CN106487220A - 切换式转换器以及升压装置 - Google Patents

Abstract

一种切换式转换器，包括：上桥驱动器、上桥晶体管、下桥驱动器、下桥晶体管、电容以及主动式二极管。上桥驱动器接收自举节点的自举电压以及浮动参考节点的浮动参考电压，并产生上桥输出信号。上桥晶体管根据上桥输出信号，将输入电压提供至浮动参考节点。下桥驱动器产生下桥输出信号。下桥晶体管根据下桥输出信号，将浮动参考节点耦接至接地端。电容耦接于自举节点以及浮动参考节点之间。主动式二极管将供应电压提供至自举节点。当自举电压高于供应电压时，单相开关元件根据控制电压，将供应电压与自举节点隔离。

Description

切换式转换器以及升压装置

技术领域

本发明是有关于一种具有自举电压的切换式转换器以及升压装置，特别是有关于一种利用改良式晶体管作为自举二极管的切换式转换器以及升压装置。

背景技术

在切换式转换器的应用中，往往需要单向开关元件以及电容的辅助，使得上桥晶体管能够完全导通。图1是显示一切换式转换器的上桥驱动电路的方块图。如图1所示，上桥驱动电路100包括上桥驱动器101、上桥晶体管102、单向开关元件104以及电容103。由于输入电压VIN大于供应电压VS，且上桥晶体管102为N型晶体管，为了维持上桥晶体管102持续导通，需要利用单向开关元件104以及电容103将自举电压VB提升至输入电压VIN以及供应电压VS之和。

此外，单向开关元件104除了需要自供应电压VS提供电容103足够的顺向电流，单向开关元件104还用以阻隔升压后的自举电压VB至供应电压VS的反向电流。因此，我们需要一个有效率且能够整合至集成电路中的单向开关元件104，用以提升电路效率以及降低制造成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种切换式转换器，包括：一上桥驱动器、一上桥晶体管、一下桥驱动器、一下桥晶体管、一电容以及一主动式二极管。上述上桥驱动器接收一自举节点的一自举电压以及一浮动参考节点的一浮动参考电压，并产生一上桥输出信号。上述上桥晶体管根据上述上桥输出信号，将一输入电压提供至上述浮动参考节点。上述下桥驱动器产生一下桥输出信号。上述下桥晶体管根据上述下桥输出信号，将上述浮动参考节点耦接至一接地端。上述电容耦接于上述自举节点以及上述浮动参考节点之间。上述主动式二极管将一供应电压提供至上述自举节点，其中当上述自举电压高于上述供应电压时，上述单相开关元件根据一控制电压，将上述供应电压与上述自举节点隔离。

根据本发明的一实施例，更包括一控制逻辑。上述控制逻辑接收上述供应电压，并根据一输入信号产生一上桥驱动信号至上述上桥驱动器以及一下桥驱动信号至上述下桥驱动器。

根据本发明的一实施例，上述上桥驱动器更包括：一第一P型晶体管以及一第一N型晶体管。上述第一P型晶体管的源极端耦接至上述自举节点，漏极端产生上述上桥输出信号，栅极端接收上述上桥驱动信号。上述第一N型晶体管的源极端耦接至上述浮动参考节点，漏极端产生上述上桥输出信号，栅极端接收上述上桥驱动信号。

根据本发明的一实施例，上述下桥驱动器更包括：一第二P型晶体管以及一第二N型晶体管。上述第二P型晶体管的源极端接收上述供应电压，漏极端产生上述下桥输出信号，栅极端接收上述下桥驱动信号。上述第二N型晶体管的源极端耦接至上述接地端，漏极端产生上述下桥输出信号，栅极端接收上述下桥驱动信号。

