CN108736872A - 一种点火驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种点火驱动电路,包括输入端、光电耦合器U1和VDMOS管Q1,输入端的输入信号经电阻R1与二极管D1、二极管D2串联后接入光电耦合器U1的发光管正端,发光管负端接信号地;功率电源经电阻R2、电阻R3串联后接入光电耦合器U1的光敏管集电极,光敏管射级接功率地;同时电源经电阻R2、电阻R3分压后驱动VDMOS管Q1的栅极,并在Q1的栅极与源极之间串联两个反向稳压管D3、稳压管D4;VDMOS管Q1的漏极与功率地之间串接负载电阻RL。本发明针对点火系统的具体使用要求,负载接地端的情形,考虑前后级之间的隔离提高电路的抗干扰能力;设计研发封装尺寸小,驱动能力强的点火电路等。

Description

一种点火驱动电路
技术领域
本发明涉及半导体混合集成电路设计技术,具体涉及点火驱动控制类混合集成电路。
背景技术
传统的点火电路为触点式点火系统,尺寸大,可靠性低,抗干扰能力较差,点火状况受转速、触点技术状况的影响较大,需要经常维修和调整。因此设计一种体积小,可靠性高,抗干扰能力强的点火驱动电路具有重要意义。
点火驱动控制系统的特点是通过前级的小信号控制后级输出脉冲大电流实现的点火工作。为防止电路过热,降低电路的功耗,应选用驱动电流大,功耗小的大功率管。传统大功率三极管工作时处于饱和导通状态,有管压降VCE,其开关动态损耗大,使电路温升快,工作效率低。而VDMOS管的导通电阻小,持续通过的电流较大,可以为负载提供足够大的电流。
传统点火驱动电路的技术实现方式存在以下缺点:
1、输入与输出级之间不隔离,抗干扰能力较差
传统点火驱动电路输入与输出级之间没有电气隔离,而后级输出一般电流较大,容易对前级小信号控制部分产生干扰,造成点火系统误动作。
2、输出若采用大功率三级管,开关动态损耗较大
传统点火电路采用的大功率三级管作为输出,饱和导通状态管压降较大,工作效率低,温度上升快,需要安装散热片保证其正常工作。
3、N沟道VDMOS管输出时,无法满足负载接地端的要求
光耦隔离输出端的电源与输出的电源为同一电源,若采用N沟道VDMOS管结构作为输出时负载接地,导通瞬间栅源之间的电压将不能维持其导通状态。
发明内容
本发明所要解决的问题是:针对点火系统的具体使用要求,负载接地端的情形,考虑前后级之间的隔离提高电路的抗干扰能力;设计研发封装尺寸小,驱动能力强的点火电路等。
为了达到以上目的,本发明采取如下技术方案予以实现:
一种点火驱动电路,包括输入端、光电耦合器U1和VDMOS管Q1,输入端的输入信号经电阻R1与二极管D1、二极管D2串联后接入光电耦合器U1的发光管正端,发光管负端接信号地;功率电源经电阻R2、电阻R3串联后接入光电耦合器U1的光敏管集电极,光敏管射级接功率地;同时电源经电阻R2、电阻R3分压后驱动VDMOS管Q1的栅极,并在Q1的栅极与源极之间串联两个反向稳压管D3、稳压管D4;VDMOS管Q1的漏极与功率地之间串接负载电阻RL。
所述的光电耦合器U1在全温下的电流传输比CTR:50%~400%,光电耦合器U1输出级电流范围为1.75mA~10mA。
封装时,VDMOS管焊接在BeO基板上,将BeO基板焊接在外壳上。
所述的BeO基板为Al2O3基板。
所述的VDMOS管Q1为P沟道VDMOS管。
所述的输入端电压超过2.5V,VDMOS管Q1阈值为-2~-4V。
本发明具有以下有益效果:
本发明采用光耦隔离器件控制VDMOS管输出的结构实现点火驱动,负载可接地端工作。并且点火电路的延迟时间较短并可以通过外接与偏置电阻并联的电容进行微调。该电路采用光耦器件实现前后级之间的电气隔离。通过优化阻容匹配设计,保证在设定的输入电流下,完成电路系统的点火输出。输入级通过串入二极管增加输入端口的抗干扰能力。根据应用需求,结合VDMOS管的自身参数,合理设计光耦输出级电流,栅极偏置等参数,保证VDMOS管工作时完全导通,解决VDMOS管与驱动器的匹配问题。
进一步,采用基于厚膜工艺的混合集成电路的小型化工艺,即把电路芯片、电容、电阻元件通过印刷、烧结、激光调值等技术集成在Al2O3基板上,在其外部采用统一封装形式。因此较小的封装体积内可以集成多路的点火电路(例如32.6mm×20.0mm×6.1mm尺寸内可集成四路点火电路),可靠性均有较大的提升。
附图说明
图1点火驱动电路原理框图;
图2点火驱动电路详细原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明的点火驱动电路的原理框图如图1所示。电路输入信号经过电阻R1,控制流入光耦的电流,当电流足够大时,光耦内部的发光管发光,控制光耦的光敏管导通。输入端信号地与隔离输出的地线分开,防止干扰信号经过地线传入后级。
