CN102769453B - 一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平移位电路、差模噪声消除电路、RS触发器、输出驱动级电路，高压电平移位电路将低侧的脉冲信号转换为高压脉冲信号输出，在高压电平移位电路的输出与差模噪声消除电路的输入之间连接有共模噪声消除电路，共模噪声消除电路用来消除应用中产生的共模噪声信号，差模噪声消除电路消除由于工艺偏差引入的差模噪声，输出正常的脉冲信号，经过RS触发器还原为正常的方波信号后进入输出驱动级电路后输出方波信号，驱动外部高侧功率管。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，涉及高压功率MOS栅驱动技术领域，特别涉及一种能够抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路。
背景技术
现在市场上很多的功率电子芯片或集成电路驱动芯片系统中，都存在着高压栅驱动电路，这种电路采用高压电平移位技术，实现低压向高压的转换以驱动高侧功率管。高压栅驱动电路属于高压集成电路（HVIC）的典型电路之一。这类HVIC在电机驱动、平板显示以及其他消费电子领域具有广泛的应用，都是采用高低压兼容工艺，利用高压LDMOS器件将低压控制信号转换为高压控制信号，从而驱动高端电路工作，一般这类HVIC的系统都采用半桥拓扑结构。
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，随着半桥拓扑结构功率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。
高压侧栅驱动电路中有高压电平移位电路，高压电平移位电路的LDMOS管漏端有较大的寄生电容，由于高端电路采用浮动电源供电，所以外部功率管的开启与关断会使VS节点产生dv/dt干扰噪声，并通过自举电容与浮动电源VB结合，使得VB线上也有dv/dt干扰噪声，加上高压电平移位电路中LDMOS漏端寄生电容的影响，快速变化的电压会形成位移电流对寄生电容进行充电，该位移电流在两路LDMOS漏端电阻上均造成很大的电压降，即使高压电平移位电路的输出信号带有较大的共模dv/dt干扰噪声，同时电路中还会有工艺偏差造成的差模窄脉冲噪声。这些噪声干扰都可能致使驱动电路误触发，从而造成系统的故障。
发明内容
针对上述噪声干扰的问题，本发明提供一种电路结构简单的可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，本发明能够消除共模dv/dt干扰噪声和差模噪声，并能在消除噪声干扰的同时，不影响正常信号的传递，同时还加大了允许的负VS电压。
本发明的技术方案为：
一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平移位电路、差模噪声消除电路、RS触发器、输出驱动级电路、共模噪声消除电路，高压电平移位电路将输入的两路低压脉冲信号转换为高压脉冲信号输出，该高压脉冲信号经过共模噪声消除电路后进入差模噪声消除电路，差模噪声消除电路的输出信号经过RS触发器进入输出驱动级电路，输出驱动级电路输出驱动信号控制外部功率管的开关，其特征在于：在高压电平移位电路与差模噪声消除电路之间设有共模噪声消除电路，所述高压电平移位电路的输出端接共模噪声消除电路的输入端，共模噪声消除电路的输出端接差模噪声消除电路的输入端，所述共模噪声消除电路由PMOS管MP1和PMOS管MP2，电阻R11和电阻R12组成，PMOS管MP1的栅端接高压电平移位电路中的LDMOS管LDM2的漏端，PMOS管MP1的源端接高压电平移位电路中的LDMOS管LDM1的漏端，PMOS管MP1的漏端接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接浮动电源VB的参考点VS，PMOS管MP2的栅端接高压电平移位电路中的LDMOS管LDM1的漏端，PMOS管MP2的源端接高压电平移位电路中的LDMOS管LDM2的漏端，PMOS管MP2的漏端接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接浮动电源VB的参考点VS，所述高压电平移位电路由LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2，漏端电阻R1和漏端电阻R2，齐纳二极管D1、齐纳二极管D2、齐纳二极管D3、齐纳二极管D4、齐纳二极管D5、齐纳二极管D6组成，LDMOS管LDM1的栅极接前级电路的输出端，LDMOS管LDM2的栅极接前级电路的输出端，LