CN113873723A - 一种高性能的浮栅nmos功率管驱动控制电路 - Google Patents

一种高性能的浮栅nmos功率管驱动控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路，涉及LED开关控制电路领域，该驱动控制电路包括电荷泵电路和驱动模组，电荷泵电路对待控制二极管的正极信号线的电压升压后输出驱动电压至驱动模组来控制浮栅NMOS功率管，使得驱动模组有足够的驱动电压裕量，从而可以在VBAT不同的应用中仍然能有效驱动和控制并且都有较好的导通特性，高压运放电路内部产生一个高压域等效共模地节点使得驱动模组的参考电位具有响应速度快的特性，该驱动控制电路具有动态响应好，工作电压范围宽，驱动精度高等特性，可广泛应用于LED驱动芯片或者电源管理芯片中。

Description

一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路
技术领域
本发明涉及LED开关控制电路领域，尤其是一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路。
背景技术
近年来，在汽车和新型消费电子中，LED灯串的应用越来越多，并且很多应用都要求能对LED矩阵上的LED灯进行单点操作控制，因此对LED的控制也越来越复杂。常见的LED灯串或者点阵有串联或者并联两种连接方式，当灯的数量较多时，如果使用并联LED，那么所有LED灯上的电流加起来会非常大，这不仅会使导线上的压降变大，还会使芯片的EMI特性变差，而串联的级联方式可以使得总线上的电流为单颗LED灯上的电流，导线上的压降会显著减小，EMI特性也会变好，因此串联的LED级联方式在LED灯串和矩阵灯应用中越来越常见。
而为了使LED灯串达到PWM调光、闪烁灯效等效果，就需要对每个LED可以独立进行开关控制，如图1所示，每个LED两端并联开关，在实际芯片中，每个开关都由LED开关控制电路实现，但典型LED开关控制电路如图2所示。
图2中，当OFF＝1，开关SW2闭合，同时ON＝0，开关SW1断开时，GA点被拉至高电位，NMOS管M2导通，GB点被下拉至低电位，NMOS管M1关断，LED_P上电流从LED灯上流过，LED的为开灯状态。当OFF＝0，开关SW2断开，同时ON＝1，开关SW1闭合时，GA点被拉至低电位，NMOS管M2断开，GB点被上拉至高电位，NMOS管M1导通，LED_P上电流从M1上流过，LED被旁路，LED的为关灯状态。
但是在图2的结构中，LED开关控制电路中驱动端的供电电源为电池电源VBAT，当VBAT与LED_N的压差不够时，MOS管M1和M2无法完全导通，这会影响开关控制电路的性能。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路，本发明的技术方案如下：
一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路，浮栅NMOS功率管的漏极与待控制二极管的阳极相连并连接正极信号线，浮栅NMOS功率管的源极与待控制二极管的阴极相连并连接负极信号线，该驱动控制电路包括电荷泵电路和驱动模组，驱动模组包括高压运放电路、低压域开关信号传输电路和高压域浮栅驱动控制电路；电荷泵电路对正极信号线的电压升压后输出驱动电压HV_SUP至驱动模组；
在高压域浮栅驱动控制电路中，PMOS管MP2的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极通过第二电阻R2连接高压运放电路的输出端REG_LEDN，MP2和R2的公共端PD_OUT连接NMOS管MN2的栅极，MN2的源极连接高压运放电路的输出端REG_LEDN；PMOS管MP1的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极通过第一电阻R1连接高压运放电路的输出端REG_LEDN，MP1和R1的公共端DRV_OUT连接MN2的漏极并作为驱动控制电路的输出端连接浮栅NMOS功率管的栅极；
