CN109478844B - 一种内置供电电容的功率开关驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种内置供电电容的功率开关驱动电路，当功率开关(M1)达到导通阈值时再通过供电电容(Cvcc)放电，以使功率开关(M1)导通，由此节约了供电电容(Cvcc)上的电荷需求，使得小容量的供电电容(Cvcc)即可实现功率开关(M1)驱动；同时供电电容(Cvcc)可设计于集成电路中，提升可靠性及降低成本，因此解决了现有的功率驱动电路存在着因供电电容容量较大，无法设计在集成电路，使得占用空间大及成本增加的问题。

Description

一种内置供电电容的功率开关驱动电路
技术领域
本发明属于驱动电路技术领域，特别是涉及一种内置供电电容的功率开关驱动电路。
背景技术
交流输入的AC/DC电源或LED驱动等应用均带有供电电容，供电电容存储的电荷被用于控制芯片内部电路以及驱动功率开关所使用，在驱动场效应管导通时，需要将其栅极电压快速驱动至合适的电压(一般为5V-15V),才能获得小的漏极和源级之间的导通阻抗。
图1示出了现有技术涉及的功率开关驱动电路的示例电路，该功率开关驱动电路包括整流桥(包括二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4)、一母线电容Cbus、一电感Lm、一续流二极管Dr、一输出电容Cout、负载Rload以及驱动芯片，该驱动芯片进一步包括一功率开关M1、一结型场效应管JFET、一JFET控制电路和一驱动电路；其中，结型场效应管JFET的源级连接一供电电容Cvcc，由供电电容Cvcc对该驱动电路供电并且驱动功率开关M1的栅极，功率开关M1的源级连接一采样电阻Rcs。
由于结型场效应管JFET的漏极和功率开关M1的漏极连接，当功率开关M1关闭时，功率开关M1的漏极电压为100V-400V，因此，结型场效应管JFET可以向供电电容Cvcc充电，该充电过程由JFET控制电路控制。当供电电容Cvcc电压不足时，结型场效应管JFET导通；当供电电容Cvcc电压充足时，结型场效应管JFET关闭，JFET控制电路的供电可以持续若干个功率开关M1的开关周期。
功率开关M1由关闭至导通时，驱动电路将功率开关M1的栅极电压由0V上拉至供电电容Cvcc电压，功率栅极M1的栅极电荷由供电电容Cvcc提供；功率开关M1由导通至关闭时，驱动电路将功率开关M1的栅极电压下拉至0V。
然而，上述的供电电容Cvcc需要较大容量(一般都是以纳法nF或者微法uF级别计算的)，无法设计在集成电路中，需要一个独立封装的电容，第一，该供电电容需要成本，占用空间，第二，集成电路的专用管脚也占用系统成本，第三，增加系统失效的风险。
因此，现有的功率驱动电路存在着因供电电容容量较大，无法设计在集成电路，使得占用空间大及成本增加的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内置供电电容的功率开关驱动电路，旨在解决现有的功率驱动电路存在着因供电电容容量较大，无法设计在集成电路，使得占用空间大及成本增加的问题。
本发明提供了一种内置供电电容的功率开关驱动电路，所述功率开关驱动电路包括驱动单元，所述驱动单元包括功率开关、结型场效应管、场效应管控制电路以及驱动控制电路，所述驱动单元还包括：
逻辑电路、供电二极管、第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及供电电容；
所述场效应管控制电路的输出端接所述结型场效应管的栅极，所述结型场效应管的漏极与所述功率开关的输入端接入电源单元，所述结型场效应管的源极、所述第一开关模块的输入端、所述驱动控制电路的连接端以及所述供电二极管的阳极共接，所述驱动控制电路的第一控制端接所述第一开关模块的受控端，所述驱动控制电路的第二控制端接所述第二开关模块的受控端，所述供电二极管的阴极与所述供电电容的第一端以及所述第二开关模块的输入端共接，所述第一开关模块的输出端、所述第二开关模块的输出端、所述第三开关模块的输入端以及所述功率开关的受控端共接，所述供电电容的第二端与所述第三开关模块的输出端接地，所述逻辑电路的控制端接所述驱动控制电路的受控端，所述逻辑电路的输出端接所述第三开关模块的受控端，所述逻辑电路的连接端与所述功率开关的输出端共接输出单元；
