CN103647438B - 无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路 - Google Patents

无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路，不需要电荷泵升压电路，通过控制传输门的打开和关闭，来控制N型DMOS功率管的栅源电压，降低芯片设计和使用中的成本和复杂度，增加可靠性。在降低功耗的情况下，通过增加通路，快速泄放传输门中的P型MOS管栅极电荷，从而快速关闭传输门中的P型MOS管，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的快速开启和关闭。

Description

无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路
技术领域
本发明涉及一种功率管驱动电路，尤其涉及一种应用在H桥电路上桥臂功率管中的无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路。
背景技术
现有的步进电机驱动芯片H桥电路中，功率管通常选用N型DMOS管，这是因为N型DMOS管中电子迁移率比P型DMOS管中空穴迁移率高，同样面积的N型DMOS管的导通电阻更小，因此采用N型DMOS管可以减小芯片面积、降低芯片功耗。
这里针对的是H桥电路中上桥臂N型DMOS功率管的驱动电路。
在通常应用中，如图1所示，为了降低H桥上桥臂功率管MN_UP的导通电阻，其驱动电路中包括电荷泵，需要通过电荷泵结构升压得到高于电源电压VBB的功率管栅极电压G_UP，使得栅源电压G_UP-S_UP高于功率管的开启电压，其中S_UP为功率管源极电压，使上桥臂功率管工作在线性状态。
该结构具体工作电压电流波形如图4所示，在t0数字控制信号CTL变为高电平，表示打开功率管MN_UP,此时MN_UP的栅极电压VG_UP开始升高，源极电流IS_UP开始增加，当IS_UP增加到最大值后，MN_UP的源极电压VS_UP开始随VG_UP一起升高直到接近VBB电压，VG_UP电压最后升高到VCP电压，此时MN_UP打开，且处在线性区；在t1时刻数字控制信号CTL变为低电平，表示关闭功率管MN_UP，此时VG_UP开始降低，当VG_UP降低到VBB后，VS_UP也随之降低，直到最后VG_UP跟VS_UP相等为一负值，此时IS_UP也降低至零，MN_UP关闭。
在该电路中，电荷泵增加芯片面积，需要添加单独的芯片引脚，同时还需要外围电路中添加电容，增加了芯片设计和使用的成本和复杂度，从而降低了芯片的可靠性。
但在特殊应用场合，比如输出电流较小，对功率管导通电阻要求不高，或者不希望在外围电路中添加过多电容的情况下，可以去掉电荷泵结构，同时修改功率管驱动电路的设计，以期降低芯片设计和使用中的成本和复杂度，增加可靠性。
因此本领域技术人员致力于开发一种无电荷泵升压电路的功率管驱动电路。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路，不需要电荷泵升压电路，通过控制传输门的打开和关闭，来控制N型DMOS功率管的栅源电压，降低芯片设计和使用中的成本和复杂度，增加可靠性。在降低功耗的情况下，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的快速开启和关闭。
本发明提供的无电荷泵结构的功率管驱动电路，功率管为N型DMOS管，包括多个N型MOS管、P型MOS管、电阻以及二极管，其中
P型MOS管MP0的源极通过电阻R1连接到电源VBB,P型MOS管MP1的源极通过电阻R2连接到电源VBB,P型MOS管MP2的源极通过电阻R3连接到电源VBB；
