TW201340078A - 提高驅動器效率的電壓轉換電路及方法 - Google Patents

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Abstract

一種提高驅動器效率的電壓轉換電路及方法，使用串聯的多個低壓電晶體取代高壓電晶體，或並聯多個子電晶體組成高壓電晶體，並動態調整該高壓電晶體的有效尺寸，以降低切換損失，進而提高驅動器的效率。

Description

提高驅動器效率的電壓轉換電路及方法
本發明係有關一種驅動器，特別是關於一種應用在高壓操作的驅動器。
切換式調節器已經廣泛地應用在各種電源供應器及驅動器，其操作原理係藉切換功率開關將輸入電壓轉換為受調節的輸出電壓。例如圖1所示係一種能提供正電壓VOUTP及負電壓VOUTN以驅動主動陣列有機發光二極體(AMOLED)面板的驅動器，其中電晶體LV_P1連接在正電壓輸出端VOUTP與切換節點LXP之間，電晶體LV_N1連接在切換節點LXP與電壓輸入端PGND之間，控制器10切換電晶體LV_P1及LV_N1使電感L1充放電而產生正輸出電壓VOUTP，電晶體HV_P2連接在電壓輸入端VINP及切換節點LXN之間，電晶體HV_N2連接在切換節點LXN及負電壓輸出端VOUTN之間，控制器12切換電晶體HV_P2及HV_N2使電感L2充放電而產生負輸出電壓VOUTN。在此驅動器中，產生負輸出電壓VOUTN的電壓轉換電路14係將正輸入電壓VINP(例如3.3V)轉換為負輸出電壓VOUTN(例如-5.5V)，因此電晶體HV_P2及HV_N2在操作期間會承受高跨壓，必須使用高壓電晶體。然而高壓電晶體在閘源極之間及閘汲極之間具有較大的寄生電容，會導致較大的切換損失，進而降低驅動器的效率，尤其是在輕載時效率非常明顯地惡化。圖2係圖1的驅動器將3.7V的正輸入電壓VINP轉換為-5.5V的負輸出電壓VOUTN的效率曲線，其中Y軸為效率百分比，X軸為代表負載變化的負載電流。由圖2可以清楚看出，圖1的驅動器最高負電壓效率大約只有80%。
因此，一種提高這類驅動器效率的電路及方法乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種提高驅動器效率的電壓轉換電路及方法。
根據本發明，一種提高驅動器效率的電壓轉換電路及方法使用串聯的多個低壓電晶體取代高壓電晶體以減少閘源極之間及閘汲極之間的寄生電容，因而降低切換損失以提高驅動器效率。
根據本發明，一種提高驅動器效率的電壓轉換電路及方法藉由並聯多個子電晶體組成高壓電晶體，並動態調整該高壓電晶體的有效尺寸，以降低切換損失，進而提高驅動器的效率。
圖3係根據本發明的第一實施例，用來取代圖1中的電壓轉換電路14，其中包含兩個串聯的低壓電晶體LV_N2及LV_N3取代圖1中的高壓電晶體HV_N2。在圖3的電壓轉換電路14中，低壓電晶體LV_N3的汲極與源極分別連接切換節點LXN與低壓電晶體LV_N2的汲極，閘極連接偏壓源VR或接地端GND使低壓電晶體LV_N3維持導通(on)，低壓電晶體LV_N2的源極連接負電壓輸出端VOUTN，二極體DN2及DN3分別為低壓電晶體LV_N2及LV_N3的基底二極體(body diode)，控制器12提供信號UG及LG分別切換高壓電晶體HV_P2及低壓電晶體LV_N2使電感L2充放電而產生負輸出電壓VOUTN。較佳者，更包括保護電路20連接在偏壓源VR及低壓電晶體LV_N3的源極之間，用以保護低壓電晶體LV_N3。當低壓電晶體LV_N2關閉(off)時，低壓電晶體LV_N3的源極浮接，此時低壓電晶體LV_N3的源極電壓可能為負電壓VOUTN=-5.5V，會導致低壓電晶體LV_N3的跨壓過高，為了避免這種狀況，在低壓電晶體LV_N2關閉時，保護電路20提供預設電壓給低壓電晶體LV_N3的源極，以防止低壓電晶體LV_N3的跨壓大於其能夠承受的臨界值。在圖3的實施例中，保護電路20包括開關SW連接在偏壓源VR及低壓電晶體LV_N3的源極之間，受控於信號NLG，信號NLG為信號LG的反相信號。
