CN114389438B - 开关电源及其自适应驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源及其自适应驱动电路，该驱动电路包括：快速驱动模块，用于接收开关管控制信号，获取功率开关管的漏极检测信号和栅极检测信号，根据开关管控制信号、漏极检测信号及栅极检测信号确定第一驱动信号，及根据第一驱动信号对开关管的栅极充电；电荷泵驱动模块，用于接收开关管控制信号，获取时钟信号及功率开关管的漏极检测信号，根据开关管控制信号、时钟信号及漏极检测信号确定第二驱动信号，及根据第二驱动信号对开关管的栅极充电；快速驱动模块的充电速率大于电荷泵驱动模块的充电速率；功率开关管根据第一驱动信号和第二驱动信号导通或者关断。本发明通过硬件电路自适应调节功率管驱动方式，环境兼容性强，成本低。

Description

开关电源及其自适应驱动电路
技术领域
本发明涉及开关电源驱动控制技术领域，尤其涉及一种开关电源及其自适应驱动电路。
背景技术
金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,简称MOS管）是开关电源的重要部件。在大功率应用环境下，开启或者关闭功率MOS管时，功率MOS管的栅极驱动电流要求较高，需要在控制电路与功率MOS管的栅极之间加入驱动电路，驱动电路不仅需要提供开启或者关闭功率MOS管所需要的大电流，还需要实现控制信号的电平转换，驱动电路的性能直接影响电源效率。
图1为现有的一种降压型电源转换器（Buck Converter）的结构示意图。如图1所示，在降压电源转换器中，设置两个功率管：上功率管HS和下功率管LS，其中，上功率管HS的漏极连接到电源和输入电容C1，下功率管LS的源极连接到地。上功率管HS的源极、下功率管LS的漏极及电感L0的第一端连接到节点SN。电感L0的第二端连接输出电容C0和负载，并输出电压。上功率管驱动电路Dr1和下功率管驱动电路Dr2分别接收控制电路提供的控制信号PWM，通过周期性地开启和关断上功率管HS和下功率管LS，控制转换器输出需要的电压和电流。
以上功率管HS和下功率管LS均为N型功率管为例，由于上功率管HS和下功率管LS的连接方式不同，上功率管驱动电路Dr1和下功率管驱动电路Dr2的要求不同。在开启上功率管HS时，需要将栅极电压抬升到高于电源电压，因此，上功率管HS的驱动电路除了需要提供电流外，还需要完成电平转换（即将低电平转换为高电平）。在开启下功率管LS时，驱动电路只需要提供足够大的驱动电流，无需电平转换。
在现有技术中，通常将驱动电路与功率MOSFET集成到同一芯片上，优化驱动效果，但是，集成设置存在以下问题，由于功率MOSFET用作上功率管与下功率管的应用场景存在差异，驱动电路需要根据具体应用环境自适应调节电平转换方式，驱动控制逻辑依赖复杂的数学计算甚至计算机仿真实现，应用难度大，设计成本高，实用性和不同场景下的兼容性较差。
发明内容
本发明提供一种发明名称，以实现通过硬件电路自适应调节功率管驱动方式，对不同应用环境的兼容性强，成本低。
第一方面，本发明实施例提供了一种自适应驱动电路，用于驱动功率开关管，所述驱动电路包括：与所述功率开关管连接的快速驱动模块和电荷泵驱动模块；所述快速驱动模块设有第一控制信号接收端和第一驱动信号输出端，所述第一驱动信号输出端与所述功率开关管的栅极电连接，所述第一控制信号接收端用于接收开关管控制信号，所述快速驱动模块用于获取所述功率开关管的漏极检测信号和栅极检测信号，并根据所述开关管控制信号、所述漏极检测信号及所述栅极检测信号确定第一驱动信号，以及根据所述第一驱动信号对所述功率开关管的栅极充电；所述电荷泵驱动模块设有第二控制信号接收端和第二驱动信号输出端，所述第二驱动信号输出端与所述功率开关管的栅极电连接，所述第二控制信号接收端用于接收开关管控制信号，所述电荷泵驱动模块用于获取时钟信号及所述功率开关管的漏极检测信号，并根据所述开关管控制信号、所述时钟信号及所述漏极检测信号确定第二驱动信号，以及根据所述第二驱动信号对所述功率开关管的栅极充电；所述第一驱动信号的充电速率大于所述第二驱动信号的充电速率；所述第一驱动信号和所述第二驱动信号用于驱动所述功率开关管导通或者关断。
