CN102545560A - 一种功率开关驱动器、ic芯片及直流-直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器，用以降低开关电源地弹，在保持功率开关较慢的开启速度的同时，降低关断功率开关时功率开关的栅极到电源或地的阻抗，使关断后的功率开关不能通过寄生电容的耦合而瞬间导通。本发明提供的一种功率开关驱动器：包括用于控制P型功率开关的N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS，以及用于控制N型功率开关的P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管PMOS，该功率开关驱动器还包括：与所述NMOS的源极相连的第一电阻；以及，与所述PMOS的源极相连的第二电阻。

Description

一种功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器。

背景技术

当前便携设备和移动通信系统的需求日益增加，这些系统都离不开供电系统，直流-直流转换器(DC/DC Converter)以其高效率得到广泛的应用。图1所示就是常见的同步降压型直流-直流转换器(Buck，Step-Down DC/DCConverter)应用电路，包括直流-直流转换器集成电路(IC)芯片、电感L0，输出电容C0和负载RLoad。其中，IC芯片包括控制器(CONTROLLER)、功率开关驱动器(DRIVER)、功率开关M1和M2。

控制器采用某种控制方式(PWM或者PFM)产生一定占空比(duty cycle)的脉冲控制信号，通过驱动器去驱动功率开关M1和M2，使得M1和M2的公共节点SW产生峰值为电源到地的脉冲信号，经过电感L0和电容C0的滤波在负载RLoad端产生稳定的输出电压。

但是，在实际应用中有一些非理想因素是必须要考虑的。例如，IC芯片封装后的打线寄生电感和电阻，如图2所示的Rpara1和Lpara1，Rpara2和Lpara2。在一般封装中寄生电阻是几十毫欧量级，寄生电感是几纳亨量级。由于功率开关M1和M2交替开关，在打线的寄生电感上会有突变电流产生较大电压变化，也即是说，IC芯片内部的地电位与芯片外界理想的地电位有电压差，而且芯片的地电位在功率开关导通和关断时处于高频“弹跳”状态，这就是地弹现象(ground bounce)。当出于成本考虑采用更细的封装打线，或者负载较重时，IC芯片的地电位跳动的幅度就会增大，这时就会影响IC芯片的控制电路，从而影响IC芯片的正常工作。

目前，如图3所示，现有技术中常用的方法是在驱动器到功率开关M1和M2的栅极之间串连电阻(R1和R2)，采用较大的R1和R2(一般几千欧姆数量级)，通过减缓功率开关M1和M2的开启速度来减小地弹，其中，功率开关M1为P沟道金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管(P-channel Metal OxideSemiconductor，PMOS)；功率开关M2为N沟道金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)。

但是，当封装打线的直径更小，即打线的寄生电感更大，或者负载电流更大时，现有技术的地弹还是很大。原因是在功率开关M1的栅极已通过控制该功率开关M1的PMOS M11和电阻R1被拉高；但M2导通后，SW节点被快速拉低，因为R1的阻值较大，即M1的栅极到电源Vdd的阻抗较大，通过M1的寄生电容Cgd(由于功率开关M1的面积较大，等效的Cgd也较大)的耦合后，输出端(SW)把M1的栅极也拉低，M1也在瞬间导通；M1和M2在同时导通的瞬间就会在封装打线电感Lpara2上产生较大的电流，这个大电流会突变使得GND端的“弹跳”幅度很高，如图4所示的波形GND跳动幅度达到1V多。

综上所述，现有技术中的功率开关的地弹现象较为严重。

发明内容

本发明实施例提供了一种功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器，用以降低开关电源地弹，在保持功率开关较慢的开启速度的同时，降低关断功率开关时功率开关的栅极到电源或地的阻抗，使关断后的功率开关不能通过寄生电容的耦合而瞬间导通。

本发明实施例提供的一种功率开关驱动器，包括用于控制P型功率开关的N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS，以及用于控制N型功率开关的P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管PMOS，所述NMOS的栅极和PMOS的栅极分别通过反相器连接到两相不交叠时钟，该功率开关驱动器还包括：第一电阻，连接在所述NMOS的源极与地之间；以及，第二电阻，连接在所述PMOS的源极与所述功率开关驱动器的正极之间。

本发明实施例提供的一种集成电路IC芯片包括所述的功率开关驱动器。

本发明实施例提供的一种直流-直流转换器包括所述的功率开关驱动器。

本发明实施例通过所述功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器，可以降低开关电源地弹，在保持功率开关较慢的开启速度的同时，降低关断功率开关时功率开关的栅极到电源或地的阻抗，使关断后的功率开关不能通过寄生电容的耦合而瞬间导通。

附图说明

图1为现有技术中的同步降压型直流-直流转换器(Buck，Step-DownDC/DC Converter)应用电路示意图；

图2为现有技术中的直流-直流转换器的IC芯片封装后的打线寄生电感和电阻的示意图；

图3为现有技术中的直流-直流转换器在驱动器到功率开关M1和M2的栅极之间串连电阻(R1和R2)的示意图；

图4为图3所示直流-直流转换器的GND端的地弹示意图；

图5为本发明实施例提供的直流-直流转换器的电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的直流-直流转换器的GND端的地弹示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器，用以降低开关电源地弹(ground bounce)，在保持功率开关较慢的开启速度的同时，降低关断功率开关时功率开关的栅极到电源或地的阻抗，使关断后的功率开关不能通过寄生电容的耦合而瞬间导通。