在圖3的實施例中，低壓電晶體LV_N3可視為電阻，其功用在於減少低壓電晶體LV_N2的跨壓。更具體而言，低壓電晶體LV_N2及LV_N3將切換節點LXN及負電壓輸出端VOUTN之間的跨壓分壓，因此低壓電晶體LV_N2及LV_N3各自的跨壓皆在低壓電晶體可承受的範圍內。由此亦可推知，在其他實施例中，串聯在切換節點LXN及負電壓輸出端VOUTN之間的低壓電晶體也可以超過兩個，以進一步減少各個低壓電晶體的跨壓。
在積體電路中，高壓電晶體的通道長度通常為低壓電晶體的兩倍以上，換言之，高壓電晶體需要的面積也是低壓電晶體的兩倍以上，因此使用兩個低壓電晶體LV_N2及LV_N3取代高壓電晶體HV_N2不會增加電路的面積。再者，電晶體的閘源極之間的寄生電容Cgs及閘汲極之間的寄生電容Cgd皆大致與電晶體的通道長度具有正比關係，因此高壓電晶體HV_N2的寄生電容Cgs及Cgd也是低壓電晶體LV_N2或LV_N3的兩倍以上。在圖3的實施例中，低壓電晶體LV_N3維持導通狀態，因此低壓電晶體LV_N3的寄生電容Cgs及Cgd不產生切換損失，低壓電晶體LV_N2的寄生電容Cgs及Cgd不到高壓電晶體HV_N2的一半，其所造成的切換損失也不到高壓電晶體HV_N2的一半，因此使用兩個低壓電晶體LV_N2及LV_N3取代高壓電晶體HV_N2可以得到更好的效率。
在其他實施例中，圖3中的低壓電晶體LV_N3也可以改為受控於信號LG，如此一來，低壓電晶體LV_N2及LV_N3將同時被信號LG導通或關閉，由於高壓電晶體HV_N2的寄生電容Cgs及Cgd為低壓電晶體的兩倍以上，因此低壓電晶體LV_N2及LV_N3所造成的切換損失之和仍然低於高壓電晶體HV_N2所造成的切換損失。
圖4係根據本發明的第二實施例，與圖1的電壓轉換電路14同樣使用串聯的高壓電晶體HV_P2及HV_N2，但是高壓電晶體HV_P2及HV_N2各自包含多個並聯的子電晶體30及32，而且還增加偵測器34連接在負電壓輸出端VOUTN與控制器12之間，偵測驅動器的負載而產生偵測信號SD給控制器12。在圖4的實施例中，高壓電晶體HV_P2及HV_N2的面積與圖1中的高壓電晶體HV_P2及HV_N2的面積大致上是相同的，但是控制器12係根據偵測信號SD動態調整子電晶體30及32參與運作的數量，亦即等同於動態調整高壓電晶體HV_P2及HV_N2的有效尺寸。當負載越重時，子電晶體30及32參與運作的數量越多，即高壓電晶體HV_P2及HV_N2的有效尺寸越大。當負載越輕時，子電晶體30及32參與運作的數量越少，即高壓電晶體HV_P2及HV_N2的有效尺寸越小，因此寄生電容Cgs或Cgd也越小，切換損失也越小，利用這種動態電晶體尺寸控制(dynamic transistor size control)可以提升整體效率。
在圖4的實施例中，多個子電晶體30及32被分成四個群組DTC1、DTC2、DTC3及DTC4，而且控制器12與圖1中的控制器12略有不同，為了動態調整高壓電晶體HV_P2及HV_N2的有效尺寸，其根據偵測信號SD產生更多對的信號(UG1,LG1)、(UG2,LG2)、(UG3,LG3)及(UG4,LG4)分別控制群組DTC1、DTC2、DTC3及DTC4。在偵測器34中，回授電路36藉偵測負輸出電壓VOUTN產生與負載相關的回授電壓Vfb，誤差放大器38放大回授電壓Vfb與參考電壓Vref之間的差值產生誤差信號Vcomp，比較器40將誤差信號Vcomp與預設的臨界值Vset1、Vset2、Vset3及Vset4比較產生偵測信號SD，其中Vset4>Vset3>Vset2>Vset1。預設臨界值的數量由設計者決定，在其他實施例中也可以只有一個預設臨界值。
