低噪聲電源mosfet柵極驅(qū)動方案的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開一般地涉及電源，并且更具體地涉及低噪聲開關(guān)電源。
【背景技術(shù)】
[0002]低噪聲電源一般地要求對電壓和電流兩者進行軟開關(guān)。諸如零電壓開關(guān)(ZVS )之類的技術(shù)通常允許電壓轉(zhuǎn)變具有受控轉(zhuǎn)換速率。圖1圖示出使用ZVS的推挽式DC至DC電源100的示例。在該示例中，電源100包括兩個第一金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)(在這里，MOSFET I和MOSFET 2)和負載(Load)處的輸出電壓(Vout)。
[0003]將電流軟關(guān)斷通常要求施加足夠大以促使電流斜降但并未大到以致于電流的轉(zhuǎn)換速率導(dǎo)致不可接受的噪聲級的串聯(lián)阻抗。用于施加此類串聯(lián)阻抗的一個普遍接受的手段是緩慢地驅(qū)動MOSFET的柵極通過其閾值電壓。
[0004]大多數(shù)(如果不是全部的話)功率MOSEFT具有在各部分之間改變幾伏且也可以隨溫度而變的閾值電壓。緩慢柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)變一般地將導(dǎo)致穿過閾值時的時間上的大的變化。然而，可以在合理的時間量內(nèi)擺動通過所有可能閾值電壓的柵極驅(qū)動將導(dǎo)致MOSFET更快地對電流進行開關(guān)并產(chǎn)生更多的噪聲。
[0005]圖2是柵極驅(qū)動波形200的圖形表示，其圖示出緩慢柵極驅(qū)動202和快速柵極驅(qū)動204對用于典型開關(guān)電源的開關(guān)的時間上的變化可能具有的影響。可以很容易地確定快速柵極驅(qū)動204導(dǎo)致比緩慢柵極驅(qū)動202更小的定時上的變化(例如，在最大閾值206與最小閾值208之間)。
[0006]因此，仍存在對改善的低噪聲開關(guān)電源的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]公開技術(shù)的實施例一般地針對一種開關(guān)電源，其中，使用針對正和/或負斜率具有快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)和緩慢轉(zhuǎn)換速率區(qū)兩者的柵極驅(qū)動波形來驅(qū)動初級功率MOSFET接通和/或關(guān)斷。在電源的初始接通之后，可以針對每個MOSFET獨立地調(diào)整柵極驅(qū)動波形的偏移或形狀，使得每個MOSFET的閾值在受控的時間點被其柵極驅(qū)動波形的緩慢轉(zhuǎn)換速率區(qū)穿過。
【附圖說明】
[0008]圖1圖示出使用零電壓開關(guān)(ZVS)的推挽式DC至DC電源的示例。
[0009]圖2是柵極驅(qū)動波形的示例的圖形表示，其圖示出緩慢和快速柵極驅(qū)動對用于典型開關(guān)電源的開關(guān)的定時上的變化可能具有的影響。
[0010]圖3是柵極驅(qū)動波形的示例的圖形表示，其圖示出用于公開技術(shù)的某些實施方式的初始和提尚棚■極驅(qū)動對開關(guān)時間可能具有的影響。
[0011]圖4是用于公開技術(shù)的某些實施方式的初始柵極驅(qū)動電壓的示例的圖形表示。
[0012]圖5是用于公開技術(shù)的某些實施方式的提高柵極驅(qū)動電壓的示例的圖形表示。
[0013]圖6是根據(jù)公開技術(shù)的某些實施例的在調(diào)整之前通過電阻器在示波器上測量的共模噪聲的示例的圖形表示。
[0014]圖7是根據(jù)公開技術(shù)的某些實施例的在調(diào)整之后通過電阻器在示波器上測量的共模噪聲的示例的圖形表示。
[0015]圖8圖示出根據(jù)公開技術(shù)的某些實施例的其中MOSFET被關(guān)斷并隨后重新接通的示例。
【具體實施方式】
[0016]公開技術(shù)的實施例可包括:至少一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)；至少一個波形發(fā)生器，其被配置成驅(qū)動所述至少一個MOSFET中的每一個MOSFET的柵極使得所述至少一個MOSFET中的每一個MOSFET的關(guān)斷轉(zhuǎn)變被成形為具有較快轉(zhuǎn)換區(qū)、隨后是較慢轉(zhuǎn)換區(qū)；以及檢測部件，其被配置成檢測所述至少一個MOSFET中的每一個MOSFET關(guān)斷的時間。
[0017]所述至少一個MOSFET可包括其中柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)換成負以將(一個或多個)M0SFET關(guān)斷的η溝道M0SFET。在備選實施例中，所述至少一個MOSFET可包括其中柵極驅(qū)動將轉(zhuǎn)換成正以將(一個或多個)MOSFET關(guān)斷的P溝道MOSFET。
