本發(fā)明是有關于一種具有自舉電壓的切換式轉換器以及升壓裝置，特別是有關于一種利用改良式晶體管作為自舉二極管的切換式轉換器以及升壓裝置。

背景技術：

在切換式轉換器的應用中，往往需要單向開關元件以及電容的輔助，使得上橋晶體管能夠完全導通。圖1是顯示一切換式轉換器的上橋驅動電路的方塊圖。如圖1所示，上橋驅動電路100包括上橋驅動器101、上橋晶體管102、單向開關元件104以及電容103。由于輸入電壓VIN大于供應電壓VS，且上橋晶體管102為N型晶體管，為了維持上橋晶體管102持續(xù)導通，需要利用單向開關元件104以及電容103將自舉電壓VB提升至輸入電壓VIN以及供應電壓VS之和。

此外，單向開關元件104除了需要自供應電壓VS提供電容103足夠的順向電流，單向開關元件104還用以阻隔升壓后的自舉電壓VB至供應電壓VS的反向電流。因此，我們需要一個有效率且能夠整合至集成電路中的單向開關元件104，用以提升電路效率以及降低制造成本。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出一種切換式轉換器，包括：一上橋驅動器、一上橋晶體管、一下橋驅動器、一下橋晶體管、一電容以及一主動式二極管。上述上橋驅動器接收一自舉節(jié)點的一自舉電壓以及一浮動參考節(jié)點的一浮動參考電壓，并產(chǎn)生一上橋輸出信號。上述上橋晶體管根據(jù)上述上橋輸出信號，將一輸入電壓提供至上述浮動參考節(jié)點。上述下橋驅動器產(chǎn)生一下橋輸出信號。上述下橋晶體管根據(jù)上述下橋輸出信號，將上述浮動參考節(jié)點耦接至一接地端。上述電容耦接于上述自舉節(jié)點以及上述浮動參考節(jié)點之間。上述主動式二極管將一供應電壓提供至上述自舉節(jié)點，其中當上述自舉電壓高于上述供應電壓時，上述單相開關元件根據(jù)一控制電壓，將上述供應電壓與上述自舉節(jié)點隔離。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，更包括一控制邏輯。上述控制邏輯接收上述供應電壓， 并根據(jù)一輸入信號產(chǎn)生一上橋驅動信號至上述上橋驅動器以及一下橋驅動信號至上述下橋驅動器。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述上橋驅動器更包括：一第一P型晶體管以及一第一N型晶體管。上述第一P型晶體管的源極端耦接至上述自舉節(jié)點，漏極端產(chǎn)生上述上橋輸出信號，柵極端接收上述上橋驅動信號。上述第一N型晶體管的源極端耦接至上述浮動參考節(jié)點，漏極端產(chǎn)生上述上橋輸出信號，柵極端接收上述上橋驅動信號。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述下橋驅動器更包括：一第二P型晶體管以及一第二N型晶體管。上述第二P型晶體管的源極端接收上述供應電壓，漏極端產(chǎn)生上述下橋輸出信號，柵極端接收上述下橋驅動信號。上述第二N型晶體管的源極端耦接至上述接地端，漏極端產(chǎn)生上述下橋輸出信號，柵極端接收上述下橋驅動信號。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，其中上述主動式二極管為一常開晶體管，當上述浮動參考節(jié)點耦接至上述接地端時，上述常開晶體管根據(jù)上述控制電壓，決定上述供應電壓對上述電容的一順向電流，使得上述電容儲存的一電壓差，其中當上述輸入電壓提供至上述浮動參考節(jié)點時，上述自舉電壓為上述輸入電壓以及上述電壓差之和，上述常開晶體管更根據(jù)上述控制電壓，將上述供應電壓以及上述第一節(jié)點隔離。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一N型耗盡型晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一P型耗盡型晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一N型結場效應晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一P型結場效應晶體管。

