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CN1774864A - 感性负载驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于感性负载的驱动器，包括三个FET 4、6、8，所述感性负载为例如螺线管线圈92。这些FET中的两个反向连接在电池和输出端16、18之间，一个FET连接在输出和接地端16、14之间。具有高端和低端控制电路58、56的驱动电路10形成在具有两个FET 4、6的公共衬底中。使用中，线圈92与输出端16相连，并且在激励模式和空转模式中被驱动，其中在所述激励模式中，线圈92中电流沿箭头100的指示建立；在所述空转模式，电流沿箭头102指示的方向自由循环，然后切换到关断。反向连接的FET防止在激励模式中的两个短路，并允许线圈快速关断。尽管控制电路与一些FET形成在公共衬底中，但该配置允许这些FET被正确驱动。

Description

感性负载驱动器
本发明涉及感性负载驱动器、该驱动器的操作方法以及驱动器制造方法。特别是，但并不排它地，本发明涉及螺线管驱动器。
有很多感性负载驱动器的申请。为方便起见，下文中这类感性负载被称为“线圈”。特别重要的是需要驱动具有机械致动器(由线圈启动)的自动螺线管，特别是自动传动的机电控制阀。
这些申请的驱动器需要能够在三种模式下工作。在第一模式，下面称为“激励(energise)模式”，驱动器必须能够在驱动器中损耗低的条件下激励线圈，以尽可能快地向线圈提供尽可能多的可用的电源电压。在自动螺线管情况下，需要这种快速激励来快速启动机械输出。
在第二模式，空转(freewheel)模式，驱动器必须能够允许线圈电流反复循环或空转，并且驱动器中的损耗也低，使得线圈电流衰减缓慢。
在第三模式，挂断模式，驱动器必须能够允许线圈能量快速耗散以快速退动所述机械输出。
使用时，在第一模式中驱动器用来快速激励线圈以启动它的机械输出。短暂时间之后，系统变化到脉冲宽度调制(PWM)方案，其中，驱动器在激励和空转模式之间交替。这样，系统减少了平均线圈电流和功耗，同时保持了机械致动器位置。
当需要将致动器返回到其余位置时，驱动器将电流整流到高压钳位以快速吸收线圈的存储能量。
现有技术驱动器可以包括单独封装的MOSFET、双极二极管和控制集成电路(IC)。
发明人知道的唯一集成解决方案是集成了控制电路、低端MOSFET输出级(用于激励线圈)、以及NPN双极晶体管的双极CMOS DMOS(BCD)装置。该方法的缺点包括BCD工艺的高的制造成本和在空转模式中双极晶体管的大损耗。
根据本发明，提供一种驱动器，包括：电池端和接地端，分别连接到电压电池输出和接地电池输出；用于驱动线圈的输出端；具有源极、栅极和漏极的激励FET；具有源极、栅极和漏极的控制FET；具有源极、栅极和漏极的空转FET，其中，激励FET的源极和漏极连接在输出端和接地端之间，控制FET和激励FET串联连接在电池端和输出端之间，这两个FET的源极和漏极极性相反并被反向连接。
发明人实现了：两个串联的FET、控制FET和空转FET可以有效地用来阻断每个方向的电流传输以防止在激励模式中通过控制和空转FET的短路，并在挂断模式关闭线圈。这一点通过串联连接这些FET，使得流经串联的FET的电流在一个FET中沿漏-源方向通过而在另一个FET中沿源-漏方向通过来实现。当这些FET关断时，任何连接源极和漏极的体漏(body-drain)二极管允许电流沿一个方向流动。相应的，通过使用两个反向串联链接的FET，只有一个二极管将传导电流，所以这对FET能够协同操作以关断电流。
而且，发明人实现了：这种电路允许激励和控制FET集成在公共的衬底上，漏极共同相连到输出。
本发明提供优于包含BCD器件的解决方法的优点。首先，在这种现有技术装置中，空转模式中的损耗由双极饱和电压(这是不易减小的)控制。与此对照，本发明使用的FET技术避免了这个问题。第二，双极晶体管在线圈去激励时也趋于更不适于吸收高水平的能量。
发明人已经考虑了集成螺线管驱动器的多种可选方案，并且已经偏离了高和低端FET的传统实施方法。对与驱动器集成的FET的现有技术状态的有用参考包含在Philips Application Note AN01048，“PIP3 TOPFETs for industrial automation”中。
