大功率开关模式电压调整器电路及其配置方法

申请号 CN200810005127.7 申请日 2008-01-22 公开(公告)号 CN101409505B 公开(公告)日 2012-08-29
申请人 成都芯源系统有限公司; 发明人 保罗·尤纳坦恩;
摘要 本 发明 揭示了一种用于大功率 开关 模式 电压 调整器 电路 及其配置方法,该电路包括金属 氧 化物 半导体 (MOS)开关晶体管阵列,其漏极和漏极、源极和源极彼此电连接,并包括多个栅极驱动电路,每个栅极驱动电路仅电连接并驱动一个所述MOS晶体管。它能实现低互联阻抗、高 电流 处理能 力 、小封装尺寸以及低廉的制造成本。
权利要求

1.一种大功率开关模式电压调整器电路,包括:
金属化物半导体开关晶体管的阵列,即MOS开关晶体管的阵列,所述MOS开关晶体管通过它们的源极和源极、漏极和漏极彼此相连接;以及
多个栅极驱动电路,其中,每个栅极驱动电路和每个MOS开关晶体管一一对应,且每个栅极驱动电路电连接并驱动与其对应的MOS开关晶体管,从而形成栅极驱动电路和MOS开关晶体管对,
其中,通过电连接到每个MOS开关晶体管的开关节点汇集来自每个MOS开关晶体管的电流
2.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述MOS开关晶体管尺寸被物理地限制,以获得充分减小的耦合阻容乘积,并且其中每个所述栅极驱动电路紧靠于并连接到每个MOS开关晶体管的栅极,以使每个所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对的互联阻抗充分减小。
3.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述MOS开关晶体管由n-沟道双扩散金属氧化物半导体晶体管构成。
4.如权利要求3所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述开关节点电连接到每个MOS开关晶体管的源极。
5.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括多个输入/输出电气节点,电连接于所述MOS开关晶体管的阵列的漏极和源极以及所述多个栅极驱动电路,以方便外部电路与所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对之间的通信。
6.如权利要求5所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述开关节点电连接到每个MOS开关晶体管的源极,并且所述输入/输出电气节点包括:
输入电压节点,电连接到每个MOS开关晶体管的漏极以及每个栅极驱动电路,用以传导输入电压至每个MOS开关晶体管的漏极以及每个栅极驱动电路;以及
至少一个电源电压节点,电连接到所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对以提供电源电压。
7.如权利要求6所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述开关节点、所述输入电压节点和所述至少一个电源电压节点进一步包括焊盘,适合接收倒装芯片凸焊点,以给所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对与外围电路的通信提供电连接。
8.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括浮置自举驱动充电电路,电连接到所述MOS开关晶体管的阵列和所述多个栅极驱动电路,用以将跨接在每个所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对上的电压调整至正确电压电平。
9.如权利要求8所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述浮置自举驱动充电电路进一步包括多个传导电路,电连接并传导所述正确电压电平至每个所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对,以使所述栅极驱动电路正确导通和关断相应的所述MOS开关晶体管。
10.如权利要求9所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述传导电路包括p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,即PMOS晶体管,以及包括串联连接于所述PMOS晶体管的二极管,所述PMOS晶体管的栅极电连接到所述浮置自举驱动充电电路,所述PMOS晶体管的漏极电连接到所述二极管的阳极,所述PMOS晶体管的源极电连接到MOS开关晶体管的阵列,所述二极管的阴极端电连接到所述多个栅极驱动电路,所述多个栅极驱动电路电连接并驱动所述MOS开关晶体管的阵列。
11.如权利要求10所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述浮置自举驱动充电电路进一步包括低压差电压调整器电路。
12.如权利要求11所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述低压差电压调整器电路包括:
误差放大器,具有用以驱动所述多个传导电路的输出端,并且提供所述正确电压电平到所述多个栅极驱动电路;以及
负反馈电路,将所述MOS开关晶体管的阵列的漏极电连接到所述误差放大器的输入端。
13.如权利要求12所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述误差放大器包括:
第一双极结型晶体管和电连接到所述第一双极结型晶体管的第二双极结型晶体管,所述第一双极结型晶体管的发射极端电连接到所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第一双极结型晶体管的基极端电连接到参考电压,所述第二双极结型晶体管的基极端电连接到所述负反馈电路;
第一偏置电阻器,包括第一端和第二端,所述第一端电连接到所述第一双极结型晶体管和所述第二双极结型晶体管的发射极端,所述第二端电连接到电气地;以及电流镜电路,包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管,所述第一PMOS晶体管的栅极电连接到所述第二PMOS晶体管的栅极和漏极,所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的源极共同电连接到所述多个传导电路,所述第一PMOS晶体管的漏极电连接到所述第一双极结型晶体管的集电极端,形成所述误差放大器的输出端,所述第二PMOS晶体管的漏极电连接到所述第二双极结型晶体管的集电极端。
14.如权利要求13所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述负反馈电路包括:
第一电阻器,所述第一电阻器的第一端电连接到所述多个栅极驱动电路的每一个栅极驱动电路;
PMOS晶体管,所述负反馈电路中的PMOS晶体管的源极电连接到所述第一电阻器的第二端,所述负反馈电路中的PMOS晶体管的栅极电连接到所述MOS开关晶体管的阵列;以及第二电阻器,所述第二电阻器的第一端电连接到所述负反馈电路中的PMOS晶体管的漏极,所述第二电阻器的第二端电连接到电气地。
