CN103023483A - 带恒流控制的高压电平位移驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带恒流控制的高压电平位移驱动电路，包括：高压LDMOS管，其栅极与半桥驱动电路的电源电压连接；恒流控制驱动电路，与电源地、一偏置电压、上侧输入信号和高压LDMOS管的源极连接，用于当半桥驱动电路的上侧功率MOS管的高压电源处于规格允许的电压范围之内时，高压LDMOS管导通后的导通电流是受控恒定的；负载电阻，一端与高压LDMOS管的漏极连接，另一端与半桥驱动电路的上侧驱动电路的浮动电源电压连接；驱动器，与高压LDMOS管的漏极、上侧驱动电路的浮动电源电压、一浮动地和半桥驱动电路的上侧输出端连接；箝位二极管，跨接在负载电阻的两端。本发明既简化电路结构，缩小芯片面积，又解决单脉冲高压电平位移驱动电路的功耗问题，提高电路的可靠性。

Description

带恒流控制的高压电平位移驱动电路

技术领域

本发明涉及高压半桥驱动电路技术领域，具体来说，本发明涉及一种带恒流控制的单脉冲高压电平位移驱动电路。

背景技术

在高压半桥驱动电路中，为了在半桥的上下侧都采用N型功率MOSFET传输功率，通常采用图1所示的升压(Boost)电路结构。为了描述方便，对下面图中各种符号给出统一定义：VCC为半桥驱动电路(包括下侧驱动电路)的电源电压，GND为电源地，H_in为上侧输入信号，L_in为下侧输入信号，HO为半桥驱动电路的上侧输出端，LO为半桥驱动电路的下侧输出端，VS为浮动地，D为隔离二极管，CB为升压电容，VH为高压电源，VB为上侧驱动电路的浮动电源电压，VOUT为输出电压。

在图1所示的升压电路结构中，上侧输入信号H_in需从输入电平转移到一个以相对于GND浮动的以VS为地。以VB为电源电压的供电系统中，当上侧功率MOSFET T1截止、下侧功率MOSFET T2导通时，升压电容CB的上极板通过隔离二极管D被充电到VCC电压(忽略二极管导通电压)，升压电容CB的下极板近似为GND(忽略下侧MOSFET T2的Vds导通电压)。而当下侧功率MOSFET T2截止、上侧功率MOSFET T1导通时，升压电容CB上极板仍维持VCC电压，升压电容CB下极板通过上侧导通的功率MOS管被充电至高压电源VH电压(忽略上侧MOSFET T1的Vds导通电压)。这样，浮动地VS的电压在下侧功率MOS管导通时是GND+T2管的Vds_on(管压降)电压，在上侧功率MOS管导通时的电压为VH-T1管的Vds_on(管压降)。而由于隔离二极管D和升压电容CB的作用，无论高压电源VH电压为多少伏(VH始终＞VCC)上侧驱动电路的浮动电源电压VB电位相对高压电源VH始终要抬高一个半桥驱动电路的电源电压VCC，保证了上侧N沟功率MOSFET的充分导通和截止。

由于半桥驱动电路传输功率的大小取决于高压电源VH的电压和流经上侧、下侧功率MOSFET T1、T2的电流，因此为了传输更大的功率，人们往往采用提高VH电压的办法，而前级电路往往是低压电路，这就需要用到电平位移电路。

现有技术中的一个经典的高压电平位移电路(单路)的拓扑结构图参见图2。在图2所示的电路中，符号的定义同上述，主要承受功率的器件是高压LDMOS管T。随着VH电压的不断提高，除了对有源器件的耐压性能提出更高的要求外，对负载电阻RL的承受功率能力也提出更高要求，这种结构的器件承受功率的要求除了有电压的不确定性，还有信号脉宽的不确定性，这对于集成化设计的半桥驱动电路内部器件的功率承受能力设计和可靠性设计带来挑战，由此产生各种集成化设计中降低高压电平位移电路功耗的方法。

