CN102082552B

CN102082552B - 一种斜率受控的驱动器

Info

Publication number: CN102082552B
Application number: CN 201010572934
Authority: CN
Inventors: 郭仲杰; 吴龙胜; 刘佑宝; 汪西虎
Original assignee: 771 Research Institute of 9th Academy of CASC
Current assignee: 771 Research Institute of 9th Academy of CASC
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN102082552A

Abstract

本发明公开了一种斜率受控的驱动器，包括一个用于切换跨导运算放大器输入的第一切换开关、一个用于检测驱动器输出与内部基准的误差并将其转化为电流的跨导运算放大器、一个用于切换跨导运算放大器输出电流方向的第二切换开关、一个用于消除功率管死区的相位补偿网络、一个用于隔离驱动器输出与内部节点的隔离网络、一个功率输出器件以及驱动器的负载。通过实时监测驱动器输出端信号上升与下降的过程，调整跨导运放的输出电流，精确控制了驱动输出信号的上升斜率与下降斜率。所公开的相位补偿技术，可以有效减小功率管的死区时间，使功率管输出信号上升沿与下降沿相位保持一致。

Description

一种斜率受控的驱动器

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，具体涉及宽带数据通信系统、高速无线通信系统、空间电子设备、驱动设备以及大功率电源控制器的产品应用。

背景技术

当前宽带通信技术、功率驱动技术以及大功率DC-DC控制器的高速发展，对功率器件的驱动技术提出越来越苛刻的要求，尤其是在某些系统中，要求驱动信号的上升时间和下降时间有一定的限制，这就对驱动器的具体设计以及实现上提出了新的挑战。比如在收发器的驱动部分，发送器在将数据发送到总线的过程中，由于存在一系列的衰减以及失真情况，需要在发送器的输出加入隔离变压器以及网络匹配变压器，此时，如果发送器输出的驱动信号上升时间与下降时间得不到控制，则耦合到变压器另一端的信号幅度将会大大增加，进而有可能毁坏整个通信系统。因此，在具体的设计中必须考虑到这一点，即需要控制发送器输出驱动信号的上升时间与下降时间。另外，在大功率的DC-DC控制器中，由于功率管存在dv/dt的问题，即如果功率管栅极电压变化过快，可能会烧坏功率器件，从而毁坏电源系统。所以，此时也需要控制功率管驱动信号的上升时间与下降时间。在传统的驱动斜率控制技术中，存在线性度、精度以及死区等等问题，因此难以适应现代电子设备对斜率控制技术的特殊要求，本发明基于此提出了一种斜率受控的驱动器。

发明内容

针对当前各种电子系统对驱动信号上升时间与下降时间的特殊要求，本发明提出了一种斜率受控的驱动器。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种斜率受控的驱动器，其特征在于，当驱动逻辑控制信号由低到高时，由跨导运算放大器与驱动功率管组成的负反馈环路使驱动功率管的栅极电压上升，并可以通过闭环控制调整跨导运算放大器的跨导来实时监控栅极电压的上升斜率与上升时间，从而精确控制了驱动输出信号的上升斜率与上升时间；同时，当驱动控制信号由高到低时，通过开关切换使跨导运算放大器与驱动功率管组成的负反馈环路对功率管的栅极电压进行线性放电，并可以通过闭环控制调整跨导运算放大器的跨导来实时监控栅极电压的下降斜率与下降时间，从而精确控制了驱动输出信号的下降斜率与下降时间。为了实现大功率输出，功率输出管的面积一般都较大，则其输入端会存在较大的寄生电容。因此，在功率管输入端电压上升的过程中，必然存在一定的死区时间，即输入端电压需要从零伏上升到开启电压，该死区时间会使输出信号的上升沿与下降沿发生错位。针对这一死区，本发明公开了一种相位补偿技术，可以有效减小功率管的开启时间，使功率管输出信号上升沿与下降沿相位保持一致。通过此项技术，在简化电路设计和提高集成度的同时，更加有效地线性控制了驱动输出信号的上升时间与下降时间，可以广泛地应用于大功率DC-DC控制器以及收发器等产品中。

上述方案中，所述当驱动控制信号由低到高时的负反馈环路是通过第一切换开关使跨导运算放大器的正相输入端接至基准电压，负相输入端通过隔离模块接至驱动器的输出，此时，当驱动器输出电压为零时，跨导运算放大器通过第二切换开关会对功率器件的控制端进行充电，随着功率器件控制端电压的上升，驱动器输出电压也开始上升，直到驱动器输出电压升至内部的基准电压。当功率器件一定时，其栅极寄生电容一定，则可以通过设置跨导运算放大器的跨导即尾电流来调整功率器件栅极电压的上升时间，从而精确控制了驱动器输出电压的上升时间。

