CN105048791B - 功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路，当外部PWM控制信号为高电平时，比较单元比较功率管的栅极电压与第一参考电压和第二参考电压的大小，当栅极电压低于第二参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，由第一开关管和电流源给功率管的栅极充电，当栅极电压大于第二参考电压、小于第一参考电压时，控制单元使第一开关管打开，第一开关管停止给功率管的栅极充电而仅靠电流源为栅极充电，当栅极电压大于第一参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，第一开关管给功率管的栅极充电，从而由比较单元来检测功率管的栅极电压的变化，实现了对功率管开启时漏极电流上升斜率的控制，改善了EMI性能又没有增加额外的损耗。

Description

功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路

技术领域

本发明涉及功率管驱动技术，特别涉及功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路。

背景技术

随着开关电源技术发展的逐渐成熟，EMI（Electro magnetic Interference，电磁干扰）性能成为电源系统不可避免的，也是最难解决的问题。

电源EMI性能的好坏，除了与PCB Layout（PCB布局）、变压器结构有直接关系外，更重要的是与功率管的开通相关，功率管工作在ON-OFF快速循环转换的状态，漏源电流在急剧变化，而影响开关电源EMI性能的关键是在功率管开启阶段的漏源电流变化的斜率（di/dt），而这些都与功率管的驱动技术息息相关。

现有的功率管驱动技术普遍采用图腾柱结构，即接到电源与地的驱动管均采用开关形式，如图1所示，第一开关管S1为上驱动管，第二开关管S2为下驱动管，利用此驱动电路结构来驱动功率管，其应用电路如图2所示。在上驱动管S1开启的瞬间，上驱动管以其最大电流能力为功率管M1的栅极电容（包括栅源电容和栅漏电容）充电，导致功率管M1迅速开启，在功率管M1开启过程中其漏源电流上升斜率很大，即di/dt很大，而大的di/dt会导致开关电源的EMI性能变差。

为了改善上述驱动技术引起的EMI性能变差问题，常规的解决办法是在外置功率管的栅极与驱动级之间串入一个驱动电阻R1，如图3所示，此驱动电阻R1可以用来限制为功率管M1栅极充电的电流，以起到降低漏源开启电流的斜率（di/dt）的作用。但这种改善方法具有其不可忽视的弊端：其一、此驱动电阻R1在功率管M1导通和关断的过程中都有驱动电流流过，产生额外的功耗，降低效率；其二、在功率管M1关断过程中，此驱动电阻R1会增大功率管M1关断所需的时间，最终增大了功率管M1的开关损耗，降低了效率。

可见，现有外置功率管的驱动技术仍有很大的改进空间。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路，在改善EMI性能的同时，不会增加额外的功率损耗。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种用于开关电源的外置功率管驱动电路，包括功率管开启驱动模块和功率管关断驱动模块，所述功率管开启驱动模块包括比较单元、控制单元、第一开关管、第二开关管和电流源，所述功率管关断驱动模块包括反相器和第三开关管；当外部PWM控制信号为高电平时第二开关管闭合，所述比较单元比较外置功率管的栅极电压与第一参考电压和第二参考电压的大小，当栅极电压低于第二参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，第一开关管的漏端连接驱动电压供电端，由第一开关管和电流源给外置功率管的栅极充电，当栅极电压大于第二参考电压、且小于第一参考电压时，控制单元使第一开关管断开，使第一开关管停止给外置功率管的栅极充电，当栅极电压大于第一参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，使第一开关管给外置功率管的栅极充电；当外部PWM控制信号为低电平时，第一开关管和第二开关管均断开、第三开关管闭合，使外置功率管的栅极放电。

所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路中，所述第一参考电压是外置功率管开启过程中漏源电压降低到Rdson*Id时所对应的外置功率管的栅极电压，其中Rdson表示外置功率管的导通阻抗，Id表示外置功率管完全导通时对应的漏极电流；所述第二参考电压是外置功率管的阈值电压。

所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路中，所述功率管开启驱动模块还包括第一缓冲器和第二缓冲器，所述功率管关闭驱动模块还包括第三缓冲器；所述比较单元的输入端连接外置功率管的栅极，比较单元的第一输出端连接控制单元的第一输入端，比较单元的第二输出端连接控制单元的第二输入端，控制单元的输出端通过第一缓冲器连接第一开关管的栅极；第二缓冲器的输入端连接外部PWM控制信号输出端和控制单元的第三输入端，第二缓冲器的输出端连接第二开关管的栅极；第一开关管的漏极接驱动电压供电端、还通过电流源连接第二开关管的漏极，第一开关管的源极和第二开关管的源极连接外置功率管的栅极；所述反相器的输入端连接外部PWM控制信号输出端，反相器的输出端通过第三缓冲器连接第三开关管的栅极，第三开关管的漏极连接第一开关管的源极、第二开关管的源极和连接外置功率管的栅极，第三开关管的源极接地。