在传统高端n沟道FET器件中，衬底与集成CMOS控制电路的正电源相连。这种CMOS技术允许成本有效地实施很多电路功能，例如与高端驱动FET集成的电荷泵。FET的漏极是衬底，源极用作输出。而且，因为公共的漏极与正电池电源相连，这种高端n沟道器件在单个芯片上可以具有多个源极输出。飞利浦半导体产品BUK218-50DY就是这种类型。
在传统低端n沟道FET器件中，高端驱动FET的漏极也是衬底。在低端装置的情况下，漏极是输出端，其有时是接地电势或与接地电势接近。这意味着需要提供另一个正电源输入以为任何控制电路供电。而且，如果控制电路是自隔离的，则有必要只使用n沟道MOS工艺和n沟道电阻器，因为p型部件在输出与接地电势接近(并因此衬底与接地电势接近)时将不被隔离。尽管没有CMOS提供的灵活性，仅使用n沟道器件实现控制电路更难，但这也是可能的。飞利浦器件，例如BUK101-50DL和BUK120-50DL就是这种类型。
不可能在这种低端装置中集成多个输出，因为漏极输出将被公共衬底连接在一起。
这些暗示意味着传统高端电路没有与低端电路相结合，这是因为低端电路依赖正衬底电势进行自隔离。
然而本发明人实现了：在这种情况下设想的配置中有可能集成CMOS逻辑电路与高端和低端FET。特别是，当低端器件断开并且漏极电压被拉高时，控制电路可以使用传统的高端电荷泵技术。相应地，驱动器可以在公共半导体衬底中集成CMOS控制电路，控制电路与激励、控制和空转FET的栅极相连以控制这些FET。
控制电路优选地配置成在激励模式(其中，激励FET导通，空转FET关断)、空转模式(其中，激励FET关断，并且控制和空转FET关断)和挂断模式(其中，激励FET关断，控制FET关断)之间切换FET。
在优选的配置中，激励FET的源极与接地端相连，漏极与输出端相连；控制FET的漏极与激励FET的漏极共同连接到输出端；空转FET的漏极与电池端相连，源极与控制FET的源极相连。
每个FET都可以是n型。对于给定的成本来讲，N型FET提供较小的损耗，所以提供最节约成本的装置。
公共的半导体衬底可以集成“智能功率”芯片，空转FET可以是沟槽MOSFET。“智能功率”芯片意思是具有集成的温度和过载保护的晶体管。特别是，“智能功率”芯片可以是飞利浦“TOPFET”或“温度和过载保护的场效应晶体管”器件。
另一方面，本发明还涉及线圈控制电路，包括如前所述的驱动器；电池，具有与驱动器的电池端相连的电压电池输出和与驱动器的接地端相连的接地电池输出；以及连接在驱动器的输出端和电压电池输出之间的线圈。
在一个特定的优选应用中，线圈是螺线管致动器，其具有由线圈中电流启动的机械致动器。
另一方面，提供一种驱动器，包括：电池端和接地端，分别与电压电池输出和接地电池输出相连；用于驱动线圈的输出端；高端和低端驱动FET，集成在公共衬底中，并且分别连接在电池端与输出端以及接地端与输出端之间；高端控制电路，在公共衬底上的电压高于集成在公共半导体衬底中的接地端至少1V时能够工作，并且与(多个)高端驱动FET的栅极相连以控制(多个)高端驱动FET；以及低端控制电路，甚至能够在公共衬底上的电压接近集成在公共半导体衬底中的接地端的电压时工作，并且与(多个)低端驱动FET的栅极相连以控制(多个)低端驱动FET。
可以提供一个或多个额外的FET，不集成在公共半导体衬底中，而是与公共半导体衬底绝缘。
高端电路优选地工作在显著衬底电压的条件下，优选地，至少为1V，更优选地为2V，或者甚至是5V。低端电路应该能够在衬底电压低于1V时工作。
本发明还涉及电路的操作方法，包括提供线圈控制电路，该控制电路具有线圈、有正负输出的电池、以及驱动器，所述驱动器具有通过线圈与第一电池输出相连的输出端，连接在输出端和另一个电池输出之间的激励FET；相同导电类型的控制和空转FET，源极连接在一起，漏极分别与输出端和第一电池输出相连。该方法包括切换到激励模式(其中，激励FET导通，空转FET关断)以激励线圈；切换到空转模式(其中，激励FET关断，并且控制和空转FET都关断)以维持线圈被激励；和切换到挂断模式(其中，激励FET关断，且控制FET关断)以去激励线圈。
现在参照附图，仅以实例的方式描述本发明的实施例，附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的电路中的驱动器；
图2示出了具有一对驱动器的本发明的第二实施例。