本發(fā)明更提出一種升壓裝置，包括：一電容以及一主動式二極管。上述電容包括一第一節(jié)點以及一第二節(jié)點，其中上述第二節(jié)點交替地接收一第一電壓以及一第二電壓。上述主動式二極管將一供應電壓提供至上述第一節(jié)點，并根據(jù)一控制電壓將上述第一節(jié)點與上述供應電壓隔離，其中上述供應電壓小于上述第二電壓，且上述供應電壓大于上述第一電壓。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，其中上述主動式二極管為一常開晶體管，當上述第二節(jié)點接收上述第一電壓時，上述常開晶體管將上述供應電壓提供至上述第一節(jié)點，用以對上述電容充電。當上述第二節(jié)點接收上述第二電壓時，上述常開晶體管根據(jù)上述控制電壓將上述供應電壓以及上述第一節(jié)點隔離。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，當上述第二節(jié)點接收上述第一電壓時，上述常開晶體管 根據(jù)上述控制電壓，決定上述供應電壓對上述電容的一順向電流，使得上述電容儲存的一電壓差，其中當上述第二節(jié)點耦接至上述第二電壓時，上述第一節(jié)點的電壓為上述第二電壓以及上述電壓差之和，上述常開晶體管更根據(jù)上述控制電壓，將上述供應電壓以及上述第一節(jié)點隔離，避免上述電容對上述供應電壓放電，其中上述電壓差為上述供應電壓減去上述第一電壓。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一N型耗盡型晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一P型耗盡型晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一N型結場效應晶體管。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上述主動式二極管為一P型結場效應晶體管。

通過上述本發(fā)明的切換式轉換器，可提升電路效率以及降低制造成本。

附圖說明

圖1是顯示一切換式轉換器的上橋驅動電路的方塊圖；

圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的切換式電路的方塊圖；

圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的升壓裝置的電路圖；

圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例所述的升壓裝置的電路圖；

圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例所述的升壓裝置的電路圖；

圖6是顯示依據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的常開晶體管的剖面圖；

圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的圖2的上橋驅動器的電路圖；以及

圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的圖2的下橋驅動器的電路圖。

附圖標號

100 上橋驅動電路

101、202、700 上橋驅動器

102、203 上橋晶體管

103、211、301、401、501 電容

104、212 單向開關元件

200 切換式電路

201 控制邏輯

204、800 下橋驅動器

205 下橋晶體管

210、300、400、500 升壓裝置

302 肖特基二極管；

402 基體絕緣二極管；

502 主動式二極管；

60 常開晶體管；

600 半導體基板；

602 外延層；

604 N型的阱；

606 P型的主體區(qū)；

608 P型的接觸區(qū)；

610 N型的接觸區(qū)；

612 N型的接觸區(qū)；

614 場絕緣層；

616 柵極結構；

618 柵絕緣層；

620 導電源極電極；

622 導電柵極電極；

624 導電漏極電極；

626 層間介電層；

630 N+摻雜區(qū)；

632 P+摻雜區(qū)；

701 第一P型晶體管；

702 第一N型晶體管；

801 第二P型晶體管；

802 第二N型晶體管；

SHD 上橋驅動信號；

SHO 上橋輸出電壓；

SLD 下橋驅動信號；

SLO 下橋輸出信號；

NB 自舉節(jié)點；

NF 浮動參考節(jié)點；

VB 自舉電壓；

VC 控制電壓；

VF 浮動參考電壓；

VIN 輸入電壓；

VS 供應電壓；

N1 陽極端；

N2 陰極端。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特例舉一較佳實施例，并配合所附圖式，來作詳細說明如下：

以下將介紹是根據(jù)本發(fā)明所述的較佳實施例。必須要說明的是，本發(fā)明提供了許多可應用的發(fā)明概念，在此所揭露的特定實施例，僅是用于說明達成與運用本發(fā)明的特定方式，而不可用以局限本發(fā)明的范圍。

圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的切換式電路的方塊圖。如圖2所示，切換式電路200包括控制邏輯201、上橋驅動器202、上橋晶體管203、下橋驅動器204、下橋晶體管205以及升壓裝置210，其中輸入電壓VIN是大于供應電壓VS。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，切換式電路200為一半橋驅動電路(halfbridge driver)；根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，切換式電路200為切換式降壓轉換器；根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，切換式電路200為其他切換式電路，其中輸入電壓VIN是大于供應電壓VS。

如圖2所示，控制邏輯201接收供應電壓VS的供應，并根據(jù)輸入信號SIN產(chǎn)生上橋驅動信號SHD至上橋驅動器202，并且產(chǎn)生下橋驅動信號SLD至下橋驅動器204。上橋驅動器202接收自舉節(jié)點NB的自舉電壓VB以及浮動參考節(jié)點NF的浮動參考電壓VF的供應，并根據(jù)上橋驅動信號SHD而產(chǎn)生上橋輸出信號SHO，用以控制上橋晶體管203的動作。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，上橋輸出信號SHO的電壓位準是位于上述自舉電壓VB以及上述浮動參考電壓VF之間。

下橋驅動器204接收供應電壓VS的供應，并根據(jù)下橋驅動信號SLD而產(chǎn)生下橋輸出信號SLO，用以控制下橋晶體管205，用以控制下橋晶體管205的動作。根據(jù) 本發(fā)明的一實施例，當下橋驅動器204利用下橋輸出信號SLO而控制下橋晶體管205導通時，上橋驅動器202利用上橋輸出信號SHO控制上橋晶體管203不導通，浮動參考節(jié)點NF是經(jīng)由下橋晶體管205而耦接至接地端，使得浮動參考電壓VF為0V。上橋驅動器202以及下橋驅動器204，將于下文中加以詳細說明。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，當下橋驅動器204控制下橋晶體管205不導通時，上橋驅動器202控制上橋晶體管203導通而將輸入電壓VIN提供至浮動參考節(jié)點NF，使得浮動參考電壓VF是等于輸入電壓VIN。由于上橋晶體管203以及下橋晶體管205為相同的元件，為了維持上橋晶體管203與下橋晶體管205皆具有相同的柵極-源極跨壓，因此利用升壓裝置210將自舉電壓VB升壓至供應電壓VS以及輸入電壓VIN之和。

如圖2所示，升壓裝置210包括電容211以及單向開關元件212。電容211耦接于自舉節(jié)點NB以及浮動參考節(jié)點NF之間。單向開關元件212耦接于供應電壓VS以及自舉節(jié)點NB之間，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，當自舉電壓VB小于供應電壓VS時，單向開關元件212將供應電壓VS提供至自舉節(jié)點NB。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，當自舉電壓VB高于供應電壓VS時，單相開關元件212將供應電壓VS與自舉節(jié)點NB隔離，以避免過高的自舉電壓VB回灌至供應電壓VS，而將其他的電路損毀。升壓裝置210將于下文中，詳細說明。

圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的升壓裝置的電路圖。如圖3所示，升壓裝置300包括電容301以及肖特基二極管302，其中肖特基二極管302包括陽極端N1以及陰極端N2。陽極端N1接收供應電壓VS，陰極端N2耦接至自舉節(jié)點NB。與圖2相比，單向開關元件212替換為肖特基二極管302。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，當浮動參考節(jié)點NF耦接至接地端時，供應電壓VS大于自舉電壓VB，肖特基二極管302導通，使得供應電壓VS對電容301充電，電容301儲存的電壓差為供應電壓VS。當輸入電壓VIN經(jīng)由圖2的上橋晶體管203提供至浮動參考節(jié)點NF時，浮動參考節(jié)點VF是等于輸入電壓VIN。由于電容301儲存的電壓差為供應電壓VS，使得自舉電壓VB為供應電壓VS以及輸入電壓VIN之和。

