CN106921284B - 一种mosfet浮动驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种MOSFET浮动驱动电路。本发明的电路包括恒流源产生电路、上功率管钳位电路、上功率管驱动电路、下功率管驱动电路和功率输出级，恒流源产生电路作用是电流源在钳位电路中电阻上产生恒定的压降；有源钳位电路的作用保证上功率管的栅源电压不超过设计值；上功率管驱动电路和下功率管驱动电路主要是为了驱动上、下功率管；功率输出级是为了产生具有驱动能力的栅驱动控制信号。本发明的有益效果是：服了采用厚栅氧器件的要求，并且采用浮动电位驱动上功率管，解决了自举电路驱动上功率管所带来芯片成本增加的缺陷，同时采用该种驱动上功率管方法可以节省驱动电路功耗以及提高其效率。

Description

一种MOSFET浮动驱动电路
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种MOSFET浮动驱动电路。
背景技术
栅驱动控制电路是电源管理芯片中基本子电路。通常要求栅驱动控制电路适用于高压情况。传统的栅驱动控制电路中下功率管的栅极电位由芯片内部电源控制；而上功率管栅极电位由芯片外部供电电压VCC控制，通常采用P型功率管，主要包括厚栅氧P型MOSFET和薄栅氧P型MOSFET；其中，厚栅氧P型MOSFET能够直接承受高压，但是厚栅氧器件通常存在导电能力弱、功率管寄生电容更加严重等问题，这会使得驱动电路功耗等方面存在缺陷；此外厚栅氧P型MOSFET要消耗更大的版图面积。因此上功率管通常更倾向于采用薄栅氧P型MOSFET。但是薄栅氧P型MOSFET的栅源电压不能承受高压，因此需要自举电路来产生高压浮动电源轨，以控制上功率管的栅极电位。而自举电路通常会需要较大的电容，这会大大增大版图面积；且需要较为复杂的控制方式，增加了芯片的设计成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有自举电路形式的高端功率管驱动电路带来的缺陷，提出了一种高端MOSFET浮动驱动电路。
本发明的技术方案是：如图1所示，一种MOSFET浮动驱动电路，包括恒流源产生电路、上功率管钳位电路、上功率管驱动电路、下功率管驱动电路和功率输出级；其特征在于，
所述上功率管钳位电路由第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第一PMOS管MP1、第二NMOS管MN2、二极管D1、第一开关S1和第一电流源I1构成；第一电阻R1和第一电容C1并联后一端接电源VCC，第一电流源的一端接电源VCC，另一端通过第一开关S1后接第一PMOS管MP1的源极，第一PMOS管MP1的栅极接第一电阻R1和第一电容C1并联后的另一端；第二NMOS管MN2的漏极接电源，其栅极接第一PMOS管MP1源极和第一开关S1的连接点；第二电容C2的一端接电源，另一端接第二NMOS管MN2栅极和第一PMOS管MP1源极的连接点；二极管D1的负极接电源，正极接第二NMOS管MN2的源极；
所述恒流源产生电路由电压跟随器、第一NMOS管MN1和第二电阻R2构成；第一NMOS管MN1的漏极接第一电阻R1和第一电容C1并联后的另一端，其栅极接电源跟随器的输出端，第一NMOS管MN1的源极通过第二电阻R2后接地；电压跟随器的同相输入端接外部基准电压，其反相输入端接第一NMOS管MN1源极和第二电阻R2的连接点；
所述上功率管驱动电路由依次连接的第二电流源I2、第二开关S2、第三开关S3和第三电流源I3构成，其中第二电流源I2接电源，第三电流源I3接地；
所述下功率管驱动电路由第四开关S4和反相器驱动链构成，反相器驱动链的输入端通过第四开关S4后接地；
所述功率输出级由P型功率管和N型功率管构成，P型功率管的源极接电源，其栅极接第二NMOS管MN2的源极，且P型功率管栅极与第二NMOS管MN2源极的连接点接第二开关S2和第三开关S3的连接点；N型功率管的栅极接反相器驱动链的输出端，N型功率管的源极接地；P型功率管漏极和N型功率管漏极的连接点为输出端。
上述方案中，恒流源产生电路作用是电流源在钳位电路中R1上产生恒定的压降；有源钳位电路的作用保证上功率管的栅源电压不超过设计值；上功率管驱动电路和下功率管驱动电路主要是为了驱动上、下功率管；功率输出级是为了产生具有驱动能力的栅驱动控制信号。
本发明的有益效果是：服了采用厚栅氧器件的要求，并且采用浮动电位驱动上功率管，解决了自举电路驱动上功率管所带来芯片成本增加的缺陷，同时采用该种驱动上功率管方法可以节省驱动电路功耗以及提高其效率。
附图说明
图1本发明提出的MOSFET浮动驱动电路结构示意图；
图2本发明提出的浮动驱动电路图的时序图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出的一种高端MOSFET浮动驱动电路图如图1所示，由5部分组成，恒流源产生电路，上功率管钳位电路，上功率管驱动电路，下功率管驱动电路，功率输出级。如在图1所标识，恒流源产生电路产生钳位电路所需的电流源，钳位电路保证上功率管栅源电压不超过设计值，功率管驱动电路和功率输出级产生具有驱动能力的栅驱动控制信号。S1、S2、S3和S4为开关信号，信号为高时开关闭合，否则开关打开。开关管S1、S2具有相同的相位，与S3、S4相位相反。下面结合具体实例进行详细分析该发明。
钳位电路是本设计的关键所在，由恒流源产生部分可得其产生的电流为：
则在电阻R1上产生的压降为：
此处第一电容C1保证电阻R1上电压降恒定。当芯片外部供电电压VCC发生变化时，第一电容C1的耦合作用，使得电阻R1上压降恒定。
当开关信号S1、S2闭合(S3、S4打开)，下功率管打开，上功率管关断。电流源I1接入电路，第一PMOS管MP1开启，MP1管源级电位拉至VCC，此时利用电流I2和MN2两条支路，将高端功率管MP_Power1的栅极电位充电至VCC，上功率管关断。当开关信号S1、S2打开(S3、S4闭合)，下功率管关断，上功率管打开。电流源I1与电路断开，第二电容C2通过第一PMOS管MP1进行电荷泄放，使得MP1管栅源级电位维持在PMOS管阈值电压，即MP1源端电压与VCC间的电压差为电阻R1上电压减去PMOS阈值电压。经第二NMOS管MN2，上功率管栅源电压最大为：
Vgs_power≤VR2-VTHP+VTHN+Vov
PMOS管阈值电压大于NMOS管阈值电压，通过调整MP1和MN2管尺寸，使得
VTHP＝VTHN+Vov
则上功率管栅源电压就为电阻R2上的压降。
该种上功率管钳位电路中电流源I1只在(1-D)TS时间内打开，可以节省驱动电路的功耗，以及提升其工作效率。稳压管D1作为上功率管二次保护，保证上功率管栅源电压不超过稳压管D1稳压值。
上功率管驱动电路通过电流源对上功率管寄生电容充放电形式控制其开启与否。下功率管驱动电路通过反相器驱动链形式驱动下功率管。功率输出级部分主要是为了产生具有驱动能力的栅驱动控制信号。
通过设置反相器驱动链延时以及电流源I2、I3对上功率管充放电时间，可以设置合理的死区时间，以保证功率管不会穿通。
图2为浮动电路时序图，Ctrl为上下功率端控制信号，当Ctrl为高时，S1、S2打开，S3和S4闭合，电流源I3打开，将上功率管栅极电位拉低，上功率管打开，下功率管关闭；当Ctrl为低时，S1、S2闭合，S3和S4打开，电流源I2打开，将上功率管栅极电位拉至VCC，上功率管闭合，下功率管打开。通过反相器驱动链延时以及I2、I3充放电时间可以控制功率管死区时间，以保证功率管不会穿通。

