具有可调整驱动电流的高频电源开关电路制造技术

一种具有用于高频开关功率ＭＯＳＦＥＴ电路的高度可调整电流的ＭＯＳＦＥＴ预驱动电路，在保持功率级的功率损耗的同时降低驱动电流的峰值和预驱动器的功率损耗以便降低总的功率损耗并提高电路效率。提供有与预驱动电路的ＭＯＳＦＥＴ的源极串联地布置的电阻器以调整驱动电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及高频电源开关电路，更特别地涉及用于高频电源开关电路的高 度可调整驱动技术。
技术介绍
诸如功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等电源开关电路通常用于多种 开关应用。然而，当用于高频应用时，电源开关电路引入大量的衬底噪声和电源/接地反 弹。这导致电磁兼容性(EMC)不良。这还降低灵敏模拟块的性能并增加芯片内的电磁干扰 (EMI)。功率MOSFET的动态开关损耗也随着开关电路的工作频率的增加而增加。对于相 对较高的频率，即对于大于IMHZ的频率，在同一芯片中集成在一起的电源开关电路，功率 装置的开关速度均相对极快，即约为10ns。另外，高di/dt还引入并进一步有助于大的电源 /接地反弹。结果，高频电源开关设备的开关损耗进一步增加，并将感应噪声注入衬底中，这 可能对芯片上驻有的其它装置的性能产生负面影响。由于电路工作频率非常高，并且以上 高频电路的时滞(dead-time)非常短( IOns)，所以传统的方法不能满足此类短时滞要 求。因此，传统方法不适合在此类应用中用来优化功率损耗、电路效率、EMC与衬底噪声之 间的权衡。因此，需要一种解决上述问题的用于高频电源开关电路的高度可调整驱动技术。 特别地，需要在改善高频电源开关电路的效率的同时降低衬底噪声并改善EMC。附图说明为了可以通过非限制性示例来全面并更透彻地理解本专利技术的实施例，连同附图采 用以下说明，在附图中相同的附图标记指示类似或相应的元件、区域和部分，并且在附图 中图1是示出了依照本专利技术实施例的用于高频电源开关电路的可调整驱动技术的 示意性电路图；图2是图1的电路的模拟衬底噪声和效率的图表；图3是绘出了图1的电路的模拟驱动电流、电源电压和PMl处的栅极电压的图表；图4是比较电路的示意性电路图，其示出了用依照本专利技术实施例的图1的电路实 现的优点；图5是图1的电路的模拟衬底噪声和效率对比图4的比较电路的图表；图6是绘出了图4的比较电路的模拟驱动电流、电源电压和PMl处的栅极电压的 图表；以及图7是图1的电路的测量的衬底噪声和效率的图表。具体实施例方式本专利技术的一方面是一种用于驱动电源开关电路的预驱动电路，所述电源开关电路 具有电源开关电路的功率级的功率装置。该预驱动电路包括具有源极和漏极以便用驱动电 流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置的MOSFET ；以及与MOSFET的源极串联以调整 驱动电流的电阻器。 在本专利技术的实施例中，将电阻器的电阻选择为在存在驱动电流的情况下电阻器上 具有电压以降低MOSFET的有效栅极-源极电压(Vgs)和漏极-源极电压(Vds)从而调整 驱动电流。预驱动电路可以包括四个MOSFET和与MOSFET的源极串联的电阻器以调整驱动 电流，并且所述四个MOSFET可以包括两个NMOS和两个PMOS。预驱动电路可以是buck变换 器的一部分。本专利技术的一方面是一种电源开关电路，其包括用于驱动电源开关电路的预驱动电 路和具有功率装置的功率级。预驱动电路包括具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动电源开 关装置的功率级的功率装置的MOSFET ；以及与MOSFET的源极串联以调整驱动电流的电阻器。本专利技术的一方面是一种用于以预驱动电路来驱动电源开关电路的方法。所述电源 开关电路具有电源开关电路的功率级的功率装置，并且所述预驱动电路用驱动电流来驱动 电源开关装置的功率级的功率装置。该方法包括在预驱动电路中提供具有源极和漏极以便 用驱动电流来驱动电源开关装置的功率级的功率装置的MOSFET ；以及通过选择电阻器来 调整MOSFET的驱动电流，所述电阻器与MOSFET的源极串联地布置以调整驱动电流。