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TWI862845B - 用於閘極驅動器之啟動電路 - Google Patents

用於閘極驅動器之啟動電路 Download PDF

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TWI862845B
TWI862845B TW110120364A TW110120364A TWI862845B TW I862845 B TWI862845 B TW I862845B TW 110120364 A TW110120364 A TW 110120364A TW 110120364 A TW110120364 A TW 110120364A TW I862845 B TWI862845 B TW I862845B
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吳畏
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美商達爾科技股份有限公司
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Abstract

一種啟動二極體電路包含用於耦合至一電源電壓端子之一陽極及用於耦合至一啟動電壓端子之一陰極。該啟動二極體電路亦包含一高壓p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體，其具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極。該高壓PMOS電晶體具有在量值上高於一最大啟動電壓與電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。

Description

用於閘極驅動器之啟動電路
本申請案係關於電路組態，且更特定言之，係關於用於一閘極驅動器之一啟動電路。
一半橋電路組態可用於各種應用中，諸如DC-DC轉換器、DC-AC轉換器、AC-DC電源及馬達控制D類功率放大器。半橋電路包含串聯連接之一高側電晶體及一低側電晶體，其中高側電晶體連接至一高壓電源，該高壓電源可遠高於一閘極驅動器積體電路(IC)之電源電壓。因此，用於半橋電路之一閘極驅動器通常使用一啟動電路以足夠之閘極電壓(HS_G)產生用於高側閘極驅動器電路之更高的升高之電源電壓以使高側電晶體完全接通。啟動電路在IC之電源電壓與升壓之電源電壓之間需要一整流元件。
在習知設計中，在啟動電路中使用一外部肖特基(Schottky)二極體、一內部肖特基二極體或一內部p-n接面二極體。發明者已觀察到此等習知設計具有諸多缺點。例如，外部肖特基二極體需要材料清單(BOM)清單中之一額外外部組件以及較大印刷電路板(PCB)面積。製造在同一閘極驅動器矽晶片上之內部肖特基二極體通常具有一較大反向洩漏電流，尤其係當反向電壓較高(例如30V以上)時。一內部p-n接面二極體 具有一較大正向電壓降，其在操作電源電壓(VDD)較低時可能導致升高電壓(VB)之一不可接受下降。在後一種情況下，在低壓應用中可能仍需要一外部肖特基二極體。此外，由於寄生PNP電晶體，內部二極體亦可能遭受到基板之一大正向注入洩漏電流。
另一習知設計使用一中壓p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體與一高壓接面場效電晶體(JFET)之一組合。JFET維持高電壓降，且可使PMOS電晶體中之正向接通電壓較低。然而，此電路需要兩個裝置及更複雜設計。此外，JFET亦在其被接通時引入接通電阻及正向電壓降。
另一已知設計使用一高壓n型金屬氧化物半導體NMOS電晶體作為一二極體電路之部分。然而，控制電路中需要一電荷泵來提供閘源接通電壓。此設計增加了組件之數量及複雜性。
因此，非常需要改良的啟動二極體裝置。
本發明教示使用一單一高壓p型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOSFET或PMOS)開關作為啟動二極體電路。新電路具有接近零之正向電壓降，非常小之反向洩漏電流，沒有正向注入電流之風險，並自BOM清單中減少一個組件。一恒定電流源可用於提供一恒定閘源電壓以用於獨立於電源電壓接通PMOSFET開關。
