CN110957898B - 用于dc/dc的有效控制emi的驱动电路和方法 - Google Patents

用于dc/dc的有效控制emi的驱动电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种用于DC/DC的有效控制EMI的驱动电路和方法，该有效控制EMI的驱动电路，用以在MOS管的栅源极之间产生驱动信号，MOS管栅源极之间驱动信号DRV，MOS管源极端接浮动节点SW，包括：上升沿驱动电路，在所述MOS管开启阶段，依次包括可以控制所述MOS管电流摆率的第一驱动阶段和可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第二驱动阶段；下降沿驱动电路，在所述MOS管关断阶段，依次包括可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第三驱动阶段和可以控制所述MOS管电流摆率的第四驱动阶段。本实施例中的功率开关NM0在开启和关断期间，电流摆率di/dt和电压摆率dv/dt均可控制，可以实现开关电源在高效率和低EMI之间的折中。

Description

用于DC/DC的有效控制EMI的驱动电路和方法
技术领域
本发明涉及一种开关电源驱动电路，具体涉及一种用于同步或异步的DC/DC的有效控制EMI的驱动电路和方法。
背景技术
传统技术中，开关电源驱动电路一般为直接驱动方式或者2段式驱动方式，但是这2种驱动方式都会产生大量的电磁干扰(EMI)。
直接驱动方式完全没有考虑肖特基的反向恢复电流以及SW电压的摆率。导致开关电源开启或者关闭瞬间，都会产生很大的电流摆率和电压摆率,产生强烈的EMI。
2段式驱动方式可以控制SW电压的上升下降摆率，但无法控制开关瞬间的电流摆率。EMI特性比直接驱动方式好一些，但EMI辐射还是比较强烈。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种用于DC/DC的有效控制EMI的驱动电路和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于DC/DC的有效控制EMI的驱动电路和方法，以解决现有技术中会产生大量的电磁干扰(EMI)的问题。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种有效控制EMI的驱动电路，用以在MOS管的栅源极之间产生驱动信号，MOS管栅源极之间驱动信号DRV，MOS管源极端接浮动节点SW，包括：
上升沿驱动电路，在所述MOS管开启阶段，依次包括可以控制所述MOS管电流摆率的第一驱动阶段和可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第二驱动阶段；
下降沿驱动电路，在所述MOS管关断阶段，依次包括可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第三驱动阶段和可以控制所述MOS管电流摆率的第四驱动阶段。
一实施例中，所述第一驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且小于0V，所述第二驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且大于0V；和/或
所述第三驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且大于0V，所述第四驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且小于0V。
一实施例中，所述MOS管开启阶段依次包括第一开启阶段、第二开启阶段、第三开启阶段和第四开启阶段，所述第一开启阶段用以将驱动信号上拉至MOS管的阈值附近，所述第四开启阶段用以将驱动信号上拉至电源端输入电压。
第二开启阶段的驱动信号DRV用于控制第一驱动阶段流过MOS管的电流摆率，第三开启阶段的驱动信号DRV用于控制第二驱动阶段浮动节点SW的上升摆率；和/或
所述MOS管关断阶段依次包括第一关断阶段、第二关断阶段、第三关断阶段和第四关断阶段，所述第一关断阶段用以将MOS管的栅源极之间电压下拉至MOS管的阈值附近，第二关断阶段用于控制浮动节点SW的的电压摆率；第三关断阶段用于控制流过MOS管的电流摆率。第四关断阶段用于将驱动信号DRV下拉至MOS管截止。
一实施例中，所述上升沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第一开关管，第一开关管响应于脉冲信号的上升沿，不同的开启阶段分别对应开启一所述第一开关管；和/或
所述下降沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第二开关管，第二开关管响应于脉冲信号的下降沿，不同的关断阶段分别对应开启一所述第二开关管。
一实施例中，所述第一开关管为PMOS管，所述PMOS管的源极关联至电源输入端，漏极关联至MOS管的栅极；和/或
