CN110289841A - 一种阶梯驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阶梯驱动电路,包括:p型上拉驱动管、n型下拉驱动管、驱动电阻、门极电压检测电路及p型加速驱动管。满足功率管开关速度的要求,改善开关电源的EMI特性,当栅极电压超过米勒平台电压时,通过开关把驱动电阻旁路掉,进入快速驱动阶段,本发明分两阶驱动的阶梯驱动电路在米勒平台附近通过驱动电阻提供合理的驱动电流使得功率管的开通速度适中,减小驱动延时和减小导通损耗;功率管的快速开通并不会产生辐射干扰源;有效避免由于门极电压检测电路的延时导致无法及时关断p型加速驱动管而导致共通现象,从而避免引起驱动损耗。
Description
技术领域
本发明属于功率MOS管驱动电路,尤其涉及一种低阈值MOS管的阶梯驱动电路。
背景技术
如图1所示,是现有技术MOS驱动电路的基本架构,p型沟道MOS管PG1是驱动电路输出级的上拉驱动MOS管,在开通功率MOS管NMO时提供足够的电流使得功率管的门极电压上升。n型沟道MOS管NMG是驱动电路输出级的下拉驱动MOS管,在关断功率MOS管NMO时从功率管的门极抽取足够大的电流使得门极电压降至阈值电压以下。MOS管PG1和MOS管NMG的门极控制信号分别是信号TPSW和信号TNSW,为了提高驱动效率,避免MOS管PG1和MOS管NMG两个管同时导通,在开通功率管时先使信号TNSW变为低电压关闭MOS管NMG,再使信号TPSW变为低电压以开通MOS管PG1,在关闭功率管时先使信号TPSW变为高电压关闭MOS管PG1,再使信号TNSW变为高电压以开通MOS管NMG。在开关电源中,功率管的开关速度不能太快,否则会产生较大的dv/dt和di/dt,且产生较大的电磁干扰,影响开关电源附近设备的正常工作。图1中在MOS管PG1到驱动输出端口GATE之间串联了驱动电阻RG来限制功率管的开通速度,在信号TNSW和信号TPSW的作用下,开通功率管时门极电压波形如图2所示。
在t1时刻,信号TNSW首先变为低电压,MOS管NMG关闭;
在t2时刻,信号TPSW变为低电压,MOS管PG1开通;
在t2~t3时段,已经开通的MOS管PG1通过驱动电阻RG为功率MOS管门极充电,使其电压逐渐上升;
在t3~t4时段,功率管的漏极电压开始下降,由于功率管栅极到漏极的电容Cgd的作用产生放电电流,此电流刚好等于通过驱动电阻RG的电流,约为(VDD-Vmiller)/RG,所以此时功率管栅极电压大小维持在平台电压Vmiller,这种效应称为米勒效应,相应的平台电压称为米勒平台。米勒平台的时间宽度就是功率管漏极电压变化的时间大小,米勒平台越小,功率管的开关速度越快,反之,米勒平台越大,功率管的开关速度越慢;
在t4时刻,功率管的漏极电压下降到接近最小电压,从此时开始电容Cgd不再通过电流,从而驱动电阻RG给栅极提供的启动电流没有被电容Cgd电流抵消掉,栅极电压再次上升以使得功率管更充分地导通;
在t5时刻,栅极电压达到最大电压,也就是驱动电路能够提供的最大电压VDD;
在t6时刻,信号TPSW先变为高电平,关闭MOS管PG1;
在t7时刻,信号TNSW变为高电平,MOS管NMG从栅极抽取电流,开始关断过程。
随着半导体工艺的发展,BCD工艺越来越成熟,工艺能够提供各种耐压的LDMOS器件,可以把功率管和控制器电路设计在同一个芯片上,这种器件的阈值电压一般较小,通常处于0.7V~1.5V之间,因为这有利于把控制器芯片的供电电压设计得比较低,功耗小。正因为功率管阈值电压低具有这样的优势,耐压值在200V以内的VDMOS单管器件也逐渐往低阈值电压的方向发展,但是在低阈值功率MOS管的驱动电路上会遇到新的问题,例如在驱动电阻的选择上很难对开关速度和开通延迟时间之间进行折中。从上面的分析可知,在米勒平台时间段t3~t4,通过驱动电阻RG的电流大小约为:
