CN102647177A - 一种可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，主要包括高压电平位移电路，电压转换钳位电路，逻辑滤波电路，RS触发器，输出驱动级电路，其中，高压电平位移电路将低侧的脉冲产生信号转换成高侧的高压脉冲信号，电压转换钳位电路用来保证输出至逻辑滤波电路的双路噪声信号时序完全相同，以避免由于时间不匹配而产生错误的窄脉冲信号。逻辑滤波电路滤除经过电压转换钳位电路之后产生的共模噪声信号，只留下正常工作的脉冲信号，经过输出驱动级电路后输出方波信号，驱动外部的高侧功率管。

Description

一种可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路

技术领域

本发明涉及可抗共模噪声干扰的高压栅驱动技术领域，特别涉及一种在电机驱动领域应用的半桥驱动芯片中为防止驱动管被误操作所使用的共模噪声消除电路设计。

背景技术

驱动电路在马达、自动化控制、照明等多个领域发挥着非常重要的作用，它能够使得产品的体积变小、可靠性提高、稳定度增强，效率提升。

近几年来，随着人们节能意识与环保意识的增强，出现了多钟电力电子器件，使得驱动这些器件的功率集成电路大力发展，实现了真正的“弱电”控制“强电”。由于它体积小、成本低、节能、效率高以及智能化，为机电一体化开辟了新途径，被认为将会引起第二次电子革命。由于功率集成电路在电机驱动、智能开关电源、汽车电子、平板显示驱动以及通讯等方面有着广泛的用途，国际、国内在这些领域的市场潜力都很大，而国内对功率集成电路的研究还处于起步阶段，该类产品的国内市场基本上被国外产品所占领。因此，研究和设计有着广泛用途的功率集成电路对于发展我国尚属空白的功率IC技术，促进我国电子行业的发展，实现我国功率电子产品的国产化，对满足我国不断发展的高科技的需要具有现实意义。

半桥驱动芯片主要用来驱动外部半桥拓扑结构的功率管，内部的驱动电路按照工作电源电压的不同分为高压侧驱动电路与低压侧驱动电路，随着半桥拓扑结构晶体管的开通关断输出点电压工作在浮动状态，因此高压侧的驱动电路电压也应随着输出点电压的变化工作在浮动状态，这种功能主要可以通过外部的自举电路来实现。为了减小半桥驱动芯片整体的功耗，同时增加芯片的可靠性，主要通过产生双路短脉冲的方式来产生高压侧晶体管的驱动信号，再通过RS触发器还原成正常信号驱动高侧功率管。然而随着高压侧电路工作在浮动状态，由于高压侧电压的快速变化，同时高压电平位移电路中的开关管存在寄生电容，因此快速变化的电压会形成位移电流，对寄生电容进行充电，该位移电流会同时产生于两路位移电路当中，并在电阻R₀产生压降被后级电路误认为是正常工作时的触发信号，从而影响电路的正常信号，造成误触发，严重时会导致外部功率管直通而烧毁。为解决此种问题，可以采用脉冲滤波电路将该噪声消除，IR公司的半桥系列产品中都会采用此种电路。此种最常用的噪声消除电路主要缺点在于：①滤波宽度无法准确判断，如过小则会导致噪声无法滤除，过大则会导致脉冲产生的脉宽变大，从而增大功耗；②由于它在芯片整体信号的传播通路上，所以它会增加整体电路的延迟；③电阻电容受工艺波动影响较大，会影响滤波宽度的准确性。

发明内容

针对高压栅驱动芯片的共模噪声抑制问题，本发明提供一种能够有效避免产生误触发信号的可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，本发明能够在保证整体电路的可靠抗干扰的同时，不影响电路的正常工作状况，同时提高了系统应用的可靠性。