图3为现有技术中的一个传统的双脉冲驱动的集成高压电平位移电路(双路)的拓扑结构图。由于半桥驱动电路传输的信号是脉冲信号，且脉冲宽度和高压电源VH的电压幅度都是可变的，对集成电路内部器件承受功率设计带来不确定因素。为了消除这些不确定因素，该结构的上侧输入信号H_in输入脉冲发生器1电路，通过脉冲发生器1对输入脉冲的上升沿和下降沿的检测，从而产生与输入信号的上升沿和下降沿相关的两个窄脉冲。脉冲发生单元1电路完成了对输入脉冲信号从单路输入到双路脉冲输出的信号变换，然后把这两路信号分别送到两路高压电平位移电路，高压MOSFET 2和4、负载电阻3和5以及箝位二极管构成的两路高压电平位移电路。高压电平位移电路实际就是一个电阻负载的MOS反相电路，再经过信号恢复电路6把两路经过电平位移的窄脉冲信号重新恢复成一个电平幅度在VB与VS之间且与原上侧输入信号H_in脉冲宽度相同的脉冲信号，从而完成了对上侧输入信号H_in的高压电平位移(见图4波形)。虽然电平位移电路单元的数量从一路增加到两路，而且在电平位移之前还需增加脉冲发生器1电路，由于脉冲发生器1输出的脉冲宽度是固定的，而且是通过设计精确控制相当窄小的脉冲(nS数量级)，这种电路结构的特点是把一个信号脉宽变成二个固定脉宽的窄脉冲，使脉冲宽度变化的不确定因素得以确定，消除了器件承受功率的不确定因素，对于集成化设计的高压电平位移电路中器件的功率计算、版图设计带来便利，从而使一个不可能实现的高压半桥驱动集成化方案变为可能，我们把这种传统的集成高压电平位移电路称为双脉冲高压电平位移电路。

但是，现有技术中传统的双脉冲驱动的高压电平位移电路需要产生双路脉冲信号电路和两个高压电平位移电路，并且在高压浮动盆内还需要设置脉冲信号恢复电路，增加了的电路的复杂性和芯片面积，尤其是增加了浮动盆内的电路的面积，导致浮动盆部分芯片面积的扩大。

此外，由于双脉冲结构的半桥驱动电路在某些特殊应用场合，当蓄电池电源端瞬间接触不良引起电路进入欠压保护状态，如果欠压保护状态正巧发生在上侧电平位移电路的脉冲信号恢复电路的产生阶段，其A1信号已经触发而B1尚未来到之际，会产生上侧脉冲信号恢复电路被锁死在高电平的现象，从而造成半桥驱动电路的上侧输出HO锁定在高电平，导致功率MOS管烧毁现象。在反复发生功率MOS管烧毁事件后，以致在某些应用场合的用户宁可舍去集成电路不用，退而使用分离器件现象。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种带恒流控制的单脉冲高压电平位移驱动电路，既简化电路结构，缩小芯片面积，又解决单脉冲高压电平位移电路的功耗问题，提高电路的可靠性。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种带恒流控制的单脉冲高压电平位移驱动电路，能够消除双脉冲高压电平位移电路偶然可能会产生的高电平锁死的现象。

为解决上述技术问题，本发明提供一种带恒流控制的高压电平位移驱动电路，包括：

高压LDMOS管，其栅极与一高压半桥驱动电路的电源电压相连接；

恒流控制驱动电路，分别与电源地、一偏置电压、一上侧输入信号和所述高压LDMOS管的源极相连接，用于当所述高压半桥驱动电路的上侧功率MOS管的高压电源处于规格允许的电压范围之内时，所述高压LDMOS管导通后的导通电流是受控恒定的；

负载电阻，其一端与所述高压LDMOS管的漏极相连接，另一端与所述高压半桥驱动电路中的上侧驱动电路的浮动电源电压相连接；

驱动器，分别与所述高压LDMOS管的漏极、所述上侧驱动电路的浮动电源电压、一浮动地和所述高压半桥驱动电路的上侧输出端相连接；以及

箝位二极管，跨接在所述负载电阻的两端。

可选地，所述高压LDMOS管和所述负载电阻构成第一级倒相器。

可选地，所述倒相器驱动级的总的级数为奇数级。

可选地，所述上侧输入信号为单脉冲驱动信号。

可选地，当所述上侧驱动电路的浮动电源电压为所述高压半桥驱动电路的电源电压时，所述高压LDMOS管导通；

而当所述上侧驱动电路的浮动电源电压浮动到所述上侧功率MOS管的高压电源加上所述高压半桥驱动电路的电源电压时，所述高压LDMOS管截止。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在现有传统的双脉冲高压电平位移驱动电路的拓扑结构的基础上，取消了脉冲发生器、一路高压电平位移电路和脉冲信号恢复电路，仅仅增加了一个低压部分的恒流控制驱动电路，整个电路结构变得简洁很多，可使实现同样功能的电路浮动盆面积缩小很多。

