CN102611425A - 一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路，包括浮动电源VB-VS，双脉冲产生电路，高压电平位移电路，含有随机失调噪声滤波电路的噪声滤波电路，RS触发器，输出驱动电路，在随机失调噪声滤波电路上连接有共模噪声滤波电路，并且共模噪声滤波电路的第一、第二输出端与随机失调噪声滤波电路的第一、第二输入端连接，所述共模噪声滤波电路由六个与非门和四个反相器组成，它能有效的滤除高压侧电源VB浮动过程中产生的电源共模噪声，避免了高压侧电路由于共模噪声干扰而造成的误触发现象，所述共模噪声滤波电路，采用纯数字电路、没有无源器件、电路结构简单，适合高压侧栅极驱动电路、半桥驱动电路和智能功率模块等芯片的应用。

Description

一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术中高压侧栅极驱动电路的技术领域，特别是高压侧栅极驱动电路、半桥驱动电路和智能功率模块等芯片的应用。

 

背景技术

随着电力电子技术的发展，高压集成电路通过将低压控制电路、各种保护电路、高压功率器件集成到一起，显著提高了整机的集成度和稳定性，具有集成密度高、体积小、速度快、功耗低等优点，已在国民经济中发挥了非常重要的作用。半桥驱动芯片是采用先进的浮动电源供电方式的高压集成电路，是高压电子器件与起控制作用的传统逻辑电路或模拟电路的单片集成，近年来已逐渐取代分立电子元器件所搭建的传统电子控制系统。

       半桥驱动芯片将低压电路和高压电路集成在一起，通过高压电平位移电路实现低压控制信号到高压控制信号的转移，从而实现对高侧电路的控制。高侧电路采用浮动电源供电，一般有两种方式，自举电容式供电和电荷泵式供电，由于自举电容式供电结构简单、成本低、系统应用方便，所以大部分半桥驱动电路采用自举电容式供电方式。随着芯片紧凑型、可靠性、智能化要求的提升，有些半桥栅极驱动芯片将功率管也集成到一块，比如国际整流器公司的IR3103和IR3101产品，实现了完整的系统功能，方便了系统工程师的设计。

       半桥驱动芯片主要用来驱动外部半桥拓扑结构的功率管，分为高侧驱动电路和低侧驱动电路。高侧驱动电路采用浮动电源供电，在高侧电路中与浮动电源相连接的导线上都会有浮动电源噪声，其中最为突出的是，在外部功率管开关过程中，电源浮动噪声在高压电平位移电路LDMOS管上产生位移电流，这个位移电流通过高压电平位移电路的漏端电阻，从而在漏端电阻上产生压降，如果噪声比较大，那么后级电路将这个噪声拾取后误认为是正常工作时的触发信号，那么将会导致外部功率管的误触发造成闭锁，这个噪声就是所谓的共模噪声。由于在工艺制造过程中的偏差，两路高压电平位移电路将呈现不匹配，高压电平位移电路的输出信号除了带有较大的共模噪声，还带有随机失调噪声，这些噪声都有可能引起外部功率管的误触发。飞兆半导体公司的半桥驱动芯片含有抗共模噪声抑制电路，但它的共模噪声抑制电路主要缺点在于：①为模拟电路，电路整体的结构比较复杂，实现方式困难；②有无源器件，占用芯片面积大；③在芯片正常工作时有电源到地的电流通路，功耗比较大。

 

发明内容

       本发明针对高压侧栅极驱动电路抗共模噪声干扰现有技术的不足，提供了一种结构简单、采用纯数字电路的抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路，有效的消除了高压侧电源VB浮动带来的共模噪声和随机失调噪声的干扰。