第二方面，本发明实施例还提供了一种开关电源，包括：功率开关管，及上述自适应驱动电路，所述自适应驱动电路用于驱动所述功率开关管导通或者关断。
本发明实施例的技术方案，通过自适应驱动电路驱动功率开关管，该驱动电路设置快速驱动模块和电荷泵驱动模块，快速驱动模块通过第一控制信号接收端接收开关管控制信号，并获取功率开关管的漏极检测信号和栅极检测信号，根据开关管控制信号、漏极检测信号及栅极检测信号确定第一驱动信号，以及根据第一驱动信号对功率开关管的栅极充电；电荷泵驱动模块通过第二控制信号接收端接收开关管控制信号，并获取时钟信号及功率开关管的漏极检测信号，根据开关管控制信号、时钟信号及漏极检测信号确定第二驱动信号，以及根据第二驱动信号对功率开关管的栅极充电，第一驱动信号的充电速率大于第二驱动信号的充电速率；第一驱动信号和第二驱动信号用于驱动功率开关管导通或者关断，解决了现有的集成驱动电路逻辑复杂、对不同应用场景兼容性差的问题，通过硬件电路自适应调节功率管驱动方式，兼容性强，电路成本低，可靠性高。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为现有的一种降压型电源转换器的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种自适应驱动电路的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种自适应驱动电路的电路原理图；
图4为本发明实施例二提供的一种开关电源的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
本发明实施例一提供了一种自适应驱动电路，本实施例可适用于驱动功率开关管的应用场景，该驱动电路可根据功率开关管的使用场景自动调节驱动方式。
参考图1所示，功率开关管的使用场景包括下述任一项：功率开关管用于作为开关电源上功率管，或者，功率开关管用于作为开关电源的下功率管。下面，将结合功率开关管的使用场景对本发明提供的自适应驱动电路的工作过程进行详细描述。
图2是本发明实施例一提供的一种自适应驱动电路的结构示意图。
如图2所示，驱动电路00包括：与功率开关管M0连接的快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200；快速驱动模块100设有第一控制信号接收端IN1和第一驱动信号输出端OUT1，第一驱动信号输出端OUT1与功率开关管M0的栅极电连接，第一控制信号接收端IN1用于接收开关管控制信号FET_ON，快速驱动模块100用于获取功率开关管M0的漏极检测信号PD和栅极检测信号PG，并根据开关管控制信号FET_ON、漏极检测信号PD及栅极检测信号PG确定第一驱动信号P1，以及根据第一驱动信号P1对功率开关管M0的栅极充电；电荷泵驱动模块200设有第二控制信号接收端IN2和第二驱动信号输出端OU2，第二驱动信号输出端OU2与功率开关管M0的栅极电连接，第二控制信号接收端IN2用于接收开关管控制信号FET_ON，电荷泵驱动模块200用于获取时钟信号CL及功开关管M0的漏极检测信号PD，并根据开关管控制信号FET_ON、时钟信号CL及漏极检测信号PG确定第二驱动信号P2，以及根据第二驱动信号P2对功率开关管M0的栅极充电；快速驱动模块100的充电速率大于电荷泵驱动模块200的充电速率；功率开关管M0根据第一驱动信号P1和第二驱动信号P2导通或者关断。
