專利名稱：驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及電子電路，且更具體地涉及用于驅(qū)動功率場效應(yīng)晶 體管(FET)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
0002對于以增加的效率和降低的功率運(yùn)行來適應(yīng)電子便攜設(shè)備尺寸 的持續(xù)減小的功率變換和調(diào)節(jié)電路，存在著日益增加的需求。這些設(shè)備 常常是電池供電的，并期望利用盡可能少的功率來操作這些設(shè)備，以便 電池壽命得到延長。開關(guān)調(diào)節(jié)器已被實(shí)現(xiàn)為在電源中提供調(diào)節(jié)輸出的有 效機(jī)構(gòu)。 一種此類調(diào)節(jié)器稱為開關(guān)調(diào)節(jié)器或者開關(guān)電源，其通過控制耦 連至負(fù)載的一個(gè)或多個(gè)高側(cè)(high-side)開關(guān)的開關(guān)占空比來控制到負(fù)載 的功率流。目前，存在著許多不同種類的開關(guān)調(diào)節(jié)器。
0003
一種類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器被稱為同步開關(guān)調(diào)節(jié)器。在同步開關(guān)調(diào) 節(jié)器中，電感器用來保持從兩個(gè)分離源轉(zhuǎn)換的電流。兩源可以包括高側(cè) 開關(guān)比如高側(cè)場效應(yīng)晶體管(FET)和低側(cè)(low-side)開關(guān)比如低側(cè)FET 與續(xù)流(freewheeling) 二極管。 一旦高側(cè)FET被切斷，通過將電感器源 節(jié)點(diǎn)的電壓變?yōu)橄鄬τ诘鼐€為負(fù)，存儲于電感器中的磁能量消耗以促使 電流經(jīng)過電感器。因而在高側(cè)被切斷后并在低側(cè)FET被開啟前，續(xù)流二 極管將電流從地線傳導(dǎo)到電感器。這樣，在高側(cè)和低側(cè)開關(guān)激活之間的 時(shí)間內(nèi)，電流連續(xù)地流過電感器。
0004開關(guān)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)者需要注意由特定開關(guān)調(diào)節(jié)器電路中的電 流流動產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)輻射。開關(guān)調(diào)節(jié)器中的一個(gè)EMI輻射源 是由功率FET激活時(shí)輸入電流的迅速變化(di/dt)和功率FET停用時(shí)電 流的迅速衰減產(chǎn)生的。當(dāng)功率FET的柵極電壓達(dá)到其閾值電壓時(shí)，電流 流過功率FET并且可以引起EMI輻射。當(dāng)功率FET的柵極電壓迅速地 增加超過閾值電壓時(shí)，由經(jīng)過FET的輸入電流中的快速變化產(chǎn)生的EMI輻射在數(shù)量上通常太大而不符合可接受的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對于這種不可接受
的EMI輻射問題的解決方法是減慢功率FET的柵極電壓的增加，比如通 過增加功率FET源極和柵極之間的電容。這導(dǎo)致了輸入電流的較慢增加， 并因而降低了來自開關(guān)調(diào)節(jié)器的EMI輻射。
0005圖1描述了時(shí)間與電壓相對的曲線圖10，其表明了在開關(guān)調(diào)節(jié) 器中功率FET的柵極電壓的相對增加率。曲線圖10所模擬的功率FET 具有閾值電壓VT (在圖1的實(shí)例中描述為大約2伏特)，在該閾值電壓 下功率FET開始激活。正是在該時(shí)刻，電流開始從功率FET的漏極向源 極流動。從閾值電壓VT到功率FET被完全激活電壓VF (在圖1的實(shí)例 中描述為大約4伏特)的電壓范圍被描述為激活區(qū)域12。
0006虛線14 (曲線圖10的圖例16中表示為"快")表示功率FET 的柵極電壓的較快增加率(即，更大的斜率)。由于柵極電壓以迅速的 速率增加，流經(jīng)功率FET的輸入電流的變化率將非常高，導(dǎo)致不可接受 的EMI輻射水平。虛線18 (曲線圖10的圖例16中表示為"慢")表示 功率FET的柵極電壓的較慢增加率(即，更小的斜率)。由于柵極電壓 以較慢的速率增加，流經(jīng)功率FET的輸入電流的變化率將更小，導(dǎo)致可 接受的EMI輻射水平。
0007然而，由虛線18表示的柵極電壓的較慢增加產(chǎn)生了不同的問題。 因?yàn)榕c虛線18相應(yīng)的柵極電壓以更緩慢的速率增加，所以柵極電壓達(dá)到 閾值電壓VT需要更長的一段時(shí)間。在上面同步開關(guān)調(diào)節(jié)器的實(shí)例中，這 意味著與如果柵極電壓以更快的速率增加相比，續(xù)流二極管將電流傳導(dǎo) 通過電感器持續(xù)更長的一段時(shí)間。因?yàn)楫?dāng)功率FET切斷時(shí)電感器的磁場 衰減以維持續(xù)流二極管電流，所以當(dāng)續(xù)流二極管傳導(dǎo)電流時(shí)開關(guān)調(diào)節(jié)器 經(jīng)受功率的損耗。因而，在激勵區(qū)域12下面，虛線18具有相應(yīng)的功率 損耗，其大于虛線14的功率損耗。開關(guān)調(diào)節(jié)器的這種功率損耗在曲線圖 10中由功率損耗區(qū)域20表示。
0008除了由功率損耗區(qū)域20表示的功率損耗之外，開關(guān)調(diào)節(jié)器在功 率FET變?yōu)橥耆せ詈笠矒p失功率(即，傳導(dǎo)損耗)。當(dāng)柵極電壓從完 全激活電壓Vp增加到最大電壓VMAX (在圖1的實(shí)例中描述為IO伏特) 時(shí)，功率FET充當(dāng)漏極和源極之間的可變電阻。在大于完全激活電壓VF的較低電壓電平下，功率FET的漏極到源極電阻RDS。n大于在最大電壓 VMAX下功率FET的漏極到源極電阻RDS。n。因而，總電阻值隨時(shí)間的變
化(dr/dt)與柵極電壓達(dá)到柵極最大電壓VMAx所用的時(shí)間量成反比。例
如，虛線14比虛線18經(jīng)歷了更小的RDS。n隨時(shí)間變化。由于電阻性負(fù)載
以熱的形式產(chǎn)生功率損耗，在完全激活電壓Vp上面，虛線18具有相應(yīng) 的功率損耗，其大于虛線14的功率損耗。這種功率的損耗在曲線圖10 中由功率損耗區(qū)域22表示。
0009因而圖1的曲線圖IO表明了在開關(guān)調(diào)節(jié)器中激活功率FET的兩 種不同方法。 一種方法是迅速地增加功率FET的柵極電壓，導(dǎo)致不可接 受的EMI輻射水平。另一種方法是緩慢地增加功率FET的柵極電壓，導(dǎo) 致不期望的功率損耗。因而，在開關(guān)調(diào)節(jié)器中激活功率FET的兩種方法 受到了競爭設(shè)計(jì)限制。

發(fā)明內(nèi)容
0010本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可以包括用于驅(qū)動功率FET的系統(tǒng)。系統(tǒng) 包括控制電路，其產(chǎn)生控制信號以提供功率FET的柵極電壓。所述系統(tǒng) 進(jìn)一步包括耦連在控制電路和功率FET之間的斜率控制電路，其可操作 用于動態(tài)地控制功率FET的柵極電壓的變化率，以降低由開關(guān)功率FET 產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)輻射和功率損耗。
0011本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例可以包括用于驅(qū)動功率FET的方法，該 方法包括以第一增加率施加(assert)功率FET的柵極電壓以及監(jiān)控功率 FET的柵極電壓。所述方法還包括柵極電壓剛一達(dá)到功率FET的閾值電 壓就將功率FET的柵極電壓的第一增加率降低，第二增加率。該方法還 包括功率FET剛一變?yōu)榛就耆せ罹蛯⒐β蔉ET的柵極電壓的第二增 加率增加到第三增加率。
