CN111313883A - 一种基于双极器件的功率驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于双极器件的功率驱动电路，属于集成电路技术领域。所述基于双极器件的功率驱动电路包括功率驱动电路，采用与后级功率MOSFET器件相同的电源供电；所述功率驱动电路包括上侧达林顿驱动器件和下侧达林顿驱动器件，提供互补输出能力对后级功率MOSFET器件供入供出电流；还包括电流源IB1，对所述功率驱动电路提供偏置；死区时间控制电路，采用与上述电源相比较低电压的电源供电；所述死区时间控制电路包括达林顿管结构和共发射极放大器，所述达林顿管结构直接控制所述功率驱动电路，所述共发射极放大器用于保证所述死区时间控制电路的开关特性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于双极器件的功率驱动电路。
背景技术
在开关电源领域中，大功率晶体管尤其是MOSFET是其中的核心电子器件。功率器件的开关速度会直接影响开关电源电路的负载快速瞬态响应能力、最大带载能力、能量转换效率等核心指标。因此为了有效驱动功率器件，必须设计合理的功率器件驱动电路，保证开关电源电路的整体性能满足设计要求。驱动电路的基本结构如图1所示，图中MN1为功率MOSFET器件，C1、C2为功率器件的寄生电容，上侧驱动器件与下侧驱动器件构成功率驱动模块的核心电路。
现有的功率MOSFET晶体管驱动电路主要采用FET器件驱动或双极性器件驱动。其中FET为电压驱动型器件，在驱动脉冲的上升沿和下降沿，电流分别流入和流出驱动电路。由于FET器件具有较大的开启阈值电压，将导致较大的功率损耗；同时由于大功率MOSFET晶体管存在较大的寄生电容，为了快速驱动功率MOSFET器件，必须要求驱动电路的FET器件瞬间供入供出较大电流，但是由于FET器件输出电流与栅极电压的平方呈比例关系，电压到电流的转换能力不是很高，势必导致FET器件需要较大的面积，增加了电路成本。
与FET器件相比，双极器件为电流驱动型器件，基极开启阈值电压为0.6V左右，功率损耗较小；同时双极器件输出电流与基极电压呈指数比例关系，同等面积下可以比FET器件产生更大的驱动电流，有效降低驱动电路的面积，降低电路成本。现有的FET功率驱动电路结构如图2所示。其中反相器INV1、INV2、或门OR1以及与门AND1构成电路的控制时序，P1、N1分别为上侧、下侧FET驱动器件，延时单元1与延时单元2采用若干个反相器级联产生死区时间控制电路，防止上下FET器件同时导通烧毁器件。
但现有的FET功率驱动电路存在以下缺点：
(1)FET器件驱动能力弱，在大功率驱动场合必定耗费较大面积，而且上侧驱动器件采用P型FET，驱动能力比N型FET更弱，带来更大的面积开销；
(2)正由于P型FET驱动能力比N型FET弱，所以上下侧驱动电路面积不相等，产生不同的寄生电容，导致驱动电路瞬态供入供出电流的能力存在差异，影响驱动电路的工作性能；
(3)FET器件存在较大的栅极开启电压，导致FET器件导通电阻增加，产生较大的功率损耗；
(4)死区时间控制电路与驱动电路采用相同电源供电，对于高压应用必然增加电路处于开关工作条件下的瞬态电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双极器件的功率驱动电路，以解决现有的FET功率驱动电路驱动效率低，且容易产生大电流而导致电路烧毁的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双极器件的功率驱动电路，包括：
功率驱动电路，采用与后级功率MOSFET器件相同的电源供电；
所述功率驱动电路包括上侧达林顿驱动器件和下侧达林顿驱动器件，提供互补输出能力对后级功率MOSFET器件供入供出电流；还包括电流源IB1，对所述功率驱动电路提供偏置；
死区时间控制电路，采用与上述电源相比较低电压的电源供电；
所述死区时间控制电路包括达林顿管结构和共发射极放大器，所述达林顿管结构直接控制所述功率驱动电路，所述共发射极放大器用于保证所述死区时间控制电路的开关特性。
可选的，所述功率驱动电路包括三极管BN1~BN5，电阻R1~R4和二极管D1~D2；其中，
所述三极管BN1的发射极与三极管BN2的基极和三极管BN5的集电极相连，所述三极管BN2的发射极与所述三极管BN5的发射极相连；电阻R1的两端分别与所述三极管BN5的集电极和发射极相连；
三极管BN3的发射极与二极管D1的正极和三极管BN4的基极相连，三极管BN4的发射极与三极管BN2的集电极相连；三极管BN3的集电极与三极管BN4的集电极相连；
电阻R2的一端连接三极管BN3的发射极，另一端连接二极管D2的正极，所述二极管D1和二极管D2的负极互连，并接至三极管BN1的集电极。
可选的，所述死区时间控制电路包括三极管BN6~BN8，电阻R3~R9、二极管D3~D4和电容C1；其中，
