CN105450207B - 一种自举驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电学领域，公开了一种自举驱动电路，包括输入滤波及保护电路、PWM信号生成电路、能量传递电路、自举电压反馈电路、自举电压转换及储能电路；输入滤波及保护电路实现电源纹波抑制及过压、欠压保护；PWM信号生成电路采集自举输出电压，动态调整PWM信号振荡及占空比，调节开关开闭时间；能量传递电路产生交流信号，将电源输入能量传递至自举驱动电路；自举电压反馈电路反馈自举电压信号电平至PWM信号生成电路；自举电压转换及储能电路将能量信号整形转换，实现自举驱动电路功率输出；本发明有益效果为：宽电源适用范围，结构易于实现，驱动能力强，耐压值高，可靠性高，适用于高于电源输入电压的大功率、高效率开关应用场合。

Description

一种自举驱动电路
技术领域
本发明涉及电学领域，特别涉及一种自举驱动电路。
背景技术
随着微电子技术的发展，N沟道MOSFET和IGBT相较于三极管和P沟道MOSFET在高频率，大功率和高效率的开关应用场合表现出越来越明显的优势。根据其应用特性，需要在栅极增加相对于源极的高压信号，才能实现有效的导通控制。高压侧功率管导通后，其源极一般接电源正极，因此栅极需要随电源电压波动的固定压差驱动控制信号。在大多数的开关应用场合，通常需要高速开关控制，因此从功耗、速度和效率等方面考虑需要强驱动电流。
目前，针对高压驱动一般采取以下两种方案：
1、电容自举驱动法。该种方法利用电容的充放电特性以及二极管的单向导通特性，实现持续高压驱动，图1示出了一种典型的实现方式，通常采用一个具有PWM输出功能的芯片，产生固定频率和占空比的PWM信号，从而控制电容和二极管进行自举升压，此种方法电路结构简单，但存在以下缺点：
A、输出驱动电流受限于隔离电容的性能参数，通常驱动能力较弱；
B、自举电压只取决于PWM信号的电平强度和占空比，如果要实现自举电压VOUT随输入电源VCC2随动输出固定压差，必须额外增加一路电源系统VCC1（如12V），设计复杂度提高，增加电路体积。
此种电路的一种衍生形式就是桥驱动电路，其典型应用如图2所示，当IN为低电平时，芯片导通MOS管Q2，同时通过二极管D1对C1进行充电，充电电压为芯片电源电压（12V），形成自举电压，为高侧MOS管Q1的导通做好准备；当IN为高电平时，利用C1上的自举电压导通MOS管Q1。此种电路可良好的应用于需要高频率导通关断的控制电路，如电机转动控制中，但仍存在以下缺点：
A、在持续高压侧Q1导通控制方面无法应用；
B、电荷泵电路的稳定输出有一定的时延，对于电机的快速启动有一定的影响。
2、隔离电源法。如图3所示，利用隔离电源的输出地连接至电源输入端正极，这样可保证连续输出高于电源电压的驱动电压。该驱动方法能够提供连续驱动，但存在以下问题：
A、增加一路隔离电源系统，增加了电路复杂度和成本；
B、增加隔离电源开关振荡电路对系统电磁兼容性有一定影响。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种自举驱动电路，具有宽电源适应范围，驱动能力强、耐压高、可靠性高的高压驱动电路，以满足高于电源输入电压的大功率、高效率开关应用场合。
本发明一种自举驱动电路，包括输入滤波及保护电路、PWM信号生成电路、能量传递电路、自举电压反馈电路、自举电压转换及储能电路；
所述输入滤波及保护电路，包括电容、电感滤波网络，以及瞬态抑制二极管、压敏电阻、热敏电阻、汇流二极管，实现电源纹波抑制，过压、欠压保护；热敏电阻和瞬态抑制二极管保护芯片超压条件下工作需求，汇流二极管实现输入保护或欠压条件下的供电需求；
所述PWM信号生成电路，包括一个具有推挽输出功能的芯片组，通过采集自举输出电压来动态调整PWM信号振荡及占空比，调节所述能量传递电路中开关器件的开启和关闭时间；
所述能量传递电路，包括N-MOSFET开关、电感和电容，在所述PWM信号生成电路的控制下产生交流振荡信号，将电源输入能量传递至所述自举电压转换及储能电路；
所述自举电压反馈电路，包括二极管、分压电阻、电容，动态反馈自举电压的信号电平至PWM信号生成电路；
所述自举电压转换及储能电路，包括二极管、电容，将振荡交流能量信号进行整形转换，并将此能量储存在容性器件，实现所述自举驱动电路的功率输出；
所述输入滤波及保护电路分别向所述PWM信号生成电路、所述能量传递电路提供电源；所述自举电压反馈电路向所述PWM信号生成电路输入电压反馈信号；所述PWM信号生成电路分别向所述能量传递电路、所述自举电压转换及储能电路输出控制信号。