所述当驱动控制信号由高到低时的负反馈环路是通过第一切换开关使跨导运算放大器的正相输入端接至地，负相输入端通过隔离模块接至驱动器的输出，此时，当驱动器输出电压为基准电压时，跨导运算放大器通过第二切换开关会对功率器件的控制端进行放电，随着功率器件控制端电压的下降，驱动器输出电压也开始下降，直到驱动器输出电压降至跨导运算放大器的正相输入端，即地电平。在电路设计对称的情况下，此时的下降时间与上升时间是完全相等的，得到了很好的一致性。

所述相位补偿模块通过检测驱动逻辑输入信号的上升沿，实现对功率器件控制端的电压预置，使得功率器件能及时导通，消除了死区时间。

本发明通过闭环负反馈结构以及开关切换技术实时监控驱动输出信号，实现了对驱动输出信号上升斜率与下降斜率的控制。同时，在每次驱动逻辑的上升沿到达时，对功率器件的控制端进行电压预置，使驱动输出信号的上升沿与下降沿相位延迟一致，保证了驱动器输出信号的斜率受控性。

附图说明

图1为本文发明的斜率受控驱动器结构。

图2为本文发明的一种具体实现实例。

图3为驱动器带有死区时间的输入输出示意图。

图4为消除死区的驱动器输入输出示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的斜率受控驱动器结构，图2为一种具体的实现实例。

如图1所示，开关切换模块10用于实现检测驱动逻辑输入信号V_IN，当驱动逻辑输入信号V_IN为高电平时，跨导运算放大器20的正相输入端80被切换至基准电压，假设为V_REF；当驱动逻辑输入信号V_IN为低电平时，跨导运算放大器20的正相输入端80被切换至地。如图2所示，该第一切换开关10的一种实现方式为，一个高电平接电源、低电平接地的反相器与一个高电平接基准电压、低电平接地的反相器串联组成。很明显可以实现上述模块功能，即当驱动逻辑输入信号V_IN为高电平时，第一个反相器的输出为低电平，从而使第二个反相器通过PMOS管M1将输出接至基准电压；当驱动逻辑输入信号V_IN为低电平时，第一个反相器的输出为高电平，从而使第二个反相器通过NMOS管M2将输出接至地信号。

如图1所示，跨导运放20用于将输入信号80与90的压差转化为电流输出信号。如图2所示的20模块为跨导运放的一个具体实现实例。考虑到输出信号是从零到基准电压之间进行变化，所以输入级采用PMOS管M7与M8作为输入对管，NMOS管M10与M11为第一级的电流镜负载，通过NMOS管M9与M12镜像输出。PMOS管M5与M6组成输出级的电流镜，镜像比例如图2所标。根据以上分析，输入对管产生的电流为驱动器输出与内部基准压差转化后的电流，且经过负载电流镜输出电流至信号线100。此处跨导运放的跨导可以通过电阻R1、输入对管的宽长比以及负载电流镜来调节。

如图1所示，第二切换开关模块30用于切换跨导运放输出的电流流向，当驱动逻辑输入信号V_IN为高电平时，由于跨导运放需要输出电流对功率管50的栅极进行充电，所以电流流向为信号线100到信号线110；当驱动逻辑输入信号V_IN为低电平时，由于跨导运放需要输出电流对功率管50的栅极进行放电，所以电流流向为信号线110到信号线100。如图2中的30模块所示为一种具体的实现方法，由一个反相器与一个传输门组成，反相器的输入接驱动逻辑输入信号V_IN，输出接至传输门的PMOS管M13与NMOS管M14的栅极。当驱动逻辑输入信号V_IN为高电平时，反相器输出为低电平，此时PMOS管M13导通，由于信号线100的电平高于信号线110的电平，所以此时电流从信号线100流向信号线110对其进行充电；当驱动逻辑输入信号V_IN为低电平时，反相器输出为高电平，此时NMOS管M14导通，由于信号线100的电平低于信号线110的电平，所以此时电流从信号线110流向信号线100对其进行放电。信号线100与信号线110的电平高低关系由信号线80与90的电平高低关系决定。

