CN101447729A - Buck调整器中p沟道mosfet的驱动电路 - Google Patents

Buck调整器中p沟道mosfet的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种BUCK调整器，特别涉及BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，包括钳位二极管、电阻和输出电容，所述钳位二极管和电阻并联在P沟道MOSFET源极和栅极之间，阴极连接所述P沟道MOSFET的源极，驱动信号通过所述输出电容连接到P沟道MOSFET的栅极。本发明驱动电路使用电容和二极管隔离直流电位传递方波驱动信号实现开关管的栅极驱动和PWM调节，驱动信号由低电平变为高电平时，这个电压变化通过电容传递到栅极，栅极电压上升，控制P沟道MOSFET关断。由于二极管的钳位，栅极电压不能超过输入电压Vin。启动时使用三极管钳位栅源极电压，三极管延迟一段时间关断后再发出驱动信号，避免开关管误动作。

Description

BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种BUCK调整器，特别涉及BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路。
背景技术
取代线性调整器的开关型调整器早在20世纪60年代就开始使用，它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间通过调节通断比例来控制输出方波脉冲的宽度，使用合适的LC滤波器将方波脉冲平滑成直流输出。这种调整器称为BUCK调整器。
如图1中所示，为BUCK型调整器的原理。其中开关器件Q1作为单刀单掷开关与直流输入电压Vin串联。Q1导通时V1点电压为Vin。Q1关断时，V1点电压迅速下降，因为续流二极管D的导通V1点电压被钳位在0V(设二极管D的压降为0)。则V1点电压波形为矩形波。LC滤波器接于V1和VO电压之间，使输出VO为直流电压。由于MOSFET(MetalOxide Semicoductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应管)管具有更高的开关速度，和更低的导通损耗，在大多数BUCK变换器中都使用MOSFET作为开关器件。开关的门极驱动虽然不会成为问题，但是很麻烦。难处在于驱动N沟道的MOSFET时，门极电压至少要比输入电压高5V，或更有可能是高出10V(分别对1V和5V逻辑电压的MOSFET来说)，这导致电路中需要一个辅助电源提供高于输入电压的驱动电路供电，并且产生驱动信号的控制电路与主开关电路难以共地，影响其他辅助功能(如遥控)的实现。
解决这个问题最容易的办法，毫无疑问是选用P沟道的MOSFET，这样只要把门极电平拉低就可以开通了。但是传统电路使用下拉关断电阻实现P沟道MOSFET的栅极驱动，如图2中所示，P沟道MOSFET的驱动电路一般使用下拉关断电阻传递驱动信号，用稳压二极管钳位栅源极之间电压不超出安全范围(除非是输入电压很低的变换器)，当驱动脉冲为高电平时Q2导通Q1栅源之间电压＝Vin*R1/(R1+R2)当这个电压大于稳压二极管D1的稳压值时D1击穿，将栅源极之间电压限制在安全范围，D1的反向工作电流全部流经R2到地，开关管Q1导通。当驱动脉冲为低电平时Q2截止，电流流经R1，R2给Q2的漏源极寄生电容Cj充电，直到Q1栅极电压接近输入电压时Q1关断。在这个电路中电阻R1和R2的取值非常困难，如果取值较小可以提高寄生电容的充电速度使Q1关断时间缩短，有利于提高效率，但这样做会增大Q2导通期间流过R1，R2，D1的电流，增加损耗，不利于提高效率。这样的电路无法得到与所期望效率相对应的开关速度。而且启动时开关管Q1栅极电压因寄生电容充电速度慢会在短时间内低于源级，造成开关管误导通。
可见，这种电路带来的缺点是开关速度慢，驱动损耗大，输出效率低。开机时开关管源极电压快速上升，栅极电压因寄生电容充电速度慢会在短时间内低于源级，造成开关管误导通。
