[发明专利]驱动功率场效应晶体管的系统及方法

说明书

发明领域

【0001】本发明涉及电子电路，且更具体地涉及用于驱动功率场效应晶 体管(FET)的系统和方法。

背景技术

【0002】对于以增加的效率和降低的功率运行来适应电子便携设备尺寸 的持续减小的功率变换和调节电路，存在着日益增加的需求。这些设备 常常是电池供电的，并期望利用尽可能少的功率来操作这些设备，以便 电池寿命得到延长。开关调节器已被实现为在电源中提供调节输出的有 效机构。一种此类调节器称为开关调节器或者开关电源，其通过控制耦 连至负载的一个或多个高侧(high-side)开关的开关占空比来控制到负载 的功率流。目前，存在着许多不同种类的开关调节器。

【0003】一种类型的开关调节器被称为同步开关调节器。在同步开关调 节器中，电感器用来保持从两个分离源转换的电流。两源可以包括高侧 开关比如高侧场效应晶体管(FET)和低侧(low-side)开关比如低侧FET 与续流(freewheeling)二极管。一旦高侧FET被切断，通过将电感器源 节点的电压变为相对于地线为负，存储于电感器中的磁能量消耗以促使 电流经过电感器。因而在高侧被切断后并在低侧FET被开启前，续流二 极管将电流从地线传导到电感器。这样，在高侧和低侧开关激活之间的 时间内，电流连续地流过电感器。

【0004】开关调节器电路设计者需要注意由特定开关调节器电路中的电 流流动产生的电磁干扰(EMI)辐射。开关调节器中的一个EMI辐射源 是由功率FET激活时输入电流的迅速变化(di/dt)和功率FET停用时电 流的迅速衰减产生的。当功率FET的栅极电压达到其阈值电压时，电流 流过功率FET并且可以引起EMI辐射。当功率FET的栅极电压迅速地 增加超过阈值电压时，由经过FET的输入电流中的快速变化产生的EMI 辐射在数量上通常太大而不符合可接受的设计标准。对于这种不可接受 的EMI辐射问题的解决方法是减慢功率FET的栅极电压的增加，比如通 过增加功率FET源极和栅极之间的电容。这导致了输入电流的较慢增加， 并因而降低了来自开关调节器的EMI辐射。

【0005】图1描述了时间与电压相对的曲线图10，其表明了在开关调节 器中功率FET的栅极电压的相对增加率。曲线图10所模拟的功率FET 具有阈值电压V_T(在图1的实例中描述为大约2伏特)，在该阈值电压 下功率FET开始激活。正是在该时刻，电流开始从功率FET的漏极向源 极流动。从阈值电压V_T到功率FET被完全激活电压V_F(在图1的实例 中描述为大约4伏特)的电压范围被描述为激活区域12。

【0006】虚线14(曲线图10的图例16中表示为“快”)表示功率FET 的栅极电压的较快增加率(即，更大的斜率)。由于栅极电压以迅速的 速率增加，流经功率FET的输入电流的变化率将非常高，导致不可接受 的EMI辐射水平。虚线18(曲线图10的图例16中表示为“慢”)表示 功率FET的栅极电压的较慢增加率(即，更小的斜率)。由于栅极电压 以较慢的速率增加，流经功率FET的输入电流的变化率将更小，导致可 接受的EMI辐射水平。

【0007】然而，由虚线18表示的栅极电压的较慢增加产生了不同的问题。 因为与虚线18相应的栅极电压以更缓慢的速率增加，所以栅极电压达到 阈值电压V_T需要更长的一段时间。在上面同步开关调节器的实例中，这 意味着与如果栅极电压以更快的速率增加相比，续流二极管将电流传导 通过电感器持续更长的一段时间。因为当功率FET切断时电感器的磁场 衰减以维持续流二极管电流，所以当续流二极管传导电流时开关调节器 经受功率的损耗。因而，在激励区域12下面，虚线18具有相应的功率 损耗，其大于虚线14的功率损耗。开关调节器的这种功率损耗在曲线图 10中由功率损耗区域20表示。