CN104731728B - 一种基于微处理器i/o口的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微处理器I/O口的驱动电路，包括微处理器、微处理器的输出端口IN1和输出端口IN2，输出端口IN1通过电容C1来连接二极管D3的阴极该二极管D3的阳极连接MOSFET管Q1的栅极；二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D3的阴极连接二极管D1的阳极；输出端口IN2通过电容C2来连接二极管D1的阴极，电容C3的负极连接二极管D3的阳极，电容C3的正极连接二极管D2的阴极；电阻R2的一端连接MOSFET管Q1的栅极，另一端连接电容C3的正极；所述MOSFET管Q1的源极连接电容C3的正极，漏极通过电阻R1连接供电端；电路更稳定，占用空间小，成本低。

Description

一种基于微处理器I/O口的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，尤其涉及一种基于微处理器I/O口的驱动电路。
背景技术
微处理器的供电电压通常为3.3V，一般不超过5V，其数字输出I/O口一般与供电电压相同，而增强型MOSFET的饱和导通电压一般为12V，对于某些贴片封装的MOSFFET其饱和导通压降为5V，这样从微处理器的I/O口输出不具备直接驱动MOS管的条件。
为达到驱动增强型MOSFET的目的，通常的做法是有以下几种：1.增加逻辑门电路，例如非门；2.利用NPN或PNP的三极管增加一级驱动；3.利用达林顿管增强驱动信号。为驱动耗尽型MOSFET还需要设计负电源转换电路进行供电。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微处理器I/O口的驱动电路，不需要外置电平转换芯片和供电电源，电路更稳定，占用空间小，成本低。
本发明的技术方案是一种基于微处理器I/O口的驱动电路，包括微处理器、微处理器的输出端口IN1和微处理器的输出端口IN2，所述输出端口IN1通过电容C1来连接二极管D3的阴极，该二极管D3的阳极连接MOSFET管Q1的栅极；二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D3的阴极连接所述二极管D1的阳极；所述输出端口IN2通过电容C2来连接二极管D1的阴极，电容C3的负极连接所述二极管D3的阳极，电容C3的正极连接所述二极管D2的阴极；电阻R2的一端连接所述MOSFET管Q1的栅极，另一端连接所述电容C3的正极；所述MOSFET管Q1的源极连接所述电容C3的正极，漏极通过电阻R1连接供电端；所述微处理器的一输入端连接电源,所述微处理器的一输出端接地，所述电容C3的正极接地。
所述输出端口IN1和输出端口IN2的供电电压为所述微处理器的输入电压VSS，所述输出端口IN1和输出端口IN2输出占空比为50%的互补PWM波。MOSFET管Q1为N沟道耗尽型MOSFET。二极管D1、二极管D2和二极管D3都为肖特基二极管。
微处理器通过输出端口IN1和输出端口IN2发出I/O信号，输出端口IN1和输出端口IN2的开关频率不低于1MHz，MOSFET管Q1的关断有以下两个工作过程：
（1）当IN1输出为高电平时，IN2输出为低电平，二极管D1正向导通，二极管D2和二极管D3反向截止。IN1通过电容C1、二极管D1以及电容C2充电，则根据基尔霍夫电压定律有以下等式成立：
VIN1=VC1+VD1-VC2 (1)
(2)当输出端口IN2输出高电平时，输出端口IN1输出为低电平，二极管D1反向截止，二极管D2和二极管D3正向导通。IN2通过电容C2、二极管D2、电容C3、二极管D3以及电容C1进行充电，则根据基尔霍夫电压定律有以下等式成立：
VIN2=VC2+VD2+VC3+VD3-VC1 （2）
由于电容上的电压不能跃变，且输出端口IN1、输出端口IN2的频率在1MHz以上，这样电容C1、电容C2上的电压可以视为不变。为保证切换过程中，二极管的恢复时间较短，需要采用肖特基二极管。