       本发明的技术方案为：

一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路，包括浮动电源VB-VS，双脉冲产生电路，高压电平位移电路，含有随机失调噪声滤波电路的噪声滤波电路，RS触发器，输出驱动电路,其中双脉冲产生电路将低压控制信号V_in转换成窄脉冲V_on和窄脉冲V_off作为高压电平位移电路的输入，高压电平位移电路完成低压控制信号到高压控制信号的转换，然后高压控制信号经过噪声滤波电路的滤波，再经过RS触发器，RS触发器将窄脉冲信号还原为高压侧栅极驱动电路的控制信号，控制信号再经过输出驱动电路增加其驱动能力,其特征在于：在随机失调噪声滤波电路上连接有共模噪声滤波电路，并且共模噪声滤波电路的第一、第二输出端与随机失调噪声滤波电路的第一、第二输入端连接，所述共模噪声滤波电路由第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门、第五与非门、第六与非门和第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器组成，第一与非门的一个输入端与第三与非门的一个输入端连接并作为共模噪声滤波电路的一个输入端，第一与非门的另一个输入端与第二与非门的一个输入端连接并作为共模噪声滤波电路的另一个输入端，第一与非门的输出端分别与第二与非门的另一个输入端及第三与非门的另一个输入端连接，第二与非门的输出端及第三与非门的输出端分别与第四与非门的两个输入端连接，第四与非门的输出端分别与第五与非门的一个输入端及第六与非门的一个输入端连接并用于将控制信号A传输给第五与非门及第六与非门，所述第一与非门的一个输入端依次通过第三反相器及第四反相器与第六与非门的另一个输入端连接，所述第一与非门的另一个输入端依次通过第一反相器及第二反相器与第五与非门的另一个输入端连接，所述第五与非门的输出端作为共模噪声滤波电路的第一输出端，所述第六与非门的输出端作为共模噪声滤波电路的第二输出端。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明可以有效的降低在芯片工作过程中高侧电源浮动所产生的共模噪声和随机失调噪声对电路工作状态的影响，保证高侧电路的正常信号不受噪声干扰。

       2、本发明电路结构简单，而且没有无源器件。抗共模电源噪声干扰电路只需要六个与非门和四个反相器，为纯数字电路，与其他抗共模电源噪声电路相比电路结构简单，而且电路结构中没有用到无源器件，版图面积小。

       3、共模噪声抑制电路的功耗低。传统的抗共模噪声抑制电路，在芯片正常工作时有电源到地的电流通路，功耗比较大。本发明所采用的电路结构是纯数字电路，功耗很低。

4、版图实现形式简单，在传统的模拟抗共模噪声电路中，对于版图的对称性和匹配性要求很高，本发明的电路为纯数字电路，对版图对称性与匹配性的要求较低。

附图说明

图1是半桥驱动电路驱动外部功率管的基本拓扑结构。

图2是本发明可抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路的结构框图。

图3是噪声滤波电路的内部结构原理图。

图4是高压侧电路正常工作时的时序图。

图5是本发明噪声滤波电路的工作时序图。

 

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路，包括浮动电源VB-VS，双脉冲产生电路1，高压电平位移电路2，噪声滤波电路3，RS触发器4，输出驱动电路5,其中双脉冲产生电路1将低压控制信号V_in转换成窄脉冲V_on和窄脉冲V_off输出给高压电平位移电路2，高压电平位移电路2完成低压控制信号到高压控制信号的转换，然后信号经过噪声滤波电路3的滤波，然后经过RS触发器4将窄脉冲信号还原为高侧栅极驱动电路的控制信号，再经过输出驱动电路5，增加控制信号的驱动能力，其中RS触发器4是由两个与非门组成的低电平有效的触发器。其特征在于：噪声滤波电路3还包括共模噪声滤波电路3-1和随机失调噪声滤波电路3-2。共模噪声滤波电路3-1由六个与非门NAND1-NAND6和四个反相器inv1-inv4组成，它们由浮动电源VB-VS供电，输入接高压电平位移电路中反相器的输出，输出接随机失调噪声滤波电路3-2。其中，与非门NAND1的输入接高压电平位移电路的输出V_set和V_rst，与非门NAND2的输入接V_set和与非门NAND1的输出，与非门NAND3的输入接V_rst和与非门NAND1的输出，与非门NAND4的输入接与非门NAND2的输出和与非门NAND3的输出，然后与非门NAND4输出控制信号A。置位通道的反相器inv1，其输入接高压电平位移电路的输出V_set，输出接反相器inv2，复位通道的反相器inv3，其输入接高压电平位移电路的输出V_rst，输出接反相器inv4。与非门NAND5的输入接反相器inv2的输出和控制信号A，输出置位信号Vset1，与非门NAND6的输入接反相器inv4的输出和控制信号A，输出复位信号Vrst1。

