转换电路
阅读说明：本技术 转换电路 (Switching circuit ) 是由 赵韦翔 庄博钦 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：一种转换电路,包含功率装置、电压控制电路及触发电路。功率装置包含控制端。电压控制电路包含输出端及控制端。电压控制电路的输出端电性连接于功率装置的控制端。电压控制电路用以输出具有第一电压准位的驱动信号。触发电路包含输出端及感测端。触发电路的输出端电性连接于电压控制电路的控制端,触发电路的感测端电性连接于功率装置。(A conversion circuit comprises a power device, a voltage control circuit and a trigger circuit. The power device includes a control terminal. The voltage control circuit comprises an output end and a control end. The output end of the voltage control circuit is electrically connected to the control end of the power device. The voltage control circuit is used for outputting a driving signal with a first voltage level. The trigger circuit comprises an output end and a sensing end. The output end of the trigger circuit is electrically connected to the control end of the voltage control circuit, and the sensing end of the trigger circuit is electrically connected to the power device.)
技术领域
本公开涉及一种电源供应装置，且特别涉及一种在电源供应装置中的转换电路。
背景技术
对于目前用于电源转换器的转换电路，供电电压是依据半导体装置可被驱动的额定电压所设计的。因此，需要一个或多个额外的电压调节器来调节系统供电电力以符合转换电路及半导体装置的电压要求。
发明内容
本公开的一些实施例涉及一种转换电路，包含功率装置、电压控制电路及触发电路。功率装置包含控制端。电压控制电路包含输出端及控制端。电压控制电路的输出端电性连接于功率装置的控制端。电压控制电路用以输出具有第一电压准位的驱动信号。触发电路包含输出端及感测端。触发电路的输出端电性连接于电压控制电路的控制端，触发电路的感测端电性连接于功率装置
以下一般性的说明及的后的详细说明都应被理解是作为范例，并且目的是在提供如本公开专利申请保护的公开更详细的说明。
附图说明
图1为根据本公开内容的部分实施例所示出的转换电路的示意图。
图2为根据本公开内容的部分实施例所示出的功率装置的控制端的电压波形图。
图3A为根据本公开内容的部分实施例所示出的转换电路的示意图。
图3B为根据本公开内容的部分实施例所示出的转换电路的示意图。
图4为根据本公开内容的部分实施例所示出的转换电路的示意图。
图5A为根据本公开内容的部分实施例所示出的转换电路的示意图。
图5B为根据本公开内容的部分实施例所示出的转换电路的示意图。
图6A及图6B为根据本公开内容的部分实施例所示出的电压控制开关、功率装置及触发电路整合的示意图；以及
图7A及图7B为根据本公开内容的部分实施例所示出的逻辑电路、驱动器缓冲器及电压控制电路的整合的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100 转换电路
120 驱动信号产生器
122 逻辑电路
124 驱动缓冲器
140 电压控制电路
140a 输入端
140b 输出端
140c 控制端
141 电压控制开关
142 钳位电路
142a 第一端
142b 第二端
160 功率装置
160a 第一端
160b 第二端
160c 控制端
180 触发电路
180a 输出端
180b 感测端
240 电压控制电路
240a 输入端
240b 输出端
240c 控制端
340 电压控制电路
340a 输入端
340b 输出端
340c 控制端
600a 芯片
600b 芯片
610a 基板
610b 基板
700a 芯片
700b 芯片
710a 基板
710b 基板
Nr 参考端
PWM 脉宽调制信号
ST1 斯密特触发器
DSx 信号