还有两种常用于N沟道MOSFET的驱动电路也可以用于P沟道MOSFET的驱动。
图3为使用高速光耦隔离驱动的BUCK型调整器的原理图，使用高速光耦隔离传送驱动信号，增加不共地的辅助电源提供驱动能量。这种电路驱动MOSFET的速度可以很快。但使用器件很多成本高，体积大。
图4为使用隔离变压器的驱动电路的BUCK型调整器的原理图，使用隔离变压器直接驱动。虽然这种电路相比而言成本低廉，而且工作性能良好。但受到最大占空比的限制，因为变压器需要时间复位。有时需要在变压器副边增加辅助电源和图腾柱来提高驱动能力。
发明内容
为了克服了上述缺点，本发明选用P沟道MOS管，可以省去隔离器件简化驱动电路，提供一种驱动结构简单、既保证栅源之间电压不超出安全范围，又有很小的驱动损耗的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，包括钳位二极管、电阻和输出电容，所述钳位二极管和电阻并联在P沟道MOSFET源极和栅极之间，阴极连接所述P沟道MOSFET的源极，驱动信号通过所述输出电容连接到P沟道MOSFET的栅极。
还包括一个钳位电路和一个启动延时电路，所述钳位电路包括三极管、二极管和场效应管，所述三极管的集电极连接所述P沟道MOSFET的源极，发射极通过正向连接的所述二极管连接到所述P沟道MOSFET的栅极，所述场效应管的漏极经过一个电阻连接到所述三极管的基极，源极接地，栅极连接到所述启动延时电路的控制输出端。
所述启动延时电路包括两个比较电路，第一比较电路的反向输入端通过电阻将基准电压分压获得翻转阈值，同相输入端连接有第一电容，输出端连接到钳位电路中所述场效应管的栅极，第二比较电路的反向输入端通过电阻将输入电压分压获得翻转阈值，同相输入端连接有第二电容。
本发明驱动电路使用电容和二极管隔离直流电位传递方波驱动信号实现开关管的栅极驱动和PWM调节。驱动信号由高电平变为低电平时，这个电压变化通过电容传递到栅极，栅极电压下降，控制P沟道MOSFET开通。输入电压开始通过栅极、源极之间并联的电阻给电容充电，使P沟道MOSFET栅极电压缓慢上升。因为充电时间常数取值远远大于开通时间，不影响P沟道MOSFET正常工作。驱动信号由低电平变为高电平时，这个电压变化通过电容传递到栅极，栅极电压上升，控制P沟道MOSFET关断。由于二极管的钳位，栅极电压不能超过输入电压Vin。此外，使用三极管钳位栅、源极电压，开机时三极管CE结导通，使栅极电压的上升速度同源极基本一致，待栅极电压上升结束，栅极、源极电压相等时控制电路发出信号关断三极管，延迟一段时间再发出驱动信号，避免了开机时开关管误导通。在使用P沟道MOSFET作为开关管的BUCK调整器中，应用此电路可以简化驱动电路，减小驱动损耗，提高开关频率，避免开机时开关管误导通，由此可以形成提高功率密度，提高可靠性的效果。
附图说明
图1为BUCK型调整器的原理图；
图2为传统采用P沟道MOSFET驱动电路的BUCK型调整器的原理图；
图3为使用高速光耦隔离驱动的BUCK型调整器的原理图；
图4为使用隔离变压器的驱动电路的BUCK型调整器的原理图；
图5为使用本发明驱动电路的BUCK型调整器的原理图；
图6为驱动电路工作时序；
图7为栅极电压钳位电路工作时序。
具体实施方式
如图1中所示，采用本发明驱动电路的BUCK型调整器包括P沟道MOSFET Q1，在Q1的源极和栅极之间并联有二极管D1和电阻R1，所述二极管D1的阴极连接Q1的源极，即电源输入端Vin，PWM控制和驱动电路输出的脉宽驱动信号通过电容C1连接到Q1的栅极。其中，所述PWM控制和驱动电路为已有技术，这里不再赘述。
本发明驱动电路还包括一个钳位电路和一个启动延时电路，所述钳位电路主要包括三极管VT1、二极管D2和场效应管Q2等，所述三极管VT1的集电极连接电源输入端Vin，发射极依次通过电阻R6、正向连接的二极管D2连接到所述P沟道MOSFET Q1的栅极，场效应管Q2的漏极经过电阻R4连接到所述三极管VT1的基极，源极接地，栅极连接到所述启动延时电路的控制输出端。