0012本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例可以包括用于驅(qū)動功率FET的方法，該 方法包括以第一減小率去除(de-assert)功率FET的柵極電壓，監(jiān)控功率 FET的源極電壓，以及功率FET剛一開始停用就將功率FET的柵極電壓 的第一減小率降低到第二減小率。
0013本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例可以包括用于減少由驅(qū)動功率FET產(chǎn)生的功率損耗和EMI輻射的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于測量功率FET的柵極電 壓的裝置。所述系統(tǒng)還包括基于測量的功率FET的柵極電壓動態(tài)調(diào)整功 率FET的柵極電壓的變化率的裝置。


0014圖1說明了對于功率場效應(yīng)晶體管(FET)，柵極電壓隨時(shí)間變 化的曲線圖。
0015圖2說明了按照本發(fā)明的方面包含用于驅(qū)動高側(cè)FET的斜率控 制電路的系統(tǒng)的方框圖。
0016圖3說明了按照本發(fā)明的方面，柵極電壓隨時(shí)間變化的另一個(gè) 曲線圖。
0017圖4說明了按照本發(fā)明的方面包含用于驅(qū)動高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開 關(guān)的斜率控制電路的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器。
0018圖5說明了按照本發(fā)明的方面用于驅(qū)動高側(cè)FET的系統(tǒng)，其包 括外部監(jiān)控斜率控制電路。
0019圖6說明了按照本發(fā)明的方面用于驅(qū)動高側(cè)FET的系統(tǒng)，其包 括內(nèi)部監(jiān)控正斜率控制電路和負(fù)斜率控制電路。0020圖7說明了按照本發(fā)明的方面用于驅(qū)動功率FET的方法。
具體實(shí)施例方式
0021本發(fā)明涉及電子電路，且更具體地涉及減少與開關(guān)功率FET相 關(guān)的EMI輻射和功率損耗。要理解，考慮到上述的討論，術(shù)語"功率損 耗"和"功率的損耗"指的是效率的降低，而不解釋為提供給功率FET 的功率的損耗、功率FET提供的電流的損耗、或者包括功率FET的系統(tǒng) 的功率的損耗。為了減少與接通或者切斷功率FET相關(guān)的EMI輻射，在 功率FET開始開啟或切斷的時(shí)刻，斜率控制電路降低功率FET的柵極電 壓的變化率。例如，如果經(jīng)過功率FET的漏極-源極電流由于柵極電壓的 逐漸增加而更緩慢地變化，則在功率FET激活期間EMI輻射被減少。
0022然而，為了避免過多的功率損耗，當(dāng)功率FET的柵極電壓小于 閾值電壓時(shí)斜率控制電路以第一速率改變柵極電壓，在閾值電壓和基本完全激活電壓之間以第二速率改變柵極電壓，并且在基本完全激活電壓 之后以第三速率改變電壓。第二速率比第一速率和第三速率更慢。這將 導(dǎo)致由從地線經(jīng)低側(cè)設(shè)備(比如經(jīng)續(xù)流二極管)的電流所產(chǎn)生的功率損
耗的降低，而功率FET不被激活，因?yàn)樵诘谝凰俾氏赂邆?cè)FET或者低側(cè) FET將更快地變成激活。這將也導(dǎo)致在第二速率下降低的EMI輻射，因 為輸入電流的變化將以更緩慢的第二速率被降低。此外，在功率FET的 完全激活之后，柵極電壓的迅速增加將導(dǎo)致漏極到源極電阻RDS。n的較快 減小，這樣由熱產(chǎn)生的功率損耗將被降低。
0023按照本發(fā)明，下面的實(shí)例是關(guān)于高側(cè)FET的激活描述的。然而， 要理解，按照本發(fā)明關(guān)于高側(cè)FET的停用遵循同樣的原理和優(yōu)點(diǎn)。此外， 如關(guān)于圖4將在后面說明的，也要理解，按照本發(fā)明的一個(gè)方面關(guān)于低 側(cè)FET的激活遵循同樣的原理和優(yōu)點(diǎn)。
0024圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的方面用于激活高側(cè)FET52的系統(tǒng)50。 在圖2中高側(cè)FET 52被描述為N型MOSFET開關(guān)，但要意識到P型 MOSFET開關(guān)也可以使用。當(dāng)高側(cè)FET 52通過在柵極終端G施加信號
(即，促使信號到邏輯l)被激活時(shí)，電流將從在漏極終端D的VjN節(jié)點(diǎn) 通過高側(cè)FET 52流向在源極終端S的VswrrcH節(jié)點(diǎn)。在圖2的實(shí)例中， 控制電路54產(chǎn)生控制信號56，其可以是方波。由控制電路54產(chǎn)生的控 制信號56—般參考地，如圖2表示；而高側(cè)FET 52—般用來驅(qū)動某個(gè) 有源設(shè)備的輸出，比如馬達(dá)或者開關(guān)調(diào)節(jié)器(未顯示)。因此，系統(tǒng)50 包括電平移動電路58，其調(diào)節(jié)控制信號56到更高電壓參考電平用于參考 Vsw汀cH的高側(cè)FET 52的適當(dāng)激活。在圖2的實(shí)例中，電平移動電路58 接收輸入信號VBooT并輸出調(diào)節(jié)的控制信號60用于高側(cè)FET 52的激活，
所述輸入信號Vb(X)t可以是相対VsMTCH浮動的電源電壓。
0025方波控制信號，比如時(shí)鐘信號或者定時(shí)信號， 一般具有非常高 的斜率(即，電壓隨時(shí)間的變化(dv/dt))。當(dāng)?shù)湫偷姆讲ū热缯{(diào)節(jié)的 控制信號60被施加到高側(cè)FET 52時(shí)，在柵極終端電壓的迅速增加導(dǎo)致 在高側(cè)FET 52激活期間通過高側(cè)FET 52從Vjn流到Vswitch的輸入電流 的迅速變化(di/dt)。正是輸出電流中的這種快速變化引起不期望的EMI 輻射量。如前面所描述的，經(jīng)常在高側(cè)FET52的柵極終端G和源極終端
9S之間添加電容來克服這種問題。這降低了方波控制信號的斜率，因而導(dǎo)
致具有更低EMI輻射的更小輸入電流。然而，如上面描述的，通過降低 控制信號的斜率，以功率損耗的增加為代價(jià)，EMI輻射被降低。0026圖2的系統(tǒng)50通過在電平移動電路58和高側(cè)FET 52之間包括 斜率控制電路62，緩解了這些矛盾的設(shè)計(jì)限制。在高側(cè)FET52變?yōu)榧せ?之前，當(dāng)高側(cè)FET52的柵極電壓還沒有達(dá)到閾值電壓時(shí)，調(diào)節(jié)的控制信 號60的斜率將很高，因而降低由續(xù)流二極管傳導(dǎo)電流引起的功率損耗。 斜率控制電路62通過在高側(cè)FET 52變?yōu)榧せ钇陂g降低調(diào)節(jié)的控制信號 60的斜率，動態(tài)地調(diào)整調(diào)節(jié)的控制信號60的斜率，因而降低由輸入電流 中的迅速變化引起的EMI輻射。同樣的，在高側(cè)FET52變?yōu)橥耆せ钪?后，當(dāng)FET已經(jīng)從飽和區(qū)向線性區(qū)轉(zhuǎn)換并且全部的漏極-源極電流量流過 時(shí)，調(diào)節(jié)的控制信號60的斜率將很高，因而降低由更大的電阻值RDS。n 引起的熱所產(chǎn)生的傳導(dǎo)功率損耗。