对于低阈值的功率管,米勒平台电压Vmiller较小,那么为了减小开关速度,也就是增加米勒平台的时间宽度,相对于高阈值功率管的驱动来说,低阈值功率管需要选择较大的驱动电阻。但是,这也同时导致功率管MOS管门极电压上升到最大驱动电压需要更多的时间,如图2中的t4~t5时间段较长,在开关电源占空比较小时t4~t5之间时功率管就会关断了,也就是在功率管还未完全导通时,功率管又被要求关断了,出现如图3所示的驱动波形,这样会导致较大的损耗。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种阶梯驱动电路,以解决现有驱动电路的驱动电阻难以同时满足对功率管开关速度的要求以及对驱动延时小的要求,即无法使功率管被充分驱动的技术问题。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解,下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述,也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念,以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案:
在一些可选的实施例中,提供一种阶梯驱动电路,包括:p型上拉驱动管、n型下拉驱动管、驱动电阻、门极电压检测电路及p型加速驱动管;
所述p型上拉驱动管的源极与所述门极电压检测电路的电源正端口连接;
所述p型上拉驱动管的漏极与所述p型加速驱动管的源极、所述驱动电阻的第一端口连接;
所述驱动电阻的第二端口与所述p型加速驱动管的漏极、所述n型下拉驱动管的漏极、所述门极电压检测电路的检测信号输入端口连接;
所述门极电压检测电路的输出控制器端口与所述p型加速驱动管的栅极连接;
所述p型上拉驱动管和所述n型下拉驱动管的栅极分别接制器信号。
在一些可选的实施例中,所述的一种阶梯驱动电路,还包括:电源输入正端口、输出端口及输入电源负端口;所述p型上拉驱动管的源极及所述门极电压检测电路的电源正端口均连接至所述电源输入正端口;所述驱动电阻的第二端口连接至所述输出端口;所述门极电压检测电路的电源负端口及所述n型下拉驱动管的源极均接至所述输入电源负端口。
在一些可选的实施例中,所述门极电压检测电路包括:偏置MOS管、检测MOS管及偏置电阻;所述偏置MOS管的源极作为所述门极电压检测电路的电源负端口;所述偏置MOS管的栅极及漏极与所述检测MOS管的源极连接;所述检测MOS管的栅极作为所述门极电压检测电路的检测信号输入端口;所述检测MOS管的漏极和所述偏置电阻的第二端口连接,且作为所述门极电压检测电路的输出控制器端口;所述偏置电阻的第一端口作为所述门极电压检测电路的电源正端口。
在一些可选的实施例中,所述门极电压检测电路为施密特触发器。
本发明所带来的有益效果:利用检测功率管栅极驱动电压的方式,当栅极电压在米勒平台电压之下时,通过驱动电阻为功率管提供驱动电流,从而可以满足功率管开关速度的要求,改善开关电源的EMI特性,当栅极电压超过米勒平台电压时,通过开关把驱动电阻旁路掉,进入快速驱动阶段,本发明分两阶驱动的阶梯驱动电路在米勒平台附近通过驱动电阻提供合理的驱动电流使得功率管的开通速度适中,具有较优的EMI特性,超过米勒平台后驱动电压快速上升,使得功率管快速导通,减小驱动延时和减小导通损耗;由于超过米勒平台后功率管的漏极电压已经下降到低压,功率管的快速开通并不会产生辐射干扰源;同时,p型加速驱动管的驱动电流来自p型上拉驱动管,是由p型上拉驱动管控制的,这样可以有效避免由于门极电压检测电路的延时导致无法及时关断p型加速驱动管而导致共通现象,从而避免引起驱动损耗。
附图说明
图1为现有技术中功率MOS管基本驱动电路原理图;