所述第二开关管为NMOS管，所述NMOS管的源极关联至与电源输入端位于同一电源域的地端，漏极关联至MOS管的栅极。
还公开了一种用于DC/DC的有效控制EMI的驱动电路，包括：
DC/DC Buck型降压开关电源电路；
所述的驱动电路，驱动所述开关电源电路。
还公开了一种有效控制开关管EMI的驱动方法，用以在MOS管的栅源极之间产生驱动信号，MOS管栅源极之间驱动信号DRV，MOS管源极端接浮动节点SW，包括：
上升沿驱动电路，在所述MOS管开启阶段，依次包括可以控制所述MOS管电流摆率的第一驱动阶段和可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第二驱动阶段；
下降沿驱动电路，在所述MOS管关断阶段，依次包括可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第三驱动阶段和可以控制所述MOS管电流摆率的第四驱动阶段。
一实施例中，所述第一驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且小于0V，所述第二驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且大于0V；和/或
所述第三驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且大于0V，所述第四驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且小于0V。
一实施例中，所述MOS管开启阶段依次包括第一开启阶段、第二开启阶段、第三开启阶段和第四开启阶段，所述第一开启阶段用以将驱动信号上拉至MOS管的阈值附近，所述第四开启阶段用以将驱动信号上拉至电源端输入电压，
第二开启阶段的驱动信号DRV用于控制第一驱动阶段流过MOS管的电流摆率，第三开启阶段的驱动信号DRV用于控制第二驱动阶段浮动节点SW的上升摆率；和/或
所述MOS管关断阶段依次包括第一关断阶段、第二关断阶段、第三关断阶段和第四关断阶段，所述第一关断阶段用以将MOS管的栅源极之间电压下拉至MOS管的阈值附近，第二关断阶段用于控制浮动节点SW的的电压摆率；第三关断阶段用于控制流过MOS管的电流摆率。第四关断阶段用于将驱动信号DRV下拉至MOS管截止。
一实施例中，所述上升沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第一开关管，第一开关管响应于脉冲信号的上升沿，不同的开启阶段分别对应开启一所述第一开关管；和/或
所述下降沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第二开关管，第二开关管响应于脉冲信号的下降沿，不同的关断阶段分别对应开启一所述第二开关管。
与现有技术相比，本发明可以使功率开关管在开启和关闭阶段的电流摆率和电压摆率均可控制，可以有效降低EMI。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式中驱动电路的拓扑图；
图2是本申请驱动电路对应的时序图。
图2中曲线说明：
(1)、IL为电感电流。假设一个开关周期内电感电流保持不变。
(2)、I_M0为功率NMOS管的电流。实心三角表示肖特基二极管引起的反向恢复电流。该反向恢复电流越小，说明电流摆率越小，电流的EMI特性越好。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一NMOS管可以被称为第二NMOS管，并且类似地第二NMOS管也可以被称为第一NMOS管，这并不背离本申请的保护范围。
并且，在不同的实施方式中可能使用相同的标号或标记，但这并不代表结构或者功能上的联系，而仅仅是为了描述的方便。
本发明驱动电路可以使功率开关管在开启和关闭阶段的电流摆率和电压摆率均可控制，可以有效降低EMI。
本发明驱动电路可用于各种开关电源，现以BUCK型DC/DC进行说明。
图1示例提供了一种驱动电路10，该驱动电路10输出信号用以驱动DC/DC BUCK型降压开关电源电路20。
DC/DC BUCK型降压开关电源电路20，包括开关管NM0、电感器L1、续流二极管D1、电容Cout和负载电阻Rload。
当开关管NM0栅极G为高电平的时候,开关管NM0导通,电流方向是VIN依次经过NM0、电感器L1给电容Cout充电，同时给负载电阻Rload供电，由于电感器L1的特性,电感器L1会产生一个自感电动势:左正右负，来阻碍电流通过，同时电感器会储存磁能。
当开关管NM0栅极G为低电平的时候，开关管NM0截止，那么流过电感器L1的电流就会减小，由于电感器L1的特性，电感会产生自感电动势阻碍电流减小，电动势方向就是:右正左负。那么这个电动势经过电容Cout滤波，经过负载RL和续流二极管D1构成回路，当电感上的电动势减小或者消失后,电路是通过电容Cout给后级负载供电的。
驱动电路10用以在功率开关管NM0的栅源极之间产生驱动信号DRV。驱动电路10包括上升沿驱动电路11和下降沿驱动电路12。
