用于降低DC-DC转换器中损耗的方法和电路技术

根据本发明专利技术，一种开关转换器（１００）包括并联在两个端子之间的两个晶体管Ｑ１和Ｑ２。晶体管Ｑ１被优化来降低动态损耗而晶体管Ｑ２被优化来降低传导损耗。配置和操作Ｑ１和Ｑ２从而转换器的动态损耗基本由Ｑ１支配而转换器（１００）的传导损耗基本由Ｑ２支配。因此，消除了常规技术中存在的两种类型的损耗之间的权衡，允许独立地降低动态和传导损耗。此外，Ｑ１和Ｑ２的特殊结构和操作方式使得在低负载（１０４）电流情况下工作时栅电容开关损耗降低。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请对照本申请要求2001年8月23日提交的美国申请No.60/314607标题为“Method andCircuit for Reducing Losses in DC-DC converters(用于降低DC-DC转换器中损耗的方法和电路)”的优先权，在此全文并入以供参考。
技术介绍
本专利技术一般涉及集成电路，尤其涉及用于实现更高效的DC-DC转换器的方法和电路。一种类型的DC-DC转换器采用晶体管开关，控制该开关来周期性地将电荷从输入DC电压电源转移给建立输出DC电压的负载装置。虽然有不同的方法来实现这种类型的开关转换，但最普通技术是将电感器和电容器用作能量存储元件并将一个或多个MOSFET用作开关元件。为了增加转换器的效率，尝试最小化开关元件(MOSFET)中的损耗。DC-DC转换器中有三种类型的损耗(i)传导损耗，(ii)动态损耗，和(iii)栅电容开关损耗。传导损耗正比于开关晶体管的通态电阻，在MOSFET的情况下该通态电阻将是其源极和漏极的通态电阻(RDSon)。传导损耗还正比于负载电流和驱动开关晶体管的控制信号的工作循环。动态损耗正比于控制信号的上升和下降时间以及输入DC电压和负载电流的量。栅电容开关损耗正比于栅极电荷Qg、开关频率和栅极电压。对于较大的负载电流，动态和传导损耗的量远大于栅电容开关损耗。但是，较低的负载电流时栅电容开关损耗变成主要的。对于给定的输入DC电压、输出电压和较大的负载电流，为了降低传导损耗，需要降低RDSon。这通常是通过采用较大的或多个MOSFET来实现的。但是，较大的MOSFET具有较大的栅极电荷Qg，这减缓控制信号的上升和下降时间从而导致较大的动态损耗。相反地，为了降低动态损耗，需要降低栅极电荷Qg，这需要较小的MOSFET，而这又导致RDSon的增加从而增加了传导损耗。该权衡迫使常规设计在两种类型的损耗之间兼顾，从而导致效率方面逊于最优设计。同样，需要提供一种转换器，能控制它以便对于高和低负载电流都能使损耗最小。专利技术概述根据本专利技术，开关转换器包括并联在两个端子之间的两个晶体管Q1和Q2。晶体管Q1被优化成降低动态损耗而晶体管Q2被优化成降低传导损耗。配置和操作Q1和Q2以使转换器的动态损耗主要由Q1支配而转换器的传导损耗主要由Q2支配。因此，消除了常规技术中存在的两种类型的损耗之间的权衡，允许独立地降低动态和传导损耗。此外，Q1和Q2的特殊结构和操作方式使得在低负载电流情况下工作时栅电容开关损耗降低。在一个实施例中，电路包括第一开关和耦合到第一开关的控制器块。第一开关包括并联在第一和第二端子之间的第一和第二晶体管。第二晶体管的尺寸大于第一晶体管。如果通过第一开关转移的第一电流大于预定量，则控制器块就开始工作以通过(i)接通第一晶体管以使第二端子处的电压电平开始移向第一端子处的预定电压电平，和(ii)在第一端子处的电压电平达到基本等于预定电压电平的电压电平后接通第二晶体管，来接通第一开关。在另一个实施例中，在第二晶体管接通后，通过第二晶体管转移第一电流的大部分。在另一个实施例中，如果第一电流小于预定量，则控制器块通过接通第一晶体管并将第二晶体管保持在断开状态来接通第一开关从而第一电流仅通过第一晶体管转移。在另一个实施例中，第一晶体管的栅电容小于第二晶体管，且第二晶体管的通态电阻小于第一晶体管。在另一个实施例中，如果第一电流大于预定量，则控制器块就工作来通过(i)起初断开第二晶体管以使仅通过第一晶体管转移第一电流，和(ii)随后断开第一晶体管从而没有电流通过第一开关转移来断开开关。在另一个实施例中，第一端子耦合到输入源而第二端子耦合到输出负载，电路还包括具有第三和第四晶体管并联在输出负载和参考源之间的第二开关。