[0018]不同于現(xiàn)在的電源的信號快速柵極驅(qū)動，公開技術(shù)的實施方式一般地包括柵極驅(qū)動，該柵極驅(qū)動被成形為具有快速邊沿、隨后是緩慢邊沿，例如使得快速邊沿可以在相對短的時間量內(nèi)穿過所有可能閾值。圖3是柵極驅(qū)動波形300的示例的圖形表示，其圖示出用于公開技術(shù)的某些實施方式的初始柵極驅(qū)動302和提高柵極驅(qū)動304對開關(guān)時間可能具有的影響。在本示例中，起始成形柵極驅(qū)動或初始柵極驅(qū)動302具有穿過最大閾值306和最小閾值308兩者的快速邊沿，但直至其已經(jīng)完全穿過最大閾值306與最小閾值308之間的所有可能閾值為止隨后才是緩慢邊沿。
[0019]—旦電源正在運行，可以進行MOSFET關(guān)斷時的相對于柵極驅(qū)動波形的測量。提高柵極驅(qū)動波形將促使MOSFET在稍后關(guān)斷。因此，柵極驅(qū)動波形可以被提高304直至MOSFET在提高波形304的緩慢邊沿期間關(guān)斷為止，如由其穿過實際閾值310所指示的那樣。在這種情況下，MOSFET現(xiàn)在以較慢的速率將電流關(guān)斷，并且因此將有利地減少產(chǎn)生的噪聲。
[0020]圖4是用于公開技術(shù)的某些實施方式的初始柵極驅(qū)動電壓400的示例的圖形表示。在本示例中，初始柵極驅(qū)動電壓(Vtil和Vti2)快速地通過所有可能閾值(例如，I至3伏)。漏極電流(Idi (在這里，?13uS)和Id2 (在這里，?38uS))快速地關(guān)斷。一旦漏極電流關(guān)斷(即，MOSEFT關(guān)斷)，則MOSFET I和MOSFET 2的漏極電壓(分別地Vdi和V D2)對分別地在?15uS和?40uS進行電壓翻轉(zhuǎn)。這允許在跨漏極具有約零伏(即，ZVS)的情況下將接近于零伏的漏極接通。在這里，MOSFET 2在?24uS被接通且MOSFET I在?49uS被接通。
[0021]圖5是用于公開技術(shù)的某些實施方式的提高柵極驅(qū)動電壓500的示例的圖形表示。在(例如，通過提高柵極驅(qū)動波形)調(diào)整之后，柵極驅(qū)動電壓(Vei和Ve2)緩慢地通過MOSFET閾值(在這里，?2V)，并且漏極電流(IdJP ID2)更慢地關(guān)斷。
[0022]圖6是根據(jù)公開技術(shù)的某些實施例的在柵極驅(qū)動已被調(diào)整之前通過電阻器600在示波器上測量的共模噪聲的示例的圖形表示。在該示例中，電阻器是被連接在電源(在這里，2mV=> IuA)的初級接地和次級接地之間的2千歐電阻器。在圖中，示波器CH2正在測量漏極電壓中的一個。在柵極驅(qū)動已被調(diào)整之前，探頭電壓(CHI)602具有?0.8*2mV的測量范圍，其轉(zhuǎn)換成0.8uA峰間值。
[0023]圖7是根據(jù)公開技術(shù)的某些實施例的在調(diào)整之后(例如，在圖6中執(zhí)行的測量之后)通過電阻器700在示波器上測量的共模噪聲的示例的圖形表示。在該示例中，在調(diào)整已經(jīng)完成之后，探頭電壓(CHl) 702現(xiàn)在具有?0.2*2mV的測量范圍，其轉(zhuǎn)換成0.2uA峰間值一一這表示與在圖6中執(zhí)行的測量相比[約]四倍的改善。
[0024]圖8圖示出根據(jù)公開技術(shù)的某些實施例的其中MOSFET被關(guān)斷并隨后重新接通800的示例。在該示例中，起始成形柵極驅(qū)動或初始柵極驅(qū)動802具有穿過最大可能閾值806和最小可能閾值808兩者的快速邊沿，但直至其已經(jīng)完全穿過最小可能閾值808為止隨后才是緩慢邊沿。柵極驅(qū)動波形可以被提高804直至MOSFET在提高波形804的緩慢邊沿期間關(guān)斷為止，如由其穿過實際閾值810所指示的那樣。
[0025]在這里，初始柵極驅(qū)動802和提高波形804均具有向上緩慢和快速邊沿，其大致上分別地對應(yīng)于前面的向下緩慢和快速邊沿，使得MOSFET在提高波形804的后面的緩慢邊沿期間重新接通，如由其第二次穿過實際閾值810所指示的那樣。
[0026]以下討論意圖提供其中可以實現(xiàn)本公開技術(shù)的實施例的適當機器的簡要的一般性描述。如本文所使用的術(shù)語“機器”意圖寬泛地涵蓋單個機器或一起操作的通信耦合機器或設(shè)備的系統(tǒng)。示例性機器可包括計算設(shè)備，諸如個人計算機、工作站、服務(wù)器、便攜式計算機、手持式設(shè)備、平板設(shè)備等。
[0027]通常，機器包括系統(tǒng)總線，可將處理器、諸如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)及其它狀態(tài)保持介質(zhì)之類的存儲器、存儲設(shè)備、視頻接口以及輸入/輸出接口端口附接到所述系統(tǒng)總線。機器還可包括嵌入式控制器(諸如可編程或不可編程邏輯器件或陣列)、專用集成電路(ASIC)、嵌入式計算機、智能卡等?？芍辽俨糠值赝ㄟ^來自諸如鍵盤和鼠標之類的常規(guī)輸入設(shè)備的輸入、以及通過從另一機器接收到的指令、與虛擬現(xiàn)實(VR)環(huán)境的交互、生物計量反饋或其它相關(guān)輸入控制來控制所述機器。