0027圖3說明了按照本發(fā)明的方面，時(shí)間與電壓的相對曲線圖100， 其表明了高側(cè)FET的柵極電壓的相對增加率。由曲線圖IOO模擬的高側(cè) FET具有閾值電壓vt (在圖3的實(shí)例中描述為2伏特)，在該閾值電壓 下柵極電壓開始激活高側(cè)FET。正是在該時(shí)刻，電流開始從高側(cè)FET的 漏極流向源極。從閾值電壓Vt到高側(cè)FET被完全激活電壓VF (在圖3 的實(shí)例中為大約4伏特)的電壓范圍被描述為斜率控制區(qū)域102。在電流 從地線流經(jīng)低側(cè)設(shè)備(比如經(jīng)過續(xù)流二極管)的上面實(shí)例中，完全激活 電壓Vp可以表示高側(cè)FET的輸出相對地線變?yōu)檎狞c(diǎn)。因而，當(dāng)高側(cè) FET在完全激活電壓Vp下變成完全激活時(shí)，高側(cè)FET開始從飽和區(qū)向線 性區(qū)轉(zhuǎn)換，并因而最大的電流量開始流過高側(cè)FET，而不管施加到柵極 的另外電壓量。同樣地，要理解，在圖3的實(shí)例中，高側(cè)FET具有大約 2伏特的閾值電壓vt和大約4伏特的完全激活電壓vf。然而，按照本發(fā) 明，可以使用任何類型的FET，并且這些值相應(yīng)地依賴于高側(cè)開關(guān)所用 的FET的類型。
0028虛線104 (曲線圖100的圖例106中表示為"快")表示高側(cè) FET的柵極電壓的較快增加率(即，更大的斜率)。由于柵極電壓以迅 速的速率增加通過斜率控制區(qū)域102，則流經(jīng)高側(cè)FET的輸入電流將很
10高，導(dǎo)致不可接受的EMI輻射水平。虛線108 (曲線圖100的圖例106 中表示"受控")表示高側(cè)FET的柵極電壓的受控增加率(即，受控斜 率)。受控斜率虛線108表示柵極電壓的受控斜率增加率，比如可以由 參照圖2上面描述的斜率控制系統(tǒng)執(zhí)行。通過在斜率控制區(qū)域102期間 降低柵極電壓的斜率，柵極電壓的受控斜率增加率緩和了在高側(cè)FET的 激活期間不可接受的EMI輻射問題。換句話說，在柵極電壓基本等于閾 值電壓VT和完全激活電壓VF之間的時(shí)候，柵極電壓的增加率被降低。 由于柵極電壓以更緩慢的速率增加，通過高側(cè)FET的輸入電流變化率將 更小，導(dǎo)致可以可接受的EMI輻射水平。
0029要理解，按照本發(fā)明的方面，輸入電流變化率的這種控制可以 被調(diào)節(jié)以滿足具體應(yīng)用的需要。例如，特定應(yīng)用的環(huán)境因素可能是確定 受控斜率虛線108的斜率的考慮因素，因?yàn)橐愿邆?cè)FET的增加的內(nèi)部溫 度為代價(jià)更小的斜率導(dǎo)致增加的EMI輻射。例如，在具有低環(huán)境溫度的 環(huán)境中，受控斜率虛線108可以具有更小的斜率用于柵極電壓的更緩慢 增加并因而得到更充分減小的EMI輻射水平。然而，在具有高周圍溫度 的環(huán)境下，可能必要的是對于受控斜率虛線108具有更大斜率。受控斜 率虛線108的更大斜率的原因?qū)嵗谴嬖趯刂聘邆?cè)FET的內(nèi)部溫度以 及降低EMI輻射的同等強(qiáng)烈需求，這樣可以犧牲EMI輻射降低來降低高 側(cè)FET的內(nèi)部溫度。因此，有可能控制受控斜率虛線108的斜率，使其 依賴于環(huán)境因素比如溫度。例如，在圖2的實(shí)例中的斜率控制電路62可 以包括溫度傳感器以確定環(huán)境因素，這樣斜率控制電路62從而可以設(shè)置 受控斜率虛線108的斜率。
0030在高側(cè)FET變?yōu)橥耆せ钪?，高?cè)FET還損失功率。當(dāng)柵極 電壓從完全激活電壓VF增加到柵極最大電壓Vmax吋(圖3的實(shí)例中描 述為IO伏特)，高側(cè)FET充當(dāng)漏極和源極之間的可變電阻器。在大于完 全激活電壓VF的較低電壓電平時(shí)，高側(cè)FET的漏極到源極電阻RDS。n比 在最大電壓VMAx時(shí)的更大。因而，總電阻值隨時(shí)間的變化(dr/dt)與柵
極電壓達(dá)到柵極最大電壓VMAX所用的時(shí)間量成反比。由于電阻性負(fù)載以
熱的形式產(chǎn)生功率損耗，因此期望的是盡快將柵極電壓增加至完全激活 電壓Vp之上以增加負(fù)的dr/dt并使高側(cè)FET承受盡可能小的電阻RDS。n。從而，例如上面參照圖2所述的斜率控制系統(tǒng)在高側(cè)FET變?yōu)橥耆せ?br> 之后，增加了柵極電壓的增加率。這種更迅速的增加率導(dǎo)致由高電阻RDS。n
水平產(chǎn)生的熱所引起的降低的功率損耗。這樣，虛線108表示高側(cè)FET 最佳的激活，因?yàn)槠浣Y(jié)合了上面參照圖1描述的激活高側(cè)FET的先前方 法的優(yōu)點(diǎn)。虛線108具有由圖1的虛線14產(chǎn)生的功率損耗降低的優(yōu)點(diǎn)， 以及由圖1的虛線18產(chǎn)生的更低EMI輻射的優(yōu)點(diǎn)。0031在圖3的實(shí)例中，虛線108顯示了在完全激活電壓Vf上面的柵
極電壓的增加率具有與閾值電壓VT下面的增加率相同的斜率。然而，要
理解，兩個(gè)斜率不需要相同，在斜率控制區(qū)域102中比柵極電壓的斜率 更加迅速的增加率僅為說明性的以表示降低的功率損耗。可以進(jìn)一步理 解，虛線108的斜率以及電壓VT、 Vf和Vs可以全部依賴于高側(cè)FET的 類型和相關(guān)電路而變化，所述相關(guān)電路比如依照本發(fā)明的方面所用的圖2 的控制電路54和電平移動電路58 。
0032要理解依照本發(fā)明的方面，在圖3的實(shí)例中，斜率控制系統(tǒng)可 以與其被激活基本相同的方式停用高側(cè)FET比如圖2的實(shí)例中的高側(cè)
FET。例如，為降低與電阻RDS。n的更大值相關(guān)的傳導(dǎo)損耗，斜率控制系 統(tǒng)可以迅速地將柵極電壓從最大電壓VMAx降低到完全激活電壓VF。在 柵極電壓基本等于完全激活電壓Vp和閾值電壓VT之間的時(shí)候，斜率控 制系統(tǒng)減小柵極電壓的下降率以避免由電流的迅速降低產(chǎn)生的不可接受 的EMI輻射水平。
0033按照本發(fā)明的方面，圖4說明了開關(guān)調(diào)節(jié)器150 (例如同步降壓 變換器)，其包括用于N型高側(cè)FET 154的高側(cè)斜率控制電路152和用 于N型低側(cè)FET 158的低側(cè)斜率控制電路156。高側(cè)斜率控制電路152 連接到高側(cè)FET 154的柵極終端，并操作用于控制高側(cè)FET 154的柵極 電壓的變化率。低側(cè)斜率控制電路156連接到低側(cè)FET 158的柵極終端， 并操作用于控制低側(cè)FET 158的柵極電壓的變化率。開關(guān)調(diào)節(jié)器150包 括操作用于控制脈沖占空比的控制電路160，該脈沖通過高側(cè)斜率控制電 路152被提供到高側(cè)FET 154并通過低側(cè)斜率控制電路156被提供到低 側(cè)FET 158?？刂齐娐?60提供方波開關(guān)信號，比如時(shí)鐘信號或定時(shí)信號， 到斜率控制電路152和156。
10034高側(cè)FET 154具有連接到電壓源Vm的漏極終端，而低側(cè)FET 158 具有連接到地線的源極終端。高側(cè)FET 154的源極終端和低側(cè)FET 158 的漏極終端共用公共的節(jié)點(diǎn)SWITCH,有相應(yīng)的電壓Vsw,tch，該節(jié)點(diǎn)也 連接到高側(cè)斜率控制電路152和低側(cè)斜率控制電路156。電感器164互連 在節(jié)點(diǎn)SWITCH和開關(guān)調(diào)節(jié)器150的輸出端之間，該輸出端具有電壓 V0UT。續(xù)流二極管166互連在節(jié)點(diǎn)SWITCH和地線之間，其中陽極連接 到地線而陰極連接到節(jié)點(diǎn)SWITCH。
0035當(dāng)控制電路160激活高側(cè)時(shí)，高側(cè)斜率控制電路152的輸出變 為高(例如，邏輯1)，拉動高側(cè)FET 154的柵極高于源極并開啟高側(cè) FET。當(dāng)高側(cè)FET 154開啟時(shí)，源極到漏極輸入阻抗將是微弱的，且VSWITCH
將大約等于Vjn。當(dāng)Vsw,tch大約等于VjN時(shí)，通過電感器164的感應(yīng)電 流IL將開始增加。電流IL繼續(xù)增加，直到VswTCH改變。