控制器块耦合到第二开关，从而当第一开关接通时第二开关断开，反之亦然。在另一个实施例中，第三晶体管的尺寸小于第四晶体管，且如果第一电流大于预定量，则控制块通过(i)起初接通第三晶体管以使输出负载处的电压电平向参考源处的参考电位下降，和(ii)接着在输出负载处的电压电平达到基本等于参考电位的电压电平之后接通第四晶体管来接通第二开关。在另一个实施例中，如果第一电流小于预定量，则控制器块仅通过接通第三晶体管和将第四晶体管保持在断开状态来接通第二开关。在另一个实施例中，第三晶体管具有小于第四晶体管的栅电容而第四晶体管具有小于第三晶体管的通态电阻。根据另一个实施例，转换器电路包括第一开关，该开关又包括并联在第一和第二端子之间的第一和第二晶体管。第一晶体管的尺寸小于第二晶体管。操作转换器电路的方法如下。在第一循环中断开第一开关，并在第二循环中接通。在从第一循环到第二循环的过渡期间，接通第一晶体管以使第二端子处的电压电平开始移向第一端子处的预定电压电平。如果要通过第一开关转移的第一电流大于预定量，则在第一端子处的电压电平达到基本等于预定电压电平的电压电平之后接通第二晶体管。在另一个实施例中，在接通第一晶体管时，第一晶体管将第一电流从第一端子转移到第二端子，而在接通第二晶体管时，第二晶体管在第二循环的持续时间内将第一电流的大部分从第一端子转移到第二端子。在另一个实施例中，在第三循环中断开第一开关，并在从第二循环到第三循环的过渡期间(i)断开第二晶体管从而仅通过第一晶体管将第一电流转移到第二端子，和(ii)在从断开第二晶体管起的预定时间延迟之后，断开第一晶体管从而没有电流通过第一开关转移。在另一个实施例中，如果第一电流小于预定量，则在第二循环的持续时间内第二晶体管保持断开。在另一个实施例中，第一晶体管的栅电容小于第二晶体管，而第二晶体管的通态电阻小于第一晶体管。在另一个实施例中，转换器电路还包括第二开关。在第一循环中，断开第一开关和接通第二开关，而在第二循环中，接通第一开关和断开第二开关。在另一个实施例中，第一端子耦合到输入源而第二端子耦合到输出负载。第二开关具有并联在输出负载和参考源之间的第三和第四晶体管。第三晶体管的尺寸小于第四晶体管。在从第一循环到第二循环的过渡期间，通过(i)接通第四晶体管；和(ii)在从断开第四晶体管起的预定时间延迟之后断开第三晶体管从而没有电流通过第二开关转移来断开第二开关。在另一个实施例中，第三晶体管的栅电容小于第四晶体管而第四晶体管的通态电阻小于第三晶体管。以下详细描述和附图提供了对本专利技术的性质和优点的较佳理解。附图概述附图说明图1a示出根据本专利技术实例性实施例的开关转换器的简化的实例；图1b示出用来描述图1a所示开关转换器的操作的时序图；图2a示出已知为同步Buck转换器的开关转换器，其中为了改善其效率而根据本专利技术对其进行了修改；图2b示出用来描述图2a所示的开关转换器工作的时序图；以及图3a、3b和3c示出许多不同类型的DC-DC转换器中的三种，并用来说明不同类型的转换器是如何根据本专利技术进行修改以改善其效率的。 具体实施例方式根据本专利技术，提供了一种方法和电路，用于实现通过降低传导损耗、动态损耗和栅电容开关损耗改善开关效率的开关转换器。该开关转换器包括两个端子之间并联的两个晶体管Q1和Q2。晶体管Q1被优化成降低动态损耗而晶体管Q2被优化成降低传导损耗。配置和操作Q1和Q2以使转换器的动态损耗由Q1主要支配而转换器的传导损耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电路，其特征在于，包括：第一开关，具有并联在第一和第二端子之间的第一和第二晶体管，所述第二晶体管的尺寸大于第一晶体管；以及控制器块，它耦合到第一开关，其中如果即将通过第一开关转移的第一电流大于预定量，则控制器块就工作以通 过：（ｉ）接通第一晶体管以使第二端子处的电压电平开始向第一端子处的预定电压电平移动，和（ｉｉ）在第一端子处的电压电平达到基本等于预定电压电平的电压电平处之后接通第二晶体管来接通第一开关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A埃尔班哈维，
申请(专利权)人：费查尔德半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]