參照圖4，當誤差信號Vcomp低於Vset1時，控制器12不觸發任何切換信號(UG1,LG1)、(UG2,LG2)、(UG3,LG3)及(UG4,LG4)，因此所有群組DTC1、DTC2、DTC3及DTC4皆不動作；當誤差信號Vcomp高於Vset1且小於Vset2時，控制器12提供信號UG1及LG1驅動群組DTC1；當誤差信號Vcomp高於Vset2且小於Vset3時，控制器12提供信號UG1、UG2、LG1及LG2驅動群組DTC1及DTC2；當誤差信號Vcomp高於Vset3且小於Vset4時，控制器12提供信號UG1~UG3及LG1~LG3驅動群組DTC1~DTC3；當誤差信號Vcomp高於Vset4時，控制器12提供信號UG1~UG4及LG1~LG4驅動群組DTC1~DTC4。隨著負載增加，誤差信號Vcomp上升，因此接受驅動而切換的子電晶體30及32的數量增加以提供足夠的輸出電流給負載。相反的，當負載減少時，誤差信號Vcomp下降，因此減少驅動的子電晶體30及32的數量即可提供電流給負載。
圖5係根據本發明的第三實施例，其係將圖4所示的動態電晶體尺寸控制應用在圖3的電壓轉換電路14中。在圖5的實施例中，除了高壓電晶體HV_P2包含多個並聯的子電晶體30，低壓電晶體LV_N2及LV_N3也各自包含多個並聯的子電晶體42及44。與圖4的實施例相同的，子電晶體30、42及44被分成四個群組DTC1、DTC2、DTC3及DTC4，偵測器34偵測驅動器的負載產生偵測信號SD給控制器12。子電晶體42的閘極皆連接偏壓源VR，控制器12根據偵測信號SD產生多對的信號(UG1,LG1)、(UG2,LG2)、(UG3,LG3)及(UG4,LG4)分別控制群組DTC1、DTC2、DTC3及DTC4中的子電晶體42及44，以動態調整高壓電晶體HV_P2及低壓電晶體LV_N2及LV_N3的尺寸。圖5的實施例也可以增加如圖3所示的保護電路20來避免低壓電晶體LV_N3燒毀。圖5中的動態電晶體尺寸控制操作和圖4是相同的。
將圖5的電壓轉換電路14應用在如圖1所示的驅動器時，其效率曲線具有如圖6的模擬結果，其中曲線50係僅驅動群組DTC1的效率曲線，曲線52係驅動群組DTC1及DTC2的效率曲線，曲線54係驅動群組DTC1~DTC3的效率曲線，曲線56係驅動群組DTC1~DTC4的效率曲線。由圖6可知，使用圖5的電壓轉換電路14可以將驅動器的最高效率提高到90%，而且在負載越輕時，由於高壓電晶體HV_P2以及低壓電晶體LV_N2及LV_N3的尺寸越小，效率的改善越顯著。曲線56表示所有群組DTC1~DTC4皆被驅動的情況，因此曲線56也可以代表使用圖3的電壓轉換電路14獲得的效率曲線，換言之，使用圖3的電壓轉換電路14也可以將驅動器的最高效率提高到90%。
將圖4及圖5的電壓轉換電路14應用在如圖1所示的驅動器時，其模擬的效率曲線如圖7所示的曲線60及62。在圖7的模擬參數中，增加了電感L2的等效電阻，因此圖7所示的效率略低於圖6所示的效率。由圖7可知，使用圖4的電壓轉換電路14可以將驅動器的最高效率提高到85%，使用圖5的電壓轉換電路14可以將驅動器的最高效率提高到接近90%。從圖6及圖7可知，圖3、圖4及圖5的實施例皆可明顯改善如圖1所示的這類驅動器的效率。
10．．．控制器
12．．．控制器
14．．．電壓轉換電路
20．．．保護電路
30．．．高壓電晶體的子電晶體
32．．．高壓電晶體的子電晶體
34．．．偵測器
36．．．回授電路
38．．．誤差放大器
40．．．比較器
42．．．低壓電晶體的子電晶體
44．．．低壓電晶體的子電晶體
50．．．效率曲線
52．．．效率曲線
54．．．效率曲線
56．．．效率曲線
60．．．效率曲線
62．．．效率曲線
圖1係習知驅動器的電路圖；
圖2係圖1的驅動器的負電壓效率曲線；
圖3係根據本發明的第一實施例；
圖4係根據本發明的第二實施例；
圖5係根據本發明的第三實施例；
圖6係將圖3及圖5的實施例應用在圖1的驅動器得到的模擬效率曲線；以及
圖7係將圖4及圖5的實施例應用在圖1的驅動器得到的模擬效率曲線。
12．．．控制器
14．．．電壓轉換電路
20．．．保護電路

Claims (33)

