体管，其为充分大的以在“接通”状态期间将所需或所期望负载电流提供到对应电感器L_l。高侧驱动器电路113耦合到MOSFET开关111的栅极端子。高侧MOSFET开关111耦合到切换节点SW1，所述切换节点耦合到电感器L_l的一个端子。此外，在第一级切换电路11中，低侧开关117(其在此实例中也为N型MOSFET装置117)耦合于切换节点SW1与接地端子之间。低侧驱动器115通过控制低侧开关117的栅极端子上的电压而控制低侧开关117。在切换电路11的“关断”状态期间，低侧开关117提供用以将电流供应到电感器L_1的电流路径。在图1中，多相降压转换器10具有n个相位，如通过星号所指示。在此实例中，展示两个相位。然而，在实际系统中，n可为大于或等于2的任何正整数，且已知用于各种应用的三相位及四相位及更多相位降压转换器系统。此在图1中通过第一级电感器L_1与底部级电感器(标记为L_N)之间的列中的星号指示。在图1中，第二级切换电路13与第一级切换电路11并联耦合。第二级切换电路13内的电路元件是从第一级切换电路11复制且包含高侧MOS开关131(其同样可为NMOS晶体管)、耦合到高侧MOS开关131的栅极端子的高侧驱动器电路133及耦合到低侧开关137的栅极端子的低侧驱动器电路135。切换电路13耦合到切换节点SWN，所述切换节点耦合到电感器L_N的一个端子。图1中的驱动器控制电路15提供对高侧驱动器电路113及133以及对低侧驱动器电路115及135的控制。在操作中，在第一级中，通过将栅极电压从高侧驱动器电路113驱动到栅极端子上而使高侧MOS开关111闭合，所述栅极电压超过源极电压达高侧MOS开关(晶体管)111的晶体管阈值电压Vt。此动作使高侧MOS开关111“闭合”且将输入电压Vin耦合到切换节点SW1。电流流动到电感器L_1中且流出到输出节点，借此对电容器CO进行充电，且负载电流流动形成输出Vo处的输出电压。在此“接通”状态期间，电感器L_l存储电感器周本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从DC输入电压产生DC输出电压的降压转换器，其包括：n个切换级，每一切换级耦合到对应切换节点，所述n个切换级中的每一者进一步包含：高侧MOS开关，其耦合于正输入电压的输入端子与所述对应切换节点之间；及电感器，其对应于所述n个切换级中的每一者、并联耦合于所述对应切换节点与输出端子之间且经配置用于提供所述DC输出电压；及高侧驱动器电路，其经配置以将共享式自举电容器选择性地耦合到所述n个切换级中的每一者内的所述高侧MOS开关中的相应开关的栅极端子，其中所述自举电容器经配置以对所述高侧MOS开关中的所述相应开关的栅极电容进行充电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.11 US 14/456,7451.一种用于从DC输入电压产生DC输出电压的降压转换器，其包括：n个切换级，每一切换级耦合到对应切换节点，所述n个切换级中的每一者进一步包含：高侧MOS开关，其耦合于正输入电压的输入端子与所述对应切换节点之间；及电感器，其对应于所述n个切换级中的每一者、并联耦合于所述对应切换节点与输出端子之间且经配置用于提供所述DC输出电压；及高侧驱动器电路，其经配置以将共享式自举电容器选择性地耦合到所述n个切换级中的每一者内的所述高侧MOS开关中的相应开关的栅极端子，其中所述自举电容器经配置以对所述高侧MOS开关中的所述相应开关的栅极电容进行充电。2.根据权利要求1所述的降压转换器，其中n为等于2的整数。3.根据权利要求1所述的降压转换器，其中n为大于或等于2的整数。4.根据权利要求1所述的降压转换器，其中所述n个切换级中的每一者中的所述高侧MOS开关为NMOS晶体管。5.根据权利要求1所述的降压转换器，且其进一步包括自举电容器充电电路，所述自举电容器充电电路经配置以将所述共享式自举电容器的顶部板选择性地耦合到正供应电压且将所述共享式自举电容器的底部板选择性地耦合到接地电位。6.根据权利要求1所述的降压转换器，且其进一步包括高侧驱动器接通控制电路，所述高侧驱动器接通控制电路经配置以将所述共享式自举电容器的底部板选择性地耦合到正输入电压的所述输入端子且将所述共享式自举电容器的顶部板选择性地耦合到所述n个切换级中的选定切换级的所述高侧MOS开关的栅极端子。7.根据权利要求6所述的降压转换器，其中所述高侧驱动器电路进一步包含n个高侧驱动器，所述n个高侧驱动器对应于所述n个切换级中的每一者且各自耦合于所述共享式自举电容器的顶部板与所述高侧MOS开关中的对应开关的栅极端子之间。8.根据权利要求7所述的降压转换器，其中所述高侧驱动器各自进一步包含串联耦合于所述共享式自举电容器的所述顶部板与所述高侧MOS开关中的对应开关的所述栅极端子之间的一对背对背NMOS晶体管，所述背对背NMOS晶体管具有耦合到所述高侧驱动器接通控制电路的共享式栅极端子。9.一种集成电路，其经配置以提供处于降压配置中的DC到DC电压转换器，所述集成电路包括：n个切换级，其具有n个切换节点输出，所述n个切换级中的每一者进一步包含：高侧NMOS开关装置，其具有栅极端子且耦合于正输入电压端子与对应切换节点输出之间；低侧NMOS开关装置，其具有栅极端子且耦合于所述对应切换节点输出与接地端子之间；及高侧驱动器，其响应于控制输入而将自举电容器的顶部板选择性地耦合到所述高侧NMOS开关装置的所述栅极端子；及高侧驱动器控制电路，其耦合到所述n个切换级中的每一者的所述高侧驱动器的所述控制输入；其中所述自举电容器在所述n个切换级之间共享。10.根据权利要求9所述的集成电路，且其进一步包括：自举充电电路，其选择性地耦合到所述自举电容器且经配置以将所述自举电容器的所述顶部板选择性地耦合到正供应电压并将所述自举电容器的底...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰雷·安德烈亚斯·米卡埃尔·耶尔维宁，亚尔科·安特罗·罗塔玛，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US