例如，本發明教示一種啟動二極體電路，其包含用於耦合至一電源電壓端子之一陽極、用於耦合至一啟動電壓端子之一陰極、一高壓p型金屬氧化物半導體電晶體(PMOS)及一啟動控制電路。該高壓PMOS具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極。該高壓PMOS電晶體具有在量值上高於一最大啟動電壓 與一電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。該啟動控制電路回應於一控制信號而接通高壓PMOS電晶體。該啟動控制電路包含耦合於該高壓PMOS電晶體之該源極與一閘極之間之一電阻器及耦合至該高壓PMOS電晶體之該閘極之一恒定電流源及一電流鏡。該啟動控制電路經組態以獨立於該電源電壓及該啟動電壓提供一恒定閘源電壓以接通該高壓PMOS電晶體。
例如，在一例示性啟動二極體電路中，該電流鏡包含一第一電晶體及一第二電晶體，且該電流源包含回應於該控制信號之一第一開關及一第二開關。該第一開關耦合於該恒定電流源之該閘極與該電流鏡之該第一電晶體之間；且該第二開關耦合於該高壓PMOS電晶體之該閘極與該電流鏡之該第二電晶體之間。
在該啟動二極體電路中，該高壓PMOS電晶體係耦合於該陽極與該陰極之間之唯一高壓電晶體。在一實例中，該高壓PMOS電晶體包括具有用於維持一高電壓降之一漂移區域之一非對稱P通道裝置。
在另一實例中，本發明教示一種啟動二極體電路，其包含：用於耦合至一電源電壓端子之一陽極，用於耦合至一啟動電壓端子之一陰極，及一高壓PMOS電晶體，該高壓PMOS電晶體具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極。該高壓PMOS電晶體具有在量值上高於一最大啟動電壓與該電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
在另一實例中，本發明教示一種閘極驅動器電路，其包含用於接收用於驅動一開關半橋電路之一輸入開關信號之一輸入端子，該開關半橋電路具有在一中點處串聯耦合之一高側電晶體及一低側電晶體，該 中點為該開關半橋電路提供一輸出。該閘極驅動器電路亦包含用於接收用於該閘極驅動器電路之操作功率之一電源電壓端子，用於提供用於驅動該高側電晶體之一第一閘極驅動信號之一第一輸出端子，用於提供用於驅動該低側電晶體之一第二閘極驅動信號之一第二輸出端子，用於耦合至該開關半橋電路之該中點之一第三輸出端子，及用於耦合至與該開關半橋電路之該中點耦合之一自舉電容器之一啟動電壓端子。該閘極驅動器電路亦包含具有一陽極及一陰極之一啟動二極體電路。該陽極耦合至該電源電壓端子，且該陰極耦合至該啟動電壓端子。該啟動電壓高於該電源電壓。該啟動二極體電路包含用於耦合至一電源電壓端子之一陽極，用於耦合至一啟動電壓端子之一陰極，及一高壓PMOS電晶體，該高壓PMOS電晶體具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極。該高壓PMOS電晶體之特徵在於在量值上高於一最大啟動電壓與該電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
定義
在本發明之內容脈絡中，本發明中使用之術語通常具有其等在此項技術中之一般含義。下面討論某些術語以向實踐者提供關於本發明之描述之額外指導。將瞭解，同樣事物可用一種以上方式陳述。因此，可使用替代語言及同義詞。
本文所使用之一半橋電路係指具有垂直地堆疊並在一中點處連接之一高側電晶體及一低側電晶體之一開關電路。
本文所使用之死區時間係指一半橋開關電路中之一高側電晶體及一低側電晶體兩者皆被關斷之時間。
本文所使用之一功率開關係指經設計用於處置高功率位準 之一半導體開關，例如一電晶體。
一功率MOSFET係一種特殊類型之金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，其經設計用於處置顯著之功率位準。用於開關操作之一功率MOSFET之一實例被稱為雙擴散MOS或簡稱DMOS。