所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路中，所述比较单元包括第一比较器和第二比较器；所述第一比较器的正相输入端连接第一参考电压提供端，所述第二比较器的正相输入端连接第二参考电压提供端，所述第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端为比较单元的输入端、连接外置功率管的栅极，所述第一比较器的输出端为比较单元的第一输出端、连接控制单元的第一输入端，所述第二比较器的输出端为比较单元的第二输出端、连接控制单元的第二输入端。

所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路中，所述控制单元包括或非门、与门、或门；所述或非门的第一输入端为控制单元的第一输入端、连接比较单元的第一输出端和与门的第一输入端，所述或非门的第二输入端为控制单元的第二输入端、连接比较单元的第二输出端和与门的第二输入端，所述或非门的输出端连接或门的第一输入端，所述与门的输出端连接或门的第二输入端，所述或门的输出端为控制单元的输出端、连接第一缓冲器的输入端。

所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路中，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管均为N MOS管。

一种功率管控制系统，包括：电感、外置功率管和如权利要求1-6任意一项所述的驱动电路，所述外置功率管的栅极连接所述驱动电路，所述外置功率管的漏极通过所述电感连接VIN供电端，所述外置功率管的源极接地。

相较于现有技术，本发明提供的功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路，包括功率管开启驱动模块和功率管关断驱动模块，所述功率管开启驱动模块包括比较单元、控制单元、第一开关管、第二开关管和电流源，所述功率管关断驱动模块包括反相器和第三开关管；当外部PWM控制信号为高电平时第二开关管闭合，所述比较单元比较外置功率管的栅极电压与第一参考电压和第二参考电压的大小，当栅极电压低于第二参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，第一开关管的漏端连接驱动电压供电端，由第一开关管和电流源给外置功率管的栅极充电，当栅极电压大于第二参考电压、且小于第一参考电压时，控制单元使第一开关管断开，使第一开关管停止给外置功率管的栅极充电，当栅极电压大于第一参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，使第一开关管给外置功率管的栅极充电；当外部PWM控制信号为低电平时，第一开关管和第二开关管均断开、第三开关管闭合，使外置功率管的栅极放电，从而由比较单元来检测外置功率管的栅极电压的变化，实现了在外部PWM控制信号为高电平时对外置功率管开启时漏极电流上升斜率（di/dt）的控制，达到改善了EMI性能又没有增加额外的损耗的功能，在PWM信号为低电平时外置功率管被迅速关断，没有增加额外的关断损耗。

附图说明

图1为现有功率管的驱动电路的示意图。

图2为现有功率管的驱动电路的应用实施例的示意图。

图3为现有技术一种改良方式的驱动电路的应用实施例的示意图。

图4为本发明提供的用于开关电源的外置功率管驱动电路的结构示意图。

图5为本发明提供的功率管控制系统的结构示意图。

图6为本发明利用驱动电路检测外置功率管电压和电流波形示意图。

图7为本发明提供的用于开关电源的外置功率管驱动电路中，控制单元的电路示意图。

具体实施方式

本发明提供功率管控制系统和用于开关电源的外置功率管驱动电路，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的用于开关电源的外置功率管驱动电路，由外部PWM控制信号来控制外置功率管的开启与关断，当外部PWM控制信号为高电平时所述外置功率管开启（即功率管导通），当外部PWM控制信号为低电平时所述外置功率管关断（即功率管截止）。由于开关电源系统中EMI性能主要和功率管的开启过程密切相关，本发明主要对功率管开启过程进行详细分析，而功率管的关断过程为现有的成熟技术，则不作详细描述。

请参阅图4和图5，所述驱动电路包括功率管开启驱动模块110和功率管关断驱动模块120，所述功率管开启驱动模块110包括比较单元111、控制单元113、第一开关管S1、第二开关管S2和电流源I1，所述功率管关断驱动模块120包括反相器A4和第三开关管S3。所述第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3均为N MOS管，在栅极为高电平时导通、为低电平时截止。