这样将（2）式带入（1）式中，可以得到：
VC1-VC2= VIN1-VD1 （3）
VC3=VIN2+VIN1-VD1-VD2-VD3 （4）
若肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、肖特基二极管D3的正向导通压降为0.5V，微处理器I/O口端电压为3.3V,则计算可得VC3=5.1V，而对于MOSFET管Q1的栅极电压VA=-VC3，则MOSFET管Q1的栅极电压为-5.1V，在此栅极驱动电平条件下，耗尽型MOSFET管Q1工作在截止区。
反推得到电容C2上的承受的电压为5.5V，电容C1上承受的电压为2.8V，则可以得到图4所示的VB、VC两点的电压波形。
当IN1、IN2输出为低电平时，MOSFET管Q1的栅极电压为零电平，只要漏源极电压VCC建立，Q1就会导通。
考虑到微处理器I/O口的驱动电流只有10mA，则电容C1和电容C2的容值满足以下计算公式：
（5）
其中VSS为微处理器I/O口的输出电平，I为微处理器I/O口的输出电流，T为电容正向充电时间，C是电容，△U为电容上的纹波。
当微处理器的开关频率为3MHz，供电电压为3.3V时，可以计算出电容C1、电容C2、电容C3的容值为1nF。
本技术方案中，不需要外置电平转换芯片和供电电源，也能正常驱动MOSFET管Q1，电路更稳定，占用空间小，成本低。
进一步地，所述MOSFET管Q1的材质为Si、SiC、GaN中任意一种。
进一步地，所述MOSFET管Q1的夹断电压高于-Vss。
有益效果：不需要外置电平转换芯片和供电电源，也能正常驱动MOSFET管Q1；由于只采用被动器件二极管和电容，使驱动电路更稳定，占用空间小，成本低。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路拓扑图；
图2是微处理器I/O的逻辑关系图；
图3是图1的工作过程分系图；
图4是图3中各点的驱动波形图。
图中标记：1-微处理器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
参见图1至图4，一种基于微处理器I/O口的驱动电路，包括微处理器1、微处理器1的输出端口IN1和微处理器1的输出端口IN2，所述输出端口IN1通过电容C1来连接二极管D3的阴极，该二极管D3的阳极连接MOSFET管Q1的栅极；二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D3的阴极连接所述二极管D1的阳极；所述输出端口IN2通过电容C2来连接二极管D1的阴极，电容C3的负极连接所述二极管D3的阳极，电容C3的正极连接所述二极管D2的阴极；电阻R2的一端连接所述MOSFET管Q1的栅极，另一端连接所述电容C3的正极；所述MOSFET管Q1的源极连接所述电容C3的正极，漏极通过电阻R1连接供电端；所述微处理器1的一输入端连接电源,所述微处理器1的一输出端接地，所述电容C3的正极接地。
所述输出端口IN1和输出端口IN2的供电电压为所述微处理器1的输入电压VSS，所述输出端口IN1和输出端口IN2输出占空比为50%的互补PWM波。MOSFET管Q1为N沟道耗尽型MOSFET。二极管D1、二极管D2和二极管D3都为肖特基二极管。
微处理器1通过输出端口IN1和输出端口IN2发出I/O信号，输出端口IN1和输出端口IN2的开关频率不低于1MHz，MOSFET管Q1的关断有以下两个工作过程：
（1）当IN1输出为高电平时，IN2输出为低电平，二极管D1正向导通，二极管D2和二极管D3反向截止。IN1通过电容C1、二极管D1以及电容C2充电，则根据基尔霍夫电压定律有以下等式成立：
VIN1=VC1+VD1-VC2 (1)
(2)当输出端口IN2输出高电平时，输出端口IN1输出为低电平，二极管D1反向截止，二极管D2和二极管D3正向导通。IN2通过电容C2、二极管D2、电容C3、二极管D3以及电容C1进行充电，则根据基尔霍夫电压定律有以下等式成立：