本文所使用之一絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)係指主要用作結合高效率及快速開關之一電子開關之一三端子功率半導體裝置。
一功率轉換器係用於轉換電能之一電氣或機電裝置，諸如在AC與DC之間轉換或改變電壓、電流或頻率，或此等轉換之某些組合。一功率轉換器通常包含電壓調節。
一開關調節器或開關模式電源(SMPS)使用一主動裝置，其接通及關斷以維持一平均輸出值。相反，使一線性穩壓器充當一可變電阻器，其不斷地調整一分壓器網路以維持一恒定輸出電壓並不斷耗散功率。
一電壓參考係一種電子裝置，其在理想情況下產生一固定(恒定)電壓，而無關於裝置上之負載、電源變動、溫度變化及時間推移。
一參考電壓係用作一比較操作之一目標之一電壓值。
當用片語「相同」描述兩個量時，其意謂判定兩個量之值在量測限制內係相同的。
100:閘極驅動器電路
101:輸入端子/輸入開關信號/IN
102:第一輸出端子/啟用信號/EN
103:第二輸出端子
104:虛擬源極端子/VS
105:啟動電壓端子
107:電源端子
114:死區時間控制電路
116:位準移位器
121:高側驅動器
122:低側驅動器
130:啟動二極體電路
131:陽極
132:陰極
133:高壓PMOS電晶體
134:源極
135:汲極
136:閘極
137:體二極體
140:自舉電容器
150:啟動控制電路
190:開關半橋電路
191:高側電晶體/Q1
192:低側電晶體/Q2
195:中點
197:電源端子
200:啟動二極體電路
230:啟動二極體電路
231:陽極
232:陰極
234:源極
235:汲極
236:閘極
237:體二極體
250:啟動控制電路
260:電流源
261:恒定電流源
262:電晶體/N0
263:電晶體/N1
264:第一開關
265:第二開關
300:高壓PMOS電晶體
301:p型矽基板
302:埋藏n型層/BN
303:n井區域
304:高壓n井區域/HVNW
305:n井區域/LVNW
306:HVPW
307:第一p+區域
308:第二p+區域
309:閘極區域
310:閘極介電區域
312:場氧化區域
400:啟動二極體電路
VDD:電源電壓
HS_ON:第一閘極控制信號
LS_ON:第二閘極控制信號
HS_G:閘極電壓
LS_G:第二輸出信號
VB:升高電壓
VPOWER:電壓
Iref:電流
R:電阻器
t1:時間
t2:時間
圖1係繪示體現本發明之某些態樣之一閘極驅動器電路之一簡化方塊圖；圖2係繪示體現本發明之某些態樣之圖1之閘極驅動器電路之一啟動二極體電路之一簡化方塊圖；圖3係繪示體現本發明之某些態樣之圖1至圖3之啟動二極 體電路之一高壓PMOS之一橫截面圖；圖4係繪示體現本發明之某些態樣之圖1之閘極驅動器電路之另一啟動二極體電路之一簡化方塊圖；圖5係繪示在一習知閘極驅動器電路中用一接面二極體或一肖特基二極體實施之一啟動電路之操作之一波形圖；及圖6係繪示體現本發明之某些態樣之圖1之閘極驅動器電路中之一啟動電路之操作之一波形圖。
圖1係繪示體現本發明之某些態樣之另一閘極驅動器電路之一簡化方塊圖。如圖1中所示，一閘極驅動器電路100包含用於接收用於驅動一開關半橋電路190之一輸入開關信號IN之一輸入端子101，該開關半橋電路包含在提供一電壓VPOWER之一電源端子197與標記為PGND之一接地端子之間之一中點195處串聯連接之一高側電晶體191(Q1)及一低側電晶體192(Q2)。中點195提供用於開關半橋電路190之一輸出。閘極驅動器電路100在一電源端子107處之一電源電壓VDD與標記為GND之一接地之間操作。在一些實例中，PGND係與GND分離之一接地，GND係閘極驅動器電路100之所有內部電路之接地。PGND與GND皆可連接至PCB上之一系統接地。
閘極驅動器電路100亦包含用於提供用於驅動高側電晶體Q1之一第一輸出信號HS_G之一第一輸出端子102及用於提供用於驅動低側電晶體Q2之一第二輸出信號LS_G之一第二輸出端子103。閘極驅動器電路100亦包含具有一電壓VB之用於耦合至一自舉電容器140之一啟動電壓端子105，自舉電容器140耦合至開關半橋電路190之中點195。