PS1 保护信号
AND1 及闸
UVLO1 欠压锁定电路
Da 齐纳二极管
Db 齐纳二极管
T1 第一开关元件
T2 第二开关元件
T3 第三开关元件
T4 第四开关元件
R1 第一电阻
R2 第二电阻
C1 第一电容
V1 第一电压准位
V2 第二电压准位
P1 第一充电周期
P2 第二充电周期
S0 原始信号
S1 驱动信号
Sc 控制电压
VDD 输入电压
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出。
于本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”、…等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。
请参阅图1。图1为根据本公开一实施例所示出的一种转换电路100的示意图。如图1所示，转换电路100包含电压控制电路140、功率装置160以及触发电路180。在结构上，功率装置160包含第一端160a、第二端160b以及控制端160c。第二端160b电性连接于参考端Nr。控制端160c用以接收驱动信号S1，使得功率装置160能响应于驱动信号S1的第一电压准位而被驱动。功率装置160运行于第一状态(如：正常工作状态)时，用以进行电力转换。在其他变化实施例中，功率装置160可为应用于各种供电装置中的电力转换元件，例如：降压转换器(buck converter)、升压转换器(boost converter)、升压降压转换器(buck-boostconverter)或任何具有电力切换开关的装置。举例而言，功率装置160可包含氮化镓开关装置、MOSFET开关装置、绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置、双极性晶体管(BJT)开关装置、碳化硅开关装置、继电器开关装置或其组合。
电压控制电路140电性连接于功率装置160以提供驱动信号S1至该功率装置160。在部分实施例中，电压控制电路140包含输入端140a、输出端140b及控制端140c。输出端140b电性连接于功率装置160的控制端160c。电压控制电路140用以接收原始信号S0，且根据原始信号S0输出驱动信号S1至功率装置160。
在部分实施例中，转换电路100还包含驱动信号产生器120，用以产生原始信号S0。驱动信号产生器120电性连接于电压控制电路140的输入端140a。驱动信号产生器120包含逻辑电路122及驱动缓冲器124，且用以从电压源接收输入电压VDD并产生原始信号S0。详细内容将于后续段落中详述。
触发电路180用以调整控制端140c的电压准位，使得驱动信号S1的电压准位(即，控制端160c的电压准位)能相应改变。例如：驱动信号S1的电压准位被暂时从第一电压准位调降至第二电压准位。
在部分实施例中，触发电路180电性连接于控制端160c及控制端140c之间。触发电路180包含输出端180a及感测端180b。触发电路180的输出端180a电性连接于电压控制电路140的控制端140c，且触发电路180的感测端180b电性连接于功率装置160的控制端160c。
在部分实施例中，当功率装置160用以根据驱动信号S1的第一电压准位执行电力转换时，触发电路180用以响应于控制端140c的电压准位而导通，以调整控制端140c的电压准位，进而使得电压控制电路140用以输出具有第二电压准位的驱动信号S1。第二电压准位小于第一电压准位。
据此，当功率装置160响应于驱动信号S1而导通时，触发电路180将响应于控制端160c的电压准位而导通，以拉低(pull low)控制端140c的电压准位。此时，电压控制电路140将据以降低驱动信号S1的电压准位(如：从第一电压准位改变至第二电压准位)。因此，功率装置160将于第二状态中执行电力转换，以避免因为异常状态而受损(例如：异常的大电压或大电流)。换言的，触发电路180使驱动信号S1在二阶段(two-stage)的电压准位间变化。因此，本公开内容将能避免功率装置160因为异常状态而受损，使得栅极峰值电压将不会影响到功率装置160的驱动速度。
在部分实施例中，触发电路180包含第一电容C1、第一开关元件T1及第一点电阻R1。第一电容C1电性连接于功率装置160的控制端160c。第一开关元件T1电性连接于电压控制电路140的控制端140c及参考端Nr(如：接地端)之间。第一开关元件T1的控制端电性连接于第一电容C1。
请参阅图2所示，图2为控制端160c上电压准位变化的波形图。横轴为时间，纵轴则为控制端160c的电压值。当功率装置160响应于驱动信号S1的第一电压准位而导通时，将开始对第一电容充电，且第一开关元件T1的控制端导通至控制端160c。在第一充电周期P1，当第一电阻R1及第一电容C1间的电压准位达到第一开关元件T1的临界电压时，第一开关元件T1将根据控制端160c的电压准位导通。此时，由于控制端140c的电压准位被参考端Nr拉低，电压控制电路140输出的驱动信号S1的电压准位将被控制于第二电压准位V2。
