CN111162665B - 一种全集成高侧驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种全集成高侧驱动电路，电平位移器将低电源电压电源轨下的栅极控制信号抬升至高电源电压电源轨，随后经过三个带放大功能的反相器得到与栅极控制信号反相的第一控制信号，第一控制信号经过一个带放大功能的第四反相器得到与栅极控制信号同相的第二控制信号，第二控制信号经第二电容抬升电压得第三控制信号，第三控制信号经第一耐压PMOS管得到高侧功率管的栅极驱动信号；第一PMOS管作使能管由第一控制信号控制，第一NMOS管和第二NMOS管交叉耦合控制，为第一电容和第二电容提供高速快捷的充电通路；第一控制信号控制相应的放电支路在需要的时候对栅极驱动信号放电；栅极控制信号跳低时控制对栅极驱动信号放电，栅极控制信号跳高后控制对栅极驱动信号充电。

Description

一种全集成高侧驱动电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种全集成无片外自举电容的高侧驱动电路。
背景技术
有源控制栅驱动电路是半桥应用(如同步buck变换器)的核心电路之一，直接影响开关电源工作的可靠性和性能指标。对于高侧功率管而言，N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)相较于P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)拥有更高的驱动效率、更小的器件面积，所以NMOSFET更适合作为功率晶体管。
传统的高侧NMOSFET驱动先用片外自举电路做一个SW+5V的浮动电源轨，再用电平位移器将0～VDDH的信号抬升至SW～SW+5V，输出SW+5V的驱动电压驱动高侧NMOSFET功率管，因此对于传统的高侧NMOSFET驱动通常需要外部自举电容来产生与开关节点SW相关的浮动电源轨。但外部自举电容会带来一些额外的问题，例如周期性充电补充电容器电荷保证所需的最小关闭时间、在大电流应用中自举电容器在死区时间内过充电、寄生互连电感引起大电磁干扰(EMI)等。因此，传统的驱动方法不适合于高速、高可靠性和小型化的应用。
发明内容
针对传统驱动方法由于设置外部自举电容而带来的上述问题，本发明提出一种全集成高侧驱动电路结构，采用片内集成电容电荷泵驱动，避免了外部自举电容带来的高EMI等问题，扩展了芯片的应用，提高了芯片的可靠性。
本发明的技术方案为：
一种全集成高侧驱动电路，包括电平位移器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第一耐压PMOS管和放电支路，其中第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器为带放大功能的反相器，第二电容为大电容；
所述电平位移器的输入端作为所述全集成高侧驱动电路的输入端连接栅极控制信号，其输出端连接第一反相器的输入端；所述栅极控制信号的电源轨为低电源电压；
第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端并通过第一电阻后连接高电源电压，其输出端通过第三反相器后产生第一控制信号；
第四反相器的输入端连接所述第一控制信号并通过第一电容后连接第二电阻的一端和第二NMOS管的栅极，其输出端通过第二电容后连接第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的源极以及第一耐压PMOS管的源极和衬底；
第一NMOS管的源极连接第二电阻的另一端，其漏极连接第一PMOS管的漏极和衬底，其衬底连接高电源电压；
第一PMOS管的栅极连接所述第一控制信号，其源极连接高电源电压；
第二NMOS管的漏极和衬底连接高电源电压；
第一耐压PMOS管的漏极作为所述全集成高侧驱动电路的输出端输出高侧功率管栅极驱动信号，其栅极一方面通过第三电阻后连接高电源电压，另一方面通过第三电容后接地；
所述放电支路在所述第一控制信号的控制下对所述高侧功率管栅极驱动信号放电，当所述第一控制信号为高电平时所述放电支路将所述高侧功率管栅极驱动信号放电至地电平，当所述第一控制信号为低电平时关闭所述放电支路。
本发明的有益效果为：本发明采用片内集成电容电荷泵驱动，有效地避免了片外自举电容带来的EMI干扰，提高了芯片的安全稳定性，并且在充电时提供了电荷分享式的充电方式，简化了驱动电路设计，扩展了芯片的应用，提高了系统的工作性能和可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的一种全集成高侧驱动电路的结构示意图。