所述电源单元输出的直流电既对所述供电电容充电，又对所述功率开关供电；
当所述逻辑电路输出导通控制信号时，所述驱动控制电路控制所述第一开关模块导通，并在所述功率开关达到导通阈值时控制所述第一开关模块关闭及所述第二开关模块导通，则所述供电电容放电以使所述功率开关导通；
当所述逻辑电路输出关闭控制信号时，使得所述第三开关模块导通，并且所述驱动控制电路控制所述第二开关模块关闭，以使所述供电电容充电及所述功率开关关闭。
综上所述，本发明提供了一种内置供电电容的功率开关驱动电路，当功率开关达到导通阈值时再通过供电电容放电，以使功率开关导通，由此节约了供电电容上的电荷需求，使得小容量的供电电容即可实现功率开关驱动；同时供电电容可设计于集成电路中，提升可靠性及降低成本，因此解决了现有的功率驱动电路存在着因供电电容容量较大，无法设计在集成电路，使得占用空间大及成本增加的问题。
附图说明
图1为现有技术涉及的功率开关驱动电路的示例电路图。
图2为本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路的模块结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路的示例电路图。
图4为本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路中功率开关导通时各信号点电压的波形示意图。
图5为本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路中功率开关寄生电容的连接结构示意图。
图6本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路中功率开关关闭时各信号点电压的波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路，在驱动功率开关导通时，第一开关模块先导通，当功率开关的漏极电压下降至预设值或者经过预设时间后，第一开关模块关闭，第二开关模块导通，则供电电容放电以使功率开关导通，从而节约了供电电容上的电荷需求，使用小容量的供电电容即可实现功率开关驱动。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图2示出了本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
上述一种内置供电电容的功率开关驱动电路，该功率开关驱动电路包括驱动单元102，驱动单元102包括功率开关M1、结型场效应管JFET、场效应管控制电路(图2采用JFET控制电路表示)以及驱动控制电路，该驱动单元还包括：
逻辑电路、供电二极管Dvcc、第一开关模块1021、第二开关模块1022、第三开关模块1023以及供电电容Cvcc；
场效应管控制电路的输出端接结型场效应管JFET的栅极，结型场效应管JFET的漏极与功率开关M1的输入端接入电源单元101，结型场效应管JFET的源极、第一开关模块1021的输入端、驱动控制电路的连接端以及供电二极管Dvcc的阳极共接，驱动控制电路的第一控制端接第一开关模块1021的受控端，驱动控制电路的第二控制端接第二开关模块1022的受控端，供电二极管Dvcc的阴极与供电电容Cvcc的第一端以及第二开关模块1022的输入端共接，第一开关模块1021的输出端、第二开关模块1022的输出端、第三开关模块1023的输入端以及功率开关M1的受控端共接，供电电容Cvcc的第二端与第三开关模块1023的输出端接地，逻辑电路的控制端接驱动控制电路的受控端，逻辑电路的输出端接第三开关模块1023的受控端，逻辑电路的连接端与功率开关M1的输出端共接输出单元103；
电源单元101输出的直流电既对供电电容Cvcc充电，又对功率开关M1供电；
当逻辑电路输出导通控制信号时，驱动控制电路控制第一开关模块1021导通，并在功率开关M1达到导通阈值时控制第一开关模块1021关闭及第二开关模块1022导通，则供电电容Cvcc放电以使功率开关M1导通；
当逻辑电路输出关闭控制信号时，使得第三开关模块1023导通，并且驱动控制电路控制第二开关模块1022关闭，以使供电电容Cvcc充电及功率开关M1关闭。
