專利名稱：用于降低dc－dc轉(zhuǎn)換器中損耗的方法和電路的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)對(duì)照本申請(qǐng)要求2001年8月23日提交的美國(guó)申請(qǐng)No.60/314607標(biāo)題為“Method andCircuit for Reducing Losses in DC-DC converters(用于降低DC-DC轉(zhuǎn)換器中損耗的方法和電路)”的優(yōu)先權(quán)，在此全文并入以供參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及集成電路，尤其涉及用于實(shí)現(xiàn)更高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法和電路。
一種類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器采用晶體管開關(guān)，控制該開關(guān)來周期性地將電荷從輸入DC電壓電源轉(zhuǎn)移給建立輸出DC電壓的負(fù)載裝置。雖然有不同的方法來實(shí)現(xiàn)這種類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換，但最普通技術(shù)是將電感器和電容器用作能量存儲(chǔ)元件并將一個(gè)或多個(gè)MOSFET用作開關(guān)元件。
為了增加轉(zhuǎn)換器的效率，嘗試最小化開關(guān)元件(MOSFET)中的損耗。DC-DC轉(zhuǎn)換器中有三種類型的損耗(i)傳導(dǎo)損耗，(ii)動(dòng)態(tài)損耗，和(iii)柵電容開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗正比于開關(guān)晶體管的通態(tài)電阻，在MOSFET的情況下該通態(tài)電阻將是其源極和漏極的通態(tài)電阻(RDSon)。傳導(dǎo)損耗還正比于負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管的控制信號(hào)的工作循環(huán)。動(dòng)態(tài)損耗正比于控制信號(hào)的上升和下降時(shí)間以及輸入DC電壓和負(fù)載電流的量。柵電容開關(guān)損耗正比于柵極電荷Qg、開關(guān)頻率和柵極電壓。對(duì)于較大的負(fù)載電流，動(dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗的量遠(yuǎn)大于柵電容開關(guān)損耗。但是，較低的負(fù)載電流時(shí)柵電容開關(guān)損耗變成主要的。
對(duì)于給定的輸入DC電壓、輸出電壓和較大的負(fù)載電流，為了降低傳導(dǎo)損耗，需要降低RDSon。這通常是通過采用較大的或多個(gè)MOSFET來實(shí)現(xiàn)的。但是，較大的MOSFET具有較大的柵極電荷Qg，這減緩控制信號(hào)的上升和下降時(shí)間從而導(dǎo)致較大的動(dòng)態(tài)損耗。相反地，為了降低動(dòng)態(tài)損耗，需要降低柵極電荷Qg，這需要較小的MOSFET，而這又導(dǎo)致RDSon的增加從而增加了傳導(dǎo)損耗。該權(quán)衡迫使常規(guī)設(shè)計(jì)在兩種類型的損耗之間兼顧，從而導(dǎo)致效率方面遜于最優(yōu)設(shè)計(jì)。同樣，需要提供一種轉(zhuǎn)換器，能控制它以便對(duì)于高和低負(fù)載電流都能使損耗最小。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)轉(zhuǎn)換器包括并聯(lián)在兩個(gè)端子之間的兩個(gè)晶體管Q1和Q2。晶體管Q1被優(yōu)化成降低動(dòng)態(tài)損耗而晶體管Q2被優(yōu)化成降低傳導(dǎo)損耗。配置和操作Q1和Q2以使轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)損耗主要由Q1支配而轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗主要由Q2支配。因此，消除了常規(guī)技術(shù)中存在的兩種類型的損耗之間的權(quán)衡，允許獨(dú)立地降低動(dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗。此外，Q1和Q2的特殊結(jié)構(gòu)和操作方式使得在低負(fù)載電流情況下工作時(shí)柵電容開關(guān)損耗降低。
在一個(gè)實(shí)施例中，電路包括第一開關(guān)和耦合到第一開關(guān)的控制器塊。第一開關(guān)包括并聯(lián)在第一和第二端子之間的第一和第二晶體管。第二晶體管的尺寸大于第一晶體管。如果通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移的第一電流大于預(yù)定量，則控制器塊就開始工作以通過(i)接通第一晶體管以使第二端子處的電壓電平開始移向第一端子處的預(yù)定電壓電平，和(ii)在第一端子處的電壓電平達(dá)到基本等于預(yù)定電壓電平的電壓電平后接通第二晶體管，來接通第一開關(guān)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在第二晶體管接通后，通過第二晶體管轉(zhuǎn)移第一電流的大部分。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如果第一電流小于預(yù)定量，則控制器塊通過接通第一晶體管并將第二晶體管保持在斷開狀態(tài)來接通第一開關(guān)從而第一電流僅通過第一晶體管轉(zhuǎn)移。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第一晶體管的柵電容小于第二晶體管，且第二晶體管的通態(tài)電阻小于第一晶體管。