图2为现有技术中功率MOS管驱动电路在时序作用下的驱动电压波形;
图3为现有驱动电路在低阈值MOS管的应用中出现异常的驱动波形;
图4为本发明阶梯驱动电路的电路原理图;
图5为本发明包含门极电压检测电路具体实施电路图的阶梯驱动电路;
图6为本发明采用施密特触发器作为门极电压检测电路的实施电路图;
图7为本发明阶梯驱动电路的驱动波形。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案,以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求,否则单独的部件和功能是可选的,并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图4至7所示,在一些说明性的实施例中,提供一种阶梯驱动电路,包括:p型上拉驱动管PG1、n型下拉驱动管NMG、驱动电阻RG、门极电压检测电路及p型加速驱动管PG2。
门极电压检测电路包含4个端口:输出控制器端口101、电源正端口102、电源负端口103、检测信号输入端口104。
本发明的阶梯驱动电路,还包括:电源输入正端口VDD、输出端口GATE及输入电源负端口GND。
p型上拉驱动管PG1和n型下拉驱动管NMG的栅极分别接制器信号TPSW和信号TNSW;p型上拉驱动管PG1的源极与门极电压检测电路的电源正端口102连接,且p型上拉驱动管PG1的源极与门极电压检测电路的电源正端口102均连接至电源输入正端口VDD;p型上拉驱动管PG1的漏极与p型加速驱动管PG2的源极、驱动电阻RG的第一端口连接;驱动电阻RG的第二端口与p型加速驱动管PG2的漏极、n型下拉驱动管NMG的漏极、门极电压检测电路的检测信号输入端口104连接,且驱动电阻RG的第二端口、p型加速驱动管PG2的漏极、n型下拉驱动管NMG的漏极、门极电压检测电路的检测信号输入端口104,均连接至输出端口GATE;门极检测电路的电源负端口103和n型下拉驱动管NMG的源极都接输入电源负端口GND;门极检测电路的输出控制器端口101和p型加速驱动管PG2的栅极连接。
本发明阶梯驱动电路的工作原理:
阶梯驱动电路上拉驱动过程:n型下拉功率管NMG的控制信号TNSW先变为低电平电压使其处于截止状态,p型上拉驱动管PG1紧随着也变为低电平电压使其导通,驱动电阻RG的第一端口变为高电平电压,为阶梯驱动电路的输出端口GATE提供驱动电流,输出端口GATE的电压开始上升,这时门极电压检测电路检测阶梯驱动电压的大小。当阶梯驱动电路的输出端口电压小于设定值时,门极电压检测电路的输出控制器端口101为高电平电压,使p型加速驱动管PG2处于截止状态;当阶梯驱动电路的输出端口GATE电压大于设定值时,门极电压检测电路的输出控制器端口101输出低电平电压,使p型加速驱动管PG2处于导通状态,那么驱动电阻RG被p型加速驱动管PG2旁路,驱动电流直接通过p型加速驱动管PG2而不是驱动电阻RG,为阶梯驱动电路的输出端口GATE提供更大的驱动电流,端口驱动电压迅速上升的最大值。
阶梯驱动电路下拉驱动过程:p型上拉功率管PG1的控制信号TPSW先变为高电平电压使其处于截止状态,n型下拉驱动管NMG紧随着也变为高电平电压使其导通。由于p型加速驱动管PG2的驱动电流来自p型上拉功率管PG1提供的电流,那么在p型上拉驱动管PG1关断后不管p型加速驱动管PG2是处于开通状态还是处于截止状态,都不能再提供驱动电流,从而n型下拉驱动管NMG开通后不会引起电流共通现象,阶梯驱动电路的输出电压逐渐下降,电压再次降到设定值时,门极电压检测电路的输出电压恢复到高电平电压,p型加速驱动管PG2恢复到截止状态。
本发明的阶梯驱动电路具有检测功率管栅极驱动电压的功能,当栅极电压在米勒平台电压之下时,功率管通过驱动电阻为功率管提供驱动电流,从而可以满足功率管开关速度的要求,改善开关电源的EMI特性;当栅极电压超过米勒平台电压时,通过开关把驱动电阻旁路掉,进入快速驱动阶段。这样分两阶驱动,可解决现有驱动电路在低阈值功率MOS管驱动中遇到的问题。
