CN110635794B - 整流器电路、使用整流器电路的开关电源转换器及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开整流器电路、使用整流器电路的开关电源转换器及相关方法。至少一些示例性实施方案是电路，所述电路包括：阳极端子；阴极端子；限定漏极、源极和栅极的场效应晶体管(FET)，所述源极耦接到所述阳极端子，及所述漏极耦接到所述阴极端子；具有阳极和阴极的二极管，所述阳极耦接到所述阴极端子；自举电容器，所述自举电容器耦接在所述二极管的所述阴极与所述阳极端子之间；FET控制器，所述FET控制器耦接到所述FET的所述栅极以及所述二极管与所述自举电容器之间的节点；所述FET控制器被配置为在所述电路变为被正向偏置时使所述FET导通，及所述FET控制器被配置为在所述电路被反向偏置的时间段期间使所述FET不导通。

Description

整流器电路、使用整流器电路的开关电源转换器及相关方法
技术领域
本申请涉及整流器电路的技术领域，并且具体地涉及可用作二极管替换器件的整流器电路。
背景技术
开关电源转换器使用与电感相关联的整流器电路(例如，独立电感器或变压器的绕组)来从直流(DC)电源形成更高电压(升压转换器)或更低电压(降压转换器)。在早期电源转换器中，甚至如今在更低效率的电源转换器中，整流器电路也是充当整流器的二极管。二极管的正向导通模式下的电压降可相对较高(例如，0.7至1.0伏或更多)，从而使电源转换器的总效率变低。电源转换器设计者可尝试通过使用肖特基二极管作为整流器电路来增加效率，但即使使用肖特基二极管，电源转换器的总效率也可能达不到90％。
当期望更高的效率时，电源转换器设计者可将二极管替换为独立的场效应晶体管(FET)和单独的驱动器集成电路，从而形成具有同步整流的电源转换器。使用独立的FET和单独的驱动器集成电路会增加物料清单(BOM)上的部件数量以及成本，并且还会增加其上安装有各种部件的底层电路板的复杂性。
发明内容
各种示例性实施方案涉及整流器电路的方法和***。至少一些示例性实施方案包括电路，该电路包括：阳极端子；阴极端子；限定漏极、源极和栅极的场效应晶体管(FET)，该源极耦接到阳极端子，并且该漏极耦接到阴极端子；具有阳极和阴极的二极管，该阳极耦接到阴极端子；自举电容器，该自举电容器耦接在二极管的阴极与阳极端子之间；以及FET控制器，该FET控制器耦接到FET的栅极、自举电容器以及二极管的阴极。FET控制器被配置为在电路变为被正向偏置时使FET导通，并且FET控制器被配置为在电路被反向偏置的时间段期间使FET不导通。
示例性电路的FET控制器可被进一步配置为将电流从自举电容器驱动到栅极以使FET导通，并且在电路被反向偏置之前将栅极直接耦接到源极。示例性电路的FET控制器可被进一步配置为在正向偏置的时间段期间，预测紧接其后的反向偏置的定时，并且被配置为基于所预测的定时来断开FET。FET控制器还可包括定时电路，该定时电路为可调节的并产生定时信号，并且FET控制器可被配置为将定时电路调节到跨阳极端子和阴极端子施加的信号的频率。FET控制器可被进一步配置为基于定时信号的断言来预测定时。
示例性电路的FET控制器还可包括栅极驱动器电路，该栅极驱动器电路被配置为将跨FET的电压降控制到设定点电压。FET控制器可被进一步配置为在跨FET的电压降降至低于预定电压的正向偏置循环结束时使FET不导通，并且在一些情况下设定点电压和预定电压相等。
示例性电路的FET控制器可被进一步配置为监测跨FET的栅极和源极的电压，并且被进一步配置为在跨栅极和源极的电压降至低于预定阈值时使FET不导通。
又一些其他示例性实施方案是方法，所述方法包括：在封装半导体器件被反向偏置且封装半导体器件的场效应晶体管(FET)不导通时将能量存储在自举电容器上；在封装半导体器件变为被正向偏置时将来自自举电容器的能量耦接到FET的栅极以使FET导通；然后在封装半导体器件变为被反向偏置之前使FET不导通。
在示例性方法中耦接来自自举电容器的能量还可包括将跨FET的电压降控制到设定点电压。控制跨FET的电压降还可包括驱动栅极以形成比FET在其最高额定栅极-源极电压下驱动时的源极-漏极电阻更大的FET的源极-漏极电阻。使FET不导通还可包括在跨FET的电压降降至低于预定电压的正向偏置循环结束时使FET不导通，并且在一些情况下设定点电压和预定电压相等。
在示例性方法中使FET不导通还可包括在封装半导体器件被正向偏置的时间段期间：感测到正向偏置渐弱；并且在封装半导体器件被正向偏置的时间段结束之前使FET的栅极与源极短接以使FET不导通。
在示例性方法中使FET不导通还可包括：监测跨FET的栅极和源极的电压；并且在跨FET的栅极和源极的电压降至低于预定阈值时使FET不导通。
示例性方法还可包括在正向偏置的时间段期间，预测紧接其后的反向偏置的定时，并且基于所预测的定时来使FET不导通。预测定时还可包括形成定时信号，该定时信号具有预测正向偏置时间段结束的特征，并且使FET不导通还可包括响应于定时信号的特征而使FET不导通，并在一些情况下调节定时信号。