15.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述MOS开关晶体管的阵列包括:
上端MOS开关晶体管的阵列;以及
下端MOS开关晶体管的阵列,
其中,所述上端MOS开关晶体管的阵列和所述下端MOS开关晶体管的阵列被设置成由所述多个栅极驱动电路互补性地导通和关断。
16.如权利要求15所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述上端MOS开关晶体管包括n-沟道双扩散金属氧化物半导体晶体管,并且每个所述下端MOS开关晶体管包括n-沟道双扩散金属氧化物半导体晶体管。
17.如权利要求16所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述开关节点电连接到每个上端MOS开关晶体管的源极以及电连接到每个下端MOS开关晶体管的漏极。
18.如权利要求15所述的大功率开关模式电压调整器电路,所述多个栅极驱动电路进一步包括:
多个上端栅极驱动电路,其中,每个所述上端栅极驱动电路和每个上端MOS开关晶体管一一对应,且每个所述上端栅极驱动电路电连接到与其对应的上端MOS开关晶体管中,从而形成上端栅极驱动电路和MOS开关晶体管对;
多个下端栅极驱动电路,其中,每个所述下端栅极驱动电路和每个下端MOS开关晶体管一一对应,且每个所述下端栅极驱动电路电连接到与其对应的下端MOS开关晶体管中,从而形成下端栅极驱动电路和MOS开关晶体管对。
19.如权利要求18所述的大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括多个输入/输出电气节点,电连接于所述上端MOS开关晶体管的阵列的漏极和源极,所述下端MOS开关晶体管的阵列的漏极和源极以及所述多个栅极驱动电路,以方便外部电路与所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对之间的通信。
20.如权利要求19所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述开关节点电连接到每个上端MOS开关晶体管的源极和每个下端MOS开关晶体管的漏极,并且所述输入/输出电气节点包括:
输入电压节点,电连接到每个上端MOS开关晶体管的漏极以及每个上端栅极驱动电路,用以传导输入电压至每个上端MOS开关晶体管的漏极以及每个上端栅极驱动电路;以及
至少一个电源电压节点,电连接到所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对以提供电源电压。
21.如权利要求20所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述开关节点、所述输入电压节点和所述至少一个电源电压节点进一步包括焊盘,适合接收倒装芯片凸焊点,以给所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对与外围电路的通信提供电连接。
22.如权利要求18所述的大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括浮置自举驱动充电电路,电连接到所述上端MOS开关晶体管的阵列和所述多个上端栅极驱动电路,用以将跨接在每个所述上端栅极驱动电路和MOS开关晶体管对上的电压调整至正确电压电平。
23.如权利要求22所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述浮置自举驱动充电电路进一步包括多个传导电路,电连接并传导所述正确电压电平至每个所述上端栅极驱动电路和MOS开关晶体管对,以使所述上端栅极驱动电路正确导通和关断相应的所述上端MOS开关晶体管。
24.如权利要求23所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中每个所述传导电路包括p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,即PMOS晶体管,以及包括串联连接于所述PMOS晶体管的二极管,所述PMOS晶体管的栅极电连接到所述浮置自举驱动充电电路,所述PMOS晶体管的漏极电连接到所述二极管的阳极,所述PMOS晶体管的源极电连接到上端MOS开关晶体管的阵列,所述二极管的阴极端电连接到所述多个上端栅极驱动电路,所述多个上端栅极驱动电路电连接并驱动所述上端MOS开关晶体管的阵列。
25.如权利要求24所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述浮置自举驱动充电电路进一步包括低压差电压调整器电路。
26.如权利要求25所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述低压差电压调整器电路包括:
误差放大器,具有用以驱动所述多个传导电路的输出端,并且提供所述正确电压电平到所述多个上端栅极驱动电路;以及
负反馈电路,将所述上端MOS开关晶体管的阵列的漏极电连接到所述误差放大器的输入端。
27.如权利要求26所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述误差放大器包括:
第一双极结型晶体管和电连接到所述第一双极结型晶体管的第二双极结型晶体管,所述第一双极结型晶体管的发射极端电连接到所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第一双极结型晶体管的基极端电连接到参考电压,所述第二双极结型晶体管的基极端电连接到所述负反馈电路;
第一偏置电阻器,包括第一端和第二端,所述第一端电连接到所述第一双极结型晶体管和所述第二双极结型晶体管的发射极端,所述第二端电连接到电气地;以及电流镜电路,包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管,所述第一PMOS晶体管的栅极电连接到所述第二PMOS晶体管的栅极和漏极,所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的源极共同电连接到所述多个传导电路,所述第一PMOS晶体管的漏极电连接到所述第一双极结型晶体管的集电极端,形成所述误差放大器的输出端,所述第二PMOS晶体管的漏极电连接到所述第二双极结型晶体管的集电极端。
28.如权利要求27所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述负反馈电路包括:
第一电阻器,所述第一电阻器的第一端电连接到所述每个上端栅极驱动电路;
PMOS晶体管,所述负反馈电路中的PMOS晶体管的源极电连接到所述第一电阻器的第二端,所述负反馈电路中的PMOS晶体管的栅极电连接到所述上端MOS开关晶体管的阵列;
以及
第二电阻器,所述第二电阻器的第一端电连接到所述负反馈电路中的PMOS晶体管的漏极,所述第二电阻器的第二端电连接到电气地。
29.如权利要求18所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述下端MOS开关晶体管的阵列进一步包括:
充电电路,电连接并调整所述下端MOS开关晶体管的阵列的所有下端栅极驱动电路至正确电压电平。
30.如权利要求29所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述充电电路包括:
