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CN110268630B - 用于高边开关的回转控制 - Google Patents

用于高边开关的回转控制 Download PDF

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CN110268630B CN201880011210.7A CN201880011210A CN110268630B CN 110268630 B CN110268630 B CN 110268630B CN 201880011210 A CN201880011210 A CN 201880011210A CN 110268630 B CN110268630 B CN 110268630B
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Abstract

公开了一种用于高边开关的回转速度控制的电路。该电路包括样本和电平移位电路。该样本和电平移位电路连接到该高边开关。该电路还包括取样电容器，并且该取样电容器被配置成对对应于该样本和电平移位电路的输入电压进行取样。另外，该电路包括电荷限制电路。该取样电容器被配置成对该高边开关的栅极电容进行充电。该电荷限制电路被配置成限制每单位时间转移到该高边开关的该栅极电容的电荷的速度。

Description

用于高边开关的回转控制
技术领域
本公开涉及基于晶体管的开关，并且更具体地，涉及用于高边开关的回转控制。
申请优先权
本申请要求2017年4月10日提交的印度申请201711012738的优先权，该申请的内容据此以全文并入本文。
背景技术
高边开关能够用于驱动各种负载，并且因此能够用于许多不同的应用中。用于驱动高边开关的典型系统和方法利用电荷泵。电荷泵是DC至DC转换器，该DC至DC转换器使用电容器作为储能元件来产生较高电压或较低电压的电源。关于高边开关，除了供应用于驱动高边开关的DC电流之外，还依赖电荷泵供应其他电路部件(诸如放大器)。该方法需要在电荷泵内使用大电容器，以供应DC负载电流。如果需要芯片上集成解决方案，大电容器能够占据有价值的表面积。为了解决该问题，一些系统实现外部电容器，以供应DC电流。虽然这降低了芯片的所需的表面积，但然后包括额外的插脚，以连接外部电容器。使用电荷泵设计以用于驱动高边开关不利于需要减小芯片尺寸的情况或者成本敏感并因此需要减少的插脚数的情况。另外，使用电荷泵设计不利于需要尽可能少的外部部件(诸如，外部电容器)的情况，因为外部部件也增加了整体材料清单(BOM)和成本。
一般来讲，高边开关包括三个主要元件：通过元件、栅极控制块和输入逻辑块。通过元件通常为晶体管，该晶体管通常为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或横向扩散金属氧化物半导体晶体管(LDMOS)。LDMOS晶体管被认为是一种类型的MOSFET。通过元件在线性区域中操作，以将来自电源的电流传递到负载。栅极控制块向通过元件的栅极供应电压，以将该通过元件切换为“接通”或“断开”。输入逻辑块解释接通/断开信号并触发栅极控制块，以将通过元件切换为“接通”或“断开”。
在电子器件中，回转速度定义为每单位时间的电压变化。超过电路的回转速度能够导致信号失真。此外，超过回转速度能够导致电磁辐射(EME)的量增加，从而违反电磁兼容性(EMC)标准，并且可能干扰其他电子装置。因此，回转速度能够对对应电路的操作造成显著限制。添加电流限制器能够提供对回转速度的某种控制，但该解决方案仍需要使用大电荷泵。
图1为用于使用附加电流限制器来驱动高边开关的已知系统和方法的电路级示意图。如图所示，电荷泵2连接到电流控制器4。电流控制器4包括放大器6和晶体管10。此处，所用的晶体管10为p沟道金属氧化物半导体(pMOS)。电流控制器4由电荷泵2供应，并且基于由电阻器12、24产生的电压差来控制输出端。放大器6的正轨道由电荷泵2供电，并且放大器6的负轨道由供电电压8供电。电流感测电阻器12在电荷泵2与放大器6之间连接。电流感测FET 14在放大器6与输出插脚18之间连接。高边开关FET16具有漏极侧，该漏极侧连接到电荷泵2，栅极侧经由晶体管10连接到放大器6的输出端，并且源极侧连接到输出插脚18。输出插脚18用于将系统连接到电路负载20。另外，电阻器32在FET 16的栅极侧与源极侧之间连接。电路还包括时钟发生器22。电阻器24在电荷泵2与放大器6之间连接。电路还包括负载基准26。另外如图所示，FET 28与电阻器30串联连接用于当高边开关FET 16被“断开”时。电流限制器34用于对高边开关FET 16的回转速度提供某种控制。
仍参见图1，电荷泵2由于其与放大器6和高边开关FET 16的连接而需要传送显著输出电流。使用电流控制器4将高边开关的栅极快速充电至所需电压VGS，从电荷泵2汲取大量电流。因此，电荷泵2包括相对大的电容器，使得难以将图1的电路集成到单个芯片上。大集成电容器增加了硅片尺寸，并且由此增加了产品成本。如果大电容器位于外部，则变得需要附加插脚，并且任何外部电容器可增加BOM成本，从而增加整个系统的成本。用电流限制器34控制高边开关FET 16的回转速度导致需要大电荷泵2。