在工作时，当外部PWM控制信号为高电平时第二开关管S2闭合，所述比较单元111比较外置功率管M1的栅极电压VGATE与第一参考电压VH和第二参考电压VL的大小，当栅极电压VGATE低于第二参考电压VL时，控制单元113使第一开关管S1闭合，第一开关管S1的漏端连接驱动电压供电端VCC，由第一开关管S1和电流源I1给外置功率管M1的栅极充电，当栅极电压VGATE大于第二参考电压VL、且小于第一参考电压VH时，控制单元113使第一开关管S1断开，使第一开关管S1停止给外置功率管M1的栅极充电而仅靠电流能力很小的电流源为栅极充电，当栅极电压VGATE大于第一参考电压VH时，控制单元113使第一开关管S1闭合，使第一开关管S1再次给外置功率管M1的栅极充电；当外部PWM控制信号为低电平时，第一开关管S1和第二开关管S2均断开、第三开关管S3闭合，为外置功率管的栅极放电。从而由比较单元111来检测外置功率管M1的栅极电压VGATE的变化，实现了在外置功率管M1开启时对其栅极充电电流的控制，也即实现了对外置功率管M1漏极电流上升斜率（di/dt）的控制，改善了EMI性能又没有增加额外的损耗。

其中，所述第一参考电压VH是外置功率管M1开启过程中漏源电压降低到Rdson*Id时所对应的外置功率管M1的栅极电压，其中Rdson表示外置功率管M1的导通阻抗，Id表示外置功率管M1完全导通时对应的漏极电流；所述第二参考电压VL是外置功率管M1的阈值电压。所述第一参考电压VH高于第二参考电压VL。

请继续参阅图4和图5，所述功率管开启驱动模块110还包括第一缓冲器A1和第二缓冲器A2，所述功率管关闭驱动模块120还包括第三缓冲器A3；所述比较单元111的输入端连接外置功率管M1的栅极，比较单元111的第一输出端1连接控制单元113的第一输入端，比较单元111的第二输出端2连接控制单元113的第二输入端，控制单元113的输出端通过第一缓冲器A1连接第一开关管S1的栅极；第二缓冲器A2的输入端连接外部PWM控制信号输出端和控制单元113的第三输入端，第二缓冲器A2的输出端连接第二开关管S2的栅极；第一开关管S1的漏极接驱动电压供电端、还通过电流源I1连接第二开关管S2的漏极，第一开关管S1的源极和第二开关管S2的源极连接外置功率管M1的栅极；所述反相器A4的输入端连接外部PWM控制信号输出端，反相器A4的输出端通过第三缓冲器A3连接第三开关管S3的栅极，第三开关管S3的漏极连接第一开关管S1的源极、第二开关管S2的源极和连接外置功率管M1的栅极，第三开关管S3的源极接地。

本发明通过利用比较单元111比较外置功率管M1的栅极电压VGATE与第一参考电压VH和第二参考电压VL，当栅极电压VGATE低于第二参考电压VL时开关管S1闭合，当栅极电压VGATE高于第二参考电压VL且低于第一参考电压VH时开关管S1打开，当栅极电压VGATE高于第一参考电压VH时开关管S1闭合，实现了对外置功率管M1在其栅极电压VGATE处于米勒平台时的充电电流的控制，而外置功率管M1栅极电压VGATE在米勒平台时正是功率管漏源电流逐渐升高阶段，此时充电电流由电流源I1提供，而当外置功率管M1栅极电压VGATE达到阈值电压（VL）前和米勒平台结束后外置功率管M1的栅极通过开关管S1闭合后的大电流充电；当外部PWM控制信号为低电平时，外置功率管M1的上驱动开关管S1和S2都打开，而下驱动开关管S3闭合，用大电流为外置功率管M1的栅极放电。由此可见，本发明实现了在外部PWM控制信号为高电平时对外置功率管M1开启时漏极电流上升斜率（di/dt）的控制，改善了EMI性能又没有增加额外的损耗，在外部PWM控制信号为低电平时外置功率管M1被迅速关断，没有增加额外的关断损耗。

进一步的，所述比较单元111包括第一比较器U1和第二比较器U2；所述第一比较器U1的正相输入端连接第一参考电压提供端，所述第二比较器U2的正相输入端连接第二参考电压提供端，所述第一比较器U1的反相输入端和第二比较器U2的反相输入端为比较单元111的输入端、连接外置功率管M1的栅极，所述第一比较器U1的输出端为比较单元111的第一输出端1、连接控制单元113的第一输入端，所述第二比较器U2的输出端为比较单元111的第二输出端2、连接控制单元113的第二输入端。