高压运放电路中的高压钳位运放的同相输入端连接负极信号线、反相输入端连接输出端；开关控制信号通过低压域开关信号传输电路分别连接到MP2和MP1的栅极。
其进一步的技术方案为，高压运放电路还包括第三偏置电流IB3、第四偏置电流IB4和PMOS管MP3，IB3和IB4的正极分别连接驱动电压HV_SUP，高压钳位运放的电源端连接IB4的负极、接地端接地，IB3的负极连接高压运放电路的输出端REG_LEDN，高压运放电路中的差分对的输出控制PMOS管MP7的栅端，使驱动电流从REG_LEDN节点通过MP7流到地。
其进一步的技术方案为，高压钳位运放包括PMOS管MP5和MP6，以及NMOS管MN5、MN6、MN7和MN8，MP5和MP6的源极相连并连接IB4的负极，MP5的漏极连接MN5的漏极，MP5的栅极连接负极信号线，MN5的源极连接MN7的漏极、MN7的栅极以及MN8的栅极，MN7的源极接地；MP6的漏极连接MN6的漏极，MP6的栅极连接高压运放电路的输出端，MN6的源极连接MN8的漏极，MN8的源极接地，MN5和MN6的栅极相连并连接使能端，MP7的栅极连接MN6的漏极、源极连接REG_LEDN、漏极接地。
其进一步的技术方案为，开关控制信号包括一对不交叠的打开信号LED_ON和关闭信号LED_OFF，当打开信号LED_ON为高电平、关闭信号LED_OFF为低电平时，MP2导通、MP1关断，待控制二极管导通；
当打开信号LED_ON为低电平、关闭信号LED_OFF为高电平时，MP2关断、MP1导通，待控制二极管关闭。
其进一步的技术方案为，低压域开关信号传输电路包括PMOS管MP3和MP4，以及NMOS管MN3和MN4，以及第一偏置电流IB1和第二偏置电流IB2；
MP4的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极连接MN4的漏极，MN4的源极连接第二偏置电流IB2的正极，第二偏置电流IB2的负极接地，MP4的栅极连接漏极并连接MP2的栅极；
MP3的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极连接MN3的漏极，MN3的源极连接第一偏置电流IB1的正极，第一偏置电流IB1的负极接地，MP3的栅极连接漏极并连接MP1的栅极；
MN4的栅极受控于打开信号LED_ON，MN3的栅极受控于关闭信号LED_OFF。
其进一步的技术方案为，浮栅NMOS功率管的开关控制斜率与IB1、IB2、MP1和MP2的尺寸相关且可调。
其进一步的技术方案为，驱动控制电路包括电荷泵电路和若干个驱动模组，电荷泵电路分别输出驱动电压HV_SUP至各个驱动模组，每个驱动模组连接至一个浮栅NMOS功率管的栅极，各个浮栅NMOS功率管的两端连接的待控制二极管依次串联。
其进一步的技术方案为，电荷泵电路对正极信号线的电压升压后输出的驱动电压HV_SUP＝VLED_P+VBAT，VLED_P表示正极信号线的电压，VBAT为电池电压。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路，通过电荷泵将待控制二极管的正极信号线的电压升压后利用驱动模组驱动浮栅NMOS管，可以在VBAT不同的应用中仍然能有效驱动和控制LED器件，并且都有较好的导通特性。高压运放电路内部产生一个高压域等效共模地节点REG_LEDN，使得驱动模组的参考电位具有响应速度快的特性，并且驱动电流不会影响LED上电流的精度。通过调节低压域开关信号传输模块和高压域开关控制模块中的器件尺寸，可以调整开关的控制斜率，提升模块或芯片整体的EMI特性。本申请的浮栅NMOS功率管驱动控制电路具有动态响应好，工作电压范围宽，驱动精度高、可多级拓展级联应用、EMI特性好的特性，可广泛应用于LED驱动芯片或者电源管理芯片中。
附图说明
图1是现有的对LED灯串的每个LED独立进行开关控制的示意图。
