CN113824437B - 一种栅极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种栅极驱动电路。本发明的电路克服了传统的微分电路功耗高，误差大的缺点。本发明提出一种可实现百分百占空比的高侧驱动电路结构，采用了片内集成电容的电荷泵驱动，并利用高频振荡器为电荷泵电容进行周期的充电，从而实现高侧功率NMOSFET的全周期开启。本发明采用片内集成电容电荷泵驱动，有效的避免了片外自举电容所需的最小关断时间，从而可以实现百分百占空比即高侧功率NMOSFET的全周期开启，从而提高输出电压的工作范围以及提高瞬态响应速度。

Description

一种栅极驱动电路
技术领域
本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种栅极驱动电路。
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。对于一个buck变换器来说当要求的输出电压以及输入电压相差不大，或者此时负载突然跳高，那么buck变换器的占空比就要达到百分之百，让高侧功率管保持全周期的开启。对于高侧功率管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)的结构，很容易让其保持全周期开启，但是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被更多的用来作为功率晶体管。但若想让高侧功率管为NMOSFET的buck变换器保持全周期的开启，就需要让其栅极在全周期内保持为两倍的电源电压。
传统的栅极电压抬升是利用片外的自举电容，但是在每个周期内需要引入一个最小关断时间来为自举电容进行充电，因此传统的驱动方法无法实现高侧功率NMOSFET的全周期开启。
发明内容
针对传统驱动方法中由于利用外部自举电容，需要最小关断时间为其充电而无法实现高侧功率NMOSFET全周期开启的问题，本发明提出一种可实现百分百占空比的高侧驱动电路结构，采用了片内集成电容的电荷泵驱动，并利用高频振荡器为电荷泵电容进行周期的充电，从而实现高侧功率NMOSFET的全周期开启。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种栅极驱动电路，包括振荡器、电平移位器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、辅助电荷泵、主电荷泵和放电通路；所述振荡器的输入端接外部控制信号，振荡器的输出端接电平移位器的输入端，振荡器输出的振荡信号电源轨为低电源电压；所述第一反相器的输入连接电平移位器的输出端并产生第一控制信号，所述第一控制信号经过第二反相器后产生第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号控制辅助电荷泵；所述辅助电荷泵包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容和第一电阻；第一控制信号通过第二电容后连接第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的源极以及第三NMOS管的栅极；第二控制信号通过第一电容连接第一NMOS管的源极以及第二NMOS管的栅极，并产生第一充电信号；第二控制信号还通过第三电容后连接第三NMOS管的源极，并产生第二充电信号；第一NMOS管的漏端接高电源电压；第二NMOS管的漏端通过第一电阻连接高电源电压；第三NMOS管的漏端连接高电源电压；所述主电荷泵包括第四NMOS管、PMOS管、高压PMOS管、第四电容、第五电容和第二电阻；第二控制信号经过第三反相器后得到第三控制信号，第三控制信号通过第四电容连接到第四NMOS的源极以及PMOS管的源极；PMOS管的漏端通过连接高压PMOS管的源端后连接到放电通路；第一充电信号和第二充电信号分别连接到PMOS和第四NMOS的栅极；高压PMOS管的栅极通过第二电阻接到高电源电压，高压PMOS的栅极还通过第五电容接到地；第四NMOS的漏端接到高电源电压；所述放电支路受到振荡信号控制，当外部控制信号为低时，所述放电通路将高压PMOS的驱动信号放电至地；当所述外部控制信号为高时，放电通路关闭。
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，有效的避免了片外自举电容所需的最小关断时间，从而可以实现百分百占空比即高侧功率NMOSFET的全周期开启，从而提高输出电压的工作范围以及提高瞬态响应速度。
附图说明
图1为本发明提出的高侧驱动电路结构示意图。
图2为本发明提出的高侧驱动电路为高侧功率管充电时的示意图。
图3为本发明提出的高侧驱动电路为主电荷泵中电容充电的示意图。。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
如图1为本发明提出的一种可实现百分百占空比的高侧驱动电路结构示意图。电路包括振荡器、电平移位器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、辅助电荷泵、主电荷泵和放电之路。所述振荡器的输入端信号为百分百电路控制信号，在需要百分百控制电路开启时转为高电平，控制振荡器开启，其输出的振荡信号连接电平移位器的输入端；所述振荡信号电源轨为低电源电压；所述第一反相器的输入连接电平移位器的输出端并产生第一控制信号，所述第一控制信号经过第二反相器后产生第二控制信号，第一和第二控制信号控制辅助电荷泵；所述辅助电荷泵包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻。第一控制信号通过电容C2连接第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的源极以及第三NMOS管的栅极；第二控制信号通过第一电容连接第一NMOS管的源极以及第二NMOS管的栅极，并产生第一充电信号；第二控制信号还通过第三电容连接第三NMOS管的源极，并产生第二充电信号；第一NMOS管的漏端接高电源电压；第二NMOS管的漏端通过第一电阻连接高电源电压；第三NMOS管的漏端连接高电源电压。所述主电荷泵包括第四NMOS管、第一PMOS管、第四电容、第五电容和第二电阻。第二控制信号经过第三反相器后得到第三控制信号，再通过第四电容连接到第四NMOS的源极以及第一PMOS的源极；第一PMOS的漏端通过连接第一耐压PMOS的源端后连接到放电通路；第一和第二充电信号分别连接到第一PMOS和第四NMOS的栅极；第一耐压PMOS的栅极一方面通过第二电阻接到高电源电压，另一方面通过第五电容接到地；第四NMOS的漏端接到高电源电压。所述放电支路受到振荡器输入信号控制，当百分百电路控制信号为低时，所述放电通路将高侧功率管的驱动信号放电至地；当所述百分百电路控制信号为高时，放电通路关闭。
图1所示电路中VDDH为高电源电压，低电平为GND，振荡器控制信号osc_ctrl是低电源电压VDDL电源轨下的控制信号，该信号控制振荡器产生低电源轨下的振荡信号osc_out。电平位移器将低电源轨osc_out抬升至高电源电压VDDH电源轨，随后连续通过三个反相器，分别产生了第一、第二和第三控制信号，第二控制信号分别经过第一和第三电容抬升后得到第一和第二充电信号cha_1和cha_2，第三控制信号再通过第四电容的抬升得到第一PMOS的源极，再通过第一充电信号控制的第一PMOS以及第一耐压PMOS来产生高侧栅极驱动信号HDRV。当振荡器控制信号为低时，说明此时无需高侧功率管开启，因此控制放电通路开启，为HDRV放电。
第一和第二NMOS形成交叉耦合结构，为第一和第二电容提供快捷的充电通路。第四NMOS为第四电容周期充电补充电荷。第2电阻R2和第五电容C5串联为第一耐压PMOS管的栅极提供稳定的高电源电压VDDH。
当电平移位器输出跳低(GND)时，对栅极控制信号HDRV充电，电路中各信号状态如图2所示。第一控制信号跳高(VDDH)，第二控制信号跳低(GND)，第三控制信号跳高(VDDH)。第一控制信号经第二电容C2抬升抬升电压，使第三NMOS管MN3的栅极电压抬升为2VDDH，而且第二控制信号经第三电容C3抬升后使其源极电压为VDDH，第三NMOS管MN3可以开启，使第三电容C3与电源VDDH直通，为其补充电荷。同理，第一NMOS管MN1的栅极电压也为2VDDH，其源极电压为第二控制信号经过第一电容抬升而得到的第一充电信号cha_1为VDDH，因此第一NMOS管MN1可以开启，为第一电容C1进行充电。第三控制信号经过第四电容C4抬升后，使第一PMOS的源端电压抬升为2VDDH，此时第四NMOS的栅极即第二充电信号为VDDH，因此第四NMOS关断，而第一PMOS的栅极电压cha_1为VDDH，因此第一PMOS此时开启，其漏端即第一耐压PMOS的源极也为2VDDH，而其栅端为固定VDDH，因此HMP1开启，第四电容C4为驱动的输出端HDRV充电，使其充电到2VDDH。
当电平移位器的输出为VDDH时，对主电荷泵中的第四电容进行充电，电路中各点的信号如图3所示。第一控制信号跳低(GND)，第二控制信号跳高(VDDH)，第三控制信号跳低(GND)。第一控制信号通过第二电容C2的抬升到VDDH，第二控制信号经过第一电容C1的抬升得到第一充电信号cha_1为2VDDH，并连接到第二NMOS管的栅极，因此第二NMOS管开启为第二电容C2充电，第二控制信号通过电容C3抬升得到第二充电信号cha_2为2VDDH，第三控制信号通过第四电容C4的抬升达到VDDH，而第四NMOS的栅极为第二充电信号cha_2，因此第四NMOS开启，来为第四电容进行充电，准备下一周期为高侧功率管的栅极电容充电，此时第一PMOS管MP1和第一耐压PMOS管HMP1关闭，但此时放电通路并不开启，驱动的输出电压会因为给高侧功率NMOS的栅极输入电容充电略有降低。
传统的高侧驱动电路需要利用片外的自举电容来实现2VDDH的驱动电压，但是这种结构需要最小关断时间为其充电，所以无法实现高侧功率管的全周期开启，而本发明通过引入一个辅助电荷泵、一个主电荷泵和一个振荡器，无需片外的自举电容来实现高侧驱动电压在全周期内保持在2VDDH，从而实现高侧功率管的全周期开启。