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2的源极都接地COM，LDMOS管LDM1管的漏极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电源信号VB，齐纳二极管D1的负极与电源信号VB相连，齐纳二极管D1的正极与齐纳二极管D2的负极相连，齐纳二极管D2的正极与齐纳二极管D3的负极相连，齐纳二极管D3的正极与LDMOS管LDM1的漏极相连，LDMOS管LDM2管的漏极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电源信号VB，齐纳二极管D4的负极与电源信号VB相连，齐纳二极管D4的正极与齐纳二极管D5的负极相连，齐纳二极管D5的正极与齐纳二极管D6的负极相连，齐纳二极管D6的正极与LDMOS管LDM2的漏极相连。所述差模噪声消除电路包括反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，施密特触发器SMT1和施密特触发器SMT2，电容C1和电容C2，反相器INV1的输入端接共模噪声消除电路中的PMOS管MP2的漏端，反相器INV2的输入端接共模噪声消除电路中的PMOS管MP1的漏端，反相器INV1的输出接反相器INV3的输入端，反相器INV3的输出接施密特触发器SMT1的输入，施密特触发器SMT1的输出接反相器INV5的输入，反相器INV5输出置位信号Vset_给RS触发器的S输入端，反相器INV2的输出接反相器INV4的输入端，反相器INV4的输出接施密特触发器SMT2的输入，施密特触发器SMT2的输出接反相器INV6的输入，反相器INV6输出复位信号Vrst_给RS触发器的R输入端。所述输出驱动级电路包括反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、反相器INV10，反相器INV7的输入端接RS触发器的输出端Q，反相器INV8的输入端接反相器INV7的输出端，反相器INV9的输入端接反相器INV8的输出端，反相器INV10的输入端接反相器INV9的输出端，反相器INV10的输出端输出信号HO驱动外部高侧功率管。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)可以有效消除共模dv/dt干扰噪声和差模噪声对电路工作状态的影响，同时不影响正常信号的传递。共模噪声消除电路能消除各种情况的共模dv/dt干扰噪声，差模噪声是由工艺不匹配引起的，脉宽很小，故差模噪声消除电路设置的滤波宽度很小，也不会影响正常信号的传输。
(2)共模噪声消除电路仅由两个PMOS管和两个电阻组成，结构简单，方便集成，节省芯片面积。
(3)能有效降低功耗。本发明中的共模噪声消除电路能够消除各种幅度大或小，脉宽宽或窄的共模dv/dt干扰噪声，因此可以通过减小前级电路输出的窄脉冲宽度，缩短高压电平移位电路中两个LDMOS管的导通时间，从而有效降低功耗。
(4)能加大允许的负VS电压。普通的高压侧栅驱动电路中，高压电平移位电路的输出电压信号是在VB到地COM的供应范围之内转移，允许的负VS限制值源于高压电平移位电路后面第一级反相器预设定的阈值电压。本发明的共模噪声消除电路将高压电平移位电路的输出电压信号变为VB到VS供应范围之内转移，允许的负VS电压不再由后级反相器的阈值电平所控制。
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是本发明的一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路的结构框图。
图3是本发明中的共模噪声消除电路的具体电路图。
图4是差模噪声消除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是本发明中的没有噪声干扰时的工作波形图。
图7是本发明中的仅有噪声干扰时的工作波形图，图中，dv/dt噪声为共模噪声。
图8是普通的高压栅驱动电路的VS负过冲能力示意图。
图9是本发明的可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路的VS负过冲能力示意图。
具体实施方式
