CN110768659B - 高压驱动电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高压驱动电路，包括电平互换电路、电平升高电路、第一开关管和第二开关管，电平互换电路接入输入信号后进行电平互换，输出的信号传输至电平升高电路和第二开关管的控制端，电平升高电路将接入的电平幅值升高后输出至第一开关管，第一开关管在接收到与接入的电压幅值相等的高电平信号时关断，接收到低电平信号时导通，因此第一开关管导通工作时需要承受的电压小于接入的电压，第二开关管在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断，因此第二开关管导通工作时需要承受的电压小于高电平电压，则第一开关管都第二开关管都不用承受高压，有利于延长工作寿命，且可不采用耐高压器件，从而降低使用成本。

Description

高压驱动电路

技术领域

本申请涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种高压驱动电路。

背景技术

高压驱动电路一般应用于主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大，使其能够驱动功率晶体管，从而满足负载额定功率使得负载可以正常工作。

在传统的高压驱动电路中，输出级一般都是用高压管来实现低压到高压的转化及驱动。以USB2的全速模式(FS)的发送驱动(TX)为例，输入信号VIN是低电压域，通过电平转换电路输出到高电压域后传输至高压管，高压管在高电压域导通，该电平转换电路中需要用到耐高压器件，然后接到带有驱动能力的输出级来实现低压到高压的转换及驱动，但耐高电压的器件的使用会使成本增加，无法满足越来越高的工艺要求。

发明内容

基于此，有必要针对传统的高压驱动电路使用可靠性低的问题，提供一种高压驱动电路。

一种高压驱动电路，其特征在于，包括电平互换电路、电平升高电路、第一开关管和第二开关管；所述电平互换电路的输入端用于接入输入信号，所述电平互换电路的输出端连接所述电平升高电路的输入端，所述电平升高电路的输出端连接所述第一开关管的控制端，所述第一开关管的输入端用于接入电压，所述第一开关管的输出端连接所述第二开关管的输入端，所述第二开关管的输出端接地，所述第二开关管的控制端连接所述电平互换电路的输出端，所述第一开关管的输出端连接电路输出端；

所述电平互换电路用于在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号；所述电平升高电路用于在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出高电平信号；所述地电平信号、所述低电平信号和所述高电平信号的幅值依次增大；

所述第一开关管的输入端接入的电压的幅值与所述高电平信号的幅值相等，所述第一开关管在接收到低电平信号时导通，接收到高电平信号时关断；所述第二开关管在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断。

上述高压驱动电路，电平互换电路接入输入信号后进行电平互换，在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号，输出的信号传输至电平升高电路和第二开关管的控制端，电平升高电路将接入的电平幅值升高后输出至第一开关管，第一开关管在接收到与接入的电压幅值相等的高电平信号时关断，接收到低电平信号时导通，因此第一开关管导通工作时需要承受的电压小于接入的电压，第二开关管在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断，因此第二开关管导通工作时需要承受的电压小于高电平电压，则第一开关管都第二开关管都不用承受高压，有利于延长工作寿命，且可不采用耐高压器件，从而降低使用成本。

附图说明

图1为一个实施例中高压驱动电路的结构框图；

图2为另一个实施例中高压驱动电路的结构框图；

图3为一个实施例中高压驱动电路的结构图；

图4为另一个实施例中高压驱动电路的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在一个实施例中，请参见图1，提供一种高压驱动电路，该电路包括电平互换电路100、电平升高电路200、第一开关管300和第二开关管400，电平互换电路100的输入端用于接入输入信号，电平互换电路100的输出端连接电平升高电路200的输入端，电平升高电路200的输出端连接第一开关管300的控制端，第一开关管300的输入端用于接入电压，第一开关管300的输出端连接第二开关管400的输入端，第二开关管400的输出端接地，第二开关管400的控制端连接电平互换电路100的输出端，第一开关管300的输出端连接电路输出端。电平互换电路100用于在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号；电平升高电路200用于在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出高电平信号，地电平信号、低电平信号和高电平信号的幅值依次增大。第一开关管300的输入端接入的电压的幅值与高电平信号的幅值相等，第一开关管300在接收到低电平信号时导通，接收到高电平信号时关断；第二开关管400在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断。工作时，电平互换电路100接入输入信号后进行电平互换，在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号，输出的信号传输至电平升高电路200和第二开关管400的控制端，电平升高电路200将接入的电平幅值升高后输出至第一开关管300，第一开关管300在接收到与接入的电压幅值相等的高电平信号时关断，接收到低电平信号时导通，因此第一开关管300导通工作时需要承受的电压小于接入的电压，第二开关管400在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断，因此第二开关管400导通工作时需要承受的电压小于高电平电压，则第一开关管300都第二开关管400都不用承受高压，有利于延长工作寿命，且可不采用耐高压器件，从而降低使用成本。

