CN102005909A

CN102005909A - 一种开关电源的栅极驱动电路

Info

Publication number: CN102005909A
Application number: CN2010105658372A
Authority: CN
Inventors: 段建华; 刘娜; 陈泽强; 任雪刚
Original assignee: BCD Semiconductor Manufacturing Ltd
Current assignee: BCD Shanghai Micro Electronics Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102005909B

Abstract

本发明提供一种开关电源的栅极驱动电路，是与开关电源功率管的栅极连接，包括：产生脉冲控制信号的控制信号模块；源极与功率管的栅极连接的高压薄栅上管；漏极与功率管的栅极连接的高压薄栅下管；根据所述脉冲控制信号来控制高压薄栅上、下管开启和断开的上下管控制模块，且保证高压薄栅上管和高压薄栅下管不会同时导通；电流源，是连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲控制信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值；第一开关，是设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负脉冲且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。用简单的电路实现了在开关电源的驱动电路中使用高压薄栅MOS管，使得驱动能力得到提升，更重要的是，使得高压薄栅MOS管能够广泛应用在驱动电路中，成本大大降低。

Description

一种开关电源的栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源的栅极驱动电路。

背景技术

开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器和笔记本电脑适配器等场合。近年来，由于绿色电源概念的兴起，更加强调高转换效率和低待机功耗。

下面首先结合附图介绍开关电源的工作原理。

参见图1，该图为现有技术中开关电源的电路图。

开关电源控制器103通过功率开关管101连接到变压器102的原边绕组C1。开关电源控制器103用于控制功率开关管101在每个开关周期内导通，将原边绕组C1的能量传递到副边绕组C2。开关电源控制器103通过控制功率开关管101的占空比或开关频率从而控制副边绕组C2上的输出电压。开关电源控制器103是通过控制功率开关管101的栅极电压来控制其导通或关断的，因此称为栅极驱动。

下面结合附图介绍现有技术中的栅极驱动电路。

参见图2，该图为现有技术中的开关电源的栅极驱动电路。

该栅极驱动电路的输出级上管202和下管203均采用高压厚栅的NMOS管。当开关电源控制器未完全启动前，功率开关管201的栅极通过初始信号置零。当输入信号为高脉冲时，下管控制模块控制下管203关闭，此时上管控制模块开启。非交迭模块待下管203完全关闭后，打开上管202，从而实现功率开关管201导通的功能。同时，箝位电路将上管202的栅极箝位在某一个固定电压，即功率开关管201的栅极也同样被箝位在该固定电压。当输入信号为低脉冲时，上管控制模块控制上管202关闭，同时，下管203控制模块开启，非交迭模块待上管202完全关闭后，打开下管203，从而实现功率开关管201关闭的功能。

之所以在设计驱动电路模块时，通常采用高压厚栅MOS管，最主要的优点是：高压厚栅MOS管可以直接用高压源(VCC)作为栅极的输出信号，这样有利于简化设计，减小设计时的复杂度。但是也有缺点：首先采用高压厚栅MOS管会因为其厚栅而导致单位MOS管驱动能力下降，原理上来说600A单位MOS管驱动能力只有200A单位MOS管驱动能力的三分之一，这样就必然导致了在要求相同驱动能力的条件下，高压厚栅驱动管的面积要大于高压薄栅驱动管的面积。其次、采用高压厚栅MOS管会使得整个芯片生产时多一块掩膜板和多一道流程。因此、从经济角度和市场角度上来看，高压厚栅MOS管在技术发展过程中处于待更替的处境。

当然，若想采用高压薄栅MOS，其存在设计上的难点，其中最主要的是在于高压薄栅上管的设计：在驱动电路中，驱动上管的电压源是高压Vcc(其最高电压通常在30V以上)，而高压薄栅的栅源两端的击穿电压通常在7伏左右，这就要求我们在设计驱动电路的时候要保证驱动上管的栅源两端电压必须要小于击穿电压。这就给设计电路带来了很大的挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源的栅极驱动电路，能够增加驱动能力，降低成本。

本发明提供一种开关电源的栅极驱动电路，所述驱动电路与开关电源功率管的栅极连接，包括：

控制信号模块，产生脉冲控制信号；

源极与功率管的栅极连接的高压薄栅上管；

漏极与功率管的栅极连接的高压薄栅下管；

根据所述脉冲控制信号来控制高压薄栅上、下管开启和断开的上下管控制模块，且保证高压薄栅上管和高压薄栅下管不会同时导通；

电流源，是连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲控制信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值；

第一开关，是设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负脉冲且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。