随机失调噪声滤波电路3-2包括置位信号V_set失调噪声滤波电路和复位信号V_rst失调噪声滤波电路，输入分别接共模噪声滤波电路的输出Vset1和Vrst1，输出分别为Vset和Vrst。其中置位信号V_set失调噪声滤波电路由PMOS管M1，NMOS管M2，滤波电阻R3和滤波电容C1组成，PMOS管M1的源端接浮动电源VB，NMOS管M2的源端接浮置地VS，经过电阻R3和电容C1滤波后的置位信号，再经过施密特触发器SMT1的整形后输出Vset；复位信号V_rst失调噪声滤波电路由PMOS管M3，NMOS管M4，滤波电阻R4和滤波电容C2组成，PMOS管M3的源端接浮动电源VB，NMOS管M4的源端接浮置地VS，经过电阻R4和电容C2滤波后的置位信号，再经过施密特触发器SMT2的整形后输出Vrst。

如图2所示，本发明的一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路，主要包括双脉冲产生电路1、高压电平位移电路2、噪声滤波电路3、RS触发器4和输出驱动电路5，其中噪声滤波电路包括共模噪声电路3-1和随机失调噪声滤波电路3-2。为了减小高压电平位移电路中LDMOS管的导通功耗，低压侧控制信号到高压侧的信号传递采用窄脉冲的形式工作，双脉冲产生电路将高侧的开关信号Vin转换为两个窄脉冲控制信号V_on和V_off；高压电平位移电路的作用是将低压侧的窄脉冲控制信号V_on和V_off转换为高压侧的窄脉冲控制信号，噪声滤波电路包括共模噪声滤波电路3-1和随机失调噪声滤波电路3-2，当高侧电源VB未波动时，共模噪声滤波电路不起作用，不影响正常信号的传递，随机失调噪声滤波电路将正常信号中夹杂的失调噪声滤除掉，然后将信号传送给RS触发器，完成信号在高侧的传递；当高侧电源VB波动时，电源VB的波动将会产生dv/dt噪声，然后在LDMOS管L1和L2的漏极形成一股位移电流，这个位移电流流过LDMOS管的漏极电阻R1和R2，在电阻R1和R2上产生压降，这样在LDMOS管L1和L2的漏极都会产生一个具有一定脉冲宽度的负脉冲噪声，然后经过后级反相器的输出，这样负脉冲噪声就进入了高侧电路，其中齐纳管Z1和Z2是保护后级反相器用的。其中随机失调噪声滤波电路本身也有一定的共模噪声滤波功能，但是当dv/dt噪声比较大、持续时间比较长时，它就不能将这个虚假负脉冲噪声滤掉，造成后级功率管的误触发。增加共模噪声率电路就可以有效的解决这个问题，电路结构简单，所用器件少，没有无源器件占用版图面积小，逻辑门电路统一，都为与非门和反相器。