根据本发明的一实施例，其中上述主动式二极管为一常开晶体管，当上述浮动参考节点耦接至上述接地端时，上述常开晶体管根据上述控制电压，决定上述供应电压对上述电容的一顺向电流，使得上述电容储存的一电压差，其中当上述输入电压提供至上述浮动参考节点时，上述自举电压为上述输入电压以及上述电压差之和，上述常开晶体管更根据上述控制电压，将上述供应电压以及上述第一节点隔离。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一N型耗尽型晶体管。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一P型耗尽型晶体管。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一N型结场效应晶体管。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一P型结场效应晶体管。

本发明更提出一种升压装置，包括：一电容以及一主动式二极管。上述电容包括一第一节点以及一第二节点，其中上述第二节点交替地接收一第一电压以及一第二电压。上述主动式二极管将一供应电压提供至上述第一节点，并根据一控制电压将上述第一节点与上述供应电压隔离，其中上述供应电压小于上述第二电压，且上述供应电压大于上述第一电压。

根据本发明的一实施例，其中上述主动式二极管为一常开晶体管，当上述第二节点接收上述第一电压时，上述常开晶体管将上述供应电压提供至上述第一节点，用以对上述电容充电。当上述第二节点接收上述第二电压时，上述常开晶体管根据上述控制电压将上述供应电压以及上述第一节点隔离。

根据本发明的一实施例，当上述第二节点接收上述第一电压时，上述常开晶体管根据上述控制电压，决定上述供应电压对上述电容的一顺向电流，使得上述电容储存的一电压差，其中当上述第二节点耦接至上述第二电压时，上述第一节点的电压为上述第二电压以及上述电压差之和，上述常开晶体管更根据上述控制电压，将上述供应电压以及上述第一节点隔离，避免上述电容对上述供应电压放电，其中上述电压差为上述供应电压减去上述第一电压。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一N型耗尽型晶体管。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一P型耗尽型晶体管。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一N型结场效应晶体管。

根据本发明的一实施例，上述主动式二极管为一P型结场效应晶体管。

通过上述本发明的切换式转换器，可提升电路效率以及降低制造成本。

附图说明

图1是显示一切换式转换器的上桥驱动电路的方块图；

图2是显示根据本发明的一实施例所述的切换式电路的方块图；

图3是显示根据本发明的一实施例所述的升压装置的电路图；

图4是显示根据本发明的另一实施例所述的升压装置的电路图；

图5是显示根据本发明的另一实施例所述的升压装置的电路图；

图6是显示依据本发明的一实施例所述的常开晶体管的剖面图；

图7是显示根据本发明的一实施例所述的图2的上桥驱动器的电路图；以及

图8是显示根据本发明的一实施例所述的图2的下桥驱动器的电路图。

附图标号

100 上桥驱动电路

101、202、700 上桥驱动器

102、203 上桥晶体管

103、211、301、401、501 电容

104、212 单向开关元件

200 切换式电路

201 控制逻辑

204、800 下桥驱动器

205 下桥晶体管

210、300、400、500 升压装置

302 肖特基二极管；

402 基体绝缘二极管；

502 主动式二极管；

60 常开晶体管；

600 半导体基板；

602 外延层；

604 N型的阱；

606 P型的主体区；

608 P型的接触区；

610 N型的接触区；

612 N型的接触区；

614 场绝缘层；

616 栅极结构；

618 栅绝缘层；

620 导电源极电极；

622 导电栅极电极；

624 导电漏极电极；

626 层间介电层；

630 N+掺杂区；

632 P+掺杂区；

701 第一P型晶体管；

702 第一N型晶体管；

801 第二P型晶体管；

802 第二N型晶体管；

SHD 上桥驱动信号；

SHO 上桥输出电压；

SLD 下桥驱动信号；

SLO 下桥输出信号；

NB 自举节点；

NF 浮动参考节点；

VB 自举电压；

VC 控制电压；

VF 浮动参考电压；

VIN 输入电压；

VS 供应电压；

N1 阳极端；

N2 阴极端。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特例举一较佳实施例，并配合所附图式，来作详细说明如下：

