CN103248323B - 浮置栅极驱动器电路及其改善抗噪声能力的电路与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种浮置栅极驱动器电路及在浮置栅极驱动器电路中为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路与方法。其主要技术方案是：在一浮置栅极驱动器电路中，侦测一切换信号的上升缘及下降缘触发设定信号及重设信号，该设定信号及该重设信号经单端准位平移器转译到同一输出端产生一输出电压，一暂态侦测器侦测该输出电压中的噪声产生暂态侦测信号，一遮蔽电路受该暂态侦测信号控制以遮蔽该输出电压中的噪声，将该转译出来的设定信号及重设信号提供给双稳态电路，以产生准位平移的切换信号。此配置具有低面积成本及较佳的抗噪声能力。
Description
技术领域
本发明是有关一种浮置栅极(floatinggate)驱动器电路，特别是关于一种在浮置栅极驱动器电路中为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路及方法。
背景技术
高压集成电路是马达、安定器、双电感单电容转换器及冷阴极管等高压应用中必须使用的元件。例如参照图1，半桥电路的高侧(highside)功率晶体管T1及低侧(lowside)功率晶体管T2分别受控制器集成电路10提供的栅极控制信号UG及LG切换，栅极控制信号UG及LG由非重叠(non-overlapping)切换信号HIN及LIN分别产生。半H桥电路的直流输入电压VIN高达300～600伏特或更高，为了减少控制器集成电路10中使用的高压电路元件的数量以及高侧电路所承受的电压，将高侧电路制作在超高压浮置井12当中，超高压浮置井12电耦接半H桥电路的切换节点LX，以其电压VLX作为高侧电路的参考电位，切换信号HIN及LIN是参考到接地端GND产生的低压逻辑信号，再将切换信号HIN平移到较高的准位去产生栅极控制信号UG。由于高侧电路的参考电位不是接地端GND的电压，而是切换节点LX的电压VLX，因此这种结构称为浮置栅极驱动器电路。
为了平移切换信号HIN的准位，边缘脉冲产生器14侦测切换信号HIN的上升缘及下降缘分别触发设定信号Set及重设信号Reset，二者皆为短脉冲信号，经准位平移器16转译为RS触发器18的设定输入信号S及重设输入信号R，以触发及结束参考到电压VLX的切换信号Q，因此切换信号Q具有和切换信号HIN相同的逻辑表态，但准位不同。在准位平移器16中，输入晶体管M1及M2分别用来传送设定信号Set及重设信号Reset到输出端AA及BB，电阻R1及R2分别作为输入晶体管M1及M2的平移负载。输出端AA及BB分别经电阻R1及R2连接到电源输入端Vb，因此输入晶体管M1及M2须使用高压晶体管，设计电路时必须在面积及崩溃电压之间妥协。输入晶体管M1及M2若放在超高压浮置井12外，则需要很大的面积，反之，若放在超高压浮置井20中，则因为彼此靠近而有较严重的串扰问题(crosstalkissue)。
美国专利号7,236,020改用单端准位平移器转译设定信号Set及重设信号Reset到同一输出端给D触发器，以产生准位平移的切换信号。由于单端准位平移器仅包括一个输入晶体管，因此能大幅减少准位平移器的电路面积，而且消除两个输入晶体管之间的串扰，但使用单端准位平移器有抗噪声能力较差的问题。例如参照图1，耦接在电源输入端Vb及切换节点LX之间的自举电容Cb会把电压VLX的暂态变化引入电源电压Vb中，而输入晶体管M1有寄生电容Cp1，电压Vb的暂态变化对寄生电容Cp1充电或放电会在输出端AA产生噪声。由于单端准位平移器转译设定信号Set及重设信号Reset到同一输出端AA，因此前述的噪声容易导致D触发器误动作，甚至造成功率晶体管T1及T2同时打开而让高压直流电源VIN直接短路到接地端GND。
因此，一种在浮置栅极驱动器电路中为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路及方法，乃为所冀。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路。所述浮置栅极驱动器电路具有电源输入端，所述单端准位平移器转译设定信号及重设信号到同一输出端，以产生输出电压用来控制双稳态电路产生切换信号，所述双稳态电路以超高压浮置井的电压作为参考电位，所述为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路包括：暂态侦测器，连接所述单端准位平移器的输出端、所述电源输入端以及所述超高压浮置井，侦测所述单端准位平移器的输出电压以产生暂态侦测信号；以及遮蔽电路，连接所述单端准位平移器的输出端、所述电源输入端以及所述暂态侦测器，在所述暂态侦测信号的控制下遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的噪声，将所述转译出来的设定信号及重设信号提供给所述双稳态电路。
