大功率开关模式电压调整器电路及其配置方法技术

本发明专利技术揭示了一种用于大功率开关模式电压调整器电路及其配置方法，该电路包括金属氧化物半导体（ＭＯＳ）开关晶体管阵列，其漏极和漏极、源极和源极彼此电连接，并包括多个栅极驱动电路，每个栅极驱动电路仅电连接并驱动一个所述ＭＯＳ晶体管。它能实现低互联阻抗、高电流处理能力、小封装尺寸以及低廉的制造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及模拟集成电路领域，更具体地说，本专利技术涉及开关模式的电 压调整器。
技术介绍
低成本、小型化、高效率和高性能是决定当今消费性电子产品成败的关 键性因素。也即是，消费者更倾向于低成本、小型化、高性能和高效率的电 子产品。节能且高性能的产品需要利用诸如开关模式电压调整器之类的集成 电路去有效地传导大量的电能。低成本要求半导体集成电路采用简单且较少 的工艺步骤，这样每个单位的制造成本就会降低。小型化的要求促使集成电 路向着在一个半导体芯片内部使用最少量硅片区域的方向发展。这几年，提 高成本/尺寸/性能要求的努力已经证明，传统的电路构造及其制造方法可能 已经达到了它们在性能上的极限。在尝试实现成本/尺寸/性能要求时，维持 相同的电路构造和设计布局只会提高成本，并且不能达到令人满意的效果。参看图1A，示出连接负载(Rl) 160的传统开关模式电压调整器100电 路示意图。通常，传统开关模式电压调整器的电路100的构造和设计布局包 括栅极驱动模块101、开关电路模块110、自举驱动充电电路模块(bootstrap charging circuit block) 120。这些模块都作为分立组件而被分别布置在半导体 裸片内。开关电路模块110进一步包括上端(high-side)功率金属氧化物场 效应晶体管(MOSFET)开关102和下端(low-side)功率金属氧化物场效应 晶体管(MOSFET)开关103。传统开关模式电压调整器电路100的开关输 出SW随后连接于输出滤波器150和自举驱动充电模块120。更具体地说，栅极驱动电路模块101包括上端栅极驱动电路101hs和下 端栅极驱动电路101ls。上端栅极驱动电路101HS串联连接于开关电路模块 110的上端功率MOSFET开关102，下端栅极驱动电路101ts连接于开关电 路模块110的下端功率MOSFET开关103。上端栅极驱动电路101昭的输入端接收用以驱动上端功率MOSFET开关102的反相驱动信号，。相应地，在输入为逻辑低电平时，上端栅极驱动电路10lHs把自举驱动电源节点(VBST)101U连接到上端功率MOSFET开关102的栅极；而在输入为逻辑高电平时， 上端栅极驱动电路101hs把上端功率MOSFET开关102的栅极连接到其源极 和开关节点(SW) 101SW。下端栅极驱动电路10lLs的输入端接收用以驱动 下端功率MOSFET开关103的驱动信号PWM。相应地，在输入为逻辑低电 平时，下端栅极驱动电路101w把电源电压Vcx:连接到下端功率MOSFET开 关103的栅极；而在输入为逻辑高电平时，下端栅极驱动电路101ls把下端 功率MOSFET开关103的栅极连接到其源极和电气地110G。继续描述传统开关模式电压调整器电路100的电路构造。将上端功率 MOSFET开关102的漏极连接到未调整的输入电压VIN，而其源极在开关节 点(SW) 101SW处与下端功率MOSFET开关103的漏极连接。下端功率 MOSFET开关103的源极连接于电气地UOG。再参阅图lA中的传统电路构造，输出滤波器150包括与输出电容(CouT) 152连接的电感151。电感151的第一端连接在开关节点IOISW，第二端连 接于输出电容(COTT) 152以形成现有技术的开关模式电压调整器100的输 出端161。输出电容(C0UT) 152的另一端连接在电气地110G和下端功率 MOSFET开关103的源极端。最后，如图1A所示的传统电路构造，自举驱动充电电路模块120包括 二极管(D。 121、自举电容(C訓t) 122。 