以下将介绍是根据本发明所述的较佳实施例。必须要说明的是，本发明提供了许多可应用的发明概念，在此所揭露的特定实施例，仅是用于说明达成与运用本发明的特定方式，而不可用以局限本发明的范围。

图2是显示根据本发明的一实施例所述的切换式电路的方块图。如图2所示，切换式电路200包括控制逻辑201、上桥驱动器202、上桥晶体管203、下桥驱动器204、下桥晶体管205以及升压装置210，其中输入电压VIN是大于供应电压VS。

根据本发明的一实施例，切换式电路200为一半桥驱动电路(halfbridge driver)；根据本发明的另一实施例，切换式电路200为切换式降压转换器；根据本发明的其他实施例，切换式电路200为其他切换式电路，其中输入电压VIN是大于供应电压VS。

如图2所示，控制逻辑201接收供应电压VS的供应，并根据输入信号SIN产生上桥驱动信号SHD至上桥驱动器202，并且产生下桥驱动信号SLD至下桥驱动器204。上桥驱动器202接收自举节点NB的自举电压VB以及浮动参考节点NF的浮动参考电压VF的供应，并根据上桥驱动信号SHD而产生上桥输出信号SHO，用以控制上桥晶体管203的动作。根据本发明的一实施例，上桥输出信号SHO的电压位准是位于上述自举电压VB以及上述浮动参考电压VF之间。

下桥驱动器204接收供应电压VS的供应，并根据下桥驱动信号SLD而产生下桥输出信号SLO，用以控制下桥晶体管205，用以控制下桥晶体管205的动作。根据本发明的一实施例，当下桥驱动器204利用下桥输出信号SLO而控制下桥晶体管205导通时，上桥驱动器202利用上桥输出信号SHO控制上桥晶体管203不导通，浮动参考节点NF是经由下桥晶体管205而耦接至接地端，使得浮动参考电压VF为0V。上桥驱动器202以及下桥驱动器204，将于下文中加以详细说明。

根据本发明的另一实施例，当下桥驱动器204控制下桥晶体管205不导通时，上桥驱动器202控制上桥晶体管203导通而将输入电压VIN提供至浮动参考节点NF，使得浮动参考电压VF是等于输入电压VIN。由于上桥晶体管203以及下桥晶体管205为相同的元件，为了维持上桥晶体管203与下桥晶体管205皆具有相同的栅极-源极跨压，因此利用升压装置210将自举电压VB升压至供应电压VS以及输入电压VIN之和。

如图2所示，升压装置210包括电容211以及单向开关元件212。电容211耦接于自举节点NB以及浮动参考节点NF之间。单向开关元件212耦接于供应电压VS以及自举节点NB之间，根据本发明的一实施例，当自举电压VB小于供应电压VS时，单向开关元件212将供应电压VS提供至自举节点NB。

根据本发明的另一实施例，当自举电压VB高于供应电压VS时，单相开关元件212将供应电压VS与自举节点NB隔离，以避免过高的自举电压VB回灌至供应电压VS，而将其他的电路损毁。升压装置210将于下文中，详细说明。

图3是显示根据本发明的一实施例所述的升压装置的电路图。如图3所示，升压装置300包括电容301以及肖特基二极管302，其中肖特基二极管302包括阳极端N1以及阴极端N2。阳极端N1接收供应电压VS，阴极端N2耦接至自举节点NB。与图2相比，单向开关元件212替换为肖特基二极管302。

根据本发明的一实施例，当浮动参考节点NF耦接至接地端时，供应电压VS大于自举电压VB，肖特基二极管302导通，使得供应电压VS对电容301充电，电容301储存的电压差为供应电压VS。当输入电压VIN经由图2的上桥晶体管203提供至浮动参考节点NF时，浮动参考节点VF是等于输入电压VIN。由于电容301储存的电压差为供应电压VS，使得自举电压VB为供应电压VS以及输入电压VIN之和。

