JP2008508848A - Boost-type switch driver with charge transfer - Google Patents
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Abstract
スイッチ駆動回路が、ブースト型スイッチ駆動装置用にブースト回路および/またはスナバ回路内および/またはその間の電荷移動を利用する。ブースト回路はスイッチを駆動するためのブーストされた信号を制限するためのディバイダを含む。スナバ回路は電荷をブースト回路に移動することができる。
【選択図】 図2The switch driver circuit utilizes charge transfer in and / or between the boost circuit and / or snubber circuit for the boost type switch driver. The boost circuit includes a divider for limiting the boosted signal for driving the switch. The snubber circuit can transfer charge to the boost circuit.
[Selection] Figure 2
Description
この出願は、2004年8月2日に出願されたGate Drive and Snubber for Switching Power Supplyと称する米国仮出願第60/598666号および2004年10月26日に出願されたBoosted Switch Drive With Charge Transferと称する米国特許出願第10/976196号の優先権を主張するものであり、参照により組み込まれている。 This application includes US Provisional Application No. 60/598666, filed August 2, 2004, called Gate Drive and Subscriber for Switching Power Supply, and Boosted Switch Drive Treat, filed October 26, 2004. And claims the priority of US patent application Ser. No. 10 / 976,196, which is incorporated by reference.
図1はスイッチング電源用の従来技術のゲート駆動回路を示す。図1の回路は、スイッチ・ノードSWに接続され、2つの異なる電力供給端子PSとGNDとの間のインダクタを交互に切り替えるように構成された2つのトランジスタQ1およびQ2を含む。このタイプのスイッチ構成は、一般に同期バック・コンバータなどのスイッチング電源で使用される。トランジスタQ1およびQ2は、それぞれ駆動回路10および12を介してQ1およびQ2のゲートを駆動する入力信号IN1およびIN2によって制御される。
FIG. 1 shows a prior art gate drive circuit for a switching power supply. The circuit of FIG. 1 includes two transistors Q1 and Q2 connected to the switch node SW and configured to alternately switch the inductor between two different power supply terminals PS and GND. This type of switch configuration is commonly used in switching power supplies such as synchronous buck converters. Transistors Q1 and Q2 are controlled by input signals IN1 and IN2 that drive the gates of Q1 and Q2 via
Q2のソースは電力供給接地端子GNDを参照しているので、駆動回路12は正の電力供給端子PSから電力を受け取ることができる。しかし、Q1のゲートがPSよりもかなり高い電圧で駆動されなければならない場合、Q1のソースはPSとほぼ同じ電圧になるスイッチ端子SWを参照する。したがって、図1の回路は、Q1用の駆動回路10を動作させるのに使用されるブーストされた電力供給BSTを生成するためのブースト回路14を含む。ブースト回路14は、電荷ポンプ構成で接続されたダイオードDBおよびキャパシタCBを含む。
Since the source of Q2 refers to the power supply ground terminal GND, the
図1の回路は、トランジスタの寄生インダクタンスによって引き起こされるスイッチSWにおける電圧スパイクを抑制するRCスナバ回路16、トランジスタを装着することができるPC板、ならびにスイッチング電源用の主インダクタも含む。
The circuit of FIG. 1 also includes an
図1の回路を参照すれば、動作例として、電力供給PSは正の電圧Vpsであると仮定され、電力供給端子GNDは接地電位であると仮定されている。低電圧側トランジスタQ2がオンにされるとき、すなわち、スイッチ・ノードSWがQ2を介して接地される(Q2によるいくらかの抵抗性降下を除いて)とき、ブースト回路のキャパシタCBはVPS−VDまで充電される。入力IN1が作動されるときこのキャパシタ電圧が駆動回路10を介して高電圧側トランジスタQ1のゲートに駆動される。Q1がオンのときスイッチ・ノードSWの電圧に加えられたキャパシタ電圧は、ブースト端子BSTのブースト電圧VBSTを生成する。これにより、Q1のゲート−ソース入力間にほぼ最大限の供給電圧VCC(ダイオード降下を引いて)が加えられ、CBはQ1のゲート・キャパシタンスをほぼ最大限の供給電圧まで充電するのに十分な電荷を蓄積する必要がある。これにより、関連する大量の電荷のために高いスイッチング損失が引き起こされることがある。