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如果第一電流大于預(yù)定量，則控制器塊就工作來通過(i)起初斷開第二晶體管以使僅通過第一晶體管轉(zhuǎn)移第一電流，和(ii)隨后斷開第一晶體管從而沒有電流通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移來斷開開關(guān)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第一端子耦合到輸入源而第二端子耦合到輸出負(fù)載，電路還包括具有第三和第四晶體管并聯(lián)在輸出負(fù)載和參考源之間的第二開關(guān)?？刂破鲏K耦合到第二開關(guān)，從而當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)接通時(shí)第二開關(guān)斷開，反之亦然。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第三晶體管的尺寸小于第四晶體管，且如果第一電流大于預(yù)定量，則控制塊通過(i)起初接通第三晶體管以使輸出負(fù)載處的電壓電平向參考源處的參考電位下降，和(ii)接著在輸出負(fù)載處的電壓電平達(dá)到基本等于參考電位的電壓電平之后接通第四晶體管來接通第二開關(guān)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如果第一電流小于預(yù)定量，則控制器塊僅通過接通第三晶體管和將第四晶體管保持在斷開狀態(tài)來接通第二開關(guān)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第三晶體管具有小于第四晶體管的柵電容而第四晶體管具有小于第三晶體管的通態(tài)電阻。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器電路包括第一開關(guān)，該開關(guān)又包括并聯(lián)在第一和第二端子之間的第一和第二晶體管。第一晶體管的尺寸小于第二晶體管。操作轉(zhuǎn)換器電路的方法如下。在第一循環(huán)中斷開第一開關(guān)，并在第二循環(huán)中接通。在從第一循環(huán)到第二循環(huán)的過渡期間，接通第一晶體管以使第二端子處的電壓電平開始移向第一端子處的預(yù)定電壓電平。如果要通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移的第一電流大于預(yù)定量，則在第一端子處的電壓電平達(dá)到基本等于預(yù)定電壓電平的電壓電平之后接通第二晶體管。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在接通第一晶體管時(shí)，第一晶體管將第一電流從第一端子轉(zhuǎn)移到第二端子，而在接通第二晶體管時(shí)，第二晶體管在第二循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將第一電流的大部分從第一端子轉(zhuǎn)移到第二端子。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在第三循環(huán)中斷開第一開關(guān)，并在從第二循環(huán)到第三循環(huán)的過渡期間(i)斷開第二晶體管從而僅通過第一晶體管將第一電流轉(zhuǎn)移到第二端子，和(ii)在從斷開第二晶體管起的預(yù)定時(shí)間延遲之后，斷開第一晶體管從而沒有電流通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如果第一電流小于預(yù)定量，則在第二循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)第二晶體管保持?jǐn)嚅_。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第一晶體管的柵電容小于第二晶體管，而第二晶體管的通態(tài)電阻小于第一晶體管。
在另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換器電路還包括第二開關(guān)。在第一循環(huán)中，斷開第一開關(guān)和接通第二開關(guān)，而在第二循環(huán)中，接通第一開關(guān)和斷開第二開關(guān)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第一端子耦合到輸入源而第二端子耦合到輸出負(fù)載。第二開關(guān)具有并聯(lián)在輸出負(fù)載和參考源之間的第三和第四晶體管。第三晶體管的尺寸小于第四晶體管。在從第一循環(huán)到第二循環(huán)的過渡期間，通過(i)接通第四晶體管；和(ii)在從斷開第四晶體管起的預(yù)定時(shí)間延遲之后斷開第三晶體管從而沒有電流通過第二開關(guān)轉(zhuǎn)移來斷開第二開關(guān)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，第三晶體管的柵電容小于第四晶體管而第四晶體管的通態(tài)電阻小于第三晶體管。
以下詳細(xì)描述和附圖提供了對(duì)本發(fā)明的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的較佳理解。
附圖概述