其中，开关管控制信号FET_ON为控制模块发出的用于驱动功率开关管M0导通或者关断的控制信号，漏极检测信号PD为表示功率开关管M0的漏极电压检测结果的信号，栅极检测信号PG为表示功率开关管M0的栅极电压检测结果的信号，根据功率开关管的导通特性，根据漏极检测信号PD、栅极检测信号PG与开关管控制信号FET_ON调节快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200的工作状态，在驱动信号为高电平时，对功率开关管M0的栅极进行充电，拉高功率开关管M0的栅极电位，直至功率开关管M0完全导通；在驱动信号为低电平时，功率开关管M0保持关断。
具体来说，在功率开关管M0用作上功率管，即驱动电路00用于驱动上功率管的使用场景时，功率开关管M0的漏极连接电源电压。当开关管控制信号FET_ON为低电平信号时，快速驱动模块100停止工作，第一驱动信号P1为低电平信号，快速驱动模块100对功率开关管M0的栅极的充电路径被关断，功率开关管M0保持关断，其栅极电压为低电压（例如栅极电压近似为0V）；当开关管控制信号FET_ON为低电平信号时，电荷泵驱动模块200停止工作，第二驱动信号P2为低电平信号，电荷泵驱动模块200对功率开关管M0的栅极的充电路径被关断，功率开关管M0保持关断，其栅极电压为低电压（例如栅极电压近似为0V）。
当开关管控制信号FET_ON从低电平信号变为高电平信号时，漏极检测信号PD为高电平信号，栅极检测信号PG为低电平信号，漏极检测信号PD、栅极检测信号PG与开关管控制信号FET_ON共同作用，控制快速驱动模块100启动工作，将第一驱动信号P1拉升为高电平信号，迅速拉高功率开关管M0的栅极电压；当开关管控制信号FET_ON从低电平信号变为高电平信号时，漏极检测信号PD为高电平信号，电荷泵驱动模块200在时钟信号CL为高电平信号时启动工作，第二驱动信号P2通过电荷分配的方式对功率开关管M0的栅极充电。
随着功率开关管M0的栅极电压升高，栅极检测信号PG从低电平信号变为高电平信号，快速驱动模块100停止工作，快速驱动模块100对功率开关管M0的栅极的充电路径被关断。由于开关管控制信号FET_ON保持高电平信号，且漏极检测信号PD保持高电平信号，电荷泵驱动模块200在时钟信号CL为高电平信号时工作，第二驱动信号P2继续通过电荷分配的方式对功率开关管M0的栅极充电。
在功率开关管M0用作下功率管，即自适应驱动电路00用于驱动下功率管的使用场景时，功率开关管M0的源极接地。当开关管控制信号FET_ON为低电平信号时，快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200停止工作，功率开关管M0的栅极的充电路径关断。当开关管控制信号FET_ON从低电平信号变为高电平信号时，快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200启动工作，快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200同时对功率开关管M0的栅极充电。由于下功率管的源极接地，在栅极检测信号PG从低电平信号变为高电平信号时，功率开关管M0导通，功率开关管M0的漏极电压被拉低，漏极检测信号PD维持低电平信号，屏蔽栅极检测信号PG，快速驱动模块100持续对功率开关管M0的栅极充电，电荷泵驱动模块200对功率开关管M0的栅极的充电路径被关断。
由此，本发明实施例的技术方案，通过设置快速驱动模块和电荷泵驱动模块对功率开关管的栅极充电，驱动功率开关管导通或者关断，快速驱动模块和电荷泵驱动模块根据功率管的使用环境自适应调节功率管驱动方式，对不同应用环境的兼容性强，依靠硬件电路即可实现不同方式的驱动控制，控制逻辑简单，成本低，电路通用性、实用性及可靠性高。
可选地，图3是本发明实施例一提供的一种自适应驱动电路的电路原理图，在图2实施例的基础上，提供了一种快速驱动模块的具体实施方式，而非对其电路结构的限定。