0036控制電路160在其激活低側(cè)之前停用高側(cè)，以避免在Vm和地線 之間短路。當(dāng)控制電路160停用高側(cè)時(shí)，高側(cè)斜率控制電路152的輸出 變?yōu)榈?例如，邏輯0)并且高側(cè)FET 154切斷。因?yàn)橥ㄟ^電感器164 的電流IL趨向于保持不變，Vswm:h將相對地線變?yōu)樨?fù)，這樣電流IL可以 被提供通過續(xù)流二極管166。電流繼續(xù)流過續(xù)流二極管166直到控制電路 160激活低側(cè)。 一旦低側(cè)變?yōu)榧せ?，低?cè)斜率控制電路156的輸出變?yōu)楦?br> (例如，邏輯l)，拉動低側(cè)FET 158的柵極高于源極并開啟低側(cè)FET 158。 當(dāng)?shù)蛡?cè)FET 158開啟時(shí)，源極到漏極輸入阻抗將是微弱的并且V,tch將 大約等于地線。與上面描述的相類似，控制電路160將在再激活高側(cè)之 前停用低側(cè)。從而，同步開關(guān)調(diào)節(jié)器150運(yùn)行以維持電流lL流過電感器 164，因此維持電容器168和負(fù)載電阻170兩端的大約恒定電壓V0UT。
0037要理解，當(dāng)續(xù)流二極管166從地線到節(jié)點(diǎn)SWITCH傳導(dǎo)電流時(shí)， 功率被損耗。因此，開關(guān)調(diào)節(jié)器150在高側(cè)和低側(cè)的激活之間每個(gè)時(shí)期 損失功率。這種功率損耗由在圖1中所示的功率損耗區(qū)域20表示。從而， 按照本發(fā)明的方面，高側(cè)從零伏特剛一激活到高側(cè)FET154的閾值電壓， 此功率損耗就可以通過迅速增加高側(cè)FET 154的柵極電壓而被最小化。 同樣地，低側(cè)從零伏特剛一激活至低側(cè)FET 158的閾值電壓，此功率損 耗也可以通過迅速增加低側(cè)FET 158的柵極電壓而被最小化。然而，利用高側(cè)斜率控制電路152和低側(cè)斜率控制電路156，可以實(shí)現(xiàn)可接受的 EMI輻射水平的高側(cè)FET 154和低側(cè)FET 158的激活同時(shí)維持由高側(cè) FET 154和低側(cè)FET 158的激活產(chǎn)生的功率損耗的降低值。0038要理解，圖4中說明的開關(guān)調(diào)節(jié)器150是簡化的，因?yàn)槠錄]有 包含對于典型開關(guān)調(diào)節(jié)器電路的適當(dāng)功能性可能必需的全部電路元件和 供電電壓。為簡單起見，從圖4的討論中省略了這些元件和電壓，因?yàn)?依照本發(fā)明的方面它們對于足夠解釋開關(guān)調(diào)節(jié)器150的功能性不是必要 的。圖4僅僅是按照本發(fā)明的方面斜率控制可以用于控制高側(cè)和低側(cè)的 例證。
0039圖5說明了依照本發(fā)明的方面，提供斜率控制用于驅(qū)動高側(cè)FET 202的系統(tǒng)200的實(shí)例。通過使用比如可以由控制電路產(chǎn)生(未顯示)的 控制信號CS來激活高側(cè)FET202，系統(tǒng)200例如可以用于比如在圖4中 上述的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器中。在圖5的實(shí)例中，控制信號CS參考負(fù)電源電 壓(所示為地線GND)并且可以是方波。要理解，負(fù)電源電壓不必是地 線。系統(tǒng)200包括電平移動電路204和斜率控制電路208。斜率控制電路 包括不僅改變高側(cè)FET 202的柵極電壓的斜率的元件，還包括感測柵極 電壓的斜率何時(shí)應(yīng)該改變的元件。例如，斜率控制電路208具有感測柵 極電壓的增加率何時(shí)應(yīng)該從迅速改變到較慢(比如在圖3的實(shí)例中大于 電壓Vt的斜率控制區(qū)域102)以及柵極電壓的增加率何時(shí)應(yīng)該改變回到 更迅速的速度(比如在圖3的實(shí)例中大于完全激活電壓VF的區(qū)域)的元 件。這些電路元件都包括斜率控制電路208，其可以是單個(gè)集成電路(IC)。 替代地，如在圖5中表明的，斜率控制電路208可以是除高側(cè)FET 202 和電流感測電阻210以外的單個(gè)IC，該電流感測電阻210可以是互連在 高側(cè)FET202的漏極終端和電源Vm之間的精密電阻。因?yàn)楦邆?cè)FET202 和電流感測電阻210可以設(shè)置在斜率控制電路208的外部，所以斜率控 制電路208可以被稱作外部監(jiān)控斜率控制電路。
0040電平移動電路204包括兩個(gè)N型MOSFET開關(guān)，N1禾BN2。開 關(guān)N1和N2都互連在地線GND和電平移動電路204之間。每個(gè)的源極 終端連接到地線GND，開關(guān)Nl的漏極終端連接到電平移動電路204中 的P型MOSFET開關(guān)P3的漏極終端，而開關(guān)N2的漏極終端連接到電平移動電路204中的P型MOSFET開關(guān)P4的漏極終端。開關(guān)Nl的柵極終 端連接到反相器212的輸出，所述反相器212工作以反轉(zhuǎn)控制信號CS。 開關(guān)N2的柵極終端被直接連接到控制信號CS。
0041電平移動電路204包括四個(gè)P型MOSFET開關(guān)，Pl、 P2、 P3
和P4。開關(guān)P1和P2每個(gè)具有連接到自舉電壓源VBO()T的源極終端。開
關(guān)Pl和P2每個(gè)的柵極終端都連接到對應(yīng)的另一個(gè)開關(guān)Pl和P2的漏極 終端。開關(guān)P3和P4每個(gè)的源極終端也被分別地連接到包括開關(guān)Pl的漏 極和開關(guān)P2的漏極的節(jié)點(diǎn)。開關(guān)P3的漏極終端連接到電平移動電路204 中Nl的漏極終端，而開關(guān)P4的漏極終端連接到電平移動電路204中開 關(guān)N2的漏極終端。開關(guān)P3和P4的柵極終端互相連接，該柵極終端也連 接到高側(cè)FET 202的源極終端。高側(cè)FET 202的源極終端傳送高側(cè)的輸 出信號，在圖5中表示為VSWITCH。電平移動電路204的輸出是由開關(guān)P1 的柵極、開關(guān)P2的漏極和開關(guān)P4的源極所共用的節(jié)點(diǎn)，并在圖5中表 不為LS0UT。
0042電平移動電路204運(yùn)行以將反轉(zhuǎn)且調(diào)節(jié)式的控制信號CS提供給 斜率控制電路208。電平移動電路204調(diào)節(jié)控制信號CS到更高電壓參考 水平，用以適當(dāng)激活相對Vswnx;h的高側(cè)FET。在圖5的實(shí)例中，信號 VBOOT可以是不固定的參考電壓，其在數(shù)值上高于電壓源VrN。電平移動
電路204在LSouT輸出已調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)的控制信號用于高側(cè)FET 202的適當(dāng) 激活。
0043電平移動電路204和斜率控制電路208每個(gè)接收控制信號CS作 為輸入。當(dāng)控制信號CS變?yōu)楦邥r(shí)，開關(guān)N2變成激活并且在節(jié)點(diǎn)LS()ut 降低輸出。節(jié)點(diǎn)LSouT連接到P型MOSFET開關(guān)P5的柵極終端。開關(guān) P5具有連接到高側(cè)FET 202的柵極終端的漏極終端和連接到恒定電流源 214的源極終端。例如，恒定電流源214可以由電流鏡產(chǎn)生，并且為簡單 起見在圖5的實(shí)例中表示為恒定電流源。恒定電流源214互連在P5和自 舉電壓源VBQOT之間，并且是電流限制的以提供非常小的電流，其可能具 有以毫安可測量的量級。另外，恒定電流源214可以具有與高側(cè)FET202 的跨導(dǎo)(gm)成反比的值，這樣高側(cè)FET 202電流的變化率基本不依賴 于溫度和工藝變量。當(dāng)LSouT的電壓變?yōu)榈蜁r(shí)，P5開啟，引起恒定電流源214施加最小的電流量到高側(cè)FET 202的柵極終端。按照本發(fā)明的方 面，施加在高側(cè)FET 202的柵極終端的最小電流量當(dāng)作為唯一的電流源 施加到柵極時(shí)，例如在圖3的實(shí)例中的斜率控制區(qū)域102期間引起柵極 電壓斜率的降低。要理解，由恒定電流源214產(chǎn)生的電流數(shù)值可以是可 調(diào)節(jié)的，取決于圖3中表明的斜率控制區(qū)域102中所期望的斜率數(shù)值。 這種可調(diào)節(jié)性例如可以由電路元件的修改而產(chǎn)生，所述電路元件構(gòu)成包 括恒定電流源214的電流鏡。