一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平移位电路1、差模噪声消除电路2、RS触发器3、输出驱动级电路4、共模噪声消除电路5，高压电平移位电路1将输入的两路低压脉冲信号转换为高压脉冲信号输出，该高压脉冲信号经过共模噪声消除电路5后进入差模噪声消除电路2，差模噪声消除电路2的输出信号经过RS触发器3进入输出驱动级电路4，输出驱动级电路4输出驱动信号控制外部功率管的开关，其特征在于，在高压电平移位电路1与差模噪声消除电路2之间设有共模噪声消除电路5，所述高压电平移位电路1的输出端接共模噪声消除电路5的输入端，共模噪声消除电路5的输出端接差模噪声消除电路2的输入端，所述共模噪声消除电路5由PMOS管MP1和PMOS管MP2，电阻R11和电阻R12组成，PMOS管MP1的栅端接高压电平移位电路1中的LDMOS管LDM2的漏端，PMOS管MP1的源端接高压电平移位电路1中的LDMOS管LDM1的漏端，PMOS管MP1的漏端接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接浮动电源VB的参考点VS，PMOS管MP2的栅端接高压电平移位电路1中的LDMOS管LDM1的漏端，PMOS管MP2的源端接高压电平移位电路1中的LDMOS管LDM2的漏端，PMOS管MP2的漏端接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接浮动电源VB的参考点VS，所述高压电平移位电路1由LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2，漏端电阻R1和漏端电阻R2，齐纳二极管D1、齐纳二极管D2、齐纳二极管D3、齐纳二极管D4、齐纳二极管D5、齐纳二极管D6组成，LDMOS管LDM1的栅极接前级电路的输出端，LDMOS管LDM2的栅极接前级电路的输出端，LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2的源极都接地COM，LDMOS管LDM1管的漏极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电源信号VB，齐纳二极管D1的负极与电源信号VB相连，齐纳二极管D1的正极与齐纳二极管D2的负极相连，齐纳二极管D2的正极与齐纳二极管D3的负极相连，齐纳二极管D3的正极与LDMOS管LDM1的漏极相连，LDMOS管LDM2管的漏极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电源信号VB，齐纳二极管D4的负极与电源信号VB相连，齐纳二极管D4的正极与齐纳二极管D5的负极相连，齐纳二极管D5的正极与齐纳二极管D6的负极相连，齐纳二极管D6的正极与LDMOS管LDM2的漏极相连，所述差模噪声消除电路2包括反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，施密特触发器SMT1和施密特触发器SMT2，电容C1和电容C2，反相器INV1的输入端接共模噪声消除电路5中的PMOS管MP2的漏端，反相器INV2的输入端接共模噪声消除电路5中的PMOS管MP1的漏端，反相器INV1的输出接反相器INV3的输入端，反相器INV3的输出接施密特触发器SMT1的输入，施密特触发器SMT1的输出接反相器INV5的输入，反相器INV5输出置位信号Vset_给RS触发器3的S输入端，反相器INV2的输出接反相器INV4的输入端，反相器INV4的输出接施密特触发器SMT2的输入，施密特触发器SMT2的输出接反相器INV6的输入，反相器INV6输出复位信号Vrst_给RS触发器3的R输入端，所述输出驱动级电路4包括反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、反相器INV10，反相器INV7的输入端接RS触发器3的输出端Q，反相器INV8的输入端接反相器INV7的输出端，反相器INV9的输入端接反相器INV8的输出端，反相器INV10的输入端接反相器INV9的输出端，反相器INV10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，MH、ML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MH，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MH的开通与关断。