三极管BN8的集电极连接电阻R9，发射极通过电阻R8接地；二极管D3和D4串联后连接至三极管BN7的基极，所述三极管BN7的集电极连接电阻R5，发射极通过电阻R6接地；
电阻R7的一端通过电容C1连接至三极管BN7的集电极，另一端连接三极管BN6的基极；三极管BN6的集电极连接电阻R4，发射极通过电阻R3接地。
可选的，所述三极管BN5的基极连接至所述电容C1和所述电阻R7之间；所述三极管BN1的基极连接至三极管BN6的集电极和所述电阻R4之间。
可选的，所述三极管BN8的基极连接输入信号INPUT，所述二极管D2的正极连接输出信号OUTPUT。
可选的，所述上侧达林顿驱动器件和所述下侧达林顿驱动器件采用相同器件设计。
在本发明中提供了一种基于双极器件的功率驱动电路，采用不同的电源轨。所述基于双极器件的功率驱动电路包括功率驱动电路和死区时间控制电路；其中功率驱动电路采用与后级功率MOSFET器件相同的电源供电；所述死区时间控制电路采用与所述电源相比较低电压的电源供电。通过这种电源分配方式，可以有效的降低非功率驱动电路的功耗开销，降低整体电路功耗。
本发明相比于现有技术具有以下优点：
(1)利用NPN管自身电流驱动能力强的优点，再结合达林顿管的电流增益倍增效应，可以利用较小的电路面积产生FET驱动电路同样的电流供入供出能力，降低电路成本；
(2)上下两侧采用相同类型的驱动晶体管，供入供出电流能力可以很好的匹配，有利用版图布局设计，电路热分布也更为合理，提高电路实际工作的可靠性；
(3)双极型晶体管开启电压为0.6V左右，低于FET器件的开启电压，可以降低驱动管的导通电阻，减小功率损耗；
(4)死区时间控制电路与功率驱动电路采用不同电源供电，在高压应用下有利于降低非驱动电路的瞬态尖峰电流，防止在供电电源上产生较大的尖峰电压，影响其它电路工作。
附图说明
图1是功率器件驱动电路的基本结构示意图；
图2是现有的FET功率驱动电路结构示意图；
图3是本发明提供的基于双极器件的功率驱动电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于双极器件的功率驱动电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种基于双极器件的功率驱动电路，其结构如图3所示，所述基于双极器件的功率驱动电路采用不同的电源轨。所述基于双极器件的功率驱动电路包括功率驱动电路和死区时间控制电路；其中功率驱动电路采用与后级功率MOSFET器件相同的电源VIN供电；所述死区时间控制电路采用与所述电源VIN相比较低电压的电源VDD供电。通过这种电源分配方式，可以有效的降低非功率驱动电路的功耗开销，降低整体电路功耗。
请继续参阅图3，所述功率驱动电路包括三极管BN1~BN5，电阻R1~R4和二极管D1~D2；其中，所述三极管BN1的发射极与三极管BN2的基极和三极管BN5的集电极相连，所述三极管BN2的发射极与所述三极管BN5的发射极相连；电阻R1的两端分别与所述三极管BN5的集电极和发射极相连；三极管BN3的发射极与二极管D1的正极和三极管BN4的基极相连，三极管BN4的发射极与三极管BN2的集电极相连；三极管BN3的集电极与三极管BN4的集电极相连；电阻R2的一端连接三极管BN3的发射极，另一端连接二极管D2的正极，所述二极管D1和二极管D2的负极互连，并接至三极管BN1的集电极。所述死区时间控制电路包括三极管BN6~BN8，电阻R3~R9、二极管D3~D4和电容C1；其中，三极管BN8的集电极连接电阻R9，发射极通过电阻R8接地；二极管D3和D4串联后连接至三极管BN7的基极，所述三极管BN7的集电极连接电阻R5，发射极通过电阻R6接地；电阻R7的一端通过电容C1连接至三极管BN7的集电极，另一端连接三极管BN6的基极；三极管BN6的集电极连接电阻R4，发射极通过电阻R3接地。
所述三极管BN5的基极连接至所述电容C1和所述电阻R7之间；所述三极管BN1的基极连接至三极管BN6的集电极和所述电阻R4之间。所述三极管BN8的基极连接输入信号INPUT，所述二极管D2的正极连接输出信号OUTPUT。
在功率驱动电路中，所述三极管BN3、三极管BN4和电阻R2构成上侧达林顿驱动器件，所述三极管BN1、三极管BN2和电阻R1构成下侧达林顿驱动器件；所述上侧达林顿驱动器件和所述下侧达林顿驱动器件提供互补输出能力对后级功率MOSFET器件供入供出电流；所述电流源IB1对所述功率驱动电路提供偏置。利用上、下侧达林顿驱动器件的电流增益倍乘效应，可以有效提高驱动能力，减小电路面积开销；同时所述上侧达林顿驱动器件和所述下侧达林顿驱动器件采用相同器件设计，上下级电路供入供出电流能力匹配性更好。