如图3所示，快速驱动模块100包括漏极检测单元110、栅极检测单元120、第一逻辑处理单元130、第一双向导通开关电路140、第二双向导通开关电路150、第一电位调节单元160和第二电位调节单元170；漏极检测单元110用于根据功率开关管M0的漏极电压VD和预设参考电压VREF输出漏极检测信号PD；栅极检测单元120用于根据功率开关管M0的栅极电压VG和预设电源电压VCC输出栅极检测信号PG；第一逻辑处理单元130用于根据开关管控制信号FET_ON、漏极检测信号PD和栅极检测信号PG输出第一逻辑判断信号；第一电位调节单元160和第二电位调节单元170用于根据第一逻辑判断信号调节输出电位；第一双向导通开关电路140用于根据第一电位调节单元160的输出电位及第二电位调节单元170的输出电位导通或者关断；第二双向导通开关电路150用于根据第二电位调节单元170的输出电位及第一双向导通开关电路140的导通状态输出第一驱动信号P1。
具体而言，漏极检测单元110包括比较器U1，比较器U1的正极输入端与功率开关管M0的漏极电连接，比较器U1的负极输入端接收预设参考电压VREF。若漏极电压VD高于预设参考电压VREF，则漏极检测信号PD为高电平信号；若漏极电压VD低于预设参考电压VREF，则漏极检测信号PD为低电平信号。栅极检测单元120用于对功率开关管M0的栅极电压VG和预设电源电压VCC进行比较，若栅极电压VG高于预设电源电压VCC，则栅极检测信号PG为高电平信号；若栅极电压VG低于预设电源电压VCC，则栅极检测信号PG为低电平信号。第一逻辑处理单元130根据栅极检测信号PG和漏极检测信号PD的电平状态，输出对应的逻辑判断信号。
如图3所示，第一逻辑处理单元130包括：逻辑与非门电路131和第一逻辑与门电路132；逻辑与非门电路131的第一输入端与栅极检测单元120的输出端电连接，逻辑与非门电路131的第二输入端与漏极检测单元110的输出端电连接；第一逻辑与门电路132的第一输入端与逻辑与非门电路131的输出端电连接，第一逻辑与门电路132的第二输入端用于作为第一控制信号接收端IN1接收开关管控制信号FET_ON。
具体而言，当开关管控制信号FET_ON为低电平信号时，第一逻辑与门电路132的输出保持为低电平信号；当开关管控制信号FET_ON为高电平信号时，第一逻辑与门电路132的输出信号根据逻辑与非门电路131的输出信号确定。在驱动控制过程中，逻辑与非门电路131对栅极检测信号PG与漏极检测信号PD进行逻辑“与非”处理，当栅极检测信号PG为低电平信号，漏极检测信号PD为高电平信号时，逻辑与非门电路131输出高电平信号，第一逻辑与门电路132输出高电平信号，使能快速驱动模块100启动工作；当栅极检测信号PG为高电平信号，漏极检测信号PD为高电平信号时，逻辑与非门电路131输出低电平信号，第一逻辑与门电路132输出低电平信号，快速驱动模块100停止工作。通过逻辑门组合，建立栅极检测信号PG与漏极检测信号PD之间的关联关系，监控功率开关管启动状态，并根据开关管启动状态调整驱动方式，提高电路适应性。
参考图3所示，第一双向导通开关电路140包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，第一MOS管M1的栅极与第二MOS管M2的栅极连接电源，第一MOS管M1的源极与第二MOS管M2的源极电连接，第一MOS管M1的漏极与第一电位调节单元160的输出端电连接，第二MOS管M2的漏极与第二电位调节单元170的输出端电连接；第二双向导通开关电路150包括第三MOS管M3和第四MOS管M4，第三MOS管M3的栅极和第四MOS管M4的栅极与第二MOS管M2的漏极电连接；第三MOS管M3的源极和第四MOS管M4的源极电连接，第三MOS管M3的漏极连接电源，第四MOS管M4的漏极作为第一驱动信号P1输出端输出第一驱动信号P1。