在具体实施例中，所述控制信号模块是PWM控制器和PFM控制器中的一种，所述脉冲控制信号是PWM信号和PFM信号中的一种。所述设定值小于高压薄栅上管的击穿电压。所述上下管控制模块包括：控制高压薄栅上、下管分时导通的第四、第五开关、以及在第一开关关断时保证高压薄栅上管栅极电压为零的第六开关，其中，第四开关连接于电流源与高压薄栅上管栅极之间，当脉冲控制信号为高及高压薄栅下管关断时闭合；第五开关连接于高压薄栅下管栅极与内部电压电源之间，当功率管的栅极电压与高压薄栅上管栅极电压相等及脉冲控制信号为低时闭合；第六开关连接于高压薄栅上管栅极与地之间，当第一开关闭合且高压薄栅下管关断时闭合。所述高压薄栅上管和高压薄栅下管都未NMOS管。

在一实施例中，所述栅极驱动电路还包括由上电初始信号控制开启与闭合的第二开关和第三开关，其中，所述第二开关与外接电压电源连接，在接收到所述上电初始信号时才闭合，以导通整个驱动电路；所述第三开关是连接于功率管的栅极与地之间，在接收到所述上电初始信号时才断开。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：用简单的电路实现了在开关电源的驱动电路中使用高压薄栅MOS管，使得驱动能力得到提升，更重要的是，使得高压薄栅MOS管能够广泛应用在驱动电路中，成本大大降低。

本发明提供的开关电源的栅极驱动电路，通过电流源及第一开关等简单的电路元件，实现了高压薄栅MOS管在驱动电路中的应用，使得驱动电路的成本大大降低，克服了现有技术中由于高压薄栅MOS管容易被高压击穿而无法使用的技术难题。

附图说明

图1是现有技术中开关电源的电路图；

图2是现有技术中的开关电源的栅极驱动电路；

图3是本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施例的电路模块图；

图4是本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施的电路原理图；

图5是图4中两个控制信号产生的逻辑原理图；

图6是本发明实施例中的各个信号的波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参阅图3，是本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施例的电路模块图，如图所示，本发明提供的开关电源的栅极驱动电路，需要说明的是，这样的栅极驱动电路较多应用在开关电源的控制芯片中，但本发明不以此为限。这里的驱动电路如图2中所示，是与开关电源功率管201的栅极连接，包括：控制信号模块、高压薄栅上管和高压薄栅下管、上下管控制模块、电流源、和第一开关；

为了更清楚表示该驱动电路的功能原理，如图所示，上述上下管控制模块301同样也可根据功能分为上管控制模块、下管控制模块、以及非交迭模块。

其中，控制信号模块能够产生一种脉冲控制信号以此控制后续电路，在本实施例中，所述控制信号模块是PWM控制器和PFM控制器中的一种，那么，对应的，所述脉冲控制信号是PWM信号和PFM信号中的一种。

所述功率管的栅极分别与上管的源极及下管的漏极连接，在本实施例中，所述上管和下管都是NMOS管。

所述上下管控制模块是根据所述脉冲控制信号来控制上管和下管的开启和断开，对应图2中的上管和下管控制控制模块及非交迭模块，即，需要保证高压薄栅上管和高压薄栅下管不会同时导通。

所述电流源连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲控制信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值，所述设定值小于高压薄栅上管的击穿电压，即钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在小于7V。

所述第一开关设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负脉冲且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。

需要说明的是，为了简便说明，以下将分别与上管的源极及下管的漏极连接的功率管的栅极处定义为GATE端，将上管的栅极端定义为UP端，将下管的栅极端定义为DOWN端。

下面总结下图3的电路工作原理：一开始整个驱动电路所处的芯片未启动前，GATE端电压通过上电初始信号(PG信号)置零，该信号通常由专门的PG开关控制。

当芯片启动后，PWM信号为零时，Down端信号通过Down Control模块置高(内部电压源为Vdd)，下管M2处于导通状态；而Up信号被Up Control模块置低，上管M1处于关断状态，同时Current Source模块也未导通。

当PWM信号由零变高，即出现正脉冲。首先、Down Control模块将Down信号置低，关断M2，Current Source模块启动；当M2彻底关断后，Un-overlap模块通过Up Control模块将Up信号置高，M1导通，Gate端电压开始上升，与此同时、Voltage Clamp模块通过Current Source模块将Gate端电压和Up端电压钳位在某一特定电压值，使得M1栅源间电压小于高压薄栅MOS管的击穿电压，从而保护了M1。

当PWM信号由高变零，即出现负脉冲。首先、Current Source模块关闭，无电流流向Up端；Switch模块将Up与Gate两端连接起来，这样就始终使Up与Gate两端电压保持一致，即在关断过程中保证M1栅源间电压小于高压薄栅MOS管的击穿电压，从而保护了M1；Up与Gate两端相等后，Down信号通过Down Control模块置高，M2导通，Up与Gate端的电压被M2下拉至零。

请参阅图4，是显示本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施的电路原理图，如图所示，本发明的驱动电路还包括：由上电初始信号PG控制开启与闭合的第二开关和第三开关，其中，所述第二开关与整个驱动电路的外接电压源连接，在接收到所述上电初始信号时才闭合，以导通整个驱动电路；所述第三开关是连接于功率管的栅极与地之间，在接收到所述上电初始信号时才断开。