N型MOS管MN0与P型MOS管MP3组成传输门，N型MOS管MN0的漏极与P型MOS管MP3的源极连接，N型MOS管MN0的源极与P型MOS管MP3的漏极连接；
N型MOS管MN0的栅极与P型MOS管MP0的漏极连接，P型MOS管MP3的栅极与P型MOS管MP2的漏极连接；N型MOS管MN0的栅极与P型MOS管MP1的漏极连接；
二极管D0跨接于N型MOS管MN0的栅极和源极之间，二极管D0的负极与N型MOS管MN0的栅极连接；二极管D1跨接于P型MOS管MP3，二极管D1的正极与P型MOS管MP3的栅极连接；
N型MOS管MN1的漏极与P型MOS管MP0的漏极连接；N型MOS管MN1的源极与地电位GND连接；
功率管驱动电路还包括数字控制信号CTL、数字控制信号CTL_P以及数字控制信号CTL_N，其中数字控制信号CTL_P与数字控制信号CTL同相，数字控制信号CTL_N与数字控制信号CTL信号反相；
功率管驱动电路还包括将数字控制信号CTL通过电平转换电路得到数字控制信号CTL_HP和数字控制信号CTL_HN信号，其中数字控制信号CTL_HP与数字控制信号CTL同相，数字控制信号CTL_HN与数字控制信号CTL信号反相，数字控制信号CTL_HN与数字控制信号CTL_HP在VBB-5V到VBB之间变化；
数字控制信号CTL_P为N型MOS管MN1的输入信号；数字控制信号CTL_HP为P型MOS管MP0的输入信号,数字控制信号CTL_HN为P型MOS管MP1的输入信号；
P型MOS管MP3的源极与功率管的栅极连接，P型MOS管MP3的漏极与功率管的源极连接。
采用本发明提供的功率管驱动电路，不需要电荷泵升压电路，通过控制传输门的打开和关闭，来控制N型DMOS功率管的栅源电压，降低芯片设计和使用中的成本和复杂度，增加可靠性。
进一步地，功率管驱动电路还包括P型MOS管MP4、N型MOS管MN2、N型MOS管MN3、N型MOS管MN6和二极管D2，其中
P型MOS管MP4的源极与P型MOS管MP3的栅极连接，P型MOS管MP4的漏极与N型MOS管MN2的漏极连接，P型MOS管MP4的栅极与N型MOS管MN3的漏极连接，二极管D2跨接于P型MOS管MP4的源极和栅极之间，二极管D2的正极与P型MOS管MP4的栅极连接；
N型MOS管MN2的源极与地电位GND连接；
N型MOS管MN3的源极与P型MOS管MP6的漏极连接；
所述N型MOS管（MN6）的源极与地电位GND连接；
数字控制信号CTL_N为N型MOS管MN2的栅极和N型MOS管MN3的栅极的输入信号。
采用上述功率管驱动电路，增加了D2、MP4与MN2通路，能够快速泄放传输门中的P型MOS管栅极电荷，从而快速关闭传输门中的P型MOS管，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的快速开启和关闭。
进一步地，功率管驱动电路还包括N型MOS管MN4和N型MOS管MN5，其中
N型MOS管MN5跨接于N型MOS管MN1与地电位GND之间，N型MOS管MN5的漏极与N型MOS管MN1的源极连接，N型MOS管MN5的源极与地电位GND连接，N型MOS管MN5的栅极与N型MOS管MN4的栅极连接，N型MOS管MN5的栅极与N型MOS管MN6的栅极连接；
N型MOS管MN4的栅极与漏极连接，N型MOS管MN4的源极与地电位GND连接；
偏置电压BIAS为N型MOS管MN4的栅极的输入信号。
与现有技术相比，本发明提供的无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路具有以下有益效果：
（1）不需要电荷泵升压电路，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的开启和关闭；
（2）通过采用限流措施，降低功率管驱动电路的功耗；