Claims (1)

1.一种MOSFET浮动驱动电路，包括恒流源产生电路、上功率管钳位电路、上功率管驱动电路、下功率管驱动电路和功率输出级；其特征在于，
所述上功率管钳位电路由第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第一PMOS管MP1、第二NMOS管MN2、稳压二极管D1、第一开关S1和第一电流源I1构成；第一电阻R1和第一电容C1并联后一端接电源VCC，第一电流源的一端接电源VCC，另一端通过第一开关S1后接第一PMOS管MP1的源极，第一PMOS管MP1的栅极接第一电阻R1和第一电容C1并联后的另一端；第二NMOS管MN2的漏极接电源VCC，其栅极接第一PMOS管MP1源极和第一开关S1的连接点；第二电容C2的一端接电源VCC，另一端接第二NMOS管MN2栅极和第一PMOS管MP1源极的连接点；稳压二极管D1的负极接电源VCC，正极接第二NMOS管MN2的源极；
所述恒流源产生电路由电压跟随器、第一NMOS管MN1和第二电阻R2构成；第一NMOS管MN1的漏极接第一电阻R1和第一电容C1并联后的另一端，其栅极接电源跟随器的输出端，第一NMOS管MN1的源极通过第二电阻R2后接地；电压跟随器的同相输入端接外部基准电压，其反相输入端接第一NMOS管MN1源极和第二电阻R2的连接点；
所述上功率管驱动电路由依次连接的第二电流源I2、第二开关S2、第三开关S3和第三电流源I3构成，其中第二电流源I2接电源VCC，第三电流源I3接地；
所述下功率管驱动电路由第四开关S4和反相器驱动链构成，反相器驱动链的输入端通过第四开关S4后接地；
所述功率输出级由P型功率管和N型功率管构成，P型功率管的源极接电源VCC，其栅极接第二NMOS管MN2的源极，且P型功率管栅极与第二NMOS管MN2源极的连接点接第二开关S2和第三开关S3的连接点；N型功率管的栅极接反相器驱动链的输出端，N型功率管的源极接地；P型功率管漏极和N型功率管漏极的连接点为输出端。
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