CN102255494A - 抑制噪声的电平移位电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制噪声的电平移位电路，主要解决现有技术的共模噪声和差模噪声难以完全消除以及电路结构复杂占用芯片面积大的缺点。该电路包括双脉冲转换电路、高压电平移位对管、欠压检测电路、电流信号采集电路以及驱动信号恢复电路；双脉冲转换电路将驱动方波信号转换成双脉冲电压信号，再由电平移位电路将该双脉冲电压信号转换成电流信号，电流信号采集电路直接采集该电流信号并提供给驱动信号恢复电路，驱动信号恢复电路去除该电流信号中包含的共模和差模噪声并直接输出恢复的电压驱动信号。本发明不仅可以消除共模噪声，还可以消除差模噪声，电路结构简单，节省芯片面积，可用于电子镇流器等具有浮动电位结构的芯片。

Description

抑制噪声的电平移位电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及功率模拟集成电路，特别是一种抑制噪声的电平移位电路，可用于荧光灯电子镇流器芯片中。

背景技术

传统的电子镇流器等中，通常用变压器驱动逆变电路，这种用变压器驱动逆变电路，不但功耗和占用面积较大，而且开关特性欠佳。利用芯片内集成的电平移位电路可以在无需传统变压器的情况下将低压控制信号传递给高压驱动电路，产生所需的高压驱动信号，能够节省功耗和面积，且开关特性较好。

但是，片内集成的电平移位电路由于通过浮动电源供电，当高端功率管导通时，浮动电源VB和VS剧烈变化，在电平移位对管的寄生电容上产生击穿效应，从而在电平移位对管的输出支路分别产生一个尖锋电流噪声。如果电平移位对管这两条电平移位输出支路完全匹配，则两条支路同时引入相同的尖锋噪声，此种噪声称为共模噪声。如果两条电平移位支路不完全匹配，则两条支路引入尖锋噪声有差别，此种情况下的噪声称为差模噪声。应用在高压集成电路中的电平移位电路通过两支完全匹配的电平移位支路来实现，一条支路用于置位，一条支路用于复位，两条支路中均通过窄脉冲信号。这两支脉冲信号来自驱动信号的两个边沿，通过双脉冲转换电路，分别产生代表驱动信号上边沿的置位信号和代表驱动信号下边沿的复位信号。当电平移位后，将脉冲信号转换恢复成为驱动信号。共模噪声的大小和时间长度往往同窄脉冲信号相比拟，若不处理将会带来误触发，从而使驱动信号无法恢复。差模噪声过大时也会产生误触发，因此也要加以抑制。

现有技术主要有三种电路抑制噪声并将置位、复位脉冲信号恢复成为驱动信号。第一种电路是在电平移位对管的输出支路与浮动高电平VB之间加入匹配电阻，将信号和噪声脉冲均转换为电压信号，再通过电路调节将置位和复位信号脉冲拉长，使信号脉冲的持续时间大于噪声的持续时间，再通过后续的滤波电路，将噪声持续时间长度内的所有脉冲滤除，未被完全滤除的信号脉冲经过RS触发器恢复成为驱动信号。该电路的缺点是：当电路外部环境变化时，滤波器的滤除时间长度和信号及噪声脉冲的宽度变化较大，因此带来噪声不完全滤除或信号完全被滤除的隐患；同时脉冲信号需要单独的RS触发器恢复成驱动信号，使得该电路的规模很大。

第二种电路也在电平移位对管的输出支路与浮动高电平VB之间加入匹配电阻后，通过复杂结构再将产生电压信号转化为电流信号，在通过大量并联差分对管，对该电流进行差分放大从而去除共模噪声，再通过电阻电容无源滤波器电路结构将差模信号消除，再将处理后的脉冲信号通过RS触发器恢复成为驱动信号。由于电路中信号转换次数较多，噪声消除电路复杂，还需要独立的RS触发器恢复驱动信号，该电路的规模特别巨大，不利于电路集成。