结合图2所示，上升沿驱动电路11，在所述MOS管开启阶段，依次包括可以控制所述MOS管电流摆率的第一驱动阶段和可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第二驱动阶段。
上升沿驱动电路11包括关联在电源输入端BOOT和功率开关管NM0栅极之间的4个P型MOS管，分别为PM1、PM2、PM3和PM4，P型MOS管的源极关联至电源输入端BOOT，漏极共接后关联至功率开关管NM0栅极，P型MOS管的栅极控制信号ON1、ON2、ON3和ON4响应于脉冲信号PWM的上升沿。
下降沿驱动电路，在所述MOS管关断阶段，依次包括可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第三驱动阶段和可以控制所述MOS管电流摆率的第四驱动阶段。
下降沿驱动电路12包括关联在接地端SW和功率开关管NM0源极之间的4个N型MOS管，分别为NM1、NM2、NM3和NM4，N型MOS管的源极关联至接地端SW，漏极共接后关联至功率开关管NM0栅极，N型MOS管的栅极控制信号OFF1、OFF2、OFF3和OFF4响应于脉冲信号PWM的下降沿。
本实施例中，BOOT相当于电源输入端，SW相当于GND，用于工作在BOOT-SW之间的器件供电。例如，对于BUCK型DC/DC而言，SW是浮动地，当功率管NM0开启后，SW会被抬高。当功率管NM0关闭后，SW会被拉低。同时，BOOT时跟随SW同步变化的。只是无论SW上升还是降低，BOOT都会比SW高出一个固定电压,这个电压差就是用于驱动电路的电源电压。
本实施例中，上升沿驱动电路11和下降沿驱动电路12分别在功率开关管NM0开启和关断阶段实现四阶段控制，每个阶段分别对应开启一个或多个开关管。
需要说明的是，每个阶段驱动信号DRV摆率的控制，也可以通过开启或关断不同数量开关管或者采用电流镜驱动等方式进行实现。另外，为了优化面积或者调整电流、电压摆率，PM1～PM4,NM1～NM4的开启和关闭可以分别做任何形式的排列组合。
每个阶段各开关管导通情况参表1。
表1不同阶段开关管的状态表：
Figure BDA0002338192540000071
结合图2所示，各阶段的控制方法和原理说明如下。
开启阶段：
1.ON1阶段：PM1导通，把DRV信号快速上拉至NM0的阈值附近。
2.ON2阶段：PM2导通，当DRV信号超过NM0的阈值，-NM0开启，此时流过NM0的电流逐步增大到电感电流大小，通过控制DRV信号的电压值，间接控制功率管NM0的电流摆率，从而减小肖特基二极管引起的反向恢复电流，抑制电流EMI。
ON2阶段中，根据肖特基二极管的反向恢复特性，调整ON2阶段的驱动能力，可有效控制瞬态过冲电流，从而控制功率管电流摆率，控制di/dt引起的EMI。
3.ON3阶段：当SW信号大于0V,则ON3变化至低电平，此时PM2,PM3导通。此时流过NM0电流等于电感电流，NM0的VGS电压保持不变，进入Miller平台区，通过控制DRV信号的电压值，间接控制SW信号的上升摆率，控制dv/dt引起的EMI。
ON3阶段中，PM2、PM3开启后，首先控制的是DRV信号的电压值，当DRV信号的电平越高，功率管NM0的输出电流越大，进而使SW的摆率越大(上升速率越大)。
4.ON4阶段：PM2,PM3,PM4导通，当SW信号足够高，接近BOOT,为减小NM0的导通电阻，提高传输效率，把DRV信号直接上拉至BOOT.
关闭阶段：
1.OFF1阶段：NM1导通，把DRV信号快速下拉至NM0的阈值附近，此时SW电压几乎没有降低。流过NM0的电流也几乎没有减小。
2.OFF2阶段：当DRV信号下降至NM0的阈值附近之后，OFF2变为高电平，NM2导通，此时驱动信号电压值保持不变，进入miller平台区。流过NM0的电流保持等于电感电流，NM0的栅漏之间的寄生电容CGD开始放电。该阶段负责控制控制dv/dt引起的EMI。
3.OFF3阶段：当SW电压下降至0V,NM2,NM3导通。此时DRV信号继续下降，流过NM0的电流逐渐减小至0，电感电流几乎全部流过肖特基二极管D1，该阶段负责控制流过NM0的电流摆率，控制di/dt引起的EMI。
4.OFF4阶段：NM4导通，当SW下降至低于0V,OFF4变为高电平。该阶段负责把DRV信号下拉至等于SW电位。
综上所述，本实施例中的功率开关NM0在开启和关断期间，电流摆率di/dt和电压摆率dv/dt均可控制，可以实现开关电源在高效率和低EMI之间的折中。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种有效控制EMI的驱动电路，用以在MOS管的栅源极之间产生驱动信号，MOS管栅源极之间驱动信号DRV，MOS管源极端接浮动节点SW，其特征在于，包括：
上升沿驱动电路，在所述MOS管开启阶段，依次包括可以控制所述MOS管电流摆率的第一驱动阶段和可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第二驱动阶段；
下降沿驱动电路，在所述MOS管关断阶段，依次包括可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第三驱动阶段和可以控制所述MOS管电流摆率的第四驱动阶段，