本发明的目的之一，在于提出一种在浮置栅极驱动器电路中为单端准位平移器改善抗噪声能力的方法。所述浮置栅极驱动器电路具有电源输入端，所述单端准位平移器转译设定信号及重设信号到同一输出端，以产生输出电压用来控制双稳态电路产生切换信号，所述双稳态电路以超高压浮置井的电压作为参考电位，所述方法包括以下步骤：(A)侦测所述单端准位平移器的输出电压以产生暂态侦测信号；以及(B)在所述暂态侦测信号的控制下遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的噪声，将所述转译出来的设定信号及重设信号提供给所述双稳态电路。
本发明的目的之一，在于提出一种具单端准位平移器的浮置栅极驱动器电路。所述浮置栅极驱动器电路包括：电源输入端；超高压浮置井；边缘脉冲产生器，侦测切换信号的上升缘及下降缘分别触发设定信号及重设信号到同一脉冲信号中；单端准位平移器，连接所述电源输入端及所述边缘脉冲产生器，转译所述脉冲信号中的设定信号及重设信号到同一输出端，以产生输出电压；双稳态电路，连接所述电源输入端及所述超高压浮置井，产生以所述超高压浮置井的电压作为参考电位的切换信号；暂态侦测器，连接所述电源输入端、所述超高压浮置井及所述单端准位平移器的输出端，侦测所述单端准位平移器的输出电压以产生暂态侦测信号；以及遮蔽电路，连接所述电源输入端、所述超高压浮置井、所述单端准位平移器的输出端及所述暂态侦测器，在所述暂态侦测信号的控制下遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的噪声，将所述转译出来的设定信号及重设信号提供给所述双稳态电路，以分别触发及结束所述切换信号。
根据本发明，在使用单端准位平移器的浮置栅极驱动器电路中，侦测单端准位平移器的输出电压产生暂态侦测信号，在该暂态侦测信号控制下，遮蔽该输出电压中的噪声，因而获得强轫的单端准位平移器。
在一实施例中，使用暂态侦测器侦测单端准位平移器的输出电压，以产生暂态侦测信号。
在一实施例中，使用遮蔽电路遮蔽该输出电压中的噪声。
本发明不但保有使用单端准位平移器的低面积成本的优点，而且改善了单端准位平移器的抗噪声能力。
附图说明
图1是现有的浮置栅极驱动器电路；
图2是本发明的实施例；
图3是暂态侦测器的第一实施例；
图4是暂态侦测器的第二实施例；
图5是遮蔽电路的实施例；
图6是图5的解码器的时序图；
图7是欠压锁定装置的实施例；以及
图8是本发明在不同应用中的示意图。
附图标号：
10控制器集成电路
12超高压浮置井
14边缘脉冲产生器
16单端准位平移器
18SR触发器
20边缘脉冲产生器
22单端准位平移器
24遮蔽电路
26暂态侦测器
28平移负载
30电流源
32缓冲器
34电流源
40延迟器
42解码器
44计数器
46欠压锁定装置
50电压VAA相对于电压VLX的波形
52设定信号造成的脉冲
54重设信号造成的脉冲
56噪声
60迟滞比较器
62电压VCC的波形
64欠压锁定信号的波形
66切换信号HIN的波形
68切换信号Q的波形
70电压VAA相对于电压VLX的波形
72设定信号造成的脉冲
74重设信号造成的脉冲
76噪声
78噪声
具体实施方式
参照图2的实施例，为了平移切换信号HIN的准位，边缘脉冲产生器20侦测切换信号HIN的上升缘及下降缘分别触发脉冲信号PLS在同一输出端，因此脉冲信号PLS包括前述的短脉冲设定信号Set及重设信号Reset，单端准位平移器22转译设定信号Set及重设信号Reset到同一输出端AA，以输出电压VAA表达转译出来的设定信号Set及重设信号Reset给遮蔽电路24，暂态侦测器26侦测输出电压VAA产生暂态侦测信号TD，在暂态侦测信号TD的控制下，遮蔽电路24遮蔽输出电压VAA中的噪声，将设定信号Set及重设信号Reset分别提供给SR触发器18的设定输入端S及重设输入端R，以触发及结束准位平移的切换信号Q。在其他实施例中，亦可改用其他双稳态电路来取代SR触发器18，例如D触发器或其他闩锁装置。在单端准位平移器22中，平移负载28和输入晶体管M1串联在电源输入端Vb及接地端GND之间，输入晶体管M1的栅极接受脉冲信号PLS，其包括的脉冲会打开输入晶体管M1造成输出电压VAA产生负脉冲，因此切换信号HIN的上升缘触发负脉冲设定信号Set，下降缘触发负脉冲重设信号Reset。平移负载28可使用电阻、电流源、二极管或可程式化阻抗元件。较佳者，单端准位平移器22更包括齐纳二极管ZD并联平移负载28，以箝制输出电压VAA，即限制输出电压VAA不低于某个箝位电压Vclamp。齐纳二极管ZD亦可改用其他箝位电路来取代。
