CN112994669B - 高边功率mosfet的驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高边功率MOSFET的驱动保护电路，包括低压输入控制电路、第一电平转换电路、第二电平转换电路、第三电平转换电路和驱动电路；低压输入控制电路分别与第一电平转换电路、第二电平转换电路和第三电平转换电路相连接；驱动电路分别与第一电平转换电路和第三电平转换电路相连接；所述第二电平转换电路与所述第三电平转换电路相连接；所述低压输入控制电路用于分别控制所述第一电平转换电路、所述第二电平转换电路和所述第三电平转换电路的电压转换以驱动高边功率MOSFET工作。本申请的高边功率MOSFET的驱动保护电路，能确保高边功率MOSFET用于高边驱动时既能正常开启又能正常关断，同时还能保护高边功率MOSFET正常工作不被过压击穿。

Description

高边功率MOSFET的驱动保护电路

技术领域

本申请涉及集成电路技术领域，具体涉及一种高边功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的驱动保护电路。

背景技术

随着集成电路工艺的不断发展，电路对工作电流的需求越来越大，要在电路内设计一个能通过大电流的开关，开关电路的功率损耗要求不断提高，这就要求尽可能地降低内部开关管的导通阻抗。为了满足这个要求，现有技术中使用导通电阻尽可能低的低导通电阻器件，由于N沟道增强型场效应管（Negative-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS，NMOSFET）的电迁移率是P沟道增强型场效应管（Negative-Metal-Oxide-Semiconductor，PMOS，PMOSFET）的将近1/4，所以NMOS功率管得到了更多的使用。实际设计中，在使用NMOS管做高边驱动时，由于NMOS漏极D接电源，当NMOS管子导通时其漏源电压VDS压降近乎为零，源极S的电压也等于电源电压，要开启这个管子，NMOS管栅极电压需要高过电源电压才行，这通过在电路中增加一个电荷泵电路产生一个高过电源电压的内部电源电荷泵电压VCP来保证NMOS管的正常开启；当驱动需要关断NMOS时，断开栅极连接的电荷泵，此时NMOS管的源极S会由电源电压减小到地电压，在此过程中，栅压也将经历从VCP电压减小到地电压的变化，如果不能正确处理这个过程中电压的变化，极易造成NMOS管的过压击穿而损毁电路。

发明内容

本申请的目的是提供一种高边功率MOSFET的驱动保护电路。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键／重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种高边功率MOSFET的驱动保护电路，包括低压输入控制电路、第一电平转换电路、第二电平转换电路、第三电平转换电路和驱动电路；所述低压输入控制电路分别与所述第一电平转换电路、所述第二电平转换电路和所述第三电平转换电路相连接；所述驱动电路分别与所述第一电平转换电路和所述第三电平转换电路相连接；所述第二电平转换电路与所述第三电平转换电路相连接；所述低压输入控制电路用于分别控制所述第一电平转换电路、所述第二电平转换电路和所述第三电平转换电路的电压转换；所述第三电平转换电路用于响应于来自所述低压输入控制电路的输入以及来自所述第二电平转换电路的输入进行电压转换；所述驱动电路用于响应于来自所述第一电平转换电路的输入以及来自所述第三电平转换电路的输入调整输出电压以驱动高边功率MOSFET工作。

进一步地，所述低压输入控制电路包括串联的第一反相器和第二反相器。

进一步地，所述第一反相器的输出端与所述第二电平转换电路相连接，所述第二反相器的输出端分别与所述第一电平转换电路和所述第三电平转换电路相连接。

进一步地，所述第一电平转换电路包括第九N沟道增强型场效应管NMOSFET、第八NMOSFET、第三NMOSFET、第一电阻和第一二极管；所述第三NMOSFET的源极与所述第八NMOSFET的漏极相连接，所述第八NMOSFET的源极与所述第九NMOSFET的漏极相连接，所述第八NMOSFET的栅极与所述低压输入控制电路相连接，所述第一电阻与所述第三NMOSFET的漏极相连接，所述第一二极管与所述第一电阻并联。

进一步地，所述第二电平转换电路包括第十NMOSFET、第六NMOSFET、第四NMOSFET、第二电阻和第二二极管；所述第四NMOSFET的源极与所述第六NMOSFET的漏极相连接，所述第六NMOSFET的源极与所述第十NMOSFET的漏极相连接，所述第六NMOSFET的栅极与所述低压输入控制电路相连接，所述第二电阻与所述第四NMOSFET的漏极相连接，所述第二二极管与所述第二电阻并联。

