高效率DC-DC同步降压转换器制造技术

本发明专利技术揭示一种效率得到提高的ＤＣ－ＤＣ功率调节器电路，例如同步降压ＤＣ－ＤＣ转换器电路（８０）。提供功率级，其具有用于接收ＤＣ输入电压的输入端口并具有用于提供经调节的ＤＣ输出电压的输出端口。所述功率级包括控制ＦＥＴ晶体管（Ｑ１），所述控制ＦＥＴ晶体管（Ｑ１）具有第一端子、第二端子和栅极，第一端子连接至所述输入端口。储能元件（Ｌｏ）具有连接至控制ＦＥＴ输出端子的第一端子和连接至所述输出端口的第二端子。被驱动的ＦＥＴ晶体管（Ｑ２）具有连接至地的第一端子、连接至所述储能元件的第一端子的第二端子、以及栅极。驱动器电路（８１）具有适于接收控制信号的输入端，并向控制ＦＥＴ栅极提供第一驱动器信号以及向被驱动的ＦＥＴ栅极提供第二驱动器输出信号。驱动器电路具有用于接收电能以给驱动器电路供电的电源节点，所述电源节点连接至转换器电路外部的电源。驱动器供电电路经布置以从储能元件的第一端子获得电能，并在转换器电路的初始运行周期之后将电能提供至驱动器电路的电源节点。