如图1所示，相位补偿模块用于实现对功率器件的控制端进行电压预置，消除死区时间。如果不进行相位补偿，即会出现如图3所示的情形。其中t_dt为死区时间，t_r与t_f分别为上升时间与下降时间。如图2所示为相位补偿模块的具体实现电路。当驱动逻辑输入信号V_IN为低电平时，驱动器输出信号下降，此时无需相位补偿，所以PMOS管M15、M16与M22被关断，相位补偿功能被屏蔽；当驱动逻辑输入信号V_IN变为高电平时，驱动器输出信号上升，功率驱动管的栅极电压开始上升，此时需要加入相位补偿，所以PMOS管M15、M16与M22被打开，由电阻R2支路产生的电流首先通过PMOS管电流镜M18与M23镜像至NMOS管M20与M21，由于NMOS管M19与M20为对称设计，所以由NMOS管M21产生的栅源电压被传输到信号线110上，使得信号线110被快速提升至M21的栅源电压上，即完成了相位提前的功能。在具体设计中，通过合理设计M21的宽长比以及R2支路的电流，即可使V₁₁₀的初始电压为NMOS功率管50的阈值电压，消除了功率管50的栅极电压从零伏到阈值电压的死区时间，进而保证了驱动器输出上升沿与下降沿的相位关系，精确控制了驱动器输出的上升时间。

如图1、2所示，负载60)与隔离器70均采用了一种常见的电阻与缓冲器。

综上所述，当驱动逻辑输入信号V_IN从低变高时，一方面，相位补偿模块迅速提升功率器件的控制端电压到开启电压。另一方面，跨导运放的正相输入端通过第一切换开关被接至基准电压V_REF，负相输入端通过缓冲器被接至驱动器输出，跨导运放的输出通过第二切换开关使电流流向功率输出管的栅极。此时，驱动器输出的上升时间由功率输出管的栅极寄生电容与跨导运放的跨导决定。而此处的跨导又由跨导运放的尾电流I_DS、输入对管M7与M8的宽长比、负载电流镜的比例k决定。所以，在具体的设计中，可以通过设计以上参数，即可得到合适的驱动器输出上升时间与上升斜率。同理，当驱动逻辑输入信号V_IN从高变低时，跨导运放的正相输入端通过第一切换开关被接至地，负相输入端通过缓冲器被接至驱动器输出，跨导运放的输出通过第二切换开关使电流从功率输出管的栅极放电到地。此时，驱动器输出的下降时间也由功率输出管的栅极寄生电容与跨导运放的跨导决定。由于跨导运放的对称设计，下降时间与上升时间相等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种斜率受控的驱动器，其特征在于，包括驱动逻辑输入信号、第一切换开关、跨导运算放大器、第二切换开关、相位补偿模块、功率器件、隔离反馈模块以及负载；第一切换开关、跨导运算放大器、第二切换开关、功率器件以及负载依次顺序连接，隔离反馈模块设置在功率器件的驱动端与跨导运算放大器的输入端之间，相位补偿模块的输出端连接至第二切换开关的输出端和功率器件的输入端；

驱动器的上升斜率通过第一切换开关将跨导运放的正相输入端接至基准电压，负相输入端接至驱动输出来控制；驱动器的下降斜率通过第一切换开关将跨导运算放大器的正相输入端接至地，负相输入端接至驱动输出来控制。

2.如权利要求1所述一种斜率受控的驱动器，其特征在于，所述相位补偿模块用来消除功率器件的启动过程中的死区时间。

3.如权利要求1所述一种斜率受控的驱动器，其特征在于，所述隔离反馈模块用来实现在系统关闭以及极端条件下对内部电路的保护。

4.如权利要求1所述一种斜率受控的驱动器，其特征在于，所述跨导运放通过检测其正相输入端信号与负相输入端信号的误差，产生一定的输出电流。

5.如权利要求1所述一种斜率受控的驱动器，其特征在于，所述第二切换开关在驱动逻辑输入信号V_IN的高电平期间电流流向为从跨导运算放大器输出端经过第二切换开关到功率器件的控制端；而在驱动逻辑输入信号V_IN的低电平期间电流流向为从功率器件的控制端经过第二切换开关到跨导运算放大器的输出端。

6.如权利要求1所述一种斜率受控的驱动器，其特征在于，所述相位补偿模块实现在驱动逻辑输入信号V_IN从低跳变到高时，立即对功率器件的控制端进行快速电压提升至功率器件的开启电压。

7.如权利要求1所述一种斜率受控的驱动器，其特征在于，所述功率器件的控制端与第二切换开关以及相位补偿模块相连，其中功率器件的控制端为功率器件的输入控制信号；所述负载为驱动器的输出负载器件。