结合图1和图2，详细介绍半桥驱动芯片中高压侧电路电源噪声产生的原理：高压侧电路由浮动电源VB-VS供电，通过自举电路来实现浮动电源，其中自举电路由电源VCC、自举二极管D_B、自举电容C_B组成，电源VCC接自举二极管D_B的阳极，二极管D_B的阴极接VB和自举电容C_B的上极板，C_B的下极板接浮置地VS。当外部功率管下管M_L关断，上管M_H开启时，高压浮置地VS电压迅速上升产生dv/dt噪声，高压浮置地VS电压的变化通过自举电容C_B耦合到浮动电源线VB上，浮动电源VB的变化将会在LDMOS管漏极形成一股位移电流，这个位移电流流过LDMOS管的漏极电阻，在漏极电阻上产生压降，这样就在LDMOS管的漏极产生一个负脉冲噪声，这个负脉冲噪声经过反相器进入到高侧电路。假设两支路高压电平位移电路完全匹配对称，在工艺制造中也无偏差，电阻R1和电阻R2完全一样，那么浮动电源VB的变化只会产生共模噪声，但是在实际情况中，由于工艺的偏差和电阻的漂移，浮动电源VB的变化还会在LDMOS管的漏极产生一定的随机失调噪声，这个随机失调噪声是差模的，即在浮动电源电压变化时，V_set和V_rst信号既含有共模电源噪声，也有随机失调电源噪声。

       结合图3，详细介绍噪声滤波电路的工作原理：

噪声滤波电路包括共模噪声滤波电路3-1和随机失调噪声滤波电路3-2。当浮动电源VB波动时，电源VB波动会在信号线V_set和V_rst上产生噪声，先假设V_set和V_rst信号上只有共模噪声，四个与非门NAND1、NAND2、NAND3、NAND4实现异或功能，它能检测V_set和V_rst上的共模噪声，当共模噪声经过四个由与非门NAND1—NAND4组成的异或门时，输出信号A为低电平，封锁与非门NAND5和与非门NAND6，使得加载在信号V_set和V_rst上的共模噪声不能通过与非门NAND5和NAND6，这样就实现了对信号线上V_set和V_rst共模噪声的滤除。

当浮动电源VB波动时，由于实际工艺的偏差，使得信号线V_set和V_rst上不仅有共模噪声，而且还有随机失调噪声，随机失调噪声是差模信号，它经过四个由与非门NAND1—NAND4组成的异或门时，输出信号线A为高电平，这样与非门NAND5和与非门NAND6被打开，四个反相器inv1、inv2、inv3、inv4的作用是实现高侧正常信号传输延迟的匹配，这样含有随机失调噪声的信V_set和V_rst可以顺利通过共模噪声滤波电路输出为V_set1和V_rst1。如果V_set1上有随机失调噪声，一般随机失调噪声的脉冲宽度很窄，这个很窄的脉冲开启PMOS管M1，通过电阻R3给电容C1充电，充电的幅度小于下一级施密特触发器SMT1的阈值电压，这样V_set1上的随机失调噪声就被滤除了；同理，如果V_rst1上有随机失调噪声，一般随机失调噪声的脉冲宽度很窄，这个很窄的脉冲开启PMOS管M3，通过电阻R4给电容C2充电，充电的幅度小于下一级施密特触发器SMT2的阈值电压，这样V_rst1上的随机失调噪声就被滤除了。

图4为高压侧电路正常工作时的时序图。Vin经过双脉冲产生电路和高压电平位移电路输出置位信号V_set和复位信号V_rst，二者是差模信号，如同差模噪声一样，差模信号也毫无影响的通过共模噪声滤波电路输出置位信号V_set1和复位信号V_rst1，差模信号的脉冲宽度相比差模噪声的脉冲宽度来说大得多，随机失调噪声滤波电路不会对差模信号造成影响，通过RC滤波电路和施密特触发器的整形后输出置位信号Vset和复位信号Vrst，滤波电路输出的置位信号Vset和复位信号Vrst经过RS触发器4的锁存，将窄脉冲信号还原为高侧驱动控制信号V_Q，然后高侧驱动控制信号V_Q经过驱动电路的功率放大输出高侧驱动信号H_O。