0044同時(shí)，開關(guān)P5變?yōu)榧せ?，控制信號CS也驅(qū)動輸入到與非門216。 與非門216也接收來自電流感測比較器218的輸出信號作為輸入。電流 感測比較器218接收兩個(gè)輸入，每個(gè)來自外部電流感測電阻210 (負(fù)終端 連接到輸入電壓V!n)的相對終端。與非門216的輸出耦連到P型MOSFET
開關(guān)P6的柵極終端。開關(guān)P6具有連接到電壓源VBOOT的源極終端和連
接到高側(cè)FET202的柵極終端的漏極終端。
0045當(dāng)電流感測電阻210的任一側(cè)上的電壓沒有區(qū)別時(shí)候，電流感 測比較器218的輸出是高(即，邏輯1)。然而，當(dāng)電流流過感測電阻 210時(shí)，在感測電阻210的兩端將有電壓降落，其引起電流感測比較器 218的輸出變?yōu)榈?即，邏輯0)。最初，當(dāng)控制信號CS變?yōu)楦?，高?cè) FET202的柵極電壓是零，并因而高側(cè)FET202還沒有被激活。因?yàn)楦邆?cè) FET202還沒有被激活，所以沒有電流流過電流感測電阻210。電流感測 比較器218的輸出因而是高，所以具有來自控制信號CS的高輸入和來自 電流感測比較器218的高輸入的與非門的輸出是低。這樣，開關(guān)P6在與 控制信號CS初始變?yōu)楦叩幕鞠嗤瑫r(shí)刻激活。當(dāng)開關(guān)P6被激活時(shí)，電 壓源VBoor變?yōu)榕c高側(cè)FET 202的柵極終端短路，引起高側(cè)FET 202的 柵極電壓迅速增加并且一旦柵極電壓達(dá)到閾值電壓Vt就引起高側(cè)FET 202激活。柵極電壓的這種迅速增加降低了可能由將電流提供給高側(cè)FET 202的輸出節(jié)點(diǎn)的低側(cè)設(shè)備所引起的功率損耗，該低側(cè)設(shè)備例如將電流從
地線傳導(dǎo)至高側(cè)VsMTCH的輸出的續(xù)流二極管，如圖4的開關(guān)調(diào)節(jié)器中所
描述的。在圖5的實(shí)例中，要理解，開關(guān)P5和開關(guān)P6基本同時(shí)打開。 然而，從電壓源VBooT流過開關(guān)P6的電流和從恒定電流源214流過的電 流的差別是很大的，其中從電壓源VsooT流過開關(guān)P6的電流要高許多。0046基本與柵極電壓剛一達(dá)到閾值電壓Vt高側(cè)FET202就變成激活 同時(shí)，電流開始流過感測電阻210。如上面描述的，當(dāng)電流流過電流感測 電阻210時(shí)，電流感測比較器218的輸出變?yōu)榈?。這使與非門216的輸 出變?yōu)楦撸蚨袛嚅_關(guān)P6。這就在電壓源VBooT和高側(cè)FET 202的柵 極終端之間產(chǎn)生開路。此刻，在開關(guān)P6被切斷后，只有開關(guān)P5被激活， 并且極小量的電流從恒定電流源214被提供到高側(cè)FET 202的柵極終端， 導(dǎo)致在高側(cè)FET 202變?yōu)榧せ钪蟾邆?cè)FET 202的柵極電壓的降低的增 加率。因此， 一旦高側(cè)FET202的柵極電壓到達(dá)閾值電壓VT，電流感測 比較器218通過停用開關(guān)P6進(jìn)行操作以監(jiān)控高側(cè)FET 202的柵極電壓， 因而降低高側(cè)FET 202的柵極電壓的斜率。柵極電壓的斜率的這種降低 減弱了由高側(cè)FET 202的激活所致的迅速輸入電流引起的不可接受的 EMI輻射。
0047與非門220接收控制信號CS作為輸入以及從地線跨接比較器 222接收輸出信號。與非門220的輸出耦連到P型MOSFET開關(guān)P7的柵 極終端。開關(guān)P7具有連接到電壓源VB00T的源極終端和連接到高側(cè)FET 202的柵極終端的漏極終端。地線跨接比較器222在來自地線GND的負(fù)
終端和來自高側(cè)輸出Vsw!tch的正終端接收輸入。
0048在比如參照圖4上面描述的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器中，當(dāng)高側(cè)FET沒 被激活時(shí)，續(xù)流二極管從地線傳導(dǎo)電流。高側(cè)FET的輸出端的電壓電平 因而相對地線為負(fù)，同時(shí)續(xù)流二極管傳導(dǎo)電流。高側(cè)FET剛一被完全激 活，高側(cè)FET的輸出端的電壓電平就變?yōu)檎?，這基本與續(xù)流二極管不再
從地線傳導(dǎo)任何電流同時(shí)發(fā)生。在圖5的實(shí)例中，Vswnx:h的電壓電平因
此相對地線為負(fù)同時(shí)高側(cè)FET 202還沒被完全激活，并因而柵極電壓還 沒有達(dá)到完全激活電壓VF。地線跨接比較器222運(yùn)行工作以監(jiān)控高側(cè)輸 輸出VSWITCH的電壓從而確定其相對地線GND何時(shí)為正。當(dāng)電壓VSWTICH 為負(fù)時(shí)，地線跨接比較器222的輸出是低。然而，電壓Vs暫cH—達(dá)到大 于零的電平，地線跨接比較器222的輸出就變?yōu)楦摺?b>0049從而，在高側(cè)FET202的柵極電壓到達(dá)閾值電壓VT之前時(shí)，控 制信號CS是高并且地線跨接比較器222的輸出是低，使得與非門220的 輸出變?yōu)楦?。因而開關(guān)P7是開路。在高側(cè)FET202的柵極電壓基本等于閾值電壓VT后，高側(cè)FET202被緩慢激活，并且電流開始流過高側(cè)FET 202。這引起VswncH處的負(fù)電壓朝零緩慢地增加。在Vsw汀cH處的電壓變 為大于零的時(shí)候，高側(cè)FET202的柵極電壓基本等于完全激活電壓VF， 并且高側(cè)FET202被完全激活。地線跨接比較器222的輸出因而變?yōu)楦撸?使與非門220的輸出變?yōu)榈汀＿@就激活開關(guān)P7，弓I起高側(cè)FET202的柵 極終端與電壓源Vboot変成短路。因而，在高于完全激活電壓Vp (比如 在圖3的實(shí)例中斜率控制區(qū)域102上面)至最大電壓VMAX的電壓電平上， 高側(cè)FET 202的柵極電壓的斜率返回到基本更快的增加率。這樣，地線 跨接比較器222監(jiān)控高側(cè)FET 202的柵極電壓并探測高側(cè)FET 202何時(shí) 變?yōu)橥耆せ睿虼苏{(diào)節(jié)柵極電壓的斜率以降低由更高水平的電阻RDS。n 引起的傳導(dǎo)功率損耗。
0050要理解，其他的或附加的電路元件可以用于高側(cè)FET 202的激 活以及用于閾值電壓VT和完全激活電壓VF的感測。例如，P型MOSFET 開關(guān)可以用于代替N型MOSFET開關(guān)，反之亦然。
0051圖6說明了按照本發(fā)明的方面為驅(qū)動高側(cè)FET 252而提供斜率 控制的系統(tǒng)250的另一個(gè)實(shí)例。通過使用比如可以由控制電路(未顯示) 產(chǎn)生的控制信號CS來激活高側(cè)FET252，系統(tǒng)250例如可以用于比如圖 4中所述的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器中。在圖6的實(shí)例中，控制信號CS參考負(fù)電 源電壓(所示為地線GND)并可以是方波。要理解，負(fù)電源電壓不必是 地線。系統(tǒng)250包括電平移動電路254和斜率控制電路258。斜率控制電 路258包括不僅改變高側(cè)FET 252的柵極電壓的斜率元件，還包括感測 柵極電壓的斜率何時(shí)應(yīng)該改變的元件。例如，斜率控制電路258具有感 測柵極電壓的增加率何時(shí)應(yīng)該從迅速改變到較慢(比如在圖3的實(shí)例中 大于電壓Vt的斜率控制區(qū)域102)以及柵極電壓的增加率何時(shí)應(yīng)該改變 回到更迅速的速度(比如在圖3的實(shí)例中大于完全激活電壓VF的區(qū)域) 的元件。這些電路元件，包括高側(cè)FET 252，全部包含在斜率控制電路 258內(nèi)，所述斜率控制電路258可以是單個(gè)集成電路(IC)。因?yàn)楦邆?cè) FET 252和用于感測高側(cè)FET 252的柵極電壓的斜率過渡點(diǎn)的全部電路 元件可以包含在單個(gè)封裝內(nèi)，該斜率控制電路258可以被稱作內(nèi)部監(jiān)控 斜率控制電路。