第一双极结型晶体管和电连接到所述第一双极结型晶体管的第二双极结型晶体管,所述第一双极结型晶体管的发射极端电连接到所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第一双极结型晶体管的基极端电连接到参考电压,所述第二双极结型晶体管的基极端电连接到负反馈电路,并通过所述负反馈电路连接至与电源电压Vcc成正比的电压,其中所述负反馈电路包括第一电阻和第二电阻;
第一偏置电阻器,包括第一端和第二端,所述第一端电连接到所述第一双极结型晶体管和所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第二端电连接到电气地;以及电流镜电路,包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管,所述第一PMOS晶体管的栅极电连接到所述第二PMOS晶体管的栅极和漏极,所述第一PMOS晶体管的漏极电连接到所述第一双极结型晶体管的集电极端,所述第二PMOS晶体管的漏极电连接到所述第二双极结型晶体管的集电极端;以及
PMOS传导晶体管,其栅极电连接到所述电流镜电路,所述PMOS传导晶体管的源极电连接到第一和第二PMOS晶体管的源极,所述PMOS传导晶体管的漏极电连接到下端栅极驱动电路。
31.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括电连接到所述MOS开关晶体管的阵列的输出滤波器电路,所述输出滤波器电路进一步包括电感和串联连接于所述电感的电容。
32.如权利要求1所述的大功率开关模式电压调整器电路,其中所述栅极驱动电路包括逻辑电路,该逻辑电路用以产生逻辑高电平信号和逻辑低电平信号以分别导通和关断所述MOS开关晶体管的阵列。
33.如权利要求32所述的大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括电连接到所述多个栅极驱动电路的脉冲宽度调制电路。
34.一种大功率开关模式电压调整器电路的配置方法,包括:
提供作为开关元件的MOS开关晶体管的阵列,所述MOS开关晶体管通过它们的源极和源极、漏极和漏极彼此相连接,且每个所述MOS开关晶体管的尺寸被物理地限制,以获得充分减小的耦合阻容乘积;
提供多个栅极驱动电路,其中,每个所述栅极驱动电路和每个MOS开关晶体管一一对应,且使每个栅极驱动电路仅电连接并驱动一个所述MOS开关晶体管;以及通过电连接到每个MOS开关晶体管的开关节点汇集来自每个MOS开关晶体管的电流。
35.如权利要求34所述的方法,其中所述MOS开关晶体管的阵列包括:
上端MOS开关晶体管的阵列;以及
下端MOS开关晶体管的阵列,
其中,所述上端MOS开关晶体管的阵列和所述下端MOS开关晶体管的阵列被设置成由所述多个栅极驱动电路互补性地导通和关断。
36.如权利要求34所述的方法,进一步包括这样一个步骤:紧靠所述MOS开关晶体管放置每个栅极驱动电路,以充分减小所述栅极驱动电路和所述MOS开关晶体管间的互联阻抗。
37.如权利要求34所述的方法,进一步包括将正确电压电平电连接至所述MOS开关晶体管的阵列。
38.如权利要求34所述的方法,进一步包括为所述栅极驱动电路和相应MOS晶体管构成的对与外围电路提供通信。
39.如权利要求34所述的方法,其中所述MOS开关晶体管的阵列中的MOS开关晶体管的源极与源极、漏极与漏极彼此连接。

说明书全文

大功率开关模式电压调整器电路及其配置方法

技术领域

[0001] 本发明涉及模拟集成电路领域,更具体地说,本发明涉及开关模式的电压调整器。

背景技术

[0002] 低成本、小型化、高效率和高性能是决定当今消费性电子产品成败的关键性因素。也即是,消费者更倾向于低成本、小型化、高性能和高效率的电子产品。节能且高性能的产品需要利用诸如开关模式电压调整器之类的集成电路去有效地传导大量的电能。低成本要求半导体集成电路采用简单且较少的工艺步骤,这样每个单位的制造成本就会降低。小型化的要求促使集成电路向着在一个半导体芯片内部使用最少量片区域的方向发展。这几年,提高成本/尺寸/性能要求的努已经证明,传统的电路构造及其制造方法可能已经达到了它们在性能上的极限。在尝试实现成本/尺寸/性能要求时,维持相同的电路构造和设计布局只会提高成本,并且不能达到令人满意的效果。
[0003] 参看图1A,示出连接负载(RL)160的传统开关模式电压调整器100电路示意图。通常,传统开关模式电压调整器的电路100的构造和设计布局包括栅极驱动模101、开关电路模块110、自举驱动充电电路模块(boot strapcharging circuit block)120。这些模块都作为分立组件而被分别布置在半导体裸片内。开关电路模块110进一步包括上端(high-side)功率金属化物场效应晶体管(MOSFET)开关102和下端(low-side)功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)开关103。传统开关模式电压调整器电路100的开关输出SW随后连接于输出滤波器150和自举驱动充电模块120。
[0004] 更具体地说,栅极驱动电路模块101包括上端栅极驱动电路101HS和下端栅极驱动电路101LS。上端栅极驱动电路101HS串联连接于开关电路模块110的上端功率MOSFET开关102,下端栅极驱动电路101LS连接于开关电路模块110的下端功率MOSFET开关103。上端栅极驱动电路101HS的输入端接收用以驱动上端功率MOSFET开关102的反相驱动信号PWM。
相应地,在输入为逻辑低电平时,上端栅极驱动电路101HS把自举驱动电源节点(VBST)101U连接到上端功率MOSFET开关102的栅极;而在输入为逻辑高电平时,上端栅极驱动电路
101HS把上端功率MOSFET开关102的栅极连接到其源极和开关节点(SW)101SW。下端栅极驱动电路101LS的输入端接收用以驱动下端功率MOSFET开关103的驱动信号PWM。相应地,在输入为逻辑低电平时,下端栅极驱动电路101LS把电源电压VCC连接到下端功率MOSFET开关103的栅极;而在输入为逻辑高电平时,下端栅极驱动电路101LS把下端功率MOSFET开关
103的栅极连接到其源极和电气地110G。
[0005] 继续描述传统开关模式电压调整器电路100的电路构造。将上端功率MOSFET开关102的漏极连接到未调整的输入电压VIN,而其源极在开关节点(SW)101SW处与下端功率MOSFET开关103的漏极连接。下端功率MOSFET开关103的源极连接于电气地110G。
[0006] 再参阅图1A中的传统电路构造,输出滤波器150包括输出电容(COUT)152和与其串联连接的电感151。电感151的第一端连接在开关节点101SW,第二端连接于输出电容(COUT)152以形成现有技术的开关模式电压调整器100的输出端161。输出电容(COUT)152的另一端连接在电气地110G和下端功率MOSFET开关103的源极端。
[0007] 最后,如图1A所示的传统电路构造,自举驱动充电电路模块120包括二极管(D1)121、自举电容(CBOOT)122。二极管(D1)121的阳极端连接到电源电压VCC123,其阴极端在上拉节点(pull-up node)101U处与自举电容(CBOOT)122的一端连接。电容(CBOOT)122另一端连接于开关节点(SW)101SW。