进一步的，所述输入滤波及保护电路，包括电容C6、C7、C9、C16和电感L2组成的滤波网络来抑制电源纹波，压敏电阻R8实现输入VIN高过压情况下的保护，瞬态抑制二极管D1、热敏电阻F1、组成过压保护网络，防止VIN过压情况下烧毁PWM信号生成电路芯片，汇流二极管D5、D6可实现VIN过压或欠压情况下保证PWM信号生成电路芯片正常工作。
进一步的，所述PWM信号生成电路，采用国家半导体公司的电源芯片LM3481实现，输入电压VIN经热敏电阻F1与TVS二极管D1组成的过压保护电路后接入控制芯片LM3481供电脚VIN，LM3481输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R1下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C3、C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND。
进一步的，所述能量传递电路，包括N型MOS管Q1，互感L1，耦合电容C5、C14；互感L1的4脚接输入电压VIN，2脚接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制电路U1控制脚，电感L2一端接耦合电容C5、C14输出、3脚接地，互感L1的接输入电压端4脚和接地端3脚为同名端，耦合电容C5、C14输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极；所述能量转换电路在所述PWM信号生成电路控制电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在互感L1的2、4脚两端产生交流振荡信号，该信号经互感及耦合电容的耦合作用，在L1的1脚输出端产生同样频率的交流振荡信号，送至所述自举电压反馈电路。
进一步的，所述自举电压反馈电路中二极管D2阳极接能量转换电路L1的1脚输出，阴极接储能滤波电容C1、C2、C13，通过二极管的整流作用将输入交流振荡信号整流滤波输出低压二次电源VCC，并通过R2、R4和C8组成的阻容网络实现自举电压反馈至所述PWM信号生成电路；所述PWM信号生成电路反馈采样管脚FB接VCC经电阻R2与R4分压后的分压点，控制管脚DR接N型MOS管Q1的栅极；控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。
进一步的，所述自举电压转换及储能电路中二极管D4阳极接能量转换电路L1的2脚输出，阴极接储能滤波电容C12和C10,D3阳极接电源输入电压，阴极接D4阴极；通过二极管D4的整流作用将输入交流振荡信号整流输出，通过D3将自举输出电压快速充电至电源电压VIN，电容C12和C10分别将能量进行存储；所述自举电压转换及储能电路VBOOST作为整个驱动电路的高压输出。
本发明的效果为：与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明针对高压驱动要求，提出一种新型自举驱动电路，电路简单可靠，有利于实现整个驱动电路的小型化；
（2）本发明电源适应性范围宽，输入电源电压工作范围可在自举电压高低范围内任意波动；
（3）本发明驱动能力强，采用开关电源能量传递的设计思想，合理选用电感、电容网络，可实现高效率、大电流功率输出；
（4）本发明驱动电路耐压值高、可靠性高。将PWM生成电路与能量转换电路的供电分开处理，增加过压、欠压保护电路，大幅提高驱动电路的耐压值及可靠性；
（5）本发明不但为系统提供一路高压驱动电源而且提供一路二次电压，提高了系统实用性。
附图说明
图1所示为电容自举驱动典型电路示意图。
图2所示为桥驱动电路示意图。
图3所示为隔离电源驱动典型电路示意图。
图4所示为本发明实施例自举驱动电路示意图。
图5所示为本发明自举驱动电路整体结构示意图；
图中：1-输入滤波及保护电路、2- PWM信号生成电路、3-能量传递电路、4-自举电压反馈电路、5-自举电压转换及储能电路。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图4、图5所示，本发明实施例一种自举驱动电路，包括输入滤波及保护电路1、PWM信号生成电路2、能量传递电路3、自举电压反馈电路4、自举电压转换及储能电路5；
所述输入滤波及保护电路1，包括电容、电感滤波网络，以及瞬态抑制二极管、压敏电阻、热敏电阻、汇流二极管，实现电源纹波抑制，过压、欠压保护；热敏电阻和瞬态抑制二极管保护芯片超压条件下工作需求，汇流二极管实现输入保护或欠压条件下的供电需求；