180052在圖6的實(shí)例中電平移動電路254與上面描述的圖5的實(shí)例中 基本上相同。從而，類似參考數(shù)字和開關(guān)數(shù)字用于描述內(nèi)部的電路元件， 且沒有進(jìn)一步討論在圖6的實(shí)例中它們?nèi)绾尾僮鳌?br> 0053電平移動電路254和斜率控制電路258每個(gè)接收控制信號CS作 為輸入。當(dāng)控制信號CS變?yōu)楦?，開關(guān)N2變?yōu)榧せ畈⑹构?jié)點(diǎn)LS^T處的 輸出降低。節(jié)點(diǎn)LSouT連接到P型MOSFET開關(guān)P8的柵極終端。開關(guān) P8具有連接到高側(cè)FET 252的柵極終端的漏極終端和連接到恒定電流源 264的源極終端。例如，恒定電流源264可以由電流鏡產(chǎn)生，并且為簡單 起見，在圖6的實(shí)例中表示為恒定電流源。恒定電流源264互連在P8和 自舉電壓源VBOOT之間，并且是電流限制的以提供非常小的電流，其具有 以毫安可測量的大小。另外，恒定電流源264可以有與高側(cè)FET 202的 跨導(dǎo)(gm)成反比的值，這樣高側(cè)FET 202電流的變化率基本不依賴于 溫度和工藝變量。當(dāng)LSouT處的電壓變?yōu)榈偷?，P8開啟，引起恒定電流 源264施加最小量的電流到高側(cè)FET 252的柵極終端。根據(jù)本發(fā)明的方 面，施加到高側(cè)FET 252的柵極終端的最小量的電流當(dāng)作為唯一電流源 施加在柵極時(shí)，例如在圖3的實(shí)例的斜率控制區(qū)域102期間引起柵極電 壓的斜率的降低。要理解，由恒定電流源264產(chǎn)生的電流量可以根據(jù)圖3 中說明的斜率控制區(qū)域102中所期望的斜率量，是可調(diào)節(jié)的。這種可調(diào) 節(jié)性例如可以由電路元件的修改而產(chǎn)生，所述電路元件構(gòu)成包括恒定電 流源264的電流鏡。
0054節(jié)點(diǎn)LS。uT也連接到P型MOSFET開關(guān)P9的柵極終端。因而， 開關(guān)PS隨著節(jié)點(diǎn)LSouT處的輸出變?yōu)榈投せ睿瑫r(shí)開關(guān)P9也激活。 開關(guān)P9具有連接到電壓源VB00T的源極終端和連接到電阻器266的漏極 終端。 一對N型MOSFETN3和N4耦連在電阻器266和高側(cè)VSWITCH的 輸出之間。FET N3具有連接到高側(cè)VswTCH的輸出的源極終端以及都連 接到開關(guān)N4的源極終端的柵極終端和漏極終端。FET N4具有都連接到 節(jié)點(diǎn)268的柵極終端和漏極終端。要理解，通過配置FETN3和N4使每 個(gè)的柵極終端與其自己各自的漏極終端連接，F(xiàn)ET N3和N4每個(gè)總是激 活的。從而，F(xiàn)ETN3和N4的每個(gè)具有等于各自的漏極-源極電壓VDs的 柵極-源極電壓Vcs，其大約等于FET各自的閾值電壓。0055節(jié)點(diǎn)268將開關(guān)N4的柵極和漏極終端與電阻器266和N型 MOSFET開關(guān)N5的柵極終端連接。開關(guān)N5具有連接到電壓源VB0OT的 漏極終端和連接到高側(cè)FET 252的柵極終端的源極終端。
0056要理解，在圖6的實(shí)例中，內(nèi)部監(jiān)控斜率控制電路258利用匹 配設(shè)備，其是匹配的FET的系統(tǒng)以測量高側(cè)FET252的閾值電壓。在圖 6的實(shí)例中，三個(gè)開關(guān)N3、 N4和N5全部與高側(cè)FET252匹配，其中全 部四個(gè)這些N型MOSFET開關(guān)具有基本相同的電特征，包括閾值電壓 Vt。因此，當(dāng)開關(guān)P9激活，電流經(jīng)過開關(guān)P9和電阻器266流到節(jié)點(diǎn)268。 因?yàn)殚_關(guān)N3和N4總是開啟的，并且因?yàn)槠涠寂c高側(cè)FET 252相匹配， 所以當(dāng)開關(guān)P9被激活時(shí)，節(jié)點(diǎn)268的電壓電平基本等于2*VT。
0057隨著開關(guān)P9激活，在開關(guān)P8和P9的激活的基本相同時(shí)刻，節(jié) 點(diǎn)268的大約2+VT的電壓電平激活開關(guān)N5。這樣，在與控制信號CS初 始變?yōu)楦叩幕鞠嗤瑫r(shí)刻，開關(guān)N5激活。當(dāng)N5激活時(shí)，電壓源VBooT 變成與高側(cè)FET 252的柵極終端短路，引起高側(cè)FET 252的柵極電壓迅 速增加并且一旦柵極電壓達(dá)到閾值電壓Vt就引起高側(cè)FET252激活。柵 極電壓的這樣迅速增加降低了功率損耗，該功率損耗可以由將電流提供 給高側(cè)FET 202的輸出節(jié)點(diǎn)的低側(cè)設(shè)備引起，該低側(cè)設(shè)備比如是將電流
從地線傳導(dǎo)至高側(cè)VswTCH的輸出的續(xù)流二極管，如圖4的開關(guān)調(diào)節(jié)器中
所述的。在圖6的實(shí)例中，要理解，開關(guān)P8和開關(guān)N5基本同時(shí)打開。 然而，從電壓源VBOOT流過開關(guān)N5的電流和從恒定電流源264流過的電
流的差別是很大的，其中從電壓源VB(x)t流過開關(guān)N5的電流要高許多
0058當(dāng)高側(cè)FET252的柵極電壓變?yōu)榇篌w等于或稍大于閾值電壓VT 時(shí)，開關(guān)N5切斷。這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)268處的電壓電平仍然基本等于2^^VT， 并因而當(dāng)高側(cè)FET252的柵極電壓達(dá)到閾值電壓Vt吋，開關(guān)N5的柵極-源極電壓Vcs變?yōu)樾∮谄溟撝惦妷篤T。此刻，在開關(guān)N5已經(jīng)切斷之后， 只有開關(guān)P8被激活，并且非常小量的電流從恒定電流源264被提供到高 側(cè)FET 252的柵極終端，導(dǎo)致在高側(cè)FET 252變?yōu)榧せ畹闹蟾邆?cè)FET 252的柵極電壓的減少的變化率。因此， 一旦高側(cè)FET252的柵極電壓到 達(dá)閾值電壓VT，幵關(guān)N5通過停用作為源極跟隨器以監(jiān)控高側(cè)FET 252 的柵極電壓，因而降低高側(cè)FET 252的柵極電壓的斜率。柵極電壓的斜
20率的這種減小降低了隨高側(cè)FET 252的激活由迅速輸入電流引起的不可接受的EMI輻射。
0059比較器270具有連接到節(jié)點(diǎn)268的正終端和連接到高側(cè)FET 252的柵極終端的負(fù)終端。比較器270具有耦連到P型MOSFET幵關(guān)P10的柵極終端的輸出，該MOSFET開關(guān)P10具有連接到電壓源Vboot的源扱終端和連接到高側(cè)252的柵極的漏極終端。
0060比較器270運(yùn)行以監(jiān)控高側(cè)FET 252的柵極電壓，從而確定柵極電壓何時(shí)基本等于節(jié)點(diǎn)268處的電壓(2*VT)。當(dāng)柵極電壓小于2n^r
時(shí)，比較器270的輸出是高。然而，隨著柵極電壓達(dá)到基本等于2n^的
電平，比較器270的輸出變?yōu)榈?。這激活開關(guān)PIO，引起高側(cè)FET252
的柵極終端與電壓源VBCX)T變成短路。因而，在高于完全激活電壓Vp(比