本发明的技术方案为：

一种可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平位移电路，逻辑滤波电路，RS触发器，输出驱动级电路，其中高压电平位移电路的输入由低压侧脉冲产生电路提供，逻辑滤波电路的输出经过RS触发器进入输出驱动级电路，其特征在于，在高压电平位移电路与逻辑滤波电路之间设有电压转换钳位电路，所述高压电平位移电路的输出接电压转换钳位电路的输入端，电压转换钳位电路的输出端接逻辑滤波电路的输入端，所述电压转换钳位电路由PMOS管M1、PMOS管M2，NMOS管M3，电阻R1、电阻R2以及与门AND1组成，PMOS管M1的栅端接高压电平位移电路的输出端Vset，PMOS管M2的栅端接高压电平位移电路的输出端Vreset，PMOS管M1、PMOS管M2的源端均接高压侧电源VB，PMOS管M1的漏端接电阻R1，PMOS管M2的漏端接电阻R2，电阻R1、电阻R2的另一端均接高压侧浮动地VS，NMOS管M3的栅端接与门AND1的输出端，NMOS管M3的漏端接PMOS管M1的漏端，NMOS管M3的源端接PMOS管M2的漏端，与门AND1的两路输入分别接PMOS管M1的漏端和PMOS管M2的漏端，同时与门AND1的两路输入分别接至逻辑滤波电路的两路输入端并分别用于将Set信号及Reset信号传输至逻辑滤波电路，并且与门AND1的输入翻转电平低于后级逻辑滤波电路的输入翻转电平。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)可以更加可靠的滤除共模噪声。本发明中包含的电压转换钳位电路可以将高压电平位移电路产生的共模噪声调整为时序以及幅度完全相同的噪声信号，然后再输出至逻辑滤波电路，以避免由于时间不匹配导致逻辑滤波电路无法完全滤除噪声信号而产生错误的窄脉冲信号。

(2)允许系统应用中浮动地VS的静态负压更低。电压转换钳位电路可以将高压电平位移电路的输出脉冲信号转化为电流，再转化为电压，解决了VS静态负压受到普通滤波电路第一级反相器翻转电平的限制。

(3)不影响电路的正常工作状况。栅驱动电路正常工作时电源电压稳定，因此抗共模噪声干扰电路并不工作，只有当电源中出现共模电源噪声时抗共模电源噪声干扰电路才起作用，所以说在保证整体电路的抗噪声干扰能力的同时，本发明并不影响电路的正常工作状况。

(4)芯片整体延迟小。本发明所述的共模噪声消除电路并不依赖于电阻电容滤波，因此正常信号的传输延时相比于普通的滤波电路要小很多。

(5)芯片的功耗低。本发明中的共模噪声消除电路在芯片正常工作时不影响总体工作电流，因此不需要引入额外的电源功耗。

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是本发明可抗共模噪声干扰的高压栅驱动电路模块的结构框图。