[0008] 运行时,在上端栅极驱动电路101HS的输入端,上端MOSFET开关102接收反相驱动信号PWM。相应地,上端功率MOSFET开关102根据驱动信号PWM的电压电平而导通或者关断。当上端功率MOSFET开关102导通时,下端功率MOSFET开关103因为下端栅极驱动电路101LS接收相反的驱动信号PWM而处于关断状态。上端功率MOSFET开关的导通和下端功率MOSFET开关的关断使得开关节点(SW)101SW连接到输入电压VIN。相反地,下端功率MOSFET开关的导通和上端功率MOSFET开关的关断使得开关节点(SW)101SW连接到电气地110G。在开关模式调整器中,上端和下端功率MOSFET开关的导通和关断周期明显高于由电感151和电容152组成的滤波器的滤波频率。因此,输出端(VOUT)161的电压是输入电压VIN和PWM信号的占空比的时间平均(time average)。电感电流IL上升和下降的结果产生了负载(RL)160上可见的平均输出电压VOUT。因此,输出端161上的输出电压VOUT与输入电压VIN、以及与脉冲宽度调制信号PWM的占空比或频率成正比。自举驱动充电电路120保证上端栅极驱动电路101HS能接收电压,以导通/关断上端功率MOSFET开关102。
[0009] 上述传统开关模式电压调整器100的电路构造只能用来传导一定容量的电流和功率。在这个局限性下,传统开关模式电压调整器100的性价比显著下降。这是源于上端功率MOSFET开关102和下端功率MOSFET开关103的内在局限性,而且传统电路构造和设计布局会产生高互联阻抗和高开关损失,尤其是在高频率开关时表现更为明显。高互联阻抗产生高开关损失,致使传统开关模式电压调节器100不受欢迎。进一步地,包含分立组件的传统开关模式电压调整器100的电路构造和设计布局,很难满足当今集成电路小型化的趋势。
[0010] 参看图1B,是图1A所示传统开关模式电压调整器电路100中的上端栅极驱动电路101HS及其相应的上端MOSFET开关102,下端栅极驱动电路101LS及其相应的下端MOSFET开关103的典型电路图100B。诸如图1A中的开关模式电压调整器电路100等类型的开关模式电压调整器电路,影响其效率的一个关键参数是上端MOSFET开关102和下端MOSFET开关103的导通和关断速度。通常,实际的MOSFET开关在栅极具有栅极阻容乘积特性,可以模拟为RC电路电连接到理想的MOSFET开关。栅极耦合阻容乘积响应脉冲宽度调制(PWM)的上升时间决定了MOSFET开关的开关速度和效率。上端功率MOSFET开关102包括栅极电阻(RGATE)102R和栅极电容(CGATE)102C,两者都电连接于漏极源极导通电阻为RDS(ON)的理想MOSFET开关102W。在理想的上端MOSFET开关102W中,其漏极端电连接至电源焊盘102SP,而其源极端则电连接于开关焊盘101SW。上端栅极驱动电路101HS是一个反相器,它包括上拉PMOS晶体管101HSUP和下拉(pull-down)NMOS晶体管101HSDN。类似地,在理想的下端MOSFET开关103W中,其漏极端电连接于开关焊盘101SW,而其源极端电连接于接地焊盘
101GP。下端栅极驱动电路101LS也是一个反相器,它包括上拉PMOS晶体管102LSUP和下拉NMOS晶体管102LSDN。
[0011] 实际上,MOSFET开关的栅极电阻RGATE值通常为2Ω,而其栅极电容CGATE值通常为5纤法拉(5nF)。在现有技术的开关模式电压调整器电路100的电路构造和设计布局中,栅极耦合阻容乘积(即通常所知的时间常数TDISCRETE)为:TDISCRETE=CGATE*RGATE=(5nF)x(2Ω)=10nsec。在10nsec的时间常数TDISCRETE下,在开关频率大于500kHz时,传统电路构造将产生大于1瓦的功率损耗,同时输出电流将大于20安培。这是因为当开关频率大于500kHz时,开关损耗将是开关模式电压调整器100功率损耗的一个重要因素。开关损耗Ls约等于输入电压VIN、开关频率Fs、输出电流IOUT和上升时间TDISRETE的乘积,即:如上面的图1A所述,设定输入电压VIN、开关频率Fs、输出电流
IOUT和功率损耗Ls由设计规格而确定,包含分立组件的现有技术的电路构造和设计布局将无法减少时间常数TDISCRETE。因此,现在需要新的用于开关模式电压调节器电路的电路构造和设计布局,它能够充分减小时间常数或者MOSFET开关的栅极耦合阻容乘积TDISCRETE,从而提高开关模式电压调整器的性价比。
[0012] 因此,就需要这样一种开关模式电压调节器的新的电路构造和设计布局:它没有传统MOSFET开关在电能传导和效率上的限制。进而,需要这样一种新的电路构造,它能保证开关模式调节器的低制造成本并且能够减小尺寸。最后,需要这样一种新的电路构造和设计布局,它能充分减小MOSFET开关中RC等效电路的栅极耦合阻容乘积,使得在高频率下,互联阻抗能充分减小。可以预见的是本发明可以满足这些需求。

发明内容

[0013] 本发明的一个目的在于提供一种用于大功率开关模式电压调节器集成电路的新的电路构造和设计布局。它能实现低互联阻抗、高电流处理能力、小封装尺寸以及低廉的制造成本。相应地,本发明揭示的大功率开关模式电压调节器电路的电路配置为:包括金属氧化物(MOS)开关晶体管阵列,其漏极和漏极、源极和源极彼此相连接,并包括多个栅极驱动电路。每个栅极驱动电路紧靠于并连接于MOS开关晶体管的栅极并且仅用于一个MOS开关晶体管的驱动,即仅电连接到一个所述MOS开关晶体管中,从而形成栅极驱动电路和MOS开关晶体管对。
[0014] 其中每个所述MOS开关晶体管尺寸被物理地限制,以获得充分减小的耦合阻容乘积,并且其中每个所述栅极驱动电路紧靠于并连接到每个MOS开关晶体管的栅极,以使每个所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对的互联阻抗充分减小。在一个实施例中,该大功率开关模式电压调整器电路可进一步包括多个输入/输出电气节点,电连接于所述MOS开关晶体管的阵列的漏极和源极以及所述多个栅极驱动电路,以方便外部电路与所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对之间的通信。其中每个所述输入/输出电气节点包括:开关节点(SW),电连接到每个MOS开关晶体管的源极;输入电压节点,电连接到每个MOS开关晶体管的漏极以及每个栅极驱动电路,用以传导输入电压至每个MOS开关晶体管的漏极以及每个栅极驱动电路;以及至少一个电源电压节点,电连接到所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对以提供电源电压。其中每个所述开关节点、所述输入电压节点和所述至少一个电源电压节点进一步包括焊盘,适合接收倒装芯片凸焊点,以给所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对与外围电路的通信提供电连接。