圖1a示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)例性實(shí)施例的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化的實(shí)例；圖1b示出用來描述圖1a所示開關(guān)轉(zhuǎn)換器的操作的時(shí)序圖；圖2a示出已知為同步Buck轉(zhuǎn)換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其中為了改善其效率而根據(jù)本發(fā)明對(duì)其進(jìn)行了修改；圖2b示出用來描述圖2a所示的開關(guān)轉(zhuǎn)換器工作的時(shí)序圖；以及圖3a、3b和3c示出許多不同類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器中的三種，并用來說明不同類型的轉(zhuǎn)換器是如何根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行修改以改善其效率的。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種方法和電路，用于實(shí)現(xiàn)通過降低傳導(dǎo)損耗、動(dòng)態(tài)損耗和柵電容開關(guān)損耗改善開關(guān)效率的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。該開關(guān)轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)端子之間并聯(lián)的兩個(gè)晶體管Q1和Q2。晶體管Q1被優(yōu)化成降低動(dòng)態(tài)損耗而晶體管Q2被優(yōu)化成降低傳導(dǎo)損耗。配置和操作Q1和Q2以使轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)損耗由Q1主要支配而轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗由Q2主要支配。因此，消除了常規(guī)技術(shù)中存在的兩種類型的損耗之間的權(quán)衡，允許獨(dú)立地降低動(dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗。此外，Q1和Q2的特殊結(jié)構(gòu)和操作方式使得在低負(fù)載電流情況下工作時(shí)柵電容開關(guān)損耗降低。
在一個(gè)實(shí)施例中，晶體管Q1制成相對(duì)較小并具有較小的Qg，并被控制來在開關(guān)周期期間提供負(fù)載電流。晶體管Q2制成大于Q1并被控制為在開關(guān)周期期間是斷開的但在通態(tài)循環(huán)期間接通以提供大部分的負(fù)載電流。在這種情況中，通過在開關(guān)周期期間僅開關(guān)Q1的較小的柵極電荷，實(shí)現(xiàn)了較快的控制信號(hào)上升和下降時(shí)間并因此實(shí)現(xiàn)了較低的動(dòng)態(tài)損耗。同時(shí)，采用相對(duì)尺寸較大的Q2，在開關(guān)是接通的持續(xù)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較低的接通電阻并因此實(shí)現(xiàn)了較低的傳導(dǎo)損耗。在較低的負(fù)荷電流情況下工作時(shí)，不需要較大晶體管Q2的高傳導(dǎo)能力，因此總是保持?jǐn)嚅_。在這種方式中，在每個(gè)循環(huán)中僅開關(guān)Q1的小柵極電荷(而不是Q1和Q2兩者的柵極電荷)。因此，在較低負(fù)載電流情況下，柵電容開關(guān)損耗降低。因此，獨(dú)立地降低轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)損耗、傳導(dǎo)損耗和柵電容開關(guān)損耗而不彼此負(fù)面影響，從而顯著地改善了轉(zhuǎn)換器的效率。
圖1a示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)例性實(shí)施例的開關(guān)轉(zhuǎn)換器100的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。開關(guān)100包括耦合在輸入源110和輸出負(fù)載104之間的一對(duì)并聯(lián)開關(guān)MOSFET Q1和Q2。Q2的尺寸大于Q1(即，具有較低的通態(tài)電阻)。在一個(gè)實(shí)施例中，Q2比Q1大幾倍?？刂破鲏K102分開驅(qū)動(dòng)晶體管Q1和Q2的柵極。接著使用圖1b所示的時(shí)序圖描述開關(guān)100的工作。
圖1b中，通態(tài)循環(huán)(即開關(guān)100接通時(shí)的循環(huán))用來描述開關(guān)100的工作。時(shí)間t1之前，開關(guān)100是斷開的且節(jié)點(diǎn)112處的開關(guān)信號(hào)Vs處于較低的參考電位。時(shí)間t1時(shí)，控制器塊102通過將Q1的柵極電壓VG1升高來接通Q1。這就開始了從輸入源110到輸出負(fù)載104的電荷轉(zhuǎn)移過程。在時(shí)間延遲之后，在時(shí)間t2時(shí)，控制器塊102通過將Q2的柵極電壓VG2升高來接通晶體管Q2。將電壓信號(hào)VG1和VG2計(jì)時(shí)從而在輸出電壓Vs達(dá)到基本等于由輸入源110提供的電壓的電平之后將較大的晶體管Q2接通。以這種方式，到將Q2接通的時(shí)間為止，幾乎由Q1完成開關(guān)動(dòng)作。因此，在時(shí)間t2處接通時(shí)，Q2中小到幾乎沒有動(dòng)態(tài)損耗產(chǎn)生。圖1b中，時(shí)間t2處Vs的小階躍表示由于Q2(具有較小的通態(tài)電阻)接通引起的開關(guān)100上的電壓降減小。
如圖1b中電流波形IQ1(通過Q1的瞬態(tài)電流)和IQ2(通過Q2的瞬態(tài)電流)所示，在時(shí)間t1和t2之間在只有Q1接通時(shí)，Q1將負(fù)載電流提供給負(fù)載104。在時(shí)間t2之后，在Q1和Q2都接通時(shí)，由于Q2與Q1相比是較大的晶體管并具有較低的通態(tài)電阻，所以由Q2提供負(fù)載電流的大部分。Q1僅提供小部分的負(fù)載電流(圖1b中示作I1)。因此，轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo)損耗主要產(chǎn)生于Q2內(nèi)。