示例性方法还可包括：在正向偏置和反向偏置的多个初始循环内抑制使FET导通和不导通；以及在该抑制期间，调节定时信号以具有在正向偏置和反向偏置的所述多个初始循环中预测从正向偏置到反向偏置的转变的特征。
又一些其他示例性实施方案包括开关电源转换器，该开关电源转换器包括：限定第一引线和第二引线的电感器，该第一引线被配置为耦接到电压源；电控开关，该电控开关在第一侧上耦接到电感器的第二引线，并且被配置为在第二侧上耦接到电压源的回线或公共点；驱动器控制器，该驱动器控制器耦接到电控开关，并且被配置为定期地使电控开关导通；以及整流器电路。整流器电路还可包括：耦接到电感器的阳极端子；被配置为耦接到负载的阴极端子；限定漏极、源极和栅极的场效应晶体管(FET)，该源极耦接到阳极端子，并且该漏极耦接到阴极端子；具有阳极和阴极的二极管，该阳极耦接到阴极端子；自举电容器，该自举电容器耦接在二极管的阴极与阳极端子之间；FET控制器，该FET控制器耦接到FET的栅极、自举电容器以及二极管的阴极。FET控制器可被配置为在整流器电路变为被正向偏置时使FET导通，并且FET控制器被配置为在整流器电路被反向偏置的时间段期间使FET不导通。
附图说明
为了详细描述示例性实施方案，现在将参照附图，在附图中：
图1示出了根据至少一些实施方案的开关电源转换器；
图2以混合的示意图和框图形式示出了根据至少一些实施方案的整流器；
图3示出了根据至少一些实施方案的FET控制器的框图；
图4示出了根据至少一些实施方案的定时电路的电路图；并且
图5示出了根据至少一些实施方案的方法的流程图。
定义
各种术语用于表示特定***部件。不同公司可用不同名称表示一种部件–本文献并非意于在名称不同而功能相同的部件之间作出区分。在下面的讨论中以及在权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放形式使用，并且因此，这些术语应被解释成意指“包括但不限于…”。另外，术语“耦合”或“耦接”意指间接或直接的连接。因此，如果第一器件耦接到第二器件，则该连接可通过直接连接或通过经由其他器件和连接的间接连接进行。
“正向偏置”和“被正向偏置”应意指器件的阳极端子和阴极端子之间的正电压。
“反向偏置”和“被反向偏置”应意指器件的阳极端子和阴极端子之间的负电压。
“控制器”应意指被配置为读取信号并响应于此类信号而采取动作的衬底上的单独电路部件、衬底上构造的专用集成电路(ASIC)、衬底上构造的微控制器(其中控制软件存储在衬底上)或它们的组合。
就衬底上的电气器件而言，术语“输入”和“输出”是指到电气器件的电连接，并且不应被视为需要动作的动词。例如，控制器可具有栅极输出以及一个或多个感测输入。
具体实施方式
以下讨论涉及本发明的各种实施方案。虽然这些实施方案中的一个或多个可能是优选的，但所公开的实施方案不应解释为或以其他方式用来限制包括权利要求书在内的本公开的范围。另外，本领域技术人员应当理解，以下描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的讨论仅意指该实施方案的示例，而并非旨在表示包括权利要求书在内的本公开的范围限于该实施方案。
各种示例性实施方案涉及可用作二极管替换器件的整流器电路的方法和***。具体地讲，示例性实施方案涉及二引脚或二端器件，该器件可具有与二极管相同的形状因数以便置于电路板上，但具有比任何市售二极管(包括肖特基二极管)显著更低的正向电压降。还更具体地讲，示例性实施方案涉及封装集成电路(IC)器件，该器件仅具有两个端子，但内部包括FET和FET控制器，该FET控制器在封装IC器件被正向偏置时使FET导通，并且在封装IC器件被反向偏置时使FET不导通。通过在封装IC被反向偏置的时间阶段期间对自举电容器充电，而使封装IC进行自供电。在一些示例性***中，封装IC实现定时电路，该定时电路为可调节的并产生定时信号，并且基于该定时电路，封装IC可预知地使FET不导通以确保没有反向电流流过该器件。本说明书首先转到示例性开关电源转换器电路以对读者起到指导作用。
图1示出了根据至少一些实施方案的开关电源转换器。具体地讲，开关电源转换器100包括直流(DC)电压源，其被指定为电压源VDC。电压源VDC耦接到电感器102的第一引线，并且电感器的第二引线耦接到开关FET 104示例性形式的电控开关的漏极。开关FET 104的源极耦接到地。开关FET 104的栅极耦接到FET驱动器106。FET驱动器106将开关信号驱动到开关FET 104的栅极，该开关信号可具有100千赫(kHz)或更大的频率。因此，FET驱动器106和开关FET 104循环地将开关节点108耦接到地以形成流过电感器102的电流。