具体地，地电平信号、低电平信号和高电平信号的幅值依次增大，一般地电平信号是指幅值为0V的电平信号，低电平信号的幅值大于0V，高电平信号的幅值与第一开关管300的输入端接入的电压相等，因此地电平信号、低电平信号和高电平信号的幅值均不超过第一开关管300的输入端接入的电压。低电平信号的具体取值并不是唯一的，只要在地电平信号与高电平信号的幅值范围之间即可，低电平信号的数量也不是固定，可以在地电平信号与高电平信号的幅值范围之间选取一个或多个电压值作为低电平信号的具体取值，以满足更多场合的需求。

电平互换电路100接入输入信号后进行电平互换，在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号，以地电平信号的幅值为0V，低电平信号的幅值为1.8V或0.9V，高电平信号的幅值和第一开关管300的输入端接入的电压的幅值均为3.3V为例，当电平互换电路100接入的输入信号VIN为幅值为0V的地电平信号时，电平互换电路100的输出端VOUT1输出幅值为1.8V的低电平信号，当电平互换电路100接入的输入信号VIN为幅值为0.9V的低电平信号时，电平互换电路100的输出端VOUT1输出幅值为0V的地电平信号，从而完成电平互换，将互换后的电平信号传输至电平升高电路200和第二开关管400，控制其工作状态。

电平升高电路200用于在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出高电平信号，同样以地电平信号的幅值为0V，低电平信号的幅值为1.8V或0.9V，高电平信号的幅值和第一开关管300的输入端接入的电压的幅值均为3.3V为例，电平互换电路100的输出端VOUT1连接电平升高电路200的输入端和第二开关管400的控制端，当电平升高电路200接收到幅值为1.8V的低电平信号时，电平升高电路200的输出端VOUT2输出幅值为3.3V的高电平信号，当电平升高电路200接收到幅值为0V的地电平信号时，电平升高电路200的输出端VOUT2输出幅值为1.8V的低电平信号，从而完成电平升高处理，将升高后的电平信号传输至第一开关管300，控制第一开关管300的导通状态。

当电平升高电路200的输出端VOUT2输出幅值为3.3V的高电平信号时，第一开关管300关断，不投入使用，当电平升高电路200的输出端VOUT2输出幅值为1.8V的低电平信号时，第一开关管300导通，第一开关管300的输入端接入幅值为3.3V的电压后由输出端输出，则电路输出端输出的电压大小为3.3V，可实现高压驱动。第二开关管400的控制端连接电平互换电路100的输出端VOUT1，同样以地电平信号的幅值为0V，低电平信号的幅值为1.8V或0.9V，高电平信号的幅值和第一开关管300的输入端接入的电压的幅值均为3.3V为例，当电平互换电路100的输出端VOUT1输出幅值为0V的地电平信号时，第二开关管400关断，不投入使用，当电平互换电路100的输出端VOUT1输出幅值为1.8V的低电平信号时，第二开关管400导通，第二开关管400的输入端与输出端导通并接地，则电路输出端输出的电压大小为0V，该高压驱动电路的输出为0V。在该高压驱动电路中，第一开关管300都第二开关管400都无需承受高压，有利于延长工作寿命，且第一开关管300和第二开关管400可不采用耐高压器件，从而降低使用成本。

在一个实施例中，请参见图2，电平升高电路200包括两个或两个以上的电平升高器件210，各电平升高器件210依次串联，串联后的一端连接电平互换电路100的输出端，串联后的另一端连接第一开关管300的控制端。当电平升高电路200包括两个或两个以上的电平升高器件210时，可以实现对电压的多级升高，使适用的范围更广。可以理解，在其他实施例中，电平升高电路200也可以是采用单个的电平升高器件210进行升压处理。