開關(guān)100將要斷開時(shí)在工作循環(huán)的末端處，在時(shí)間t3處控制器塊102首先通過降低其柵極電壓VG2將Q2斷開。因此，Q2停止向負(fù)載104提供負(fù)載電流。但是，此時(shí)晶體管Q1仍舊是接通的，因此晶體管Q2一斷開它就開始向負(fù)載提供負(fù)載電流。如Vs波形所示，在時(shí)間t3處當(dāng)負(fù)載電流從流經(jīng)Q2轉(zhuǎn)換為流經(jīng)Q1時(shí)，Vs下降一小量，這表示Q1的通態(tài)電阻較高。時(shí)間t4處，斷開Q1，因此斷開了負(fù)載電流。由于Q1和Q2都處于斷開狀態(tài)，低側(cè)開關(guān)(未示出)將Vs拉到較低的參考電位。因此，在工作循環(huán)的末端處，和工作循環(huán)的開始處一樣，開關(guān)損耗主要產(chǎn)生于Q1中。
如圖所示，這種技術(shù)允許優(yōu)化Q1的尺寸以降低動(dòng)態(tài)損耗并允許優(yōu)化Q2的尺寸以降低傳導(dǎo)損耗而彼此沒有負(fù)面影響。因此，可以為MOSFET Q1選擇較小的尺寸以獲得較低的動(dòng)態(tài)損耗而不引起傳導(dǎo)損耗的增加，而為MOSFET Q2選擇相對(duì)較大的尺寸以獲得較小的傳導(dǎo)損耗而不引起動(dòng)態(tài)(或開關(guān))損耗方面的惡化。
本發(fā)明的另一個(gè)有利方面在于它可以在很低到適度低的負(fù)載電流的情況時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的效率，其中在上述情況下轉(zhuǎn)換器損耗主要由柵電容開關(guān)支配。柵電容開關(guān)損耗約為Qg x柵極電壓x開關(guān)頻率如果在各時(shí)間僅開關(guān)Q1而保持Q2斷開，則被開關(guān)的柵極電荷Qg的量降低到較小的晶體管Q1的柵極。因此，顯著降低了輕負(fù)載電流情況下的轉(zhuǎn)換器損耗。在便攜式計(jì)算裝置(例如，膝上計(jì)算機(jī))中這是特別有利的，在上述便攜式計(jì)算裝置中便攜式裝置的主要時(shí)間(60％-70％)運(yùn)行在很低負(fù)載電流的條件下。
在一個(gè)實(shí)施例中，MOSFET Q1和Q2形成于單個(gè)集成電路電源裝置上，其中該集成電路電源裝置具有耦合到Q1和Q2的漏極的漏極端子、耦合到Q1和Q2的源極的源極端子以及耦合到Q1和Q2的各自柵極的兩個(gè)柵極端子。在可選實(shí)施例中，Q1和Q2形成作為分立的功率MOSFET部件。前述結(jié)合在一起的實(shí)施例產(chǎn)生較低的寄生電導(dǎo)、較低的PCB軌跡和較低的裝置成本。
圖1a示出本發(fā)明在高側(cè)開關(guān)中的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟練的技術(shù)人員來說，參考這里所揭示的內(nèi)容，本發(fā)明在低側(cè)開關(guān)中的實(shí)現(xiàn)或在具有一個(gè)或多個(gè)MOSFET開關(guān)的任何DC-DC轉(zhuǎn)換器中的實(shí)現(xiàn)將變得顯而易見。
圖2a示出公知為同步Buck轉(zhuǎn)換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器中根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了修改以改善其效率。其它類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)行類似的修改以改善它們的效率。圖2a中的轉(zhuǎn)換器包括高側(cè)開關(guān)200和低側(cè)開關(guān)206，串聯(lián)在輸入源210和參考源212之間。高側(cè)開關(guān)200包括一對(duì)MOSFET Q1和Q2，它們以類似于圖1a中開關(guān)100內(nèi)Q1和Q2的方式并聯(lián)在輸入源210和中間節(jié)點(diǎn)Vs208之間。耦合驅(qū)動(dòng)器D1來驅(qū)動(dòng)Q1的柵極，耦合驅(qū)動(dòng)器D2來驅(qū)動(dòng)Q2的柵極。低側(cè)開關(guān)206包括并聯(lián)在中間節(jié)點(diǎn)Vs208和參考源212之間的一對(duì)MOSFET Q3和Q4。在一個(gè)實(shí)施例中，參考源212是接地電位。耦合驅(qū)動(dòng)器D3來驅(qū)動(dòng)Q3的柵極，耦合驅(qū)動(dòng)器D4來驅(qū)動(dòng)Q4的柵極。中間節(jié)點(diǎn)Vs通過Buck轉(zhuǎn)換器中一般使用的LC濾波器耦合到負(fù)載204。
上述相同技術(shù)用于每個(gè)高側(cè)開關(guān)200和低側(cè)開關(guān)206中以便使整個(gè)轉(zhuǎn)換器的損耗最小。在高側(cè)開關(guān)200中，Q1的尺寸小于Q2，在低側(cè)開關(guān)206中，Q3的尺寸小于Q4。較小的Q1和Q3被優(yōu)化來降低開關(guān)損耗，同時(shí)將較大的Q2和Q4優(yōu)化來降低傳導(dǎo)損耗。使用圖2b描述圖2a中轉(zhuǎn)換器的操作。
再一次，通態(tài)循環(huán)用來描述圖2a中轉(zhuǎn)換器的工作。在工作循環(huán)開始處，在時(shí)間t1之前，Q1和Q2是斷開的，同時(shí)Q3和Q4是接通的。因此，Vs基本等于參考源212處的電位。由于Q4大于Q3，Q4提供(source)遠(yuǎn)大于Q3的負(fù)載電流部分。在時(shí)間t1處，驅(qū)動(dòng)器D4斷開Q4，隨后在時(shí)間t2處，驅(qū)動(dòng)器D3斷開Q3。因此，t1和t2之間，由于Q4斷開，所以Q3提供(source)負(fù)載電流。在t1處Vs示為稍許增加，這表示Q3的通態(tài)電阻較高。因此在時(shí)間t2處，由于Q4預(yù)先斷開，所以僅Q3工作來切斷負(fù)載電流，因此開關(guān)損耗主要由較小的Q3支配。