Claims (1)

1.一种栅极驱动电路，其特征在于，包括振荡器、电平移位器、第一反相器、第二反相器、第三反相器、辅助电荷泵、主电荷泵和放电通路；所述振荡器的输入端接外部控制信号，振荡器的输出端接电平移位器的输入端，振荡器输出的振荡信号电源轨为低电源电压；所述第一反相器的输入连接电平移位器的输出端并产生第一控制信号，所述第一控制信号经过第二反相器后产生第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号控制辅助电荷泵；所述辅助电荷泵包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一电容、第二电容、第三电容和第一电阻；第一控制信号通过第二电容后连接第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的源极以及第三NMOS管的栅极；第二控制信号通过第一电容连接第一NMOS管的源极以及第二NMOS管的栅极，并产生第一充电信号；第二控制信号还通过第三电容后连接第三NMOS管的源极，并产生第二充电信号；第一NMOS管的漏端接高电源电压；第二NMOS管的漏端通过第一电阻连接高电源电压；第三NMOS管的漏端连接高电源电压；所述主电荷泵包括第四NMOS管、PMOS管、高压PMOS管、第四电容、第五电容和第二电阻；第二控制信号经过第三反相器后得到第三控制信号，第三控制信号通过第四电容连接到第四NMOS的源极以及PMOS管的源极；PMOS管的漏端通过连接高压PMOS管的源端后连接到放电通路；第一充电信号和第二充电信号分别连接到PMOS和第四NMOS的栅极；高压PMOS管的栅极通过第二电阻接到高电源电压，高压PMOS的栅极还通过第五电容接到地；第四NMOS的漏端接到高电源电压；所述放电通路受到振荡信号控制，当外部控制信号为低时，所述放电通路将高压PMOS的驱动信号放电至地；当所述外部控制信号为高时，放电通路关闭。
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