在第二充电周期P2后，第一电容C1将被充满电，第一开关元件T1则关断。此时，控制端140c恢复至预设准位，且电压控制电路140输出的驱动信号S1的电压准位将被控制于第一电压准位V1。通过前述特征，当电压控制电路140开始输出具有第一电压准位V1输出信号S1时，功率装置160容易因为驱动信号S1的峰值电压而受损的问题即可被避免。第一充电周期P1及第二充电周期P2的时间长度是取决于第一电容R1及第一电容C1。
电压控制电路140产生的驱动信号S1是响应于电压控制电路140的控制端140c的电压准位。电压控制电路140可使用各种不同的电路架构。在部分实施例中，电压控制电路140包含电压控制开关141。电压控制开关141包含漏极、源极及栅极。漏极电性连接于电压控制电路140的输入端140a。源极电性连接于电压控制电路140的输出端140b。栅极电压控制电路140电压控制电路140的控制端140c。
电压控制电路140响应于在控制端140c的零栅极－源极电压是常通的。电压控制开关141可以包含空乏型金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor,MOSFET)开关装置以实现响应于控制端140c的零栅极－源极电压的常通操作，但本公开并不以此为限。在一些实施例中，电压控制开关141可以包含其他具有相似通道电流对栅极电压特征曲线的合适的半导体装置以实现电压控制开关141。另外说明，电压控制开关141可以包含空乏型MOSFET开关装置、增强型MOSFET开关装置或是其组合。
在部分实施例中，电压控制电路140还包含钳位电路142。钳位电路142的第一端142a电性连接于电压控制开关140的栅极。钳位电路142的第二端142b电性连接于参考端Nr。钳位电路142的第一端142a及第二端142b间的跨压被钳位于预设准位。在部分实施例中，钳位电路142还至少包含相互串联的二齐纳二极管Da、Db。控制端140c是位于齐纳二极管Da、Db之间。电压控制电路140的临界电压为负值，且电压控制电路140是用以在栅极－源极电压小于负临界电压Vth的情况下为关(off)。在部分实施例中，临界电压Vth是MOSFET开关装置的临界电压。例如，在一些实施例中，常通装置的临界电压介于-0.1伏特与-20伏特之间。因此，在原始信号S0的电压准位高于特定值的情况下，驱动信号S1的电压准位响应于电压控制开关电路140的临界电压Vth被电压控制电路140所箝位。另外说明，原始信号S0的电压准位高于驱动信号S1的电压准位，因为驱动信号S1的电压准位被电压控制电路140所箝位。
请参阅图3A及图3B所示，为根据本公开内容的部分实施例的电压控制电路示意图。根据图3A及图3B的实施例，如图1中的元件皆标示相同的符号以利理解。在此，除了需介绍的与图3A及图3B中元件间的相互关系，为简洁，将省略相似元件在前面的篇幅已仔细地讨论的具体操作。
在部分实施例中，参阅图3A所示，电压控制电路240具有输入端240a、输出端240b及控制端240c，且包含钳位电路。钳位电路包含相互串联的钳位元件D1、D2。触发电路180电性连接于控制端240c(即，钳位元件D1、D2之间的节点)之间。在一些替代的实施例中，钳位元件D1、D2可由多个二极管或齐纳二极管来实现。在其他实施例中，钳位电路可由多个相电性连接的MOSFET晶体管来实现。其中的一个MOSFET晶体管的栅极电性连接于其他MOSFET晶体管的源极或漏极。二极管或MOSFET晶体管的数量可根据实际需求来调整，因此本公开内容并不局限于图3A所示的实施方式。原始信号S0被钳位于电压控制电路240的钳位电路，且形成驱动信号S1。当触发电路180被导通时，控制端160c导通至参考端Nr，使驱动信号S1的电压准位相应改变。
在部分实施例中，请参阅图3B所示，电压控制电路340具有输入端340a、输出端340b及控制端340c，且包含缓冲器341及调节电路342。缓冲器341电性连接于控制端160c。调节电路342电性连接于缓冲器341。调节电路342的控制端被作为电压控制电路340的控制端340c，且电性连接于触发电路180。调节电路342输出控制电压Sc至缓冲器341的正极控制端以控制缓冲器341输出的驱动信号S1的电压准位。当触发电路180被导通时，调节电路342的控制端导通于参考端Nr，使调节电路342的控制端的电压准位被降低。此时，控制电路Sc的电压准位将响应于调节电路342的控制端的电压准位而被调整。由于本领域人士能理解调节电路342的运行方式，故在此不另赘述。