具体地，以电平升高电路200包括第一电平升高器件和第二电平升高器件为例，第一电平升高器件的输入端连接电平互换电路100的输出端，第一电平升高器件的输出端连接第二电平升高器件的输入端，第二电平升高器件的输出端连接第一开关管300的控制端，此时，低电平信号包括幅值依次增大的第一低电平信号、第二低电平信号和第三低电平信号，当电平互换电路100接收到第一低电平信号时，输出地电平信号传输至第一电平升高器件，第一电平升高器件接收到地电平信号后输出第二低电平信号传输至第二电平升高器件，第二电平升高器件接收到第二低电平信号后输出第三低电平信号传输至第一开关管300的控制端，第一开关管300导通，由于第三低电平信号的幅值小于高电平信号的幅值，工作电压小。当电平互换电路100接收到地电平信号时，输出第二低电平信号传输至第一电平升高器件，第一电平升高器件接收到第二低电平信号后输出第三低电平信号传输至第二电平升高器件，第二电平升高器件接收到第三低电平信号后输出高电平信号传输至第一开关管300的控制端，第一开关管300截止，不投入高压驱动电路中使用，不需要耐受高压，可以选择成本较低的器件。各个电平信号的幅值大小并不是唯一的，可根据实际需求调整，在本实施例中，低电平信号的幅值为0V，第一低电平信号的幅值为0.9V，第二低电平信号的幅值为1.2V，第三低电平信号的幅值为2.4V，高电平信号的幅值为3.3V，可以理解，在其他实施例中，各电平信号的幅值也可以为其他大小，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，请参见图2，高压驱动电路还包括第一隔离装置500，第一隔离装置500的输入端连接第一开关管300的输出端，第一隔离装置500的输出端连接第二开关管400的输入端和电路输出端。第一开关管300的输出端输出的电压经过第一隔离装置500后，第一隔离装置500可以滤除部分杂波，将过滤后的电压信号作为电路输出端输出的电压，可以提高高压驱动电路输出的电压品质，从而提高高压驱动电路的工作性能。

具体地，第一隔离装置500的具体类型并不是唯一的，例如可以为光耦合器，光耦合器的发光器连接第一开关管300的输出端，光耦合器的受光器连接第二开关管400的输入端和电路输出端，光耦合器可以使电压信号从第一开关管300到电路输出端单向传输，使第一开关管300和电路输出端，以及第一开关管300与第二开关管400之间实现电气隔离，电路输出端的电压信号和第二开关管400的电压信号均不能影响第一开关管300的工作，从而提高高压驱动电路的抗干扰能力。可以理解，在其他实施例中，第一隔离装置500也可以为其他类型的器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，第一隔离装置500包括两个或两个以上的第一隔离器件，各第一隔离器件依次串联，串联后的一端连接第一开关管300的输出端，串联后的另一端连接第二开关管400的输入端和电路输出端。当第一隔离器件的数量为两个或两个以上时，可以实现对第一开关管300的多级隔离，隔离作用更好，且通过调整数量可使适用的范围更广。此外，第一隔离装置500也可以是只采用单个的隔离器件，同样也能实现隔离的功能。

具体地，第一隔离器件的数量可以与电平升高器件210的数量相等，当高压驱动电路通过多个电平升高器件210实现对电压的多级逐步升高时，可使每个电平升高器件210对应一个第一隔离器件的作用，通过对各个第一隔离器件的偏置电压的调整，可以对第一开关管300的输出电压进行不同条件的限制后才允许输出到电路输出端，从而提高高压驱动电路的安全性。

在一个实施例中，第一隔离器件为隔离开关管。各个隔离开关管串联后，根据隔离开关管导通后的电流流向，流进电流的一端作为第一隔离装置500的输入端连接第一开关管300的输出端，流出电流的一端作为第一隔离装置500的输出端连接第二开关管400的输入端和电路输出端，隔离开关管的控制端用于接入偏置电压，通过设置合理的偏置电压可以使各隔离开关管做第一开关管300的隔离，从而提高高压驱动电路的工作性能。

在一个实施例中，请参见图2，高压驱动电路还包括第二隔离装置600，第二隔离装置600的输出端连接第二开关管400的输入端，第二隔离装置600的输入端连接第一开关管300的输出端和电路输出端。第二开关管400的电压经过第二隔离装置600后，第二隔离装置600可以滤除部分杂波，将过滤后的电压信号作为电路输出端输出的电压，可以提高高压驱动电路输出的电压品质，从而提高高压驱动电路的工作性能。