在時(shí)間t3處，驅(qū)動(dòng)器D1將Q1接通，隨后在時(shí)間t4處驅(qū)動(dòng)器D2接通Q2。Q1和Q2采用以上聯(lián)系圖1a的開關(guān)100所述的相同方式工作，因此，可以實(shí)現(xiàn)圖1a中一樣的效率。包含t2和t3之間的時(shí)間延遲來確保在從斷開下側(cè)開關(guān)206到接通上開關(guān)200的過渡期間不產(chǎn)生交叉電導(dǎo)(cross-conduc tance)(即沒有電流從輸入源210通過兩個(gè)開關(guān)流到參考源212)。
在t4和t5之間的時(shí)間期間(工作循環(huán)的傳導(dǎo)或非開關(guān)周期)，如上所述主要通過Q2將負(fù)載電流提供給負(fù)載204。由于Q2的較低通態(tài)電阻，顯著降低了開關(guān)200的傳導(dǎo)損耗。在通態(tài)循環(huán)的末端，就在時(shí)間t5之前，Q1和Q2是接通的而Q3和Q4是斷開的。因此，此時(shí)Vs基本等于輸入源210提供的電源電壓。時(shí)間t5處，驅(qū)動(dòng)器D2斷開Q2，隨后在時(shí)間t6處，驅(qū)動(dòng)器D1斷開Q1。如上聯(lián)系圖1a所述的，由于僅Q1工作來將負(fù)載電流斷開，這導(dǎo)致較低的開關(guān)損耗。
時(shí)間t7處，驅(qū)動(dòng)器D3將Q3接通，隨后在時(shí)間t8處，驅(qū)動(dòng)器D4將Q4接通。在這種方式中，起初，Q3用來提供負(fù)載電流以降低Vs，隨后接通Q4以便在斷開循環(huán)期間持續(xù)負(fù)載電流。再一次，開關(guān)損耗由較小尺寸的Q3控制，而傳導(dǎo)損耗由較大尺寸的Q4控制。包括t6和t7之間的時(shí)間延遲以確保在從斷開高側(cè)開關(guān)200到接通低側(cè)開關(guān)206的過渡期間不產(chǎn)生交叉電導(dǎo)(即沒有電流從輸入源110通過兩個(gè)開關(guān)流到參考源212)。
在一個(gè)實(shí)施例中，MOSFET Q1、Q2、Q3和Q4形成于單個(gè)集成電路電源裝置上，該裝置具有耦合來接收輸入源的輸入端、耦合來接收參考源的參考端、耦合來驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出端以及每一個(gè)都耦合來從四個(gè)驅(qū)動(dòng)器中的分別一個(gè)接收信號(hào)的四個(gè)柵極端。在可選實(shí)施例中，MOSFET Q1、Q2、Q3和Q4形成為如圖2a所示互連的四個(gè)分立的集成電路部件以形成DC-DC轉(zhuǎn)換器。在又一個(gè)實(shí)施例中，Q1和Q2形成于一個(gè)集成電路上而Q3和Q4形成于第二集成電路上。
Buck轉(zhuǎn)換器的其它實(shí)現(xiàn)也是可以的。例如，低側(cè)開關(guān)206可以修改為僅具有一個(gè)MOSFET而不是兩個(gè)，或者，高側(cè)開關(guān)200可以修改為僅具有一個(gè)MOSFET而不是兩個(gè)。這些實(shí)現(xiàn)在需要以效率的一定損耗為代價(jià)獲得較低面積消耗的情況下是有用的。
雖然使用特定類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器(即Buck轉(zhuǎn)換器)描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟練的技術(shù)人員可以參考所揭示的內(nèi)容修改其它類型的轉(zhuǎn)換器以基本改善其效率。圖3a-3c示出了可以進(jìn)行修改來改善其效率的不同類型轉(zhuǎn)換器的三個(gè)實(shí)例。圖3a示出Boost轉(zhuǎn)換器。這里開關(guān)306可以用一對(duì)并聯(lián)MOSFETQ1和Q2代替。二極管308可以類似地用一對(duì)并聯(lián)MOSFET Q3和Q4代替，其柵極可以由PWM300控制。在這種情況中，Q1和Q2以類似于圖2a中的Q1和Q2調(diào)整尺寸和進(jìn)行工作，而Q3和Q4以類似于圖2a中的Q3和Q4調(diào)整尺寸和進(jìn)行工作。
圖3b示出Flyback轉(zhuǎn)換器。這里，開關(guān)310可以用一對(duì)并聯(lián)MOSFET Q1和Q2代替。二極管312可以類似地由一對(duì)并聯(lián)MOSFET Q3和Q4代替，其棚極將由PWM 300控制。在這種情況中，Q1和Q2類似于圖2a中的Q1和Q2調(diào)整尺寸和進(jìn)行工作，而Q3和Q4以類似于圖2a中的Q3和Q4調(diào)整尺寸和進(jìn)行工作。
圖3c示出Forward轉(zhuǎn)換器。這里，開關(guān)314可以由一對(duì)并聯(lián)MOSFET Q1和Q2代替。二極管316a可以類似地由一對(duì)并聯(lián)MOSFET Q3和Q4代替，其柵極將由PWM300控制。此外，二極管316b可以由一對(duì)并聯(lián)MOSFET Q5和Q6代替，其柵極將由PWM300控制。在這種情況中，在尺寸和功能上Q1和Q3對(duì)應(yīng)于圖2a中的Q1，而在尺寸和功能上Q2和Q4對(duì)應(yīng)于圖2a中的Q2。但是，分開的驅(qū)動(dòng)器必須用于每個(gè)Q1和Q3，類似地，分開的驅(qū)動(dòng)器必須用于每個(gè)Q2和Q4。Q5和Q6以類似于圖2a中Q3和Q4的方式調(diào)整尺寸和功能。
可以類似地修改許多其它類型的轉(zhuǎn)換器以改善其效率。