进一步地，所述第三电平转换电路包括第十一NMOSFET、第七NMOSFET、第五NMOSFET、第一NMOSFET、第一P沟道增强型场效应管PMOSFET、第二PMOSFET、第三二极管和第三电阻；所述第五NMOSFET的源极与所述第七NMOSFET的漏极相连接，所述第七NMOSFET的源极与所述第十一NMOSFET的漏极相连接，所述第十一NMOSFET的栅极与所述低压输入控制电路相连接，所述第一NMOSFET的源极与所述第五NMOSFET的漏极相连接，所述第一NMOSFET的漏极与所述第一PMOSFET的漏极相连接，所述第一PMOSFET的栅极与所述第二电平转换电路相连接，所述第二PMOSFET的栅极与所述第二电平转换电路相连接，所述第一NMOSFET的栅极与所述第二PMOSFET的漏极相连接，所述第三电阻的第一端与所述第五NMOSFET的漏极相连接，所述第三电阻的第二端与所述第三二极管的正极端相连接，所述第三二极管的负极端与所述第二PMOSFET的漏极相连接。

进一步地，所述驱动电路包括PMOSFET、NMOSFET、第四二极管、第五二极管、第四电阻和第五电阻；所述第四二极管的正极端与所述第三电平转换电路相连接，所述第四二极管的负极端与所述NMOSFET的栅极相连接，所述NMOSFET的源极与所述第三电平转换电路相连接，所述NMOSFET的漏极与所述PMOSFET的漏极相连接，所述第四电阻与所述PMOSFET的源极相连接，所述第五二极管的正极端与所述NMOSFET的源极相连接，所述第五二极管的负极端与所述NMOSFET的漏极相连接，所述第五电阻与所述第五二极管并联，所述PMOSFET的栅极与所述第一电平转换电路相连接。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种电子设备，包括上述任一项的高边功率MOSFET的驱动保护电路。

本申请实施例的其中一个方面提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例提供的高边功率MOSFET的驱动保护电路，能确保高边功率MOSFET用于高边驱动时，既能正常开启又能正常关断，同时还能保护高边功率MOSFET正常工作不被过压击穿。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者，部分特征和优点可以从说明书中推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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示出了本申请的一个实施例的高边功率MOSFET的驱动保护电路的结构框图；

图2示出了本申请的一个实施例的高边功率MOSFET的驱动保护电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本申请做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，本申请的一个实施例提供了一种高边功率MOSFET的驱动保护电路，包括低压输入控制电路1、第一电平转换电路2、第二电平转换电路3、第三电平转换电路4和驱动电路5。低压输入控制电路1用于分别控制第一电平转换电路2、第二电平转换电路3和第三电平转换电路4的电压转换；第三电平转换电路4用于响应于来自低压输入控制电路1的输入以及来自第二电平转换电路3的输入进行电压转换；驱动电路5用于响应于来自第一电平转换电路2的输入以及来自第三电平转换电路4的输入调整输出电压以驱动高边功率MOSFET工作。

如图2所示，VCP为电荷泵电压，VBUS为高压电源，PWR代表输出端，用于连接负载；当电荷泵建立并稳定后，VCP电压将高于VBUS，设计值保证高边的NMOS开启。

图2中的N0~N11分别代表一个NMOS管。R1~R5分别代表一个电阻。P0~P2分别代表一个PMOS管。D0~D4分别代表一个二极管。

图2中，低压输入控制电路1由串联的反相器INV1和反相器INV2构成，用于控制第一电平转换电路2、第二电平转换电路3和第三电平转换电路4。

第一电平转换电路，用于实现低压到高压的转换。第一电平转换电路2由N9、N8、N3、R1和D0构成。N3的源极与N8漏极相连接，N8的源极与N9的漏极相连接，N8的栅极与INV2的输出端相连接，R1的第一端与N3的漏极相连接，R1的第二端连接VCP，D0与R1并联。N9的源极接地。

第二电平转换电路，用于实现低压到高压的转换。第二电平转换电路3由N10、N6、N4、R2和D1构成。N4的源极与N6漏极相连接，N6的源极与N10的漏极相连接，N6的栅极与INV1的输出端相连接，R2的第一端与N4的漏极相连接，R2的第二端连接VCP，D1与R2并联。N10的源极接地。

第三电平转换电路，用于作为浮空电压源。第三电平转换电路4由N11、N7、N5、N1、P1、P2、D2和R5构成。N5的源极与N7漏极相连接，N7的源极与N11的漏极相连接，N7的栅极与INV2的输出端相连接，N1的源极与N5的漏极相连接，N1的漏极与P1的漏极相连接，P1的源极与VCP相连接，P1的栅极与N4的漏极相连接，P2的栅极与N4的漏极相连接，P2的源极与VCP相连接，N1的栅极与P2的漏极相连接，R5的第一端与N5的漏极相连接，R5的第二端与D2的正极端相连接，D2的负极端与P2的漏极相连接。N11的源极接地。

