[发明专利]DC-DC转换器

说明书

一种降压电路(102)，包括电源开关电路部分(10)，该电源开关电路部分(10)包括在开关节点(138)处连接的高侧场效应晶体管(128)和低侧场效应晶体管(130)。电源开关电路部分具有其中高侧晶体管被启用且低侧晶体管被禁用的导通状态，并且具有与之相反的断开状态。包括与开关节点连接的电感器(32)的能量储存电路部分(106)被布置成提供输出电压(136)。驱动电路部分(104)接收脉冲宽度调制控制信号并输出脉冲宽度调制(PWM)驱动信号。预偏置电路部分(150)响应于PWM驱动信号将偏压施加到高侧晶体管和低侧晶体管的栅极端子，其中预偏置电路部分被布置成使得：在导通状态与断开状态之间切换之前，被施加到当前被禁用的晶体管的栅极端子的偏压被设置为中间电压。

技术领域

本发明涉及DC-DC(直流到直流)转换器，尤其是但不限于DC-DC降压器，诸如同步DC-DC降压转换器。

背景技术

现代便携式电子装置通常设置有诸如电池的电源，其用作装置内的各种电子部件的直流(DC)电源。然而，通常这些部件将具有不同的电压要求，并且因此此类装置通常采用一个或多个DC-DC转换器，所述转换器将与电源相关联的标称电压降低到适合于不同电子部件的电压。虽然这可以通过使用分压器网络(例如一系列电阻器)来实现，以产生具有不同电压的多个“抽头”，但这是非常低效的，因为能量被简单地浪费为跨电阻器散发的热量。

本领域本身中已知的一种替代布置是降压转换器。降压转换器电路利用电感器-电容器(或称“LC”)电路，其通过驱动器周期性地连接到电源和从电源断开(例如，通过间歇地打开和关闭开关，其通常由被称为“高侧”晶体管的晶体管来实现)以降低电压。这可以看作是机械飞轮的电气等效物，其中能量周期性地输入到系统以保持其以稳定的速率输出能量。输出电压与输入电压的速率可以通过改变由驱动器产生的脉冲宽度调制(PWM)驱动信号的占空比来调节，所述脉冲宽度调制(PWM)驱动信号被施加到高侧晶体管的栅极以便打开和关闭高侧晶体管。

同步降压转换器电路用第二晶体管(通常被称为“低侧”晶体管)取代所谓的“续流”或“反激”二极管。随后，驱动器通过向高侧晶体管和低侧晶体管施加适当的PWM驱动信号来打开和关闭它们，从而在打开高侧晶体管时关闭低侧晶体管，反之亦然，因此间歇地将LC电路耦合到输入电压。这提高了降压转换器的效率，以换取与电路相关联的材料清单的增加。

然而，这种驱动器必须防止两个开关同时接通，否则将发生称为“直通”的问题，其中电流的浪涌流动，因为两者都在导通的高侧和低侧晶体管充当电源上的短路。避免直通的一种方法是在打开高侧晶体管与关闭低侧晶体管之间利用时间延迟，反之亦然。然而，为了确保两个晶体管不会同时闭合，这个时间延迟将导致过多的功率损耗，并且从而导致效率损失。

本领域本身中已知的改进方法本身被称为“非重叠”操作，其中开关节点(即，LC电路的高侧晶体管、低侧晶体管和电感器彼此连接的点)处的电压被监测。一个晶体管接通另一个断开之后之间的时间延迟在适当时从开关节点处的电压超过或低于特定阈值的点开始测量(取决于晶体管的转动是否为n型或p型)。这种同步驱动器可以适应不同类型的晶体管或开关而不会降低效率，这种灵活性会导致固定的非重叠时间。

然而，申请人已经意识到可以进行改进以便进一步提高同步降压转换器和类似布置的效率。虽然非重叠拓扑结构确保防止直通，但此类转换器要求打开和关闭高侧和低侧晶体管的驱动器相对较快，以便限制开关节点处的电压状态之间的“死区时间”的量。然而，使用足够快的驱动器需要相对大的峰值电流，所述峰值电流将不需要的噪声引入输出电压，从而降低转换器的效率。

此外，利用流动通过降压转换器的正电流，低侧晶体管内的体二极管(有时称为体效应二极管)通常在高-低和低-高转换期间导通，从而引入更多噪声并降低转换器的效率。这种常规的降压转换器还经受相对大的“下冲”，其中开关节点处的电压暂时超过导致晶体管内的体二极管导通的晶体管中的一个的体二极管阈值电压(通常约0.7V)，这导致体效应二极管和衬底电流从中流过-常规转换器内的另一个噪声源和低效率。

发明内容