如图3所示，第一MOS管M1和第二MOS管M2可为P沟道MOS管；第三MOS管M3和第四MOS管M4可为N沟道MOS管。
如图3所示，第一电位调节单元160包括第一电荷泵PM1，第一电荷泵PM1的输入端与第一逻辑处理单元130的输出端电连接，第一电荷泵PM1的输出端与第一MOS管M1的漏极电连接，第一电荷泵PM1的输出端与第一MOS管M1的漏极之间设置A节点，第一电荷泵PM1在使能状态下的输出电压高于电源电压VCC；第二电位调节单元170包括第一反相器F1和第五MOS管M5，第一反相器F1的输入端与第一逻辑处理单元的输出端电连接，第一反相器F1的输出端与第五MOS管M5的栅极电连接，第五MOS管M5的源极接地，第五MOS管M5的漏极与第二MOS管M2的漏极、第三MOS管M3的栅极及第四MOS管M4的栅极电连接，第五MOS管M5的漏极与第二MOS管M2的漏极之间设置B节点。
其中，第五MOS管M5为N沟道MOS管。
具体而言，第一MOS管M1和第二MOS管M2组成双向导通电路，第三MOS管M3和第四MOS管M4组成双向导通电路，对于P沟道MOS管而言，当MOS管的栅极电压高于漏极电压时，MOS管导通；当MOS管的栅极电压低于漏极电压时，MOS管关断。对于N沟道MOS管而言，当MOS管的栅极电压高于漏极电压时，MOS管关断；当MOS管的栅极电压低于漏极电压时，MOS管导通。当第一逻辑处理单元130输出高电平信号时，第一电荷泵PM1在使能信号为高电平信号时启动工作，将A节点电压拉升至高于电源电压VCC，第一MOS管M1和第二MOS管M2完全导通，同时，第一反相器F1在高电平信号触发下输出低电平信号，控制第五MOS管M5关断，B节点的电压被拉升至近似等于A节点电压，第三MOS管M3和第四MOS管M4导通，第四MOS管M4的漏极电压近似等于电源电压VCC，迅速拉高功率开关管M0的栅极电压。
需要说明的是，第三MOS管M3和第四MOS管M4的等效电阻越小，功率开关管M0的栅极电压升高越快。
继续参考图3所示，电荷泵驱动模块200包括第二逻辑处理单元210、电平转换单元220和储能充电单元230；第二逻辑处理单元210用于根据开关管控制信号、时钟信号及漏极检测信号输出第二逻辑判断信号；电平转换单元220用于对第二逻辑判断信号进行电平转换，并输出电平信号，电平信号的电源轨道为地和功率开关管M0的源极电压；储能充电单元230用于根据第二逻辑判断信号对功率开关管M0的栅极进行充电。
继续参考图3所示，储能充电单元230包括充电电容C20、第二反相器F2、第二电荷泵PM2、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9和第三反相器F3；第二反相器F2的输入端与第二逻辑处理单元210的输出端电连接，第二反相器F2的输出端经过第二电荷泵PM2与第六MOS管M6的栅极电连接；第六MOS管M6的源极连接电源，第六MOS管M6的漏极与充电电容C20的正极端电连接；充电电容C20的负极端与电平转换单元220的输出端电连接；第七MOS管M7的栅极和第八MOS管M8的栅极与第二反相器F2的输出端电连接，第七MOS管M7的源极和第八MOS管M8的源极电连接，第七MOS管M7的漏极与充电电容的正极端电连接，第八MOS管M8的漏极与第九MOS管M9的漏极电连接；第九MOS管M9的漏极还经过第三反相器F3与第九MOS管M9的栅极电连接，第九MOS管M9的源极用于作为第二驱动信号输出端输出第二驱动信号P2；第三反相器F3的电源正极端与功率开关管M0的栅极电连接，所述第三反相器F3的电源正极端与功率开关管M0的源极电连接。
其中，第六MOS管M6为N沟道MOS管，第七MOS管M7、第八MOS管M8和第九MOS管M9为P沟道MOS管，在充电电容C20充电完成后，经由第七MOS管M7、第八MOS管M8和第九MOS管M9组成的路径，采用电荷分配的方式对功率开关管M0的栅极充电，其中，第七MOS管M7和第八MOS管M8在漏极电压高于栅极电压时，完全开启，将C节点电压拉升至充电电容C20的正极电压。