另外，所述上下管控制模块包括：控制高压薄栅上、下管分时导通的第四、第五开关、以及在第一开关关断时保证高压薄栅上管栅极电压为零的第六开关。请参阅图5，是图4中两个控制信号产生的逻辑原理图，如图所示，控制信号S1是GATE端电压与地的比较值以及PWM信号的非值通过与逻辑产生；控制信号S2是GATE端与UP端电压比较值与PWM信号的非值通过与逻辑产生。

其中，第四开关连接于电流源与高压薄栅上管栅极之间，当脉冲控制信号为高及高压薄栅下管关断时闭合；第五开关连接于高压薄栅下管栅极与内部电压源之间，当功率管的栅极电压与高压薄栅上管栅极电压相等及脉冲控制信号为低时闭合，即由控制信号S2决定；第六开关连接于高压薄栅上管栅极与地之间，当第一开关闭合且高压薄栅下管关断时闭合，即由控制信号S1与DOWN端的非值通过与逻辑控制。

综上所述，上电初始信号PG控制SW1和SW6两个开关。它的作用是确保在芯片在上电前整个驱动电路处于关闭状态。在芯片上电后，PG信号置高，开关SW1闭合和SW6断开。开关SW2通过输入信号一端为DOWN信号的非信号，另一端为PWM/PFM信号的与门控制。其目的在于：在PWM/PFM信号为高的情况下，厚氧薄栅上管M1只有在DOWN信号为低，即下管M2处于关闭的条件下才能导通，从而保证了在开启时刻的上下管处于非交迭状态。当GATE为高且PWM/PFM信号为低时刻，即驱动电路由导通变为关断时，控制信号S4变高，开关SW4闭合。由此、UP端电压值会降低至GATE端电压。当GATE端电压几近等于UP端电压，且PWM/PFM信号为低，开关SW5通过控制信号S2闭合，下管M2导通。这样做的目的在于：只有在上管处于关断的条件下方能让下管导通，从而保证了在关断时刻的上下管处于非交迭状态。UP端电压和GATE端电压被下拉至零。当关断过程结束之后，开关SW3通过输入信号一端为DOWN信号的非信号，另一端为S1信号的与门控制闭合，使得在开关SW4断开的条件下，保证UP端电压为零。

参见图6，该图为本发明实施例中的各个信号的波形图。如图所示，当PG信号置低时，除了SW6开关闭合以保证GATE端信号置低外，其他所有开关全部打开；

当PG信号置高后，解除SW6信号，SW1开关闭合，此时PWM信号为低，SW5闭合，由此、Down信号置高，高压薄栅下管导通，SW3开关闭合，Up信号置低，高压薄栅上管截至；

当PWM信号由低变高后，首先SW3、SW5打开，Down信号变低，当Down信号为零时，即高压薄栅下管截至，SW2闭合，电流源给Up端电压充电，高压薄栅下管导通，Gate端电压升高，外置的MOS管导通。

当PWM信号由高变低时，首先SW2打开，SW4闭合，使得Up端和Gate端短接，当Up端电压与Gate端电压一致时，高压薄栅上管截至，SW5闭合，Down信号由低变高，高压薄栅下管导通，Up端和Gate端电压被下拉至零，当Gate端电压被下拉至零后，SW4打开，Up端与Gate端脱离短接状态，随后SW3闭合，此时Up端电压置零由SW3保证，而Gate端电压置零由高压薄栅下管保证。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种开关电源的栅极驱动电路，所述驱动电路与开关电源功率管的栅极连接，其特征在于，包括：

控制信号模块，产生脉冲控制信号；

源极与功率管的栅极连接的高压薄栅上管；

漏极与功率管的栅极连接的高压薄栅下管；

2.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制信号模块是PWM控制器和PFM控制器中的一种，所述脉冲控制信号是PWM信号和PFM信号中的一种。

3.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述设定值小于高压薄栅上管的击穿电压。

4.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，还包括由上电初始信号控制开启与闭合的第二开关和第三开关，其中，所述第二开关与外接电压电源连接，在接收到所述上电初始信号时才闭合，以导通整个驱动电路；所述第三开关是连接于功率管的栅极与地之间，在接收到所述上电初始信号时才断开。

5.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述上下管控制模块包括：控制高压薄栅上、下管分时导通的第四、第五开关、以及在第一开关关断时保证高压薄栅上管栅极电压为零的第六开关，其中，第四开关连接于电流源与高压薄栅上管栅极之间，当脉冲控制信号为高及高压薄栅下管关断时闭合；第五开关连接于高压薄栅下管栅极与内部电压电源之间，当功率管的栅极电压与高压薄栅上管栅极电压相等及脉冲控制信号为低时闭合；第六开关连接于高压薄栅上管栅极与地之间，当第一开关闭合且高压薄栅下管关断时闭合。

6.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述高压薄栅上管和高压薄栅下管都未NMOS管。