驱动器2包括3个n型驱动场效应晶体管(FET)，分别称为激励FET 4、控制FET 6、空转FET 8。驱动器还包括控制电路10。所述驱动器具有控制输入12和3个功率端，分别称为电池端18、接地端14和输出端16。
激励FET 4具有双源极42、43、主体44、漏极46以及栅极48，漏极46形成在公共衬底3中，使得体-漏二极管49连接源极和漏极。控制FET 6基本相同：它具有双源极62、63、主体64、漏极66和栅极68，漏极66形成在公共衬底3中，使得体-漏二极管69连接源极和漏极。驱动电路10形成在相同的公共衬底中。
空转FET 8还具有源极82、主体84、漏极86和栅极88、以及源漏二极管89。然而，空转FET的主体和漏极与公共衬底3隔离。在优选实施例中，这通过形成单独的空转FET 8作为分立器件，并且仅将其包含在同一封装中而完成。或者，空转FET 8的隔离可以通过隔离半导体衬底一个区域和在所述隔离区域中形成空转FET 8而完成。
激励FET 4作为低端FET连接在输出端16和接地端14之间，其漏极46与输出端16相连，其源极42与接地端14相连。栅极48与控制电路10相连，并被其控制，第二源极43也以同样的方式与控制电路10相连。
控制FET 6和空转FET 8在电池端18和输出端16之间串联连接。空转FET 8的漏极86与电池端相连，空转FET 8的源极82与控制FET6的源极62相连，控制FET 6的漏极66与输出端相连使得串联连接的控制和空转FET 6、8反向相连。也就是说，流经这两个串联的FET的电流在一个FET中从源极流到漏极，在另一个FET中从漏极流到源极。
该控制和空转FET6、8的栅极68、88与控制电路相连。控制FET6的第二源极63也以同样的方式与控制电路相连。
控制电路具有与输入端12相连的控制输入50，从与电池端12相连的正电源干线52和与接地端相连的接地电源干线54获得电能。控制电路具有控制空转和控制FET 6、8的高端控制电路58和控制激励FET 4的低端控制电路56。
该电路的另一个重要特征在于当激励FET关断时，控制和空转FET6、8的栅极只需要使它们的栅极维持在它们的栅极电压以上(以正向导通这些FET)。在这种状态下，输出端16的电压通过线圈92被拉高，所以激励FET 4和控制FET 6的漏极电压也同样被拉高。这样，可以维持常规电路的隔离。这意味着尽管电路与低端FET 4集成，高端控制电路58仍可以是使用典型高端电荷泵电路的完全CMOS。
相反地，低端驱动电路56应当用n-MOS FET和电阻器实施，因为当该晶体管导通时输出端上的电压可以为低。如果在低端驱动电路中使用p型电路，p型电路将不能与衬底适当地隔离。本领域技术人员应该理解，通过在CMOS中可获得的n型和p型器件中只选择n型器件，这种n-MOS电路可以通过与用于高端CMOS电路相同的CMOS工艺制成。
应当注意，高端电路58可以包括在低端型NMOS电路中实现的某些部分。特别是，激励、控制和空转FET 4、6、8的栅极应该是NMOS以确保栅极可以在高于衬底/漏极的电压下工作。
同样，尽管低端电路56一般需要是NMOS，但从上面可以理解，在备选实施例中CMOS电路也可以用于仅需在漏极具有足够高的正电压条件下工作的电路的那些部分。
技术人员还应该意识到：如果需要，电平偏移电路可以用来调节各电路的电压电平。
该驱动器可以用在线圈控制电路中，所述线圈控制电路具有连接在电池端18和输出端16之间的螺线管92；以及电源，表示为电池90，连接在电池端18和接地端14之间。该螺线管包括机械致动器96，其通常位于去激励的位置，但是可以通过流经螺线管92的电流移动到致动位置。在特定的应用中，机械致动器96机械连接到自动车辆传动的控制阀。
使用中，驱动器2在三个模式中循环。首先，激励FET 4导通，空转FET 8关断。电流从电池90流出，沿箭头100所指示的方向流经线圈92和激励FET 4。关断的空转FET 8确保了电流不通过空转和控制FET 6、8使得线圈92短路。该模式下，驱动器尽可能快地提供尽可能多的可利用的电源电压给线圈。电流激励螺线管92以启动机械致动器96。
在线圈中的电流建立以后，控制FET 6可以导通且激励FET 4关断以进入空转模式。激励FET 4防止了电流继续环绕箭头100指示的环路流动，所以线圈中的电流将环绕箭头102指示的电路流动。控制FET 6和空转FET 8都是低损耗的n型FET，使得电流仅仅缓慢衰减。周期性地，这些FET可以切换回激励模式以注满电流，然后切换回空转模式，以保持足够的电流流经线圈，从而保持机械致动器被启动。