门极电压检测电路包括:偏置MOS管NM2、检测MOS管NM3及偏置电阻Rd。
偏置MOS管NM2的源极作为门极电压检测电路的电源负端口103;偏置MOS管NM2的栅极及漏极与检测MOS管NM3的源极连接;检测MOS管NM3的栅极作为门极电压检测电路的检测信号输入端口104;检测MOS管NM3的漏极和偏置电阻Rd的第二端口连接,且作为门极电压检测电路的输出控制器端口101;偏置电阻Rd的第一端口作为门极电压检测电路的电源正端口102。该门极电压检测电路的工作原理是:当检测信号输入端口104的输入电压大于检测MOS管NM3和偏置MOS管NM2的栅源电压之和时,检测MOS管NM3的漏极电压,也就是输出控制器端口101的电压开始下降,随着输入检测电压的增加,最终输出控制器端口101输出低电压;相反地,当输入检测电压从高电平电压往低电平电压减小,直到其电压小于检测MOS管NM3和偏置MOS管NM2的栅源电压之和时,输出控制器端口101的电压开始上升,最终达到最大电源电压VDD。也可以简单地采用施密特作为检测电路,如图6所示。
如图7所示,是本发明的驱动波形,在驱动电压大于米勒平台后的上升阶段t4~t5,在t45时刻加速驱动管动态,驱动管进行快速导通期,避免出现图3中那样的现象,在驱动电压未达到最大值就开始下降而关断。
本领域技术人员还应当理解,结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性,上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件,取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用,以变通的方式实现所描述的功能,但是,这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (4)
1.一种阶梯驱动电路,其特征在于,包括:p型上拉驱动管、n型下拉驱动管、驱动电阻、门极电压检测电路及p型加速驱动管;
所述p型上拉驱动管的源极与所述门极电压检测电路的电源正端口连接;
所述p型上拉驱动管的漏极与所述p型加速驱动管的源极、所述驱动电阻的第一端口连接;
所述驱动电阻的第二端口与所述p型加速驱动管的漏极、所述n型下拉驱动管的漏极、所述门极电压检测电路的检测信号输入端口连接;
所述门极电压检测电路的输出控制器端口与所述p型加速驱动管的栅极连接;
所述p型上拉驱动管和所述n型下拉驱动管的栅极分别接制器信号。
2.根据权利要求1所述的一种阶梯驱动电路,其特征在于,还包括:电源输入正端口、输出端口及输入电源负端口;
所述p型上拉驱动管的源极及所述门极电压检测电路的电源正端口均连接至所述电源输入正端口;
所述驱动电阻的第二端口连接至所述输出端口;
所述门极电压检测电路的电源负端口及所述n型下拉驱动管的源极均接至所述输入电源负端口。
3.根据权利要求2所述的一种阶梯驱动电路,其特征在于,所述门极电压检测电路包括:偏置MOS管、检测MOS管及偏置电阻;
所述偏置MOS管的源极作为所述门极电压检测电路的电源负端口;
所述偏置MOS管的栅极及漏极与所述检测MOS管的源极连接;
所述检测MOS管的栅极作为所述门极电压检测电路的检测信号输入端口;
所述检测MOS管的漏极和所述偏置电阻的第二端口连接,且作为所述门极电压检测电路的输出控制器端口;
所述偏置电阻的第一端口作为所述门极电压检测电路的电源正端口。
4.根据权利要求3所述的一种阶梯驱动电路,其特征在于,所述门极电压检测电路为施密特触发器。
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