CN102769454A - 一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路 - Google Patents

一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路，主要包括可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路，脉冲滤波电路，RS触发器，输出驱动级电路，其中，可抗共模噪声干扰的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，并消除在应用中产生的共模噪声，脉冲滤波电路滤除剩余的差模噪声成分，只留下正常工作的脉冲信号，经过RS触发器还原为正常信号并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

一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路
技术领域
本发明涉及可抗噪声干扰的高栅驱动技术领域，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噪声干扰的高侧栅驱动电路，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：
一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路，包括可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路，脉冲滤波电路，RS触发器，输出驱动级电路，其中可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路的输入由低压侧脉冲产生电路提供，其输出作为脉冲滤波电路的输入，脉冲滤波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，所述可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路由LDMOS管LDM1，LDMOS管LDM2，电容C1，电容C2，PMOS管M1、PMOS管M2，电阻RD1，电阻RD2，电阻RD3，电阻RD4，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，反相器INV1、反相器INV2，与非门NAND1组成，LDMOS管LDM1的栅端接前级的输出端，LDMOS管LDM1的漏端接电阻RD2的下端，同时接齐纳二极管D3的阳极，LDMOS管LDM1的源端接电源地COM，LDMOS管LDM2的栅端接前级的输出端，LDMOS管LDM2的漏端接电阻RD4的下端，同时接齐纳二极管D6的阳极，LDMOS管LDM2的源端接电源地COM，电阻RD2的上端接电阻RD1的下端，同时接齐纳二极管D1的阳极，并且接反相器INV1的输入端，电阻RD4的上端接电阻RD3的下端，同时接齐纳二极管D4的阳极，并且接反相器INV2的输入端，电阻RD1的上端接高侧电源电压VB，电阻RD3的上端接高侧电源电压VB，齐纳二极管D3的阳极接电容C1的上端，齐纳二极管D3的阴极接齐纳二极管D2的阳极，齐纳二极管D2的阴极接齐纳二极管D1的阳极，齐纳二极管D1的阴极接高侧电源电压VB，齐纳二极管D6的阳极接电容C2的上端，齐纳二极管D6的阴极接齐纳二极管D5的阳极，齐纳二极管D5的阴极接齐纳二极管D4的阳极，齐纳二极管D4的阴极接高侧电源电压VB，电容C1的下端接电源地COM，电容C2的下端接电源地COM，反相器INV1的输出端和反相器INV2的输出端接与非门NAND1的输入端，与非门NAND1的输出端接PMOS管M1的栅端，并同时接PMOS管M2的栅端，PMOS管M1的源端接电阻RD2的上端，PMOS管M1的漏端接电阻RD2的下端，PMOS管M2的源端接电阻RD4的上端，PMOS管M2的漏端接电阻RD4的下端，同时电阻RD1和电阻RD3的阻值小于电阻RD2和电阻RD4的阻值，反相器INV1和反相器INV2的翻转电平高于后级脉冲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。本发明中包含的可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路可以将系统应用中产生的共模噪声成分有效滤除，仅通过其差模成分。
（2）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，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。
（3）芯片整体延迟小。本发明所述的可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路可有效滤除共模噪声，因此可大大减小脉冲滤波的宽度，从而减小了芯片整体的传输延时。
（4）芯片的功耗低。本发明中的可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路显著的降低了脉冲的滤波宽度，故可以减小芯片的功耗。
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是本发明可抗噪声干扰的高栅驱动电路模块的结构框图。
图3是本发明中可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路的具体结构。
图4是脉冲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是本发明中没有噪声干扰时候的波形图。
图7是本发明中有噪声干扰时的波形图。
图8是普通高侧栅驱动电路的信号延时图
图9是本发明可抗噪声干扰的高栅驱动电路的信号延时图
具体实施方式