驱动电路5由R3、P0、N0、D3、D4和R4构成，D3的正极端与R5的第二端相连接，D3的负极端与N0的栅极相连接，N0的源极与R5的第二端相连接，N0的漏极与P0的漏极相连接，R3的第一端与P0的源极相连接，R3的第二端与VCP相连接，D4的正极端与N0的源极相连接，D4的负极端与N0的漏极相连接，R4与D4并联，P0的栅极与N3的漏极相连接。N2的漏极连接VBUS，N2的源极与N0的源极相连接，N2的栅极与N0的漏极相连接。N2的源极与输出端PWR相连接。

N3、N4、N5为高压MOS管，用于实现高低压隔离，保护低压MOS管的安全，其栅极接低压电源控制保持畅通。输入端IN用于接收输入的控制信号，经过INV1和INV2产生了两个控制位，INV1输出的控制位用于控制N6，INV2输出的控制位用于分别控制N8和N7。N9、N10和N11位电路产生可控的电流源。

三个电平转换电路的控制信号经INV2相位相反。当IN为高电平1时，当第一电平转换电路、第三电平转换电路开启时，第二电平转换电路关断，P0的栅极电压被拉低，P0开启使得N2栅极连通VCP电压，将N2打开；同时P1和P2关断，由于N2导通，PWR电压连通VBUS，PWR经R5电阻有一个通过第三支路到地的通路，使得N0栅极电压低于源极电压关断N0，实现了通过N5、N7和N11的偏置电路控制了N0的关断状态，并限制了该通路的静态电流。同样当IN为低电平0时，当第一电平转换电路和第三电平转换电路关断时，第二电平转换电路开启，P1和P2开启，使得N1开启，两路电流分别流经D2、R5到PWR，既保证了N1的栅压大于源极电压，也使N0栅压高过源极电压，N0导通将使得N2栅源电压拉低而被关断，PWR电压从VBUS降到了GND。

N2作为高边功率管，采用了NMOSFET，驱动电路5通过P0和N0控制N2；其中P0开启后，通过R3上拉到VCP，VCP电压高过VBUS，使得N2开启，将PWR电压拉高，设置R3可以控制N2的开启速度；N0开启后，将使得N2管栅源电压拉低，从而关断N2管，此时的PWR电压将从VBUS逐渐降到GND；图中D0、D1作为高低压转换后对高压管P0、P1和P2的栅极耐压的保护；D3用于保护N0栅极电压，D4用于保护N2栅极电压；R4用于在电源上电瞬间对N2进行栅压保护。

本申请的另一个实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一实施方式的高边功率MOSFET的驱动保护电路。

本申请实施例提供了一种高边功率MOSFET的驱动保护电路，能够确保高边功率MOSFET的工作过程更安全，通过控制高边功率NMOSFET的开关过程中的栅源电压，实现高边NMOSFET源极电压在高压和GND之间变换时对栅极的安全防护。电路中的第三电平转换电路用于作为浮空电源，与现有技术的电路相比，大大简化了电路的结构，优化了电路的工作效率。在高边功率管使用NMOSFET的情况下，低压输入控制电路通过控制三个电平转换电路的电压转换，控制工作在电荷泵高压电源的高边功率管驱动电路，实现高边功率管的关断与开启，保护NMOSFET正常工作不被过压击穿。

需要说明的是：

术语“模块”并非意图受限于特定物理形式。取决于具体应用，模块可以实现为硬件、固件、软件和/或其组合。此外，不同的模块可以共享公共组件或甚至由相同组件实现。不同模块之间可以存在或不存在清楚的界限。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示例一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

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

Claims (7)

