TWI593231B

TWI593231B - A control device and control method for analog power switch

Info

Publication number: TWI593231B
Application number: TW105123297A
Authority: TW
Inventors: Miao Li; Qiang Luo; lie-yi Fang
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2017-07-21
Also published as: CN106027013A; TW201801476A; CN106027013B

Description

一種用於類比功率開關的控制裝置和控制方法

本發明涉及電路領域，更具體地涉及一種用於類比功率開關的控制裝置和控制方法。

目前，類比功率開關被廣泛應用在各種電路系統中。在類比功率開關被應用在電路系統中時，可以通過控制該類比功率開關的閘極電壓(Vgate)與源極電壓(Vsource)之間的電壓差值Vgs(Vgate-Vsource)來控制其導通與截止。具體地，當Vgs<Vth時，類比功率開關截止；當VgsVth時，類比功率開關導通，且其導通阻抗隨Vgs的增大而減小，其中Vth是類比功率開關的導通閾值電壓。

第1圖是類比功率開關(例如，N通道金屬氧化物半導體(N-channel Metal-Oxide-Semiconductor,NMOS)功率電晶體)的示例應用的示意圖。如第1圖所示，NMOS功率電晶體被包括在晶片C中；晶片C具有VIN、VOUT、以及GND三個端子，並且包括NMOS功率電晶體、閘極驅動電路、以及控制電路三部分。其中，NMOS功率電晶體的汲極與VIN端子連接，輸入電壓VIN經由VIN端子被輸入到NMOS功率電晶體的汲極；NMOS功率電晶體的源極與VOUT端子連接，輸出電壓VOUT經由VOUT端子被提供給負載；控制電路生成用以控制NMOS功率電晶體導通與截止的控制信號；閘極驅動電路基於控制電路生成的控制信號生成用以驅動NMOS功率電晶體導通與截止的驅動信號，並將該驅動信號提供給NMOS功率電晶體的閘極。

在NMOS功率電晶體導通之前，VOUT端子接地；當VgsVth時，NMOS功率電晶體導通。由於導通後的NMOS功率電晶體的導通阻抗很小，VOUT端子與VIN端子之間可視為短路，因此在NMOS 功率電晶體導通後輸出電壓VOUT沖高到輸入電壓VIN。為了維持NMOS功率電晶體的導通狀態，閘極驅動電路被配置為控制NMOS功率電晶體的閘極電壓Vgate隨輸出電壓VOUT的沖高而變高，即維持閘極電壓VgateVOUT+Vth，才能確保滿足VgsVth的導通條件。

通常，閘極驅動電路通過Bootstrap(自舉)方式和充電泵方式中的任意一種方式來生成驅動信號。但是，Bootstrap方式和充電泵方式一般都需要外接大電容，出於成本考慮，晶片C一般無法集成如此大的電容。

本發明提供了一種用於類比功率開關的控制裝置和方法。

根據本發明實施例的用於類比功率開關的控制裝置，包括：電容，該電容的上極板經由二極體與類比功率開關的閘極連接並且經由第一開關與輸入電壓連接，該電容的下極板經由第二開關與類比功率開關的源極連接並且經由第三開關與地連接；以及邏輯控制元件，被配置為通過控制第一開關、第二開關、以及第三開關的閉合與斷開來控制電容充電與放電，從而控制類比功率開關導通與截止，其中當第一開關和第三開關閉合、第二開關斷開時電容充電，當第一開關和第三開關斷開、第二開關閉合時電容放電。

根據本發明實施例的用於類比功率開關的控制方法，包括：使電容的上極板經由二極體與類比功率開關的閘極連接並且經由第一開關與輸入電壓連接；使電容的下極板經由第二開關與類比功率開關的源極連接並且經由第三開關與地連接；以及通過控制第一開關、第二開關、以及第三開關的閉合與斷開來控制上述電容充電與放電，從而控制類比功率開關導通與截止，其中當第一開關和第三開關閉合、第二開關斷開時上述電容充電，當第一開關和第三開關斷開、第二開關閉合時上述電容放電。

在根據本發明實施例的用於類比功率開關的控制裝置和方法中，電容的上下極板之間的壓差不大，所以無需採用大電容或級聯電容來實現高耐壓的電容，因此可以有效地降低實現根據本發明實施例的用於類比功率開關的控制裝置和方法的晶片的成本。

