CN113162014A - 一种带防反接h桥驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带防反接H桥驱动电路，包括电源正极VDD和电源负极GND，防反、控制电平转换及死区控制电路、晶体管NM5和H桥驱动电路，电源正极VDD直接向防反、控制电平转换及死区控制电路供电，并通过防反接作用的晶体管NM5向H桥驱动电路供电，可防电源电压反接，避免反接误操作烧毁芯片，同时防反接电路采用N型MOS管实现，比P型MOS管实现有更小的导通电阻，也节省了芯片面积。

Description

一种带防反接H桥驱动电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体是涉及一种带防反接H桥驱动电路。

背景技术

H桥电路结构，起名于形状酷似字母“H”，经常被用于作为风扇，电机输出驱动电路。H桥电路包括四个晶体管和一个电机，要让电机正常工作，必须使对角线上的一对晶体管导通，根据不同对角线上三极管对的导通情况，电流流向可能从左至右或从右至左，因而决定电机的转向。传统的H桥驱动电路的上桥臂为两个PMOS管，下桥臂为两个NMOS管，如图1所示，Q1和Q3是PMOS管，Q2和Q4为NMOS管。但传统结构中存在问题，由于空穴的迁移率比电子迁移率要低，所以通常两个PMOS管Q1和Q3的面积为两个NMOS管Q2和Q4面积的2～3倍，这就大大增加了芯片自身的面积。尤其在大功率驱动应用中，芯片的面积主要是由输出管决定，因此要想降低芯片的面积，必须要降低输出管的面积，从而使得芯片的制作成本能够更低。

另外，在芯片的日常使用过程中，总会发生电源接反导致芯片烧毁的情况。尤其在H桥驱动电路中，当电源和地接反时，输出桥臂中就会流过相当大的电流，从而导致芯片烧毁。因此，为H桥驱动电路设计一个防反接功能是非常重要的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种带防反接H桥驱动电路，可防电源电压反接，避免反接误操作烧毁芯片，同时防反接电路采用N型MOS管实现，比P型MOS管实现有更小的导通电阻，也节省了芯片面积。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带防反接H桥驱动电路，包括电源正极VDD和电源负极GND，还包括防反、控制电平转换及死区控制电路、晶体管NM5和H桥驱动电路，电源正极VDD直接向防反、控制电平转换及死区控制电路供电，并通过防反接作用的晶体管NM5向H桥、电荷泵电路和高压稳压电路供电。

作为本发明进一步的方案，所述H桥驱动电路包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的漏极接至晶体管NM5的漏极，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的源极接至电源负极GND；第一NMOS管NM1的源极与第三NMOS管NM3的漏极间为第一输出端DRV1，第二NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM4的漏极间为第二输出端DRV2，由外部晶体管NM1,NM2,NM3,NM4组成的H桥驱动电路、起防反作用的晶体管NM5。

在本发明中，H桥驱动电路包括4个组成桥臂的第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的漏极接至晶体管NM5的漏极，并接至电荷泵电路的输入V1和高压稳压电路的输入V1，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的源极接至电源负极GND；第一NMOS管NM1的源极与第三NMOS管NM3的漏极间为第一输出端DRV1，第二NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM4的漏极间为第二输出端DRV2，用于单相风扇，电机等。

作为本发明进一步的方案，还包括电荷泵电路、高压稳压电路和低压控制电路，所述电荷泵电路、高压稳压电路通过晶体管NM5与电源正极VDD连接，所述低压控制电路一端与高压稳压电路连接，另一端与防反、控制电平转换及死区控制电路连接。

作为本发明进一步的方案，所述防反、控制电平转换及死区控制电路的输入端连接至电源正极VDD、电荷泵电路高压输出端CP、低压控制电路的输出端，其四个输出端H1、H2、L1、L2分别连接至第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极，具体为，电源正极VDD分别连接至晶体管NM5的源极和防反、控制电平转换及死区控制电路；电荷泵电路的输出CP连接至防反、控制电平转换及死区控制电路；高压稳压电路的输出连接至低压控制电路；所述晶体管NM5的栅极VRG连接至防反、控制电平转换及死区控制电路；所述防反、控制电平转换及死区控制电路的输出H1、H2 、L1、L2分别连接至第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极。