具体地，第二隔离装置600的具体类型并不是唯一的，例如可以为光耦合器，光耦合器的受光器连接第二开关管400的输入端，光耦合器的发光器连接第一开关管300的输出端和电路输出端，光耦合器可以使电压信号从第二开关管400到电路输出端单向传输，使第二开关管400和电路输出端，以及第二开关管400与第一开关管300之间实现电气隔离，电路输出端的电压信号和第一开关管300的电压信号均不能影响第二开关管400的工作，从而提高高压驱动电路的抗干扰能力。可以理解，在其他实施例中，第二隔离装置600也可以为其他类型的器件，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，第二隔离装置600包括两个或两个以上的第二隔离器件，各第二隔离器件依次串联，串联后的一端连接第二开关管400的输入端，串联后的另一端连接第一开关管300的输出端和电路输出端。当第二隔离器件的数量为两个或两个以上时，可以实现对第二开关管400的多级隔离，隔离作用更好，且通过调整数量可使适用的范围更广。具体地，第二隔离器件的数量可以与电平升高器件210的数量相等，当高压驱动电路通过多个电平升高器件210实现对电压的多级逐步升高时，可使每个电平升高器件210对应一个第二隔离器件的作用，通过对各个第二隔离器件的偏置电压的调整，可以对第二开关管400的电压进行不同条件的限制后才允许输出到电路输出端，从而提高高压驱动电路的安全性。进一步地，第二隔离器件的数量可以等于第一隔离器件的数量，从而使第一个隔离器件和第二隔离器件以电路输出端为中心对称分布，第一开关管300和第二开关管400需要经过相同数量的隔离器件的作用后将输出电压至电路输出端，可以提高电路输出端输出信号的稳定性，从而提高高压驱动电路的工作性能。

在一个实施例中，第二隔离器件为隔离开关管。各个隔离开关管串联后，根据隔离开关管导通后的电流流向，流进电流的一端作为第二隔离装置600的输出端连接第二开关管300的输出端，流出电流的一端作为第二隔离装置600的输入端连接第一开关管400的输入端和电路输出端，隔离开关管的控制端用于接入偏置电压，通过设置合理的偏置电压可以使隔离开关管做第二开关管400的隔离，从而提高高压驱动电路的工作性能。

在一个实施例中，隔离开关管为MOS管。具体地，第一隔离器件为第一隔离开关管，第二隔离器件为第二隔离开关管，隔离开关管可以为P沟道MOS管或N沟道MOS管，在本实施例中，以第一隔离开关管为P沟道MOS管，第二隔离开关管为N沟道MOS管为例，第一隔离开关管的栅极用于接入偏置电压，第一隔离开关管的源极连接第一开关管300的输出端，第一隔离开关管的漏极连接第二开关管400的输入端和电路输出端，第二隔离开关管的栅极用于接入偏置电压，第二隔离开关管的漏极连接第一开关管300的输出端和电路输出端，第二隔离开关管的源极连接第二开关管400的输入端。通过调整MOS管栅极接入的偏置电压可以实现对第一开关管300和第二开关管400的隔离，且MOS管热稳定性好，可以有效保障高压驱动电路的安全。

在一个实施例中，第一开关管300和第二开关管400均为MOS管。具体地，第一开关管300为第一开关MOS管，第二开关管400为第二开关MOS管，开关管可以为P沟道MOS管或N沟道MOS管，在本实施例中，以第一开关管300为P沟道MOS管，第二开关管400为N沟道MOS管为例，第一开关管300的栅极连接电平升高电路200的输出端，第一开关管300的源极用于接入电压，第一开关管300的漏极连接电路输出端，第二开关管400的栅极连接电平互换电路100的输出端，第二开关管400的源极接地，第二开关管400的漏极连接电路输出端和第一开关管300的漏极。由于MOS管具有开关速度快、高频率性能好和热稳定等优点，由MOS管作为第一开关管300和第二开关管400可以有效提高高压驱动电路的工作效率与和稳定性。

为了更好地理解上述实施例，以下结合一个具体的实施例进行详细的解释说明。在一个实施例中，电平互换电路100为电平转换电路1，电平升高电路200为电平转换电路2，第一开关管300为MP1，第二开关管400为MN1，请参见图3，高压驱动电路的输入信号VIN是低电压域为0.9V(VCC)，AVDD18是1.8V电压域，AVDD33是3.3V电压域，输入信号VIN通过电平转换电路1输出1.8V/0V的VOUT1信号，然后直接控制MN1管，同时VBN通过设置合理的偏置电压点做输出级N管的隔离，同时VOUT1通过电平转换电路2输出1.8V/3.3V的VOUT2信号，同时VBP通过设置合理的偏置电压点做输出级P管的隔离。