作为本发明一实施例，上述功率开关M1具体为场效应管，场效应管的栅极、漏极以及源极分别为功率开关M1的受控端、输入端以及输出端。该功率开关M1为驱动控制电路的控制对象以及电路中的主开关管，在需要功率开关M1导通时，需要将功率开关M1的栅源电压Vgate驱动至5V-15V的电压，以获得合适的导通阻抗；在需要功率开关关闭时，需要将功率开关的栅源电压Vgate驱动至0V，使功率开关M1关闭。当功率开关M1关闭时，功率开关M1的漏极电压较高，在市电输入的应用中，漏极电压通常为100V至500V，通过合理控制结型场效应管JFET的栅极，可以控制结型场效应管JFET中的电流为驱动控制电路供电。
作为本发明一实施例，供电二极管Dvcc起到使电路供电电流单向导通的目的，在结型场效应管JFET的源级Vj电压低于供电电容Cvcc时，阻挡供电电容Cvcc电压避免其流向向Vj。
作为本发明一实施例，驱动控制电路的输入信号为逻辑电路的输出ON以及结型场效应管JFET的源级Vj，驱动控制电路的输出信号控制第一开关模块1021和第二开关模块1022的导通和关闭。逻辑电路是控制芯片的内部逻辑，根据采样电阻Rcs上的电压以及电路其他工作状态输出信号控制功率开关M1的导通与关闭。
作为本发明一实施例，场效应管控制电路驱动结型场效应管JFET，通过供电二极管Dvcc为供电电容Cvcc供电。
图3示出了本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，上述电源单元101包括：
交流电源AC、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4以及母线电容Cbus；
交流电源AC的第一输出端与第一二极管D1的阳极以及第三二极管D3的阴极共接，交流电源AC的第二输出端与第四二极管D4的阴极以及第二二极管D2的阳极共接，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阴极以及母线电容Cbus的第一端共接并作为电源单元101的输出端，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阳极以及母线电容Cbus的第二端共接。
上述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4组成一整流桥，整流桥输入为交流电压，输出连接母线电容Cbus，母线电容Cbus为开关电源的高频脉冲电流提供通路，并且将工频交流电压的能量存储于母线电容Cbus中。
作为本发明一实施例，上述输出单元103包括：
采样电阻Rcs、电感L1、输出电容Cout、续流二极管Dr以及负载；
采样电阻Rcs的第一端与续流二极管Dr的阴极共接并作为输出单元103的输入端，采样电阻Rcs的第二端与电感L1的第一端接地，电感L1的第二端与输出电容Cout的第一端以及负载的第一端共接，续流二极管Dr的阳极与输出电容Cout的第二端以及负载的第二端共接并与母线电容Cbus的第二端相连接。
当功率开关M1导通时，电感L1的电流上升，当功率开关M1关闭时，电感L1的电流下降，电感L1中的电流流经续流二极管Dr。输出电容Cout，用以滤除输出电压或电流纹波。逻辑电路控制功率开关M1的导通时间和关闭时间，实现电压型或电流型输出的开关电源目的。
作为本发明一实施例，上述第一开关模块1021为三极管(图3采用驱动开关S1表示)或者场效应管；
三极管的基极、集电极以及发射极分别为第一开关模块1021的受控端、输入端以及输出端；
场效应管的栅极、漏极以及源极分别为第一开关模块1021的受控端、输入端以及输出端。
作为本发明一实施例，上述第二开关模块1022为三极管(图3采用驱动开关S2表示)或者场效应管；
三极管的基极、集电极以及发射极分别为第二开关模块1022的受控端、输入端以及输出端；
场效应管的栅极、漏极以及源极分别为第二开关模块1022的受控端、输入端以及输出端。
作为本发明一实施例，上述第三开关模块1023为三极管(图3采用驱动开关S3表示)或者场效应管；
三极管的基极、集电极以及发射极分别为第三开关模块1023的受控端、输入端以及输出端；
场效应管的栅极、漏极以及源极分别为第三开关模块1023的受控端、输入端以及输出端。