雖然以上是本發(fā)明實(shí)施例的完整描述，但可以使用各種可選方案、修改和等效物。例如，雖然本發(fā)明使用MOSFET技術(shù)進(jìn)行描述，但對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)熟練的技術(shù)人員來說，參考所揭示的內(nèi)容以諸如雙極或砷化鎵的其它類型技術(shù)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明也是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍不由以上描述限定，而應(yīng)參考所附權(quán)利要求書及其等效物的全部范圍加以確定。
權(quán)利要求
1.一種電路，其特征在于，包括第一開關(guān)，具有并聯(lián)在第一和第二端子之間的第一和第二晶體管，所述第二晶體管的尺寸大于第一晶體管；以及控制器塊，它耦合到第一開關(guān)，其中如果即將通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移的第一電流大于預(yù)定量，則控制器塊就工作以通過(i)接通第一晶體管以使第二端子處的電壓電平開始向第一端子處的預(yù)定電壓電平移動(dòng)，和(ii)在第一端子處的電壓電平達(dá)到基本等于預(yù)定電壓電平的電壓電平處之后接通第二晶體管來接通第一開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，在接通第二晶體管之后，所述第一電流相當(dāng)大的部分通過第二晶體管轉(zhuǎn)移。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，如果所述第一電流小于預(yù)定量，則控制器塊通過接通第一晶體管并將第二晶體管保持在斷開狀態(tài)來接通第一開關(guān)，從而僅通過第一晶體管轉(zhuǎn)移第一電流。
4.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述第一晶體管具有比第二晶體管小的柵電容，而第二晶體管具有比第一晶體管低的通態(tài)電阻。
5.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，如果所述第一電流大于預(yù)定量，則控制器塊工作以便通過(i)初始斷開第二晶體管以使第一電流僅通過第一晶體管轉(zhuǎn)移，和(ii)隨后斷開第一晶體管從而沒有電流通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移來斷開開關(guān)。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述控制器塊包括第一驅(qū)動(dòng)器，耦合來控制所述第一晶體管；和第二驅(qū)動(dòng)器，耦合來控制所述第二晶體管。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述第一和第二晶體管是分立的集成電路部件。
8.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述第一和第二晶體管形成于集成電路電源裝置中，所述電源裝置具有一漏極端子、一源極端子和兩個(gè)柵極端子，所述源極端子耦合到第一和第二晶體管的源極，所述漏極端子耦合到第一和第二晶體管的漏極，而兩個(gè)柵極端子中的每一個(gè)耦合到第一和第二晶體管各柵極。
9.如權(quán)利要求1所述電路，其特征在于，所述電路是DC-DC轉(zhuǎn)換器。
10.如權(quán)利要求1所述電路，其特征在于，所述第一端子耦合到輸入源而所述第二端子耦合到輸出負(fù)載，所述電路還包括具有并聯(lián)在輸出負(fù)載和參考源之間的第三和第四晶體管的第二開關(guān)，所述控制器塊耦合到第二開關(guān)從而在第一開關(guān)處于接通狀態(tài)時(shí)第二開關(guān)是斷開的，反之亦然。
11.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述第三晶體管的尺寸小于第四晶體管，且如果第一電流大于預(yù)定量，則控制器塊通過(i)初始接通第三晶體管以使輸出負(fù)載處的電壓電平向參考源處的參考電位降低，和(ii)隨后在輸出負(fù)載處的電壓電平達(dá)到基本等于參考電位的電壓電平之后接通第四晶體管來接通第二開關(guān)。
12.如權(quán)利要求11所述的電路，其特征在于，如果所述第一電流小于預(yù)定量，則控制器塊通過僅接通第三晶體管而將第四晶體管保持在斷開狀態(tài)來接通第二開關(guān)。
13.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述第三晶體管的柵電容比第四晶體管的小而第四晶體管的通態(tài)電阻比第三晶體管的小。
14.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四晶體管是分立的集成電路部件。
15.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述第一和第二晶體管形成于第一集成電路電源裝置中，所述第三和第四晶體管形成于第二集成電路電源裝置中，所述第一和第二集成電源裝置各自都具有一漏極端子、一源極端子和兩個(gè)柵極端子。
16.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四晶體管形成于一個(gè)集成電路電源裝置中，所述電源裝置具有配置來接收輸入源的第一端子、配置來接收參考源的第二端子、耦合到輸出負(fù)載的第三端子、以及每一個(gè)都被配置來從控制器塊接收單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的四個(gè)柵極端子。