整流器110具有耦接到开关节点108的阳极端子112，并且整流器110具有耦接到负载116的阴极端子114，该负载被示例性地示出为三个发光二极管(LED)，其中第三LED的阴极耦接到地。当开关FET 104导通时，整流器110阻断反向电流(例如，来自整流器110与负载116之间的平滑电容器(未特别示出)或来自该***的寄生电容)。当开关FET导通时，电流在电感器102中建立，并且电场和磁场也在电感器102周围建立。当随后使开关FET 104不导通时，塌缩场驱动电流经过开关节点108流动到整流器110，这使整流器110正向偏置，从而向负载116提供电流。一旦电感器102周围的场部分塌缩(对于连续电流模式)或完全塌缩(对于不连续电流模式)，开关FET 104就再次变为导通并且该循环重复。
因此，当跨整流器110的电压被正向偏置(即，阳极端子112处的电压高于阴极端子114处的电压)时，整流器110传导电流。相反，当跨整流器110的电压被反向偏置(即，阳极端子112处的电压低于阴极端子114处的电压)时，整流器110阻断电流从阴极端子114流动到阳极端子112。正如整流器110内的符号所暗示，整流器110执行二极管功能。然而，二极管的正向导通模式下的电压降可相对较高(例如，600至1000毫伏(mV)或更多)。肖特基二极管更好，其具有200至450mV正向电压降，但即使当使用肖特基二极管时，开关电源转换器100的总效率也可能达不到90％。
图2以混合的示意图和框图形式示出了根据至少一些实施方案的整流器110。具体地讲，根据示例性实施方案的整流器110包括FET 200。FET 200限定源极202、栅极204和漏极206。源极202耦接到阳极端子112。漏极206耦接到阴极端子114。整流器110还包括自举电容器208，该自举电容器具有耦接到阳极端子112的第一引线210以及耦接到电源节点214的第二引线212。示例性整流器110还包括二极管216，该二极管限定阳极引线218和阴极引线220。阳极引线218耦接到阴极端子114，并且阴极引线220耦接到电源节点214。因此，自举电容器208耦接在二极管216的阴极引线220与阳极端子112之间。
示例性整流器110还包括FET控制器222。FET控制器222限定栅极输出224、电源输入226、阳极感测输入228和阴极感测输入230。电源输入226耦接到电源节点214。阳极感测输入228耦接到阳极端子112。阴极感测输入230耦接到阴极端子114。在示例性***中，FET控制器222具有耦接到电源节点214的单个电源输入226；然而，在其他实施方案中，FET控制器222具有用于连接到自举电容器208和二极管216的阴极引线220的单独输入(例如，电源节点将驻留在FET控制器222内)。
根据示例性实施方案，整流器110是封装集成电路(IC)，该封装集成电路具有被设计和构造成传统二极管的直接替换部件的封装大小和尺寸。更具体地讲，图2中围绕各种部件的虚线显示，示例性整流器110是封装IC或封装半导体器件(例如，封入密封剂中的半导体管芯)，在一些情况下仅具有两个端子。封装类型可采用任何合适的形式，诸如具有作为引线或端子的两根电线的“二极管轮廓”(DO)封装中的任何一者(例如，DO-41)、多种“晶体管轮廓”(TO)封装中的任何一者(例如，TO-220)、多种“小轮廓”封装中的任何一者(例如，SO8)以及任何合适的通孔或表面贴装封装***(例如，“decawatt”封装(DPAK))。本说明书现在转到示例性整流器110的操作，从该器件如何获取操作电源开始。
仍然参见图2，同样，示例性整流器110包括自举电容器208和二极管216。在所示的示例性***中，自举电容器208和二极管216是与FET控制器222截然不同的部件；然而，在其他示例性***中，二极管216可完全或部分集成在FET控制器222的半导体管芯上。因此，二极管216的功能可在将阴极端子114耦接到电容器208的正端子的板载稳压器、电流限制器或电控开关上的形式实现。在整流器110被反向偏置(即，阴极端子114上的电压高于阳极端子112上的电压)的时间段期间，电流流过二极管216(或任何类型的传导器件，例如电流源、稳压器或开关)并且对自举电容器208充电。略有不同地讲，当封装半导体器件被反向偏置且FET 200不导通时，示例性整流器110将能量存储在自举电容器208上。相反，在整流器110被正向偏置(即，阴极端子114上的电压低于阳极端子112上的电压)的时间段期间，二极管216(或任何类型的更复杂的开关)阻断电流流出自举电容器208，并且在该时间段期间，FET控制器222从自举电容器208获取操作电源。略有不同地讲，示例性整流器110用存储在自举电容器208上的能量进行操作，该能量是在封装半导体器件被反向偏置且FET 200不导通时存储的。FET控制器222可利用存储在自举电容器208上的能量进行操作的时间量取决于许多因素，诸如跨整流器110施加的信号的频率、自举电容器208的电容、FET控制器222的能量使用率以及FET 200导通时的栅极204泄漏电流，仅举几例。根据一些实施方案，整流器110可为在与开关电源转换器相关联的频率(例如，100kHz或更多)下操作的任何二极管的直接替换品。示例性整流器110并非旨在为在零频率(即，DC)或低频率(例如，60Hz及以下)下操作的二极管的直接替换品。本讨论的其余部分将跨整流器110施加的信号的操作频率以及自举电容器208的电容和FET控制器222的能量消耗假定为使得FET控制器222具有足够的能量，以在整流器110被正向偏置的整个时间段期间操作FET控制器222。