图4-图6分别示出了本发明实施例提供的一种内置供电电容的功率开关驱动电路中功率开关导通时各信号点电压的波形、功率开关寄生电容的连接结构以及功率开关关闭时各信号点电压的波形，以下结合图3-图6对上述一种内置供电电容的功率开关驱动电路的工作原理进行描述：
在图4中，ON信号为逻辑电路的输出信号，在t1时刻，由低电平变为高电平。
驱动控制电路接收到逻辑电路的ON信号指令，在t1时刻，使驱动开关S1导通。
从t1时刻起，场效应管JFET中的电流流入功率开关M1的栅极。
参见图5，功率开关M1有三个典型的寄生电容：栅源电容Cgs，栅漏电容Cgd，漏源电容Cds。
在t1时刻之前，漏极电压较高，典型值为100V以上，栅漏电容Cgd，漏源电容Cds上积累了较多电荷。
在t1时刻至t2时刻之间，栅漏电容Cgd，漏源电容Cds通过结型场效应管JFET和驱动开关S1向栅源电容Cgs放电，从而漏极电压Drain下降。栅极电压Vgate上升。
在t2时刻，Vgate上升至功率开关M1的导通阈值Vth，功率开关M1开始导通。
在t2至t3时刻，栅漏电容Cgd上的电荷继续通过结型场效应管JFET和驱动开关S1向功率开关M1的栅极Vgate充电，功率开关M1中的电流逐渐增加，该电流也为漏源电容Cds放电，从而使功率开关M1的漏极电压Drain下降。
当固定的时间延迟之后，或者检测到功率开关M1的漏极电压Drain下降至某值后，在t3时刻，驱动控制电路关闭驱动开关S1，同时使驱动开关S2导通。
在t3至t4时刻，芯片内部的供电电容Cvcc通过驱动开关S2向功率开关M1的栅极Vgate充电，由于供电电容Cvcc为芯片内置，所以其容值较小，供电电容Cvcc开始有明显的下降，在t4时刻，Vgate电压达到和Cvcc电容电压相等，完成一个功率开关M1的导通驱动过程。
通过设计供电电容Cvcc和功率开关M1的栅极电容的比例，在t4时刻，供电电容Cvcc电压和功率开关M1的栅极电容电压满足：1、功率开关M1获得所需的低导通阻抗；2、供电电容Cvcc电压保持足够为控制电路供电使用。
然而，在现有技术中，需要较大的供电电容Cvcc完成整个功率开关导通的驱动过程，因此需要提供栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd所需的全部电荷，而本实施例中，在驱动开关S2导通之前，漏极电压已经下降至较低值，因此不需要提供栅漏电容Cgd的电荷。并且，栅源电容Cgd在栅极阈值以下的部分也在驱动开关S2导通之前完成。
因此可知，在现有技术中，供电电容Cvcc需要提供的电荷为：Qg＝Cgs*Vgate+Cgd*Vds。式中，Vgate为功率开关M1在驱动完成后的栅极电压，Vds为功率开关M1在关闭时的漏源电压。而本实施例中，供电电容Cvcc需要提供的电荷为：Qvcc＝Cgs*(Vgate-Vth)。式中，Vth为功率开关M1的导通阈值。可见，本实施例中的电路可大幅减少供电电容Cvcc需要提供的电荷，因此，可将供电电容Cvcc集成至控制芯片内部，节约成本，提升可靠性。
参见图6，当逻辑电路的输出信号ON从高电平变为低电平时，驱动控制电路使驱动开关S2关闭。同时，逻辑电路的输出信号OFF使驱动开关S3导通，功率开关M1的栅极电压开始下降直至0V，功率开关M1的漏极电压上升至较高电压(典型值100-500V)，此时，结型场效应晶体管JFET可以开始给供电电容Cvcc充电，当供电电容Cvcc电容电压上升至设定值后，结型场效应晶体管JFET关闭，供电电容Cvcc上的电压已经足够为下一个功率开关M1导通瞬间使用。
本电路的优点在于，与现有技术相比，可大幅度减少在功率开关导通时对供电电容的电荷需求，因此，可以将供电电容设计到芯片内部，节省外部独立封装的供电电容，节省芯片管脚，提升驱动电路可靠性，降低驱动电路成本。