  1. 一種提高驅動器效率的電壓轉換電路，該驅動器具有電壓輸入端及電壓輸出端分別接收輸入電壓及提供輸出電壓，該電壓轉換電路包括：高壓電晶體，連接在該電壓輸入端及切換節點之間；第一低壓電晶體及第二低壓電晶體，串聯在該切換節點及該電壓輸出端之間；電感，連接在該切換節點及接地端之間；以及控制器，連接該高壓電晶體及該第二低壓電晶體，提供第一信號及第二信號分別切換該高壓電晶體及該第二低壓電晶體以使該電感充放電而產生該輸出電壓；其中，該第一低壓電晶體在該第二低壓電晶體導通時亦導通。
  2. 如請求項1之電壓轉換電路，其中該第一低壓電晶體具有控制端連接偏壓源。
  3. 如請求項1之電壓轉換電路，其中該第一低壓電晶體在該第二低壓電晶體關閉時亦關閉。
  4. 如請求項3之電壓轉換電路，其中該第一低壓電晶體受控於該第二信號。
  5. 如請求項1之電壓轉換電路，更包括保護電路連接該第一低壓電晶體與該第二低壓電晶體連接的電極，在該第二低壓電晶體關閉時提供電壓給該電極。
  6. 如請求項5之電壓轉換電路，其中該保護電路包括開關連接在偏壓源與該電極之間，受控於該第二信號的反相信號。
  7. 一種提高驅動器效率的方法，該驅動器具有電壓輸入端接收輸入電壓，高壓電晶體連接在該電壓輸入端及切換節點之間，以及電壓輸出端提供輸出電壓，該切換節點連接電感，該方法包括下列步驟：A)串聯第一低壓電晶體及第二低壓電晶體在該切換節點及該電壓輸出端之間；B)提供第一信號及第二信號分別切換該高壓電晶體及該第二低壓電晶體以使該電感充放電而產生該輸出電壓；以及C)在該第二低壓電晶體導通時亦導通該第一低壓電晶體。
  8. 如請求項7之方法，其中該步驟C包括施加偏壓到該第一低壓電晶體的控制端。
  9. 如請求項7之方法，其中該步驟C包括施加該第二信號到該第一低壓電晶體的控制端。
  10. 如請求項7之方法，更包括在該第二低壓電晶體關閉時提供電壓給該第一低壓電晶體與該第二低壓電晶體連接的電極。
  11. 一種提高驅動器效率的電壓轉換電路，該驅動器具有電壓輸入端及電壓輸出端分別接收輸入電壓及提供輸出電壓，該電壓轉換電路包括：第一高壓電晶體，具有多個第一子電晶體並聯在該電壓輸入端及切換節點之間；第二高壓電晶體，具有多個第二子電晶體並聯在該切換節點及該電壓輸出端之間；電感，連接在該切換節點及接地端之間；偵測器，連接該電壓輸出端，偵測該驅動器的負載以產生偵測信號；以及控制器，連接該第一高壓電晶體、該第二高壓電晶體及該偵測器，根據該偵測信號提供第一組信號及第二組信號分別切換該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體以使該電感充放電而產生該輸出電壓，其中，在該負載較輕時，該控制器切換較少數量的該第一子電晶體及該第二子電晶體。
  12. 如請求項11之電壓轉換電路，其中該第一子電晶體及該第二子電晶體被區分為多個群組，該控制器根據該負載決定該多個群組接受切換的數量。
  13. 如請求項11之電壓轉換電路，其中該偵測器包括：回授電路，連接該電壓輸出端，偵測該輸出電壓產生與該負載相關的回授電壓；誤差放大器，連接該回授電路，放大該回授電壓與參考電壓之間的差值產生誤差信號；以及比較器，連接該誤差放大器，將該誤差信號與至少一預設的臨界值比較產生該偵測信號。
  14. 一種提高驅動器效率的方法，該驅動器具有電壓輸入端接收輸入電壓，第一高壓電晶體連接在該電壓輸入端及切換節點之間，電壓輸出端提供輸出電壓，以及第二高壓電晶體連接在該切換節點及該電壓輸出端之間，該切換節點連接電感，該方法包括下列步驟：A)切換該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體使該電感充放電而產生該輸出電壓；B)偵測該驅動器的負載產生偵測信號；以及C)根據該偵測信號動態調整該第一高壓電晶體及該第二高壓電晶體的有效尺寸。
  15. 如請求項14之方法，其中該步驟B包括下列步驟：偵測該輸出電壓產生與該負載相關的回授電壓；放大該回授電壓與參考電壓之間的差值產生誤差信號；以及將該誤差信號與至少一預設的臨界值比較產生該偵測信號。