第三种电路采用电流信号直接比较的方法，抑制共模噪声，再转换成电压信号后通过滤波结构消除差模噪声，处理后的脉冲信号还要经过RS触发器恢复成为驱动信号。由于电路中抑制共模噪声的电路抑制能力有限，当外界环境变化时容易造成共模噪声未被完全抑制的隐患，同时电路规模也较大，不利于电路集成。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结构简单、便于集成的抑制噪声的电平移位电路，以实现在外界环境变化时能完全消除共模噪声和差模噪声，并直接恢复驱动信号，大幅度节省芯片面积。

为实现上述目的，本发明包括：双脉冲转换电路、高压电平移位对管、欠压检测电路和驱动动电路，其特征在于：所述高压电平移位对管的输出端连接有电流采样电路，用于直接采集带有噪声的电流信号，该电流采样电路与驱动动电路之间连接有驱动信号恢复电路，用于消除噪声并保留有用脉冲电流信号，同时将该脉冲电流信号恢复成驱动信号，传输给驱动电路，对其增强后输出。

所述双脉冲转换电路的输入端与驱动电压信号V₀连接，将该驱动信号V₀的上升沿和下降沿分别转换为电压脉冲控制信号V₁和V₂，并输出给高压电平移位对管。

所述高压电平移位对管，包括耐200V以上高压的LDMOS管L₁和L₂；该L₁和L₂管相匹配，且两管漏极与源极之间的导通电阻R₁与R₂阻值设定为大于2MΩ。

所述电流采样电路，包括PMOS管M₁、M₂、M₃、M₄以及两个齐纳二极管D₁和D₂；该PMOS管M₁和M₂相匹配，分别构成两个电流源，分别采集第一电流信号I₁和第二电流信号I₂；该第一齐纳二极管D₁的阳极、阴极分别与PMOS管M₁的漏极、源极相连，保护PMOS管M₁不被噪声信号击穿；该第二齐纳二极管D₂的阳极、阴极分别与PMOS管M₂的漏极、源极相连，保护PMOS管M₂不被噪声信号击穿；该PMOS管M₃和M₄相匹配，其源极与电源VB相连，栅极分别与PMOS管M₂和M₁相连，构成两个电流镜，分别将第一电流信号I₁和第二电流信号I₂镜像到PMOS管M₃和M₄的漏极，通过漏极分别输出第三电流信号I₃和第四电流信号I₄；PMOS管M₄的漏极与源极之间产生有寄生导通电阻R₄。

所述驱动信号恢复电路，包括NMOS管M₅和M₆、电容C₁及与门AND；该NMOS管M₅与M₆匹配，其漏极分别与PMOS管M₃和M₄的漏极相连，栅极互相连接并与NMOS管M₅的漏极相连，源极均与VS相连，第四电流信号I₄经过NMOS管M₅的漏极采集并通过NMOS管M₆的漏极等比例镜像输出第五电流信号I₅；NMOS管M₆的漏极与源极之间产生有寄生导通电阻R₆。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明由于采用高压电平移位对管的输出端与电流采样电路相连，以直接采集带有噪声的电流信号，因而无需增加多余电流、电压转换结构，减少了晶体管和无源元件的数量，进而减小了芯片面积。

2、本发明中由于通过连接在电流采样电路与驱动电路之间的驱动信号恢复电路，使噪声的消除和驱动信号的恢复实现了复用，同时减少了晶体管和无源元件的使用，从而大幅度减少了芯片面积。

3、本发明中由于采用电流采样电路与驱动信号恢复电路，以两电路中电流镜像相互抵消的方式消除共模噪声，由于电流的镜像关系不会因外界环境而发生变化，保证了共模噪声完全被消除。

4、本发明中由于电流采样电路中电流镜像时成一定比例缩小，抑制了差模噪声；同时电流采样电路中的晶体管与驱动恢复电路中的电容形成的RC滤波器进一步滤除噪声，从而使差模噪声被完全消除。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图。