      结合图5的波形图来解释噪声滤波电路的过程：

       当开关转换时，高侧浮动电源VB会产生比较大的dv/dt噪声，这个噪声在LDMOS管L1和L2的漏端寄生电容上产生位移电流，位移电流流过电阻R1和R2产生压降，经过后级反相器的拾取，得到含有噪声的信号V_set和V_rst，假设由于工艺的偏差和电阻的漂移使得置位端的噪声脉宽相比复位端的要宽一些，宽出来的那一部分就是所谓的随机失调噪声，脉宽相同的那一部分就是所谓的共模噪声。共模噪声经过与非门NAND1—NAND4所组成的异或门，输出信号A为低电平，将与非门NAND5和NAND6封锁，使得共模噪声不能通过与非门NAND5和NAND6。这样共模噪声就滤除了。含有噪声的信号V_set和V_rst经过共模噪声滤波电路后输出Vset1和Vrst1，那么Vset1和Vrst1只含有随机失调噪声了，然后Vset1和Vrst1再经过各自的失调噪声滤波电路，失调噪声也被滤除，Vset和Vrst输出高电平，后级低电平有效的RS触发器就不会发生翻转，不会造成外部功率管的误触发，这样就实现了对电源噪声的抑制。

Claims (1)

1. 一种抗电源噪声干扰的高压侧栅极驱动电路，包括浮动电源VB-VS，双脉冲产生电路(1)，高压电平位移电路(2)，含有随机失调噪声滤波电路（3-2）的噪声滤波电路(3)，RS触发器(4)，输出驱动电路(5),其中双脉冲产生电路(1)将低压控制信号V_in转换成窄脉冲V_on和窄脉冲V_off作为高压电平位移电路（2）的输入，高压电平位移电路（2）完成低压控制信号到高压控制信号的转换，然后高压控制信号经过噪声滤波电路（3）的滤波，再经过RS触发器（4），RS触发器（4）将窄脉冲信号还原为高压侧栅极驱动电路的控制信号，控制信号再经过输出驱动电路（5）增加其驱动能力,其特征在于：在随机失调噪声滤波电路（3-2）上连接有共模噪声滤波电路（3-1），并且共模噪声滤波电路（3-1）的第一、第二输出端与随机失调噪声滤波电路（3-2）的第一、第二输入端连接，所述共模噪声滤波电路（3-1）由第一与非门（NAND1）、第二与非门（NAND2）、第三与非门（NAND3）、第四与非门（NAND4）、第五与非门（NAND5）、第六与非门（NAND6）和第一反相器（inv1）、第二反相器（inv2）、第三反相器（inv3）、第四反相器（inv4）组成，第一与非门（NAND1）的一个输入端与第三与非门（NAND3）的一个输入端连接并作为共模噪声滤波电路（3-1）的一个输入端，第一与非门（NAND1）的另一个输入端与第二与非门（NAND2）的一个输入端连接并作为共模噪声滤波电路（3-1）的另一个输入端，第一与非门（NAND1）的输出端分别与第二与非门（NAND2）的另一个输入端及第三与非门（NAND3）的另一个输入端连接，第二与非门（NAND2）的输出端及第三与非门（NAND3）的输出端分别与第四与非门（NAND4）的两个输入端连接，第四与非门（NAND4）的输出端分别与第五与非门（NAND5）的一个输入端及第六与非门（NAND6）的一个输入端连接并用于将控制信号A传输给第五与非门（NAND5）及第六与非门（NAND6），所述第一与非门（NAND1）的一个输入端依次通过第三反相器（inv3）及第四反相器（inv4）与第六与非门（NAND6）的另一个输入端连接，所述第一与非门（NAND1）的另一个输入端依次通过第一反相器（inv1）及第二反相器（inv2）与第五与非门（NAND5）的另一个输入端连接，所述第五与非门（NAND5）的输出端作为共模噪声滤波电路（3-1）的第一输出端，所述第六与非门（NAND6）的输出端作为共模噪声滤波电路（3-1）的第二输出端。

Images