為了增加肖特基二極管302對電容301的順向電流，肖特基二極管302的金屬以及摻雜層的接觸面積需要增加，然而增加了金屬以及摻雜層的接觸面積后，肖特基二極管302的反向電流隨之增加，使得當自舉電壓VB大于供應電壓VS時，肖特基二 極管302無法有效隔離自舉電壓VB以及供應電壓VS。因此，盡管肖特基二極管302能夠作為單向開關元件212的應用，但是由于肖特基二極管302本身物理特性的限制，而使得肖特基二極管302的效能有所限制。

圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例所述的升壓裝置的電路圖。如圖4所示，升壓裝置400包括電容401以及基體絕緣二極管402，其中基體絕緣二極管402包括陽極端N1以及陰極端N2，其中陽極端N1接收供應電壓VS，陰極端N2耦接至自舉節(jié)點NB。與圖2相比，單向開關元件212替換為基體絕緣二極管402。

盡管基體絕緣二極管402能夠提供較肖特基二極管302更好的隔離效果，但是由于基體絕緣二極管402是位于P型基體之上，在基體絕緣二極管402順向導通的時候，供應電壓VS提供至電容401的順向電流中，有部份的電流會經(jīng)由P型基體流失而造成功率損耗。

圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例所述的升壓裝置的電路圖。如圖5所示，升壓裝置500包括電容501以及主動式二極管502，其中主動式二極管502耦接于供應電壓VS以及自舉節(jié)點NB之間，并接收控制電壓VC的控制。與圖2相比，單向開關元件212替換為主動式二極管502。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，主動式二極管502為N型或P型耗盡型晶體管。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，主動式二極管502為P型或N型結場效應晶體管。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，主動式二極管502為目前已經(jīng)發(fā)明以及尚未發(fā)明的常開(normally-ON)晶體管。

圖6是顯示依據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的常開晶體管的剖面圖。常開晶體管60為一N型裝置，且包括P型的一半導體基板600與設置于此半導體基板600上的一外延層(epitaxial layer)602。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，常開晶體管60為一P型裝置，在此N型裝置僅用以說明之用。于外延層602上設置有一柵極結構616與一場絕緣層614。柵絕緣層618是設置于柵極結構616與場絕緣層614之間。柵絕緣層618的一部延伸并覆蓋了場絕緣層614的一部。

再者，于柵極結構616的兩側的外延層602內(nèi)分別設置有P型的主體區(qū)606與N型的阱604。N型的阱604是設置于半導體基板600與外延層602兩者之內(nèi)。P型的接觸區(qū)608與鄰近的N型的接觸區(qū)610共同形成了位于主體區(qū)606內(nèi)的一源極區(qū)。N型的接觸區(qū)612形成了位于阱604內(nèi)的一漏極區(qū)。再者，于阱604內(nèi)設置有一P+摻 雜區(qū)632且其朝向主體區(qū)606延伸至阱604之外。常開晶體管60更包括堆疊于P+摻雜區(qū)632上的一N+摻雜區(qū)630。N+摻雜區(qū)630亦設置于阱604內(nèi)且朝向主體區(qū)606延伸至阱604之外。于部分實施例中，此些N+摻雜區(qū)630與P+摻雜區(qū)632可經(jīng)過延伸而交疊于主體區(qū)606的一部，但未接觸源極區(qū)608/610。于部分實施例中，N+摻雜區(qū)630以及P+摻雜區(qū)632可延伸至阱604之外但并未交疊于主體區(qū)606。

