动态分压比电荷泵开关制造技术

本发明专利技术公开了动态分压比电荷泵开关。用于减轻或消除DC

【技术实现步骤摘要】
动态分压比电荷泵开关


[0001]本专利技术涉及电子电路，并且更特别地涉及电力转换器电路，包括DC
‑
DC转换器电路。

技术介绍

[0002]许多电子产品，特别是移动计算和/或通信产品和部件(例如，笔记本电脑、超级本电脑、平板设备、LCD和LED显示器)需要多个电压水平。例如，无线电频率(RF)发射器功率放大器可能需要相对高的电压(例如，12V或更高)，而逻辑电路系统可能需要低的电压水平(例如，1V至2V)。还有其他电路系统可能需要中间电压水平(例如，5V至10V)
[0003]电力转换器通常用于从诸如电池的公共电源生成较低或较高的电压。一种类型的电力转换器包括转换器电路(例如，基于开关电容器网络的电荷泵)、控制电路系统、以及在一些实施方式中的辅助电路系统(例如，偏置电压发生器、时钟发生器、电压调节器、电压控制电路等)。如在本公开内容中使用的，术语“电荷泵”是指被配置成将V
IN
升压或降压至V
OUT
的开关电容器网络。这样的电荷泵的示例包括级联乘法器开关电容器网络、迪克森(Dickson)开关电容器网络、阶梯(Ladder)开关电容器网络、串并联开关电容器网络、斐波那契(Fibonacci)开关电容器网络和倍压器(Doubler)开关电容器网络，所有的这些电荷泵可以被配置为多相网络或单相网络。开关电容器网络DC
‑
DC转换器通常是可以具有一些外部部件(例如电容器)的集成电路(IC)，并且在大多数情况下特征在于具有固定的V
INr/>与V
OUT
转换比率(例如，2分压或3分压)。如本领域中已知的，可以通过例如如下根据DC
‑
DC电力转换器来构建AC
‑
DC电力转换器：首先，将AC输入整流成DC电压；并且然后，将DC电压施加到DC
‑
DC电力转换器。
[0004]为了给系统设计人员提供更大的灵活性，并且为了处理其中电源可能需要不同转换比率(例如，当电池放电并输出较低电压时，或者当设备的电源在电池与AC
‑
DC电力线源之间切换时)而变化的应用，利用具有可选择的转换比率的DC
‑
DC电力转换器是有用的。例如，2019年4月16日公布的题为“Selectable Conversion Ratio DC
‑
DC Converter”的转让给本专利技术的受让人并且通过此引用并入本文的美国专利第10,263,514B1号，描述了可以在2分压的操作模式与3分压的操作模式之间切换的迪克森(Dickson)DC
‑
DC电力转换器。作为另一示例，2015年12月1日公布的题为“Controller
‑
Driven Reconfiguration of Switched
‑
Capacitor Power Converter”的、现在转让给本专利技术的受让人并且通过此引用并入本文的美国专利第9,203,299B2号，描述了具有可重新配置的转换比率的其他DC
‑
DC电力转换器架构。
[0005]图1是DC
‑
DC可选择转换比率电力转换器100的一个实施方式的框图。操作如美国专利第10,263,514B1号专利中描述的(例如，参见图5和特别是所附文本)。非交叠互补时钟信号P1、P2断开或闭合相关联的电力开关，使电荷从泵电容器C1a、C1b、C2a、C2b(也称为“飞电容器(fly capacitor)”)转移到C
X
电容器中，从而得到节点V
IN
/X处的电压，其中X＝2或3。
[0006]图1中示出的电力开关通常被实现为IC内的场效应晶体管(FET)，特别是MOSFET。
一般而言，DC
‑
DC电力转换器内的被施加V
IN
的FET是相对高电压的FET(例如，10V至15V的器件)，而其余的FET优选地是较小、较低电压的FET(例如，3V至5V的器件)。为了效率起见，FET优选地具有非常低的导通电阻(ON resistance)R
ON
(例如，大约1毫欧姆至10毫欧姆)以减少电阻性损耗和得到的热，尽管开关导通电阻可以根据所需的效率和电压而显著变化。注意，如果FET开关做的太大而无法降低R
ON
，则开关损耗可能会开始降低效率。
[0007]虽然时钟信号P1、P2控制相关联的基于FET的电力开关的断开或导通，但是该控制不是直接的。相反，P1和P2时钟信号的逻辑电平电压(例如，0V＝“0”，5V＝“1”)被电平移位成适于切换FET的状态的电压范围(例如，V
GS
≤0V为关断FET，V
GS
>V
TH
为导通FET，其中V
TH
是FET的阈值电压)。注意，V
GS
超过V
TH
越多，FET的导通电阻越低，并且因此电力转换器100中的FET通常被过驱动成接近或处于FET所允许的最大程度，以便提供最低的导通电阻。然后，电平移位电压通过驱动电路被耦合至FET的栅极。例如，图2是耦接至电荷泵功率FET M
CP
的现有技术栅极控制电路200的框图。时钟信号P1或P2被施加到电平移位器电路202，电平移位器电路202将施加的信号转换或移位成适于切换功率FET M
CP
的状态的电压范围。电平移位器电路202的输出被施加到缓冲电路204的输入，这在保持电压水平的同时增加了低阻抗输入的可用电流。缓冲电路204的输出耦接至电荷泵功率FET M
CP
的栅极(注意，来自缓冲电路204的驱动电压可以通过未示出的其他部件，例如栅极电阻器或电阻器网络提供)。
[0008]在示出的示例中，时钟信号P1或P2是V
DD
