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一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，属于电力电子技术领域。包括比较器、开关管、电流源、储能电容、多个NMOS驱动电路和多个PMOS驱动电路，比较器的负向输入端连接参考电压，其输出端连接开关管的栅极，其正向输入端连接开关管的漏极以及NMOS驱动电路和PMOS驱动电路的电压输入端并通过储能电容后接地；开关管的源极通过电流源后连接电源电压；NMOS驱动电路的输出端连接开关电源中对应的NMOS开关管的栅极，PMOS驱动电路的输出端连接开关电源中对应的PMOS开关管的栅极。本发明先将参考电压转换为有驱动能力的电压，再由NMOS驱动电路和PMOS驱动电路驱动开关电源中的NMOS开关管和PMOS开关管，实现可控的浮动驱动电压，具有更小的静态功耗，更适用于小功率应用。

Description

一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率、维持稳定输出电压的一种电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
传统开关电源驱动电路采用固定栅电压的驱动方式，这种方法虽然适用于大部分情况，但是随着低功耗电路设计的发展、负载工作状态日趋复杂以及电池驱动的移动电子产品的发展，对开关电源效率的要求也越来越高。开关电源不仅需要有高的峰值效率，同时当负载发生变化时，也要保持较高效率。传统固定栅压驱动方式由于其灵活度不足，显现出一定的局限性。
降低功率开关的栅极电压，开关的导通损耗呈线性增加，但是开关损耗呈二次函数降低。在负载较轻的情况下，这会有效减小功率开关带来的损耗，提高开关电源系统的效率。故而在负载变化范围很大的应用中，浮动栅电压驱动非常有利于提高整个负载范围内开关电源的效率。
已有的浮动栅电压驱动技术采用运算放大器直接驱动，要求运算放大器输出级驱动能力高，因此静态功耗较高，不适用于小功率应用。
发明内容
针对上述已有的浮动栅电压驱动技术静态功耗较高的问题，本发明提出一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，具有更小的静态功耗，更适用于小功率应用。
本发明的技术方案为：
一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，所述开关电源为MOS管做开关的开关电源，包括比较器COMP、开关管PM1、电流源Ibias、储能电容Cs和驱动电路，
所述驱动电路包括多个NMOS驱动电路和多个PMOS驱动电路，所述NMOS驱动电路和PMOS驱动电路与所述开关电源中NMOS开关管和PMOS开关管一一对应，所述NMOS驱动电路的时序输入端连接第一开关信号P1，所述PMOS驱动电路的时序输入端连接第二开关信号P2；
所述比较器COMP的负向输入端连接参考电压Vref，其输出端连接所述开关管PM1的栅极，其正向输入端连接所述开关管PM1的漏极以及所述NMOS驱动电路和所述PMOS驱动电路的电压输入端并通过所述储能电容Cs后接地；所述开关管PM1的源极通过所述电流源Ibias后连接电源电压VDD；所述NMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的NMOS开关管的栅极，所述PMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的PMOS开关管的栅极。
具体的，所述NMOS驱动电路包括缓冲级、第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1，
缓冲级的输入端连接时序信号p1，其输出端连接第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1的栅极，其中时序信号p1与所述第一开关信号P1同相；第一PMOS管MP1的源极连接所述驱动电路的电压输入端，其漏极连接第一NMOS管MN1的漏极并作为所述NMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的NMOS开关管的栅极；第一NMOS管MN1的源极接地。
具体的，所述PMOS驱动电路包括第二NMOS管MN2、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、自举电容Cb和传输门TG1，