死区时间控制电路用于根据外部INPUT信号去控制功率驱动电路，并使功率驱动电路在工作中产生死区时间，防止上侧功率驱动管BN4、下侧功率驱动管BN2同时导通。在死区时间控制电路中，三极管BN8、电阻R8、三极管BN6和电阻R3构成达林顿管结构，提高所述死区时间控制电路的开关速度，三极管BN6的集电极连接三极管BN1的基极，直接控制所述功率驱动电路；电阻R9、电阻R4分别与形成达林顿管结构的三极管BN8、三极管BN6构成共发射级放大器，并配置合适的增益，保证死区时间控制电路的开关速度满足功率驱动电路的要求；电阻R5、三极管BN7、电阻R6、电容C1、电阻R7用于控制三极管BN5，通过合理配置BN1与BN5的工作时序可以产生死区时间控制功能；二极管D3、D4提供两个二极管压降，给三极管BN7的基极提供合适的偏置电压。
输入信号INPUT为上升沿时，输出信号OUTPUT也为上升沿。此时功率驱动电路中的上侧达林顿驱动器件工作并供出电流，为了防止上、下侧功率驱动管（上侧功率驱动管为三极管BN4，下侧功率驱动管为三极管BN2）同时导通，三极管BN5的基极通过电阻R7连接到三极管BN6的基极，将BN5的基极电位迅速配置成高电平，因此三极管BN5迅速将三极管BN2的基极电位拉低，使下侧功率驱动管BN2迅速关断，从而减少上、下侧功率驱动管同时导通的时间，减小尖峰电流产生的时间。此外，在上升沿输出条件下，三极管BN7的基极电位置零被关断，电阻R5和电容C1构成一个小型电荷泵供出更多的能量驱动三极管BN5的基极，加速三极管BN5器件开启，可以进一步提高关断下侧功率驱动管BN2的速度。
输入信号INPUT为下降沿时，输出信号OUTPUT也为下降沿。此时所述功率驱动电路中的下侧达林顿驱动器件工作供入电流，为了防止上、下侧功率驱动管同时导通，此时三极管BN7的基极变成高电平，由于电阻R6与三极管BN7构成射级负反馈结构，会延缓三极管BN5的基极电位拉低的时间。因此三极管BN5构成一个电流漏通过二极管D1、D2对三极管BN3以及上侧功率驱动管BN4放电，加速关断上侧达林顿驱动器件中的BN3、BN4；同时可以吸收更多的二极管BN1射级电流，从而减少流入二极管BN2的基极电流，减慢下侧功率驱动管BN2打开的时间，进而减小上、下侧功率驱动管BN4、BN2同时导通的时间，减小电源到地的尖峰电流。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于双极器件的功率驱动电路，其特征在于，包括：
功率驱动电路，采用与后级功率MOSFET器件相同的电源供电；
所述功率驱动电路包括上侧达林顿驱动器件和下侧达林顿驱动器件，提供互补输出能力对后级功率MOSFET器件供入供出电流；还包括电流源IB1，对所述功率驱动电路提供偏置；
死区时间控制电路，采用与上述电源相比较低电压的电源供电；
所述死区时间控制电路包括达林顿管结构和共发射极放大器，所述达林顿管结构直接控制所述功率驱动电路，所述共发射极放大器用于保证所述死区时间控制电路的开关特性。
2.如权利要求1所述的基于双极器件的功率驱动电路，其特征在于，所述功率驱动电路包括三极管BN1~BN5，电阻R1~R4和二极管D1~D2；其中，
所述三极管BN1的发射极与三极管BN2的基极和三极管BN5的集电极相连，所述三极管BN2的发射极与所述三极管BN5的发射极相连；电阻R1的两端分别与所述三极管BN5的集电极和发射极相连；
三极管BN3的发射极与二极管D1的正极和三极管BN4的基极相连，三极管BN4的发射极与三极管BN2的集电极相连；三极管BN3的集电极与三极管BN4的集电极相连；
电阻R2的一端连接三极管BN3的发射极，另一端连接二极管D2的正极，所述二极管D1和二极管D2的负极互连，并接至三极管BN1的集电极。
3.如权利要求2所述的基于双极器件的功率驱动电路，其特征在于，所述死区时间控制电路包括三极管BN6~BN8，电阻R3~R9、二极管D3~D4和电容C1；其中，
三极管BN8的集电极连接电阻R9，发射极通过电阻R8接地；二极管D3和D4串联后连接至三极管BN7的基极，所述三极管BN7的集电极连接电阻R5，发射极通过电阻R6接地；
电阻R7的一端通过电容C1连接至三极管BN7的集电极，另一端连接三极管BN6的基极；三极管BN6的集电极连接电阻R4，发射极通过电阻R3接地。
4.如权利要求3所述的基于双极器件的功率驱动电路，其特征在于，所述三极管BN5的基极连接至所述电容C1和所述电阻R7之间；所述三极管BN1的基极连接至三极管BN6的集电极和所述电阻R4之间。
5.如权利要求3所述的基于双极器件的功率驱动电路，其特征在于，所述三极管BN8的基极连接输入信号INPUT，所述二极管D2的正极连接输出信号OUTPUT。
6.如权利要求1所述的基于双极器件的功率驱动电路，其特征在于，所述上侧达林顿驱动器件和所述下侧达林顿驱动器件采用相同器件设计。
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