图3是本发明中电压转换钳位电路的具体结构。

图4是逻辑滤波电路的内部结构原理图。

图5是输出驱动级电路的内部结构原理图。

图6是普通不带电压转换钳位电路的高压栅驱动电路的时序图。

图7是本发明中带电压转换钳位电路的高压栅驱动电路的时序图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平位移电路1，逻辑滤波电路3，RS触发器4，输出驱动级电路5，其中高压电平位移电路1的输入由低压侧脉冲产生电路提供，逻辑滤波电路3的输出经过RS触发器4进入输出驱动级电路5，在高压电平位移电路1与逻辑滤波电路3之间设有电压转换钳位电路2，所述高压电平位移电路1的输出接电压转换钳位电路2的输入端，电压转换钳位电路2的输出端接逻辑滤波电路3的输入端，所述电压转换钳位电路2由PMOS管M1、PMOS管M2，NMOS管M3，电阻R1、电阻R2以及与门AND1组成，PMOS管M1的栅端接高压电平位移电路1的输出端Vset，PMOS管M2的栅端接高压电平位移电路1的输出端Vreset，PMOS管M1、PMOS管M2的源端均接高压侧电源VB，PMOS管M1的漏端接电阻R1，PMOS管M2的漏端接电阻R2，电阻R1、电阻R2的另一端均接高压侧浮动地VS，NMOS管M3的栅端接与门AND1的输出端，NMOS管M3的漏端接PMOS管M1的漏端，NMOS管M3的源端接PMOS管M2的漏端，与门AND1的两路输入分别接PMOS管M1的漏端和PMOS管M2的漏端，同时与门AND1的两路输入分别接至逻辑滤波电路3的两路输入端并分别用于将Set信号及Reset信号传输至逻辑滤波电路3，并且与门AND1的输入翻转电平低于后级逻辑滤波电路3的输入翻转电平。所述的高压电平位移电路1包括LDMOS管LDM1、LDMOS管LDM2，齐纳二极管D₁、齐纳二极管D₂，电阻R_D1、电阻R_D2，LDMOS管LDM1的栅端接前级脉冲产生电路的V_ON端，LDMOS管LDM2的栅端接前级脉冲产生电路的V_OFF端，LDMOS管LDM1和LDMOS管M2的源端均接低侧低COM，LDMOS管LDM1的漏端接电阻R_D1，同时LDMOS管LDM1的漏端接齐纳二极管D₁的阳极，LDMOS管LDM2的漏端接电阻R_D2，同时LDMOS管LDM2的漏端接齐纳二极管D₂的阳极，电阻R_D1、电阻R_D2的另一端均接高压侧电源VB，齐纳二极管D₁的阴极、齐纳二极管D₂的阴极均接高压侧电源VB。所述的逻辑滤波电路3包括反相器INV1、反相器INV2，或非门NOR1、或非门NOR2和与门AND2，反相器INV1的输入端接收电压转换钳位电路2输出的Set信号，同时反相器INV1的输入端和与门AND2的一个输入端相连，反相器INV2的输入端接收电压转换钳位电路2输出的Reset信号，同时反相器INV2的输入端和与门AND2的另一个输入端相连，反相器INV1的输出端和与门AND2的输出端分别连接至或非门NOR1的第一、第二输入端，反相器INV2的输出端和与门AND2的输出端分别连接至或非门NOR2的第一、第二输入端，或非门NOR1的输出端与RS触发器4的S端相连，或非门NOR2的输出端与RS触发器4的R端相连。所述的输出驱动级电路5包括反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，反相器INV3的输入端接RS触发器的输出端Q，反相器INV4的输入端接反相器INV3的输出端，反相器INV5的输入端接反相器INV4的输出端，反相器INV6的输入端接反相器INV5的输出端，反相器INV6的输出端输出信号HO驱动外部高侧功率管。

下面参照附图，对本发明的实施例做出更为详细的描述：

如图1，M_H、M_L为以半桥拓扑结构相连接的两只功率管，半桥拓扑外接高压母线电压VH，本发明中的高压侧栅驱动电路模块主要用来驱动上功率管M_H，随着上功率管的开通与关断，输出点VS的电压从0到VH变化，VS作为高压侧栅驱动电路的地，通过外部自举电容与VB相连，同时为了保证自举电容能够充电，在VCC与VB之间还必须加入自举二极管。高压侧栅驱动电路的输出信号控制高侧功率管M_H的开通与关断。

如图2，本发明的可抗共模噪声干扰的高压栅驱动电路模块主要包括高压电平位移电路，电压转换钳位电路，逻辑滤波电路，RS触发器，输出驱动级电路。为了减小高压电平位移电路中LDMOS管在高压下的导通时间，从而减小功耗及提高电路的可靠性，导通时间从而降低功耗，采用双路窄脉冲的工作方式来驱动高压电平位移电路。高压电平位移电路的作用是将低压侧的窄脉冲控制信号转换为高压侧相对于VB电压为低的窄脉冲信号，其后接电压转换钳位电路以及逻辑滤波电路。当高侧电源VB为低压时，逻辑滤波电路不起作用，窄脉冲信号经电压转换电路和逻辑滤波电路输出至RS触发器，RS触发器将双路窄脉冲信号还原为正常信号输出，以驱动外部高侧功率管。当高侧电源VB从低压升为高压时，在电压上升的过程中，电源VB端将会产生dV/dt共模噪声，然后在LDMOS管的漏极形成位移电流，该位移电流流过LDMOS管的漏极电阻，在电阻上产生压降，形成噪声信号。传统的逻辑滤波电路有可能会因为工艺波动导致两路噪声信号时序不一致而产生错误的窄脉冲信号，增加电压转化钳位电路可以将这一噪声滤除，保证了高侧电路在系统工作中的可靠性。电压转换电路结构简单，所用器件少，且不影响正常信号的传递。