第二PMOS管MP2和第四PMOS管MP4的栅极以及传输门的第一控制端连接正时序信号p2，第二NMOS管MN2和第三PMOS管MP3以及传输门的第二控制端连接负时序信号
Figure BDA0001531480010000021
所述正时序信号p2与所述第二开关信号P2同相，所述负时序信号
Figure BDA0001531480010000022
与所述第二开关信号P2反相；
第二PMOS管MP2的源极连接所述驱动电路的电压输入端，其漏极连接第三PMOS管MP3的漏极并通过自举电容Cb后连接第二NMOS管MN2的漏极和传输门TG1的输入端；
第四PMOS管MP4的源极连接第三PMOS管MP3的源极并连接所述开关电源中对应的PMOS开关管的源极，其漏极连接传输门TG1的输出端并作为所述PMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应PMOS开关管的栅极；
第二NMOS管MN2的源极接地，其衬底接低电位VSS，第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的衬底接高电位Vh。
具体的，所述传输门TG1包括第三NMOS管MN3和第五PMOS管MP5，
第三NMOS管MN3的栅极作为所述传输门TG1的第一控制端，其漏极连接第五PMOS管MP5的漏极并作为所述传输门TG1的输入端，其源极连接第五PMOS管MP5的源极并作为所述传输门TG1的输出端，其衬底接低电平VSS；第五PMOS管MP5的栅极作为所述传输门TG1的第二控制端，其衬底接高电平Vh。
本发明的有益效果为：本发明提出一种浮动栅电压驱动电路，应用于MOS管做开关的开关电源中，实现了可控制的浮动驱动电压，从而为实现更复杂的开关控制提供基础；同时相比于现有的浮动栅电压驱动技术，本发明产生的额外功耗更小，更适用于小功率应用。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路的整体结构示意图。
图2为实施例中的NMOS驱动电路的电路图。
图3为实施例中的PMOS驱动电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
如图1所示为本发明提出的用于开关电源的浮动栅电压驱动电路的整体结构示意图，应用于MOS管做开关的开关电源，包括比较器COMP、开关管PM1、电流源Ibias、储能电容Cs和驱动电路。
驱动电路包括多个NMOS驱动电路和多个PMOS驱动电路，NMOS驱动电路和PMOS驱动电路的个数根据开关电源中NMOS开关管和PMOS开关管的个数决定，且NMOS驱动电路和PMOS驱动电路与开关电源中NMOS开关管和PMOS开关管一一对应，NMOS驱动电路的时序输入端连接第一开关信号P1，PMOS驱动电路的时序输入端连接第二开关信号P2，NMOS驱动电路和PMOS驱动电路输出驱动信号控制开关电源中NMOS开关管和PMOS开关管，实现使用与参考电压Vref相等的浮动的驱动电压开启功率MOS管，以减小开关损耗。
比较器COMP的负向输入端连接参考电压Vref，其输出端连接开关管PM1的栅极，其正向输入端连接开关管PM1的漏极以及NMOS驱动电路和PMOS驱动电路的电压输入端并通过储能电容Cs后接地；开关管PM1的源极通过电流源Ibias后连接电源电压VDD；NMOS驱动电路的输出端连接开关电源中对应的NMOS开关管的栅极，PMOS驱动电路的输出端连接开关电源中对应的PMOS开关管的栅极。
本发明的工作过程为：首先利用比较器COMP、电流源Ibias和储能电容Cs将参考电压Vref转换成有驱动能力的电压Vs，再由特定的NMOS驱动电路和PMOS驱动电路驱动功率开关管，使它们的栅源电压与参考电压一致。本发明提出的用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，通过调节参考电压控制开关电源中功率开关的栅源电压，可以实现更复杂、更精确的控制，从而为进一步改善开关电源性能提供可能。相比于已有技术，本发明的驱动电路静态功耗更小，更适用于小功率应用。
当比较器正向输入端电压Vs小于参考电压Vref时，比较器COMP输出为低电平，开关管PM1开启，储能电容Cs充电，直到比较器正向输入端电压Vs大于参考电压Vref，比较器COMP输出翻高，开关管PM1截止，储能电容Cs为后级的NMOS驱动电路和PMOS驱动电路提供能量。