示例性FET控制器222被配置为在整流器110变为被正向偏置时使FET 200导通，并且FET控制器222被配置为在整流器110被反向偏置的时间段期间使FET 200不导通。使FET200导通涉及将来自自举电容器208的能量耦接到FET 200的栅极204，并且在封装半导体器件变为被正向偏置时，示例性FET控制器200将该能量耦接到栅极204。然而，为了确保没有反向电流流过整流器110，示例性FET控制器222在整流器110变为被反向偏置之前使FET200不导通。在整流器110变为被反向偏置之前使FET 200不导通基于至少两个操作考虑因素。第一，使FET 200不导通需要有限的时间量(例如，将电流从栅极204泄放到源极202的时间量)。因此，使FET 200不导通的过程在反向偏置条件之前开始，以确保没有反向电流从阴极端子114流动到阳极端子112。第二，示例性整流器110的优点之一是跨整流器的正向电压降显著低于独立二极管(例如，在一些情况下，正向电压降可为100mV或更小)；然而，在接近正向偏置循环结束时，流过整流器110的电流可显著下降，从而使FET 200不导通，并且依靠FET 200的固有体二极管来输送其余相对较小的正向电流，这并不会显著影响整流器110的效率，因为其余体二极管导通的持续时间较短。
就使FET 200导通而言，在示例性实施方案中，FET控制器222通过阳极感测输入228和阴极感测输入230来监测跨FET 200的电压降。当在正向偏置循环开始时电压和电流在整流器110中斜升的时候，FET控制器222感测正向偏置条件，然后通过栅极输出224来驱动FET 200的栅极204。因此，在正向偏置循环开始时的较小时间段内，由FET 200的固有体二极管输送流过整流器110的电流。同样，然而，依靠FET 200的固有体二极管来输送初始电流直到FET控制器222可使FET 200导通，从整个正向偏置循环考虑，这并不会显著影响整流器110的效率。在正向偏置循环期间，FET控制器222继续监测跨FET 200的电压降(并且如下文更详细讨论，将跨FET 200的电压降控制到设定点电压)。当跨FET 200的电压降至低于预定值(例如，非零且为正)时，FET控制器222使FET 200不导通。之后，FET控制器222在反向偏置循环期间监测跨整流器110的电压降，并且一旦整流器110在下一个正向偏置循环开始时再次变为被正向偏置，该过程重复。本说明书现在转到对FET控制器222的更详细的讨论以及对若干任选操作特征的讨论。
图3示出了根据至少一些实施方案的FET控制器222的框图。具体地讲，图3示出了FET控制器222，该FET控制器具有栅极输出224、电源输入226、阳极感测输入228和阴极感测输入230。FET控制器222的各种电路和部件通过电源输入226来供电，但未示出电源的内部连接以便不使附图过于复杂。
在内部，示例性FET控制器222包括栅极驱动器电路300。栅极驱动器电路300限定设定点输入302和反馈输入304。设定点输入302在正向偏置循环期间接收指示跨FET 200(图2)的所需或设定点电压降的电压或电流。在示例性***中，向设定点输入302施加的设定点电压由示例性电压源306形成(例如，在一些情况下为100mV)。即，电压源306的电压被加到阴极感测输入230上的电压。因此，在整流器110(图2)被正向偏置的时间段的至少一部分期间，栅极驱动器电路300主动地将跨FET 200的电压降控制到设定点电压。换句话讲，栅极驱动器电路300实现控制回路，该控制回路使设定点输入302和反馈输入304处的电压相等。在一些情况下，栅极驱动器电路300实现仅比例控制(例如，具有预定和固定增益的放大器)。在其他情况下，特别是对于在操作范围下端上的整流器110的操作频率(例如，约100kHz)而言，栅极驱动器电路300还可包括比例积分(PI)或甚至比例积分微分(PID)控制。在示例性***中，栅极驱动器电路300控制到的设定点电压(即，跨FET 200的电压降)大于在最大额定栅极-源极电压下驱动FET 200时可实现的电压降。略有不同地讲，栅极驱动器电路300被配置为驱动栅极输出224(及因此FET 200的栅极204(图2))以形成比在最高或最大额定栅极-源极电压下驱动FET 200时的源极-漏极电阻更大的源极-漏极电阻。