此外，请参阅图1，在部分实施例中，驱动信号产生器120包含逻辑电路122及驱动缓冲器124，且用以从电压源接收输入电压VDD，且产生原始信号S0。具体来说，输入电压VDD是用以供应逻辑电路122及驱动缓冲器124所需的电力。在部分实施例中，逻辑电路122用以根据脉冲宽度调制信号产生原始信号S0。
举例而言，如图1所示，逻辑电路122可包含斯密特(Schmitt)触发器ST1、欠压锁定(Under-Voltage Lockout,UVLO)电路UVLO1及及闸AND1。斯密特触发器ST1用以接收脉冲宽度调制(PWM)信号，并输出信号DSx，其中信号DSx的值维持为该值，直到输入端点的脉宽调制信号PWM充分改变到足以触发一改变。
欠压锁定电路UVLO1用以监视输入电压VDD并在欠压出现的条件下提供保护信号PS1。及闸AND1耦接于斯密特触发器ST1及欠压锁定电路UVLO1的输入侧，并响应于所接收的多个信号执行一逻辑及操作(AND operation)以相应地输出原始信号S0。原始信号S0被传输到耦接于逻辑电路122的驱动器缓冲器124，且驱动器缓冲器124用以通过一输出端点输出原始信号S0，但驱动信号产生器120的电路结构并不以此为限。
在前述实施例中，触发电路180是响应于控制端160c的电压准位而导通。然而，在其他部分实施例中，触发电路180亦可响应于功率装置160上各端点的电压准位而导通。请参阅图4所示，图4为根据本公开内容的部分实施例的转换电路示意图。根据图4的实施例，如图1中的元件皆标示相同的符号以利理解。在此，除了需介绍的与图4中元件间的相互关系，为简洁，将省略相似元件在前面的篇幅已仔细地讨论的具体操作。
如图4所示，在结构上，转换电路100包含驱动信号产生器120、功率装置160、电压控制电路140及触发电路280。触发电路280电性连接于功率装置160的第一端160a及电压控制电路140的控制端140c之间。在部分实施例中，触发电路280包含输出端280a及感测端280b。触发电路280的输出端280a电性连接于电压控制电路140的控制端140c，且触发电路180的感测端280b电性连接于功率装置160的第一端。
当功率装置160运行于第一状态，且第一端160a具有预设电压准位时，电压控制电路140用以输出具有第一电压准位的驱动信号S1至功率装置160。功率装置用以根据驱动信号S1的第一电压准位执行电力转换。另一方面，当功率装置160的第一端160a具有相异于预设电压准位的操作电压准位时(例如：操作电压准位远大于预设电压准位，或有大电流流经功率装置160)，此时，触发电路280用以响应于第一端160a的操作电压准位而导通，以调整控制端140c的电压准位，使得电压控制电路140用以输出具有第二电压准位的驱动信号S1。第二电压准位是小于第一电压准位。
据此，在功率装置160运行于第一状态且执行电力转换的情况下，若有超过限制范围的大电流通过功率装置160，触发电路280将响应于第一端160a的电压准位而导通，以拉低控制端140c的电压准位。此时，电压控制电路140将降低驱动信号S1的电压准位(如：从第一电压准位改变为第二电压准位)。因此，功率装置160将于第二状态下执行电力转换，以避免因为栅极瞬间的大电压(spike)或异常大电流导致受损。如前述实施例，触发电路280能使驱动信号S1的电压准位被控制于“二阶段”之间变化。据此，驱动信号S1的电压准将维持于第二电压准位，直到第一端160a恢复至预设电压准位，且触发电路280据以被关断。
请参阅图4，在部分实施例中，触发电路280包含第二开关元件T2、第三开关元件T3及第二电阻R2。第二开关元件T2电性连接于第一端160a及参考端Nr之间。第二开关元件T2的控制端电性连接于输出端140b。第三开关元件T3电性连接于电压控制电路140c的控制端及参考端Nr之间。第三开关元件T3的控制端电性连接于第二开关元件T2。在部分实施例中，第二开关元件T2还通过第二电阻R2电性连接于参考端Nr，第三开关元件T3的控制端通过第二电阻R2电性连接于参考端。
由于第二开关元件T2的跨压等同于功率装置160的跨压，因此功率装置160和第二开关元件T2能同步导通或关断。当第一端160a具有相异于预设电压准位的操作电压准位时，第三开关元件T3将导通以降低电压控制电路140的控制端140c的电压准位。接着驱动信号S1的电压准位能被调整至第二电压准位，即可避免功率装置160因异常大电流而受损。
于图5A～图5B中，与图1的实施例有关的相似元件是以相同的参考标号表示以便于理解，且相似元件的具体原理已于先前段落中详细说明，若非与图5A～图5B的元件间具有协同运行关系而必要介绍者，于此不再赘述。请参阅图5A所示，在部分实施例中，触发电路380包含输出端380a及感测端380b。触发电路380的输出端380a电性连接于电压控制电路240的控制端240c，触发电路380的感测端380b电性连接于功率装置160的第一端160a。