本实施例中的NMOS驱动电路如图2所示，包括缓冲级、第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1，缓冲级的输入端连接时序信号p1，其输出端连接第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1的栅极，其中时序信号p1与第一开关信号P1同相；第一PMOS管MP1的源极连接所述驱动电路的电压输入端，其漏极连接第一NMOS管MN1的漏极并作为所述NMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的NMOS开关管的栅极，第一NMOS管MN1的源极接地。
时序信号p1通过缓冲级控制第一NMOS管MN1和第一PMOS管MP1构成的驱动电路，假设缓冲级是反相的，当时序信号p1为高电平时，第一PMOS管MP1开启、第一NMOS管MN1截止，功率NMOS开关开启，其栅极电压等于NMOS驱动电路输入端电压Vs，也就是等于参考电压Vref。当时序信号p1为低电平时，第一NMOS管MN1开启、第一PMOS管MP1截止，功率NMOS开关的栅极电压等于0，开关截止。
本实施例中PMOS驱动电路的电路图如图3所示。该电路采用开关电容结构，包括第二NMOS管MN2、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、自举电容Cb和传输门TG1，第二PMOS管MP2和第四PMOS管MP4的栅极以及传输门的第一控制端连接正时序信号p2，第二NMOS管MN2和第三PMOS管MP3以及传输门的第二控制端连接负时序信号所述正时序信号p2与所述第二开关信号P2同相，所述负时序信号
Figure BDA0001531480010000042
与所述第二开关信号P2反相；第二PMOS管MP2的源极连接所述驱动电路的电压输入端，其漏极连接第三PMOS管MP3的漏极并通过自举电容Cb后连接第二NMOS管MN2的漏极和传输门TG1的输入端；第四PMOS管MP4的源极连接第三PMOS管MP3的源极并连接所述开关电源中对应的PMOS开关管的源极，其漏极连接传输门TG1的输出端并作为所述PMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应PMOS开关管的栅极；第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3和第四PMOS管MP4的衬底接高电位Vh，第二NMOS管MN2的衬底接低电位VSS。
进一步的，传输门TG1包括第三NMOS管MN3和第五PMOS管MP5，第三NMOS管MN3的栅极作为所述传输门TG1的第一控制端，其漏极连接第五PMOS管MP5的漏极并作为所述传输门TG1的输入端，其源极连接第五PMOS管MP5的源极并作为所述传输门TG1的输出端，其衬底接低电平VSS；第五PMOS管MP5的栅极作为所述传输门TG1的第二控制端，其衬底接高电平Vh。
本实施例中的PMOS驱动电路的NMOS管的衬底接低电平VSS，PMOS管的衬底接高电平Vh，可以保证在任何情况下MOS管里的体二极管反偏。
当正时序信号p2为低电平时，第二PMOS管MP2、第四PMOS管MP4和第二NMOS管MN2开启，其余开关截止，自举电容Cb充电，直至自举电容Cb上极板即A点的电压等于PMOS驱动电路输入端电压Vs；此时PMOS驱动电路输出端电压Vg等于相应的功率PMOS开关的源极电压，因此，功率PMOS开关截止。当正时序信号p2为高电平时，第三PMOS管MP3和传输门TG1开启，其余开关截止，由于自举电容Cb两端电压不变，此时功率PMOS开关管的栅极电压等于VDD-Vs，所以栅源电压为-Vs，也就是等于负的参考电压-Vref。
在实际应用中，NMOS驱动电路和PMOS驱动电路的具体数目可以根据不同情况调整。
本发明中由于开关管PM1作为开关使用，导通电阻很小，所以在开关管PM1上损耗的能量很小；电流源Ibias提供的电流全部用于驱动功率开关，静态功耗只取决于比较器的功耗。已有的使用运放直接驱动的浮动栅驱动电路中，运放输出级需要较大的静态电流，所以功耗较大，而本发明中驱动电路只需要很少的功耗。
本实施例中PMOS驱动电路中的自举电容Cb会在功率PMOS开关截止时充电，所以可以认为储能电容Cs只直接给NMOS驱动电路提供能量。一般来说，功率NMOS开关的面积较小，单位面积的等效电容较小，所以不需要特别大的储能电容Cs即可时Vs点的电压在开关周期内相对稳定。