继续参考图3所示，第二逻辑处理单元210包括第二逻辑与门电路211；第二逻辑与门电路211的第一输入端用于作为第二控制信号接收端IN2，接收开关管控制信号FET_ON；第二逻辑与门电路211的第二输入端用于接收漏极检测信号PD；第二逻辑与门电路的第三输入端用于接收时钟信号CL；第二逻辑与门电路211的输出端用于对电平转换单元220及储能充电单元230提供第二逻辑判断信号。
具体而言，第二逻辑与门电路211的电源轨道为电源电压和地，当第二逻辑判断信号为低电平信号时，电平转换单元220的输出信号为低，充电电容C20的负极电压为0，充电电容C20由第二反相器F2、第二电荷泵PM2和第六MOS管M6组成的电容充电支路充电，其正极电压可达到近似等于电源电压VCC。当控制信号FET_ON、漏极检测信号PD和时钟信号CL均为高电平信号时，第二逻辑判断信号为高电平信号。电平转换单元220的电源轨道为地和功率开关管M0的源极电压，当第二逻辑判断信号为高电平信号时，电平转换单元220的输出信号为功率开关管M0的源极电压，将充电电容C20的正极电压及负极电压均抬升与功率开关管M0的源极电压相等的电压值。
需要说明的是，在驱动过程中，电平转换单元220和第二电荷泵PM2均用于实现驱动信号的电源轨道转换，在保证模块电路功能不变的前提下，可采用功能相同的电路模块替代电平转换单元220和第二电荷泵PM2，对此不作限制。
结合图3所示，分别对功率开关管M0不同使用场景下，自适应驱动电路00的工作过程进行详细说明。
第一种使用场景，功率开关管M0用作上功率管，即自适应驱动电路00用于驱动上功率管的使用场景。
当功率开关管M0关断时，控制信号FET_ON为低时，第一逻辑与门电路132的输出信号保持为低电平信号。第一电荷泵PM1的使能为低，停止工作，A节点电压为0V。第一反相器F1的输出为高，第五MOS管M5开通，将B节点的电压拉低到0V。第一MOS管M1和第二MOS管M2为P沟道MOS管，栅极电压高于漏极电压，保持关断状态。第三MOS管M3和第四MOS管M4为N沟道MOS管，栅极电压低于漏极电压，也保持关断状态。快速驱动模块100停止工作。
当控制信号FET_ON为低时，第二逻辑与门电路211的输出保持为低。该输出经由电平转换单元220转换后仍然为低，充电电容C20的负极端为0V。同时，第二逻辑与门电路211的输出经由第二反相器F2取反后，作为使能接入第二电荷泵PM2，第二电荷泵PM2启动工作，输出一个高于电源电压VCC的电压给第六MOS管M6的栅极，第六MOS管M6开启，将充电电容C20的正极充电至电源电压VCC。由于第七MOS管M7和第八MOS管M8的栅极电压也为高，第七MOS管M7和第八MOS管M8为P沟道MOS管，漏极电压没有高于栅极电压，保持关断状态。由于快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200的充电路径均关断，功率开关管M0的栅极为低电平状态。第三反相器F3和第九MOS管M9依靠功率开关管M0的栅极供电，均处于关断状态。
功率开关管M0的栅极电压为低时，栅极检测单元120输出的栅极检测信号PG也为低电平信号。比较器U1检测到功率开关管M0的漏极电压VD高于预设参考电压VREF，输出的漏极检测信号PD为高电平信号。逻辑与非门电路131的两个输入分别为低和高，于是输出为高。当控制信号FET_ON要开启功率开关管时，控制信号FET_ON由低变高。第一逻辑与门电路132的两个输入都为高，输出由低变高。第一反相器F1的输出由高变低，第五MOS管M5关断。第一电荷泵PM1在使能变高的情况下，启动工作，把A节点电压拉升至高于电源电压VCC。