在圖1中，閘極驅動器電路100亦包含一死區時間控制電路114。一功率轉換器中之一半橋組態通常具有在一公共節點處連接之一高側N通道MOSFET及一低側N通道MOSFET。若兩個N通道MOSFET同時接通，則一擊穿電流將自電源流至接地，其可能大到足以損壞MOSFET。因此，通常在第一MOSFET關斷之後且在第二MOSFET接通之前引入一延遲時間。此時間段被稱為死區時間，在死區時間期間，高側MOSFET及低側MOSFET皆不接通。死區時間控制電路114在開關循環之間引入一適當死區時間。
回應於一輸入開關信號101(IN)及一啟用信號102(EN)，死區時間控制電路114生成用於接通高側電晶體191(Q1)之一第一閘極控制信號HS_ON及用於接通低側電晶體192(Q2)之一第二閘極控制信號LS_ON。
如圖1所示，閘極驅動器電路100亦包含一高側驅動器121(HS_Driver)及一低側驅動器122(LS_Driver)。高側驅動器121基於第一閘極控制信號HS_ON生成第一輸出信號HS_G。低側驅動器122基於第二閘極控制信號LS_ON生成第二輸出信號LS_G。
在一半橋組態中，高側電晶體Q1之閘極電壓HS_G係一高壓信號。因此，在HS_G與死區時間控制電路114之間設置一位準移位器116。在半橋組態中，諸如針對一功率轉換器或一SMPS，電晶體Q1及Q2可為功率開關，諸如MOSFET或IGBT。閘極驅動器電路100亦具有一虛擬源極端子104(VS)，其耦合至半橋電路190之中點195，該中點繼而耦合至HS MOSFET 191之一源極端子及LS MOSFET 192之一汲極端子。VS端子亦用作用於高壓裝置及電路(例如位準移位器電路116及HS閘極驅動 器電路121)之一虛擬接地。
閘極驅動器電路100亦包含一啟動二極體電路130。啟動二極體電路130包含用於耦合至一電源電壓端子VDD之一陽極131及用於耦合至一啟動電壓端子VB之一陰極132。啟動二極體電路130亦包含一高壓PMOS電晶體133，其具有形成啟動二極體電路之陰極之一源極134及形成啟動二極體電路之陽極之一汲極135。高壓PMOS電晶體133亦具有一閘極136及一體二極體137。如下文進一步解釋，高壓PMOS電晶體133之特徵在於在量值上高於VB處之一最大啟動電壓與VDD處之電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
啟動二極體電路130亦包含一啟動控制電路150，其經組態以接通高壓PMOS電晶體133以容許VDD處之電源電壓對自舉電容器140充電。啟動控制電路150亦經組態以當VB處之啟動電壓升高至比VDD處之電源電壓更高之一電壓時關斷高壓PMOS電晶體133。
在操作中，當IN為低時，HS_ON/HS_G為低；HV PMOSFET接近，此與一正向二極體類似，只是電壓降小得多(例如，<100mV)；且來自VDD之電流通過P-MOSFET，並經充電至VB與VS之間之自舉電容器140中。當IN為高時，HS_ON及HS_G為高，從而接通高側電晶體191(Q1)並上拉電壓VB，該電壓VB耦合至中點195及高側電晶體191(Q1)之源極節點。此時，電壓VB升高至接近VDD+VPOWER之一電壓，其可比VDD高很多。因此，需要關斷P-MOSFET以防止自舉電容器140上之電荷流回至電源電壓VDD。以此方式，啟動二極體裝置與一反向偏置之一二極體類似地操作。
在圖1之實例中，閘極驅動器電路100包含在一積體電路 (IC)晶片中，且自舉電容器140展示為在IC晶片外部。在一些實施例中，自舉電容器140可與閘極驅動器電路100包含在一相同積體電路(IC)晶片中。
圖2係繪示體現本發明之某些態樣之圖1之閘極驅動器電路之一啟動二極體電路之一簡化方塊圖。圖2中之啟動二極體電路200係可用作圖1之閘極驅動器電路100中之啟動二極體電路130之一啟動二極體電路之一實例。如圖2所示，啟動二極體電路200包含用於耦合至一電源電壓端子VDD之一陽極231及用於耦合至一啟動電壓端子VB之一陰極232。啟動二極體電路230亦包含一高壓PMOS電晶體230，其具有形成啟動二極體電路之陰極之一源極234及形成啟動二極體電路之陽極之一汲極235。高壓PMOS電晶體230亦具有一閘極236及一體二極體237。高壓PMOS電晶體230之特徵在於在量值上高於VB處之一最大啟動電壓與VDD處之電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