[0015] 开关模式电压调整器电路,可进一步包括浮置自举驱动充电电路,电连接到所述MOS开关晶体管的阵列和所述多个栅极驱动电路,用以将跨接在每个所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对上的电压调整至正确电压电平。所述浮置自举驱动充电电路可进一步包括多个传导电路,电连接并传导所述正确电压电平至每个所述栅极驱动电路和MOS开关晶体管对,以使所述栅极驱动电路正确导通和关断相应的所述MOS开关晶体管。其中每个所述传导电路包括p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管,即PMOS晶体管,以及包括串联连接于所述PMOS晶体管的二极管,所述PMOS晶体管的栅极电连接到所述浮置自举驱动充电电路,所述PMOS晶体管的漏极电连接到所述二极管的阳极,所述PMOS晶体管的源极电连接到上端MOS开关晶体管的阵列,所述二极管的阴极端电连接到所述多个栅极驱动电路,所述多个栅极驱动电路电连接并驱动所述上端MOS开关晶体管的阵列。其中所述浮置自举驱动充电电路可进一步包括低压差电压调整器电路,包括:误差放大器,具有用以驱动所述多个传导电路的输出端,并且提供所述正确电压电平到所述多个栅极驱动电路;以及负反馈电路,将所述上端MOS开关晶体管的阵列的漏极电连接到所述误差放大器的输入端。其中所述误差放大器可包括:第一双极结型晶体管和电连接到所述第一双极结型晶体管的第二双极结型晶体管,所述第一双极结型晶体管的发射极端电连接到所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第一双极结型晶体管的基极端电连接到参考电压,所述第二双极结型晶体管的基极端电连接到所述负反馈电路;第一偏置电阻器,包括第一端和第二端,所述第一端电连接到所述第一双极结型晶体管和所述第二双极结型晶体管的发射极端,所述第二端电连接到电气地;以及电流镜电路,包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管,所述第一PMOS晶体管的栅极电连接到所述第二PMOS晶体管的栅极和漏极,所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的源极共同电连接到所述多个传导电路,所述第一PMOS晶体管的漏极电连接到所述第一双极结型晶体管的集电极端,形成所述误差放大器的输出端,所述第二PMOS晶体管的漏极电连接到所述第二双极结型晶体管的集电极端。其中所述负反馈电路可包括第一电阻器,所述第一电阻器的第一端电连接到所述多个栅极驱动电路的每一个栅极驱动电路;PMOS晶体管,所述PMOS晶体管的源极电连接到所述电阻器的第二端,所述PMOS晶体管的栅极电连接到所述上端MOS开关晶体管的阵列;以及第二电阻器,所述第二电阻器的第一端电连接到所述PMOS晶体管的漏极,所述第二电阻器的第二端电连接到电气地。
[0016] 所述MOS开关晶体管的阵列可进一步包括:上端MOS开关晶体管的阵列;以及下端MOS开关晶体管的阵列,在开关节点(SW)处电连接到所述上端MOS开关晶体管的阵列,所述上端MOS开关晶体管的阵列和所述下端MOS开关晶体管的阵列被设置成由所述多个栅极驱动电路互补性地导通和关断。其中每个所述上端MOS开关晶体管可包括n-沟道双扩散金属氧化物半导体晶体管,并且每个所述下端MOS开关晶体管可包括n-沟道双扩散金属氧化物半导体晶体管。所述上端MOS开关晶体管的阵列可包含如上所述的浮置自举驱动充电电路。所述下端MOS开关晶体管的阵列可进一步包括充电电路,电连接并调整所述下端MOS开关晶体管的阵列的所有下端栅极驱动电路至正确电压电平。所述充电电路可包括:第一双极结型晶体管和电连接到所述第一双极结型晶体管的第二双极结型晶体管,所述第一双极结型晶体管的发射极端电连接到所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第一双极结型晶体管的基极端电连接到参考电压,所述第二双极结型晶体管的基极端电连接到所述负反馈电路;第一偏置电阻器,包括第一端和第二端,所述第一端电连接到所述第一双极结型晶体管和所述第二双极结型晶体管的发射极,所述第二端电连接到电气地;以及电流镜电路,包括第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管,所述第一PMOS晶体管的栅极电连接到所述第二PMOS晶体管的栅极和漏极,所述第一PMOS晶体管和所述第二PMOS晶体管的源极共同电连接到所述多个传导电路,所述第一PMOS晶体管的漏极电连接到所述第一双极结型晶体管的集电极端,所述第二PMOS晶体管的漏极电连接到所述第二双极结型晶体管的集电极端;以及PMOS传导晶体管,其栅极电连接到所述电流镜电路,所述PMOS传导晶体管的源极电连接到第一和第二PMOS晶体管的源极,所述PMOS传导晶体管的漏极电连接到下端栅极驱动电路。
[0017] 所述大功率开关模式电压调整器电路,进一步包括电连接到所述MOS开关晶体管的阵列的输出滤波器电路,所述输出滤波器电路进一步包括电感和串联连接于所述电感的电容。所述的大功率开关模式电压调整器电路还可进一步包括电连接到所述多个栅极驱动电路的脉冲宽度调制电路。其中所述栅极驱动电路包括逻辑电路,该逻辑电路用以产生逻辑高电平信号和逻辑低电平信号以分别导通和关断所述MOS开关晶体管的阵列。
[0018] 本发明的另一个目的在于提供一种大功率开关模式电压调节器电路的配置方法。本发明所揭示的方法包括提供开关元件阵列;提供多个栅极驱动电路,每个栅极驱动电路电连接于相应开关元件栅极且仅驱动一个开关元件;以及提供多个电输入/输出节点,以方便开关元件和栅极驱动电路对与外部电路进行信号交流的步骤。
[0019] 本领域的普通技术人员在阅读了以下说明书中结合附图描述的具体实施例后,将对上述这些及其他优点有更清晰的认识。

附图说明

[0020] 附图被引入并形成为说明书的一部分,所示出的本发明的实施例与说明书一起用以解释本发明的原理。
[0021] 图1A示出现有技术的开关模式电压调整器的电路构造,包括驱动电路模块、开关电路模块、输出滤波器模块,并且所有这些作为分立组件被分别布置在半导体芯片上。
[0022] 图1B示出图1A中具有栅极耦合阻容乘积和RC等效电路的电路构造的示意图。
[0023] 图2A示出根据本发明的实施例的大功率开关模式电压调整器的电路构造模块图,该开关模式电压调整器包括全部集成在单个半导体芯片上的开关元件阵列和相应的栅极驱动电路。
[0024] 图2B示出根据本发明的实施例的大功率开关模式电压调整器的电路构造模块图,其上端开关被分割为上端开关元件阵列,下端开关也被分割为下端开关元件阵列。
[0025] 图2C示出图2B中根据本发明的实施例的开关模式电压调整器电路构造和布局设计中的RC等效电路及其造成的栅极耦合阻容乘积。
[0026] 图3示出可实现图2B中根据本发明的实施例的电路构造的示例性上端开关元件和下端开关元件的具体示意图。
[0027] 图4示出根据本发明的实施例的具有浮置自举驱动充电电路的开关元件阵列的具体示意图。
[0028] 图5示出根据本发明的实施例的上端开关元件阵列具体电路图,该上端开关元件阵列电连接于下端开关元件阵列。
[0029] 图6示出根据本发明的实施例的栅极驱动电路的具体示意图。
[0030] 图7示出根据本发明的实施例的大功率开关模式电压调整器电路的配置方法的流程图

具体实施方式

[0031] 这里将参考本发明多个优选实施例的具体细节,结合附图对其实例进行描述。当本发明使用优选实施例进行描述时,应该理解本发明不仅局限于实施例描述的内容。相反,本发明旨在覆盖权利要求所定义的属于本发明精神和范围内的替换、改型和等同物。此外,在下述的本发明的详细说明书中描述了大量的具体细节,旨在促进对本发明的深入而全面的理解。当然,本领域的普通技术人员应能很清楚,本发明可以脱离其中某些具体细节而实施。另外,为了使本发明的主题清晰,并未对所涉及到的本领域公知的方法、流程、组件和电路进行具体描述。