图3是暂态侦测器26的第一实施例，用于侦测电压VLX下降时产生的噪声。在此实施例中，晶体管M3及电流源30串联在单端准位平移器22的输出端AA及超高压浮置井12之间，晶体管M3的控制端栅极连接控制器集成电路10的直流电源输入端Vb，缓冲器32的两偏压输入端分别连接控制器集成电路10的电源输入端Vb及超高压浮置井12，根据晶体管M3的漏极电压Sf决定暂态侦测信号TD。在稳态时，晶体管M3为断路，电压Sf约等于VLX，缓冲器32的输出TD为逻辑0。在电压VLX突然下降超过某个临界值时，电压Vb被拉低而导致晶体管M3导通，电压Sf瞬间上升，缓冲器32因而触发暂态侦测信号TD。
图4是暂态侦测器26的第二实施例，用于侦测电压VLX上升时产生的噪声。在此实施例中，齐纳二极管ZD1及电流源30串联在控制器集成电路10的电源输入端Vb及超高压浮置井12之间，电流源34及晶体管M3串联在控制器集成电路10的电源输入端Vb及单端准位平移器22的输出端AA之间，缓冲器32的两偏压输入端分别连接控制器集成电路10的电源输入端Vb及超高压浮置井12，根据晶体管M3的漏极电压决定暂态侦测信号的反相信号在稳态时，晶体管M3为断路，电压约等于Vb，缓冲器32的输出为逻辑1，即暂态侦测信号TD为逻辑0。在电压VLX突然上升超过某个临界值时，电压Vb被拉高而导致晶体管M3导通，电压瞬间下降，触发信号变为逻辑0。
图5是遮蔽电路24的实施例，单端准位平移器22的输出电压VAA及其经延迟器40延迟时间Δt产生的延迟电压VAAd输入解码器42，计数器44计算输入电压VAA中的脉冲个数产生计数值CT给解码器42，暂态侦测信号TD或其反相信号输入计数器44的重设输入端R，以重设计数器44，解码器42根据电压VAA及VAAd解码产生设定信号S及重设信号R，并根据计数值CT决定是否释放设定信号S及重设信号R，计数器44亦提供设定信号S或重设信号R给SR触发器18。在一实施例中，当计数值CT达到某个预设值时，解码器42在延迟时间Δt后释出电压VAAd中的第一个脉冲作为设定信号S，然后遮蔽电压VAA中的第二个脉冲后，再释出电压VAA中的第三个脉冲作为重设信号R。亦可让解码器42提供额外的保护功能，以规范SR触发器18在安全的电压范围内运作，例如在遮蔽电路24设置欠压锁定(undervoltagelockout)装置46，藉其侦测电压Vb以产生欠压锁定信号UVLO(包括设定信号S或重设信号R)给SR触发器18，在电压Vb不足时关闭高侧功率晶体管T1。
图6是图5的解码器24在一个实施例中的时序图，单端准位平移器22的输出电压VAA相对于电压VLX如波形50所示，脉冲52是设定信号Set造成的，脉冲54是重设信号Reset造成的，脉冲56是噪声，其可能低于齐纳二极管ZD限制的箝位电压Vclamp。在计数器44侦测到第一个脉冲56时，计数值CT变为1，解码器42不释放任何信号，而是在延迟时间Δt后才释放第二个脉冲52作为设定信号S，并将下一个脉冲54作为重设信号R。
图7是欠压锁定装置46的实施例，使用迟滞比较器60侦测电压Vb以产生欠压锁定信号UVLO。当控制器集成电路10的直流电源供应器VCC开启后，如波形62所示，电压Vb从0上升到最大值。当电压Vb超过上边界值Vb+时，欠压锁定信号UVLO转为逻辑1，如波形64所示，因而致能SR触发器18，于是SR触发器18可响应切换信号HIN产生切换信号Q，如波形66及68所示。当控制器集成电路10的直流电源供应器VCC关闭时，电压Vb从最大值降到0。当电压Vb交越下边界值Vb-时，欠压锁定信号UVLO转为逻辑0而禁能SR触发器18，于是SR触发器18不能再运作，即使切换信号HIN未关闭，也不会产生切换信号Q，如波形66及68所示。在其他实施例中，亦可改用单一边界值Vb+或Vb-供电压Vb比较来产生欠压锁定信号UVLO。
图8是本发明在不同应用中的示意图。在非零电压切换应用中，如图8的(A)部分所示，脉冲72是设定信号Set造成的，脉冲74是重设信号Reset造成的，在侦测到脉冲72后经过时间Δt才打开UG，高侧功率晶体管T1打开时引起的电压VLX暂态变化产生噪声76，高侧功率晶体管T1关闭时引起的电压VLX暂态变化产生噪声78。在这种操作模式中，在侦测到脉冲72后遮蔽噪声76，再释放的脉冲74。在零电压切换应用中，如图8的(B)部分所示，在脉冲72以前发生噪声76，在侦测到噪声76后经过时间Δt打开UG，然后释放脉冲74。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让本领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求的保护范围及其均等来决定。
Claims (23)