啟動二極體電路200亦包含一啟動控制電路250，其經組態以接通高壓PMOS電晶體230以容許VDD處之電源電壓對一自舉電容器進行充電。啟動控制電路250亦經組態以當VB處之啟動電壓升高至比VDD處之電源電壓更高之一電壓時關斷高壓PMOS電晶體230。
如圖2所示，啟動控制電路250包含耦合於高壓PMOS電晶體230之源極234與閘極236之間之一電阻器R，以及耦合至高壓PMOS電晶體230之閘極236之一電流源260。電流源260可經組態以由一控制信號HS_ON接通以在電阻器R中引起一電流流動，從而導致一閘源電壓Vgs接通高壓PMOS電晶體230。
在此實例中，電流源260包含具有一電流Iref之一恒定電流 源261及由電晶體262(N0)與263(N1)形成之一電流鏡，從而提供高壓PMOS電晶體230之一恒定閘源電壓Vgs。作為一實例，可使用自電源電壓VDD得到之一恒定參考電壓用一電晶體產生恒定電流源261。由於Iref係恒定的，因此高壓PMOS電晶體230之Vgs可如下表示：Vgs=V(GT)-V(VB)=Iref x N x R， 其中N係電晶體262與263之間之電晶體大小比。因此，Vgs獨立於電源電壓VDD及啟動電壓VB。進一步言之，可選擇N及R之適當值及MOSFET大小來滿足設計要求。
電流源260亦包含高壓NMOS電晶體分別作為回應於控制信號(在此實例中為HS_ON)之一第一開關264及一第二開關265。在圖2中可看到，第一開關264耦合於恒定電流源261與電流鏡之第一電晶體262之間。第二開關265耦合於高壓PMOS電晶體230之閘極236與電流鏡之第二電晶體263之間。
此處描述之啟動二極體電路可提供諸多優點。取決於實施方案，可實現以下一或多個優點。例如，P-MOSFET上之電壓降接近於零，當高壓P-MOSFET閉合時沒有正向噴射電流，當P-MOSFET斷開時反向洩漏電流非常小，且BOM清單中之組件更少。設計更簡單且成本可降低。此外，低正向電壓降容許啟動二極體裝置與一低電源電壓(例如4V或更低)一起使用。
圖1之啟動二極體裝置133及圖2之啟動二極體裝置230中之高壓PMOS電晶體之特徵在於在量值上高於一最大啟動電壓與電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。作為一實例，VDD係12V，VPOWER係100V，且高壓PMOS電晶體需要維持高達88V之一電壓降。在一些應用 中，VPOWER可高達600V至700V。在此類情況下，可使用一適當高壓PMOS裝置。下面參考圖3描述高壓PMOS電晶體之一實例。
圖3係繪示體現本發明之某些態樣之圖1至圖2之啟動二極體電路之一高壓PMOS之一橫截面圖。如圖3所示，高壓PMOS電晶體300包含一p型矽基板301、一埋藏n型層302(BN)、一n井區域303、埋藏n型層302上之一高壓n井區域304(HVNW)及一n井區域305(LVNW)。一第一p+區域307形成高壓PMOS電晶體300之汲極，且第二p+區域308形成高壓PMOS電晶體300之源極。一閘極區域309上覆一閘極介電區域310。場氧化區域312上覆裝置之表面以隔離各個區域。
圖3中之高壓PMOS電晶體300係一P通道非對稱裝置之一實例。高壓PMOS電晶體300具有一閘極介電區域310，其位於n井305及HVNW 304上。閘極介電區域310具有取決於用於操作電壓之一適當厚度。HVPW 306被用作一漂移區域，其藉由HVNW 304及BN 302與p型矽基板301隔離。圖3中之高壓PMOS電晶體300可經設計以具有在量值上高於一最大啟動電壓與電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
如上所描述，圖2中之啟動二極體電路230在VDD/GND之低壓功率域中操作。在一替代設計中，一啟動二極體電路可經組態以在一高壓功率域中操作。下面參考圖4描述一實例。