Vgate‧‧‧閘極電壓

MOS_EN‧‧‧開關使能信號

Vsource‧‧‧源極電壓

SST‧‧‧軟啟動信號

Vth‧‧‧導通閾值電壓

CLK‧‧‧時鐘信號

C‧‧‧晶片

SD、PA、PB、PC‧‧‧開關控制信號

VIN‧‧‧輸入電壓

PH1、PH2‧‧‧電壓選擇信號

VOUT‧‧‧輸出電壓

AVDD‧‧‧恒定電壓

GND、VS‧‧‧端子

Vramp‧‧‧斜坡電壓

C0、C1、C2、C7‧‧‧電容

VCP‧‧‧極板電壓

C3-C6‧‧‧串聯電容

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻

410‧‧‧充電泵主電路

D0‧‧‧二極體

430‧‧‧邏輯控制電路

D1‧‧‧電壓嵌位二極體

Vsel‧‧‧電壓選擇

C1p、C2p、C3p、C4p‧‧‧對地電容

P1、P3、N1、N2、N3、N4‧‧‧開關

420‧‧‧電壓選擇(Vsel)電路

D‧‧‧功率電力MOS場效電晶體汲極

G‧‧‧功率電力MOS場效電晶體閘極

S‧‧‧功率電力MOS場效電晶體源極

Vgs‧‧‧閘極電壓(Vgate)與源極電壓(Vsource)之間的電壓差值

通從下面結合附圖對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中，相似的標號指示相同或功能類似的元件：第1圖是類比功率開關(例如，N通道金屬氧化物半導體(NMOS)功率電晶體)的示例應用的示意圖；第2圖是用在第1圖所示的閘極驅動電路中的傳統充電泵的示例電路圖；第3圖是用在第1圖所示的閘極驅動電路中的採用級聯電容的傳統充電泵的示例電路圖；第4圖是根據本發明實施例的用在第1圖所示的閘極驅動電路中的充電泵的示意圖；第5圖示出了與第4圖中所示的邏輯控制電路有關的信號的時序圖。

下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

第2圖是用在第1圖所示的閘極驅動電路中的傳統充電泵的示例電路圖。在第2圖所示的充電泵的高壓應用的情形中，由於電容C1和C2的上下極板的壓差過大，需要通過級聯電容的方式來實現高耐壓的電容，這會導致晶片C的成本大大增加。

第3圖是用在第1圖所示的閘極驅動電路中的採用級聯電容的傳統充電泵的示例電路圖。在第3圖所示的充電泵中，通過採用串聯電容方式解決了電容C1和C2的上下極板的耐壓問題。但是，如第3圖所示，電容C1和C2、以及它們的串聯電容C3-C6共同引入了寄生的對地電容(例如，C1p、C2p、C3p、C4p)，這些寄生的對地電容會使得電容C1-C6在工作狀態的等效容值變小。因此，要達到同樣效果需要級聯更多的電容，這會進一步增加晶片C的成本。

為了解決結合第2圖和第3圖描述的充電泵中存在的一個或多個問題，提出了一種新穎的用在第1圖所示的閘極驅動電路中的充電泵，以有效地降低晶片C的成本。下面參考附圖，詳細描述根據本發明實施例的用於第1圖所示的閘極驅動電路中的充電泵。

第4圖是根據本發明實施例的用在第1圖所示的閘極驅動電路中的充電泵的示意圖。如第4圖所示，根據本發明實施例的充電泵包括充電泵主電路410、電壓選擇(Vsel)電路420、和邏輯控制電路430。具體地：

充電泵主電路410包括開關P1、P3、N1-N4，電容C0，以及二極體D0；充電泵主電路410的VS端子與Vsel電路420的輸出端相連，充電泵主電路410的GATE端子與NMOS功率電晶體的閘極相連，並且充電泵主電路410的VOUT端子與NMOS功率電晶體的源極相連。

邏輯控制電路430接收開關使能信號MOS_EN、軟啟動信號SST、和時鐘信號CLK，基於開關使能信號MOS_EN生成開關控制信號SD，基於開關使能信號MOS_EN和軟啟動信號SST生成電壓選擇信號PH1和PH2，並基於開關使能信號MOS_EN和時鐘信號CLK生成開關控制信號PA、PB、和PC。其中：