图2是用于实现图1中单个开关功能的LED开关控制电路的电路图。
图3是本申请的浮栅NMOS功率管驱动控制电路的电路结构图。
图4是本申请的浮栅NMOS功率管驱动控制电路的电路图。
图5是本申请的浮栅NMOS功率管驱动控制电路的多级拓展级联应用的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路，请参考图3，浮栅NMOS功率管MN1的漏极与待控制二极管的阳极相连并连接正极信号线LED_P，浮栅NMOS功率管MN1的源极与待控制二极管的阴极相连并连接负极信号线LED_N。驱动控制电路包括电荷泵电路和驱动模组，电荷泵电路对正极信号线的电压VLED_P升压后输出驱动电压HV_SUP至驱动模组。在本申请中，如图3所示，电荷泵电路连接正极信号线以及电池电压VBAT，输出的驱动电压HV_SUP＝VLED_P+VBAT，使得驱动模组有足够的驱动电压裕量，在任何条件下都可以使浮栅NMOS功率管MN1完全导通或者关断，可在VBAT不同的应用中仍然能有效驱动和控制LED器件并且都有较好的导通特性。
驱动模组连接浮栅NMOS功率管MN1的栅极以及负极信号线LED_N，驱动模组包括高压运放电路、低压域开关信号传输电路和高压域浮栅驱动控制电路。高压运放电路中的高压钳位运放的同相输入端连接负极信号线LED_N、反相输入端连接输出端REG_LEDN并连接至高压域浮栅驱动控制电路，高压钳位运放通过负反馈环路调整，使得输出端REG_LEDN的电压等于负极信号线LED_N的电压，给驱动控制电路提供参考电压。
开关控制信号通过低压域开关信号传输电路连接到高压域浮栅驱动控制电路，开关控制信号包括一对不交叠的打开信号LED_ON和关闭信号LED_OFF，低压域开关信号传输电路将开关控制信号从低压域转换到高圧域，相应提供高圧域打开信号LV_HV_ON和关闭信号LV_HV_OFF。
具体的，如图4所示，在高压域浮栅驱动控制电路中，PMOS管MP2的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极通过第二电阻R2连接高压运放电路的输出端REG_LEDN，MP2和R2的公共端PD_OUT连接NMOS管MN2的栅极，MN2的源极连接高压运放电路的输出端REG_LEDN。PMOS管MP1的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极通过第一电阻R1连接高压运放电路的输出端REG_LEDN，MP1和R1的公共端DRV_OUT连接MN2的漏极并作为驱动控制电路的输出端连接浮栅NMOS功率管的栅极。
开关控制信号通过低压域开关信号传输电路分别连接到MP2和MP1的栅极。当打开信号LED_ON为高电平、关闭信号LED_OFF为低电平时，MP2导通、MP1关断，电流通过MP2流至R2拉高PD_OUT的电位，此时VDRV_OUT＝VREG_LEDN＝VLED_N，VDRV_OUT是MN1的栅极所连的DRV_OUT节点的电压，VREG_LEDN是高压运放电路的输出端REG_LEDN节点处的电压，VLED_N是负极信号线LED_N的电压。PD_OUT节点相对于LED_N为低电位，因此开关管MN1断开，电流从待控制二极管上流过，待控制二极管导通。当打开信号LED_ON为低电平、关闭信号LED_OFF为高电平时，MP2关断、MP1导通，PD_OUT相对REG_LEDN为低电平，电流通过MP1流至R1拉高DRV_OUT的电位，此时VDRV_OUT＝VREG_LEDN+IMP1*R1＝VLED_N+IMP1*R1，IMP1为通过MP1流至R1的电流值，R1表示电阻R1的阻值。DRV_OUT节点相对于LED_N为高电位，因此开关管MN1导通，电流从MN1管上流过，待控制二极管关闭。