High efficiency DC-DC Synchronous Buck Converter

The invention discloses a regulator circuit DC-DC power efficiency are improved, such as synchronous buck DC-DC converter circuit (80). A power stage is provided having an input port for receiving the DC input voltage and an output port for providing an adjusted DC output voltage. The power stage includes a control FET transistor (Q1), the control FET transistor (Q1) having a first terminal, a second terminal, and a gate, and the first terminal is connected to the input port. The energy storage element (Lo) has a first terminal connected to the control FET output terminal and a second terminal connected to the output port. The driven FET transistor (Q2) has a first terminal connected to the ground, a second terminal connected to the first terminal of the energy storage element, and a gate. The drive circuit (81) has an input that is adapted to receive the control signal and provides a first drive signal to the control FET gate and provides a second drive output signal to the driven FET gate. The drive circuit has a power node for receiving electrical energy to supply the driver circuit, the power node connected to the external power supply of the converter circuit. The drive power supply circuit is arranged to obtain electrical energy from the first terminal of the energy storage element, and provides electrical energy to the power supply node of the drive circuit after the initial operation cycle of the converter circuit.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
更具体而言，本专利技术涉及包含半桥配置形式的半导体开关并由互补驱动信号控制的DC-DC电源，例如同步降压DC-DC转换器。
技术介绍
大多数低压电子系统仅具有几个不同的DC电源电压向各种电子功能块提供经调节的功率。通常采用开关电源调节器电路，因为其具有高效率。最常见的开关电源调整器电路类型之一(例如将输入DC电压转换成用于功能电路的较低电平输出电压)是DC-DC同步降压转换器。(降压转换器或步降开关式电源也可称为开关式调节器。) DC-DC转换器的效率根据在其功率级和其驱动器及控制器电路中所耗用的功率来确定。驱动器电路可单独实施为一专用IC，或其可与控制器电路集成到一个封装中。采用互补模式进行开关的功率MOSFET是在DC-DC同步降压转换器功率级中用作的开关的常用装置。这种MOSFET将DC输入电压转换成周期性脉冲，这些周期性脉冲在由低通滤波器滤波后，形成处于由工作循环确定的较低电平的DC输出电压。图1中显示此种转换器电路的实例10。电路10具有功率级12，其包括控制MOSFET 13、同步MOSFET 14、控制电路15和驱动电路16。 在转换器电路10中，在经驱动器电路16控制下用作开关的控制MOSFET 13的控制之下，输入电压V入间歇地施加于提供储能功能的电感器L。控制电路15向驱动器电路16提供一脉冲输入，且驱动器电路16又分别向功率MOSFET、控制FET 13和同步FET 14施加两组互补的栅极驱动脉冲。在控制FET 13的“关”时间中，同步MOSFET 14关闭电路回路，从而允许电感器L释放在控制FET 13的“开”时间中储存的能量。输入电容器C入通过旁通高频分量(例如作为对DC输入电压V入的“斩波”作用的结果而产生的尖脉冲)来提供过滤功能。输出电容器C出提供滤波功能以使输出电压V出变平滑，所提供的该输出电压V出的电平低于V入。 由功率级MOSFET的驱动器电路16输出的脉冲组均具有振幅Vdr。用于控制MOSFET 13的脉冲具有工作循环D，而用于同步MOSFET 14的脉冲具有工作循环(1-D)，如图2中所示。工作循环D由控制电路15设定，从而以所需电平来调节输出电压V出。 在多相配置中，根据相的数量来增加功率级12和驱动器电路16，同时一个控制电路将经过移相的控制脉冲分布至每一相中的驱动器，从而分别通过输入和输出滤波电容器C入和C出实现变低的尖脉冲和纹波电流。图3中显示这种类型的多相同步降压DC-DC转换器30的示意图。转换器30可从市售的IC构建而成。图中所示的特定芯片组支持多达四个DC-DC转换器，为了清楚起见仅显示两个。引脚指示按常规进行，例如PWMn(n＝1、2、3、4)指控制电路IC 31的脉宽调制脉冲输出，PWM指用于驱动器电路IC 32和33的脉宽调制脉冲输入，UGATE和LGATE指分别用于“上部”(即控制)MOSFET和“下部”(即同步)MOSFET的栅极驱动脉冲，且CS指用于辅助控制电路(未示出)(例如限流)的电流传感信号。 DC-DC转换器的效率是电路设计者需要解决的一个重要问题。如上文所提及，DC-DC转换器的效率通过在其功率级(例如转换器10的级12)及在驱动和控制电路(例如分别为转换器10的单元16和15)中消耗的功率来确定。通常，功率级的功率消耗Pcond受到开关(例如转换器10的MOSFET 13和14)的电阻Rds(开)的影响。 具体而言 Pcond＝1rms2×Rds(on)方程式(1) 其中Irms是通过开关的均方根电流。MOSFET在其“开”状态中的漏极-源极电阻Rds(开)与其驱动(即栅极-源极)电压Vgs成反比。因此，驱动电压越高，会使转换器的功率级消耗的功率越少。图4中显示典型的曲线，其图解说明功率MOSFET的Rds(开)如何随施加在其栅极与源极之间的驱动电压而变化。 更详细地考察这一点，可用方程式的形式来表示由驱动电路16消耗的功率Pdr。施加于MOSFET栅极上的电压取决于传递至栅极的电荷。图5中用曲线图显示了这种相关性。对于给定的驱动(栅极-源极)电压Vgs，由驱动器电路损耗的功率与MOSFET的驱动电压、MOSFET的栅极电荷Qgs以及开关频率Fsw成正比 Pdr＝Vgs×Qgs×Fsw。方程式(2) 以下方程式给出MSOFET的栅极电荷 Qgs＝Cgs×Vgs，方程式(3) 其中Cgs是MOSFET的栅极-源极电容。因此，驱动器损耗与栅极-源极电压的平方成正比 Pdr＝Cgs×Vgs2×Fsw。方程式(4) 比较MOSFET导电损耗Pcond的方程式(1)与驱动器损耗Pdr的方程式(4)，可以看出存在一最佳驱动电压，其可为在选定负载电流范围中的同步降压转换器提供最低的功率损耗和最高的效率。针对三种不同的栅极-源极(驱动)电压-5V、7V和12V在图6中以曲线图形式对此进行图解说明，其中该曲线图是转换器效率(百分比形式)-负载电流的关系曲线。驱动电压为7V的曲线在较宽的电流负载范围中提供最高的效率，并在曲线图中以O标记。 在典型配电系统中随处可得到的输入电源电压是标准的，且其不用作最高效率驱动电压。例如，在曲线图中用菱形图案标注的5V驱动电压在最大负载电流时得到较低的效率。另一方面，在曲线图中用垂直斜线标注的12V驱动电压在中等范围至轻负载时具有低效率。此外，在较高的驱动电压(例如12V)时，随着开关频率和被驱动的MOSFET数量的增加，驱动器IC消耗增大的且显著数量的功率。这可导致驱动器IC内部的温度过应力。在一些应用中，可获得的输入电压在较宽的范围上变化，因此不能将其直接用作驱动器电路的电源电压，因为其可超过驱动器的安全运行范围，或降低转换器的整体效率。 因此，需要在较宽的负载电流范围上提高DC-DC同步降压转换器的整体效率，以降低在这些转换器中的驱动器电路所消耗的功率，并增加这种驱动器电路的可靠性，而不牺牲在较宽的负载电流范围上的效率。当然，还需要使任何满足这些目的的解决方案简单且廉价。 可具有满足这些目的的直截了当的方法，包括添加一额外电源以从可用的输入电源电压产生所需的最佳驱动电压。如果使用高效率开关DC-DC转换器来解决该问题，则成本是昂贵的。更常见且成本相对较低的解决方案之一是使用线性电源，并在图7中显示了该方案。 图7中所示电路70可提供于驱动器IC外部的IC中。然而，在许多情况下，为了方便起见，在驱动器IC的内部布置一更加复杂的集成型线性调节器。然而，这种解决方案具有若干缺陷。首先，其消耗额外的功率，假如容易获得最佳驱动电压，则可节省约50％的功率。第二，其要求输入电源电压高于最佳驱动电压，这可能是一个不可接受的限制。第三，在将线性调节器集成到驱动器IC中的情况中，额外消耗的功率限制了转换器的开关频率以及可驱动的MOSFET的数量。最后，由于所消耗功率增加、在芯片内部要使用更高电压的装置、以及需要为线性调节器的输入和输出添加额外的引脚的原因，该集成型线性调节器需要为驱动器IC使用更加昂贵的封装。 一替代方法是使用效率更高的DC-DC转换器以产生经优化的驱动电压。基本上，这涉及复制图1中所示电路，但对其加以设计来得到比主DC-DC转换器低得多的功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＤＣ－ＤＣ功率调节器电路，其包括：功率级，其具有用于接收ＤＣ输入电压的输入端口并具有用于提供经调节的ＤＣ输出电压的输出端口，所述功率级包括控制ＦＥＴ晶体管，其具有第一端子、第二端子、和栅极，所述第一端子连接至所述输入端口 ，储能元件，其具有连接至所述控制ＦＥＴ输出端子的第一端子及连接至所述输出端口的第二端子，及被驱动的ＦＥＴ晶体管，其具有连接至地的第一端子、连接至所述储能元件的第一端子的第二端子、和栅极；驱动器电路，其具有适于接收控制 信号的输入端，并向所述控制ＦＥＴ栅极提供第一驱动器信号，且向所述被驱动的ＦＥＴ栅极提供第二驱动器输出信号，所述驱动器电路具有用于接收电能以向所述驱动器电路供电的电源节点，所述电源节点连接至所述转换器电路外部的电源；及驱动器供电电路， 其经布置以从所述储能元件的第一端子获得电能，并在所述转换器电路的初始运行周期之后将所述电能提供至所述驱动器电路的电源节点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖斯K米夫塔霍特迪诺夫，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]