当需要去激励致动器时，激励FET 4保持关断，且控制FET 6也关断。在这种模式中，线圈中的电流快速衰减以退动机械致动器96。
需要指出，空转和控制FET 6、8需要阻断沿箭头102方向传输的电流以去激励致动器，而在激励模式，需要阻断沿相反反向传输的电流以防止线圈92被短路。因此，如果两个FET中仅有一个存在，则FET中存在的体-漏二极管将在这两个状态的一个状态中短路。通过使用反向串联的FET，这些FET能够阻断流经两个方向的电流。
该控制电路的另一个特征在于，控制FET 6在激励模式期间完全导通-只有空转FET 8需要关断以防止短路。然后，当进入空转模式时，空转FET 8可以通过在控制电路10中连接空转和控制FET6、8的栅极68、88而被快速导通。控制FET 6的栅极电容相应地优选为比空转FET 8的栅极电容大以优化该电荷共享。
该方法最小化了切换时间，这是因为不需要从电荷泵提供所有的电荷以导通FET 8。该方法有效地用控制FET 6引导(bootstrap)了空转FET 8。
需要注意上面的描述没有提及每个模式中的每个FET的控制。这是因为并不是在每个模式都需要切换所有的FET。例如，在激励模式，控制FET 6不能阻止通过串联的控制和空转FET的电流短路，因为体漏二极管将允许电流流过而不管该FET是导通还是关断。这样，只要空转FET 8关断，控制FET 6就是无关紧要的。同样，为了去激励线圈中的电流，只需要控制FET 6关断：空转FET 8不能胜任此工作，因为它的体漏二极管能够传递电流而不管空转FET 8关断还是导通。
激励FET 4和控制FET 6的合适的温度控制和过电压控制电路59是已知的，并可以用在控制电路10中。在这种情况下，激励FET 4和控制FET 6可以被称为“智能功率”FET。通过将比本实施例中的简单沟槽MOSFET更为复杂的器件(例如飞利浦的TrenchPLUS)用于空转FET 8，在空转FET 8中也可包括适当的温度控制和过电压控制电路。
仅使用n沟道FET作为驱动FET，意味着电路可以被制成在空转模式具有低的总开态电阻，因而具有低的损耗。然而，电路的制作是相对便宜的。这样，可以以低成本的方式制作高集成的驱动器。
在第二优选实施例中，如图2中阐述的，两个这种完整的驱动器被集成到单个封装110中。两个单独的空转FET 8、9共享公共电池端18。还提供了公共接地端14。还为两个单独的“智能功率”芯片3、5提供了单独的输出端16、17，该所述芯片包括在各自衬底上形成的相应的激励和控制FET。
尽管该电路被描述成目的用于驱动自动传动的螺线管，但存在很多该方法的其它应用。该电路适用于驱动其他控制阀和致动器，实际上通常适于驱动感性负载。
通过阅读本公开内容，对于本领域技术人员来说其它变型和修改是显而易见的。这些变型和修改可以包括在功率半导体器件的设计、制造和使用中已经众所周知的等价的和其它特征，这些特征将补充或替代这里描述的特征。尽管权利要求已经在本申请中规定成特定特征的组合，但需要理解的是，公开的范围还包括这里明确地或不明确地或广义地描述的任何新颖特征和任何新颖特征的组合，而不论它是否减轻了一个或所有与本发明解决的相同的技术问题。这里申请人提示，在本申请和从此衍生的任意进一步申请的诉讼过程中，新的权利要求可以被规定成任何这样的特征和/和这些特征的组合。

Claims (15)

1.一种驱动器，包括：
电池端(18)和接地端(14)，分别连接到电压电池输出和接地电池输出；
用于驱动线圈(92)的输出端(16)；
具有源极(42)、栅极(48)和漏极(46)的激励FET(4)；
具有源极(62)、栅极(68)和漏极(66)的控制FET(6)；和
具有源极(82)、栅极(88)和漏极(86)的空转FET(8)，
其中，激励FET的源极和漏极连在输出端(16)和接地端(14)之间，控制FET(6)和空转FET(8)串联连接在电池端(18)和输出端(16)之间，控制和空转FET(6，8)的源极和漏极(62，66，82，86)反向布置，使得流经串联的控制和空转FET(6，8)的电流在所述控制和空转FET(6，8)的一个中从源极流到漏极，在另一个FET中从漏极流到源极。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其中，激励FET(4)的源极(42)与接地端(14)相连，漏极(46)与输出端(16)相连；
