CN111628761A - 一种单芯片集成的高压pmos管驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种单芯片集成的高压PMOS管驱动器，便于满足T/R组件系统的小型化、高可靠性及高性能要求；输入调制TTL信号经TTL模块U1后与逻辑控制延时模块U3连接，同时负压掉电检测模块U2也与逻辑控制延时模块U3连接，逻辑控制延时模块U3输出驱动高边电平移位模块U4的HI信号，同时输出驱动低边驱动模块U6的LI信号，LI信号经低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极；HI信号经高边电平移位模块U4后输入至高边驱动模块U5；电源VCC通过内部电压产生模块U7输出内部电压V1和VB。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体的说是涉及一种单芯片集成的高压PMOS管驱动器。
背景技术
随着应用市场对能效的愈发重视，对高性能低成本电子产品的追求，今后功率电子领域对器件乃至系统效率、性能、成本的考虑将会贯穿功率半导体从研发到生产的整个过程。毫无疑问，GaN器件及其功率系统将凭借材料特性优势满足未来功率电子对高功率、低损耗、高速、高可靠性等方面的性能要求。
相控阵雷达T/R组件的功率放大器，通常采用脉冲调制型工作方式，GaN微波功率放大器器件以其宽禁带、高频率及较低的开关损耗得到广泛应用。输入信号采用射频信号调制及低频TTL信号同时调制。GaN微波功率放大器的工作电压较高，且不同型号的GaN微波功率放大器工作电源电压不同，调制电路的结构方式和性能直接影响GaN微波功率放大器的性能，特别是随着T/R组件系统的小型化要求，功率放大器的调制电路也要求外形尺寸小，集成度高，外围无源器件少，且可靠性高。
目前GaN微波功率放大器的脉冲调制方式通常有两种：一种是对功放的电源进行调制，另一种是对功放的栅极进行调制；电源调制为高压调制，驱动器方案复杂，而栅极调制为-5V常压调制，驱动器方案简单。实际应用中，由于栅极调制存在发射效率低及可靠性、稳定性差的缺点，通常采用第一种电源调制的方案。
目前适用于相控阵雷达T/R组件的GaN微波功率放大器工作电源电压范围主要集中在28V～60V之间，其电源调制驱动器主要实现低压TTL输入控制，输出为高压CMOS输出，通过TTL输入调制输出信号的开断。故要求GaN微波功率放大器的电源调制驱动器的电压覆盖范围要宽。
GaN微波功率放大器的电源调制方案可采用基于NMOS管驱动方案或PMOS管驱动方案。NMOS功率管由于其内阻小、效率高、器件种类多、耐压高等优点在开关电源及电机驱动中得到广泛的应用。但NMOS管驱动需要采用外接电容自举的方案进行驱动，驱动电路复杂，而PMOS管驱动方案外围线路简单，且内阻、耐压满足当前相控阵雷达T/R组件中GaN微波功率放大器的电源调制驱动要求。故目前相控阵雷达T/R组件中GaN微波功率放大器的电源调制方案主要采用基于PMOS管驱动方案。
现有的基于PMOS管驱动的GaN微波功率放大器电源调制常规方案是采用三极管分立双极器件+电阻+二极管+稳压管等器件进行驱动，具体如下图1所示。工作原理如下：通过电阻R4、二极管D、三极管Q2、电阻R5和电阻R6对功率PMOS管进行驱动，当TTL输入为低电平时，三极管Q2关断，PMOS管关断；当TTL输入为高电平时，三极管Q2开启，通过电阻R5和电阻R6分压，PMOS管开启。电阻R1、电阻R2及整流二极管DZ和三极管Q1用于VEE关断控制，即当VEE＝-5V时，Q1关断，输出PMOS的开启与关断由输入TTL控制，当VEE掉电后，Q1开启，则无论TTL输入为高低电平，三极管Q2关断，输出PMOS管关断。
现有的基于PMOS管驱动的GaN微波功率放大器电源调制常规方案是采用三极管分立双极器件+电阻+稳压管等器件进行驱动；但此方案的缺点是由于主要采用电阻进行分压及限流控制，故静态功耗与速度无法同时最优，为了降低功耗，往往牺牲PMOS管开启、关断速度，故只能用于低速调制；采用电阻分压，分压电平大小与VCC电源电压相关，故要求VCC电源固定，缺乏灵活性；采用电阻及双极器件，各器件参数精度差，使得模块参数精度及批次一致性差；最后采用分立器件方案，所占的体积大，可靠性低，且难以提供更多的控制功能。
随着T/R组件系统的小型化及可靠性要求提高，GaN微波功率放大器的调制电路也要求外形尺寸小，参数要求更高，及可靠性高，且可适应不同的负载电压要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种单芯片集成的高压PMOS管驱动器，便于满足T/R组件系统的小型化、高可靠性及高性能要求。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种单芯片集成的高压PMOS管驱动器，输入调制TTL信号经TTL模块U1后与逻辑控制延时模块U3连接，同时负压掉电检测模块U2也与逻辑控制延时模块U3连接，逻辑控制延时模块U3输出驱动高边电平移位模块U4的HI信号，同时输出驱动低边驱动模块U6的LI信号，LI信号经低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极；HI信号经高边电平移位模块U4后输入至高边驱动模块U5；
电源VCC通过内部电压产生模块U7输出内部电压V1和VB；V1和GND作为TTL模块U1、负压掉电检测模块U2、逻辑控制延时模块U3和低边驱动模块U6的电源信号和地信号；VCC作为高边驱动模块U5的正端电源信号，VB作为高边驱动模块U5的负端供电信号，VCC作为高边电平移位模块U4的电源信号，GND作为高边电平移位模块U4的地信号；