作为本发明进一步的方案，所述防反、控制电平转换及死区控制电路包括输入CP、输出VRG、第一电阻R1、第二电阻R2、PMOS管PM1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，电源正极VDD连接至第一电阻R1和第二电阻R2一端，第一电阻R1另一端连接至第三二极管D3的正极、PMOS管PM1的栅极和第二二极管D2的负极；所述第二二极管D2的正极连接至电源负极GND；所述第二电阻R2另一端连接至输出VRG和PMOS管PM1的漏极；所述输入CP连接至第一二极管D1的正极；所述第一二极管D1的负极连接至第三二极管D3的负极和PMOS管PM1的源极。

作为本发明进一步的方案，所述第三二极管D3为PMOS管PM1的栅极防击穿电压。

作为本发明进一步的方案，所述晶体管NM5为起防反作用的NMOS管，当电源VDD和地GND接反时，晶体管NM5为正常的工作方式，但此时栅极电压为低电压，晶体管NM5关断。

作为本发明进一步的方案，所述电荷泵电路的输入为V1,连接至晶体管NM5的漏极，其输出为CP,连接至防反、控制电平转换及死区控制电路，用来驱动NMOS管开启。具体为：电荷泵电路，其输入为V1,连接至晶体管NM5的漏极，其输出为CP,连接至防反、控制电平转换及死区控制电路，经电荷泵升压后，输出电压CP可用来驱动NMOS管开启；高压稳压电路，其输入电压为V1，经过稳压后输出低电压为芯片内部其他电路供电；低压控制电路，此电路接收外部的控制信号，经过一定控制逻辑运算后输出控制信号给防反、控制电平转换及死区控制电路；防反、控制电平转换及死区控制电路为具有防反、控制电平转换及死区控制功能的电路。

作为本发明进一步的方案，所述电源正极VDD分别连接至晶体管NM5的源极和防反、控制电平转换及死区控制电路，用于给防反、控制电平转换及死区控制电路和H桥电路供电。

本发明通过电荷泵电路、高压稳压电路、低压控制电路、防反、控制电平转换及死区控制电路供电，由外部晶体管NM1,NM2,NM3,NM4组成的H桥驱动电路、起防反作用的晶体管NM5；其中包括防反接电路，CP端通过控制管PM1连至NM5的栅极，电源正常时，PM1的源极电压比栅极高，PM1正常导通，此时VRG的电压为CP减D1的正向导通电压，驱动MN5管导通；电源反接时，PM1的栅极与源极均为高压，PM1不导通，此时NM5的栅端为低压，NM5管关断。本发明由于采用了电源地防反接功能，可防止使用过程中，电源地反接使芯片烧毁。本发明由于采用的电源地防反接电路采用N型管实现，比P型管实现有更小的导通电阻，也节省了芯片面积。本发明由于采用的电源地防反接电路结构简单，可有效防止在版图绘制中由于体内寄生效应产生防反接失效的情况。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明：

图1是传统的H桥驱动电路结构框图。

图2是本发明的结构框图。

图3是本发明的防反接电路的原理图。

具体实施方式：

下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的电路图应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图2所示，一种带防反接H桥驱动电路，包括电源正极VDD和电源负极GND、电荷泵电路、高压稳压电路、低压控制电路，防反、控制电平转换及死区控制电路供电，由外部晶体管NM1,NM2,NM3,NM4组成的H桥驱动电路、起防反作用的晶体管NM5，通过电源正极直接向防反、控制电平转换及死区控制电路供电供电，并通过防反接作用的晶体管NM5向H桥、电荷泵电路和高压稳压电路供电。

其中，H桥驱动电路包括4个组成桥臂的第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的漏极接至晶体管NM5的漏极，并接至电荷泵电路的输入V1和高压稳压电路的输入V1，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的源极接至电源负极GND；第一NMOS管NM1的源极与第三NMOS管NM3的漏极间为第一输出端DRV1，第二NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM4的漏极间为第二输出端DRV2，用于单相风扇，电机等。