所述启动延时电路包括两个由运放IC1A和IC1B构成的比较电路，IC1A的反向输入端通过电阻R39、R40将基准电压Vref分压获得翻转阈值，同相输入端连接有电容C35，输出端连接到钳位电路中所述场效应管Q2的栅极，IC1B的反向输入端通过电阻R16、R18将输入电压Vin分压获得翻转阈值，同相输入端连接有电容C36，输出端输出控制信号给所述PWM控制和驱动电路。
基于上述电路，工作过程如下：如图2中所示，PWM控制和驱动电路输出脉宽信号，在t0时刻，输出电容C1已经完成充电，Q1栅极电压等于输入电压，驱动信号为高电平，开关管Q1关断。t1时刻，驱动信号由高电平变为低电平，因为电容C1两端电压不能突变，栅极电压也会下降同样的幅值，Q1开通。t1～t2时刻Vin通过电阻R1开始缓慢的给C1充电，栅极电压缓慢上升。因为时间常数R1*C1取值远远大于开通时间，栅极电压上升的幅值很小，不影响Q1正常工作。t2时刻，驱动信号由低电平变为高电平，这个电压变化通过电容C1传递到栅极，栅极电压上升，Q1关断。由于二极管D1的钳位，栅极电压不能超过输入电压Vin。
同图2所示的传统电路相比相当于用电容C1替代了电阻R2。利用电容的电平传递作用实现快速的栅极驱动，又节省了驱动电流流过电阻产生的驱动损耗。电阻R1不再担任流过驱动电流的作用，只是Q1栅源之间的保护电阻，如果由于某种原因，门极驱动电路停止开关工作，这个电阻能够最终把门极关断。所以这个电阻的值可以取的较大，消耗的能量可以忽略。
所述钳位电路的工作时序如图7中所示，启动瞬间输入电压Vin以很高的速率上升，Q1源极电压也以同样的速率上升。Q1栅极因为电容C1充电，上升速率明显低于源极，当栅极电压低于源极1.4V(设二极管D2压降为0.7V，三极管BE结导通电压0.7V。)时，三极管VT1的BE结有电流ib流过，则电容C1的充电电流是(1+β)*ib。这个经过放大的充电电流提高C1的充电速度。使栅源之间电压在输入电压建立过程中不超过开启的阀值，避免误导通。电容C1充电完成后经过一段延迟时间Ta，控制电路作用使Q2导通将VT1基极电压拉到地，使其可靠关断，防止在正常工作状态下给C1充电。再经过一段延迟时间Tb控制电路才发出驱动信号，Q1开始正常工作。
图7中给出了启动延迟电路的工作原理：其中，曲线1标示输入电压Vin的波形，曲线2表示Q1栅极电压，曲线3表示Q2栅极电压。启动时基准电压Vref通过电阻R32给电容C35充电，决定延迟时间Ta，当电压值高于IC1A反向输入端电压时IC1A输出端翻转为高电平，开通Q2。此时电容C36开始充电(其充电时间决定延迟时间Tb)，当电压值高于IC1B反向输入端电压时IC1B输出端翻转为高电平，开启驱动电路。运放IC1B还同时具有输入过压保护的功能。
以上对本发明所提供的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，其特征在于：包括钳位二极管、电阻和输出电容，所述钳位二极管和电阻并联在P沟道MOSFET源极和栅极之间，阴极连接所述P沟道MOSFET的源极，驱动信号通过所述输出电容连接到P沟道MOSFET的栅极。
2.根据权利要求1所述的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，其特征在于：还包括一个钳位电路和一个启动延时电路，所述钳位电路包括三极管、二极管和场效应管，所述三极管的集电极连接所述P沟道MOSFET的源极，发射极通过正向连接的所述二极管连接到所述P沟道MOSFET的栅极，所述场效应管的漏极经过一个电阻连接到所述三极管的基极，源极接地，栅极连接到所述启动延时电路的控制输出端。
3.根据权利要求2所述的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，其特征在于：所述启动延时电路包括两个比较电路，第一比较电路的反向输入端通过电阻将基准电压分压获得翻转阈值，同相输入端连接有第一电容，输出端连接到钳位电路中所述场效应管的栅极，第二比较电路的反向输入端通过电阻将输入电压分压获得翻转阈值，同相输入端连接有第二电容。
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