（3）通过增加通路，快速泄放传输门中的P型MOS管栅极电荷，从而快速关闭传输门中的P型MOS管，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的快速开启和关闭。
附图说明
图1是现有技术中带有带电荷泵功率管驱动电路的实现结构；
图2是本发明的一个实施例的功率管驱动电路的实现结构；
图3是本发明的一个实施例的功率管驱动电路的具体电路实现；
图4是图1所示的功率管驱动电路的具体工作电压电流波形图；
图5是图3所示的功率管驱动电路的具体工作电压电流波形图。
具体实施方式
如图2所示，本发明的一个实施例的功率管驱动电路中不包括电荷泵结构，通过控制传输门的打开和关闭，来控制N型DMOS功率管的栅源电压，即G_UP-S_UP，其中G_UP为N型DMOS功率管的栅极电压，S_UP为N型DMOS功率管的源极电压。
本实施例中的功率管驱动电路包括多个N型MOS管、P型MOS管、电阻以及二极管，其中
P型MOS管MP0的源极通过电阻R1连接到电源VBB,P型MOS管MP1的源极通过电阻R2连接到电源VBB,P型MOS管MP2的源极通过电阻R3连接到电源VBB，R1、R2和R3是限流电阻；
N型MOS管MN0与P型MOS管MP3组成传输门，N型MOS管MN0的漏极与P型MOS管MP3的源极连接，N型MOS管MN0的源极与P型MOS管MP3的漏极连接；
N型MOS管MN0的栅极与P型MOS管MP0的漏极连接，P型MOS管MP3的栅极与P型MOS管MP2的漏极连接；N型MOS管MN0的栅极与P型MOS管MP1的漏极连接；
二极管D0跨接于N型MOS管MN0的栅极和源极之间，二极管D0的负极与N型MOS管MN0的栅极连接；二极管D1跨接于P型MOS管MP3，二极管D1的正极与P型MOS管MP3的栅极连接；
N型MOS管MN1的漏极与P型MOS管MP0的漏极连接；N型MOS管MN1的源极与地电位GND连接；
反相器INV1、INV2和电平转换电路，组成数字电路和模拟电路之间的接口电路；数字控制信号CTL经过反相器INV1得到数字控制信号CTL_N，再经过反相器INV2得到数字控制信号CTL_P，数字控制信号CTL_P与数字控制信号CTL同相，数字控制信号CTL_N与数字控制信号CTL信号反相；
数字控制信号CTL通过电平转换电路得到数字控制信号CTL_HP和数字控制信号CTL_HN信号，其中数字控制信号CTL_HP与数字控制信号CTL同相，数字控制信号CTL_HN与数字控制信号CTL信号反相，数字控制信号CTL_HN与数字控制信号CTL_HP在VBB-5V到VBB之间变化；
数字控制信号CTL_P为N型MOS管MN1的输入信号；数字控制信号CTL_HP为P型MOS管MP0的输入信号,数字控制信号CTL_HN为P型MOS管MP1的输入信号；
P型MOS管MP3的源极与功率管的栅极连接，P型MOS管MP3的漏极与功率管的源极连接。
本实施例中的功率管驱动电路工作过程如下：
数字控制信号CTL从低电平转换到高电平时，功率管开启：P型MOS管MP0关闭，N型MOS管MN1打开，D点电压降低，导致N型MOS管MN0的栅源电压低于开启电压，N型MOS管MN0关闭；P型MOS管MP2打开，电源VBB通过P型MOS管MP2对P型MOS管MP3的栅极充电，选取合适的限流电阻R3、R2的阻值，在功率管开启过程中，P型MOS管MP3的栅源电压小于阈值电压，P型MOS管MP3关闭；P型MOS管MP1打开对功率管栅极充电，功率管打开。
数字控制信号CTL从高电压转换到低电平时，功率管关闭：P型MOS管MP1关闭，停止对功率管栅极充电；P型MOS管MP2关闭；N型MOS管MN1关闭，P型MOS管MP0打开，当功率管源极电压随着栅极电压降低而降低时，D点电压被上拉，N型MOS管MN0栅源电压逐渐增大，最终N型MOS管MN0打开并一直维持直到数字控制信号CTL信号变化，在此期间，N型MOS管MN0、P型MOS管MP3组成的传输门结构有效的开启，使功率管栅源电压短接，达到关闭功率管的目的。