控制FET(6)的漏极(66)与激励FET(4)的漏极(46)共同连接到输出端(16)；和
空转FET(8)的漏极(86)与电池端(18)相连，源极(82)与控制FET(6)的源极(62)相连。
3.根据权利要求1或2所述的驱动器，包括公共的半导体衬底(3)，其中，控制FET(6)和激励FET(4)的漏极(46，66)形成在公共半导体衬底中，并且空转FET(8)的漏极(86)与所述公共半导体衬底隔离。
4.根据权利要求3所述的驱动器，进一步包括整体形成在公共半导体衬底(3)中的控制电路(10)，控制电路(10)具有与电池端(18)相连的高压电源干线(52)和与接地端(14)相连的低压电源干线(54)以从电池和接地端为所述控制电路供电。
5.根据权利要求4所述的驱动器，其中，控制电路包括：
高端控制电路(58)，集成在公共半导体衬底中并与控制和空转FET(6，8)的栅极(68，88)相连以控制这些FET；和
低端控制电路(56)，集成在公共半导体衬底中并与激励FET(4)的栅极(48)相连以控制所述激励FET。
6.根据权利要求4或5的驱动器，其中，控制FET(6)设置成具有比空转FET(8)高的栅极电容，且该控制电路设置成在激励模式完全导通控制FET(6)，在从激励模式切换到空转模式时，将空转FET(8)和控制FET(6)的栅极连接在一起。
7.根据权利要求4到6中任何一个所述的驱动器，其中，控制电路(10)进一步包括温度和电压过载保护(59)，用于保护激励FET、控制FET和空转FET中的一个或多个。
8.根据权利要求4到7中任何一个所述的驱动器，其中，控制电路设置成在激励模式、空转模式和挂断模式之间切换FET，其中在所述激励模式中激励FET导通，且空转FET关断；在所述空转模式中激励FET关断，并且控制和空转FET都关断；在所述挂断模式中激励FET关断，且控制FET关断。
9.根据权利要求3到8中任何一个所述的驱动器，其中，空转FET(8)是在不同的半导体衬底上形成的分立FET。
10.一种驱动器，包括：
电池端(18)和接地端(14)，分别连接到电压电池输出和接地电池输出；
用于驱动线圈的输出端(16)；
高端和低端驱动FET(4，6)，集成在公共半导体衬底(3)中，并且分别连接在电池端(18)和输出端(16)之间以及接地端(14)与输出端(16)之间；
高端控制电路(58)，当公共衬底上的电压比集成在公共半导体衬底中的接地端的电压至少高出1V时能够工作，该高端控制电路与一个或多个高端驱动FET的栅极相连以控制所述一个或多个高端驱动FET；和
低端控制电路(56)，甚至在公共衬底上的电压接近集成在公共半导体衬底中的接地端的电压时仍能工作，低端控制电路与低端驱动FET的栅极相连以控制一个或多个低端驱动FET。
11.根据前面任何一个权利要求所述的驱动器，其中，FET(4，6)都是n型的。
12.一种线圈控制电路，包括：
根据前面任何一个权利要求所述的驱动器(2)；
电池(90)，具有与驱动器的电池端(18)相连的电压电池输出和与驱动器的接地端(14)相连的接地电池输出；和
连接在驱动器的输出端(16)和电压电池输出之间的线圈(92)。
13.根据权利要求12所述的线圈控制电路，其中，线圈(92)是螺线管致动器，其具有由线圈中电流启动的机械致动器。
14.一种操作线圈控制电路的方法，包括：
提供线圈控制电路，其具有线圈(92)、具有正负输出的电池(90)，和驱动器(2)，所述驱动器具有通过线圈(92)与第一电池输出相连的输出端(16)，连接在输出端(16)和另一个电池输出之间的激励FET(4)；反向串联连接在输出端和第一电池输出之间的相同导电类型的控制FET(6)和空转FET(8)；
切换到激励模式，其中，激励FET(4)导通，且空转FET(8)关断以激励所述线圈；
切换到空转模式，其中，激励FET(4)关断，且控制(6)和空转FET(8)都导通以维持所述线圈被激励；和
切换到挂断模式，其中，激励FET(4)关断，且控制FET(6)关断以使去激励述线圈。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在激励模式完全导通控制FET(6)，以及在从激励模式切换到空转模式时，将空转FET(8)和控制FET(6)的栅极连接在一起来共享电荷，以导通空转FET(8)。
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