请一并参阅图5，在图5中，VGATE表示功率管M1的栅源电压，IDS表示功率管M1的漏源电流，VDS表示功率管的漏源电压。如图5所示功率管M1开启过程分为3个阶段：t1、t2和t3。其中所述驱动电路在t1阶段和t3阶段时用大电流为功率管M1的栅极充电，而在t2阶段时仅用电流源I1为功率管M1的栅极充电，t2阶段用来控制功率管M1漏端电流的di/dt以达到改善EMI性能。

本发明在具体实施过程中，当外部PWM控制信号从低电平转换为高电平时，使得第二开关管S2闭合，所述第一电流源I1开始给所述功率管M1的栅源电容C2充电；同时由于所述功率管M1的栅极电压VGATE低于第二参考电压VL，所述第一比较器U1和所述第二比较器U2输出信号VC1和VC2都是高电平，所述VC1和VC2信号经过所述控制单元113后输出Vcont信号为高电平，使得所述第一开关管S1闭合，以大电流为所述栅源电容C2充电，使得所述功率管M1的栅极电压VGATE快速上升到其开启阈值电压VL，减小了开启时间。当所述功率管M1的栅极电压VGATE大于开启阈值电压VL时，所述第二比较器U2输出信号VC2为低电平，使得所述控制单元113的输出信号Vcont为低电平，进而使得所述第一缓冲器A1的输出信号Vs1为低电平，将所述第一开关管S1打开，使得为所述功率管M1栅极驱动的大电流通路断开，此时仅有所述电流源I1为所述功率管M1的栅源电容C2充电，由于所述电流源I1的电流能力很小，使得所述功率管M1漏极电流上升斜率（di/dt）得以控制。随着所述功率管M1的漏极电流逐渐上升到最大值时，所述功率管M1的栅极电压VGATE不再上升，保持不变，且所述电流源I1开始为所述栅漏电容C1充电，此时所述功率管M1的漏源电压VDS开始逐渐变小直到等于Rdson*Id，而此漏源电压VDS减小的斜率与所述电流源I1的大小有直接关系。当所述功率管M1的漏源电压VDS降低到等于Rdson*Id时候，所述电流源I1再次开始为所述功率管M1的所述栅源电容C2充电，此时所述功率管M1的栅极电压VGATE会再次逐渐升高，当栅极电压VGATE高于第一参考电压VH时，所述第一比较器U1和所述第二比较器U2输出信号VC1和VC2都为低电平，使所述控制单元113输出信号Vcont为高电平，其经过所述第一缓冲器A1输出高电平信号Vs1，使得所述第一开关管S1闭合，再次以大电流快速为所述功率管M1的所述栅源电容C2充电直到栅极电压VGATE到达其可以达到的最大电压值，由此缩短了栅极电压VGATE的上升时间。从而可见利用本发明实现的驱动电路，在改善了EMI性能的同时又没有增加额外的开关损耗。

请一并参阅图7，所述控制单元113包括或非门U3、与门U4、或门U5；所述或非门U3的第一输入端为控制单元113的第一输入端1''、连接比较单元111的第一输出端1和与门U4的第一输入端1'''，所述或非门U3的第二输入端为控制单元113的第二输入端2''、连接比较单元111的第二输出端2和与门U4的第二输入端2'''，所述或非门U3的输出端连接或门U5的第一输入端，所述与门U4的输出端连接或门U5的第二输入端，所述或门U5的输出端为控制单元113的输出端、连接第一缓冲器A1的输入端。所述控制单元113通过或非门U3、与门U4、或门U5组成的电路，在外置功率管M1的栅极电压VGATE低于第二参考电压VL时，即比较单元111的第一输出端1输出高电平、第二输出端2输出高电平时，控制单元113输出高电平；在外置功率管M1的栅极电压VGATE低于第一参考电压VH而高于第二参考电压VL时，即在比较单元111的第一输出端1输出高电平、第二输出端2输出低电平时，控制单元113输出低电平；在外置功率管M1的栅极电压VGATE高于第一参考电压VH和第二参考电压VL时，即在比较单元111的第一输出端1输出低电平、第二输出端2输出低电平时，控制单元113输出高电平。实现了对第一开关S1的良好控制。