如图2所示为本发明所述的一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，主要包括高压电平移位电路、共模噪声消除电路、差模噪声消除电路、RS触发器、输出驱动级电路。为了减小功耗及提高电路的可靠性，采用双路窄脉冲的工作方式来驱动高压电平位移电路，且在保证能驱动LDMOS管导通的前提下尽可能减小窄脉冲宽度以降低功耗。其中高压电平移位电路主要用来将低压脉冲信号转换成高压脉冲信号，齐纳管二极管的反向耐压为5-6V，齐纳管二极管D1、齐纳管二极管D2、齐纳管二极管D3串联，齐纳管二极管D4、齐纳管二极管D5、齐纳管二极管D6串联，它们将电阻R1、电阻R2上的最大压降限制在15-18V，避免PMOS管MP1、PMOS管MP2的栅氧化层击穿，共模噪声消除电路可以阻止共模dv/dt噪声信号的传输，差模噪声消除电路可以电路中由于工艺不匹配产生的差模窄脉冲滤除并不影响正常信号的传递，RS触发器将正常工作的脉冲信号还原为固定周期的方波信号。
如图3所示是本发明的共模噪声消除电路的具体电路结构。信号Von_与信号Voff_的压差控制PMOS管MP1与PMOS管MP2的导通与否，PMOS管MP1与PMOS管MP2的阈值电压相等，且为负值，当Von_-Voff_的电势差大于PMOS管MP1与PMOS管MP2的阈值电压的绝对值时，PMOS管MP1开启，PMOS管MP2关断，并通过电阻R11获得检测电压Vrst；当Voff_-Von_的电势差大于PMOS管MP1与PMOS管MP2的阈值电压的绝对值时，PMOS管MP2开启，PMOS管MP1关断，并通过电阻R12获得检测电压Vset。
如图4所示是本发明的差模噪声消除电路的具体电路结构。反相器INV3、反相器INV4、电容C1、电容C2是RC滤波结构，用来消除差模噪声。施密特触发器SMT1、施密特触发器SMT2、反相器INV5、反相器INV6用来对信号进行整形，最后输出已经没有噪声的信号Vset_和信号Vrst_。
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，反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、反相器INV10需要逐级增大尺寸，使得输出驱动的拉灌电流较大，同时减小了信号的传输延时，满足了驱动和延时的要求。
如图6所示为没有噪声干扰时候的高压栅驱动电路的波形图。当窄脉冲信号Von到来时，LDMOS管LDM 1开启，而LDMOS管LDM2仍关断，故两路LDMOS管漏端存在压差，即Von_<Voff_，使得PMOS管MP2开启，PMOS管MP1关断，并通过电阻R12获得检测电压Vset，该Vset信号的脉宽比差模噪声消除电路设置的滤波宽度要大，所以不会被滤除，通过差模噪声消除电路后输出置位信号Vset_对RS触发器进行置位，输出为高电平，即信号正常传递。当窄脉冲信号Voff到来时，LDMOS管LDM 2开启，而LDM1关断，故两路LDMOS漏端存在压差，Von_>Voff_，使得PMOS管MP1开启，PMOS管MP2关断，并通过电阻R11获得检测电压Vrst，该Vrst信号通过差模噪声消除电路后输出置位信号Vrst_使RS触发器复位，输出为低电平，即两路信号被还原为正常的方波信号，并进入输出驱动级电路，输出信号驱动外部功率管。
如图7所示为电路中有共模dv/dt噪声时高压栅驱动电路的波形图。当VB端电压快速上升时，产生了共模dv/dt干扰噪声，通过LDMOS管漏端电阻给两路LDMOS的漏端寄生电容充电，导致在漏端电阻上的电压降相等，即PMOS管MP1和PMOS管MP2的VGS为零，它们都是关断状态，干扰信号无法传递过去，起到了消除共模噪声的作用，输出端信号保持不变，保证了电路正常工作。
如图8所示为普通的高压侧栅驱动电路的VS负过冲能力示意图。Vset是高压电平移位电路的正常输出信号，Vset_是被脉冲滤波电路识别并输出的正常信号。普通的高压侧栅驱动电路的VS负过冲能力受限于脉冲滤波电路第一级反相器的阈值电平，高压电平移位电路的输出从VB向接地方向摆动，而脉冲滤波电路工作在VBS电源电压下。因此脉冲滤波电路对高压电平移位电路输出所做的检测由VB电压水平和脉冲滤波电路的VTH来决定。普通的高压侧栅驱动电路允许的负VS电压为-VTH。
如图9所示为本发明的高压侧栅驱动电路的VS负过冲能力示意图。Von_是高压电平移位电路的正常输出信号，Vset是经过共模噪声电路后的正常输出信号，该信号幅度是在VBS之间变化，差模噪声消除电路也工作在VBS电源电压下，Vset_是被差模噪声消除电路识别并输出的正常信号。因此经过共模噪声消除电路后，允许的VS电压不再由差模噪声消除电路的VTH来决定。本发明的高压侧栅驱动电路允许的负VS电压可以低于-VTH，加大了允许的负VS电压。
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 (4)