Referring to the circuit of FIG. 1, as an example of operation, the power supply PS is assumed to be a positive voltage Vps, and the power supply terminal GND is assumed to be a ground potential. When the low side transistor Q2 is turned on, ie, when the switch node SW is grounded through Q2 (except for some resistive drop due to Q2), the boost circuit capacitor CB is up to VPS-VD. Charged. When the input IN1 is activated, this capacitor voltage is driven via the
スイッチング損失を低減するためにあり得る1つの技法は、より低い供給電圧をブースト回路14に供給すること、すなわち、それをPSに直接接続しないことである。低減した供給電圧は、高電圧側トランジスタQ1を完全にオンにしてQ1による導電損失を最小化するブースト電圧VBSTを生成するには十分に高いが、スイッチング損失を最小化するには十分に低いことが必要なことになる。一般に、最適に低減した供給電圧があり、それが最適なブースト電圧をもたらすことになるが、低減した供給電圧は通常特別な回路によって生成されなければならず、システムのコストおよび複雑さが増大する。
One possible technique for reducing switching losses is to supply a lower supply voltage to the
図1の回路の別の潜在的な問題態様はスナバ回路16の電力損失である。多くの状況で、スナバ回路は、電圧スパイクがトランジスタQ1およびQ2を破損しないようにするために不可欠である。しかし、かなりの量の電荷がスナバを通って接地に分流されるので、電力が消費され、効率が低下する。
Another potential problem with the circuit of FIG. 1 is the power loss of the
本特許開示の発明原理のいくつかは、ブースト回路および/またはスナバ回路内および/またはその間で電荷を移動させることに関する。図2は、本特許開示の発明原理のいくつかに従って電荷を移動させる回路の実施形態を示す。図2の回路は、電力供給端子PSとスイッチ・ノードSWとの間に配置され、駆動ノードDRV1の駆動信号によって制御される第1のスイッチ18を含む。第2のスイッチ20は、SWと第2の電力供給端子GNDとの間に配置され、第2の駆動ノードDRV2の第2の駆動信号によって制御される。駆動信号DRV1およびDRV2は、それぞれ切替え入力信号IN1およびIN2に応じて駆動回路22および24によって生成される。
Some of the inventive principles of this patent disclosure relate to transferring charge within and / or between boost and / or snubber circuits. FIG. 2 illustrates an embodiment of a circuit for transferring charge in accordance with some of the inventive principles of this patent disclosure. The circuit of FIG. 2 includes a
ブースト回路26は、駆動回路22を作動するためにブースト・ノードBSTにブーストされた信号VBSTを生成する。ブースト回路はディバイダ回路28を含み、この実施例では、ブーストされた信号を制限するように構成要素間で電荷を移動させる容量性ディバイダとして概念的に示されている。
図3は、本特許開示の発明原理のいくつかに従って電荷を移動させる回路の別の実施形態を示す。図3の回路は、図2の回路と同じように構成されたスイッチ18および20、ならびに駆動回路22および24を含む。しかし、図3の回路は、スイッチ18を駆動する電力を供給するためのブーストされた信号VBSTを生成するブースト回路32に電荷を移動するように構成されたスナバ回路30を含む。
FIG. 3 illustrates another embodiment of a circuit for transferring charge in accordance with some of the inventive principles of this patent disclosure. The circuit of FIG. 3 includes
図4は、本特許開示の発明原理のいくつかによる、いくつかの例示的実施の詳細を示す回路の実施形態を示す。スイッチ18および20は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)として実現されるが、他のタイプの適切なスイッチを使用することもできる。駆動回路22および24は任意の適切なゲート・ドライバとすることができる。ブートストラップ・ダイオードD1は、電源ノードPSとブースト・ノードBSTとの間に接続される。キャパシタC1は、スイッチ・ノードSWとブースト・ノードBSTとの間に、好ましくは抵抗R1を通して接続される。第2のキャパシタC2は、BSTと電力供給GNDとの間に接続される。キャパシタC1およびC2は、ブースト・ノードBSTのブースト電圧VBSTを低下させる容量性電圧ディバイダを形成する。図4に示される構成要素の構成はスイッチ・ノードSWにスナッビングも備えており、スイッチ・ノードSWからブースト回路に電荷を移動させることができる。
FIG. 4 shows a circuit embodiment showing some example implementation details according to some of the inventive principles of this patent disclosure.
