[发明专利]利用受控二极管导通的低噪声直流/直流转换器

说明书

本申请要求于2006年10月5日提交的临时申请第60/849,862号的优先权，通过引用全文将该申请合并于此。 

技术领域

本发明涉及用于在DC/DC转换和电压调节中使用的开关电源的设计、操作和性能，以及涉及在这样的转换器中使用的半导体组件。 

背景技术

通常需要电压调节，以防止对诸如数字IC、半导体存储器、显示模块、硬盘驱动器、RF电路、微处理器、数字信号处理器和模拟IC之类的各种微电子组件供电的电源电压中的变化，特别是在诸如蜂窝电话、笔记本计算机和消费产品之类的由电池供电的应用中更是如此。 

由于产品的电池或DC输入电压经常必须被步升(step up)到较高的DC电压、或步降(step down)到较低的DC电压，因此这样的调节器被称为DC-DC转换器。只要电池的电压大于期望的负载电压，就使用通常被称为降压转换器(Buck converter)的步降的转换器。步降的转换器可包括电感式开关调节器、电容式电荷泵、以及线性调节器。相反，只要电池的电压低于对负载供电所需的电压，就需要通常被称为升压转换器(Boost converter)的步升的转换器。步升的转换器可包括电感式开关调节器或电容式电荷泵。 

电感式开关转换器 

在上述电压调节器中，电感式开关转换器可在最宽范围的电流、输入电压和输出电压上实现出众的性能。DC/DC电感式开关转换器的基本原理是：不能立刻改变电感器(线圈或变压器)中的电流，以及电感器将产生用于抵抗其电流中任何改变的相反的电压。 

通过使用以高频开关的一个或多个晶体管来使电感器反复地磁化和去磁化，电感器可被用来步升或步降转换器的输入电压，从而产生与其输入电压不同的输出电压。晶体管典型地是具有低接通状态电阻的MOSFET，通常称 为“功率MOSFET”。使用来自转换器的输出电压的反馈来控制开关条件，即使转换器的输入电压或输出电流快速变化，都可以维持恒定的、被良好调节的输出电压。 

为了移除由晶体管的开关动作产生的任何AC噪声或纹波，跨越开关调节器电路的输出端布置了输出电容器。电感器和输出电容器一起形成了能够防止大多数的晶体管开关噪声到达负载的“低通”滤波器。开关频率(典型地为1MHz或更高)必须相对于滤波器的“LC”回路(tank)的谐振频率是高的。对多个开关周期(switching cycle)求平均，开关电感器像具有缓变平均电流的可编程电流源一样操作。 

由于平均电感器电流被晶体管控制，所述晶体管被偏置为“接通”或者“截止”开关，因此晶体管的功耗理论上是小的，并且可实现范围在80％到90％内的高的转换器效率。具体地，当使用“高”栅极偏置将功率MOSFET偏置为接通状态时，所述功率MOSFET展现具有低R_DS(接通)电阻(典型地为200毫欧或更小)的线性I-V漏极特性。例如，在电流为0.5A时，尽管这样的器件有高漏极电流，但其将展现仅100mV的最大电压降I_D·R_DS(接通)。在功率MOSFET接通状态的导通期间消耗的功率等于I_D²·R_DS(接通)。在上面给出的示例中，在晶体管导通期间的功耗等于(0.5A)²·(0.2Ω)或50mW。 

在功率MOSFET的截止状态下，功率MOSFET使其栅极连接到其源极，从而其源极-栅极电压V_GS＝0。即使对于等于转换器的电池输入电压V_batt的漏极电压V_DS，功率MOSFET的漏极电流I_DSS也非常小，典型地完全在一毫安以下，更通常地在纳安的范围内。电流I_DSS主要由结泄漏(junction leakage)组成。