且在PMOS驱动电路中，如果功率PMOS开关的源极电压小于PMOS驱动电路输入端电压Vs，那么功率PMOS开关开启时其栅电压小于0。因此，如果有工艺允许且有辅助电路配合，该电路允许以负电压驱动功率PMOS开关，这会很大程度上减小开关的导通电阻，或者说可以应用于低压应用中。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，所述开关电源为MOS管做开关的开关电源，其特征在于，包括比较器(COMP)、开关管(PM1)、电流源(Ibias)、储能电容(Cs)和驱动电路，
所述驱动电路包括多个NMOS驱动电路和多个PMOS驱动电路，所述NMOS驱动电路和PMOS驱动电路与所述开关电源中NMOS开关管和PMOS开关管一一对应，所述NMOS驱动电路的时序输入端连接第一开关信号(P1)，所述PMOS驱动电路的时序输入端连接第二开关信号(P2)；
所述比较器(COMP)的负向输入端连接参考电压(Vref)，其输出端连接所述开关管(PM1)的栅极，其正向输入端连接所述开关管(PM1)的漏极以及所述NMOS驱动电路和所述PMOS驱动电路的电压输入端并通过所述储能电容(Cs)后接地；所述开关管(PM1)的源极通过所述电流源(Ibias)后连接电源电压(VDD)；所述NMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的NMOS开关管的栅极，所述PMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的PMOS开关管的栅极；
所述PMOS驱动电路包括第二NMOS管(MN2)、第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)、第四PMOS管(MP4)、自举电容(Cb)和传输门(TG1)，
第二PMOS管(MP2)和第四PMOS管(MP4)的栅极以及传输门的第一控制端连接正时序信号(p2)，第二NMOS管(MN2)和第三PMOS管(MP3)以及传输门的第二控制端连接负时序信号
Figure FDA0002114901530000011
所述正时序信号(p2)与所述第二开关信号(P2)同相，所述负时序信号与所述第二开关信号(P2)反相；
第二PMOS管(MP2)的源极连接所述驱动电路的电压输入端，其漏极连接第三PMOS管(MP3)的漏极并通过自举电容(Cb)后连接第二NMOS管(MN2)的漏极和传输门(TG1)的输入端；
第四PMOS管(MP4)的源极连接第三PMOS管(MP3)的源极并连接所述开关电源中对应的PMOS开关管的源极，其漏极连接传输门(TG1)的输出端并作为所述PMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应PMOS开关管的栅极；
第二NMOS管(MN2)的源极接地，其衬底接低电位(VSS)，第二PMOS管(MP2)、第三PMOS管(MP3)和第四PMOS管(MP4)的衬底接高电位(Vh)。
2.根据权利要求1所述的用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，其特征在于，所述NMOS驱动电路包括缓冲级、第一NMOS管(MN1)和第一PMOS管(MP1)，
缓冲级的输入端连接时序信号(p1)，其输出端连接第一NMOS管(MN1)和第一PMOS管(MP1)的栅极，其中时序信号(p1)与所述第一开关信号(P1)同相；第一PMOS管(MP1)的源极连接所述驱动电路的电压输入端，其漏极连接第一NMOS管(MN1)的漏极并作为所述NMOS驱动电路的输出端连接所述开关电源中对应的NMOS开关管的栅极；第一NMOS管(MN1)的源极接地。
3.根据权利要求1所述的用于开关电源的浮动栅电压驱动电路，其特征在于，所述传输门(TG1)包括第三NMOS管(MN3)和第五PMOS管(MP5)，
第三NMOS管(MN3)的栅极作为所述传输门(TG1)的第一控制端，其漏极连接第五PMOS管(MP5)的漏极并作为所述传输门(TG1)的输入端，其源极连接第五PMOS管(MP5)的源极并作为所述传输门(TG1)的输出端，其衬底接低电平(VSS)；第五PMOS管(MP5)的栅极作为所述传输门(TG1)的第二控制端，其衬底接高电平(Vh)。
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