圖4係繪示體現本發明之某些態樣之圖1之閘極驅動器電路之另一啟動二極體電路之一簡化方塊圖。圖4中之啟動二極體電路400係可用作圖1之閘極驅動器電路100中之啟動二極體電路130之一啟動二極體電路之另一實例。啟動二極體電路400與圖2之啟動二極體電路200類似。然而，此處指出兩個電壓降。首先，啟動控制電路之接地節點在VS處， 其為用於閘極驅動器電路之高壓操作之虛擬接地。第二，用於控制高壓PMOS電晶體之通斷之開關信號係HS_G，其為信號HS_ON之位準移位版本。進一步言之，出於高電壓考慮，可能需要修改一些裝置組件。下面以呈現啟動二極體電路400之一更詳細描述，其中相同參考標記用於與圖2之啟動二極體電路200中之組件類似之組件。
如圖4所示，啟動二極體電路400包含用於耦合至一電源電壓端子VDD之一陽極231及用於耦合至一啟動電壓端子VB之一陰極232。啟動二極體電路400亦包含一高壓PMOS電晶體230，其具有形成啟動二極體電路之陰極之一源極234及形成啟動二極體電路之陽極之一汲極235。高壓PMOS電晶體230亦具有一閘極236及一體二極體237。高壓PMOS電晶體230之特徵在於在量值上高於VB處之一最大啟動電壓與VDD處之電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
啟動二極體電路400亦包含一啟動控制電路250，其經組態以接通高壓PMOS電晶體230以容許VDD處之電源電壓對一自舉電容器進行充電。啟動控制電路250亦經組態以當VB處之啟動電壓升高至比VDD處之電源電壓更高之一電壓時關斷高壓PMOS電晶體230。
如圖4所示，啟動控制電路250包含耦合於高壓PMOS電晶體230之源極234與閘極236之間之一電阻器R，以及耦合至高壓PMOS電晶體230之閘極236之一電流源260。電流源260可經組態以由一控制信號HS_G接通以在電阻器R中引起一電流流動，從而導致一閘源電壓Vgs接通高壓PMOS電晶體230。
在此實例中，電流源260包含具有一電流Iref之一恒定電流源261及由電晶體262與263形成之一電流鏡，從而提供高壓PMOS電晶體 230之一恒定閘源電壓Vgs。作為一實例，可使用自電源電壓VDD得到在一恒定參考電壓用一電晶體產生恒定電流源261。由於Iref係恒定的，因此高壓PMOS電晶體230之Vgs可如下表示：Vgs=V(GT)-V(VB)=Iref x N x R， 其中N係電晶體262與263之間之電晶體大小比。因此，Vgs獨立於電源電壓VDD及啟動電壓VB。此外，可選擇N及R之適當值及MOSFET大小來滿足設計要求。
電流源260亦包含回應於控制信號(在此實例中為HS_G)之一第一開關264及一第二開關265。在圖4中可看到，第一開關264耦合於恒定電流源261與電流鏡之第一電晶體262之間。第二開關265耦合於高壓PMOS電晶體230之閘極236與電流鏡之第二電晶體263之間。
此處描述之啟動二極體電路可提供以下優點之一或多者。例如，P-MOSFET上之電壓降接近於零，當高壓P-MOSFET閉合時沒有正向噴射電流，當P-MOSFET斷開時反向洩漏電流非常小，且BOM清單中之組件更少。該設計更簡單且成本可降低。
圖5係繪示在一閘極驅動器電路中用一接面二極體或肖特基二極體實施之一啟動電路之操作之一波形圖，且圖6係繪示體現本發明之某些態樣之圖1之閘極驅動器電路中之一啟動電路之操作之一波形圖。
在圖5及圖6兩者中，繪示以下信號之波形。
IN-用於交替接通低側電晶體或高側電晶體之輸入開關信號
LS_ON-低壓VDD/GND功率域中用於接通低側電晶體之閘極控制信號
HS_ON-低壓VDD/GND功率域中用於接通高側電晶體之閘極控制 信號
LS_G-高壓VDD+VPOWER/VS功率域中用於接通低側電晶體之閘極控制信號
HS_G-高壓VDD/GND功率域中用於接通高側(HS)電晶體之閘極控制信號
VS-耦合至半橋輸出電路中點之一端子，其用作高壓VDD+VPOWER/VS功率域之一虛擬接地
VB-耦合至自舉電容器之啟動電壓端子；VB提供用於高壓VDD+VPOWER/VS功率域中之電路組件之操作功率
在圖5及圖6兩者中，在時間t1處，將輸入開關信號IN升高至一高值，LS_ON變低，且HS_ON變高，其中有一些延遲。類似地，LS_G變低且HS_G變高。此外，VS變高，且VB變高。在時間t2處，將輸入開關信號IN降低至一低值，LS_ON變高，且HS_ON變低，其中有一些延遲。類似地，LS_G變高且HS_G變低。此外，VS變低且VB變低。