因此，需要一种用于控制高边开关的回转速度的改进的系统和方法。
发明内容
经由当前公开的用于控制高边开关回转速度的系统(包括取样和电平移位电路)和方法来满足前述需要。
公开了一种用于高边开关的回转速度控制的示例性电路。该电路包括样本和电平移位电路。样本和电平移位电路连接到高边开关。电路还包括取样电容器，并且取样电容器被配置成对对应于样本和电平移位电路的输入电压进行取样。另外，电路包括可实现为电路的电荷限制机构。取样电容器被配置成对高边开关的栅极电容进行充电。电荷限制机构被配置成限制每单位时间转移到高边开关的栅极电容的电荷的速度。
公开了一种用于控制高边开关的回转速度的示例性方法。该方法包括向样本和电平移位电路供应输入电流。该方法还包括对输入电压进行取样。取样电容器被配置用于输入电压的取样。另外，该方法包括对输入电压进行电平移位。该方法包括使用取样电容器对高边开关的栅极电容进行充电。此外，该方法包括限制供应给取样电容器的电荷，该电荷受到至少一个电流槽的限制。
附图说明
图1是用于使用电流限制器来驱动高边开关的已知系统和方法的电路级的示意图。
图2是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的一个实施方案的电路级的示意图。
图3是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的另一个实施方案的电路级的示意图。
图4是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的另一个实施方案的电路级的示意图。
图5是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的另一个实施方案的电路级的示意图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方案之前，应当理解，本发明在其申请中不限于以下描述中提出或在以下附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他实施方案，并且能够以各种方式实践或实施。另外，应当理解，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用旨在涵盖其后所列的项目及其等同物以及附加项目。除非另外指明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型形式广泛使用，并且涵盖直接安装和间接安装两者、连接、支撑以及联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。
呈现以下讨论以使本领域的技术人员能够制造和使用本发明的实施方案。对所示实施方案的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且本文的一般原理可应用于其他实施方案和应用而不脱离本发明的实施方案。因此，本发明的实施方案并非旨在限于所示的实施方案，而是应符合与本文所公开的原理和特征一致的最广泛范围。以下具体实施方式将参考附图进行阅读，不同附图中，类似的元件具有类似的附图标记。未必按比例绘制的附图示出了所选择的实施方案，并且不旨在限制本发明的实施方案的范围。技术人员将认识到，本文提供的示例具有落入本发明的实施方案的范围内的许多有用的替代方案。
本公开的实施方案提供了用于控制高边开关的回转速度的系统和方法，该高边开关用于向输出负载选择性地供应电力。
图2是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的一个实施方案的电路级的示意图。在一个实施方案中，可提供样本和电平移位电路40。样本和电平移位电路40可连接到电压供应42。电压供应42可是放大器(例如，运算放大器)的输出端。可选择地，电压供应42可供应固定或可变供电电压。在某些实施方案中，电压供应42为1.8伏、2.5伏、3.3伏或5伏可能是有益的。可选择地，任何其他电压电平可由电压供应42供应。样本和电平移位电路40可包括多个开关50、52、54、56。样本和电平移位电路40还可包括取样电容器58。另外，样本和电平移位电路40可包括场效应晶体管(FET)60。回转控制件80可包括电流槽82、84、86，这些电流槽可并联连接。回转控制件80可与FET 60并联连接。
在一个非限制性示例中，如图2所示，高边开关70可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)或n沟道横向扩散金属氧化物半导体晶体管(nLDMOS晶体管)。nLDMOS晶体管被认为是一种类型的nMOS晶体管。在某些情况下，使用不同类型的晶体管可能是有益的。样本和电平移位电路40的一个输出端可连接到高边开关70的栅极侧。高边开关70的漏极侧可连接到电压供应48。输出插脚72可连接到电路负载。在某些非限制性实施方案中，低边开关可被包括并被连接到输出插脚72，使得高边开关70和低边开关构成半桥构型。