所述MOS管开启阶段依次包括第一开启阶段、第二开启阶段、第三开启阶段和第四开启阶段，所述第一开启阶段用以将驱动信号上拉至MOS管的阈值附近，所述第四开启阶段用以将驱动信号上拉至电源端输入电压，
第二开启阶段的驱动信号DRV用于控制第一驱动阶段流过MOS管的电流摆率，第三开启阶段的驱动信号DRV用于控制第二驱动阶段浮动节点SW的上升摆率；和/或
所述MOS管关断阶段依次包括第一关断阶段、第二关断阶段、第三关断阶段和第四关断阶段，所述第一关断阶段用以将MOS管的栅源极之间电压下拉至MOS管的阈值附近，第二关断阶段用于控制浮动节点SW的的电压摆率，第三关断阶段用于控制流过MOS管的电流摆率，第四关断阶段用于将驱动信号DRV下拉至MOS管截止。
2.根据权利要求1所述的有效控制EMI的驱动电路，其特征在于，所述第一驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且小于0V，所述第二驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且大于0V；和/或
所述第三驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且大于0V，所述第四驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且小于0V。
3.根据权利要求1所述的有效控制EMI的驱动电路，其特征在于，所述上升沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第一开关管，第一开关管响应于脉冲信号的上升沿，不同的开启阶段分别对应开启一所述第一开关管；和/或
所述下降沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第二开关管，第二开关管响应于脉冲信号的下降沿，不同的关断阶段分别对应开启一所述第二开关管。
4.根据权利要求3所述的有效控制EMI的驱动电路，其特征在于，所述第一开关管为PMOS管，所述PMOS管的源极关联至电源输入端，漏极关联至MOS管的栅极；和/或
所述第二开关管为NMOS管，所述NMOS管的源极关联至与电源输入端位于同一电源域的地端，漏极关联至MOS管的栅极。
5.一种用于DC/DC的有效控制EMI的驱动电路，其特征在于，包括：
DC/DC Buck型降压开关电源电路；
权利要求1至4任一所述的驱动电路，驱动所述开关电源电路。
6.一种有效控制开关管EMI的驱动方法，用以在MOS管的栅源极之间产生驱动信号，MOS管栅源极之间驱动信号DRV，MOS管源极端接浮动节点SW，其特征在于，包括：
上升沿驱动电路，在所述MOS管开启阶段，依次包括可以控制所述MOS管电流摆率的第一驱动阶段和可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第二驱动阶段；
下降沿驱动电路，在所述MOS管关断阶段，依次包括可以控制所述浮动节点SW电压摆率的第三驱动阶段和可以控制所述MOS管电流摆率的第四驱动阶段，
所述MOS管开启阶段依次包括第一开启阶段、第二开启阶段、第三开启阶段和第四开启阶段，所述第一开启阶段用以将驱动信号上拉至MOS管的阈值附近，所述第四开启阶段用以将驱动信号上拉至电源端输入电压，
第二开启阶段的驱动信号DRV用于控制第一驱动阶段流过MOS管的电流摆率，第三开启阶段的驱动信号DRV用于控制第二驱动阶段浮动节点SW的上升摆率；和/或
所述MOS管关断阶段依次包括第一关断阶段、第二关断阶段、第三关断阶段和第四关断阶段，所述第一关断阶段用以将MOS管的栅源极之间电压下拉至MOS管的阈值附近，第二关断阶段用于控制浮动节点SW的的电压摆率，第三关断阶段用于控制流过MOS管的电流摆率，第四关断阶段用于将驱动信号DRV下拉至MOS管截止。
7.根据权利要求6所述的有效控制开关管EMI的驱动方法，其特征在于，
所述第一驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且小于0V，所述第二驱动阶段中，浮动节点SW电压上拉且大于0V；和/或
所述第三驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且大于0V，所述第四驱动阶段中，浮动节点SW电压下拉且小于0V。
8.根据权利要求6所述的有效控制开关管EMI的驱动方法，其特征在于，
所述上升沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第一开关管，第一开关管响应于脉冲信号的上升沿，不同的开启阶段分别对应开启一所述第一开关管；和/或
所述下降沿驱动电路包括连接于电源输入端和MOS管之间的4个第二开关管，第二开关管响应于脉冲信号的下降沿，不同的关断阶段分别对应开启一所述第二开关管。
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