图2为本发明提出的一种全集成高侧驱动电路放电时的示意图。
图3为本发明提出的一种全集成高侧驱动电路充电时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
如图1所示是本发明提出的一种全集成高侧驱动电路，包括电平位移器、第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第一耐压PMOS管MHP1和放电支路，电平位移器的输入端作为全集成高侧驱动电路的输入端连接栅极控制信号H_ctrl，其输出端连接第一反相器INV1的输入端；栅极控制信号H_ctrl的电源轨为低电源电压VDDL；第二反相器INV2的输入端连接第一反相器INV1的输出端并通过第一电阻R1后连接高电源电压VDDH，其输出端通过第三反相器INV3后产生第一控制信号H_inv1；第四反相器INV4的输入端连接第一控制信号H_inv1并通过第一电容C1后连接第二电阻R2的一端和第二NMOS管MN2的栅极，其输出端通过第二电容C2后连接第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的源极以及第一耐压PMOS管MHP1的源极和衬底；第一NMOS管MN1的源极连接第二电阻R2的另一端，其漏极连接第一PMOS管MP1的漏极和衬底，其衬底连接高电源电压VDDH；第一PMOS管MP1的栅极连接第一控制信号H_inv1，其源极连接高电源电压VDDH；第二NMOS管MN2的漏极和衬底连接高电源电压VDDH；第一耐压PMOS管MHP1的漏极作为全集成高侧驱动电路的输出端输出高侧功率管栅极驱动信号HDRV，其栅极一方面通过第三电阻R3后连接高电源电压VDDH，另一方面通过第三电容C3后接地；放电支路在第一控制信号H_inv1的控制下对高侧功率管栅极驱动信号HDRV放电，当第一控制信号H_inv1为高电平时放电支路将高侧功率管栅极驱动信号HDRV放电至地电平，当第一控制信号H_inv1为低电平时关闭放电支路。
由于需要驱动高侧功率管和起到一个逐级驱动的作用，第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3和第四反相器INV4需要设置为带放大功能的反相器，可以通过增大构成反相器的管子的尺寸或者宽长比来达到增加放大作用的目的；且由于第二电容C2很大，对第二电容C2充电也需要大尺寸的反相器。
图1所示电路中VDDH为高电源电压，地电平为GND，栅极控制信号H_ctrl是低电源电压VDDL电源轨下的栅极控制信号。电平位移器将低电源电压VDDL电源轨下的栅极控制信号H_ctrl抬升至高电源电压VDDH电源轨，随后经过三个带放大功能的反相器(INV1-INV3)得到与栅极控制信号H_ctrl反相的第一控制信号H_inv1，第一控制信号H_inv1再经过一个带放大功能的第四反相器INV4得到与栅极控制信号H_ctrl同相的第二控制信号H_1，第二控制信号H_1经第二电容C2抬升电压得第三控制信号H_2，第三控制信号H_2经第一耐压PMOS管MHP1得到高侧功率管的栅极驱动信号HDRV，栅极驱动信号HDRV连接高侧功率管的栅极用于驱动高侧功率管。
第一电阻R1用于为栅极驱动信号HDRV提供初值，第二电阻R2作限流电阻控制对第一电容C1充电的速度。第一PMOS管MP1作使能管由第一控制信号H_inv1控制。第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2交叉耦合控制，为第一电容C1和第二电容C2提供高速快捷的充电通路。第三电阻R3和第三电容C3串联为第一耐压PMOS管的栅极提供稳定的高电源电压VDDH。电平位移器将低压的栅极控制信号H_ctrl抬升至高压，第一控制信号H_inv1控制相应的放电支路在需要的时候对栅极驱动信号HDRV放电。
当栅极控制信号H_ctrl跳低(GND)时，控制对栅极驱动信号HDRV放电，电路中各信号状态如图2所示。第一控制信号H_inv1跳高(VDDH)，第二控制信号H_1跳低(GND)。第一控制信号H_inv1经第一电容C1抬升电压，使第二NMOS管MN2栅极电压为2VDDH，且第二控制信号H_1经第二电容C2抬升电压，使第三控制信号H_2即第二NMOS管MN2源极电压为VDDH，第二NMOS管MN2能开启，使第二电容C2与VDDH直通，为第二电容C2补充充电阶段对功率管输入电容电荷分享充电而消耗的电荷；同时，第一NMOS管MN1栅极的第三控制信号H_2为VDDH，第一NMOS管MN1源极电压为2VDDH，第一NMOS管MN1关断，且第一控制信号H_inv1控制第一PMOS管MP1关断。第一耐压PMOS管MHP1源极的第三控制信号H_2为VDDH，栅极为恒定VDDH，此时关断，将第三控制信号H_2与栅极驱动信号HDRV的连通断开，并控制放电支路开启放电功率管栅极驱动信号HDRV到GND。