17.如權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于，所述控制器塊還包括第一驅(qū)動(dòng)器，它被耦合以控制所述第一晶體管；第二驅(qū)動(dòng)器，它被耦合以控制所述第二晶體管；第三驅(qū)動(dòng)器，它被耦合以控制所述第三晶體管；以及第四驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制所述第四晶體管。
18.一種轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，包括第一開關(guān)，它具有并聯(lián)在第一和第二端子之間的第一和第二晶體管，第一晶體管的尺寸小于第二晶體管；以及控制器塊，它耦合到第一開關(guān)以便在第一循環(huán)中斷開第一開關(guān)并在第二循環(huán)中接通第一開關(guān)，其中在從第一循環(huán)到第二循環(huán)的過渡期間，控制器塊僅接通第一晶體管以使第二端子處的電壓電平開始向第一端子處的預(yù)定電壓電平移動(dòng)，而當(dāng)?shù)谝欢俗犹幍碾妷弘娖竭_(dá)到基本等于預(yù)定電壓電平的電壓電平時(shí)，控制器塊接通第二晶體管。
19.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，在所述過渡期間當(dāng)僅第一晶體管處于接通狀態(tài)時(shí)，所述第一晶體管將第一電流從第一端子轉(zhuǎn)移到第二端子，而當(dāng)?shù)诙w管被接通時(shí)，第二晶體管在第二循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將所述第一電流的大部分從第一端子轉(zhuǎn)移到第二端子。
20.如權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述控制器塊在第三循環(huán)中斷開第一開關(guān)，且在從第二循環(huán)到第三循環(huán)的過渡期間，控制器塊(i)斷開第二晶體管以使第一電流僅通過第一晶體管轉(zhuǎn)移到第二端子，和(ii)在從斷開第二晶體管起的預(yù)定時(shí)間延遲后，斷開第一晶體管，從而沒有電流通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移。
21.如權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，如果第一電流小于預(yù)定量，則控制器塊在第二循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持第二晶體管斷開。
22.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一晶體管的柵電容比第二晶體管的小，而所述第二晶體管的通態(tài)電阻比第一晶體管的小。
23.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述控制器塊還包括第一驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制所述第一晶體管；和第二驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制所述第二晶體管。
24.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一和第二晶體管是分立的集成電路部件。
25.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一和第二晶體管形成于集成電路電源裝置中，所述電源裝置具有一漏極端子、一源極端子和兩個(gè)柵極端子，所述源極端子耦合到第一和第二晶體管的源極，所述漏極端子耦合到第一和第二晶體管的漏極，而所述兩個(gè)柵極端子中的每一個(gè)分別耦合到第一和第二晶體管的柵極。
26.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器電路是DC-DC轉(zhuǎn)換器。
27.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，還包括耦合到控制器塊的第二開關(guān)，其中所述控制器塊在第一循環(huán)內(nèi)斷開第一開關(guān)和接通第二開關(guān)，而在第二循環(huán)內(nèi)接通第一開關(guān)和斷開第二開關(guān)。
28.如權(quán)利要求27所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一端子耦合到輸入源而所述第二端子耦合到輸出負(fù)載，所述第二開關(guān)具有并聯(lián)在輸出負(fù)載和參考源之間的第三和第四晶體管。
29.如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第三晶體管的尺寸小于第四晶體管，其中在從第一循環(huán)到第二循環(huán)的過渡期間，控制器塊通過(i)斷開第四晶體管，和(ii)在從斷開第四晶體管起的預(yù)定時(shí)間延遲后斷開第三晶體管從而沒有電流通過第二開關(guān)轉(zhuǎn)移來斷開第二開關(guān)。
30.如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第三晶體管的柵電容比第四晶體管的小而所述第四晶體管的通態(tài)電阻不第三晶體管的小。
31.如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四晶體管是分立的集成電路部件。
32.如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一和第二晶體管形成于第一集成電路電源裝置內(nèi)，而所述第三和第四晶體管形成于第二集成電路電源裝置中，第一和第二集成電源裝置各自都具有一漏極端子、一源極端子和兩個(gè)柵極端子。