进一步优选，电源正极VDD分别连接至晶体管NM5的源极和防反、控制电平转换及死区控制电路供电，用于给防反、控制电平转换及死区控制电路供电和H桥电路供电。电荷泵电路，其输入为V1,连接至晶体管NM5的漏极，其输出为CP,连接至防反、控制电平转换及死区控制电路，用来驱动NMOS管开启；高压稳压电路，其输入电压为V1，连接至晶体管NM5的漏极，输出连接至低压控制电路，用来为芯片内部其他电路供电；低压控制电路，其输入连接至高压稳压电路，输出连接至防反、控制电平转换及死区控制电路，通过接收外部的控制信号，经过一定控制逻辑运算后输出控制信号；防反、控制电平转换及死区控制电路为具有防反、控制电平转换及死区控制功能的电路；其输入端连接至电源正极VDD、电荷泵高压输出端CP、低压控制电路的输出端，其四个输出端H1、H2 、L1、L2分别连接至第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极。H桥驱动电路采用N型管实现。

进一步优选，内部防反电路包括输入CP、输出VRG、电源正极VDD、电源负极GND、第一电阻R1和第二电阻R2、PMOS管PM1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，所述电源正极VDD连接至第一电阻R1和第二电阻R2一端，第一电阻R1另一端连接至第三二极管D3的正极、PMOS管PM1的栅极和第二二极管D2的负极；第二二极管D2的正极连接至电源负极GND；第二电阻R2另一端连接至输出VRG和PMOS管PM1的漏极；输入CP连接至第一二极管D1的正极；第一二极管D1的负极连接至第三二极管D3的负极和PMOS管PM1的源极，其中，第三二极管D3为PMOS管PM1的栅极防击穿电压。

晶体管NM5是起防反作用的NMOS。当电源VDD和地GND接反时，晶体管NM5为正常的工作方式，但此时栅极电压为低电压，晶体管NM5关断。

在本发明中，电源正常时，PM1的源极电压比栅极高，PM1正常导通，此时VRG的电压为CP减D1的正向导通电压，驱动MN5管导通；电源反接时，PM1的栅极与源极均为高压，PM1不导通，此时NM5的栅端为低压，NM5管关断。本发明由于采用了电源地防反接功能，可防止使用过程中，电源地反接使芯片烧毁。

以下提供本发明一具体的实施例

实施例1

参照图2-图3所示，本发明包括电源正极VDD和电源负极GND、电荷泵电路101、高压稳压电路102、低压控制电路103，防反、控制电平转换及死区控制电路104，外部晶体管NM1,NM2,NM3,NM4组成的H桥驱动电路、起防反作用的晶体管NM5；其中，防反、控制电平转换及死区控制电路为具有防反、控制电平转换及死区控制功能的电路；电源正极直接向防反、控制电平转换及死区控制电路供电，并通过防反接作用的晶体管NM5向H桥、电荷泵电路和高压稳压电路供电；由于采用的电源地防反接电路采用N型管实现，比P型管实现有更小的导通电阻，也节省了芯片面积。

参照图2，电荷泵电路的输入为V1源于NM5的漏极，输出为CP，经电荷泵升压后，输出比V1高5V，用来驱动NM5管开启；电荷泵的输出还连接到防反、控制电平转换及死区控制电路，用于控制电平转换及死区控制，其中包括防反接电路；同时，高压稳压电路的输入也源于V1，经过稳压后输出到低压控制电路，产生低电压为芯片内部其他电路供电；另外，低压控制电路接收外部的控制信号，经过一定控制逻辑运算后输出控制信号给防反、控制电平转换及死区控制电路；

参照图2，H桥驱动电路包括4个组成桥臂的第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的漏极接至晶体管NM5的漏极，并接至电荷泵电路的输入V1和高压稳压电路的输入V1，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的源极接至电源负极GND；第一NMOS管NM1的源极与第三NMOS管NM3的漏极间为第一输出端DRV1，第二NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM4的漏极间为第二输出端DRV2，用于单相风扇，电机等；电源正极VDD分别连接至晶体管NM5的源极和防反、控制电平转换及死区控制电路；防反、控制电平转换及死区控制电路的四个输出H1、H2、L1、L2分别连接至第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极；