如在圖3的斜率控制區(qū)域102上面)到最大電壓VMAx的電壓電平上，高側(cè)FET 252的柵極電壓的斜率返回到基本更快的增加率。這樣，比較器270監(jiān)控高側(cè)FET 252的柵極電壓并探測高側(cè)FET 202何時(shí)變?yōu)橥耆?br> 活，因此調(diào)節(jié)柵極電壓的斜率以降低由電阻RDS。n的更高水平引起的功率
損耗。要理解，圖6的內(nèi)部監(jiān)控斜率控制電路258不探測高側(cè)FET 252變?yōu)橥耆せ畹狞c(diǎn)。相反，斜率控制電路258探測任意的完全激活電壓VF，其基本等于比如圖3中表明的閾值電壓VT的兩倍，這對于確定高側(cè)FET252何時(shí)變?yōu)橥耆せ羁赡苁亲銐虻摹＿M(jìn)一步地，通過選擇不同匹配的FET，必要時(shí)可以調(diào)節(jié)閾值電壓VT并因而調(diào)節(jié)任意完全激活電壓VF，以適合應(yīng)用。
0061要理解，其他或者另外的電路元件可以用于高側(cè)FET 252的激活以及用于閾值電壓VT和完全激活電壓VF的感測。例如，P型MOSFET開關(guān)可以用于代替N型MOSFET開關(guān)，反之亦然。進(jìn)一步要理解，圖5的外部監(jiān)控斜率控制電路的元件可以與圖6的內(nèi)部監(jiān)控斜率控制電路的元件相結(jié)合，以準(zhǔn)確地監(jiān)控高側(cè)FET的柵極電壓的斜率轉(zhuǎn)變點(diǎn)。實(shí)例可以包括將圖6的實(shí)例中的匹配的FET與圖5的實(shí)例中的地線跨接比較器相結(jié)合，這樣匹配的FET感測高側(cè)FET的閾值電壓VT，同時(shí)地線跨接比較器感測高側(cè)FET的完全激活電壓VF。
0062按照本發(fā)明的方面，系統(tǒng)250還包括負(fù)斜率控制電路272，這樣上述的斜率控制電路258為正斜率控制電路。隨著高側(cè)變?yōu)橥Ｓ?，?fù)斜率控制電路272運(yùn)行以動態(tài)地改變高側(cè)FET 252的柵極電壓的減小率。當(dāng)控制信號CS變?yōu)榈蜁r(shí)，開關(guān)N2變?yōu)橥Ｓ貌⑸侠?jié)點(diǎn)LSouT的輸出，因而通過提供高信號到開關(guān)P8和P9來停用正斜率控制電路258。然而，節(jié)點(diǎn)LSouT也連接到N型MOSFET開關(guān)N6的柵極終端。開關(guān)N6具有連接到高側(cè)FET 252的柵極終端的漏極終端和連接到恒定電流源274的源極終端。例如，恒定電流源274可以由電流鏡產(chǎn)生，并且為簡單起見在圖6的實(shí)例中以恒定電流源表示。恒定電流源274互連在N6和高側(cè)Vs，cH的輸出之間，并且是電流限制的以提供非常小的電流，該電流具有以毫安可測量的大小。另外，恒定電流源274可以有恒定跨導(dǎo)(gm)，這樣其提供的最小電流不依賴于溫度和工藝變量。當(dāng)LSouT的電壓變?yōu)楦邥r(shí)，N6接通，使恒定電流源274將最小的電流量從高側(cè)FET252的柵極終端提供到高側(cè)VSWITCH的輸出，并因而當(dāng)作為唯一電流源從柵極施加到輸出時(shí)緩慢地降低高側(cè)FET 252的柵極電壓。要理解，由恒定電流源274所產(chǎn)生的電流量可以根據(jù)停用高側(cè)FET252中所期望的負(fù)斜率量，是可調(diào)節(jié)的。這種可調(diào)節(jié)性例如可以由電路元件的修改而產(chǎn)生，所述電路元件構(gòu)成包括恒定電流源274的電流鏡(鏡像電流)。0063節(jié)點(diǎn)LSout也連接到N型MOSFET開關(guān)N7的柵極終端。因而，在開關(guān)N6隨節(jié)點(diǎn)LSouT的輸出變?yōu)楦叨せ畹耐瑫r(shí)，開關(guān)N7也激活。開關(guān)N7具有連接到高側(cè)FET252的柵極的漏極終端和連接到電容器276的源極終端。 一對串聯(lián)的N型MOSFETN8和N9也耦連到N7的源極終端。晶體管N9具有連接到地線的源極終端和具有連接到反相器212的輸出的柵極終端，這樣隨著控制信號CS變?yōu)榈?，N9的柵極終端被激活。晶體管N8具有柵極終端，該柵極終端連接到電容器276和進(jìn)一步連接到N型MOSFETN10的源極終端和電阻器278的節(jié)點(diǎn)，該電阻器278具有相當(dāng)高的電阻值(例如，100kQ)。晶體管N10具有連接到高側(cè)FET252的柵極終端的漏極終端和接收電壓源Vref的柵極終端，該電壓源VreF可能是大約5伏特。
0064晶體管N7、 N8和N9是切斷晶體管，這樣一旦節(jié)點(diǎn)LSqut和反相器212的輸出變?yōu)楦撸邆?cè)FET 252的柵極終端變?yōu)橄吕恋鼐€，引起電流從高側(cè)FET 252的柵極流向地線。這樣引起高側(cè)FET 252的柵極電壓的迅速降低。要理解，晶體管N10被電壓源VREF激活，并且晶體管NIO、電容器276和電阻器278的排列如下在高側(cè)的切斷開始時(shí)晶體管N8被激活，但晶體管N8的柵極電壓被疏遠(yuǎn)以便限制晶體管N8的漏極到源極電流，因而保護(hù)晶體管N8和N9避免過電流產(chǎn)生的毀壞。0065只要有足夠的電流流過高側(cè)FET 252以維持感應(yīng)電流比如圖4中流過電感器164的電流Il，電流將繼續(xù)從高側(cè)FET 252的柵極流向地線。 一旦流過高側(cè)FET 252的電流不再足以維持電感器電流，那么電流的平衡從一些其他電源比如圖4的續(xù)流二極管166被提供，因?yàn)榱鬟^電感器的電流趨向于保持不變。由于續(xù)流二極管從地線傳導(dǎo)電流到高側(cè)
Vsw汀ch的輸出，高側(cè)VswiTCH的輸出端的電壓相對地線變?yōu)樨?fù)。由于高
側(cè)FET 252的柵極終端和源極終端之間的內(nèi)部電容，高側(cè)FET 252的柵極到源極電壓因而將趨向保持恒定，這樣高側(cè)FET 252的柵極電壓當(dāng)其相對地線變?yōu)樨?fù)時(shí)將跟隨高側(cè)FET 252的源極電壓。由于高側(cè)FET 252的源極電壓經(jīng)歷迅速的負(fù)變化率，因而高側(cè)FET 252的柵極電壓的這種迅速降低在高側(cè)FET 252變?yōu)橥Ｓ玫狞c(diǎn)上發(fā)生，所述點(diǎn)大約對應(yīng)于圖3的實(shí)例中的電壓Vp。
0066隨著高側(cè)FET 252的源極電壓相對地線變?yōu)樨?fù)，高側(cè)FET 252的柵極電壓的迅速下降使得切斷晶體管N8的柵極電壓也顯著下降(通過晶體管N7)。因而晶體管N8停用，切斷從高側(cè)FET 252的柵極終端流到地線的迅速電流。然而，從恒定電壓源274提供的最小電流仍然從高側(cè)FET 252的柵極終端通過晶體管N6流到高側(cè)VSWITCH的輸出端。因此，按照本發(fā)明的方面，負(fù)斜率控制電路272降低高側(cè)FET 252的柵極電壓的減小率，從而降低由流過高側(cè)FET 252電流的迅速減少產(chǎn)生的EMI輻射。在圖6的實(shí)例中，要理解晶體管N6和N7基本同時(shí)激活。然而，從高側(cè)FET 252的柵極終端通過晶體管N7到地線的電流和從恒定電流源274的電流的區(qū)別很大，其中從高側(cè)FET252的柵極終端流向地線的電流高許多。進(jìn)一步要理解，盡管負(fù)斜率控制電路272的操作的上面描述只表明高側(cè)FET 252的柵極電壓的兩個(gè)減小率，按照本發(fā)明的方面，也可以包括另外的電路，以增加如特定應(yīng)用所保證的另外減小率。另外的，
23盡管在圖6中只說明了負(fù)斜率控制電路272，但是其也可以與圖5中所示的外部監(jiān)控斜率控制電路一起使用，或者可以單獨(dú)使用而根本不需要正斜率控制電路。
0067鑒于上面描述的前述結(jié)構(gòu)和功能特征，參照圖7將更容易意識到某些方法。要理解并意識到，在其他實(shí)施例中，說明的動作可以以不同的次序發(fā)生和/或與其他動作同時(shí)發(fā)生。此外，不是全部說明的特征都需要來實(shí)施方法。