本实施例中的功率管驱动电路具体工作电压电流波形如图5所示，在t0数字控制信号CTL变为高电平，表示打开功率管MN_UP,此时MN_UP的栅极电压VG_UP和源极电压VS_UP开始升高，源极电流IS_UP增加并很快达到最大值，最后电压VG_UP升高到VBB电压，VS_UP升高到接近VBB电压，此时MN_UP打开，且处在饱和区；在t1时刻数字控制信号CTL变为低电平，表示关闭功率管MN_UP，此时VG_UP和VS_UP一起降低，直到两者相等并为一负值，此时IS_UP也降低至零，MN_UP关闭。
采用本发明提供的功率管驱动电路，不需要电荷泵升压电路，通过控制传输门的打开和关闭，来控制N型DMOS功率管的栅源电压，降低芯片设计和使用中的成本和复杂度，增加可靠性。
进一步地，功率管驱动电路还包括P型MOS管MP4、N型MOS管MN6、N型MOS管MN2、N型MOS管MN3和二极管D2，其中
P型MOS管MP4的源极与P型MOS管MP3的栅极连接，P型MOS管MP4的漏极与N型MOS管MN2的漏极连接，P型MOS管MP4的栅极与N型MOS管MN3的漏极连接，二极管D2跨接于P型MOS管MP4的源极和栅极之间，二极管D2的正极与P型MOS管MP4的栅极连接；
N型MOS管MN2的源极与地电位GND连接；
N型MOS管MN3的源极与P型MOS管MP6的漏极连接；
N型MOS管MN6的源极与地电位GND连接；
数字控制信号CTL_N为N型MOS管MN2的栅极和N型MOS管MN3的栅极的输入信号。
数字控制信号CTL从高电平转换到低电平时，N型MOS管MN2、N型MOS管MN3打开，C点电压降低，P型MOS管MP4管打开，P型MOS管MP3栅极电荷通过P型MOS管MP4、N型MOS管MN2通路释放，B点电压降低，直到栅压接近零伏之前P型MOS管MP3管维持打开状态。
采用上述功率管驱动电路，增加了MP4与MN2通路，能够快速泄放传输门中的P型MOS管MP3栅极电荷，从而快速关闭传输门中的P型MOS管MP3，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的快速开启和关闭。
在H桥工作在反向充电模式时，P型MOS管MP3管打开，并且A点将维持在高电平，此时就会有持续电流通过D2、MN2、MN6通路，通过限流措施可以使该电流减小，从而降低的功耗。
进一步地，功率管驱动电路还包括N型MOS管MN4和N型MOS管MN5，其中
N型MOS管MN5跨接于N型MOS管MN1与地电位GND之间，N型MOS管MN5的漏极与N型MOS管MN1的源极连接，N型MOS管MN5的源极与地电位GND连接，N型MOS管MN5的栅极与N型MOS管MN4的栅极连接，N型MOS管MN5的栅极与N型MOS管MN6的栅极连接；
N型MOS管MN4的栅极与漏极连接，N型MOS管MN4的源极与地电位GND连接；
偏置电压BIAS为N型MOS管MN4的栅极的输入信号。
本发明提供的无电荷泵结构的低功耗功率管驱动电路，不需要电荷泵升压电路，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的开启和关闭；通过采用限流措施，降低功率管驱动电路的功耗；通过增加通路，快速泄放传输门中的P型MOS管栅极电荷，从而快速关闭传输门中的P型MOS管，实现H桥上桥臂N型DMOS功率管的快速开启和关闭。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种无电荷泵结构的功率管驱动电路，所述功率管为N型DMOS管，其特征在于，包括多个N型MOS管MN0、MN1、P型MOS管MP0、MP1、MP2、MP3、电阻R1、R2、R3以及二极管D0、D1，其中