高边驱动模块U5的输出信号连接到PMOS管的栅极，PMOS管的源极接VCC，PMOS管的漏极接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端，NMOS管的源极接GND；NMOS管的漏极的输出信号接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端。
作为优选，还包括高边关断反馈控制模块U8，所述高边驱动模块U5的输出信号通过高边关断反馈控制模块U8后，也通过低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极。
作为优选，包括电阻R1,所述高边驱动模块U5的输出信号通过电阻R1连接到PMOS管的栅极。
作为优选，还包括电阻R2，NMOS管的漏极的输出信号通过电阻R2接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端。
作为优选，内部电压V1采用4V～6V电压。
作为优选，所述内部电压VB输出为范围VCC-6V～VCC-14V的电压。
作为优选，所述TTL信号为输入连续波或脉冲调制波。
本发明有益效果：本发明的单芯片集成的高压PMOS管驱动器可集成更多的功能，如集成了负压掉电检测，放电回路结构，可满足T/R组件系统的更多功能性能要求，且后续可根据负载要求，集成更多的控制功能，如集成GaN微波功率放大器的栅极负基准源驱动。
对VCC电源电压的要求降低，VCC电源电压范围加宽，可适应不同GaN微波功率放大器负载的调制电压需求。单芯片集成方案采用高压CMOS或BCD工艺，相对于现有分立器件的技术方案，产品功耗低，且速度快，参数可控精度及一致性高。单芯片集成方案所占的PCB板体积小，满足T/R组件系统的小型化要求。单芯片集成的方案相对于分立器件，增强了T/R组件系统的可靠性。
附图说明
图1为现有技术的基于PMOS管驱动的GaN微波功率放大器电源调制方案的示意图；
图2为本发明的单芯片集成的高压PMOS管驱动器的示意图一；
图3为本发明的单芯片集成的高压PMOS管驱动器的示意图一；
图4为本发明的单芯片集成的高压PMOS管驱动器的输入输出波形图。
附图说明：U1、TTL模块；U2、负压掉电检测模块；U3、逻辑控制延时模块；U4、高边电平移位模块；U5、高边驱动模块；U6、低边驱动模块；U7、内部电压产生模块；U8、高边关断反馈控制模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种单芯片集成的高压PMOS管驱动器，输入调制TTL信号经TTL模块U1后与与逻辑控制延时模块U3连接，同时负压掉电检测模块U2也与逻辑控制延时模块U3连接，逻辑控制延时模块U3输出驱动高边电平移位模块U4的HI信号，同时输出驱动低边驱动模块U6的LI信号，LI信号经低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极；HI信号经高边电平移位模块U4后输入至高边驱动模块U5；
电源VCC通过内部电压产生模块U7输出内部电压V1和VB；V1和GND作为TTL模块U1、负压掉电检测模块U2、逻辑控制延时模块U3和低边驱动模块U6的电源信号和地信号；VCC作为高边驱动模块U5的正端电源信号，VB作为高边驱动模块U5的负端供电信号，VCC作为高边电平移位模块U4的电源信号，GND作为高边电平移位模块U4的地信号；高边驱动模块U5的输出信号连接到PMOS管的栅极，PMOS管的源极接VCC，PMOS管的漏极接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端，NMOS管的源极接GND；NMOS管的漏极的输出信号接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端。
包括电阻R1,所述高边驱动模块U5的输出信号通过电阻R1连接到PMOS管的栅极；还包括电阻R2，NMOS管的漏极的输出信号通过电阻R2接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端；内部电压V1采用5V电压；所述内部电压VB输出为VCC-10V的电压；所述TTL信号为输入连续波或脉冲调制波。
如图2所示，还包括高边关断反馈控制模块U8，所述高边驱动模块U5的输出信号通过高边关断反馈控制模块U8后，也通过低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极。
采用逻辑控制延时模块U3，用于NMOS管与外部功率PMOS管先关断后开启的控制，防止两者同时导通从而损坏器件，也可采用高边关断反馈控制的方法进一步加强死区控制。
VCC及VEE上电后，无论IN是否有输入，V1输出约5V电压，VB输出约VCC-10V的电压。
当IN输入为低电平且VEE正常(典型：-5V)时，经过U1、U3模块，HI输出低电平(0V)，LI输出低电平(0V)，HI信号经过U4、U5模块，输出OUT1信号为高电平(VCC)，直接或通过外围R1电阻后，使得功率PMOS管关断，LI信号经过U6模块，输出高电平(V1)，使得NMOS管导通，输出OUT2信号为低电平(0V)。此状态下GaN微波功率放大器负载不工作。
当IN输入为高电平且VEE正常(典型：-5V)时，经过U1、U3模块，HI输出高电平(V1)，LI输出高电平(V1)，HI信号经过U4、U5模块，输出OUT1信号为低电平(VB)，直接或通过外围R1电阻后，使得功率PMOS管导通，LI信号经过U6模块，输出低电平(0V)，使得NMOS管关断，输出OUT2信号为高电平(VCC)。此状态下GaN微波功率放大器负载工作。
当VEE处于掉电状态时，无论IN的状态如何，此时，输出OUT1信号为高电平(VCC)，直接或通过外围电阻R1后，使得功率PMOS管关断，输出OUT2信号为低电平(0V)。此状态下GaN微波功率放大器负载不工作。
TTL可输入连续波，或者脉冲调制波。
功能真值表如下：