通过选择电阻器而提供了一种具有用于高频开关功率MOSFET电路的高度可调整 驱动电流的预驱动电路和技术，所述电阻器与预驱动电路的MOSFET的源极串联地布置以 调整驱动电流。所述预驱动电路被设计为在保持功率级的功率损耗的同时使驱动电流的峰 值最小化，并使预驱动器的功率损耗最小化。本专利技术的实施例降低总的功率消耗并提高电 路效率。鉴于传统的电路设计，本专利技术的实施例具有在改善电路效率的同时降低衬底噪声， 并改善EMC的电路结构。图1示出了依照本专利技术实施例的提供用于高频电源开关电路的高度可调整驱动 技术的高频开关电路10的示意图。参照图1，电路10包括预驱动器12、控制块14、外部元 件16、以及功率级18。预驱动器12包括多个晶体管和相应的多个电阻器。更特别地，在所示的实施例 中，存在四个MOSFET PM2、W2、PM3*NM4以及四个电阻器Rl R4。如图所示，晶体管被组 成对，为PM2和匪2，及PM3和匪3 ；意指成对晶体管的栅极端子和漏极端子被连接在一起。 每个晶体管PM2、匪2、PM3和NM4分别具有与其源极端子串联的电阻器Rl R3中的一个。 晶体管对PM2和匪2及PM3和NM4中的每一个还在其各自的栅极端子处接收来自控制块的 控制信号。功率级18包括串联地连接在高电压源(VDD)与地线之间的两个MOSEFT PMl和 PM2。第一电感器连接在PMl的源极与VDD之间，第二电感器连接到匪1的源极与地线之间。 功率晶体管PMl和匪1的栅极连接到预驱动电路12的晶体管对的漏极。亦即，PM2和匪2 的漏极连接到PMl的栅极，而PM3和匪3的漏极连接到匪1的栅极。电阻器Rl R4的结构允许轻易地调整预驱动器12的驱动电流。亦即，电阻器 Rl R4允许调整PM2、PM3、NM2、和NM3的驱动能力。电阻器Rl、R2、R3和R4的值取决于实际设计和特定的应用，并可以相同或相互不 同。当驱动电流大时，电阻器两端的电压大。PM2、PM3、匪2、和匪3的有效栅极-源极电压 (Vgs)和漏极-源极电压(Vds)可以减小，使得驱动电流减小。当驱动电流小时，预驱动器 12的有效Vgs和Vds基本保持恒定并且不改变。类似地，驱动电流也保持恒定并几乎不变。 在接通和关闭期间，驱动电流的减小的程度对于较高的驱动电流来说较大，但是对于较小 的驱动电流来说可以根据需要而减小。电路10可以在完全开启/关闭被驱动的功率装置(PM1、匪1)之前降低驱动电流 的峰值但仍保持足够的驱动能力。电路10还在基本不影响电路效率的情况下具有降低的 电源/接地反弹的过冲(overshoot)和衬底噪声。图2是依照本专利技术实施例的图1的电路10的模拟衬底噪声和效率的图表50。图3 示出了绘出依照本专利技术实施例的图1的电路10的模拟驱动电流60、电源电压66和PMl 72 处的栅极电压的图表。在图2的图表50中，衬底噪声由线52示出，电路效率由线54示出。 由于硅区域在实验期间受到限制，这将功率装置的实际尺寸限制为平常的约75%小，在图 2中将效率示为小于80%。在完整尺寸的功率装置上，效率更高并接近于90%。在图3所 示的图表中，结果示出了对于不同电阻器值的不同电路特性，其中电阻器为原始状态(对 于无Rl R4的原始设计，R = O. OOhm)以及电阻器为R = 4. 20hm。电阻器Rl R4的值 取决于真实设计并可以相互不同。具体地说，电阻器为原始状态(R = 0. OOhm)时的图1的 电路10的特性由分别用于驱动电流60、电源电压66、和PM172的栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动电源开关电路的预驱动电路，所述电源开关电路具有电源开关电路的功率级的功率装置，该预驱动电路包括：ＭＯＳＦＥＴ，其具有源极和漏极以便用驱动电流来驱动所述电源开关装置的功率级的功率装置；以及电阻器，其与ＭＯＳＦＥＴ的源极串联以调整驱动电流。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨健，毛威，王传政，赵宏伟，郑健华，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]