图2为本发明中电平移位对管、电流采样电路以及驱动信号恢复电路的电路图。

图3为本发明的时序图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括：双脉冲转换电路1、高压电平移位对管2、欠压检测电路3、驱动电路4、电流采样电路5和驱动信号恢复电路6，其中，高压电平移位对管2连接在双脉冲转换电路1与电流采样电路5之间，驱动信号恢复电路6的输入与电流采样电路5的输出相连，其输出端与驱动电路4的输入相连，欠压检测电路3为驱动信号电路6提供欠压指示电压信号V₃。双脉冲转换电路1的输入端接入原始低端电压驱动信号V₀，其两路输出端分别输出脉冲电压信号V₁和V₂，高压电平移位对管2的LDMOS管L₁和L₂分别将两路电压信号V₁和V₂转换成第一电流信号I₁和第二电流信号I₂；该两路电流信号I₁和I₂输入到电流采样电路5中进行等比例缩小，输出第三电流信号I₃和第四电流信号I₄，该第三电流信号I₃和第四电流信号I₄输入到驱动信号恢复电路6中经过去除噪声和转化形成电压驱动信号V₅；欠压检测电路3为驱动信号恢复电路6提供欠压指示信号V₃，欠压状态下该指示信号V₃通过驱动信号恢复电路6中的逻辑使电压驱动信号V₅拉低为VS的电位，正常工作状态下信号V₃无效，电压驱动信号V₅正常输出；驱动电路4将V₅增强驱动能力后输出为驱动信号HO。

参照图2，本发明的主要的电路模块工作原理如下：

所述高压电平移位对管2，包括耐200V以上的高压的LDMOS管L₁和L₂，该L₁和L₂管相匹配，且两管漏极与源极之间的导通电阻R₁与R₂阻值设定为大于2MΩ；脉冲电压信号V₁接入第一LDMOS管L₁的栅极，当V₁为高电平V₁＝5V时，该第一LDMOS管L₁导通，V₁为低电平V₁＝0V时，该管L₁关断，该第一LDMOS管L₁中流过电流记作第一电流信号I₁；脉冲电压信号V₂接入第二LDMOS管L₂的栅极，当V₂为高电平V₂＝5V时，该第二LDMOS管L₂导通，V₂为低电平V₂＝0V时，该管L₂关断，该第二LDMOS管L₂中流过电流记作第二电流信号I₂；该电流信号I₁和I₂均小于100μA，且分别在LDMOS管L₁和L₂的漏极输出。在电流信号I₁和I₂通过上述高压电平移位对管2过程中，由于浮动电源在LDMOS管L₁和L₂的寄生电容C₂和C₃上变化，产生是两个相等的共模噪声电流信号I₆和I₇，其值表示为第八电流信号I₈，用如下公式表示：

$I_8=I_6=I_7=C_2\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=C_3\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=C_0\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}$

其中，C₂为LDMOS管L₁的寄生电容容值；C₃为LDMOS管L₂的寄生电容容值；C₀为C₂和C₃的平均值；dV为浮动电源的电压变化量；dt为浮动电源电压变化时的对应时间长度。

当LDMOS管L1和L2并未完全匹配时，电容C2与C3的容值不同，因此引起两路电流噪声大小不同，它们的差值就是差模噪声，表示为第九电流信号I₉，其大小用如下公式表示：

$I_9=|I_6-I_7|=|(C_2-C_3)\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}|=2\×|\mathrm{\ΔC}\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}|,$ 其中， $\mathrm{\ΔC}=|C_2-C_0|=|C_0-C_3|=\frac{1}{2}\×|C_2-C_3|.$