逻辑控制延时模块：用于内部死区控制，具体用于TTL信号转换的过程中，内部NMOS管与外部功率PMOS管先关断后开启的控制，防止两者同时导通从而损坏器件，提高了系统工作的可靠性。
防止内部NMOS管与外部功率PMOS管同时开启的方法除了在电路内部进行死区结构的设计之外，另外可采用高低边反馈的方法进一步加强死区控制，如根据实际应用，外接的功率PMOS管比内部的NMOS管尺寸大，PMOS管栅极OUT1信号的爬坡沿慢，故可设置单边反馈，即当OUT1信号爬坡到高电平，PMOS管完全关断以后，内部的NMOS管开启，OUT1输出低电平。如图3，增加的U8模块为高边关断反馈控制模块。
如图4所示，IN：为调制TTL输入信号；
VEE:负压电源输入信号；OUT1：为驱动器的高边驱动模块输出信号；OUT2：为驱动器的低边驱动模块输出信号；
t1：调制TTL输入信号上升沿到驱动器的高边驱动模块输出信号下降沿的延迟时间；t2：调制TTL输入信号上升沿到驱动器的低边驱动模块输出信号上升沿的延迟时间；t3：调制TTL输入信号下降沿到驱动器的高边驱动模块输出信号上升沿的延迟时间；t4：调制TTL输入信号下降沿到驱动器的低边驱动模块输出信号下降沿的延迟时间。
t2-t1，t4-t3：为功率PMOS管与内部NMOS输出驱动管的死区时间。
以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：输入调制TTL信号经TTL模块U1后与逻辑控制延时模块U3连接，同时负压掉电检测模块U2也与逻辑控制延时模块U3连接，逻辑控制延时模块U3输出驱动高边电平移位模块U4的HI信号，同时输出驱动低边驱动模块U6的LI信号，LI信号经低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极；HI信号经高边电平移位模块U4后输入至高边驱动模块U5；
电源VCC通过内部电压产生模块U7输出内部电压V1和VB；V1和GND作为TTL模块U1、负压掉电检测模块U2、逻辑控制延时模块U3和低边驱动模块U6的电源信号和地信号；VCC作为高边驱动模块U5的正端电源信号，VB作为高边驱动模块U5的负端供电信号，VCC作为高边电平移位模块U4的电源信号，GND作为高边电平移位模块U4的地信号；
高边驱动模块U5的输出信号连接到PMOS管的栅极，PMOS管的源极接VCC，PMOS管的漏极接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端，NMOS管的源极接GND；NMOS管的漏极的输出信号接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端。
2.根据权利要求1所述的单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：还包括高边关断反馈控制模块U8，所述高边驱动模块U5的输出信号通过高边关断反馈控制模块U8后，也通过低边驱动模块U6后输出到NMOS管的栅极。
3.根据权利要求1所述的单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：包括电阻R1,所述高边驱动模块U5的输出信号通过电阻R1连接到PMOS管的栅极。
4.根据权利要求1所述的单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：还包括电阻R2，NMOS管的漏极的输出信号通过电阻R2接外部GaN微波功率放大器的漏极电源端。
5.根据权利要求1所述的单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：内部电压V1采用4V～6V电压。
6.根据权利要求1所述的单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：所述内部电压VB输出为范围VCC-6V～VCC-14V的电压。
7.根据权利要求1所述的单芯片集成的高压PMOS管驱动器，其特征在于：所述TTL信号为输入连续波或脉冲调制波。
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| CN202010558880.XA CN111628761A (zh) | 2020-06-18 | 2020-06-18 | 一种单芯片集成的高压pmos管驱动器 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112583368A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-03-30 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 一种大功率GaN功率放大器调制电路 |
| CN113708754A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-26 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | 一种高边电平移位和驱动电路 |
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2020
- 2020-06-18 CN CN202010558880.XA patent/CN111628761A/zh active Pending
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| CN113708754A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-26 | 中国电子科技集团公司第二十四研究所 | 一种高边电平移位和驱动电路 |
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