二极管(D,) 121的阳极端连接 到电源电压Vcc123，其阴极端在上拉节点(pull-up node) IOIU处与自举电 容(CB00T) 122的一端连接。电容(CB00T) 122另一端连接于开关节点(SW) IOISW。运行时，在上端栅极驱动电路IOIhs的瑜入端，上端MOSFET开关102 接收反相驱动信号^7。相应地，上端功率MOSFET开关102根据驱动信 号皿的电压电平而导通或者关断。与此同时，下端功率MOSFET开关因 为下端栅极驱动电路lOlLs接收相反的驱动信号PWM而处于关断状态。上 端功率MOSFET开关的导通和下端功率MOSFET开关的关断使得开关节点 (SW) IOISW连接到输入电压Vjn。相反地，下端功率MOSFET开关的导 通和上端功率MOSFET开关的关断使得开关节点(SW) IOISW连接到电气地110G。在开关模式调整器中，上端和下端功率MOSFET开关的导通和关 断周期明显高于由电感151和电容152组成的滤波器的滤波频率。因此，输 出端(V0UT) 161的电压是输入电压V!n和PWM信号的占空比的时间平均 (time average)。电感电流lL上升和下降的结果产生了负载(RL) 160上可 见的平均输出电压V0UT。因此，输出端161上的输出电压VouT与输入电压 V!n、以及与脉冲宽度调制信号PWM的占空比或频率成正比。自举驱动充电 电路120保证上端栅极驱动电路10lHs能接收电压，以导通/关断上端功率 MOSFET开关102。上述传统开关模式电压调整器100的电路构造只能用来传导一定容量的电流和功率。在这个局限性下，传统开关模式电压调整器ioo的性价比显著下降。这是源于上端功率MOSFET开关102和下端功率MOSFET开关103 的内在局限性，而且传统电路构造和设计布局会产生高互联阻抗和高开关损 失，尤其是在高频率开关时表现更为明显。高互联阻抗产生高开关损失，致 使传统开关模式电压调节器100不受欢迎。进一步地，包含分立组件的传统 开关模式电压调整器100的电路构造和设计布局，很难满足当今集成电路小 型化的趋势。参看图1B，是图1A所示传统开关模式电压调整器电路100中的上端栅 极驱动电路10lHs及其相应的上端MOSFET开关102，下端栅极驱动电路 lOlw及其相应的下端MOSFET开关103的典型电路图100B。诸如图1A中 的开关模式电压调整器电路100等类型的开关模式电压调整器电路，影响其 效率的一个关键参数是上端MOSFET开关102和下端MOSFET开关103的 导通和关断速度。通常，实际的MOSFET开关在栅极具有栅极阻容乘积特性， 可以模拟为RC电路电连接到理想的MOSFET开关。栅极耦合阻容乘积响应 脉冲宽度调制(PWM)的上升时间决定了 MOSFET开关的开关速度和效率。 上端功率MOSFET开关102包括栅极电阻(Rgate) 102R和栅极电容(CCATE) 102C，两者都电连接于漏极源极导通电阻为Rds(，的理想MOSFET开关 102W。在理想的上端MOSFET开关102W中，其漏极端电连接至电源焊盘 102SP，而其源极端则电连接于开关焊盘101SW。上端栅极驱动电路101HS 是一个反相器，它包括上拉PMOS晶体管IOIhsup和下拉(pull-down) NMOS 晶体管101hsdn。类似地，在理想的下端MOSFET开关103W中，其漏极端电连接于开关焊盘101SW，而其源极端电连接于接地焊盘101GP。下端栅极 驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率开关模式电压调整器电路，包括：　ＭＯＳ开关晶体管的阵列，所述ＭＯＳ开关晶体管通过它们的源极和漏极彼此相连接；以及　多个栅极驱动电路，每个栅极驱动电路仅电连接到一个所述ＭＯＳ开关晶体管中，从而形成栅极驱动电路和ＭＯＳ开关 晶体管对。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：保罗尤纳坦恩，
申请(专利权)人：成都芯源系统有限公司，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]