在圖5中，在使用一接面二極體或肖特基二極體作為啟動二極體裝置之情況下，啟動電壓端子VB處之電壓僅能被充電至VDD-dV或VDD+VPOWER-dV，其中在使用一肖特基二極體之情況下dV約為200mV至300mV，在使用一接面二極體之情況下dV約為700mV。在圖6中，在啟動二極體裝置具有一高壓PMOS電晶體及一啟動控制電路之情況下，正向壓降dV可小至100mV或更低。在適當地選擇P-MOSFET大小及IN上之開關信號之情況下，可使正向電壓降接近於零。
此處描述之啟動二極體電路可提供以下優點之一或多者。例如，P-MOSFET上之電壓降接近於零，當高壓P-MOSFET閉合時沒有正 向噴射電流，當P-MOSFET斷開時反向洩漏電流非常小，且BOM清單中之組件更少。該設計更簡單且成本可將低。
100:閘極驅動器電路
101:輸入端子/輸入開關信號/IN
102:第一輸出端子/啟用信號/EN
103:第二輸出端子
104:虛擬源極端子/VS
105:啟動電壓端子
107:電源端子
114:死區時間控制電路
116:位準移位器
121:高側驅動器
122:低側驅動器
130:啟動二極體電路
131:陽極
132:陰極
133:高壓PMOS電晶體
134:源極
135:汲極
136:閘極
137:體二極體
140:自舉電容器
150:啟動控制電路
190:開關半橋電路
191:高側電晶體/Q1
192:低側電晶體/Q2
195:中點
197:電源端子
VDD:電源電壓
HS_ON:第一閘極控制信號
LS_ON:第二閘極控制信號
HS_G:閘極電壓
LS_G:第二輸出信號
VB:升高電壓
VPOWER:電壓

Claims (20)

  1. 一種啟動(bootstrap)二極體電路，其包括：一陽極，其用於耦合至一電源電壓端子；一陰極，其用於耦合至一啟動電壓端子；一高壓p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體，其具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極，其中該高壓PMOS電晶體具有在量值上高於一最大啟動電壓與一電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓；及一啟動控制電路，其用於回應於一控制信號而接通該高壓PMOS電晶體，該啟動控制電路包含：一電阻器，其直接連接於該高壓PMOS電晶體之該源極與一閘極之間；及一恒定電流源及一電流鏡，其耦合至該高壓PMOS電晶體之該閘極，該恒定電流源及電流鏡經組態以獨立於該電源電壓及該啟動電壓提供一恒定閘源電壓以接通該高壓PMOS電晶體。
  2. 如請求項1之啟動二極體電路，其中該電流鏡包含一第一電晶體及一第二電晶體，且該電流源進一步包括回應於該控制信號之一第一開關及一第二開關，其中：該第一開關耦合於該恒定電流源之該閘極與該電流鏡之該第一電晶體之間；且該第二開關耦合於該高壓PMOS電晶體之該閘極與該電流鏡之該第二 電晶體之間。
  3. 如請求項1之啟動二極體電路，其中該高壓PMOS電晶體係耦合於該陽極與該陰極之間之唯一高壓電晶體。
  4. 如請求項1之啟動二極體電路，其中該高壓PMOS電晶體包括具有用於維持一高電壓降之一漂移區域之一非對稱P通道裝置。
  5. 一種啟動二極體電路，其包括：一陽極，其用於耦合至一電源電壓端子；一陰極，其用於耦合至一啟動電壓端子；一高壓p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體，其具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極，一電流源，其耦合至該高壓PMOS電晶體之一閘極；及一電阻器，其直接連接於該高壓PMOS電晶體之該源極與該閘極之間，其中該高壓PMOS電晶體具有在量值上高於一最大啟動電壓與該電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓；及獨立於該電源電壓及該啟動電壓之一閘源電壓以接通該高壓PMOS電晶體。