参照图3，内部防反电路包括输入CP、输出VRG、电源正极VDD、电源负极GND、第一电阻R1和第二电阻R2、PMOS管PM1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，电源正极VDD连接至第一电阻R1和第二电阻R2一端，第一电阻R1另一端连接至第三二极管D3的正极、PMOS管PM1的栅极和第二二极管D2的负极；第二二极管D2的正极连接至电源负极GND ；第二电阻R2另一端连接至输出VRG和PMOS管PM1的漏极；输入CP连接至第一二极管D1的正极；第一二极管D1的负极连接至第三二极管D3的负极和PMOS管PM1的源极；电源正常时，PM1的源极电压比栅极高，PM1正常导通，此时VRG的电压为CP减D1的正向导通电压，驱动MN5管导通；电源反接时，PM1的栅极与源极均为高压，PM1不导通，此时NM5的栅端为低压，NM5管关断。本发明由于采用了电源地防反接功能，可防止使用过程中，电源地反接使芯片烧毁，以及采用的电源地防反接电路结构简单，可有效防止在版图绘制中由于体内寄生效应产生防反接失效的情况。

正常工作情况下，各电路正常，经电荷泵升压后，输出CP的电压比VDD高5V，此时二极管D2处在反向偏置，不通。同时，PM1的栅极电压被R1电阻拉至VDD。由于PM1的源极电压比栅极电压高，所以PM1正常导通，从而，VRG的电压为CP减去D1的正向导通电压，驱动MN5管导通。其中，D3为PM1的栅极防击穿电压。

当处于反接情况时，即电源VDD和GND接反，此时GND端为高压，VDD为低压。因此PM1的栅极电压VGND减去D2的正向导通电压，源极为VGND减去D2和D3的正向导通电压，均为高压，所以PM1不导通。此时VRG的电压由R2电阻拉至VDD电压。外部NM5关闭。进而能够有效地防止大电流的产生。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带防反接H桥驱动电路，包括电源正极VDD和电源负极GND，其特征在于，还包括防反、控制电平转换及死区控制电路、晶体管NM5和H桥驱动电路，电源正极VDD直接向防反、控制电平转换及死区控制电路供电，并通过防反接作用的晶体管NM5向H桥驱动电路供电。

2.如权利要求1的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述H桥驱动电路包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4，第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的漏极接至晶体管NM5的漏极，第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的源极接至电源负极GND；第一NMOS管NM1的源极与第三NMOS管NM3的漏极间为第一输出端DRV1，第二NMOS管NM2的源极和第四NMOS管NM4的漏极间为第二输出端DRV2。

3.如权利要求1的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，还包括电荷泵电路、高压稳压电路和低压控制电路，所述电荷泵电路、高压稳压电路通过晶体管NM5与电源正极VDD连接，所述低压控制电路一端与高压稳压电路连接，另一端与防反、控制电平转换及死区控制电路连接。

4.如权利要求1的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述防反、控制电平转换及死区控制电路的输入端连接至电源正极VDD、电荷泵电路高压输出端CP、低压控制电路的输出端，其四个输出端H1、H2 、L1、L2分别连接至第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管NM4的栅极。

5.如权利要求1的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述防反、控制电平转换及死区控制电路包括输入CP、输出VRG、第一电阻R1、第二电阻R2、PMOS管PM1、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3，电源正极VDD连接至第一电阻R1和第二电阻R2一端，第一电阻R1另一端连接至第三二极管D3的正极、PMOS管PM1的栅极和第二二极管D2的负极；所述第二二极管D2的正极连接至电源负极GND；所述第二电阻R2另一端连接至输出VRG和PMOS管PM1的漏极；所述输入CP连接至第一二极管D1的正极；所述第一二极管D1的负极连接至第三二极管D3的负极和PMOS管PM1的源极。

6.如权利要求5的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述第三二极管D3为PMOS管PM1的栅极防击穿电压。

7.如权利要求5的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述晶体管NM5为起防反作用的NMOS管，当电源VDD和地GND接反时，晶体管NM5为正常的工作方式，但此时栅极电压为低电压，晶体管NM5关断。

8.如权利要求7的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述电荷泵电路的输入为V1,连接至晶体管NM5的漏极，其输出为CP,连接至防反、控制电平转换及死区控制电路，用来驱动NMOS管开启。

9.如权利要求7的一种带防反接H桥驱动电路，其特征在于，所述电源正极VDD分别连接至晶体管NM5的源极和防反、控制电平转换及死区控制电路，用于给防反、控制电平转换及死区控制电路和H桥电路供电。

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