[0032] 参看图2A,示出了根据本发明的实施例的大功率开关模式电压调整器200A的电路构造图,该开关模式电压调整器200A包括开关元件201阵列、输出滤波器220和浮置(floating)自举驱动充电电路250。更具体地说,开关元件201阵列被设置为横排和纵排;多个输入/输出(I/O)电节点进一步包括反相驱动信号节点(PWM)207HS、输入电压节点208、至少一个电源电压节点2091-2092以及开关节点(SW)213。注意本申请中的“电气节点”被定义为用于大功率开关模式电压调整器200A和外部电路之间进行诸如电流、电压等电性变量的传导和运行的电子装置。“电气节点”的实例包括而不局限于:电焊盘、电源总线、电线、双绞线、倒装芯片凸焊点、铅框架的指状结构和导线等,这些均处于本发明范围内。
[0033] 特别是,驱动信号节点207HS接收反相脉冲宽度调制信号PWM,用以驱动开关元件201。输入电压节点208将未调整的输入电压VIN连接到开关元件201阵列。至少一个电源电压节点2091-2092包括第一电源电压节点,它把自举驱动电压VBST连接到开关元件201阵列。在一个实施例中,至少一个输入电压节点2091-2092还包括第二电源电压节点,它把第二电源电压VEE连接到开关元件201阵列。开关节点(SW)213汇集来自每个开关元件201的电流。此外,开关节点(SW)213还是与输出滤波器220连接的输出节点。输出滤波器220包括输出电容222和与其串联连接的电感221。输出电容222的第二端连接于电气地110G。
输出端231提供所需输出电压VOUT。第一电源电压节点2091同时连接到浮置自举驱动充电电路250和自举驱动电容(CBOOT)212。自举驱动电容(CBOOT)212的第二端连接到开关节点(SW)213和电感221的第一端。在一个实施例中,还包括异步二极管(D1)240。该二极管的阴极端电连接到上端开关节点(SW)213,而其阳极端则电连接到电气地110G。在一个实施例中,自举焊盘211电连接于至少一个电源电压节点2091-2092和浮置自举驱动充电电路
250。自举焊盘的另一端电连接于自举电容(CBOOT)212,而该自举电容(CBOOT)212在上端开关节点(SW)213处电连接到输出滤波器220和异步二极管(D1)240。
[0034] 继续参看图2A,在运行时,当在驱动信号节点207HS处接收到反相驱动信号PWM后,每个开关元件201将未经调整的电源节点(VIN)208和上端开关节点(SW)213连接。此时,开关节点(SW)213汇集所有来自全部开关元件201的电流并把它们输出到输出滤波器220。从这点开始,大功率开关模式电压调整器200A的运行原理和其他任何开关模式电压调整器的运行原理相同,例如:输出滤波器220可用以滤除波纹并只产生恒定的平均输出电压。
浮置自举驱动充电电路250则用以将正确的电压电平传导至所述至少一个电源电压节点
2091-2092,使得每个开关元件201可以接收正确的开关电压,而不必管开关节点(SW)213上的电压电平如何。在诸如图1A所示的开关模式电压调整器电路100的传统自举驱动充电电路中,为了给自举电容(CBOOT)122充电并传导正确的电压电平到上端栅极驱动电路101HS和下端栅极驱动电路101LS,开关节点(SW)101SW必须设定为某个特定的电压电平。
[0035] 参看图2B,是由高性能开关电压调整器200B示出的本发明的一个实施例,该高性能开关电压调整器200B除开关元件201阵列外还包括下端开关元件202阵列。在这种结构中,开关元件201阵列在下文中是指上端开关元件阵列。高性能开关电压调整器200B包括电连接于电气地110G的第二电源电压节点2092和电连接于充电电路260和电源电压(VCC)215的第三电源电压节点2093。下端开关元件202阵列还包括下端驱动信号节点207LS和下端开关节点214。下端驱动信号节点207LS接收脉冲宽度调制信号PWM,进而驱动下端开关元件202阵列。下端开关节点214连接于上端开关节点213和输出滤波器220。充电电路260调整电压电平,以使下端开关元件202适当开关。
[0036] 在运行时,上端开关元件201阵列和下端开关元件202阵列互补性地导通和关断。来自上端开关元件201阵列的电流在上端开关节点213处汇集,而来自下端开关元件202阵列的电流在下端开关节点214处汇集。汇总两节点的电流并输送至电感221,以使输出电容(COUT)222充放电。作为结果,在负载(RL)230上可以看到与驱动信号PWM的占空比和输入电压VIN成正比的平均输出电压。
[0037] 参看图2C,为示出上端开关元件201阵列和下端开关元件202阵列的栅极耦合阻容乘积的模拟示例电路200C。在本发明的一个实施例中,每个上端开关元件201包括逻辑电路201HS,它仅电连接至一个双扩散金属氧化物场效应晶体管(DMOS晶体管)并为之提供驱动。实际上,每个DMOS开关可以模拟为阻值为R′GATE的栅极电阻201R和容值为C′GATE的栅极电容201C共同串联连接到理想的DMOS晶体管201W上,该理想的DMOS晶体管201W具有最小导通电阻RDS(ON),min。在一个实施例中,逻辑电路201HS为反相器,由上拉p沟道金属氧化物半导体(PMOS)201HSUP和下拉n-沟道金属氧化物半导体(NMOS)201HSDN组成。同样,每个下端开关元件202包括逻辑电路202LS,它仅电连接至一个双扩散金属氧化物场效应晶体管(DMOS)并为之提供驱动。实际上,每个DMOS开关可以模拟为阻值为R′GATE的栅极电阻202R和容值为C′GATE的栅极电容202C共同串联连接在理想的DMOS晶体管202W上,该理想的DMOS晶体管201W具有最小导通电阻RDS(ON),min。在一个实施例中,逻辑电路202LS为反相器,由上拉p沟道的金属氧化物半导体(PMOS)202HSUP和下拉n-沟道金属氧化物半导体(NMOS)202HSDN组成。
[0038] 继续参看图2C的模拟示例电路200C,根据本发明的实施例的每个上端开关元件201和下端开关元件202,其尺寸被物理地限制,使得各自比上端开关101和下端开关102小很多。相应地,上端开关元件201和下端开关元件202的栅极阻抗R′GATE和栅极电容C′GATE都比现有技术的开关调整器电路100A的栅极阻抗和栅极电容小N倍(即只有其N分之一)。于是开关模式电压调整器集成电路200B的栅极耦合阻容乘积TIC现在变为:
[0039]
[0040] 设定与如图1B所示现有技术的电路构造相同的输出电流IOUT、输入电压VIN和开关频率FS,本发明的栅极耦合阻容乘积TIC将产生这样一个功率开关损耗:它约为传统电路构造的开关损耗的100分之一。
[0041] 参看图3,为根据本发明的实施例的上端开关元件201和下端开关元件202的详细示意图。上端开关元件201包括电连接并驱动开关晶体管电路340的栅极驱动电路330。在一个实施例中,每列上端开关元件201和自举焊盘211和传导电路320相连接。须知传导电路320和上端开关元件201的任意结合方式都属于本发明的范围。更具体而言,自举焊盘211电连接到第一电源节点2091,电源电压VBST从该节点被施加并分配到每一个上端开关元件201。传导电路320由p沟道金属氧化物半导体场效应(PMOS)晶体管322电连接二极管323所构成。PMOS晶体管322的漏极和二极管323的阳极端相连接。PMOS晶体管322的栅极电连接并接收来自浮置自举驱动充电电路250(未示出)的输出信号。在本发明的一个实施例中,栅极驱动电路330包含互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器,该反相器由上拉p沟道金属氧化物场效应(PMOS)晶体管332和下拉n-沟道金属氧化物场效应(NMOS)晶体管333组成。也就是说,上拉PMOS晶体管332的漏极和下拉NMOS晶体管333的漏极相连接,并在该连接点形成栅极驱动电路330的输出端。上拉PMOS晶体管332的栅极和下拉NMOS晶体管333的栅极相连接,形成栅极驱动电路330的输入端207HS。在本发明的一个实施例中,输入端207HS接收反相脉冲宽度调制信号PWM以导通或关断开关器件340。