(例如，5V)至电路接地(0V)范围内的电压。低电压电力供应206向电平移位器202的端子V
DD1
提供V
DD
，而电路接地耦接至端子Gnd1。高电压电力供应208向电平移位器202的端子V
DD2
提供电压，该电压等于功率FET M
CP
的过驱动导通状态V
GS
(例如，高于功率FET M
CP
的源极处的电压的5V)。第二接地端子Gnd2耦接至功率FET M
CP
的源极。高电压电力供应208还在端子V
DD3
处耦接至缓冲电路204，并且缓冲电路204的接地端子Gnd3耦接至功率FET M
CP
的源极。
[0009]许多基于FET的DC
‑
DC电力转换器架构的普遍问题是，在电力转换器的启动期间需要避免过量的电流涌入。例如，在缺乏足够的保护电路系统的情况下，当V
IN
第一次施加于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种栅极控制电路，用于调节功率FET的导通电阻R
ON
，所述栅极控制电路耦接至所述功率FET的栅极并且被配置成选择性地将至少第一电压或第二电压施加到所述功率FET的栅极，使得当施加所述第一电压时处于导通状态的所述功率FET的R
ON
较低，以及当施加所述第二电压时处于导通状态的所述功率FET的R
ON
较高。2.根据权利要求1所述的栅极控制电路，其中，施加所述第二电压以限制过量电流流经所述功率FET。3.一种栅极控制电路，用于控制电力转换器中的功率FET的导通电阻R
ON
，所述栅极控制电路耦接至所述功率FET的栅极并且被配置成在正常的电力转换器操作期间降低处于第一导通状态的所述功率FET的R
ON
，以及提升处于第二导通状态的所述功率FET的R
ON
。4.根据权利要求3所述的栅极控制电路，其中，所述栅极控制电路被配置成：如果潜在破坏性事件发生或将要发生，则提升处于第二导通状态的所述功率FET的R
ON
。5.根据权利要求4所述的栅极控制电路，其中，所述潜在破坏性事件由所述电力转换器的转换比率的动态重新配置引起。6.根据权利要求4所述的栅极控制电路，其中，所述潜在破坏性事件由所述电力转换器的启动引起。7.根据权利要求4所述的栅极控制电路，其中，所述潜在破坏性事件由所述电力转换器内的两个或更多个电容器之间的电荷重新平衡引起。8.一种栅极驱动电路，用于调节电力转换器电路中的功率FET的导通电阻R
ON
，所述栅极驱动电路包括：(a)电流源，所述电流源耦接在第一电压源与节点之间；(b)电压调节器，所述电压调节器耦接至所述节点并且被配置成提供所述节点处的电压；(c)电压控制电路，所述电压控制电路耦接至所述节点，并且包括与所述节点断开的第一可选择配置，以及耦接至所述节点的第二可选择配置，其中，所述电压控制电路处于所述第一可选择配置时所述节点处的电压高于所述电压控制电路处于所述第二可选择配置时所述节点处的电压；以及(d)驱动电路系统，所述驱动电路系统耦接在所述节点与所述功率FET的栅极之间，用于向所述功率FET的栅极施加至少两个可选择电压，使得所述电压控制电路处于所述第一可选择配置时所述功率FET的R
ON
低于所述电压控制电路处于所述第二可选择配置时所述功率FET的R
ON
。9.根据权利要求8所述的栅极驱动电路，其中，所述电压控制电路包括：(a)开关；(b)第一二极管连接的FET；以及(c)至少一个附加的二极管连接的FET，其中N≥1；其中，所述开关、所述第一二极管连接的FET以及所述至少一个附加的二极管连接的FET串联地耦接在所述栅极驱动电路的所述节点与参考电压之间。10.根据权利要求8或9所述的栅极驱动电路，其中，所述电压调节器是齐纳二极管。11.根据权利要求8至10中任一项所述的栅极驱动电路，其中，所述驱动电路系统包括耦接至所述功率FET的栅极的多个串联耦接的反相器。
12.一种用于电力转换器电路中的功率FET的栅极控制电路，包括：(a)电平移位器，所述电平移位器包括输入和输出，所述输入被配置成接收控制信号，以及所述输出提供控制所述功率FET的所述控制信号的电压移位版本；(b)栅极驱动电路，包括：(1)电流源，所述电流源耦接在第一电压源与节点之间；(2)电压调节器，所述电压调节器耦接至所述节点并且被配置成提供所述节点处的电压；以及(3)电压控制电路，所述电压控制电路耦接至所述节点，并且包括与所述节点断开的第一可选择配置，以及耦接至所述节点的第二可选择配置，所述第二可选择配置降低所述节点处的电压；以及(c)缓冲电路，所述缓冲电路耦接至所述电平移位器的输出并且被配置成耦接至所述功率FET的栅极，其中，所述缓冲电路向所述功率FET的栅极提供驱动电压，当所述电压控制电路处于所述第一可选择配置时所述驱动电压具有第一电压，以及当所述电压控制电路处于所述第二可选择配置时所述驱动电压具有更低的第二电压。13.根据权利要求12所述的栅极控制电路，其中，所述电压控制电路包括：(a)开关；(b)第一二极管连接的FET；以及(c)至少一个附加的二极管连接的FET，其中N≥1；其中，所述开关、所述第一二极管连接的FET以及所述至少一个附加的二极管连接的FET串联地耦接在所述栅极驱动电路的节点与参考电压之间。14.根据权利要求12或13所述的栅极控制电路，其中，所述电压调节器是齐纳二极管。15.根据权利要求12至14中任一项所述的栅极控制电路，其中，所述缓冲电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼，
申请(专利权)人：派赛公司，
类型：发明
国别省市：