因此在正向偏置循环期间控制跨FET 200(图2)的电压降的示例性操作方法使栅极驱动器电路300也能够在一些实施方案中独自负责在正向偏置循环接近其结束时使FET200不导通。即，在示例性实施方案中，栅极驱动器电路300在跨FET的电压降降至低于预定电压的正向偏置循环结束时使FET 200不导通。在图3的示例性情况下，预定电压是电压源306所形成的设定点电压。还更具体地讲，当正向偏置循环渐弱并且流过整流器110(图2)的电流渐小时，电压也开始下降。当跨FET 200的电压降降至低于设定点电压(例如，为正且非零)时，栅极驱动器电路300在整流器110被正向偏置的时间段结束之前切断FET 200。
在一些示例性***中，栅极驱动器电路300可单独负责使FET 200(图2)不导通。然而，在其他示例性***中，其他电路和器件可参与以确保在整流器110(图2)被反向偏置的时间段期间FET 200不导通。为此，示例性FET控制器222还包括比较器308，该比较器限定反相输入310、非反相输入312和比较器输出314。反相输入310耦接到阴极感测输入230。非反相输入312耦接到阳极感测输入228。因此，比较器308被配置为在阳极感测输入228具有比阴极感测输入230更高的电压(即，整流器110被正向偏置)时形成被断言的信号。比较器输出314(通过下文更详细讨论的逻辑与门316)耦接到压控开关318。示例性压控开关318限定第一连接320、第二连接322和控制输入324。第一连接320耦接到阳极感测输入228。第二连接322耦接到栅极输出224(及因此FET 200的栅极204)。控制输入324耦接到比较器输出314(通过逻辑与门316，但在其他示例性***中，比较器输出314可直接耦接到控制输入324)。根据至少一些实施方案，压控开关318是常闭开关，使得在自举电容器208(图2)中没有存储足够能量来对FET控制器222供电的情况下，FET 200的栅极204(图2)被短接到源极202(图2)，从而整流器110仅基于FET 200的固有体二极管来操作。压控开关可采用实现各种功能的任何合适的形式(例如，FET)。
在整流器110(图2)被正向偏置的时间段期间，比较器308在比较器输出314上形成被断言的信号，这使压控开关318断开，从而栅极驱动器电路300主动地将跨FET 200(图2)的电压降控制到设定点电压。然而，如果到正向偏置循环结束时栅极驱动器电路300尚未使FET 200完全不导通，比较器308解除断言比较器输出314上的信号，这会闭合压控开关318，从而将FET 200的源极短接到FET 200的栅极以确保FET 200不导通。
在又一些另外的实施方案中，FET控制器222被设计和构造为使得在正向偏置的时间段期间，FET控制器222预测紧接其后的反向偏置循环的定时(例如，预测反向偏置循环将在何时开始，并且基于该预测(且在反向偏置条件之前)来使FET 200(图2)不导通)。具体地讲，示例性FET控制器222还可包括定时电路326和延迟比较电路328。延迟比较电路328限定第一输入330、第二输入332和比较输出334。第一输入330耦接到比较器输出314。第二输入332耦接到定时电路326的定时信号输出336。比较输出334耦接到定时电路326。延迟比较电路328分析定时信号输出336上的定时信号的解除断言(指示定时电路326的预测)与比较器输出314上的信号的解除断言(指示整流器110的反向偏置)之间的定时差。延迟比较电路328驱动比较输出334上的调节信号。下文将在进一步解释定时电路326之后更详细讨论总体定时和调节信号。
定时电路326限定定时信号输出336、调节输入338和定时起动输入340。调节输入338耦接到比较输出334，并且定时起动输入340耦接到比较器输出314。示例性FET控制器222还包括上文提及的逻辑与门316。逻辑与门316限定第一栅极输入342、第二栅极输入344和栅极输出346。在示例性***中，栅极输入342耦接到定时信号输出336(及因此定时信号)。栅极输入344耦接到比较器输出314。栅极输出346耦接到压控开关318的控制输入324。
定时电路326形成并驱动定时信号输出336上的定时信号。更具体地讲，在整流器110(图2)被正向偏置的时间段期间，定时电路326通过改变定时信号的特征来预测整流器110的紧接其后的反向偏置的定时。在示例性***中，刚好在整流器110变为被正向偏置之后定时信号输出336上的定时信号被断言(例如，在比较器输出314被断言时定时信号输出336被断言)。定时电路326使定时信号输出336上的定时信号保持被断言一定时间段，该时间段为预计时间长度或整流器110的正向偏置循环的持续时间减去预定时间长度(例如，非零保护带)。