高压运放电路还包括第三偏置电流IB3、第四偏置电流IB4和PMOS管MP3，IB3和IB4的正极分别连接驱动电压HV_SUP，高压钳位运放的电源端连接IB4的负极、接地端接地，IB3的负极连接高压运放电路的输出端REG_LEDN，高压运放电路中的差分对MP6和MP5的输出控制MP7的栅端，使驱动电流从REG_LEDN节点通过MP7流到地GND，从而得到VREG_LEDN＝VLED_N,避免了传统方案中调制电流从LED_N流出带来的LED电流精度的误差。
具体的，高压钳位运放包括PMOS管MP5和MP6，以及NMOS管MN5、MN6、MN7和MN8。MP5和MP6的源极相连并连接IB4的负极，MP5的漏极连接MN5的漏极，MP5的栅极连接负极信号线，MN5的源极连接MN7的漏极、MN7的栅极以及MN8的栅极，MN7的源极接地。MP6的漏极连接MN6的漏极，MP6的栅极连接高压运放电路的输出端，MN6的源极连接MN8的漏极，MN8的源极接地，MN5和MN6的栅极相连并连接使能端，MP7的栅极连接MN6的漏极、源极连接REG_LEDN、漏极接地。
低压域开关信号传输电路包括PMOS管MP3和MP4，以及NMOS管MN3和MN4，以及第一偏置电流IB1和第二偏置电流IB2。MP4的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极连接MN4的漏极，MN4的源极连接第二偏置电流IB2的正极，第二偏置电流IB2的负极接地，MP4的栅极连接漏极并连接MP2的栅极。MP3的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极连接MN3的漏极，MN3的源极连接第一偏置电流IB1的正极，第一偏置电流IB1的负极接地，MP3的栅极连接漏极并连接MP1的栅极。MN4的栅极受控于打开信号LED_ON，MN3的栅极受控于关闭信号LED_OFF。
当打开信号LED_ON为高电平、关闭信号LED_OFF为低电平时，此时低压域开关信号传输电路输出给MP2的LV_HV_ON为低电平、输出给MP1的LV_HV_OFF为高电平，使得MP2导通、MP1关断。当打开信号LED_ON为低电平、关闭信号LED_OFF为高电平时，此时低压域开关信号传输电路输出给MP2的LV_HV_ON为高电平、输出给MP1的LV_HV_OFF为低电平，使得MP2关断、MP1导通。
浮栅NMOS功率管的开关控制斜率与IB1、IB2、MP1和MP2的尺寸相关且可调，通过调节IB1、IB2、MP1和MP2的尺寸就可以改变MN2导通或者关断的斜率，从而达到改善EMI特性的目的
该驱动控制电路还可多级拓展级联应用，如图5所示，驱动控制电路包括电荷泵电路和若干个驱动模组，电荷泵电路分别输出驱动电压HV_SUP至各个驱动模组，每个驱动模组连接至一个浮栅NMOS功率管的栅极，各个浮栅NMOS功率管的两端连接的待控制二极管依次串联，图5为了方便示意未示出各个待控制二极管之间的串联结构。各个驱动模组独立控制所连接的浮栅NMOS功率管，具体连接方式以及控制过程都如上所述。各个驱动模组共用一个电荷泵电路，可以有效降低芯片面积和功耗。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高性能的浮栅NMOS功率管驱动控制电路，浮栅NMOS功率管的漏极与待控制二极管的阳极相连并连接正极信号线，所述浮栅NMOS功率管的源极与所述待控制二极管的阴极相连并连接负极信号线，其特征在于，所述驱动控制电路包括电荷泵电路和驱动模组，所述驱动模组包括高压运放电路、低压域开关信号传输电路和高压域浮栅驱动控制电路；所述电荷泵电路对所述正极信号线的电压升压后输出驱动电压HV_SUP至所述驱动模组；
在所述高压域浮栅驱动控制电路中，PMOS管MP2的源极连接驱动电压HV_SUP、漏极通过第二电阻R2连接所述高压运放电路的输出端REG_LEDN，MP2和R2的公共端PD_OUT连接NMOS管MN2的栅极，MN2的源极连接所述高压运放电路的输出端REG_LEDN；PMOS管MP1的源极连接所述驱动电压HV_SUP、漏极通过第一电阻R1连接所述高压运放电路的输出端REG_LEDN，MP1和R1的公共端DRV_OUT连接MN2的漏极并作为所述驱动控制电路的输出端连接所述浮栅NMOS功率管的栅极；