33.如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四晶體管形成在一個(gè)集成電路電源裝置中，所述電源裝置具有配置來接收輸入源的第一端子、配置來接收參考源的第二端子、耦合到輸出負(fù)載的第三端子、以及每一個(gè)都被配置來從控制器塊接收單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的四個(gè)柵極端子。
34.如權(quán)利要求28所述的轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述控制器塊還包括第一驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制第一晶體管；第二驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制第二晶體管；第三驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制第三晶體管；以及第四驅(qū)動(dòng)器，它被耦合來控制第四晶體管。
35.一種操作具有第一開關(guān)的轉(zhuǎn)換器電路的方法，所述第一開關(guān)具有并聯(lián)在第一和第二端子之間的第一和第二晶體管，第一晶體管的尺寸小于第二晶體管，其特征在于，所述方法包括在第一循環(huán)中斷開第一開關(guān)；在第二循環(huán)中接通第一開關(guān)；在從第一循環(huán)到第二循環(huán)的過渡期間，接通第一晶體管以使第二端子處的電壓電平開始向第一端子處的預(yù)定電壓電平移動(dòng)；和如果要通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移的第一電流大于預(yù)定量，則在第一端子處的電壓電平達(dá)到基本等于預(yù)定電壓電平的電壓電平之后接通第二晶體管。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，在接通第一晶體管時(shí)，第一晶體管將第一電流從第一端子轉(zhuǎn)移到第二端子，并在接通第二晶體管的動(dòng)作中第二晶體管在第二循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將第一電流的大部分從第一端子轉(zhuǎn)移到第二端子。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，包括在第三循環(huán)中斷開第一開關(guān)；和在從第二循環(huán)到第三循環(huán)的過渡期間斷開第二晶體管以使第一電流僅通過第一晶體管轉(zhuǎn)移到第二端子；和在從斷開第二晶體管起的預(yù)定時(shí)間延遲后斷開第一晶體管，從而沒有電流通過第一開關(guān)轉(zhuǎn)移。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，還包括如果第一電流小于預(yù)定量，在第二循環(huán)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持第二晶體管斷開。
39.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述第一晶體管的柵電容比第二晶體管的小，而第二晶體管的通態(tài)電阻比第一晶體管的小。
40.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器電路是DC-DC轉(zhuǎn)換器。
41.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器電路還包括第二開關(guān)，所述方法還包括在第一循環(huán)中，斷開第一開關(guān)和接通第二開關(guān)；以及在第二循環(huán)中，接通第一開關(guān)和斷開第二開關(guān)。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述第一端子耦合到輸入源而所述第二端子耦合到輸出負(fù)載，所述第二開關(guān)具有并聯(lián)在輸出負(fù)載和參考源之間的第三和第四晶體管，所述第三晶體管的尺寸小于第四晶體管，所述方法還包括在從第一循環(huán)到第二循環(huán)的過渡期間，通過以下步驟斷開第二開關(guān)斷開第四晶體管；以及在從斷開第四晶體管起的預(yù)定時(shí)間延遲后，斷開第三晶體管，從而沒有電流通過第二開關(guān)轉(zhuǎn)移。
43.如權(quán)利要求41所述轉(zhuǎn)換器電路，其特征在于，所述第三晶體管的柵電容比第四晶體管的小而所述第四晶體管的通態(tài)電阻比第三晶體管的小。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器(100)包括并聯(lián)在兩個(gè)端子之間的兩個(gè)晶體管Q1和Q2。晶體管Q1被優(yōu)化來降低動(dòng)態(tài)損耗而晶體管Q2被優(yōu)化來降低傳導(dǎo)損耗。配置和操作Q1和Q2從而轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)損耗基本由Q1支配而轉(zhuǎn)換器(100)的傳導(dǎo)損耗基本由Q2支配。因此，消除了常規(guī)技術(shù)中存在的兩種類型的損耗之間的權(quán)衡，允許獨(dú)立地降低動(dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗。此外，Q1和Q2的特殊結(jié)構(gòu)和操作方式使得在低負(fù)載(104)電流情況下工作時(shí)柵電容開關(guān)損耗降低。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1568568SQ02820215
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月23日
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