如图1和图2所示，一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路，包括可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路1，脉冲滤波电路2，RS触发器3，输出驱动级电路4，其中可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路1的输入由低压侧脉冲产生电路提供，其输出作为脉冲滤波电路2的输入，脉冲滤波电路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，所述可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路1由LDMOS管LDM1，LDMOS管LDM2，电容C1，电容C2，PMOS管M1、PMOS管M2，电阻RD1，电阻RD2，电阻RD3，电阻RD4，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，反相器INV1、反相器INV2，与非门NAND1组成，LDMOS管LDM1的栅端接前级的输出端，LDMOS管LDM1的漏端接电阻RD2的下端，同时接齐纳二极管D3的阳极，LDMOS管LDM1的源端接电源地COM，LDMOS管LDM2的栅端接前级的输出端，LDMOS管LDM2的漏端接电阻RD4的下端，同时接齐纳二极管D6的阳极，LDMOS管LDM2的源端接电源地COM，电阻RD2的上端接电阻RD1的下端，同时接齐纳二极管D1的阳极，并且接反相器INV1的输入端，电阻RD4的上端接电阻RD3的下端，同时接齐纳二极管D4的阳极，并且接反相器INV2的输入端，电阻RD1的上端接高侧电源电压VB，电阻RD3的上端接高侧电源电压VB，齐纳二极管D3的阳极接电容C1的上端，齐纳二极管D3的阴极接齐纳二极管D2的阳极，齐纳二极管D2的阴极接齐纳二极管D1的阳极，齐纳二极管D1的阴极接高侧电源电压VB，齐纳二极管D6的阳极接电容C2的上端，齐纳二极管D6的阴极接齐纳二极管D5的阳极，齐纳二极管D5的阴极接齐纳二极管D4的阳极，齐纳二极管D4的阴极接高侧电源电压VB，电容C1的下端接电源地COM，电容C2的下端接电源地COM，反相器INV1的输出端和反相器INV2的输出端接与非门NAND1的输入端，与非门NAND1的输出端接PMOS管M1的栅端，并同时接PMOS管M2的栅端，PMOS管M1的源端接电阻RD2的上端，PMOS管M1的漏端接电阻RD2的下端，PMOS管M2的源端接电阻RD4的上端，PMOS管M2的漏端接电阻RD4的下端，同时电阻RD1和电阻RD3的阻值小于电阻RD2和电阻RD4的阻值，反相器INV1和反相器INV2的翻转电平高于后级脉冲滤波电路2的输入翻转电平。所述的脉冲滤波电路2包括反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，电容C3、电容C4，施密特触发器SMT1、施密特触发器SMT2，反相器INV3的输入端接收可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路1中LDMOS管LDM1的漏端，反相器INV3的输出端接施密特触发器SMT1的输入端，反相器INV4的输入端接收可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路1中LDMOS管LDM2的漏端，反相器INV4的输出端接施密特触发器SMT2的输入端，施密特触发器SMT1的输出端接反相器INV5的输入端，施密特触发器SMT2的输出端接反相器INV6的输入端，电容C3的上端接反相器INV3的输出端，电容C3的下端接Vs点电压，电容C4的上端接反相器INV4的输出端，电容C4下端接Vs点电压，反相器INV5的输出端与RS触发器3的S端相连，反相器INV6的输出端与RS触发器3的R端相连。所述的输出驱动级电路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，本发明的可抗噪声干扰的高栅驱动电路模块，主要包括可抗共模噪声的高压电平位移电路，脉冲滤波电路，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，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，可抗共模噪声的高压电平位移电路通过阻抗变换的原理，将共模噪声有效滤除，保证了高侧电路在系统工作中的可靠性。
如图3所示为本发明中设计的可抗共模噪声的高压电平位移电路的具体电路结构。当信号正常传递时，PMOS管M1和PMOS管M2保持关断，信号通过脉冲滤波电路进入后级。当VB端电压快速上升时，产生了dV/dt噪声，由于反相器INV1和反相器INV2的翻转电平很高，且电阻RD1和电阻RD3的阻值小于电阻RD2和电阻RD4的阻值，当它们开始翻转时，脉冲滤波的输入级还未翻转，与非门NAND1接收两路高电平信号，输出为低电平，此低电平控制PMOS管M1和PMOS管M2开启，从而电阻RD2和电阻RD4不起作用，起到了屏蔽共模噪声的作用，为了保证共模噪声更加可靠的滤除，在LDMOS管LDM1和LDMOS管LDM2的漏端和源端之间分别接有电容C1和电容C2，以增大噪声斜率，保证输出信号在到达脉冲滤波电路输入翻转电平之前PMOS管M1和PMOS管M2已经完全开启并将电阻RD2和电阻RD4短路。从而共模噪声被有效滤除，保证了高压侧电路模块工作的可靠性。
如图4所示为脉冲滤波电路的具体电路结构。通过RC延时的原理将输出信号的差模噪声成分滤除，由于主要的共模噪声成分已经被滤除，故脉冲滤波的宽度可以大大的减小，从而减小芯片功耗以及延时。
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INV7、反相器INV8、反相器INV9、反相器INV10需要逐级增大尺寸，以满足驱动和延时的要求。
