[发明专利]具有在异构集成电路中实现的DC-DC转换器的分布式功率调节

说明书

技术领域

根据本发明的实施方式的一个或多个方面涉及一种DC-DC转换器及其制造方法。

相关技术描述

DC-DC转换器用于在各种不同设备的较高和较低直流电压之间进行转换。虽然一些设备包括一个或仅几个DC-DC转换器，但一些系统包括数百至数千个DC-DC转换器。对于包括数百或数千个DC-DC转换器的系统来说，DC-DC转换器会占用大量的空间。此外，由于每个DC-DC转换器通过热损失浪费了功率，数百或数千个DC-DC转换器可导致大量的能量损失。

常见的DC-DC转换器需要输入较高的直流电压，并将其转换为较低的直流电压，被称为降压转换器。降压转换器通常比线性功率调节器的效率更高。典型的线性稳压器可消散（Vin-Vout）*Iout瓦作为废热，其中Vin是输入电压，Vout是输出电压，Iout是电流输出。例如，向负载提供1安培的40V至28V线性稳压器可消散（40-28）×1=12瓦（W）的热量，同时向负载提供的仅为28V*1安培=28W。因此，效率是输出功率/(输出功率+功率损失)=28/（28+12）=28/40=只有70％。

降压转换器可以超过93％的效率将40V转换到28V，只有2瓦的功率（热）损失。例如，对于典型的降压转换器来说，输出功率/(输出功率+功率损失)=28/（28＋2）=28/30=93％。降压转换器是开关式电源（SMPS）家族的成员，因而采用了开关频率以及晶体管开关、二极管、电感器和电容器。

图1示出了典型的降压转换器，其包括FET M₁，其从PWM电路20接收在其栅极的脉冲宽度调制（PWM）信号输入。图1的降压转换器还包括具有耦合到FET M₁源极的第一端的电感器L。FET M₁的漏极耦合到具有电压Vs的直流电源10的正极端子。二极管D耦合在所述电感器L的第一端与直流电源10的负极端子之间。电容器C和电阻R_L并联耦合在电感器L的第二端与电源10的负极端子之间。

在某些情况下，二极管D与第二晶体管一起用于“同步”降压转换器中，如图2所示。图2中的同步降压转换器大致类似于图1的降压转换器，除了第二FET M₂并联跨接二极管D。例如，从图2可以看出，FETM₂的漏极耦合到二极管D的阴极，且FET M₂的源极耦合到二极管D的阳极。除了所述第一晶体管FET M₁的栅电极之外，还向FET M₂的栅电极提供了来自PWM20的PWM输出信号。例如，只有当FET M₂关闭时，二极管D才可导电，且输出电压将根据提供给FET M₂的PWM输出信号的占空比发生变化。举例来说，提供给FET M₁和FET M₂的PWM控制信号可具有不同的相位和占空比。

同步降压转换器比典型的降压转换器更有效，因为通过场效应晶体管（FET）的功率（热）损失为I^2*Ron，而通过二极管的功率损耗是P_loss=Vfwd*I，其中I是负载电流，Ron是FET导通电阻，Vfwd是二极管的正向电压降，Ploss是功率损失。由于FET可设计为具有低导通电阻，而二极管的正向电压降是通过二极管材料带隙固定的，因此可使该FET具有较低的损耗。

发明内容

需要将DC-DC转换器所需要的空间减少或最小化，特别是在使用大量的DC-DC转换器的系统中。还需要增加电压转换效率，从而节省面积和浪费的功率（热）损失。因此，在根据本发明的示例性实施方式中，空间的利用率得到了改善或优化。

当根据本发明实施方式的DC-DC转换器应用于平板主动电子扫描阵列（AESA）时，功率分配和转换在雷达单元电池内启用，其可小至1/2英寸×1/2英寸，甚至更小，这取决于频率，从而使基于地面、基于空气以及基于空间应用的有利特征成为可能。

在根据本发明的示例性实施方式中，异构集成电路包括：电压转换器，其配置为接收输入电压，并将输入电压转换为不同于该输入电压的输出电压，该电压转换器包括PWM电路；以及反馈电路，其配置为接收输出电压，并产生用于改变由PWM电路产生的PWM信号的脉冲宽度的控制信号。该电压转换器和反馈电路一起包括至少一个氮化镓（GaN）电路元件以及至少一个CMOS电路元件，它们集成在公共基板上。

该PWM电路可以是数字PWM电路，并且可包括计数器、解码器和触发器。