所述电流采样电路5，包括PMOS管M₁、M₂、M₃、M₄以及两个齐纳二极管D₁和D₂；该PMOS管M₁和M₂相匹配，分别构成两个电流源，分别采集第一电流信号I₁和第二电流信号I₂；该第一齐纳二极管D₁的阳极、阴极分别与PMOS管M₁的漏极、源极相连，保护PMOS管M₁不被噪声信号击穿；该第二齐纳二极管D₂的阳极、阴极分别与PMOS管M₂的漏极、源极相连，保护PMOS管M₂不被噪声信号击穿；该PMOS管M₃和M₄相匹配，其源极与电源VB相连，栅极分别与PMOS管M₂和M₁相连，构成两个电流镜，分别将第一电流信号I₁和第二电流信号I₂镜像到PMOS管M₃和M₄的漏极，通过漏极分别输出第三电流信号I₃和第四电流信号I₄。第一电流信号I₁和第三电流信号I₃的比例U₁＝I₁/I₃大于2，第二电流信号I₂和第四电流信号I₄的比例U＝I₂/I₄大于2，且保证U₁＝U₂；PMOS管M₄的漏极与源极之间产生有寄生导通电阻R₄。

噪声信号在经过电流采样电路5后，也由于成比例镜像作用发生变化，则经过该电流采样电路5后，共模噪声的值变化为第十电流信号I₁₀，用以下公式表示：

I₁₀＝I₉/U₁＝I₉/U₂

差模噪声的值变化为第十一电流信号I₁₁，用以下公式表示：

I₁₁＝I₈/U₁＝I₈/U₂

所述驱动信号恢复电路6，包括NMOS管M₅和M₆、电容C₁及与门AND；该NMOS管M₅与M₆匹配，其漏极分别与PMOS管M₃和M₄的漏极相连，栅极互相连接并与NMOS管M₅的漏极相连，源极均与VS相连，第四电流信号I₄经过NMOS管M₅的漏极采集并通过NMOS管M₆的漏极等比例镜像输出第五电流信号I₅；NMOS管M₆的漏极与源极之间产生有寄生导通电阻R₆。PMOS管M₄和NMOS管M₆的漏极分别输出第三电流信号I₃和第五电流信号I₅，两管漏极相连并连接在电容C₁上，以消除共模噪声；PMOS管M₄的导通电阻R₄和C₁组成RC滤波器，NMOS管M₆的寄生导通电阻R₆与电容C₁组成RC滤波器，用于滤除第三电流信号I₃和第五电流信号I₅中的差模噪声，以在电容C₁上恢复电压驱动信号V₄。

共模噪声去除的原理为：由PMOS管M₄流出的第三电流信号I₃和由NMOS管M₆流出的第五电流信号I₅中均含有大小相等且为I₁₀、方向相反的共模噪声信号，两路信号在电容C₁的一端交汇且相互抵消，从而消除了共模噪声，在电容C₁上不形成电压变化。

差模噪声去除的原理为：差噪声信号被电流采样电路5抑制，缩小为了原来的1/U₁，从而使其大小变化为第十一电流信号I₁₁。由PMOS管M₄的导通电阻R₄和C₁组成RC滤波器，滤除流过PMOS管M₄的差模噪声；由NMOS管M₆的寄生导通电阻R₆与电容C₁组成RC滤波器，滤除流过NMOS管M₆的差模噪声。

参照图2和图3，驱动信号恢复的原理如下：

图3a给出了原始驱动信号V₀，当该驱动信号V₀经过双脉冲转换电路1转换成脉冲，经过高压电平移位对管2提升电压，并去除共模噪声和差模噪声后分别形成如图3b所示的第三电流信号I₃和如图3c所示的第五电流信号I₅，当第三电流信号I₃不为零时，由PMOS管M₄流过电流为电容C₁充电，电容C₁上电压升到高电平VB；当第五电流信号I₅不为零时，由NMOS管M₆流过的电流为C₁放电，使电容C₁上电压降至VS电平，不断重复此过程，即可恢复出驱动电压信号V₄。V₄输出前，需先同欠压指示信号V₃在与门AND处进行逻辑处理，当欠压状态时，V₃为低电位即V₃＝VS，与门AND输出的电压驱动信号V₅保持为低电位；当正常工作状态时，V₃为高电位V₃＝VB，此时电压驱动信号V₅＝V₄，如图3d所示，再经驱动电路4增强驱动能力后输出驱动信号HO，如图3e所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种抑制噪声的电平移位电路，包括：双脉冲转换电路(1)、高压电平移位对管(2)、欠压检测电路(3)和驱动动电路(4)，其特征在于：所述高压电平移位对管(2)的输出端连接有电流采样电路(5)，用于直接采集带有噪声的电流信号，该电流采样电路(5)与驱动动电路(4)之间连接有驱动信号恢复电路(6)，用于消除噪声并保留有用脉冲电流信号，同时将该脉冲电流信号恢复成驱动信号，传输给驱动电路(4)，对其增强后输出。