VIN2=VC2+VD2+VC3+VD3-VC1 （2）
由于电容上的电压不能跃变，且输出端口IN1、输出端口IN2的频率在1MHz以上，这样电容C1、电容C2上的电压可以视为不变。为保证切换过程中，二极管的恢复时间较短，需要采用肖特基二极管。
这样将（2）式带入（1）式中，可以得到：
VC1-VC2= VIN1-VD1 （3）
VC3=VIN2+VIN1-VD1-VD2-VD3 （4）
若肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、肖特基二极管D3的正向导通压降为0.5V，微处理器1I/O口端电压为3.3V,则计算可得VC3=5.1V，而对于MOSFET管Q1的栅极电压VA=-VC3，则MOSFET管Q1的栅极电压为-5.1V，在此栅极驱动电平条件下，耗尽型MOSFET管Q1工作在截止区。
反推得到电容C2上的承受的电压为5.5V，电容C1上承受的电压为2.8V，则可以得到图4所示的VB、VC两点的电压波形。
当IN1、IN2输出为低电平时，MOSFET管Q1的栅极电压为零电平，只要漏源极电压VCC建立，Q1就会导通。
考虑到微处理器1I/O口的驱动电流只有10mA，则电容C1和电容C2的容值满足以下计算公式：
（5）
其中VSS为微处理器1I/O口的输出电平，I为微处理器1I/O口的输出电流，T为电容正向充电时间，C是电容，△U为电容上的纹波。
当微处理器1的开关频率为3MHz，供电电压为3.3V时，可以计算出电容C1、电容C2、电容C3的容值为1nF。
本实施例中，不需要外置电平转换芯片和供电电源，也能正常驱动MOSFET管Q1，电路更稳定，占用空间小，成本低。
优选地，所述MOSFET管Q1的材质为Si。
优选地，所述MOSFET管Q1的材质为SiC。
优选地，所述MOSFET管Q1的材质为GaNg。
优选地，所述MOSFET管Q1的夹断电压高于-Vss。
不需要外置电平转换芯片和供电电源，也能正常驱动MOSFET管Q1，由于只采用被动器件二极管和电容，使驱动电路更稳定，占用空间小，成本低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于微处理器I/O口的驱动电路，其特征在于：包括微处理器、微处理器的输出端口IN1和微处理器的输出端口IN2，所述输出端口IN1通过电容C1来连接二极管D3的阴极，该二极管D3的阳极连接MOSFET管Q1的栅极；二极管D1的阴极连接二极管D2的阳极，二极管D3的阴极连接所述二极管D1的阳极；所述输出端口IN2通过电容C2来连接二极管D1的阴极，电容C3的负极连接所述二极管D3的阳极，电容C3的正极连接所述二极管D2的阴极；电阻R2的一端连接所述MOSFET管Q1的栅极，另一端连接所述电容C3的正极；所述MOSFET管Q1的源极连接所述电容C3的正极，漏极通过电阻R1连接供电端；所述微处理器的输入端连接电源,所述微处理器的一输出端接地，所述电容C3的正极接地。
2.根据权利要求1所述的基于微处理器I/O口的驱动电路，其特征在于：二极管D1、二极管D2和二极管D3都为肖特基二极管。
3.根据权利要求2所述的基于微处理器I/O口的驱动电路，其特征在于：所述输出端口IN1和输出端口IN2的供电电压为所述微处理器的输入电压VSS，所述输出端口IN1和输出端口IN2输出占空比为50%的互补PWM波。
4.根据权利要求3所述的基于微处理器I/O口的驱动电路，其特征在于：MOSFET管Q1为N沟道耗尽型MOSFET。
5.根据权利要求4所述的基于微处理器I/O口的驱动电路，其特征在于：所述MOSFET管Q1的材质为Si、SiC、GaN中任意一种。
6.根据权利要求5所述的基于微处理器I/O口的驱动电路，其特征在于：所述MOSFET管Q1的夹断电压高于-Vss。
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