综上所述，本发明实施例提供了一种内置供电电容的功率开关驱动电路，当功率开关达到导通阈值时再通过供电电容放电，以使功率开关导通，由此节约了供电电容上的电荷需求，使得小容量的供电电容即可实现功率开关驱动；同时供电电容可设计于集成电路中，提升可靠性及降低成本，因此解决了现有的功率驱动电路存在着因供电电容容量较大，无法设计在集成电路，使得占用空间大及成本增加的问题。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的步骤或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤，而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种内置供电电容的功率开关驱动电路，所述功率开关驱动电路包括驱动单元，所述驱动单元包括功率开关、结型场效应管、场效应管控制电路以及驱动控制电路，其特征在于，所述驱动单元还包括：
逻辑电路、供电二极管、第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及供电电容；
所述场效应管控制电路的输出端接所述结型场效应管的栅极，所述结型场效应管的漏极与所述功率开关的输入端接入电源单元，所述结型场效应管的源极、所述第一开关模块的输入端、所述驱动控制电路的连接端以及所述供电二极管的阳极共接，所述驱动控制电路的第一控制端接所述第一开关模块的受控端，所述驱动控制电路的第二控制端接所述第二开关模块的受控端，所述供电二极管的阴极与所述供电电容的第一端以及所述第二开关模块的输入端共接，所述第一开关模块的输出端、所述第二开关模块的输出端、所述第三开关模块的输入端以及所述功率开关的受控端共接，所述供电电容的第二端与所述第三开关模块的输出端接地，所述逻辑电路的第一控制端接所述驱动控制电路的受控端，所述逻辑电路的第二控制端接所述第三开关模块的受控端，所述逻辑电路的连接端与所述功率开关的输出端共接输出单元；所述逻辑电路、所述供电二极管、所述第一开关模块、所述第二开关模块、所述第三开关模块以及所述供电电容进行集成设置；
所述电源单元输出的直流电既对所述供电电容充电，又对所述功率开关供电；
当所述逻辑电路输出导通控制信号时，所述驱动控制电路控制所述第一开关模块导通，并在所述功率开关达到导通阈值时控制所述第一开关模块关闭及所述第二开关模块导通，则所述供电电容放电以使所述功率开关导通；
当所述逻辑电路输出关闭控制信号时，使得所述第三开关模块导通，并且所述驱动控制电路控制所述第二开关模块关闭，以使所述供电电容充电及所述功率开关关闭；
所述输出单元包括：
采样电阻、电感、输出电容、续流二极管以及负载；
所述采样电阻的第一端与所述续流二极管的阴极共接并作为所述输出单元的输入端，所述采样电阻的第二端与所述电感的第一端接地，所述电感的第二端与所述输出电容的第一端以及所述负载的第一端共接，所述续流二极管的阳极与所述输出电容的第二端以及所述负载的第二端共接并与所述输出电容的第二端相连接。
2.如权利要求1所述的功率开关驱动电路，其特征在于，所述电源单元包括：
交流电源、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管以及母线电容；
所述交流电源的第一输出端与所述第一二极管的阳极以及所述第三二极管的阴极共接，所述交流电源的第二输出端与所述第四二极管的阴极以及所述第二二极管的阳极共接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阴极以及所述母线电容的第一端共接并作为所述电源单元的输出端，所述第三二极管的阳极与所述第四二极管的阳极以及所述母线电容的第二端共接。
3.如权利要求1所述的功率开关驱动电路，其特征在于，所述第一开关模块为三极管或者场效应管；
所述三极管的基极、集电极以及发射极分别为所述第一开关模块的受控端、输入端以及输出端；或者
所述场效应管的栅极、漏极以及源极分别为所述第一开关模块的受控端、输入端以及输出端。
4.如权利要求1所述的功率开关驱动电路，其特征在于，所述第二开关模块为三极管或者场效应管；
所述三极管的基极、集电极以及发射极分别为所述第二开关模块的受控端、输入端以及输出端；或者
所述场效应管的栅极、漏极以及源极分别为所述第二开关模块的受控端、输入端以及输出端。
5.如权利要求1所述的功率开关驱动电路，其特征在于，所述第三开关模块为三极管或者场效应管；
所述三极管的基极、集电极以及发射极分别为所述第三开关模块的受控端、输入端以及输出端；或者
所述场效应管的栅极、漏极以及源极分别为所述第三开关模块的受控端、输入端以及输出端。
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