具体地，输入信号为VIN为0时，VOUT1输出1.8V电平，MN1管导通，VOUT2输出3.3V，MP1截止，此时VOUT1输出低电平0；当输入信号VIN为0.9V时，VOUT1输出0V，此时MN1管截止，VOUT2为1.8V，MP1管导通，此时VOUT输出高电平3.3V。这种驱动方式只用到1.8VMOS管没有用到耐高压3.3V的MOS管，能实现3.3V的电压的转换及驱动。以此类推，该驱动方式能应用到更先进的工艺中。当工艺只支持1.2V MOS管时，高压驱动电路结构图如图4所示，电平升高电路200包括电平转换电路2和电平转换电路3，此驱动电路中也不需要耐高压器件，输入信号为VIN为0时，VOUT1输出1.2V电平，此时MN1管导通，通过设置合理的偏置点VBN1、VBN2，VOUT做隔离输出0V，P MOS管输出控制端通过两个电平转换电路VOUT3输出电平3.3V，MP1截止，当输入信号VIN为0.9V时，VOUT1输出0V，此时MN1管截止，VOUT1经过两个电平转换电路输出到VOUT3输出电平2.4V，此时MP1导通，通过设置合理的偏置点VBP1、VBP2做隔离，VOUT输出3.3V。该高压驱动电路不需要用到耐高压器件，成本较低，并且能够适应越来越先进的工艺要求，具有很强的实际应用价值。

上述高压驱动电路，电平互换电路100接入输入信号后进行电平互换，在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号，输出的信号传输至电平升高电路200和第二开关管400的控制端，电平升高电路200将接入的电平幅值升高后输出至第一开关管300，第一开关管300在接收到与接入的电压幅值相等的高电平信号时关断，接收到低电平信号时导通，因此第一开关管300导通工作时需要承受的电压小于接入的电压，第二开关管400在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断，因此第二开关管400导通工作时需要承受的电压小于高电平电压，则第一开关管300都第二开关管400都不用承受高压，有利于延长工作寿命，且可不采用耐高压器件，从而降低使用成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高压驱动电路，其特征在于，包括电平互换电路、电平升高电路、第一开关管和第二开关管；所述电平互换电路的输入端用于接入输入信号，所述电平互换电路的输出端连接所述电平升高电路的输入端，所述电平升高电路的输出端连接所述第一开关管的控制端，所述第一开关管的输入端用于接入电压，所述第一开关管的输出端连接所述第二开关管的输入端，所述第二开关管的输出端接地，所述第二开关管的控制端连接所述电平互换电路的输出端，所述第一开关管的输出端连接电路输出端；

所述电平互换电路用于接入输入信号后进行电平互换，在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出地电平信号，输出的信号传输至所述电平升高电路和所述第二开关管的控制端；所述电平升高电路用于在接收到地电平信号时输出低电平信号，在接收到低电平信号时输出高电平信号；所述地电平信号、所述低电平信号和所述高电平信号的幅值依次增大；

所述第一开关管的输入端接入的电压的幅值与所述高电平信号的幅值相等，所述第一开关管在接收到低电平信号时导通，接收到高电平信号时关断；所述第二开关管在接收到低电平信号时导通，接收到地电平信号时关断。

2.根据权利要求1所述的高压驱动电路，其特征在于，所述电平升高电路包括两个或两个以上的电平升高器件，各所述电平升高器件依次串联，串联后的一端连接所述电平互换电路的输出端，串联后的另一端连接所述第一开关管的控制端。

3.根据权利要求1所述的高压驱动电路，其特征在于，还包括第一隔离装置，所述第一隔离装置的输入端连接所述第一开关管的输出端，所述第一隔离装置的输出端连接所述第二开关管的输入端和所述电路输出端。

4.根据权利要求3所述的高压驱动电路，其特征在于，所述第一隔离装置包括两个或两个以上的第一隔离器件，各所述第一隔离器件依次串联，串联后的一端连接所述第一开关管的输出端，串联后的另一端连接所述第二开关管的输入端和所述电路输出端。

5.根据权利要求4所述的高压驱动电路，其特征在于，所述第一隔离器件为隔离开关管。

6.根据权利要求3所述的高压驱动电路，其特征在于，还包括第二隔离装置，所述第二隔离装置的输出端连接所述第二开关管的输入端，所述第二隔离装置的输入端通过所述第一隔离装置连接所述第一开关管的输出端，所述第二隔离装置的输入端还连接所述电路输出端。

7.根据权利要求6所述的高压驱动电路，其特征在于，所述第二隔离装置包括两个或两个以上的第二隔离器件，各所述第二隔离器件依次串联，串联后的一端连接所述第二开关管的输入端，串联后的另一端连接所述第一开关管的输出端和所述电路输出端。

8.根据权利要求7所述的高压驱动电路，其特征在于，所述第二隔离器件为隔离开关管。

9.根据权利要求5或8所述的高压驱动电路，其特征在于，所述隔离开关管为MOS管。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的高压驱动电路，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管均为MOS管。