然后在操作中，当整流器110(图2)变为被正向偏置时，比较器输出314变为被断言并且定时信号输出336上的定时信号变为被断言。在逻辑与门316的栅极输入342和栅极输入344均被断言的情况下，栅极输出346变为被断言并且压控开关318断开。在压控开关318断开的情况下，栅极驱动器电路300主动地将跨FET 200(图2)的电压降控制到设定点电压。在接近正向偏置循环结束时，定时信号输出336上的定时信号变为未被断言，从而引起栅极输出346变为未被断言并因此闭合压控开关318。在之后的某个时间点，整流器110被反向偏置，因此比较器输出314也变为未被断言。延迟比较电路328分析定时信号输出336的解除断言与比较器输出314的解除断言之间的定时。如果这些解除断言之间的时间长度长于预定阈值(例如，长于所需的保护带)，则延迟比较电路328通过驱动比较输出334的变化信号来调节后续正向偏置条件的定时信号。变化信号可采用任何合适的形式，诸如表示下一个定时信号应被断言时的时间长度的模拟信号、表示缩短或延长下一个定时信号的时间长度的命令的布尔信号等。
在预测紧接其后的或即将到来的反向偏置条件的定时的示例性实施方案中，准确预测可能需要从冷起动开始的若干正向和反向偏置循环。因此，根据至少一些实施方案，FET控制器222(例如，定时电路326)可被设计和构造为使得FET控制器222最初在正向偏置和反向偏置的多个初始循环(例如，10个正向偏置循环、100个正向偏置循环)内抑制使FET导通和不导通。在该抑制期间，FET控制器222(同样，例如，定时电路326)可调节定时信号以具有预测从正向偏置到反向偏置的转变的特征(例如，被断言为高与未被断言状态之间的下降沿)，如上所讨论。在图3的示例性情况下，定时电路326最初将抑制断言定时信号，转而监测定时起动输入340的状态(特别是断言与解除断言之间的定时)并且基于该监测来设定初始定时。之后，FET控制器222通常将通过延迟比较电路328向定时电路326提供调节信号来操作。
从与预测紧接其后的反向偏置循环的定时有关的描述可知，在开关FET 104(图1)的开关频率保持相对恒定的情形(诸如LED照明电路(例如，汽车前照灯驱动电路))中，示例性整流器110(图2)将与二极管替换部件同样好地发挥作用。然而，在频率相对于开关FET104的开关频率(更确切地讲，断开时间)不频繁地改变的情形中，以及在开关FET 104的开关频率有规律地改变的情形(例如，旅行电源转换器)中，示例性整流器110也将发挥作用。在开关FET 104的开关频率有规律地改变的情况下，可省略或禁用预测性方面，并且使FET200(图2)不导通将通过栅极驱动器电路300、比较器308和压控开关318的组合(省略逻辑与门316)来控制。
图4示出了根据至少一些实施方案的定时电路326的电路图。具体地讲，图4的定时电路326实现上文所讨论的一些功能，但不实现所有功能(例如，在多个初始循环内抑制使FET 200(图2)导通)。然而，本领域普通技术人员在受益于本公开后可设计具有所指出的任何功能的FET控制器222(图2)。示例性定时电路326包括比较器400，该比较器包括反相输入402、非反相输入404和比较器输出406，在该比较器输出上示例性定时信号被驱动到定时信号输出336。耦接到非反相输入404的电路形成可调节的参考电压，并且耦接到反相输入402的电路是在每个正向偏置循环开始时被重置的斜坡信号。
形成可调节的参考电压的电路可采用任何合适的形式，但在图4的示例中，由第一可控电流源408、第二可控电流源410和电容器412形成可调节的参考电压。具体地讲，电容器412具有耦接到非反相输入404的第一引线，以及耦接到地的第二引线。第一可控电流源408在一侧上耦接到电源轨，并且在第二侧上耦接到非反相输入404。第二可控电流源410在一侧上耦接到非反相输入404。由调节输入338控制可控电流源408和410所产生的电流。可最初调节可控电流源408和410所产生的电流以形成流入电容器412中的净电流。当形成合适的电压并将该电压存储在电容器412上(例如，使定时信号输出336上的定时信号保持被断言一定时间段的电压，该时间段为预计时间长度或整流器110的正向偏置循环的持续时间减去预定时间长度)时，可通过使可控电流源408和410产生相同或几乎相同的电流来保持该电压。例如，第二可控电流源410驱动第一电流，并且第一可控电流源408驱动第二电流，使之比第一电流高出电容器412的泄漏电流的量，使得电容器412上的电压保持恒定。在示例性***中，当定时信号需要更长时，调节这两个可控电流源408和410以升高电压。并且当定时信号需要更短时，调节这两个可控电流源408和410以降低电容器412上的电压。
仍然参见图4，耦接到反相输入402的电路是在每个正向偏置循环开始时被重置的斜坡信号。具体地讲，由电流源414形成斜坡信号，该电流源未被描绘为可调节的，但在替代实施方案中可以是可调节的。电流源414在一侧上耦接到电源轨，并且在第二侧上通过电控开关418耦接到比较器400的反相输入402。该电路还包括电容器416，该电容器具有耦接到地的一个引线，以及耦接到反相输入402(及因此电流源414)的第二引线。与电容器416并联耦接的是电控开关420。示例性电控开关418是常开开关，而示例性电控开关420是常闭开关。开关418和420一起由定时起动输入340上的信号操作，该信号由比较器308(图3)在每个正向偏置循环开始时断言。