为了增加肖特基二极管302对电容301的顺向电流，肖特基二极管302的金属以及掺杂层的接触面积需要增加，然而增加了金属以及掺杂层的接触面积后，肖特基二极管302的反向电流随之增加，使得当自举电压VB大于供应电压VS时，肖特基二极管302无法有效隔离自举电压VB以及供应电压VS。因此，尽管肖特基二极管302能够作为单向开关元件212的应用，但是由于肖特基二极管302本身物理特性的限制，而使得肖特基二极管302的效能有所限制。

图4是显示根据本发明的另一实施例所述的升压装置的电路图。如图4所示，升压装置400包括电容401以及基体绝缘二极管402，其中基体绝缘二极管402包括阳极端N1以及阴极端N2，其中阳极端N1接收供应电压VS，阴极端N2耦接至自举节点NB。与图2相比，单向开关元件212替换为基体绝缘二极管402。

尽管基体绝缘二极管402能够提供较肖特基二极管302更好的隔离效果，但是由于基体绝缘二极管402是位于P型基体之上，在基体绝缘二极管402顺向导通的时候，供应电压VS提供至电容401的顺向电流中，有部份的电流会经由P型基体流失而造成功率损耗。

图5是显示根据本发明的另一实施例所述的升压装置的电路图。如图5所示，升压装置500包括电容501以及主动式二极管502，其中主动式二极管502耦接于供应电压VS以及自举节点NB之间，并接收控制电压VC的控制。与图2相比，单向开关元件212替换为主动式二极管502。

根据本发明的一实施例，主动式二极管502为N型或P型耗尽型晶体管。根据本发明的另一实施例，主动式二极管502为P型或N型结场效应晶体管。根据本发明的其他实施例，主动式二极管502为目前已经发明以及尚未发明的常开(normally-ON)晶体管。

图6是显示依据本发明的一实施例所述的常开晶体管的剖面图。常开晶体管60为一N型装置，且包括P型的一半导体基板600与设置于此半导体基板600上的一外延层(epitaxial layer)602。根据本发明的另一实施例，常开晶体管60为一P型装置，在此N型装置仅用以说明之用。于外延层602上设置有一栅极结构616与一场绝缘层614。栅绝缘层618是设置于栅极结构616与场绝缘层614之间。栅绝缘层618的一部延伸并覆盖了场绝缘层614的一部。

再者，于栅极结构616的两侧的外延层602内分别设置有P型的主体区606与N型的阱604。N型的阱604是设置于半导体基板600与外延层602两者之内。P型的接触区608与邻近的N型的接触区610共同形成了位于主体区606内的一源极区。N型的接触区612形成了位于阱604内的一漏极区。再者，于阱604内设置有一P+掺杂区632且其朝向主体区606延伸至阱604之外。常开晶体管60更包括堆叠于P+掺杂区632上的一N+掺杂区630。N+掺杂区630亦设置于阱604内且朝向主体区606延伸至阱604之外。于部分实施例中，此些N+掺杂区630与P+掺杂区632可经过延伸而交叠于主体区606的一部，但未接触源极区608/610。于部分实施例中，N+掺杂区630以及P+掺杂区632可延伸至阱604之外但并未交叠于主体区606。

再者，常开晶体管60更包括电连结于P型接触区608与N型接触区610的一导电源极电极620。一导电漏极电极624是电连结于N型接触区612。一导电栅极电极622是电连结于栅极结构616。通过层间介电层626的设置以覆盖导电源极电极620、导电栅极电极622以及导电漏极电极624。

根据本发明的一实施例，图5的主动式二极管502为图6的常开晶体管60，其中图6的导电源极电极620是接收图5的供应电压VS，而导电漏极电极624是耦接自举节点NB，并且导电栅极电极622用以接收控制电压VC。当供应电压VS大于自举电压VB时，供应电压VS可自然地对电容501充电，并且常开晶体管60的导通电阻可因控制电压VC增加而降低，而使得导通电阻可忽略不计。当自举电压VB大于供应电压VS时，常开晶体管60可根据控制电压VC而不导通，进而避免自举电压VB对供应电压VS充电。