上拉PMOS晶体管332的源极电连接至二极管323的阴极端和自举焊盘211。在一个实施例中,开关晶体管电路340包含n-沟道双扩散金属氧化物半导体晶体管(DMOS晶体管)341、电源焊盘342和开关焊盘343。DMOS晶体管341的栅极和栅极驱动电路330的输出端电连接。DMOS晶体管341的源极电连接至开关焊盘343和栅极驱动电路330中的NMOS晶体管
333的源极。DMOS晶体管341的漏极电连接至电源焊盘342和传导PMOS晶体管322的漏极。在一个实施例中,自举焊盘211,电源焊盘342和开关焊盘343被作为输入/输出(I/O)电气节点,以方便每个上端开关元件201和外部电路(未示出)的通信。更具体的说,在一个实施例中,所有的电源焊盘342均被输入电压节点208相连接,所有的开关焊盘343均被开关节点213相连接,所有的上拉PMOS晶体管332的源极均电连接到第一电源节点2091。
[0042] 继续参看图3,下端开关元件202包含栅极驱动电路360和开关晶体管电路370。在一个实施例中,每列下端开关元件202阵列还包含电源电压焊盘(Vcc)215和传导电路
350。须知传导电路350和下端开关元件202阵列的任何组合方式均包含在本发明范围内。
特别地,电源电压焊盘(Vcc)215是提供电源电压Vcc的地方。传导电路350包含p沟道的金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)352。PMOS晶体管352的漏极端连接到栅极驱动电路360。PMOS晶体管352的栅极端电连接并接收来自充电电路260的输出信号。栅极驱动电路360包含逻辑电路,该逻辑电路接收逻辑电平信号PWM以驱动开关晶体管电路370。
在本发明的一个实施例中,栅极驱动电路360包含互补金属氧化物半导体场效应(CMOS)晶体管反相器,该反相器包含上拉p沟道金属氧化物半导体场效应(PMOS)晶体管362和下拉n-沟道金属氧化物半导体场效应(NMOS)晶体管363。也就是说,上拉PMOS晶体管362的漏极电连接至下拉NMOS晶体管363的漏极,以形成栅极驱动电路360的输出端。上拉PMOS晶体管362的栅极电连接至下拉NMOS晶体管363的栅极,以形成栅极驱动电路360的输入端207LS。在本发明的一个实施例中,输入端207LS接收脉冲宽度调制信号PWM,以导通和关断开关晶体管电路370。上拉PMOS晶体管362的源极电连接至MOSFET晶体管352的漏极端和电源电压焊盘(Vcc)215。开关晶体管电路370包含双扩散金属氧化物半导体(DMOS)晶体管371、开关焊盘372和接地焊盘373。DMOS晶体管37l的栅极电连接至栅极驱动电路
360的输出端。DMOS晶体管371的源极电连接至接地焊盘373和栅极驱动电路360中的下拉NMOS晶体管363的源极。DMOS晶体管371的漏极电连接至开关焊盘372、开关焊盘343和下拉NMOS晶体管333的源极。电源电压焊盘(Vcc)215、开关焊盘372和接地焊盘373均是输入/输出(I/O)电节点,以方便下端开关元件202和外部电路(未示出)之间的通信。
[0043] 现在参看图4,其为根据本发明的实施例的大功率开关模式电压调节器集成电路400的示意图。大功率开关模式电压调节器集成电路400仅包括图2A和图3中所示的开关元件201阵列。每个开关元件201彼此电连接,并电连接至浮置自举驱动充电电路250。
在一个实施例中,浮置自举驱动充电电路250包括低压差(low dropout,LDO)电压调整电路,该低压差电压调整电路调节电压电平,并将正确的电压电平传导至栅极驱动电路,进而传导至每个开关元件201。该低压差(LDO)电压调整电路包含与PMOS晶体管406和电阻
404-405串联连接的差分跨导放大器(differential transconductanceamplifier)(或称误差放大器)和负反馈电路。差分跨导放大器包含NPN发射极耦合对(emitter coupled pair)401-402,该发射极耦合对401-402由PMOS晶体管407和408构成的电流镜电路进行偏置。该误差放大器具有用以驱动多个传导电路的输出端,并且提供正确电压电平到栅极驱动电路。该负反馈电路将上端MOS开关晶体管的阵列的漏极电连接到误差放大器的输入端。NPN晶体管401的基极接收参考电压(VREF)410,NPN晶体管402的基极接收与自举驱动电压VBST成比例的电压。开关元件201阵列通过负反馈路径电连接至浮置自举驱动充电电路250。特别地,该负反馈路径起始于差分跨导放大器的输出端,该差分跨导放大器的输出端电连接至驱动PMOS传导晶体管322的PMOS晶体管407的漏极。PMOS晶体管322的输出电流通过二极管323电连接至经调节后的自举驱动电压VBST。这样,在电阻404上形成了与自举驱动电压(VBST)和PMOS晶体管406的阈值电压之差成正比的电压。从而通过电阻
405给出该成正比的电压,并因此形成完整的负反馈路径。
[0044] 继续参看图4,开关元件201阵列排列成行210R和列210C。在一个实施例中,每列210C仅包含一个传导电路320。更特别地,所有PMOS晶体管322的栅极端全连在一起,并电连接至浮置自举驱动充电电路250的输出端,即PMOS晶体管407的漏极端。n-沟道DMOS晶体管341的电源焊盘342全连在一起,并分别电连接至MOSFET晶体管407和408的源极端。每列210C的所有二极管323的阴极均连在一起,并电连接至自举焊盘211。自举焊盘211还电连接至电阻404的第二端和PMOS晶体管406的衬底。所有大功率开关模式电压调节器400内的开关焊盘343均连接在一起,并电连接至MOSFET晶体管406的栅极端。
[0045] 现在参看图5,其为包含上端开关元件201阵列和下端开关元件202阵列的大功率开关模式电压调节器集成电路500的示意图。上端开关元件201之间的相互连接如前面图4中所示。对于下端开关元件202阵列之间的相互连接,下端开关元件202阵列均连接在一起,并通过负反馈路径电连接至充电电路260。充电电路260包含差分跨导放大器,该差分跨导放大器由NPN发射极耦合对604-605组成,该发射极耦合对604-605由PMOS晶体管607和608构成的电流镜电路对其进行偏置。差分跨导放大器的第一个输入电压是参考电压(VREF)601。负反馈路径起始于第二输入电压,该电压值与施加至n-型双极结型晶体管605的基极的经调节后的电源电压(Vcc)成正比。差分跨导放大器604-605的输出驱动PMOS晶体管352。依次地,PMOS晶体管352的输出电流电连接至经调节后的电源电压(Vcc)。与电源电压Vcc成正比的电压通过电阻610和611电连接至PMOS晶体管605的基极,从而形成完整的负反馈路径。