因此，考虑示例性定时电路326一直操作至少一些循环，使得电容器412上的参考电压为非零并相对接近于最终电压(对于开关FET 104(图1)的固定频率而言)。在整流器110(图2)上的反向偏置的时间段期间，定时起动输入340被解除断言并且因此电控开关420被闭合并导通。于是，非反相输入404处于更高的电压并且定时信号输出336被断言(但基于逻辑与门316(图3)的操作，FET 200(图2)仍然不导通)。一旦整流器110变为被正向偏置，定时起动输入340就被断言。电控开关420断开，电控开关418闭合，并且电压开始在电容器416上建立。在之后的某个时间点，电容器416上的电压超过电容器412上保持的参考电压，并且比较器400改变状态，从而解除断言定时信号输出336。一旦定时信号输出336被解除断言，就使FET 200不导通(通过逻辑与门316和压控开关318的操作)。虽然电压继续在电容器416上建立，但状态的任何进一步变化都不可能。在之后的某个时间点(例如，由保护带表示的时间段)，整流器110变为被反向偏置，定时起动输入340被解除断言，电控开关418断开，并且电控开关420闭合(使电容器416放电)。该过程在下一个正向偏置循环重新开始。
如果延迟比较电路328检测定时问题(例如，定时信号相对于反向偏置条件被过早解除断言，或定时信号相对于反向偏置条件被过迟解除断言)，则延迟比较电路328可根据需要调节电容器412上保持的参考电压。
暂时返回到图2。在一些示例性***中，FET控制器222和FET 200可被构造并驻留在相同半导体衬底上。因此，包括组合的FET控制器222和FET 200的衬底与一个或多个单独的自举电容器208和单独的二极管216组合成封装半导体器件(由图2中的虚线近似表示)。在其他情况下(例如，FET 200的更高电流额定值)，FET控制器222和FET 200可为独立的部件，它们(连同自举电容器208和二极管216一起)组合成多芯片模块以形成封装半导体器件。在又一些其他情况下，自举电容器208、二极管216或两者可与FET控制器222一起构造在衬底上。虽然在一些情况下整流器110的封装意在为二极管的直接替换部件，但在其他情况下该封装可采用任何合适的形式(例如，SO8)。
还可基于栅极-源极电压使FET 200不导通。该特征的意图是检测流过FET 200的过零电流。在图1的开关电源转换器100的整流阶段期间，电流在下降。因此在预定FET导通时间期间存在达到零电流的风险，即控制器的导通时间异步和随机的情形。检测该电流过零的一种可能实施方式是监测栅极-源极电压(由栅极驱动器电路300调节)。当Vgs降至低于预定阈值时，这意味着电流过低并且可切断栅极。值得注意的是，当电流较低时，通过固有FET体二极管的传导不会影响效率。此外，VGS检测是任选的，因为当电流将不利地流动或消失时，VDS将自然地下降，从而引起VDS检测。
图5示出了根据至少一些实施方案的方法的流程图。具体地讲，该方法开始(方框500)并且包括：在封装半导体器件被反向偏置且封装半导体器件的FET不导通时将能量存储在自举电容器上(方框502)；在封装半导体器件变为被正向偏置时将来自自举电容器的能量耦接到FET的栅极以使FET导通(方框504)；然后在封装半导体器件变为被反向偏置之前使FET不导通(方框506)。之后，该方法结束(方框508)，可能会在开关FET 104(图1)的下一个开关循环时重新开始。
附图中的许多电连接被示为没有中间器件的直接耦合，但在上面的描述中并未如此明确说明。然而，对于在附图中示出的没有中间器件的电连接(例如，电容器416的上引线和反相输入402)，该段落应充当权利要求的先行基础，以用于引用任何电连接作为“直接耦接”。
上述讨论意在说明本发明的原理和各种实施方案。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多变型形式和修改形式就将变得显而易见。自举电容器208可被实现为简单电容器、一组串联电容器(出于安全原因)或实现为任何主要电容储能器，包括优化该***中的总能量流或调节向控制器提供的实际电压的开关电容器技术。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式和修改形式。

Claims (11)

1.一种封装集成电路，包括：
第一端子，所述第一端子电暴露在所述封装集成电路的外表面上；
第二端子，所述第二端子电暴露在所述封装集成电路的所述外表面上，所述第二端子不同于所述第一端子；