根据本发明的一实施例，由于主动式二极管502是一常开晶体管，因此不需要偏压则可导通。此外，更可通过调整控制电压VC而控制主动式二极管502的顺向电流。当自举电压VB大于供应电压VS时，主动式二极管502亦可根据控制电压VC而不导通，藉以隔离供应电压VS以及自举节点NB。

以下将以主动式二极管502为一N型耗尽型晶体管为例，用以详细说明本发明。当供应电压VS大于自举电压VB时，由于N型耗尽型晶体管常开的物理特性，当控制电压VC为0V时，N型耗尽型晶体管将供应电压VS提供至自举节点NB。随着控制电压VC增加，供应电压VS经由N型耗尽型晶体管流至自举节点NB的电流亦随之增加。

当自举电压VB大于供应电压VS时，将控制电压VC增加使得控制电压VC减去供应电压VS后小于N型耗尽型晶体管的临限电压，即可不导通N型耗尽型晶体管，进而隔离供应电压VS以及自举节点NB。

根据本发明的一实施例，当供应电压VS大于自举电压VB时，控制电压VC为0V以导通N型耗尽型晶体管。根据本发明的另一实施例，当供应电压VS小于自举电压VB时，控制电压VC为供应电压VS，使得N型耗尽型晶体管不导通，而隔离供应电压以及自举节点NB。

根据本发明的一实施例，由于单向开关元件为耗尽型晶体管以及结型场效应晶体管的一者，因此能够整合至集成电路中，而达到降低生产成本的目的。并且，由于耗尽型晶体管以及结型场效应晶体管的物理特性，使得设计者能够利用控制电压VC而有效的控制单向开关元件的反向漏电流，也能够于顺向导通时利用控制电压VC来控制单向开关元件的电流驱动能力。

图7是显示根据本发明的一实施例所述的图2的上桥驱动器的电路图。如图7所示，上桥驱动器700包括第一P型晶体管701以及第一N型晶体管702。第一P型晶体管701的源极端耦接至自举节点NB，漏极端输出上桥输出信号SHO，栅极端接收上桥驱动信号SHD。第一N型晶体管702的源极端耦接至浮动参考节点NF，漏极端输出上桥输出信号SHO，栅极端接收上桥驱动信号SHD。

图8是显示根据本发明的一实施例所述的图2的下桥驱动器的电路图。如图8所示，下桥驱动器800包括第二P型晶体管801以及第二N型晶体管802。第二P型晶体管801的源极端接收供应电压VS，漏极端输出下桥输出信号SLO，栅极端接收下桥驱动信号SLD。第二N型晶体管802的源极端耦接至接地端，漏极端输出下桥输出信号SLO，栅极端接收下桥驱动信号SLD。

以上叙述许多实施例的特征，使所属技术领域中具有通常知识者能够清楚理解本说明书的形态。所属技术领域中具有通常知识者能够理解其可利用本发明揭示内容为基础以设计或更动其他工艺及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。所属技术领域中具有通常知识者亦能够理解不脱离本发明的精神和范围的等效构造可在不脱离本发明的精神和范围内作任意的更动、替代与润饰。

Claims (16)