2.根据权利要求1所述的电平移位电路，其特征在于：所述双脉冲转换电路(1)的输入端与驱动电压信号V₀连接，将该驱动信号V₀的上升沿和下降沿分别转换为电压脉冲控制信号V₁和V₂，并输出给高压电平移位对管(2)。

3.根据权利要求1所述的电平移位电路，其特征在于：所述高压电平移位对管(2)包括耐200V以上高压的LDMOS管L₁和L₂；该L₁和L₂管相匹配，且两管漏极与源极之间的导通电阻R₁与R₂阻值设定为大于2MΩ。

4.根据权利要求2或3所述的电平移位电路，其特征在于：两路电压脉冲控制信号V₁和V₂通过L₁和L₂对管的栅极分别输入，并在L₁、L₂的漏极分别输出第一电流信号I₁和第二电流信号I₂，该电流信号I₁和I₂小于100μA。

5.根据权利要求1所述的电平移位电路，其特征在于：所述电流采样电路(5)包括PMOS管M₁、M₂、M₃、M₄以及两个齐纳二极管D₁和D₂；该PMOS管M₁和M₂相匹配，分别构成两个电流源，分别采集第一电流信号I₁和第二电流信号I₂；该第一齐纳二极管D₁的阳极、阴极分别与PMOS管M₁的漏极、源极相连，保护PMOS管M₁不被噪声信号击穿；该第二齐纳二极管D₂的阳极、阴极分别与PMOS管M₂的漏极、源极相连，保护PMOS管M₂不被噪声信号击穿；该PMOS管M₃和M₄相匹配，其源极与电源VB相连，栅极分别与PMOS管M₂和M₁相连，构成两个电流镜，分别将第一电流信号I₁和第二电流信号I₂镜像到PMOS管M₃和M₄的漏极，通过漏极分别输出第三电流信号I₃和第四电流信号I₄；PMOS管M₄的漏极与源极之间产生有寄生导通电阻R₄。

6.根据权利要求5所述的电平移位电路，其特征在于第一电流信号I₁和第三电流信号I₃的比例U₁＝I₁/I₃大于2，第二电流信号I₂和第四电流信号I₄的比例U₂＝I₂/I₄大于2，且保证U₁＝U₂。

7.根据权利要求1所述的电平移位电路，其特征在于：所述驱动信号恢复电路(6)包括NMOS管M₅和M₆、电容C₁及与门AND；该NMOS管M₅与M₆匹配，其漏极分别与PMOS管M₃和M₄的漏极相连，栅极互相连接并与NMOS管M₅的漏极相连，源极均与VS相连，第四电流信号I₄经过NMOS管M₅的漏极采集并通过NMOS管M₆的漏极等比例镜像输出第五电流信号I₅；NMOS管M₆的漏极与源极之间产生有寄生导通电阻R₆。

8.根据权利要求7所述的电平移位电路，其特征在于：PMOS管M₄和NMOS管M₆的漏极分别输出第三电流信号I₃和第五电流信号I₅，两管漏极相连并连接在电容C₁上，以消除共模噪声；PMOS管M₄的导通电阻R₄和C₁组成RC滤波器，NMOS管M₆的寄生导通电阻R₆与电容C₁组成RC滤波器，用于滤除第三电流信号I₃和第五电流信号I₅中的差模噪声，以在电容C₁上恢复电压驱动信号V₄。

9.根据权利要求1所述的电平移位电路，其特征在于：与门AND具有两个输入端，一个输入端接入C₁上电压信号V₄，另一输入端接入欠压指示信号V₃，该与门AND同时对驱动信号V₄整形，以输出形态完好的驱动电压信号V₅。

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