1.一种在浮置栅极驱动器电路中为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路，其特征在于，所述浮置栅极驱动器电路具有电源输入端，所述单端准位平移器转译设定信号及重设信号到同一输出端，以产生输出电压用来控制双稳态电路产生切换信号，所述双稳态电路以超高压浮置井的电压作为参考电位，所述为单端准位平移器改善抗噪声能力的电路包括：
暂态侦测器，连接所述单端准位平移器的输出端、所述电源输入端以及所述超高压浮置井，侦测所述单端准位平移器的输出电压以产生暂态侦测信号；以及
遮蔽电路，连接所述单端准位平移器的输出端、所述电源输入端以及所述暂态侦测器，在所述暂态侦测信号的控制下遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的噪声，将所述转译出来的设定信号及重设信号提供给所述双稳态电路。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述暂态侦测器包括：
晶体管及电流源，串联在所述单端准位平移器的输出端及所述超高压浮置井之间，所述晶体管具有连接到所述电源输入端的控制端；以及
缓冲器，具有连接到所述晶体管的输出端的输入端，以及分别连接到所述电源输入端及所述超高压浮置井的两偏压输入端，根据所述晶体管的输出端电压决定所述暂态侦测信号。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述暂态侦测器包括：
齐纳二极管及第一电流源，串联在所述电源输入端及所述超高压浮置井之间；
第二电流源及晶体管，串联在所述电源输入端及所述单端准位平移器的输出端之间，所述晶体管具有连接到所述齐纳二极管的控制端；以及
缓冲器，具有连接到所述晶体管的输出端的输入端，以及分别连接到所述电源输入端及所述超高压浮置井的两偏压输入端，根据所述晶体管的输出端电压决定所述暂态侦测信号。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述遮蔽电路包括：
延迟器，连接所述单端准位平移器的输出端，将所述输出电压延迟一段时间；
计数器，连接所述单端准位平移器的输出端及所述暂态侦测器，计算所述输出电压中的脉冲个数产生计数值，所述计数器具有接受所述暂态侦测信号的重设输入端；以及
解码器，连接所述单端准位平移器的输出端、所述延迟器及所述计数器，根据所述输出电压及所述延迟后的输出电压解码产生所述设定信号及所述重设信号，并根据所述计数值决定是否释放所述设定信号及所述重设信号。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述计数器提供一信号重设所述双稳态电路。
6.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述遮蔽电路更包括连接到所述电源输入端的欠压锁定装置，侦测所述电源输入端的电压以重设所述双稳态电路。
7.一种在浮置栅极驱动器电路中为单端准位平移器改善抗噪声能力的方法，其特征在于，所述浮置栅极驱动器电路具有电源输入端，所述单端准位平移器转译设定信号及重设信号到同一输出端，以产生输出电压用来控制双稳态电路产生切换信号，所述双稳态电路以超高压浮置井的电压作为参考电位，所述方法包括以下步骤：
A、侦测所述单端准位平移器的输出电压以产生暂态侦测信号；以及
B、在所述暂态侦测信号的控制下遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的噪声，将所述转译出来的设定信号及重设信号提供给所述双稳态电路。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括在所述超高压浮置井的电压突然下降超过临界值时，触发所述暂态侦测信号。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括在所述超高压浮置井的电压突然上升超过临界值时，触发所述暂态侦测信号。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：
在所述暂态侦测信号被触发后计算所述单端准位平移器的输出电压中的脉冲个数产生一计数值；以及
在侦测到所述单端准位平移器的输出电压中的第一个脉冲后一段预定时间释出所述设定信号给所述双稳态电路。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤B更包括在所述计数值达到一预定值时释出所述重设信号给所述双稳态电路。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：