，即當MOS_EN=1時，SD=0；當MOS_EN=0時，SD=1。

PH1=SST．MOS_EN，，即當MOS_EN= 1時，PH1=SST，；當MOS_EN=0時，PH1=PH2=0。

，，即當 MOS_EN=1時，，PA=PC=CLK，而當MOS_EN=0時，PB=0，PA=PC=1。

第5圖示出了與第4圖中所示的邏輯控制電路有關的信號的時序圖。需要說明的是，由於邏輯控制電路存在一定的延遲，所以開關控制信號PA、PB、和PC的波形不是與時鐘信號CLK嚴格對齊的。

下面結合第4圖和第5圖，詳細描述以上所述各個信號的作用、以及充電泵主電路410的工作過程：

開關使能信號MOS_EN指示是否啟用NMOS功率電晶體，開關控制信號SD控制開關N4的閉合與斷開從而控制是否啟用NMOS功率電晶體。具體地，當開關使能信號MOS_EN為高位準時，開關控制信號SD為低位準，開關N4斷開，NMOS功率電晶體被啟用；當開關使能信號MOS_EN為低位準時，開關控制信號SD為高位準，開關N4閉合，NMOS功率電晶體的閘極接地，NMOS功率電晶體被禁用。

軟啟動信號SST指示是否採用軟啟動過程，電壓選擇信號PH1和PH2控制Vsel電路420選擇恒定電壓AVDD和斜坡電壓Vramp中的一者提供給充電泵主電路410(下面為了方便，將所選擇的電壓稱為電壓VS)。具體地，當軟啟動信號SST為高位準時，電壓選擇信號PH1為高位準，電壓選擇信號PH2為低位準，Vsel電路420選擇斜坡電壓Vramp作為電壓VS提供給充電泵主電路410(即，採用軟啟動過程)；當軟啟動信號SST為低位準時，電壓選擇信號PH1為低位準，電壓選擇信號PH2為高位準，Vsel電路420選擇恒定電壓AVDD作為電壓VS提供給充電泵主電路410(即，不採用軟啟動過程)。

時鐘信號CLK提供一定頻率的時鐘信號。開關控制信號PA控制開關N2的閉合與斷開；開關控制信號PB控制開關N3和P3的閉合與斷開(開關P3與開關N3同時閉合或斷開)；開關控制信號PC控制開關N1和P1的閉合與斷開(開關P1與N1同時閉合或斷開)。

從以上描述可知，在NMOS電晶體被使能的情況下，邏輯控制電路430基於軟啟動信號SST生成電壓選擇信號PH1和PH2，並基於時鐘信號CLK生成開關控制信號PA、PB、和PC。

在NMOS電晶體被使能的情況下，當採用軟啟動過程時，充電泵主電路410在以下所述的第一狀態和第二狀態之間切換，從而實現對NMOS功率電晶體的閘極電壓的控制。具體地：

在第一狀態，N2導通，P1導通，P3斷開，N4斷開，電容C0的下極板接地，電容C0的上極板接電壓VS，此時電容C0進行充電直到電容C0的上下極板之間的電壓達到電壓VS為止。

在第二狀態，N2斷開，P1斷開，P3導通，N4斷開，電容C0的下極板接輸出電壓VOUT；由於電容C0的上下極板之間的電壓不能突變，所以電容C0的上極板電壓VCP瞬間被抬升至VOUT+VS，此時電容C0的上極板電壓VCP通過二極體D0對NMOS功率電晶體的閘極電壓進行充電。

經過充電泵主電路410在第一狀態和第二狀態之間的多次切換，NMOS功率電晶體的閘極電壓Vgate與源極電壓Vsource之間的電壓差值Vgs逐漸增大到電壓Vramp的峰值(該峰值大於或者等於Vth)，NMOS功率電晶體導通。

這裡，開關N2、P1、P3的內阻的大小決定了這些開關的開關速度和導通能力，而這些開關的開關速度和導通能力又決定了電容C0充電或放電速度的快慢，所以可以按照所需控制的電容C0的充電或放電速度為這些開關設置適當的內阻；開關N4的內阻的大小決定了開關N4的開關速度和導通能力，而開關N4的開關速度和導通能力又決定了NMOS電晶體閘極的放電速度的快慢，所以可以按照所需控制的NMOS電晶體閘極的放電速度為開關N4設置適當的內阻。也就是說，可根據開關N2、P1、P3、N4各自的開關速度和導通能力按需調配開關N2、P1、P3、N4的內阻。