  6. 如請求項5之啟動二極體電路，其中該電流源經組態以藉由一控制信號接通以在該電阻器中引起電流流動從而產生一閘源電壓以接通該高壓 PMOS電晶體。
  7. 如請求項6之啟動二極體電路，其中該電流源包括一恒定電流源及一電流鏡，該恒定電流源及電流鏡獨立於該電源電壓及該啟動電壓提供該高壓PMOS電晶體之一恒定閘源電壓。
  8. 如請求項7之啟動二極體電路，其中該恒定電流源包括由一恒定參考電壓控制之一MOS電晶體。
  9. 如請求項7之啟動二極體電路，其中該電流鏡包含一第一電晶體及一第二電晶體，且該電流源進一步包括回應於該控制信號之一第一開關及一第二開關，其中：該第一開關耦合於該恒定電流源之該閘極與該電流鏡之該第一電晶體之間；且該第二開關耦合於該高壓PMOS電晶體之該閘極與該電流鏡之該第二電晶體之間。
  10. 如請求項5之啟動二極體電路，其中該高壓PMOS電晶體包括具有用於維持一高電壓降之一漂移區域之一非對稱P通道裝置。
  11. 如請求項5之啟動二極體電路，其中該高壓PMOS電晶體係耦合於該陽極與該陰極之間之唯一高壓電晶體。
  12. 一種閘極驅動器電路，其包括：一輸入端子，其用於接收用於驅動一開關半橋電路之一輸入開關信號，該開關半橋電路具有在一中點處串聯耦合之一高側電晶體及一低側電晶體，該中點為該開關半橋電路提供一輸出；一電源電壓端子，其用於接收用於該閘極驅動器電路之操作功率；一第一輸出端子，其用於提供用於驅動該高側電晶體之一第一閘極驅動信號；一第二輸出端子，其用於提供用於驅動該低側電晶體之一第二閘極驅動信號；一第三輸出端子，其用於耦合至該開關半橋電路之該中點；一啟動電壓端子，其用於耦合至與該開關半橋電路之該中點耦合之一自舉電容器(bootstrap capacitor)；及一啟動二極體電路，其具有一陽極與一陰極，該陽極耦合至該電源電壓端子且該陰極耦合至該啟動電壓端子，一啟動電壓高於該電源電壓，其中該啟動二極體電路包含：一陽極，其用於耦合至該電源電壓端子；一陰極，其用於耦合至該啟動電壓端子；及一高壓p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體，其具有形成該啟動二極體電路之該陰極之一源極及形成該啟動二極體電路之該陽極之一汲極；及一啟動控制電路，其獨立於該電源電壓及該啟動電壓提供該高壓PMOS電晶體之一恒定閘源電壓，其中該高壓p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體之特徵在於在量 值上高於一最大啟動電壓與該電源電壓之間之一電壓降之一崩潰電壓。
  13. 如請求項12之閘極驅動器電路，其中該啟動二極體電路包含：耦合於該高壓PMOS電晶體之該源極與一閘極之間之一電阻器；及耦合至該高壓PMOS電晶體之該閘極之一電流源，該電流源經組態以藉由一控制信號接通以在該電阻器中引起一電流流動從而產生一閘源電壓以接通該高壓PMOS電晶體。
  14. 如請求項13之閘極驅動器電路，其中該啟動控制電路中之該電流源包括一恒定電流源及一電流鏡，該恒定電流源及電流鏡獨立於該電源電壓及該啟動電壓提供該高壓PMOS電晶體之一恒定閘源電壓。
  15. 如請求項14之閘極驅動器電路，其中該恒定電流源包括由一恒定參考電壓控制之一MOS電晶體。
  16. 如請求項14之閘極驅動器電路，其中該電流鏡包含一第一電晶體及一第二電晶體，且該電流源進一步包括回應於該控制信號之一第一開關及一第二開關，其中：該第一開關耦合於該恒定電流源之該閘極與該電流鏡之該第一電晶體之間；且該第二開關耦合於該高壓PMOS電晶體之該閘極與該電流鏡之該第二電晶體之間。
  17. 如請求項13之閘極驅動器電路，其中該啟動控制電路耦合至該閘極驅動器之該第三輸出端子處之一虛擬接地以耦合至該開關半橋電路之該中點。
  18. 如請求項12之閘極驅動器電路，其中該高壓PMOS電晶體包括具有用於維持一高電壓降之一漂移區域之一非對稱P通道裝置。
  19. 如請求項12之閘極驅動器電路，其中該高壓PMOS電晶體係耦合於該啟動二極體電路之該陽極與該陰極之間之唯一高壓電晶體。
  20. 如請求項12之閘極驅動器電路，其中該自舉電容器與該閘極驅動器電路包含在一相同積體電路(IC)晶片中。
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