仍然参见图2，当驱动高边开关70时，样本和电平移位电路40可消除对电荷泵的需要。取样电容器58可对电压供应42的电压进行取样。然后，取样电容器58可用于对高边开关70的栅极侧电容进行充电。栅极侧电容的充电可使高边开关70“接通”。在一个非限制性实施方案中，当高边开关70“接通”时，可将输入电压供应给电路负载。
在另一个非限制性实施方案中，高边开关70的栅极电容可用作保持电容器。因此，保持电容器可能不需要DC负载。样本和电平移位电路40可不供应任何DC电流。在另一个非限制性实施方案中，显式保持电容器可与高边开关70的栅极电容并联连接。同样，保持电容器可能不需要DC负载。
在某些非限制性实施方案中，与具有电荷泵功率放大器相反，电压供应48、42可供应固定电压。在放大器用作电压供应42的情况下，放大器可用作短路电流控制器。在某些情况下，使用不同的放大器配置或不同类型的放大器可能是有益的。在某些情况下，包括放大器可能是有益的，该放大器被配置成在共模电压范围内从电压供应48下降至比电压供应48低的若干伏特而起作用。放大器可被具体设计成处理高输入共模电压以及低输出共模电压。
在某些情况下，包括电压供应48、42可能是有益的，这些电压供应48、42供应3.3伏电压。可选择地，电压供应48、42可供应任何其他预定电压电平，包括5伏、12伏、14伏、24伏和48伏的电压。在某些情况下，将车辆电池用于电压供应48、42中的至少一个电压供应可能是有益的。在某些情况下，电压供应48、42中的至少一个电压供应具有在4.5伏至60伏范围内的供电电压可能是有益的。在一个非限制性实施方案中，电压供应48、42可被配置成在预定时间内增加各自供应的电压(即斜坡电压)。
在一个非限制性实施方案中，所公开的系统可以是单个芯片上的集成电路。集成电路可使用由如图1所示的电荷泵系统所使用的芯片表面积的1/3。可选择地，所公开的系统可使用由如图1所示的电荷泵系统所使用的最多至99％的芯片表面积。在某些情况下，将取样电容器58具体地包括在单个芯片上的集成电路内可能是有益的。在一个非限制性实施方案中，取样电容器58可小于与图1所示的电荷泵系统相关联的电容器。在一些非限制性实施方案中，取样电容器可在2pF至250pF的电容范围内。
在一个非限制性实施方案中，本公开所包括的插脚的数量可小于由图1所示的电荷泵系统所包括的插脚的数量。在一个非限制性示例中，本公开可包括比如图1所示的电荷泵系统少一个的插脚。在另一个非限制性示例中，本公开可包括比如图1所示的电荷泵系统少最多至三个的插脚。
在一个非限制性实施方案中，电流槽82、84、86可各自控制存储在取样电容器58中的电荷的量。通过选择电流槽82、84、86中的哪一个电流槽正在操作，也可选择高边开关70的充电的回转速度。因此，电流槽82、84、86中的每一个电流槽均可对应于高边开关70的不同回转速度充电。当不需要回转速度控制时，FET 60可用于使电流槽82、84、86中的每一个电流槽短路。通过控制存储在取样电容器58中的电荷的量，可能对高边开关70的VGS的充电速度进行控制。当FET 60使电流槽82、84、86短路时，取样电容器58可达到完全充电，并且对高边开关70充电的回转速度可相对较高。高边开关70的回转速度可以是可编程的。
图3是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的另一个实施方案的电路级的示意图。在一个实施方案中，可提供样本和电平移位电路40。样本和电平移位电路40可连接到电压供应42。电压供应42可以是放大器(例如，运算放大器)的输出端。可选择地，电压供应42可供应固定或可变供电电压。在某些实施方案中，电压供应42是1.8伏、2.5伏、3.3伏或5伏可能是有益的。可选择地，任何其他电压电平可由电压供应42供应。样本和电平移位电路40可包括多个开关50、52、54、56。样本和电平移位电路40还可包括取样电容器58。另外，样本和电平移位电路40可包括场效应晶体管(FET)60。回转控制件88可包括至少一个电流槽82，该电流槽是可调谐的。回转控制件88可与FET 60并联连接。
在一个非限制性示例中，如图3所示，高边开关70可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)或n沟道横向扩散金属氧化物半导体晶体管(nLDMOS晶体管)。nLDMOS晶体管被认为是一种类型的nMOS晶体管。在某些情况下，使用不同类型的晶体管可能是有益的。样本和电平移位电路40的一个输出端可连接到高边开关70的栅极侧。高边开关70的漏极侧可连接到电压供应48。输出插脚72可连接到电路负载。在某些非限制性实施方案中，低边开关可被包括并被连接到输出插脚72，使得高边开关70和低边开关构成半桥构型。
仍然参见图3，当驱动高边开关70时，样本和电平移位电路40可消除对电荷泵的需要。取样电容器58可对电压供应42的电压进行取样。然后，取样电容器58可用于对高边开关70的栅极侧电容进行充电。栅极侧电容的充电可使高边开关70“接通”。在一个非限制性实施方案中，当高边开关70“接通”时，可将输入电压供应给电路负载。