実施の詳細に応じて、図4の回路は、C1とC2による電圧分割効果のためにブースト信号VBSTの電圧レベルが低下するのでスイッチング損失を低減することができる。R1/C1およびC2を介するスイッチ・ノードSWからブースト・ノードBSTへのフィードバックのために、スイッチ18がオンにされるとき最適化されたスルーレート制御を行うことができる。すなわち、トランジスタ18のゲートの電圧を急速に上昇させてトランジスタを急速にオンにすると、最終的なスルーレート制御によりスイッチ・ノードSWの電圧スパイクを低減することができる。C1/C2組合せと直列のR1との相互作用によるSWノードのスナッビングは、スナッビングがドライバのフィードバック中にあるので、従来技術の方法よりも良好なスナッビング応答を実現することができる。図4の構成は、構成要素の一部またはすべてへのストレス、例えば、スイッチおよびブートストラップ・ダイオードへの電圧ストレスを低減することができる。その結果として、図4の回路から得ることができる総合効率により、より少数および/またはより低コストのスイッチおよび用いるべき他の構成要素を使用することが可能になる。しかし、図4の回路の別の潜在的利益は、抵抗R1がブートストラップ・ダイオードを通る電流サージを制限することによってストレスを低減することができることである。ブースティングおよびスナッビング機能が同じ構成要素に統合されるので、潜在的利益は追加の構成要素およびそれに関連するコストなしで実現することができる。さらなる潜在的利益は、接地に分流することによって消費されていた電荷が、それをブースト・ノードに移動させることによって保存されるので、効率が改善され得ることである。
Depending on the implementation details, the circuit of FIG. 4 can reduce switching loss because the voltage level of the boost signal VBST is reduced due to the voltage division effect by C1 and C2. For feedback from switch node SW to boost node BST via R1 / C1 and C2, optimized slew rate control can be performed when
本特許開示の発明原理を理解するのに必要でないが、図4の構成要素の値に関するいくつかの有用な式が以下のように与えられる。
キャパシタの値は、
Although not necessary to understand the inventive principles of this patent disclosure, some useful formulas for the component values of FIG. 4 are given as follows.
The capacitor value is
および
から決定することができ、ここで、QGATEは所望のゲート電圧VGATEに対してスイッチ18のゲートで必要とされる全電荷であり、VCCは電力供給電圧であり、VDはD1の両端の電圧降下である。ブートストラップ・ダイオードのピーク・サージ電流IP(PEAK)定格は、
から決定することができる。
and
Where QGATE is the total charge required at the gate of
Can be determined from
本特許開示の発明原理がいくつかの特定の例示的実施形態を参照しながら前述されたが、これらの実施形態は発明概念から逸脱することなく構成および詳細を変更することができる。例えば、スイッチはMOSFETSとしていくつかの実施形態で示されたが、他の適切なスイッチも本特許開示の発明原理に従って使用することができる。さらなる例として、電力供給信号およびブーストされた信号はいかなる特定の極性、電圧、またはスイッチング電源トポロジーにも限定されない。さらに別の例として、抵抗R1は依然として有益な結果を保持したまま図4の回路から再配置または省略することができる。その上、さらなる別の例として、C2の配置はBSTとGND以外の他のノードとの間にあるようにできる。したがって、そのような改変および変更は添付の特許請求の範囲内にあると考えられる。 Although the inventive principles of this patent disclosure have been described above with reference to certain specific exemplary embodiments, these embodiments can be modified in arrangement and detail without departing from the inventive concept. For example, although the switch has been shown in some embodiments as MOSFETS, other suitable switches can be used in accordance with the inventive principles of this patent disclosure. As a further example, the power supply signal and the boosted signal are not limited to any particular polarity, voltage, or switching power supply topology. As yet another example, resistor R1 can be rearranged or omitted from the circuit of FIG. 4 while still retaining useful results. Moreover, as yet another example, the placement of C2 can be between BST and other nodes other than GND. Accordingly, such modifications and changes are considered to be within the scope of the appended claims.
Claims (20)
駆動ノードと、
電源ノードと、
前記スイッチ・ノードおよび前記駆動ノードに結合されたスイッチを駆動するためのブーストされた信号を生成するように前記スイッチ・ノードおよび前記電源ノードに結合されたブースト回路であって、前記ブーストされた信号を制限するためのディバイダを含むブースト回路と
を備える回路。 A switch node;
A driving node;
A power node;
A boost circuit coupled to said switch node and said power supply node to generate a boosted signal for driving a switch coupled to said switch node and said drive node, wherein said boosted signal And a boost circuit including a divider for limiting the output.
前記スイッチ・ノードおよび駆動ノードに結合されたスイッチを駆動するためのブーストされた信号を生成するように前記スイッチ・ノードに結合されたブースト回路とを備える回路であって、
前記スナバ回路が前記スイッチ・ノードから前記ブースト回路に電荷を移動させるように構成される回路。 A snubber circuit coupled to the switch node;
A circuit comprising: a boost circuit coupled to the switch node to generate a boosted signal for driving the switch node and a switch coupled to the drive node;
A circuit configured to cause the snubber circuit to transfer charge from the switch node to the boost circuit.
前記ブーストされた信号の電圧を低減するように電荷を移動させるステップとを含む方法。 Generating a boosted signal for driving a switch coupled to the switch node and the drive node;
Moving the charge to reduce the voltage of the boosted signal.
駆動ノードと、
電源ノードと、
前記スイッチ・ノードおよび前記駆動ノードに結合されたスイッチを駆動するためのブーストされた信号を生成するための手段と、
前記ブーストされた信号を制限するための手段と
を備える回路。 A switch node;
A driving node;
A power node;
Means for generating a boosted signal for driving a switch coupled to the switch node and the drive node;
Means for limiting the boosted signal.
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