所述PWM信号生成电路2，包括一个具有推挽输出功能的芯片组，通过采集自举输出电压来动态调整PWM信号振荡及占空比，调节所述能量传递电路3中开关器件的开启和关闭时间；
所述能量传递电路3，包括N-MOSFET开关、电感和电容，在所述PWM信号生成电路2的控制下产生交流振荡信号，将电源输入能量传递至所述自举电压转换及储能电路；
所述自举电压反馈电路4，包括二极管、分压电阻、电容，动态反馈自举电压的信号电平至PWM信号生成电路2；
所述自举电压转换及储能电路5，包括二极管、电容，将振荡能量信号进行整形转换，并将此能量储存在容性器件，实现所述自举驱动电路的功率输出；
所述输入滤波及保护电路1分别向所述PWM信号生成电路2、所述能量传递电路3提供电源；所述自举电压反馈电路4向所述PWM信号生成电路2输入电压反馈信号；所述PWM信号生成电路2分别向所述能量传递电路3、所述自举电压转换及储能电路5输出控制信号。
在本实施例中，所述输入滤波及保护电路1，包括电容C6、C7、C9、C16和电感L2组成的滤波网络来抑制电源纹波，压敏电阻R8实现输入VIN高过压情况下的保护，瞬态抑制二极管D1、热敏电阻F1、组成过压保护网络，防止VIN过压情况下烧毁PWM信号生成电路芯片，汇流二极管D5、D6可实现VIN过压或欠压情况下保证PWM信号生成电路芯片正常工作。
所述PWM信号生成电路2，采用国家半导体公司的电源芯片LM3481实现，输入电压VIN经热敏电阻F1与TVS二极管D1组成的过压保护电路后接入控制芯片LM3481供电脚VIN，LM3481输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接R1下拉到GND，补偿管脚COMP通过电容C3、C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND。
所述能量传递电路3，包括N型MOS管Q1，互感L1，耦合电容C5、C14；互感L1的4脚接输入电压VIN，2脚接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制电路U1控制脚，电感L2一端接耦合电容C5、C14输出、3脚接地，互感L1的接输入电压端4脚和接地端3脚为同名端，耦合电容C5、C14输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极；所述能量转换电路3在所述PWM信号生成电路2的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在互感L1的2、4脚两端产生交流振荡信号，该信号经互感及耦合电容的耦合作用，在L1的1脚输出端产生同样频率的交流振荡信号，送至所述自举电压反馈电路4。
所述自举电压反馈电路4中二极管D2阳极接能量转换电路L1的1脚输出，阴极接储能滤波电容C1、C2、C13，通过二极管的整流作用将输入交流振荡信号整流滤波输出低压二次电源VCC，并通过R2、R4和C8组成的阻容网络实现自举电压反馈至所述PWM信号生成电路2；所述PWM信号生成电路2反馈采样管脚FB接VCC经电阻R2与R4分压后的分压点，控制管脚DR接N型MOS管Q1的栅极；控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。
所述自举电压转换及储能电路5中二极管D4阳极接能量转换电路3中L1的2脚输出，阴极接储能滤波电容C12和C10,D3阳极接电源输入电压，阴极接D4阴极；通过二极管D4的整流作用将输入交流振荡信号整流输出，通过D3将自举输出电压快速充电至电源电压VIN，电容C12和C10分别将能量进行存储；所述自举电压转换及储能电路5中VBOOST作为整个驱动电路的高压输出。
本发明的效果为：与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明针对高压驱动要求，提出一种新型自举驱动电路，电路简单可靠，有利于实现整个驱动电路的小型化；
（2）本发明电源适应性范围宽，输入电源电压工作范围可在自举电压高低范围内任意波动；
（3）本发明驱动能力强，采用开关电源能量传递的设计思想，合理选用电感、电容网络，可实现高效率、大电流功率输出；
（4）本发明驱动电路耐压值高、可靠性高。将PWM生成电路与能量转换电路的供电分开处理，增加过压、欠压保护电路，大幅提高驱动电路的耐压值及可靠性；
（5）本发明不但为系统提供一路高压驱动电源而且提供一路二次电压，提高了系统实用性。
本文虽然已经给出了本发明的一个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种自举驱动电路，其特征在于：包括输入滤波及保护电路、PWM信号生成电路、能量传递电路、自举电压反馈电路、自举电压转换及储能电路；