在一个非限制性实施方案中，电流槽82控制存储在取样电容器58中的电荷的量。通过选择电流槽82，还可选择高边开关70的充电的回转速度。当不需要回转速度控制时，FET 60可用于使电流槽82短路。通过控制存储在取样电容器58中的电荷的量，可能对高边开关70的VGS的充电速度进行控制。当FET 60使电流槽82短路时，取样电容器58可达到完全充电，并且对高边开关70充电的回转速度可相对较高。高边开关70的回转速度可为可编程的。
参见图2和图3，显而易见的是，当至少一个电流槽82被实现时，可能实现任意数量的电流槽。参见图2，一个非限制性示例性实施方案包括并联连接的三个电流槽82、84、86。可选择地，可包括并联连接的任意数量的电流槽。电流槽82、84、86中的任一个电流槽均可为可调谐的和可选择的。
图4为根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的另一个实施方案的电路级的示意图。在一个实施方案中，可提供样本和电平移位电路90。样本和电平移位电路90可连接到电压供应42。电压供应42可以是放大器(例如，运算放大器)的输出端。可选择地，电压供应42可供应固定或可变供电电压。在某些实施方案中，电压供应42为1.8伏、2.5伏、3.3伏或5伏可能是有益的。可选择地，任何其他电压电平可由电压供应42供应。样本和电平移位电路40可包括多个开关50、52、54、56。样本和电平移位电路40还可包括取样电容器92。可以经由取样电容器92实现回转控制。
在一个非限制性示例中，如图4所示，高边开关70可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)或n沟道横向扩散金属氧化物半导体晶体管(nLDMOS晶体管)。nLDMOS晶体管被认为是一种类型的nMOS晶体管。在某些情况下，使用不同类型的晶体管可能是有益的。样本和电平移位电路40的一个输出端可连接到高边开关70的栅极侧。高边开关70的漏极侧可连接到电压供应48。输出插脚72可连接到电路负载。在某些非限制性实施方案中，低边开关可被包括并被连接到输出插脚72，使得高边开关70和低边开关构成半桥构型。
仍然参见图4，当驱动高边开关70时，样本和电平移位电路90可消除对电荷泵的需要。取样电容器92可对电压供应42的电压进行取样。然后，取样电容器92可用于对高边开关70的栅极侧电容进行充电。栅极侧电容的充电可使高边开关70“接通”。在一个非限制性实施方案中，当高边开关70“接通”时，可将输入电压供应给电路负载。
在一个非限制性实施方案中，取样电容器92可为可调节的。在某些情况下，包括可调节取样电容器92可能是有益的，因为取样电容器92然后可用作电荷限制机构。在该非限制性实施方案中，取样电容对应于样本和电平移位电路。因此，调节取样电容器92的电容可实现高边开关70的回转控制。
图5是根据本公开的用于控制高边开关的回转速度的系统和方法的另一个实施方案的电路级的示意图。在一个实施方案中，可提供样本和电平移位电路96。样本和电平移位电路96可连接到电压供应98。样本和电平移位电路40可包括多个开关50、52、54、56。样本和电平移位电路40还可包括取样电容器58。
在一个非限制性示例中，如图5所示，高边开关70可以是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)或n沟道横向扩散金属氧化物半导体晶体管(nLDMOS晶体管)。nLDMOS晶体管被认为是一种类型的nMOS晶体管。在某些情况下，使用不同类型的晶体管可能是有益的。样本和电平移位电路96的一个输出端可连接到高边开关70的栅极侧。高边开关70的漏极侧可连接到电压供应48。输出插脚72可连接到电路负载。在某些非限制性实施方案中，低边开关可被包括并被连接到输出插脚72，使得高边开关70和低边开关构成半桥构型。
仍然参见图5，当驱动高边开关70时，样本和电平移位电路96可消除对电荷泵的需要。取样电容器96可对电压供应98的电压进行取样。然后，取样电容器96可用于对高边开关70的栅极侧电容进行充电。栅极侧电容的充电可使高边开关70“接通”。在一个非限制性实施方案中，当高边开关70“接通”时，可将输入电压供应给电路负载。
电压供应98可供应固定或可变供电电压。在某些实施方案中，电压供应42为1.8伏、2.5伏、3.3伏或5伏可能是有益的。可选择地，任何其他电压电平可由电压供应42供应。在一个非限制性实施方案中，电压供应98可被配置成在预定时间内增加所供应的电压(即斜坡电压)。在一个非限制性实施方案中，电压供应98可用作电荷限制机构。可调节电压供应98可限制对应于对取样电容器进行充电的电压。因此，可控制高边开关的回转速度。
在一个非限制性实施方案中，回转控制电路可包括其他类型的电荷限制机构。电荷限制机构可限制取样电容器58的取样电流。在某些非限制性实施方案中，电荷限制机构可限制取样电容器58的取样电压。取样电流可在5μA至5mA的范围内。取样电压可在最终目标栅极源电压的0％至100％的范围内。电荷限制机构可被配置成限制对应于样本和电平移位电路的频率。