图2是点火驱动电路的原理图,电路主要由输入驱动部分、光耦隔离部分、P沟道VDMOS管输出部分组成。采用OLI系列光耦进行输入输出间的电气隔离,输入端的输入信号为LVTTL电平信号。输入信号经电阻R1与二极管D1、二极管D2串联后接入光电耦合器U1的发光管正端,发光管负端接信号地;功率电源经电阻R2、电阻R3串联后接入光电耦合器U1的光敏管集电极,光敏管射级接功率地;同时电源经电阻R2、电阻R3分压后驱动VDMOS管Q1的栅极,并在Q1的栅极与源极之间串联两个反向稳压管D3、稳压管D4;VDMOS管Q1的漏极与功率地之间串接负载电阻RL。
当信号为高电平典型值3.3V时,光耦内部发光管开启,工作电流I:
I=(Vi-Von-2×0.7V)/R1=(3.3V-1.2V-1.4V)/0.2kΩ=3.5mA;
光耦在全温下(-55℃~+125℃)的电流传输比CTR:50%~400%,计算得到光耦输出级可以达到的电流范围为1.75mA~10mA。因此,设计后级偏置电阻时,应使得光耦输出级的实际电流小于1.75mA。根据不同的输出电压要求选择合适的偏置电阻。例如输出要求50V/6A,偏置电阻取R2=10kΩ,R3=30kΩ,电压为50V,则光耦输出端的电流为1.25mA,此时VGS=-12.5V,稳压管工作保证VGS=-12V附近,此时VDMOS管Q1完全开启;若输出要求25V/3A,偏置电阻取R2=10kΩ,R3=10kΩ,电压为25V,则光耦输出端的电流为1.25mA,此时VGS=-12.5V,稳压管工作保证VGS=-12V附近,此时VDMOS管Q1完全开启,能完全满足应用要求。
电路主要可能发热的区域集中在输出部分P型VDMOS管上,为保证芯片的散热,采用再流焊工艺将VDMOS管焊接在BeO基板上,为进一步保证芯片的散热,再采用再流焊工艺将BeO基板焊接在外壳上,这样芯片上的热量首先传导给基片,基片再传导给外壳。同时通过合理布局布线,可以在较小的封装体积内集成多路的点火驱动电路结构。
该电路采用光耦器件实现前后级之间的电气隔离。通过优化阻容匹配设计,保证在设定的输入电流下,完成电路系统的点火输出。该设计具有输入电流仅为几个mA,抗干扰能力强,光耦隔离,动作时间为几个μs,点火延迟时间可微调、结构形式简单,尺寸小集成度高,负载可接地端等优点。
首先通过选择合适的光耦实现隔离,需要考虑其内部发光管的工作电流、正向压降以及电流传输比等参数。其次,输入级通过串入二极管增加输入端口的抗干扰能力,保证输入端电压超过2.5V左右时才可以工作。根据应用需求,结合VDMOS管阈值为-2~-4V,合理设计光耦输出级电流1.25mA左右,栅极偏置电压在12V附近,保证VDMOS管工作时完全导通,解决VDMOS管与驱动器的匹配问题。另外,设计合理线路,调整偏置电阻并联的电容值可微调点火输出的时间,根据使用要求对点火输出的接通时间进行设定。
版图设计时,合理布置地线电源线,通过空间距离保证信号之间的绝缘电阻满足使用要求,减少地线之间的相互干扰。采用尺寸小的光耦结构进行前后级的隔离,既保证了功能实现的可靠性,又有效的降低了面积,实现了小型化的要求;版图上对点火电路进行合理分布,对输入端共用信号地,输出端分别共用功率地,简化了引脚,有利于小型化的设计。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种点火驱动电路,其特征在于,包括输入端、光电耦合器U1和VDMOS管Q1,输入端的输入信号经电阻R1与二极管D1、二极管D2串联后接入光电耦合器U1的发光管正端,发光管负端接信号地;功率电源经电阻R2、电阻R3串联后接入光电耦合器U1的光敏管集电极,光敏管射级接功率地;同时电源经电阻R2、电阻R3分压后驱动VDMOS管Q1的栅极,并在Q1的栅极与源极之间串联两个反向稳压管D3、稳压管D4;VDMOS管Q1的漏极与功率地之间串接负载电阻RL。
2.根据权利要求1所述的一种点火驱动电路,其特征在于,所述的光电耦合器U1在全温下的电流传输比CTR:50%~400%,光电耦合器U1输出级电流范围为1.75mA~10mA。
3.根据权利要求1所述的一种点火驱动电路,其特征在于,封装时,VDMOS管焊接在BeO基板上,将BeO基板焊接在外壳上。
4.根据权利要求3所述的一种点火驱动电路,其特征在于,所述的BeO基板为Al2O3基板。
5.根据权利要求1所述的一种点火驱动电路,其特征在于,所述的VDMOS管Q1为P沟道VDMOS管。
6.根据权利要求1所述的一种点火驱动电路,其特征在于,所述的输入端电压超过2.5V,VDMOS管Q1阈值为-2~-4V。
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