[0028]機器可利用至一個或多個遠程機器的一個或多個連接，諸如通過網(wǎng)絡(luò)接口、調(diào)制解調(diào)器或其它通信耦合?？梢酝ㄟ^物理和/或邏輯網(wǎng)絡(luò)將機器互連，所述網(wǎng)絡(luò)諸如內(nèi)部網(wǎng)、因特網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到的是，網(wǎng)絡(luò)通信可利用各種有線和/或無線的近程或遠程載體和協(xié)議，包括射頻(RF)、衛(wèi)星、微波、電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE) 545.11、藍牙、光學(xué)、紅外、電纜、激光等。
[0029]已參考所示實施例描述并舉例說明了本發(fā)明的原理，但將認識到的是，在不脫離此類原理的情況下可在布置和細節(jié)方面修改所示實施例，并且可以以任何期望方式組合。并且，雖然前述討論關(guān)注于特定實施例，但預(yù)期存在其它配置。
[0030]特別地，即使在本文中使用諸如“根據(jù)本發(fā)明的實施例”等表述，這些短語一般指的是參考實施例可能性，而并不意圖將本發(fā)明局限于特定實施例配置。如本文所使用的這些術(shù)語可參考能夠組合成在其它實施例中的相同或不同的實施例。
[0031]因此，鑒于對本文所述實施例的多種置換，本詳細描述和所附材料僅僅意圖是說明性的，并且不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的范圍。因此，作為本發(fā)明所請求保護的是可在以下權(quán)利要求及其等價物的精神和范圍內(nèi)的所有此類修改。
【主權(quán)項】
1.一種開關(guān)電源，包括: 至少一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET); 至少一個波形發(fā)生器，其被配置成驅(qū)動所述至少一個MOSFET中的每一個MOSFET的柵極，使得所述至少一個MOSFET中的每一個MOSFET的關(guān)斷轉(zhuǎn)變被成形為具有較快轉(zhuǎn)換區(qū)、隨后是較慢轉(zhuǎn)換區(qū)；以及 檢測部件，其被配置成檢測所述至少一個MOSFET中的每一個MOSFET關(guān)斷的時間。2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其中，所述至少一個MOSFET被結(jié)構(gòu)化成在較快轉(zhuǎn)換區(qū)期間關(guān)斷。3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其中，所述至少一個波形發(fā)生器進一步被配置成將能夠調(diào)整的偏置提供給輸入到所述至少一個MOSFET的柵極驅(qū)動波形。4.如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源，其中，所述至少一個MOSFET被結(jié)構(gòu)化成在經(jīng)調(diào)整柵極驅(qū)動波形的較慢轉(zhuǎn)換區(qū)期間關(guān)斷。5.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其中，所述轉(zhuǎn)換區(qū)處于被配置成將所述至少一個MOSFET關(guān)斷的方向。6.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其中，所述至少一個MOSFET包括η溝道M0SFET。7.如權(quán)利要求6所述的開關(guān)電源，其中，所述柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)換成負，以將η溝道MOSFET關(guān)斷。8.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源，其中，所述至少一個MOSFET包括P溝道M0SFET。9.如權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源，其中，所述柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)換成正，以將P溝道MOSFET關(guān)斷。
【專利摘要】本發(fā)明公開了低噪聲電源MOSFET柵極驅(qū)動方案。一種開關(guān)電源可以包括多個功率MOSFET，其接收包括具有負斜率的快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)和也具有負斜率的緩慢轉(zhuǎn)換速率區(qū)的初始柵極驅(qū)動波形。MOSFET可以在初始柵極驅(qū)動波形的緩慢轉(zhuǎn)換速率區(qū)期間關(guān)斷。
【IPC分類】H02M1/08, H02M1/088
【公開號】CN105610304
【申請?zhí)枴緾N201510773186
【發(fā)明人】W.C.格克
【申請人】基思利儀器公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年11月13日
【公告號】EP3021487A1, US20160141948