1.一种切换式转换器，其特征在于，所述切换式转换器包括：

一上桥驱动器，接收一自举节点的一自举电压以及一浮动参考节点的一浮动参考电压，并产生一上桥输出信号；

一上桥晶体管，根据所述上桥输出信号，将一输入电压提供至所述浮动参考节点；

一下桥驱动器，产生一下桥输出信号；

一下桥晶体管，根据所述下桥输出信号，将所述浮动参考节点耦接至一接地端；

一电容，耦接于所述自举节点以及所述浮动参考节点之间；以及

一主动式二极管，将一供应电压提供至所述自举节点，其中当所述自举电压高于所述供应电压时，所述单相开关元件根据一控制电压，将所述供应电压与所述自举节点隔离。

2.根据权利要求1所述的切换式转换器，其特征在于，所述切换式转换器更包括：

一控制逻辑，接收所述供应电压，并根据一输入信号产生一上桥驱动信号至所述上桥驱动器以及一下桥驱动信号至所述下桥驱动器。

3.根据权利要求2所述的切换式转换器，其特征在于，所述上桥驱动器更包括：

一第一P型晶体管，源极端耦接至所述自举节点，漏极端产生所述上桥输出信号，栅极端接收所述上桥驱动信号；以及

一第一N型晶体管，源极端耦接至所述浮动参考节点，漏极端产生所述上桥输出信号，栅极端接收所述上桥驱动信号。

4.根据权利要求2所述的切换式转换器，其特征在于，所述下桥驱动器更包括：

一第二P型晶体管，源极端接收所述供应电压，漏极端产生所述下桥输出信号，栅极端接收所述下桥驱动信号；以及

一第二N型晶体管，源极端耦接至所述接地端，漏极端产生所述下桥输出信号，栅极端接收所述下桥驱动信号。

5.根据权利要求1所述的切换式转换器，其特征在于，所述主动式二极管为一常开晶体管，其中当所述浮动参考节点耦接至所述接地端时，所述常开晶体管根据所述控制电压，决定所述供应电压对所述电容的一顺向电流，使得所述电容储存的一电压差，其中当所述输入电压提供至所述浮动参考节点时，所述自举电压为所述输入电压以及所述电压差之和，所述常开晶体管更根据所述控制电压，将所述供应电压以及所述第一节点隔离。

6.根据权利要求1所述的切换式转换器，其特征在于，所述主动式二极管为一N型耗尽型晶体管。

7.根据权利要求1所述的切换式转换器，其特征在于，所述主动式二极管为一P型耗尽型晶体管。

8.根据权利要求1所述的切换式转换器，其特征在于，所述主动式二极管为一N型结场效应晶体管。

9.根据权利要求1所述的切换式转换器，其特征在于，所述主动式二极管为一P型结场效应晶体管。

10.一种升压装置，其特征在于，所述升压装置包括：

一电容，包括一第一节点以及一第二节点，其中所述第二节点交替地接收一第一电压以及一第二电压；以及

一主动式二极管，将一供应电压提供至所述第一节点，并根据一控制电压将所述第一节点与所述供应电压隔离，其中所述供应电压小于所述第二电压，且所述供应电压大于所述第一电压。

11.根据权利要求10所述的升压装置，其特征在于，所述主动式二极管为一常开晶体管，其中

当所述第二节点接收所述第一电压时，所述常开晶体管将所述供应电压提供至所述第一节点，用以对所述电容充电，其中

当所述第二节点接收所述第二电压时，所述常开晶体管根据所述控制电压将所述供应电压以及所述第一节点隔离。

12.根据权利要求11所述的升压装置，其特征在于，当所述第二节点接收所述第一电压时，所述常开晶体管根据所述控制电压，决定所述供应电压对所述电容的一顺向电流，使得所述电容储存的一电压差，其中当所述第二节点耦接至所述第二电压时，所述第一节点的电压为所述第二电压以及所述电压差之和，所述常开晶体管更根据所述控制电压，将所述供应电压以及所述第一节点隔离，避免所述电容对所述供应电压放电，其中所述电压差为所述供应电压减去所述第一电压。

13.根据权利要求10所述的升压装置，其特征在于，所述主动式二极管为一N型耗尽型晶体管。

14.根据权利要求10所述的升压装置，其特征在于，所述主动式二极管为一P型耗尽型晶体管。

15.根据权利要求10所述的升压装置，其特征在于，所述主动式二极管为一N型结场效应晶体管。

16.根据权利要求10所述的升压装置，其特征在于，所述主动式二极管为一P型结场效应晶体管。