本领域的技术人员应当理解，虽然上文结合具体实施方案和示例对本发明进行了描述，但本发明并不一定如此限制，并且各其他实施方案、示例、使用、来自实施方案、示例、使用的修改和变型旨在被所附权利要求书所涵盖。本文引用的每个专利和出版物的全部公开内容均以引用方式并入本文，如同每个此类专利或出版物均以引用方式全文并入本文。以下权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (22)

1.一种用于高边开关的回转速度控制电路，所述电路包括：
样本和电平移位电路，所述样本和电平移位电路连接到所述高边开关并且包括与至少一个电流槽并联连接的晶体管；
电荷限制电路；和
取样电容器，所述取样电容器被配置成：
对对应于所述样本和电平移位电路的输入电压进行取样；以及
对所述高边开关的栅极电容进行充电；并且
其中所述电荷限制电路被配置成限制每单位时间转移到所述高边开关的栅极电容的电荷的速度，
其中所述至少一个电流槽被配置成控制存储在所述取样电容器中的电荷的量，并且所述晶体管被配置成被接通以移除对应于所述至少一个电流槽的任何电荷限制。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电荷限制电路被进一步配置成限制对应于所述取样电容器的电流。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电荷限制电路被进一步配置成限制对应于所述取样电容器的电压。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电荷限制电路被进一步配置成限制对应于所述样本和电平移位电路的取样电容。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述电荷限制电路被进一步配置成限制对应于所述样本和电平移位电路的频率。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述高边开关为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)。
7.根据权利要求1所述的电路，其中用于所述高边开关的所述回转速度控制电路为单个芯片上的集成电路。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述电荷限制电路包括可调节电压供应。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述电荷限制电路包括所述取样电容器。
10.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述取样电容器为可调节取样电容器；并且
所述电荷限制电路包括所述取样电容器。
11.一种用于控制高边开关的回转速度的方法，所述方法包括：
向样本和电平移位电路供应输入电流；
利用被配置用于对对应于所述样本和电平移位电路的输入电压进行取样的取样电容器对输入电压进行取样；
对所述输入电压进行电平移位；
使用所述取样电容器对所述高边开关的栅极电容进行充电；
限制供应给所述取样电容器的电荷，所述电荷受到至少一个电流槽的限制；以及
将所述样本和电平移位电路中的晶体管与所述至少一个电流槽并联连接，以及接通所述晶体管以移除对应于所述至少一个电流槽的任何电荷限制。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括对应于不同的高边开关回转速度，选择所述至少一个电流槽或所述至少一个电流槽中的一个电流槽。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括限制对应于所述取样电容器的电流。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括限制对应于所述取样电容器的电压。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括限制对应于所述样本和电平移位电路的取样电容。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括限制对应于所述样本和电平移位电路的频率。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述高边开关为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOS晶体管)。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述回转速度由单个芯片上的集成电路控制。
19.根据权利要求11所述的方法，其中电荷限制由可调节电压供应执行。
20.根据权利要求11所述的方法，其中电荷限制还由所述取样电容器执行。
21.一种开关设备，包括：
高边开关；和
根据权利要求1-10所述的电路中的任一个电路。
22.一种微控制器，包括：
高边开关；和
根据权利要求1-10所述的电路中的任一个电路。
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