所述P型MOS管MP0的源极通过所述电阻R1连接到电源(VBB),所述P型MOS管MP1的源极通过所述电阻R2连接到所述电源(VBB),所述P型MOS管MP2的源极通过所述电阻R3连接到所述电源(VBB)；
所述N型MOS管MN0与所述P型MOS管MP3组成传输门，所述N型MOS管MN0的漏极与所述P型MOS管MP3的源极连接，所述N型MOS管MN0的源极与所述P型MOS管MP3的漏极连接；
所述N型MOS管MN0的栅极与所述P型MOS管MP0的漏极连接，所述P型MOS管MP3的栅极与所述P型MOS管MP2的漏极连接；所述N型MOS管MN0的漏极与所述P型MOS管MP1的漏极连接；
所述二极管D0跨接于所述N型MOS管MN0的栅极和源极之间，所述二极管D0的负极与所述N型MOS管MN0的栅极连接；所述二极管D1跨接于所述P型MOS管MP3的栅极和源极之间，所述二极管D1的正极与所述P型MOS管MP3的栅极连接；
所述二极管D0与所述二极管D1为稳压二极管；
所述N型MOS管MN1的漏极与所述P型MOS管MP0的漏极连接；所述N型MOS管MN1的源极与地电位GND连接；
所述功率管驱动电路还包括数字控制信号CTL、数字控制信号CTL_P以及数字控制信号CTL_N，其中所述数字控制信号CTL_P与所述数字控制信号CTL同相，所述数字控制信号CTL_N与所述数字控制信号CTL信号反相；
所述功率管驱动电路还包括将所述数字控制信号CTL通过电平转换电路得到数字控制信号CTL_HP和数字控制信号CTL_HN信号，其中所述数字控制信号CTL_HP与所述数字控制信号CTL同相，所述数字控制信号CTL_HN与所述数字控制信号CTL信号反相，所述数字控制信号CTL_HN与所述数字控制信号CTL_HP在VBB-5V到VBB之间变化；
所述数字控制信号CTL_P为所述N型MOS管MN1的输入信号；所述数字控制信号CTL_HP为所述P型MOS管MP0的输入信号,所述数字控制信号CTL_HN为所述P型MOS管MP1的输入信号；
所述P型MOS管MP3的源极与所述功率管的栅极连接，所述P型MOS管MP3的漏极与所述功率管的源极连接。
2.如权利要求1所述的无电荷泵结构的功率管驱动电路，其特征在于，所述功率管驱动电路还包括P型MOS管MP4、N型MOS管MN2、N型MOS管MN3、N型MOS管MN6和二极管D2，其中
所述P型MOS管MP4的源极与所述P型MOS管MP3的栅极连接，所述P型MOS管MP4的漏极与所述N型MOS管MN2的漏极连接，所述P型MOS管MP4的栅极与所述N型MOS管MN3的漏极连接，所述二极管D2跨接于所述P型MOS管MP4的源极和栅极之间，所述二极管D2的正极与所述P型MOS管MP4的栅极连接；
所述N型MOS管MN2的源极与所述地电位GND连接；
所述N型MOS管MN3的源极与所述N型MOS管MN6的漏极连接；
所述N型MOS管MN6的源极与地电位GND连接；
所述数字控制信号CTL_N为所述N型MOS管MN2的栅极和所述N型MOS管MN3的栅极的输入信号。
3.如权利要求2所述的无电荷泵结构的功率管驱动电路，其特征在于，所述功率管驱动电路还包括N型MOS管MN4和N型MOS管MN5，其中
所述N型MOS管MN5跨接于所述N型MOS管MN1与所述地电位GND之间，所述N型MOS管MN5的漏极与所述N型MOS管MN1的源极连接，所述N型MOS管MN5的源极与所述地电位GND连接，所述N型MOS管MN5的栅极与所述N型MOS管MN4的栅极连接，所述N型MOS管MN5的栅极与所述N型MOS管MN6的栅极连接；
所述N型MOS管MN4的栅极与漏极连接，所述N型MOS管MN4的源极与所述地电位GND连接；
偏置电压BIAS为所述N型MOS管MN4的栅极的输入信号。
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