從以上所述可以看出，在第4圖所示的充電泵中，電容 C0的上下極板之間的壓差不大，所以無需採用大電容或級聯電容來實現高耐壓的電容，因此可以有效地降低晶片C的成本。

在一些實施例中，邏輯控制電路430也可以不接收軟啟動信號SST並且不生成電壓選擇信號PH1和PH2，此時可以僅採用恒定電壓AVDD和斜坡電壓Vramp中的一者作為電壓VS。

在採用恒定電壓AVDD作為電壓VS的情況下，在充電泵主電路410處於第二狀態時，電容C0的上極板電壓VCP即刻被抬升至VOUT+AVDD，從而使得NMOS功率電晶體的閘極電壓Vgate迅速增大至VOUT+AVDD。

在採用斜坡電壓Vramp(例如，從0V到AVDD)作為電壓VS的情況下，經過充電泵主電路410在第一狀態和第二狀態之間的多次切換，電容C0的上極板電壓VCP被逐漸抬升至VOUT+AVDD，使得NMOS功率電晶體的閘極電壓Vgate逐漸增大，從而實現NMOS功率電晶體的軟啟動。

在一些實施例中，也可以採用恒定電壓AVDD和斜坡電壓Vramp的組合作為電壓VS(即，不需要軟啟動信號SST、以及電壓選擇信號PH1和PH2)。在這種情況下，可以首先採用斜坡電壓Vramp進行軟啟動，隨後採用恒定電壓AVDD使NMOS功率電晶體的閘極電壓Vgate最終增大至VOUT+AVDD。

在一些實施例中，第4圖中所示的開關P1和P3可以被實現為P通道金屬氧化物半導體(P-channel Metal-Oxide-Semiconductor,PMOS)電晶體，並且開關N1-N4可以被實現為NMOS電晶體。另外，第4圖中所示的二極體D0可以被實現為閘極和源極連接在一起的PMOS電晶體。在另一些實施例中，第4圖中所示的開關也可以使用傳輸門來實現。

結合第1圖至第5圖可以看出，本發明提供了一種用於類比功率開關(例如，NMOS功率電晶體)的控制裝置，包括：電容(例如，電容C0)，該電容的上極板經由二極體(例如，二極體D0)與類比功率開關的閘極連接並且經由第一開關(例如，開關P1)與輸入電壓(例如，恒定電壓AVDD、斜坡電壓Vramp、或者它們的組合)連接，該電容的下極板經由第二開關(例如，開關P3)與類比功率開關的源極連接並且經由第三開關(例如，開關N2)與地連接；以及邏輯控制元件(例如，邏輯控制電路430)，被配置為通過控制第一開關、第二開關、以及第三開關的閉合與斷開來控制上述電容充電與放電，從而控制類比功率開關導通與截止，其中當第一開關和第三開關閉合、第二開關斷開時上述電容充電，當第一開關和第三開關斷開、第二開關閉合時上述電容放電。

換言之，本發明提供了一種用於類比功率開關(例如，NMOS功率電晶體)的控制方法，包括：使電容(例如，電容C0)的上極板經由二極體(例如，二極體D0)與類比功率開關的閘極連接並且經由第一開關(例如，開關P1)與輸入電壓(例如，恒定電壓AVDD、斜坡電壓Vramp、或者它們的組合)連接；使電容的下極板經由第二開關(例如，開關P3)與類比功率開關的源極連接並且經由第三開關(例如，開關N2)與地連接；以及通過控制第一開關、第二開關、以及第三開關的閉合與斷開來控制上述電容充電與放電，從而控制類比功率開關導通與截止，其中當第一開關和第三開關閉合、第二開關斷開時上述電容充電，當第一開關和第三開關斷開、第二開關閉合時上述電容放電。

在根據本發明實施例的用於類比功率開關的控制裝置和方法中，電容的上下極板之間的壓差不大，所以無需採用大電容或級聯電容來實現高耐壓的電容，因此可以有效地降低實現根據本發明實施例的用於類比功率開關的控制裝置和方法的晶片C的成本。

本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。