[发明专利]栅极驱动电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于切换功率晶体管电路的栅极驱动电路和切换功率晶体管电路的方法。更具体地，本发明涉及包括这种栅极驱动电路的音频放大器或DC-DC转换器，包括这种音频放大器的音频扬声器驱动器，或包含这种音频放大器的便携式电子设备。

背景技术

功率放大器通常在音频应用中用作扬声器驱动器。这种应用可能包括消费者、自动或便携式电子设备。将特定类型的功率放大器称作所谓的D类放大器。D类放大器是切换模式放大器，其中通过采用脉冲宽度调制(PWM)技术来在电源轨道电压(supply rail voltage)和地之间切换输出。在功率放大器中，习惯于将两个功率晶体管串联结构以形成输出或末级(end stage)。例如，在音频应用的情况下，接着将末级与扬声器相连接。

图1示出了D类放大器输出级(也称作末级)的简化示意图。该简化示意图包括：两个互补功率场效应晶体管(FET)M_L、M_H和用于产生驱动信号以控制栅极驱动器的控制逻辑。这里，栅极驱动器控制功率FET M_L、M_H的栅极电压V_GH、V_GL。栅极驱动器能够切换输出级，并且在切换期间精确控制输出电压V_OUT的改变速率。如美国专利US7271655所公开，这种控制能够确保最小或为零的停滞时间(deadtime)，该专利的内容通过全文引用合并与此。由于必须快速切换功率FET的要求，这种功率FET通常具有较大的栅极电容。因此，栅极驱动器需要能够源汇(source and sink)极高的峰值电流。

通常，如图2所示，栅极驱动器可以实现为使用FET的CMOS反相器。从放大器的主电源VSUP和地VGND流出栅极驱动器需要进行源汇的峰值电流。因为栅极驱动器必须能够源汇极高的峰值电流，栅极驱动器对输出级的切换能力具有一定影响。因此，必须针对特定放大器应用，适当地调整形成栅极驱动器M_HN/HP、M_LN/LP的FET大小，也就是说，必须设计FET的长度和宽度。

对于图2的结构而言，由于要求功率FET M_L、M_H的栅极在放大器的电源V_SUP和地V_GND之间切换，电源电压不能超过形成该栅极驱动器M_HN/即、M_LN/LP的FET的最大允许栅极源电压额定值。这样，以移动设备应用为例，将用于驱动内部扬声器和耳机输出的D类放大器直接与设备电池(例如，通常最大5.5V)相连接，以便最大化输出功率。如果有必要增加电源电压，则可以使用DC-DC升压器。

这种设计中使用的典型功率FET可以具有大于20V的漏极-源极击穿电压，而功率FET的最大栅极-源极电压通常大约3.3V的量级。因此，如果功率FET的漏极-源极击穿电压是20V，则有可能使用20V的电源电压。然而，根据图2的结构，电源电压20V同样呈现在功率FET的栅极和源极之间，其中栅极和源极之间的电压定额在3.3V。因此，由于栅极驱动器不能够源汇较大峰值电流，且功率FET的最大栅极源极电压将高于栅极驱动器FET的电压，超过该最大值可能永久性地损坏栅极驱动器。

图3示出了备选结构，由于栅极驱动器使用单独的低侧辅助电源电压，不存在与图2的结构相关联的问题。由于分离的辅助电源，限制了功率FET的栅极-源极两端出现的电压，使得所述电压不能超过栅极驱动器的电源电压。

可以使用两个单独电源电压V_REGN、V_REGP来实现这些辅助电源，低侧(1ow side)和高侧(high side)栅极驱动器各一个。可以使用集成在放大器芯片上的电压调节器来产生电源电压。然而，由于要求源汇较大的峰值电流，需要外部去耦电容器C_REGP、C_REGN以供应较大的峰值电流。实现该解决方案所需的附加组件可能增加管芯面积和成本。

描述了一种将功率晶体管的最大栅极电压限制为低于电源电压的安全值的栅极驱动器结构。

发明内容