参见图5，本发明实施例提供的一种功率开关驱动器(DRIVER)，包括用于控制P型功率开关M1的NMOS M12和PMOS M11，以及用于控制N型功率开关M2的PMOS M21和NMOS M22，该功率开关驱动器还包括：

第一电阻R12，连接在所述NMOS M12的源极与地(GND)之间；以及，

第二电阻R21，连接在所述PMOS M21的源极与所述功率开关驱动器的正极(Vdd)之间。

较佳地，该功率开关驱动器还包括：

连接于所述NMOS M12的漏级与所述P型功率开关M1的栅极之间的第三电阻R11；以及，

连接于所述PMOS M21的漏级与所述N型功率开关M2的栅极之间的第四电阻R22。

较佳地，

所述第一电阻R12的阻值，与所述第三电阻R11的阻值相等；

所述第二电阻R21的阻值，与所述第四电阻R22的阻值相等。

较佳地，所述第一电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

较佳地，所述第二电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

较佳地，所述第三电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

较佳地，所述第四电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

如图5所示，本发明实施例提供的功率开关驱动器，还包括两相不交叠时钟(BBM)和两个反相器(INV)。两相不交叠时钟接收控制器(CONTROLLER)的占空比信号，分别产生P型功率开关M1和N型功率开关M2的驱动信号。两相不交叠时钟保证P型功率开关M1和N型功率开关M2不会同时导通。反相器接收两相不交叠时钟产生的驱动信号，并将其反相以达到P型功率开关M1和N型功率开关M2所需的电平。

如图5所示，本发明实施例提供的一种集成电路(IC)芯片，包括控制器(CONTROLLER)、上述功率开关驱动器(DRIVER)、功率开关M1和M2。控制器(CONTROLLER)产生适合的占空比信号，功率开关驱动器(DRIVER)接收这个占空比信号，最终产生控制功率开关M1和M2的驱动信号。

如图5所示，本发明实施例提供的一种直流-直流转换器，包括上述直流-直流转换器集成电路(IC)芯片(其中包括上述功率开关驱动器)、打线寄生电感和电阻(即图5所示的Rpara1和Lpara1，Rpara2和Lpara2)。打线寄生电感Lpara1和电阻Rpara1代表芯片内的Vdd到封装完成后的VCC管脚的寄生效应。同理，打线寄生电感Lpara2和电阻Rpara2代表芯片内的GND到封装完成后的0电平管脚的寄生效应。

如图5所示，本发明实施例中将图3所示现有技术中的R1分成两个电阻R11和R12，并且较佳地，R11＝R12＝0.5*R1，将R2也分成两个电阻R21和R22，并且较佳地，R21＝R22＝0.5*R2。其中R11仍保持在原来R1的位置，R22保持在原来R2的位置，将R12放在功率开关M2的前级驱动管M12的源极和GND之间，将R21放在功率开关M2的前级驱动管M21的源极和电源Vdd之间。当功率开关NMOS M2开启时，M21导通后仍通过R21和R22给M2的栅极充电，也就是说，功率开关NMOS M2的开启速度和现有技术一样较慢。但此时M11导通，关断的功率开关PMOS M1的栅极到电源的阻抗由现有技术R1减小到R11(R11＝0.5*R1)，因而功率开关PMOS M1的栅极就不容易被输出端SW的下降而耦合变低，故功率开关PMOS M1能在功率开关NMOS M2开启时保持关断，在封装打线的电感Lpara2上就不会有较大的突变电流，GND端的地弹也会明显减小，功率开关PMOS M1导通时地弹改善效果也可以同理推导出。

如图6所示，就是按照本发明实施例提供的功率开关驱动器得到的仿真波形示意图，从图中可见，GND波形，也就是IC芯片的GND端的地弹只有500mV，较现有技术的1V多有明显改善。

综上所述，本发明实施例通过所述功率开关驱动器、IC芯片及直流-直流转换器，可以降低开关电源地弹，在保持功率开关较慢的开启速度的同时，降低关断功率开关时功率开关的栅极到电源或地的阻抗，使关断后的功率开关不能通过寄生电容的耦合而瞬间导通。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种功率开关驱动器，包括用于控制P型功率开关的N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS，以及用于控制N型功率开关的P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管PMOS，所述NMOS的栅极和PMOS的栅极分别通过反相器连接到两相不交叠时钟，其特征在于，该功率开关驱动器还包括：

第一电阻，连接在所述NMOS的源极与地之间；以及，

第二电阻，连接在所述PMOS的源极与所述功率开关驱动器的正极之间。

2.根据权利要求1所述的功率开关驱动器，其特征在于，该功率开关驱动器还包括：

连接于所述NMOS的漏级与所述P型功率开关的栅极之间的第三电阻；以及，

连接于所述PMOS的漏级与所述N型功率开关的栅极之间的第四电阻。

3.根据权利要求2所述的功率开关驱动器，其特征在于，

所述第一电阻的阻值，与所述第三电阻的阻值相等；

所述第二电阻的阻值，与所述第四电阻的阻值相等。

4.根据权利要求2所述的功率开关驱动器，其特征在于，所述第一电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

5.根据权利要求2所述的功率开关驱动器，其特征在于，所述第二电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

6.根据权利要求2所述的功率开关驱动器，其特征在于，所述第三电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

7.根据权利要求2所述的功率开关驱动器，其特征在于，所述第四电阻的阻值取值范围为：

100欧姆～400欧姆。

8.一种集成电路IC芯片，其特征在于，该集成电路IC芯片包括权利要求1-7任一权项所述的功率开关驱动器。

9.一种直流-直流转换器，其特征在于，该转换器包括权利要求1-7任一权项所述的功率开关驱动器。

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