触发电路380包含整流元件T4。整流元件T4电性连接于功率装置160的第一端160a及电压控制电路240的控制端240c。当整流元件T4的跨压大于顺向电压时，整流元件T4用以导通。举例而言：在功率装置160反向导通的情况下，若通过功率装置160变大使第一端160a具有相异于预设电压准位的操作电压准位，整流元件T4将导通以调整(如：降低)控制端240c的电压准位。整流元件T4可为二极管、整流元件或单向开关，但并不局限于此。
请参阅图5B所示，触发电路380可被应用于前述的电压控制电路340。同理，在图4、图5A～图5B所示的实施例中，触发电路280、380可应用于o电压控制电路140、电压控制电路240或电压控制电路340。换言之，图4所示的电压控制电路140(图5A～图5B所示的电压控制电路240、340)仅为本公开内容的其中一种实施例，而非用以限制电压控制电路的电路架构。转换电路中的电压控制电路可以其他电路架构来实现，例如图4～图5B所示的电压控制电路140、240、340。
请参阅图6A、图6B所示，图6A及图6B是用以说明本公开内容的部分实施例的电压控制电路140、功率装置160及触发电路180。
相应于图1中的实施例，如图6A所示，在一些实施例中，常通的电压控制开关141、功率装置160及触发电路180在基板610a上与系统单芯片(System on Chip,SoC)整合或封装在一起以形成芯片600a。如图6B所示，在部分实施例中，常通的电压控制开关141、功率装置160及触发电路180在基板610b上与系统级封装(System in Package,SiP)整合或封装在一起以形成芯片600b。在不同实施例中，系统及封装晶粒可以垂直推叠或水平平铺，并通过固定于封装的线路内部连接。
换言之，在不同实施例中，电压控制电路140、功率装置160及触发电路180可以与系统级封装、系统单芯片、3D集成电路等等整合或封装在一起。
请参照图7A及图7B。图7A及图7B为根据本公开的一实施例所示出的驱动信号产生器120与电压控制电路140的整合的示意图。
相应于图1中的实施例，如图7A所示，在一些实施例中，逻辑电路122、驱动器缓冲器124及电压控制电路140在基板710a上与系统单芯片整合或封装在一起以形成芯片700a。如图7B所示，在一些实施例中，逻辑电路122、驱动器缓冲器124及电压控制电路140在基板710b上与系统级封装(System in Package，SiP)整合或封装在一起以形成芯片700b。
换言之，在不同实施例中，与应用在电压控制电路140及功率装置160相似，在部分实施例中，驱动信号产生器120和电压控制电路140可以与系统级封装、系统单芯片、3D集成电路等等整合或封装在一起。
在部分实施例中，驱动信号产生器120、电压控制电路140、功率装置160及触发电路180可以与系统级封装、系统单芯片、3D集成电路等等整合或封装在一起，且为简洁的缘故，在这里省略更多的解释。
另外，上述实施例中的元件可以各种的数字或模拟电路实现，也可以不同的集成电路芯片实现。每一个元件也可以整合在一单一芯片中。值得注意的是，在实际的应用中，电路可以一微控制单元(microcontroller unit,MCU)实现，或用不同的方式实现，如数字信号处理器(digital signal processor,DSP)或可程序逻辑阵列芯片(field-programmable gate array,FPGA)。开关与晶体管可以通过合适的电子元件实现。例如：开关可使用功率半导体装置，包含但不限于：绝缘闸双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,IGBT)、双极性结型晶体管(bipolar junction transistor,BJT)、碳化硅(SiC)MOSFET晶体管，或机械开关，例如各种类型的继电器。常通开关装置可以是具有类似IV特性的氮化镓晶体管或半导体装置。变压器、二极管、电阻器、电容器单元和/或电感器单元可以通过合适的电子元件实现。以上列表仅是示例性的，并不意味着是对本公开的限制。
前述各实施例中的各项元件、方法步骤或技术特征，是可相互结合，而不以本公开内容中的文字描述顺序或附图呈现顺序为限。
虽然本发明内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明内容，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本发明内容的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。