所述输入滤波及保护电路，包括电容、电感滤波网络，以及瞬态抑制二极管、压敏电阻、热敏电阻、汇流二极管，实现电源纹波抑制，过压、欠压保护；热敏电阻和瞬态抑制二极管保护芯片超压条件下工作需求，汇流二极管实现输入保护或欠压条件下的供电需求；
所述PWM信号生成电路，包括一个具有推挽输出功能的芯片组，通过采集自举输出电压来动态调整PWM信号振荡及占空比，调节所述能量传递电路中开关器件的开启和关闭时间；
所述能量传递电路，包括N-MOSFET开关、电感和电容，在所述PWM信号生成电路的控制下产生交流振荡信号，将电源输入能量传递至所述自举电压转换及储能电路；
所述自举电压反馈电路，包括二极管、分压电阻、电容，动态反馈自举电压的信号电平至PWM信号生成电路；
所述自举电压转换及储能电路，包括二极管、电容，将振荡交流能量信号进行整形转换，并将此能量储存在容性器件，实现所述自举驱动电路的功率输出；
所述输入滤波及保护电路分别向所述PWM信号生成电路、所述能量传递电路提供电源；所述自举电压反馈电路向所述PWM信号生成电路输入电压反馈信号；所述PWM信号生成电路分别向所述能量传递电路、所述自举电压转换及储能电路输出控制信号。
2.如权利要求1所述的自举驱动电路，其特征在于，所述输入滤波及保护电路，包括电容C6、电容C7、电容C9、电容C16和电感L2组成的滤波网络来抑制电源纹波，压敏电阻R8实现输入电压VIN高过压情况下的保护，瞬态抑制二极管D1、热敏电阻F1、组成过压保护网络，防止输入电压VIN过压情况下烧毁PWM信号生成电路芯片，汇流二极管D5、汇流二极管D6实现输入电压VIN过压或欠压情况下保证PWM信号生成电路芯片正常工作。
3.如权利要求1所述的自举驱动电路，其特征在于，所述PWM信号生成电路，采用国家半导体公司的控制芯片LM3481实现，输入电压VIN经热敏电阻F1与TVS二极管D1组成的过压保护电路后接入控制芯片LM3481供电脚VIN，LM3481输出控制脚DR接MOS管Q1的栅极，开关频率控制管脚FA/SD连接电阻R1下拉到GND，电容C3与电阻R3串联，电容C22与电容C3和电阻R3并联，补偿管脚COMP通过电容C3、电容C22与电阻R3连接至GND，反馈采样脚FB接反馈电阻R2与电阻R4的中点，电流采样管脚ISEN通过限流电阻连接至MOS管Q1的源极，并经功率电阻R6连接至GND。
4.如权利要求1所述的自举驱动电路，其特征在于，所述能量传递电路，包括N型MOS管Q1，互感L1，耦合电容C5、耦合电容C14；互感L1的4脚接输入电压VIN，2脚接N型MOS管Q1的漏极及耦合电容C5的输入端，MOS管Q1的源极接地、栅极接控制芯片U1控制脚，互感L1一端接耦合电容C5、耦合电容C14输出、3脚接地，互感L1的接输入电压端4脚和接地端3脚为同名端，耦合电容C5、电容C14输入端接MOS管Q1的漏极，输出端接输出电路中整流二极管D2的阳极；所述能量传递电路在所述PWM信号生成电路的控制下，周期性开启/关闭MOS管Q1，使得在互感L1的2、4脚两端产生交流振荡信号，该交流震荡信号经互感及耦合电容的耦合作用，在互感L1的1脚输出端产生同样频率的交流振荡信号，送至所述自举电压反馈电路。
5.如权利要求1所述的自举驱动电路，其特征在于，所述自举电压反馈电路中二极管D2阳极接能量传递电路的互感L1的1脚输出，阴极接储能滤波电容C1、储能滤波电容C2、储能滤波电容C13，通过二极管的整流作用将输入交流振荡信号整流滤波输出低压二次电源VCC，并通过电阻R2、电阻R4和电容C8组成的阻容网络实现自举电压反馈至所述PWM信号生成电路；所述PWM信号生成电路反馈采样管脚FB接VCC经电阻R2与R4分压后的分压点，控制管脚DR接N型MOS管Q1的栅极；控制芯片U1实时采集输出电压反馈值，并将其与内部参考源对比，根据比较结果改变控制管脚DR输出的开关控制信号的占空比，从而控制MOS管Q1相应的开启或关闭时间。
6.如权利要求1所述的自举驱动电路，其特征在于，所述自举电压转换及储能电路中二极管D4阳极接能量传递电路的互感L1的2脚输出，阴极接储能滤波电容C12和储能滤波电容C10，二极管D3阳极接电源输入电压，阴极接二极管D4阴极；通过二极管D4的整流作用将输入交流振荡信号整流输出，通过二极管D3将自举输出电压快速充电至电源电压，储能滤波电容C12和储能滤波电容C10分别将能量进行存储；所述自举电压转换及储能电路VBOOST作为整个驱动电路的高压输出。
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