1.一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，包括高压电平移位电路（1）、差模噪声消除电路（2）、RS触发器（3）、输出驱动级电路（4）、共模噪声消除电路（5），高压电平移位电路（1）将输入的两路低压脉冲信号转换为高压脉冲信号输出，该高压脉冲信号输至差模噪声消除电路（2），差模噪声消除电路（2）的输出信号经过RS触发器（3）进入输出驱动级电路（4），输出驱动级电路（4）输出方波驱动信号控制外部功率管的开关，其特征在于，在高压电平移位电路（1）与差模噪声消除电路（2）之间设有共模噪声消除电路（5），所述高压电平移位电路（1）的输出端接共模噪声消除电路（5）的输入端，共模噪声消除电路（5）的输出端接差模噪声消除电路（2）的输入端，所述共模噪声消除电路（5）由PMOS管MP1和PMOS管MP2，电阻R11和电阻R12组成，PMOS管MP1的栅端接高压电平移位电路（1）中的LDMOS管LDM2的漏端，PMOS管MP1的源端接高压电平移位电路（1）中的LDMOS管LDM1的漏端，PMOS管MP1的漏端接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接浮动电源VB的参考点VS，PMOS管MP2的栅端接高压电平移位电路（1）中的LDMOS管LDM1的漏端，PMOS管MP2的源端接高压电平移位电路（1）中的LDMOS管LDM2的漏端，PMOS管MP2的漏端接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接浮动电源VB的参考点VS。
2.根据权利要求1 所述的一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，其特征在于，所述的高压电平移位电路（1）由LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2，漏端电阻R1和漏端电阻R2，齐纳二极管D1、齐纳二极管D2、齐纳二极管D3、齐纳二极管D4、齐纳二极管D5、齐纳二极管D6组成，LDMOS管LDM1的栅极接前级电路的输出端，LDMOS管LDM2的栅极接前级电路的输出端，LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2的源极都接地COM，LDMOS管LDM1管的漏极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电源信号VB，齐纳二极管D1的负极与电源信号VB相连，齐纳二极管D1的正极与齐纳二极管D2的负极相连，齐纳二极管D2的正极与齐纳二极管D3的负极相连，齐纳二极管D3的正极与LDMOS管LDM1的漏极相连，LDMOS管LDM2管的漏极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电源信号VB，齐纳二极管D4的负极与电源信号VB相连，齐纳二极管D4的正极与齐纳二极管D5的负极相连，齐纳二极管D5的正极与齐纳二极管D6的负极相连，齐纳二极管D6的正极与LDMOS管LDM2的漏极相连。
3.根据权利要求1所述的一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，其特征在于，所述差模噪声消除电路（2）包括反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，施密特触发器SMT1和施密特触发器SMT2，电容C1和电容C2，反相器INV1的输入端接共模噪声消除电路（5）中的PMOS管MP2的漏端，反相器INV2的输入端接共模噪声消除电路（5）中的PMOS管MP1的漏端，反相器INV1的输出接反相器INV3的输入端，反相器INV3的输出端接施密特触发器SMT1的输入端，施密特触发器SMT1的输出端接反相器INV5的输入端，反相器INV5输出置位信号Vset_给RS触发器（3）的S输入端，反相器INV2的输出接反相器INV4的输入端，反相器INV4的输出接施密特触发器SMT2的输入，施密特触发器SMT2的输出接反相器INV6的输入，反相器INV6输出复位信号Vrst_给RS触发器（3）的R输入端。
4.根据权利要求1所述的一种可抗噪声干扰的高压侧栅驱动电路，其特征在于，所述输出驱动级电路（4）包括反相器INV7、反相器INV8、反相器INV9、反相器INV10，反相器INV7的输入端接RS触发器（3）的输出端Q，反相器INV8的输入端接反相器INV7的输出端，反相器INV9的输入端接反相器INV8的输出端，反相器INV10的输入端接反相器INV9的输出端， 反相器INV10的输出端输出信号HO驱动外部高侧功率管。
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