  16. 如請求項14之方法，其中該步驟C包括下列步驟：並聯多個第一子電晶體組成該第一高壓電晶體；並聯多個第二子電晶體組成該第二高壓電晶體；以及根據該偵測信號決定該多個第一子電晶體及該多個第二子電晶體切換的數量。
  17. 一種提高驅動器效率的電壓轉換電路，該驅動器具有電壓輸入端及電壓輸出端分別接收輸入電壓及提供輸出電壓，該電壓轉換電路包括：高壓電晶體，具有多個第一子電晶體並聯在該電壓輸入端及切換節點之間；第一低壓電晶體及第二低壓電晶體，串聯在該切換節點及該電壓輸出端之間，該第一低壓電晶體及該第二低壓電晶體分別具有多個並聯的第二子電晶體及第三子電晶體；電感，連接在該切換節點及接地端之間；偵測器，連接該電壓輸出端，偵測該驅動器的負載以產生偵測信號；以及控制器，連接該高壓電晶體、該第二低壓電晶體及該偵測器，根據該偵測信號提供第一組信號及第二組信號分別切換該高壓電晶體及該第二低壓電晶體以使該電感充放電而產生該輸出電壓，其中，在該負載較輕時，該控制器切換較少數量的該第一子電晶體及該第三子電晶體。
  18. 如請求項17之電壓轉換電路，其中該多個第二子電晶體各具有控制端連接偏壓源。
  19. 如請求項17之電壓轉換電路，其中該第一子電晶體、該第二子電晶體及該第三子電晶體被區分為多個群組，該控制器根據該負載決定該多個群組接受切換的數量。
  20. 如請求項19之電壓轉換電路，其中該第二子電晶體在同一群組中的該第三子電晶體導通時亦導通。
  21. 如請求項19之電壓轉換電路，其中該第二子電晶體在同一群組中的該第三子電晶體關閉時亦關閉。
  22. 如請求項19之電壓轉換電路，其中同一群組中的該第二子電晶體及該第三子電晶體接受同一組信號切換。
  23. 如請求項17之電壓轉換電路，更包括保護電路連接該第一低壓電晶體與該第二低壓電晶體連接的電極，在該第二低壓電晶體關閉時提供電壓給該電極。
  24. 如請求項23之電壓轉換電路，其中該保護電路包括開關連接在偏壓源與該電極之間。
  25. 如請求項17之電壓轉換電路，其中該偵測器包括：回授電路，連接該電壓輸出端，偵測該輸出電壓產生與該負載相關的回授電壓；誤差放大器，連接該回授電路，放大該回授電壓與參考電壓之間的差值產生誤差信號；以及比較器，連接該誤差放大器，將該誤差信號與至少一預設的臨界值比較產生該偵測信號。
  26. 一種提高驅動器效率的方法，該驅動器具有電壓輸入端接收輸入電壓，高壓電晶體連接在該電壓輸入端及切換節點之間，以及電壓輸出端提供輸出電壓，該切換節點連接電感，該方法包括下列步驟：A)並聯多個第一子電晶體組成該高壓電晶體；B)串聯第一低壓電晶體及第二低壓電晶體在該切換節點及該電壓輸出端之間；C)並聯多個第二子電晶體組成該第一低壓電晶體；D)並聯多個第三子電晶體組成該第二低壓電晶體；E)切換該高壓電晶體及該第二低壓電晶體使該電感充放電而產生該輸出電壓；F)偵測該驅動器的負載產生偵測信號；以及G)根據該偵測信號動態調整該高壓電晶體及該第二低壓電晶體的有效尺寸。
  27. 如請求項26之方法，其中該步驟F包括下列步驟：偵測該輸出電壓產生與該負載相關的回授電壓；放大該回授電壓與參考電壓之間的差值產生誤差信號；以及將該誤差信號與至少一預設的臨界值比較產生該偵測信號。
  28. 如請求項26之方法，更包括施加偏壓到該多個第二子電晶體的控制端。
  29. 如請求項26之方法，其中該步驟G包括：將該多個第一子電晶體、該多個第二子電晶體及該多個第三子電晶體區分為多個群組；以及根據該偵測信號決定該多個群組接受切換的數量。
  30. 如請求項29之方法，更包括在該第三子電晶體導通時，導通在同一群組中的該第二子電晶體。
  31. 如請求項29之方法，更包括在該第三子電晶體關閉時，關閉在同一群組中的該第二子電晶體。
  32. 如請求項29之方法，更包括提供同一組信號給同一群組中的該第二子電晶體及該第三子電晶體。
  33. 如請求項26之方法，更包括在該第二低壓電晶體關閉時，提供電壓給該第一低壓電晶體與該第二低壓電晶體連接的電極。
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