另外，本发明通过对高压电平位移驱动电路中高压LDMOS管的导通状态的逻辑设计和导通状态的恒流控制，采用单脉冲带恒流控制的驱动方式，简化了传统双脉冲高压电平位移电路及其驱动电路的拓扑结构，同时解决了单脉冲高压电平位移集成电路中的高压器件功率承受问题。

综上所述，本发明既简化了电路结构，缩小了芯片面积，又解决了单脉冲高压电平位移驱动电路的功耗问题，提高了电路的可靠性。除此之外，本发明还能够消除双脉冲高压电平位移电路偶然可能会产生的高电平锁死的现象。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一个包含高压电平位移电路的高压半桥驱动电路的拓扑结构图；

图2为现有技术中的一个经典的高压电平位移电路(单路)的拓扑结构图；

图3为现有技术中的一个传统的双脉冲驱动的集成高压电平位移电路(双路)的拓扑结构图；

图4为现有技术中的一个高压电平位移电路的从上侧输入信号直到信号恢复的脉冲波形图；

图5为本发明一个实施例的带恒流控制的高压电平位移驱动电路的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图5为本发明一个实施例的带恒流控制的高压电平位移驱动电路的拓扑结构图。相对于图3所示的双脉冲电平位移驱动电路拓扑结构，图5的电路拓扑结构取消了脉冲发生器，一路高压电平位移电路和脉冲信号恢复电路，仅仅增加了一个低压部分的恒流控制驱动电路，整个电路要简洁很多，可使同样功能电路的浮动盆面积缩小很多。下面描述这个电路是如何实现在简化电路结构的同时又解决高压电平位移电路的功耗问题。

如图5所示，带恒流控制的高压电平位移驱动电路500可包括高压LDMOS管T、恒流控制驱动电路501、负载电阻RL、驱动器502以及箝位二极管Z。其中，高压LDMOS管T的栅极与一高压半桥驱动电路的电源电压VCC相连接。恒流控制驱动电路501分别与电源地GND、一偏置电压、一上侧输入信号IN(单脉冲驱动信号)和高压LDMOS管T的源极相连接，用于当高压半桥驱动电路的上侧功率MOS管的高压电源VH处于规格允许的电压范围之内时，高压LDMOS管T导通后的导通电流是受控恒定的。负载电阻RL的一端与高压LDMOS管T的漏极相连接，另一端与高压半桥驱动电路中的上侧驱动电路的浮动电源电压VB相连接。该负载电阻RL和该高压LDMOS管T构成第一级倒相器，倒相器驱动级的总的级数为奇数级。驱动器502分别与高压LDMOS管T的漏极、上侧驱动电路的浮动电源电压VB、一浮动地VS和高压半桥驱动电路的上侧输出端HO相连接。箝位二极管Z，跨接在负载电阻RL的两端。

在本实施例中，当上侧驱动电路的浮动电源电压VB为高压半桥驱动电路的电源电压VCC时，高压LDMOS管T导通；而当上侧驱动电路的浮动电源电压VB浮动到上侧功率MOS管的高压电源VH加上高压半桥驱动电路的电源电压VCC时，高压LDMOS管T截止。

可见，图5的电路拓扑结构也是在图2经典的高压电平位移电路拓扑结构的基础上，在高压LDMOS管T的源端增加了一个带恒流控制的驱动电路501，使高压LDMOS管T导通时的导通电流是受控制的。这样不管高压电源VH电压如何变化，只要还在产品规格书规定允许的电压范围之内，流过高压LDMOS管T的电流就是恒定的。