[0046] 再参看图5,在下端开关元件202阵列中,所有PMOS晶体管352的栅极相连接,并和第一双极结型晶体管604的集电极端电连接。所有PMOS晶体管352的源极相连接,并和上端开关元件201阵列中的所有PMOS晶体管322的漏极端电连接,该PMOS晶体管322的漏极与电源焊盘342相连。所有PMOS晶体管352的漏极端相连接,并和第二双极结型晶体管605的基极端电连接,并全部和电源电压Vcc焊盘215电连接。下端开关元件202阵列的所有接地焊盘373相连接并和电气地110G相连。上端开关元件201阵列的开关焊盘343和下端开关元件202阵列的开关焊盘372相连接,上端开关元件201阵列和下端开关元件202阵列的电流汇合在该连接点并和输出滤波器220(未图示)相连接。
[0047] 再参看图2B和图5描述高功率开关模式电压调整器电路500的工作方式。每个上端开关元件201从上拉或下拉栅极驱动电路330的输入端207HS接收反相脉冲宽度调制形式的驱动信号PWM。当栅极驱动电路被上拉(如PWM信号为逻辑低电平),上端DMOS开关341导通,将电源焊盘342和开关焊盘343连接。同时,在下端开关元件202阵列中,每个下端开关元件202接收驱动信号PWM。栅极驱动电路360被下拉到电气地110G,下端DMOS开关371被关断。相应地,再次参照图2B,上端开关节点213和下端开关节点(SHLS)214电连接至输入电压(VIN)208。相反地,当上端开关元件201接收到高电平PWM信号,而下端开关元件202阵列接收到相反的信号后,栅极驱动电路330被下拉,栅极驱动电路360被上拉。
结果,上端开关节点213和下端开关节点214电连接至电气地110G。
[0048] 继续描述图5中的高功率开关模式电压调整器电路500的工作方式。浮置自举驱动充电电路250和充电电路260运行并确保各自的上端DMOS开关341和下端DMOS开关371以下面方式交替导通和关断,即,使开关焊盘343和372与输入电压(VIN)或电气地110G交替连接。为确保有足够的偏置电压驱动上端DMOS开关341的栅极,PMOS晶体管322的栅极电压由差分跨导放大器401-402的输出驱动。只要输入电压(VIN)和开关电压(VSW)的差值电压大于二极管323的正向导通电压,PMOS晶体管322就会始终处于浮置自举驱动充电电路250的控制之下,并对自举驱动电压(VBST)进行充电。在现有技术中的自举驱动充电电路只在开关节点(SW)101SW低于设定电压时才对自举电容(CBOOT)122进行充电(参见图1A)。二极管323防止电流从与自举焊盘211相连接的自举电容(CBOOT)流向PMOS晶体管
322的漏极,其中该PMOS晶体管322的漏极电压大于输入电压(VIN)。在下端开关元件202阵列中,为了保证有足够大的偏置电压驱动下端DMOS开关371的栅极,PMOS晶体管352的栅极电压由差分跨导放大器604-605的输出驱动。注意PMOS晶体管352总是处于栅极控制电路250控制之下并调节电源电压(Vcc)。
[0049] 请参阅图6,为包含不同类型的栅极驱动电路的高功率开关模式电压调整器电路600的示意图。高功率开关模式电压调整器电路600包含开关元件540阵列。在每个开关元件540中,栅极驱动电路由第一反相器510、第二反相器520和第三反相器530组成。第一反相器510、第二反相器520和第三反相器530串联连接在一起,用于驱动功率双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(DMOS)开关544。第一反相器510由上拉PMOS晶体管511堆叠于下拉NMOS晶体管512的顶部来形成反相器。上拉PMOS晶体管511的栅极和下拉NMOS晶体管512的栅极相连接,以形成输入端542。同样地,第二反相器520包含上拉PMOS晶体管521和下拉NMOS晶体管522,最后,第三反相器530包含上拉PMOS晶体管531和下拉NMOS晶体管532。上拉PMOS晶体管531的源极和下拉NMOS晶体管532的漏极相连接,以形成输出端。输出端和DMOS开关544的栅极相连接。DMOS开关544的漏极形成为电源焊盘543,源极形成为开关焊盘545。继续参看图6,所有开关元件540的输入端542连接在一起以形成栅极输入端501。栅极输入端501驱动由反相器510、520和530组成的栅极驱动电路。所有开关元件540的所有反相器510、520和530中的源极连接在一起,并和自举焊盘541相连接。须指出的是,的用于驱动开关元件的栅极驱动电路的任何类型都属于本发明的范畴。
[0050] 参看图7,为用于实现高性能开关模式电压调节器的方法流程图,该高性能开关模式电压调节器具有输出电流大、效率高、互连电阻低、外形尺寸小和成本低等特点。该公开方法包括提供开关元件阵列,提供多个栅极驱动电路,其中每个栅极驱动电路仅电连接并驱动一个开关元件,以及提供多个电气输入/输出节点,以方便开关元件和栅极驱动电路对与外部电路的通信。
[0051] 参看步骤701,先提供开关元件阵列,每个开关元件具有充分降低的栅极耦合阻容乘积。在步骤701中,不使用传统的分立功率金属氧化场效应晶体管(MOSFET)开关,而使用并联的体积更小的DMOS开关阵列。每个DMOS开关具有可以充分降低栅极耦合阻容乘积的尺寸。通过实施步骤701,可以获得前面图例中详细描述的上端开关元件201阵列和下端开关元件202阵列。
[0052] 随后,参看步骤702,在步骤701中提供的每个开关元件和栅极驱动电路以下列方式电连接,即,使得栅极驱动电路和其对应的开关器件之间的互连电阻大大降低。在本发明的一个实施例中,栅极驱动电路为逻辑电路,它输出逻辑电平信号用于驱动上端开关元件201和下端开关元件202。在一个实施例中,对步骤702的实施采用单独的栅极反相器电路,如由上拉PMOS晶体管332和下拉NMOS晶体管333组成的反相器电路,来驱动上端开关元件201。对下端开关元件202,步骤702中的栅极驱动电路的实施由上拉PMOS晶体管362和下拉NMOS晶体管363串联组成。在一个实施例中,步骤702的实施可以为串联的多个反相器,如图6中所示的反相器510、520和530。
[0053] 最后,参看步骤703,提供多个电气输入/输出节点,以方便开关元件和外部电路的通信。对步骤703的实施包括图2A中所示的输入电压电气节点208、电源电压节点209、上端开关节点213,以及图2B中所示的下端开关节点214、下端阵列270中的接地节点2092。最后还包括自举焊盘211、电源焊盘342、上端开关焊盘343、下端开关焊盘372和电气地焊盘373。在一个实施例中,输入/输出(I/O)电节点被制成包含最小的互连电阻。在一个实施例中,输入/输出(I/O)电气节点包括紧靠DMOS开关341和371的倒装凸焊点。此外,步骤703中的输入/输出(I/O)电气节点还包括电气引脚、电源总线、倒装凸焊点、指状结构和同样由Paul Ueunten在本申请同一天申请的专利所描述的其它适用手段,该专利的名称为“高性能开关模式电压调整器的设计布局方案”,此处通过参考引入全文。
[0054] 关于上述内容,显然本发明的很多其它改型和更动也是可行的。这里应该明白,在随附的权利要求书所涵盖的保护范围内,本发明可以应用此处没有具体描述的技术而实施。当然还应该明白,由于上述内容只涉及本发明的最佳具体实施例,所以还可以进行许多改型而不偏离随附的权利要求所涵盖的本发明的精神和保护范围。由于公开的仅是最佳实施例,本领域普通技术人员可推断出不同的改型而不偏离由随附的权利要求所定义的本发明的精神和保护范围。
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