在所述暂态侦测信号被触发后计算所述单端准位平移器的输出电压中的脉冲个数产生一计数值；以及
在所述计数值达到一预定值时，遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的脉冲一段时间。
13.一种浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述浮置栅极驱动器电路包括：
电源输入端；
超高压浮置井；
边缘脉冲产生器，侦测切换信号的上升缘及下降缘，分别触发设定信号及重设信号到同一脉冲信号中；
单端准位平移器，连接所述电源输入端及所述边缘脉冲产生器，转译所述脉冲信号中的设定信号及重设信号到同一输出端，以产生输出电压；
双稳态电路，连接所述电源输入端及所述超高压浮置井，产生以所述超高压浮置井的电压作为参考电位的切换信号；
暂态侦测器，连接所述电源输入端、所述超高压浮置井及所述单端准位平移器的输出端，侦测所述单端准位平移器的输出电压以产生暂态侦测信号；以及
遮蔽电路，连接所述电源输入端、所述超高压浮置井、所述单端准位平移器的输出端及所述暂态侦测器，在所述暂态侦测信号的控制下遮蔽所述单端准位平移器的输出电压中的噪声，将所述转译出来的设定信号及重设信号提供给所述双稳态电路，以分别触发及结束所述切换信号。
14.如权利要求13所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述浮置栅极驱动器电路更包括自举电容，连接在所述电源输入端及所述超高压浮置井之间。
15.如权利要求13所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述单端准位平移器包括：
输入晶体管，具有连接到所述边缘脉冲产生器的控制端，传送所述脉冲信号中的设定信号及重设信号到所述输出端；以及
平移负载，连接在所述电源输入端及所述输出端之间。
16.如权利要求15所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述输入晶体管在所述超高压浮置井中。
17.如权利要求15所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述浮置栅极驱动器电路更包括并联到所述平移负载的箝位电路。
18.如权利要求13所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述双稳态电路包括触发器，受控于所述转译出来的设定信号及重设信号。
19.如权利要求13所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述暂态侦测器包括：
晶体管及电流源，串联在所述单端准位平移器的输出端及所述超高压浮置井之间，所述晶体管具有连接到所述电源输入端的控制端；以及
缓冲器，具有连接到所述晶体管的输出端的输入端，以及分别连接到所述电源输入端及所述超高压浮置井的两偏压输入端，根据所述晶体管的输出端电压决定所述暂态侦测信号。
20.如权利要求13所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述暂态侦测器包括：
齐纳二极管及第一电流源，串联在所述电源输入端及所述超高压浮置井之间；
第二电流源及晶体管，串联在所述电源输入端及所述单端准位平移器的输出端之间，所述晶体管具有连接到所述齐纳二极管的控制端连接；以及
缓冲器，具有连接到所述晶体管的输出端的输入端，以及分别连接到所述电源输入端及所述超高压浮置井的两偏压输入端，根据所述晶体管的输出端电压决定所述暂态侦测信号。
21.如权利要求13所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述遮蔽电路包括：
延迟器，连接所述单端准位平移器的输出端，将所述输出电压延迟一段时间；
计数器，连接所述单端准位平移器的输出端及所述暂态侦测器，计算所述输出电压中的脉冲个数产生计数值，所述计数器具有接受所述暂态侦测信号的重设输入端；以及
解码器，连接所述单端准位平移器的输出端、所述延迟器及所述计数器，根据所述输出电压及所述延迟后的输出电压解码产生所述设定信号及所述重设信号，并根据所述计数值决定是否释放所述设定信号及所述重设信号。
22.如权利要求21所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述计数器提供一信号重设所述双稳态电路。
23.如权利要求21所述的浮置栅极驱动器电路，其特征在于，所述遮蔽电路更包括连接到所述电源输入端的欠压锁定装置，侦测所述电源输入端的电压以重设所述双稳态电路。
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