再者，常開晶體管60更包括電連結于P型接觸區(qū)608與N型接觸區(qū)610的一導電源極電極620。一導電漏極電極624是電連結于N型接觸區(qū)612。一導電柵極電極622是電連結于柵極結構616。通過層間介電層626的設置以覆蓋導電源極電極620、導電柵極電極622以及導電漏極電極624。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，圖5的主動式二極管502為圖6的常開晶體管60，其中圖6的導電源極電極620是接收圖5的供應電壓VS，而導電漏極電極624是耦接自舉節(jié)點NB，并且導電柵極電極622用以接收控制電壓VC。當供應電壓VS大于自舉電壓VB時，供應電壓VS可自然地對電容501充電，并且常開晶體管60的導通電阻可因控制電壓VC增加而降低，而使得導通電阻可忽略不計。當自舉電壓VB大于供應電壓VS時，常開晶體管60可根據(jù)控制電壓VC而不導通，進而避免自舉電壓VB對供應電壓VS充電。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，由于主動式二極管502是一常開晶體管，因此不需要偏壓則可導通。此外，更可通過調整控制電壓VC而控制主動式二極管502的順向電流。當自舉電壓VB大于供應電壓VS時，主動式二極管502亦可根據(jù)控制電壓VC而不導通，藉以隔離供應電壓VS以及自舉節(jié)點NB。

以下將以主動式二極管502為一N型耗盡型晶體管為例，用以詳細說明本發(fā)明。當供應電壓VS大于自舉電壓VB時，由于N型耗盡型晶體管常開的物理特性，當控制電壓VC為0V時，N型耗盡型晶體管將供應電壓VS提供至自舉節(jié)點NB。隨著控制電壓VC增加，供應電壓VS經(jīng)由N型耗盡型晶體管流至自舉節(jié)點NB的電流亦隨之增加。

當自舉電壓VB大于供應電壓VS時，將控制電壓VC增加使得控制電壓VC減去供應電壓VS后小于N型耗盡型晶體管的臨限電壓，即可不導通N型耗盡型晶體管，進而隔離供應電壓VS以及自舉節(jié)點NB。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，當供應電壓VS大于自舉電壓VB時，控制電壓VC為 0V以導通N型耗盡型晶體管。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，當供應電壓VS小于自舉電壓VB時，控制電壓VC為供應電壓VS，使得N型耗盡型晶體管不導通，而隔離供應電壓以及自舉節(jié)點NB。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，由于單向開關元件為耗盡型晶體管以及結型場效應晶體管的一者，因此能夠整合至集成電路中，而達到降低生產(chǎn)成本的目的。并且，由于耗盡型晶體管以及結型場效應晶體管的物理特性，使得設計者能夠利用控制電壓VC而有效的控制單向開關元件的反向漏電流，也能夠于順向導通時利用控制電壓VC來控制單向開關元件的電流驅動能力。

圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的圖2的上橋驅動器的電路圖。如圖7所示，上橋驅動器700包括第一P型晶體管701以及第一N型晶體管702。第一P型晶體管701的源極端耦接至自舉節(jié)點NB，漏極端輸出上橋輸出信號SHO，柵極端接收上橋驅動信號SHD。第一N型晶體管702的源極端耦接至浮動參考節(jié)點NF，漏極端輸出上橋輸出信號SHO，柵極端接收上橋驅動信號SHD。

圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明的一實施例所述的圖2的下橋驅動器的電路圖。如圖8所示，下橋驅動器800包括第二P型晶體管801以及第二N型晶體管802。第二P型晶體管801的源極端接收供應電壓VS，漏極端輸出下橋輸出信號SLO，柵極端接收下橋驅動信號SLD。第二N型晶體管802的源極端耦接至接地端，漏極端輸出下橋輸出信號SLO，柵極端接收下橋驅動信號SLD。

以上敘述許多實施例的特征，使所屬技術領域中具有通常知識者能夠清楚理解本說明書的形態(tài)。所屬技術領域中具有通常知識者能夠理解其可利用本發(fā)明揭示內(nèi)容為基礎以設計或更動其他工藝及結構而完成相同于上述實施例的目的及/或達到相同于上述實施例的優(yōu)點。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解不脫離本發(fā)明的精神和范圍的等效構造可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)作任意的更動、替代與潤飾。