所述高压运放电路中的高压钳位运放的同相输入端连接所述负极信号线、反相输入端连接输出端；开关控制信号通过所述低压域开关信号传输电路分别连接到MP2和MP1的栅极。
2.根据权利要求1所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述高压运放电路还包括第三偏置电流IB3、第四偏置电流IB4和PMOS管MP3，IB3和IB4的正极分别连接所述驱动电压HV_SUP，所述高压钳位运放的电源端连接IB4的负极、接地端接地，IB3的负极连接所述高压运放电路的输出端REG_LEDN，所述高压运放电路中的差分对的输出控制PMOS管MP7的栅端，使驱动电流从REG_LEDN节点通过MP7流到地。
3.根据权利要求2所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述高压钳位运放包括PMOS管MP5和MP6，以及NMOS管MN5、MN6、MN7和MN8，MP5和MP6的源极相连并连接IB4的负极，MP5的漏极连接MN5的漏极，MP5的栅极连接所述负极信号线，MN5的源极连接MN7的漏极、MN7的栅极以及MN8的栅极，MN7的源极接地；MP6的漏极连接MN6的漏极，MP6的栅极连接所述高压运放电路的输出端，MN6的源极连接MN8的漏极，MN8的源极接地，MN5和MN6的栅极相连并连接使能端，MP7的栅极连接MN6的漏极、源极连接REG_LEDN、漏极接地。
4.根据权利要求1所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述开关控制信号包括一对不交叠的打开信号LED_ON和关闭信号LED_OFF，当所述打开信号LED_ON为高电平、关闭信号LED_OFF为低电平时，MP2导通、MP1关断，所述待控制二极管导通；
当所述打开信号LED_ON为低电平、关闭信号LED_OFF为高电平时，MP2关断、MP1导通，所述待控制二极管关闭。
5.根据权利要求4所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述低压域开关信号传输电路包括PMOS管MP3和MP4，以及NMOS管MN3和MN4，以及第一偏置电流IB1和第二偏置电流IB2；
MP4的源极连接所述驱动电压HV_SUP、漏极连接MN4的漏极，MN4的源极连接第二偏置电流IB2的正极，所述第二偏置电流IB2的负极接地，MP4的栅极连接漏极并连接MP2的栅极；
MP3的源极连接所述驱动电压HV_SUP、漏极连接MN3的漏极，MN3的源极连接第一偏置电流IB1的正极，所述第一偏置电流IB1的负极接地，MP3的栅极连接漏极并连接MP1的栅极；
MN4的栅极受控于所述打开信号LED_ON，MN3的栅极受控于所述关闭信号LED_OFF。
6.根据权利要求5所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述浮栅NMOS功率管的开关控制斜率与IB1、IB2、MP1和MP2的尺寸相关且可调。
7.根据权利要求1-6任一所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述驱动控制电路包括电荷泵电路和若干个驱动模组，所述电荷泵电路分别输出驱动电压HV_SUP至各个驱动模组，每个驱动模组连接至一个浮栅NMOS功率管的栅极，各个浮栅NMOS功率管的两端连接的待控制二极管依次串联。
8.根据权利要求1-6任一所述浮栅NMOS功率管驱动控制电路，其特征在于，所述电荷泵电路对所述正极信号线的电压升压后输出的驱动电压HV_SUP＝VLED_P+VBAT，VLED_P表示正极信号线的电压，VBAT为电池电压。
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