如图3所示为本发明中设计的电压转化钳位电路的具体电路结构。PMOS管M1和M2将高压电平位移电路输出的窄脉冲信号转化为电流，该电流通过电阻R1和R2转换为相对于VS为高电平的脉冲信号，当信号正常传递时，电压转换钳位电路和逻辑滤波电路不起作用，脉冲信号进入RS触发器还原信号。当VB端电压快速上升时，dV/dt噪声信号同时加在PMOS管M1和M2的输入端，当该两路噪声信号时序完全匹配时，电压转化钳位电路不起作用，噪声信号进入逻辑滤波电路被滤除；当dV/dt噪声信号由于工艺偏差等原因导致时序不相等时，由于与门AND1的翻转电平低于后级逻辑滤波电路的翻转电平，噪声信号首先触发与门AND1，输出为高电平，该高电平使得NMOS管M3导通，从而将两路噪声信号强制转换为完全相同的两路信号，当该两路完全相同的噪声信号达到逻辑滤波电路的输入翻转电平时，逻辑滤波电路将该两路完全相同的噪声信号滤除，保证了高压侧电路模块工作的可靠性。

如图4所示为传统的逻辑滤波电路的具体电路结构。由于电路结构完全对称，因此假设当Set端有正常信号到来时，反相器INV1输出为低电平，与门AND2输出同样为低电平，经过或非门NOR1输出为高电平触发RS触发器的Set端。当Set端和Reset端同时产生完全相同的噪声信号时，反相器INV1和INV2输出为低电平，与门AND2输出为高电平，经过或非门NOR1和NOR2同时输出为低电平，从而达到了滤除共模噪声的目的，保证了信号的正常传递。

如图5所示为传统的输出驱动级电路的具体电路结构。输出驱动级电路主要由反相器构成，形成反相器链，由于输出拉灌电流较大，同时为了减小信号传输时的通道延时，反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6需要逐级增大尺寸，以满足驱动和延时的要求。

如图6所示为普通不带电压转换钳位电路的高压栅驱动电路的时序图。当由于工艺偏差等因素造成Set端或Reset端的噪声信号先于另一路进入逻辑滤波电路时，反相器INV1或INV2会输出一个高电平窄脉冲，该窄脉冲的宽度即为Set端噪声信号与Reset端噪声信号的时间差，同时与门AND2输出为低电平，因此或非门NOR1或NOR2会输出一个电平为高的窄脉冲信号，导致RS触发器误触发，造成高侧电路输出信号逻辑错误，影响了芯片在系统当中的正常应用。

如图7所示为本发明中带电压转换钳位电路的高压栅驱动电路的时序图。当信号正常传递或两路dV/dt噪声信号完全相同时，电压转换钳位电路只相当于传递信号的作用。当由于工艺偏差等原因造成Set端噪声信号与Reset端噪声信号时序不完全相同时，由于逻辑滤波电路的输入翻转电平高于与门AND1的输入翻转电平，此时逻辑滤波电路并不会被触发，当Set端和Reset端噪声信号相对于与门AND1的输入翻转电平都为高时，与门AND1输出高电平，并将NMOS管M3开启，开启后的NMOS管M3相当于一个传输门，将Set端与Reset端的电压强制转化为完全相同的两路信号，当该两路信号达到逻辑滤波电路的输入翻转电平时，两路完全相同的噪声信号进入逻辑滤波电路并被滤除，滤除过程如上文所述。由此可以看出，增加了电压转换钳位电路的高压栅驱动电路可以更加可靠的滤除dV/dt共模噪声，保证了芯片的正常工作，提高了系统应用的可靠性。