如图6所示为没有噪声干扰时候的高栅驱动电路的波形图。当VON和VOFF信号到来时，由于此时与非门NAND1输出高电平信号，PMOS管M1和PMOS管M2不起作用，故VON和VOFF信号经过位移电路，输出Set和Reset信号，此两路信号经过RS触发器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所示为当有共模噪声信号时的高侧栅驱动电路的时序图。当VB端电压快速上升时，产生了dV/dt噪声，由于反相器INV1和反相器INV2的翻转电平很高，且电阻RD1和电阻RD3的阻值小于电阻RD2和电阻RD4的阻值，当它们开始翻转时，脉冲滤波的输入级还未翻转，与非门NAND1接收两路高电平信号，输出为低电平，此低电平控制PMOS管M1和PMOS管M2开启，从而电阻RD2和电阻RD4不起作用，起到了屏蔽共模噪声的作用，输出端信号保持不变，保证了芯片的正常工作，提高了系统应用的可靠性。
如图8所示为普通高侧栅驱动电路的信号延时图，前级的输出信号VON和VOFF经过高压电平位移电路，经过脉冲滤波电路滤除噪声后，明显产生了一段延时，最后经过RS触发器还原为方波信号，输出驱动外部功率管。
如图9所示为本发明可抗噪声干扰的高栅驱动电路的信号延时图，前级的输出信号VON和VOFF经过可抗共模噪声的高压电平位移电路，经过脉冲滤波电路滤除噪声后，产生一小段延时，最后经过RS触发器还原为方波信号，输出驱动外部功率管。
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 (3)

1.一种可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路，包括可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路（1），脉冲滤波电路（2），RS触发器（3），输出驱动级电路（4），其中可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路（1）的输入由低压侧脉冲产生电路提供，其输出作为脉冲滤波电路（2）的输入，脉冲滤波电路（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，所述可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路（1）由LDMOS管LDM1，LDMOS管LDM2，电容C1，电容C2，PMOS管M1、PMOS管M2，电阻RD1，电阻RD2，电阻RD3，电阻RD4，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，反相器INV1、反相器INV2，与非门NAND1组成，LDMOS管LDM1的栅端接前级的输出端，LDMOS管LDM1的漏端接电阻RD2的下端，同时接齐纳二极管D3的阳极，LDMOS管LDM1的源端接电源地COM，LDMOS管LDM2的栅端接前级的输出端，LDMOS管LDM2的漏端接电阻RD4的下端，同时接齐纳二极管D6的阳极，LDMOS管LDM2的源端接电源地COM，电阻RD2的上端接电阻RD1的下端，同时接齐纳二极管D1的阳极，并且接反相器INV1的输入端，电阻RD4的上端接电阻RD3的下端，同时接齐纳二极管D4的阳极，并且接反相器INV2的输入端，电阻RD1的上端接高侧电源电压VB，电阻RD3的上端接高侧电源电压VB，齐纳二极管D3的阳极接电容C1的上端，齐纳二极管D3的阴极接齐纳二极管D2的阳极，齐纳二极管D2的阴极接齐纳二极管D1的阳极，齐纳二极管D1的阴极接高侧电源电压VB，齐纳二极管D6的阳极接电容C2的上端，齐纳二极管D6的阴极接齐纳二极管D5的阳极，齐纳二极管D5的阴极接齐纳二极管D4的阳极，齐纳二极管D4的阴极接高侧电源电压VB，电容C1的下端接电源地COM，电容C2的下端接电源地COM，反相器INV1的输出端和反相器INV2的输出端接与非门NAND1的输入端，与非门NAND1的输出端接PMOS管M1的栅端，并同时接PMOS管M2的栅端，PMOS管M1的源端接电阻RD2的上端，PMOS管M1的漏端接电阻RD2的下端，PMOS管M2的源端接电阻RD4的上端，PMOS管M2的漏端接电阻RD4的下端，同时电阻RD1和电阻RD3的阻值小于电阻RD2和电阻RD4的阻值，反相器INV1和反相器INV2的翻转电平高于后级脉冲滤波电路（2）的输入翻转电平。
2.根据权利要求1所述的可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路，其特征在于，所述的脉冲滤波电路（2）包括反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6，电容C3、电容C4，施密特触发器SMT1、施密特触发器SMT2，反相器INV3的输入端接收可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路（1）中LDMOS管LDM1的漏端，反相器INV3的输出端接施密特触发器SMT1的输入端，反相器INV4的输入端接收可抗共模噪声干扰的高压电平位移电路（1）中LDMOS管LDM2的漏端，反相器INV4的输出端接施密特触发器SMT2的输入端，施密特触发器SMT1的输出端接反相器INV5的输入端，施密特触发器SMT2的输出端接反相器INV6的输入端，电容C3的上端接反相器INV3的输出端，电容C3的下端接Vs点电压，电容C4的上端接反相器INV4的输出端，电容C4的下端接Vs点电压，反相器INV5的输出端与RS触发器（3）的S端相连，反相器INV6的输出端与RS触发器（3）的R端相连。
3.根据权利要求1所述的可抗噪声干扰的高侧栅驱动电路，其特征在于，所述的输出驱动级电路（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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