另外，电路的控制逻辑设计成当上侧驱动电路的浮动电源电压VB为半桥驱动电路的电源电压VCC时高压LDMOS管T导通；而当上侧驱动电路的浮动电源电压VB浮上去为VH+VCC时高压LDMOS管T截止，于是整个电路的控制逻辑设计成正好和传统的双脉冲电平位移电路的控制逻辑相反。当上侧驱动电路的浮动电源电压VB为半桥驱动电路的电源电压VCC时，高压LDMOS管T导通时，导通时高压LDMOS管T的功率被控制在低电压时的功率范围，高压LDMOS管T导通时的功率P_on＝Ids×Vds_on。而当上侧驱动电路的浮动电源电压VB浮动到VH+Vdd时，高压LDMOS管T截止，高压LDMOS管T截止时Vds电压虽然很高，由于Ids为0(忽略高压LDMOS管T截止时的漏电流)，所以高压LDMOS管T截止时的功率P_off＝Ids×Vds_off仍然很低。

表1：LDMOS管导通时的VB电压和对应的功率承受比较

VB电压(V)	LDMOS状态	VS电压(V)	LDMOS承受功率
				615	导通	600	大
15	截止	0	小
				615	截至	600	小
15	导通	15/0	小

在上述表1中，VB电压在615V时LDMOS管导通的是双脉冲电平位移电路的工作状态；而VB电压在615V时LDMOS管截止的是带恒流控制电平位移电路的工作状态。

本发明在现有传统的双脉冲高压电平位移驱动电路的拓扑结构的基础上，取消了脉冲发生器、一路高压电平位移电路和脉冲信号恢复电路，仅仅增加了一个低压部分的恒流控制驱动电路，整个电路结构变得简洁很多，可使实现同样功能的电路浮动盆面积缩小很多。

另外，本发明通过对高压电平位移驱动电路中高压LDMOS管的导通状态的逻辑设计和导通状态的恒流控制，采用单脉冲带恒流控制的驱动方式，简化了传统双脉冲高压电平位移电路及其驱动电路的拓扑结构，同时解决了单脉冲高压电平位移集成电路中的高压器件功率承受问题。

综上所述，本发明既简化了电路结构，缩小了芯片面积，又解决了单脉冲高压电平位移驱动电路的功耗问题，提高了电路的可靠性。除此之外，本发明还能够消除双脉冲高压电平位移电路偶然可能会产生的高电平锁死的现象。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带恒流控制的高压电平位移驱动电路(500)，包括：

高压LDMOS管(T)，其栅极与一高压半桥驱动电路的电源电压(VCC)相连接；

恒流控制驱动电路(501)，分别与电源地(GND)、一偏置电压、一上侧输入信号(IN)和所述高压LDMOS管(T)的源极相连接，用于当所述高压半桥驱动电路的上侧功率MOS管的高压电源(VH)处于规格允许的电压范围之内时，所述高压LDMOS管(T)导通后的导通电流是受控恒定的；

负载电阻(RL)，其一端与所述高压LDMOS管(T)的漏极相连接，另一端与所述高压半桥驱动电路中的上侧驱动电路的浮动电源电压(VB)相连接；

驱动器(502)，分别与所述高压LDMOS管(T)的漏极、所述上侧驱动电路的浮动电源电压(VB)、一浮动地(VS)和所述高压半桥驱动电路的上侧输出端(HO)相连接；以及

箝位二极管(Z)，跨接在所述负载电阻(RL)的两端。

2.根据权利要求1所述的高压电平位移驱动电路(500)，其特征在于，所述高压LDMOS管(T)和所述负载电阻(RL)构成第一级倒相器。

3.根据权利要求2所述的高压电平位移驱动电路(500)，其特征在于，所述倒相器驱动级的总的级数为奇数级。

4.根据权利要求1所述的高压电平位移驱动电路(500)，其特征在于，所述上侧输入信号(IN)为单脉冲驱动信号。

5.根据权利要求1所述的高压电平位移驱动电路(500)，其特征在于：

当所述上侧驱动电路的浮动电源电压(VB)为所述高压半桥驱动电路的电源电压(VCC)时，所述高压LDMOS管(T)导通；

而当所述上侧驱动电路的浮动电源电压(VB)浮动到所述上侧功率MOS管的高压电源(VH)加上所述高压半桥驱动电路的电源电压(VCC)时，所述高压LDMOS管(T)截止。

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