Claims (4)

1.一种可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平位移电路(1)，逻辑滤波电路(3)，RS触发器(4)，输出驱动级电路(5)，其中高压电平位移电路(1)的输入由低压侧脉冲产生电路提供，逻辑滤波电路(3)的输出经过RS触发器(4)进入输出驱动级电路(5)，其特征在于，在高压电平位移电路(1)与逻辑滤波电路(3)之间设有电压转换钳位电路(2)，所述高压电平位移电路(1)的输出接电压转换钳位电路(2)的输入端，电压转换钳位电路(2)的输出端接逻辑滤波电路(3)的输入端，所述电压转换钳位电路(2)由PMOS管M1、PMOS管M2，NMOS管M3，电阻R1、电阻R2以及与门AND1组成，PMOS管M1的栅端接高压电平位移电路(1)的输出端Vset，PMOS管M2的栅端接高压电平位移电路(1)的输出端Vreset，PMOS管M1、PMOS管M2的源端均接高压侧电源VB，PMOS管M1的漏端接电阻R1，PMOS管M2的漏端接电阻R2，电阻R1、电阻R2的另一端均接高压侧浮动地VS，NMOS管M3的栅端接与门AND1的输出端，NMOS管M3的漏端接PMOS管M1的漏端，NMOS管M3的源端接PMOS管M2的漏端，与门AND1的两路输入分别接PMOS管M1的漏端和PMOS管M2的漏端，同时与门AND1的两路输入分别接至逻辑滤波电路(3)的两路输入端并分别用于将Set信号及Reset信号传输至逻辑滤波电路(3)，并且与门AND1的输入翻转电平低于后级逻辑滤波电路(3)的输入翻转电平。

2.根据权利要求1所述的可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，其特征在于，所述的高压电平位移电路(1)包括LDMOS管LDM1、LDMOS管LDM2，齐纳二极管D₁、齐纳二极管D₂，电阻R_D1、电阻R_D2，LDMOS管LDM1的栅端接前级脉冲产生电路的V_ON端，LDMOS管LDM2的栅端接前级脉冲产生电路的V_OFF端，LDMOS管LDM1和LDMOS管M2的源端均接低侧低COM，LDMOS管LDM1的漏端接电阻R_D1，同时LDMOS管LDM1的漏端接齐纳二极管D₁的阳极，LDMOS管LDM2的漏端接电阻R_D2，同时LDMOS管LDM2的漏端接齐纳二极管D₂的阳极，电阻R_D1、电阻R_D2的另一端均接高压侧电源VB，齐纳二极管D₁的阴极、齐纳二极管D₂的阴极均接高压侧电源VB。

3.根据权利要求1所述的可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，其特征在于，所述的逻辑滤波电路(3)包括反相器INV1、反相器INV2，或非门NOR1、或非门NOR2和与门AND2，反相器INV1的输入端接收电压转换钳位电路(2)输出的Set信号，同时反相器INV1的输入端和与门AND2的一个输入端相连，反相器INV2的输入端接收电压转换钳位电路(2)输出的Reset信号，同时反相器INV2的输入端和与门AND2的另一个输入端相连，反相器INV1的输出端和与门AND2的输出端分别连接至或非门NOR1的第一、第二输入端，反相器INV2的输出端和与门AND2的输出端分别连接至或非门NOR2的第一、第二输入端，或非门NOR1的输出端与RS触发器(4)的S端相连，或非门NOR2的输出端与RS触发器(4)的R端相连。

4.根据权利要求1所述的可抗共模噪声干扰的高压侧栅驱动电路，其特征在于，所述的输出驱动级电路(5)包括反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，反相器INV3的输入端接RS触发器的输出端Q，反相器INV4的输入端接反相器INV3的输出端，反相器INV5的输入端接反相器INV4的输出端，反相器INV6的输入端接反相器INV5的输出端，反相器INV6的输出端输出信号HO驱动外部高侧功率管。

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