当栅极控制信号H_ctrl跳高(VDDL)后，控制对栅极驱动信号HDRV充电，电路中各信号状态如图3所示。第一控制信号H_inv1跳低(GND)，第一控制信号H_1跳高(VDDH)，控制放电支路关闭。第一控制信号H_inv1经第一电容C1抬升电压，使第二NMOS管MN2栅极电压为VDDH，且第二控制信号H_1经第二电容C2抬升电压，使第三控制信号H_2即第二NMOS管MN2源极电压为2VDDH，关断第二NMOS管MN2；同时，第一NMOS管MN1栅极的第三控制信号H_2为2VDDH，第一NMOS管MN1源极电压为VDDH，开启第一NMOS管MN1，且第一控制信号H_inv1控制第一PMOS管MP1开启，使第一电容C1与VDDH直通，为第一电容C1补充上一阶段开启第二NMOS管MN2栅极时消耗的电荷。第一耐压PMOS管MHP1源极的第三控制信号H_2为2VDDH，栅极为恒定VDDH，此时开启，将第三控制信号H_2与栅极驱动信号HDRV连通，使第二电容C2对功率管输入电容进行电荷分享充电，使栅极驱动信号HDRV最终达到近2VDDH。
综上分析可知，本发明提出的全集成高侧驱动电路首先将低电源电压VDDL电源轨下的栅极控制信号H_ctrl经电平位移器抬至到高电源电压VDDH电源轨，当需要高侧功率管开启时，栅极控制信号H_ctrl为高，第二控制信号H_1此时也为高，通过第二电容C2抬升第三控制信号H_2电压到2VDDH，因此第一耐压PMOS管MHP1导通，使第三控制信号H_2处2VDDH的电压传到功率管栅极驱动信号HDRV。增加第一耐压PMOS管MHP1能够提高电路可靠性，利用电荷泵的第二电容C2对使功率管输入电容充电，实现电荷泵电荷分享开启高侧功率管。
传统驱动中除了需要电平位移器将低电源电压VDDL电源轨下的栅极控制信号H_ctrl抬至到高电源电压VDDH电源轨，还需要多余的电平位移器将片外自举电容产生的浮动电源轨进行抬升，而本发明通过电荷泵实现电平位移充电功率开关管的栅极电压实现高侧驱动，无需多余电平位移器及片外电容自举电路提供浮动电源轨，实现了全集成低EMI的高侧栅极驱动。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种全集成高侧驱动电路，其特征在于，包括电平位移器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第一耐压PMOS管和放电支路，其中第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器为带放大功能的反相器，第二电容为大电容；
所述电平位移器的输入端作为所述全集成高侧驱动电路的输入端连接栅极控制信号，其输出端连接第一反相器的输入端；所述栅极控制信号的电源轨为低电源电压；
第二反相器的输入端连接第一反相器的输出端并通过第一电阻后连接高电源电压，其输出端通过第三反相器后产生第一控制信号；
第四反相器的输入端连接所述第一控制信号并通过第一电容后连接第二电阻的一端和第二NMOS管的栅极，其输出端通过第二电容后连接第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的源极以及第一耐压PMOS管的源极和衬底；
第一NMOS管的源极连接第二电阻的另一端，其漏极连接第一PMOS管的漏极和衬底，其衬底连接高电源电压；
第一PMOS管的栅极连接所述第一控制信号，其源极连接高电源电压；
第二NMOS管的漏极和衬底连接高电源电压；
第一耐压PMOS管的漏极作为所述全集成高侧驱动电路的输出端输出高侧功率管栅极驱动信号，其栅极一方面通过第三电阻后连接高电源电压，另一方面通过第三电容后接地；
所述放电支路在所述第一控制信号的控制下对所述高侧功率管栅极驱动信号放电，当所述第一控制信号为高电平时所述放电支路将所述高侧功率管栅极驱动信号放电至地电平，当所述第一控制信号为低电平时关闭所述放电支路。
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