1.一种高边功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的驱动保护电路，其特征在于，包括低压输入控制电路、第一电平转换电路、第二电平转换电路、第三电平转换电路和驱动电路；所述低压输入控制电路分别与所述第一电平转换电路、所述第二电平转换电路和所述第三电平转换电路相连接；所述驱动电路分别与所述第一电平转换电路和所述第三电平转换电路相连接；所述第二电平转换电路与所述第三电平转换电路相连接；所述低压输入控制电路用于分别控制所述第一电平转换电路、所述第二电平转换电路和所述第三电平转换电路的电压转换；所述第三电平转换电路用于响应于来自所述低压输入控制电路的输入以及来自所述第二电平转换电路的输入进行电压转换；所述驱动电路用于响应于来自所述第一电平转换电路的输入以及来自所述第三电平转换电路的输入调整输出电压以驱动高边功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET工作；所述驱动电路包括PMOSFET、NMOSFET、第四二极管、第五二极管、第四电阻和第五电阻；所述第四二极管的正极端与所述第三电平转换电路相连接，所述第四二极管的负极端与所述NMOSFET的栅极相连接，所述NMOSFET的源极与所述第三电平转换电路相连接，所述NMOSFET的漏极与所述PMOSFET的漏极相连接，所述第四电阻的一端与所述PMOSFET的源极相连接，所述第四电阻的另一端与电荷泵相连接，所述第五二极管的正极端与所述NMOSFET的源极相连接，所述第五二极管的负极端与所述NMOSFET的漏极相连接，所述第五电阻与所述第五二极管并联，所述PMOSFET的栅极与所述第一电平转换电路相连接；所述第四二极管的正极端与所述NMOSFET的源极相连接；所述第三电平转换电路的第一输出端与所述NMOSFET的栅极相连接，所述第三电平转换电路的第二输出端与所述NMOSFET的源极相连接。

2.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，所述低压输入控制电路包括串联的第一反相器和第二反相器。

3.根据权利要求2所述的驱动保护电路，其特征在于，所述第一反相器的输出端与所述第二电平转换电路相连接，所述第二反相器的输出端分别与所述第一电平转换电路和所述第三电平转换电路相连接。

4.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，所述第一电平转换电路包括第九N沟道增强型场效应管NMOSFET、第八NMOSFET、第三NMOSFET、第一电阻和第一二极管；所述第三NMOSFET的源极与所述第八NMOSFET的漏极相连接，所述第八NMOSFET的源极与所述第九N沟道增强型场效应管NMOSFET的漏极相连接，所述第八NMOSFET的栅极与所述低压输入控制电路相连接，所述第一电阻的一端与所述第三NMOSFET的漏极相连接，所述第一电阻的另一端连接电荷泵，所述第一二极管与所述第一电阻并联，所述第九N沟道增强型场效应管NMOSFET的源极接地，所述第九N沟道增强型场效应管NMOSFET的栅极连接第一电压源，所述第三NMOSFET的栅极连接第二电压源。

5.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，所述第二电平转换电路包括第十NMOSFET、第六NMOSFET、第四NMOSFET、第二电阻和第二二极管；所述第四NMOSFET的源极与所述第六NMOSFET的漏极相连接，所述第四NMOSFET的栅极连接第二电压源，所述第六NMOSFET的源极与所述第十NMOSFET的漏极相连接，所述第十NMOSFET的源极接地，所述第十NMOSFET的栅极连接第一电压源，所述第六NMOSFET的栅极与所述低压输入控制电路相连接，所述第二电阻的一端与所述第四NMOSFET的漏极相连接，所述第二电阻的另一端连接电荷泵，所述第二二极管与所述第二电阻并联。

6.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，所述第三电平转换电路包括第十一NMOSFET、第七NMOSFET、第五NMOSFET、第一NMOSFET、第一P沟道增强型场效应管PMOSFET、第二PMOSFET、第三二极管和第三电阻；所述第五NMOSFET的源极与所述第七NMOSFET的漏极相连接，所述第七NMOSFET的源极与所述第十一NMOSFET的漏极相连接，所述第七NMOSFET的栅极与所述低压输入控制电路相连接，所述第十一NMOSFET的源极接地，所述第十一NMOSFET的栅极连接第一电压源，所述第一NMOSFET的源极与所述第五NMOSFET的漏极相连接，所述第五NMOSFET的栅极连接第二电压源，所述第一NMOSFET的漏极与所述第一P沟道增强型场效应管PMOSFET的漏极相连接，所述第一P沟道增强型场效应管PMOSFET的栅极与所述第二电平转换电路相连接，所述第一P沟道增强型场效应管PMOSFET的源极连接电荷泵，所述第二PMOSFET的栅极与所述第二电平转换电路相连接，所述第二PMOSFET的源极连接电荷泵，所述第一NMOSFET的栅极与所述第二PMOSFET的漏极相连接，所述第三电阻的第一端与所述第五NMOSFET的漏极相连接，所述第三电阻的第二端与所述第三二极管的正极端相连接，所述第三二极管的负极端与所述第二PMOSFET的漏极相连接；所述第一P沟道增强型场效应管PMOSFET的栅极与所述第二PMOSFET的栅极相连接。

7.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一所述的高边功率金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的驱动保护电路。

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