场效应晶体管，所述场效应晶体管限定漏极、源极和栅极，所述源极耦接到所述第一端子，并且所述漏极耦接到所述第二端子；
二极管，所述二极管具有阳极和阴极，所述阳极耦接到所述第二端子；
自举电容器，所述自举电容器耦接在所述二极管的所述阴极与所述第一端子之间；FET控制器，所述FET控制器耦接到所述场效应晶体管的所述栅极、所述自举电容器以及所述二极管的所述阴极；以及
所述FET控制器被配置为在所述封装集成电路通过所述第一端子上的电压大于所述第二端子上的电压变为被正向偏置时使所述场效应晶体管导通，并且所述FET控制器被配置为在所述封装集成电路通过所述第二端子上的所述电压大于所述第一端子上的所述电压而被反向偏置的时间段期间使所述场效应晶体管不导通。
2.根据权利要求1所述的封装集成电路，其中所述FET控制器被进一步配置为将电流从所述自举电容器驱动到所述栅极以使所述场效应晶体管导通，并且在所述封装集成电路被反向偏置之前将所述栅极直接耦接到所述源极。
3.根据权利要求1所述的封装集成电路，其中所述FET控制器被进一步配置为在正向偏置的时间段期间，预测紧接其后的反向偏置的定时，并且被配置为基于所述预测的定时来断开所述场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的封装集成电路，其中所述FET控制器还包括栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路被配置为将跨所述场效应晶体管的电压降控制到设定点电压。
5.根据权利要求1所述的封装集成电路，其中所述FET控制器被进一步配置为监测跨所述场效应晶体管的所述栅极和所述源极的电压，并且被进一步配置为在跨所述栅极和所述源极的所述电压降至低于预定阈值时使所述场效应晶体管不导通。
6.一种整流器电路的方法，包括：
通过施加封装半导体器件的阴极端子上的电压大于所述封装半导体器件的阳极端子上的电压，反向偏置所述封装半导体器件，所述阳极端子和所述阴极端子在所述封装半导体器件的外表面上电可及，并且所述阳极端子和所述阴极端子是在所述封装半导体器件的所述外表面上电可及的唯一的端子；
在所述封装半导体器件被反向偏置且所述封装半导体器件的场效应晶体管不导通时，将能量存储在所述封装半导体器件内的自举电容器上；
通过施加所述阳极端子上的电压大于所述阴极端子上的电压，正向偏置所述封装半导体器件；
在所述封装半导体器件变为被正向偏置时，将来自所述自举电容器的能量耦接到所述场效应晶体管的栅极以使所述场效应晶体管导通；以及然后
在所述封装半导体器件变为被反向偏置之前，使所述场效应晶体管不导通。
7.根据权利要求6所述的方法，其中耦接来自所述自举电容器的能量还包括将跨所述场效应晶体管的电压降控制到设定点电压。
8.根据权利要求6所述的方法，其中使所述场效应晶体管不导通还包括在所述封装半导体器件被正向偏置的时间段期间通过以下操作在所述封装半导体器件变成反向偏置时使所述场效应晶体管不导通：
感测到所述正向偏置渐弱；以及
在所述封装半导体器件被正向偏置的所述时间段结束之前，使所述场效应晶体管的所述栅极与所述场效应晶体管的源极短接以使所述场效应晶体管不导通。
9.根据权利要求6所述的方法，其中使所述场效应晶体管不导通还包括：
监测跨所述场效应晶体管的所述栅极和源极的电压；以及
在跨所述场效应晶体管的所述栅极和所述源极的所述电压降至低于预定阈值时使所述场效应晶体管不导通。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括在正向偏置的时间段期间，预测紧接其后的反向偏置的定时，并且基于所述预测的定时来使所述场效应晶体管不导通。
11.一种开关电源转换器，包括：
电感器，所述电感器限定第一引线和第二引线，所述第一引线被配置为耦接到电压源；
电控开关，所述电控开关在第一侧上耦接到所述电感器的所述第二引线，并且被配置为在第二侧上耦接到所述电压源的回线或公共点；
驱动器控制器，所述驱动器控制器耦接到所述电控开关，并且被配置为定期地使所述电控开关导通；以及
仅具有两个端子的封装集成电路，所述封装集成电路包括：
第一端子，所述第一端子耦接到所述电感器；
第二端子，所述第二端子被配置为耦接到负载；
场效应晶体管，所述场效应晶体管限定漏极、源极和栅极，所述源极耦接到所述第一端子，并且所述漏极耦接到所述第二端子；
二极管，所述二极管具有阳极和阴极，所述阳极耦接到所述第二端子；
自举电容器，所述自举电容器耦接在所述二极管的所述阴极与所述第一端子之间；
FET控制器，所述FET控制器耦接到所述场效应晶体管的所述栅极、所述自举电容器以及所述二极管的所述阴极；
所述FET控制器被配置为在所述封装集成电路变为被正向偏置时，使所述场效应晶体管导通，并且所述FET控制器被配置为在所述封装集成电路被反向偏置的时间段期间使所述场效应晶体管不导通。
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