0068圖7說明了按照本發(fā)明的方面用于激活功率FET的方法300。在302，可以是方波或者邏輯信號的控制信號被施加(即，邏輯l)。這種控制信號可以通過驅(qū)動電路和/或電平移動電路被路由，以相對功率FET輸出來調(diào)節(jié)控制信號。在304，功率FET的柵極電壓被增加。柵極電壓的增加可以以柵極電壓隨時(shí)間的極快速率或者高斜率發(fā)生，以便降低來自將電流提供到功率FET的輸出節(jié)點(diǎn)的續(xù)流二極管的功率損耗。通過開關(guān)將功率FET的柵極與相當(dāng)高的電壓源連接，這可能發(fā)生。
0069在306，該方法監(jiān)控柵極電壓以確定柵極電壓何時(shí)達(dá)到功率FET的閾值電壓VT。通過與功率FET匹配的另外內(nèi)部FET的配置，或者通過設(shè)置在斜率控制電路外部的、感測流過感測電阻器的電流的電流感測比較器，這可以在斜率控制電路中發(fā)生。在308，隨著該方法感測到功率FET的柵極電壓基本等于閾值電壓VT，該方法減慢柵極電壓的增加率。通過從功率FET的柵極到相當(dāng)高的電壓源提供開路以及通過將比如來自電流鏡的最小電流提供到功率FET的柵極，該方法可以減慢增加率。這可以降低EMI輻射到可接受的水平，用于開關(guān)調(diào)節(jié)應(yīng)用。
0070在310，此方法監(jiān)控柵極電壓以確定柵極電壓何時(shí)達(dá)到功率FET的完全激活電壓VF。通過使用比較器測量功率FET的柵極電壓達(dá)到大約閾值電壓VT的兩倍或者功率FET的輸出端的電壓達(dá)到大于零的時(shí)刻，這可以發(fā)生在斜率控制電路內(nèi)。在312,隨著功率FET達(dá)到完全激活電壓VF，該方法增加功率FET的柵極電壓的斜率，以便降低來自由開關(guān)功率FET引起的電阻器RDs。n的功率損耗。通過將功率FET的柵極短路到很高的電壓源，柵極電壓隨時(shí)間的斜率的增加可能發(fā)生。
0071本發(fā)明涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，對于描述的示例性實(shí)施例可以做出各種增加、刪減、代替和其他的更改，而不偏離所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管FET的系統(tǒng)，其包括控制電路，其產(chǎn)生控制信號以提供所述功率FET的柵極電壓；和斜率控制電路，其耦連在所述控制電路和所述功率FET之間，該斜率控制電路可操作用于動態(tài)控制所述功率FET的柵極電壓的變化率，以降低由開關(guān)所述功率FET產(chǎn)生的電磁干擾EMI輻射和功率損耗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述斜率控制電路是正斜率控 制電路，其可操作用以在所述柵極電壓達(dá)到所述功率FET的閾值電壓時(shí) 降低所述柵極電壓的增加率，所述斜率控制電路在所述功率FET被大體 激活時(shí)還增加所述功率FET的所述柵極電壓的增加率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述斜率控制電路是負(fù)斜率控 制電路，其可操作用以在感測到所述功率FET開始停用時(shí)降低所述柵極 電壓的減小率，所述功率FET在所述功率FET的源極電壓經(jīng)歷迅速的負(fù) 變化率時(shí)開始停用。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述斜率控制電路包括使所述 功率FET的柵極終端和電流反射鏡互連的開關(guān)，所述電流反射鏡在所述 幵關(guān)閉合時(shí)提供最小恒定電流以降低所述功率FET的所述柵極電壓的變 化率；其中所述最小恒定電流的大小與所述功率FET的跨導(dǎo)值成反比， 導(dǎo)致所述功率FET的漏極到源極電流的變化率獨(dú)立于過程和溫度改變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述斜率控制電路包括感測電 路，其可操作用于感測流經(jīng)所述功率FET的電流以確定所述功率FET已 被激活，所述感測電路包括電流感測電阻器和比較器，所述比較器可操 作用于通過感測所述電流感測電阻的第一終端相對于所述電流感測電阻 的第二終端的電壓微分，來感測流經(jīng)所述功率FET的所述電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中外部感測電路包括地線跨接比 較器，其可操作用于在感測到所述功率FET被基本激活時(shí)激活開關(guān)以增 加所述功率FET的所述柵極電壓的增加率，所述功率FET在所述功率 FET的源極電壓相對于負(fù)電源電壓為正時(shí)被基本激活。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述斜率控制電路包括在所述 功率FET的所述柵極終端和負(fù)電源電壓之間互相連接的多個(gè)切斷晶體 管，所述切斷晶體管可操作用于增加所述功率FET的所述柵極電壓的減 小率。
8. —種用于驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管(FET)的方法，其包括-以第一增加率施加所述功率FET的柵極電壓； 監(jiān)控所述功率FET的所述柵極電壓；在所述柵極電壓達(dá)到所述功率FET的閾值電壓時(shí)將所述功率FET的 所述柵極電壓的所述第一增加率減小到第二增加率；和在所述功率FET變?yōu)榛就耆せ顣r(shí)將所述功率FET的所述柵極電壓的所述第二增加率提高到第三增加率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中監(jiān)控所述柵極電壓包括感測通 過所述功率FET的電流以確定所述功率FET變成激活；且其中感測電流 包括使用電流感測比較器來感測通過感測電阻器的電流，所述電流感測 比較器可操作用于感測所述感測電阻器的第一終端相對于所述感測電阻 器的第二終端的電壓微分。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中提高所述柵極電壓的所述第二 增加率包括在地線跨接比較器感測到所述功率FET被基本激活時(shí)激活開被基本激活。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中監(jiān)控所述柵極電壓包括設(shè)置多個(gè)匹配的FET以提供大約是所述功率FET的閾值電壓的兩倍的參考電 壓，所述多個(gè)匹配的FET具有與所述功率FET大體相同的電特性。
12. —種用于驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管(FET)的方法，其包括 以第一減小率去除所述功率FET的柵極電壓；監(jiān)控所述功率FET的 源極電壓；在所述功率FET開始停用時(shí)將所述功率FET的所述柵極電壓的所述 第一減小率降低到第二減小率。
全文摘要
提供了一種用于驅(qū)動功率場效應(yīng)晶體管(FET)的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)包括控制電路(54)，其產(chǎn)生控制信號(56)以提供功率FET的柵極電壓。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括耦連在控制電路和功率FET之間的斜率控制電路(62)，其可操作用于動態(tài)地控制功率FET的柵極電壓的變化率，以降低由開關(guān)功率FET產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)輻射和功率損耗。
文檔編號H03K17/687GK101501601SQ200680023147
公開日2009年8月5日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者D·J·鮑德溫, J·A·科胡特 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司