本发明还相应提供一种功率管控制系统，如图5所示，包括电感L1、外置功率管30（M1）和驱动电路10，所述外置功率管M1的栅极连接所述驱动电路10，所述外置功率管M1的漏极通过所述电感L1连接VIN供电端，所述外置功率管M1的源极接地。所述外置功率管M1具有三个寄生电容，分别为栅源电容C2、栅漏电容C1和漏源电容C3。由于功率管控制系统的改善EMI性能方式、取得的技术效果在上文已进行了详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明由比较单元来检测外置功率管的栅极电压的变化，实现了在外部PWM控制信号为高电平时对外置功率管开启时漏极电流上升斜率（di/dt）的控制，达到改善了EMI性能又没有增加额外的损耗功能，在PWM信号为低电平时外置功率管被迅速关断，没有增加额外的关断损耗。而且，本发明均为常规电子元件，实现成本低。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于开关电源的外置功率管驱动电路，其特征在于，包括功率管开启驱动模块和功率管关断驱动模块，所述功率管开启驱动模块包括比较单元、控制单元、第一开关管、第二开关管和电流源，所述功率管关断驱动模块包括反相器和第三开关管；当外部PWM控制信号为高电平时第二开关管闭合，所述比较单元比较外置功率管的栅极电压与第一参考电压和第二参考电压的大小，当栅极电压低于第二参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，第一开关管的漏端连接驱动电压供电端，由第一开关管和电流源给外置功率管的栅极充电，当栅极电压大于第二参考电压、且小于第一参考电压时，控制单元使第一开关管断开，使第一开关管停止给外置功率管的栅极充电，当栅极电压大于第一参考电压时，控制单元使第一开关管闭合，使第一开关管给外置功率管的栅极充电；当外部PWM控制信号为低电平时，第一开关管和第二开关管均断开、第三开关管闭合，使外置功率管的栅极放电。

2.根据权利要求1所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路，其特征在于，所述第一参考电压是外置功率管开启过程中漏源电压降低到Rdson*Id时所对应的外置功率管的栅极电压，其中Rdson表示外置功率管的导通阻抗，Id表示外置功率管完全导通时对应的漏极电流；所述第二参考电压是外置功率管的阈值电压。

3.根据权利要求1所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路，其特征在于，所述功率管开启驱动模块还包括第一缓冲器和第二缓冲器，所述功率管关断驱动模块还包括第三缓冲器；所述比较单元的输入端连接外置功率管的栅极，比较单元的第一输出端连接控制单元的第一输入端，比较单元的第二输出端连接控制单元的第二输入端，控制单元的输出端通过第一缓冲器连接第一开关管的栅极；第二缓冲器的输入端连接外部PWM控制信号输出端和控制单元的第三输入端，第二缓冲器的输出端连接第二开关管的栅极；第一开关管的漏极接驱动电压供电端、还通过电流源连接第二开关管的漏极，第一开关管的源极和第二开关管的源极连接外置功率管的栅极；所述反相器的输入端连接外部PWM控制信号输出端，反相器的输出端通过第三缓冲器连接第三开关管的栅极，第三开关管的漏极连接第一开关管的源极、第二开关管的源极和连接外置功率管的栅极，第三开关管的源极接地。

4.根据权利要求3所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路，其特征在于，所述比较单元包括第一比较器和第二比较器；所述第一比较器的正相输入端连接第一参考电压提供端，所述第二比较器的正相输入端连接第二参考电压提供端，所述第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端为比较单元的输入端、连接外置功率管的栅极，所述第一比较器的输出端为比较单元的第一输出端、连接控制单元的第一输入端，所述第二比较器的输出端为比较单元的第二输出端、连接控制单元的第二输入端。

5.根据权利要求4所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路，其特征在于，所述控制单元包括或非门、与门、或门；所述或非门的第一输入端为控制单元的第一输入端、连接比较单元的第一输出端和与门的第一输入端，所述或非门的第二输入端为控制单元的第二输入端、连接比较单元的第二输出端和与门的第二输入端，所述或非门的输出端连接或门的第一输入端，所述与门的输出端连接或门的第二输入端，所述或门的输出端为控制单元的输出端、连接第一缓冲器的输入端。

6.根据权利要求1所述的用于开关电源的外置功率管驱动电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管均为N MOS管。

7.一种功率管控制系统，其特征在于，包括：电感、外置功率管和如权利要求1-6任意一项所述的驱动电路，所述外置功率管的栅极连接所述驱动电路，所述外置功率管的漏极通过所述电感连接VIN供电端，所述外置功率管的源极接地。