第一MOS管M1和第二MOS管M2的漏极高于栅极电压，完全导通。并且，把B节点电压也拉升至近似等于A节点电压。第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅极电压高于漏极电压后，完全开启，并迅速拉高功率开关管M0的栅极电压。在快速驱动模块100启动充电的同时，电荷泵驱动模块200也开始工作。在时钟信号CL为高电平信号时，第二逻辑与门电路211的输出由低变高。电平转换单元220的输出也由低变高，变高后的电压是功率开关管M0的源极电压。第二反相器F2输出由高变低，第二电荷泵PM2停止工作，输出0V，关断第六MOS管M6，暂停电源对C20充电。因此，C20两极的电压差维持不变。由于C20的负极变到等于功率开关管M0的源极电压，C20的正极变到电源电压加上功率开关管M0的源极电压。第七MOS管M7、第八MOS管M8的栅极电压变低，作为PMOS，漏极电压高于栅极电压，第七MOS管M7、第八MOS管M8完全开启，把C节点电压拉至C20的正极电压。由于第三反相器F3的电源轨道的负极接到功率开关管M0的源极，输入相对其电位为高，使得第三反相器F3输出低。第九MOS管M9作为PMOS，栅极电压低于漏极电压，完全开启。因此，C20将经由第七MOS管M7、第八MOS管M8和第九MOS管M9这个路径，通过电荷分配的方式为功率开关管M0的栅极充电。可见，在开启功率开关管的初始阶段，快速驱动模块100和电荷泵驱动模块200同时在拉高功率开关管M0的栅极电位。
随着功率开关管M0的栅极电压逐步升高，栅极检测单元120一直在工作。当升高到接近电源电压后，栅极检测信号PG由低变高。此时，逻辑与非门电路131的两个输入都变为高，输出变低。虽然FET_ON仍然为高，第一逻辑与门电路132的输出变低。快速驱动模块100回到不工作的状态，关闭了从电源给功率开关管M0的栅极充电的路径。这之后，只有电荷泵驱动模块200继续拉高功率开关管M0的栅极。由于功率开关管的面积很大，其栅极电容通常会远大于C20。在电荷分配后，C20两极之间的电压变得很低，需要在时钟信号CL为低的时候，重新充电。然后等时钟信号CL为高的时候，再次为功率开关管M0的栅极电容分配电荷。对比快速驱动模块100能够给功率开关管M0的栅极电容持续充电，电荷泵驱动模块200拉升栅极电位的速度相对较慢。如果需要提高速度，可以通过增大C1电容或者提高CLOCK频率来实现。
一实施例中，时钟信号CL为占空比为50%的时钟信号。
功率开关管M0的栅极电压继续升高，并且渐渐高于其漏极电压，直到最终稳定。稳定状态下，功率开关管M0的栅极与漏极的电压差接近于第六MOS管M6的输入电源电压。这个电压与C20充好电之后的电压很十分接近，在分配电荷时，C20和功率开关管M0栅极的电压基本没有变化了。此时，功率开关管M0完全开启，其源极电压接近其漏极电压。这个电压差等于漏极和源极之间的等效电阻与流过的电流的乘积。该稳定状态维持不变，直到控制信号FET_ON信号变低，关断功率开关管M0。
第二种使用场景，功率开关管M0用作下功率管，即自适应驱动电路00用于驱动下功率管的使用场景。
当控制信号FET_ON信号为低，功率开关管M0关断时，电路状态与上功率管场景下的情况基本一致，不再赘述。唯一的区别是比较器U1的输出不确定，会根据实际情况改变。但是，栅极电压检测输出为低，决定了逻辑与非门电路131的输出为高的状态不受比较器U1的输出状态影响。
当控制信号FET_ON信号由低变高，快速驱动模块100开始工作。工作方式与上功率管场景下的情况一致。差别在于，功率开关管M0的源极接地，在其栅极被拉到高于阈值电压后，其漏极会被拉低。无论之前比较器U1的输出是何种状态，现在输出一定是低。这个状态会屏蔽栅极电压检测结果，也就意味着，快速驱动模块100会一直工作，即使在栅极电压升到电源电压附近后，也会继续通过第三MOS管M3和第四MOS管M4这个路径把功率开关管M0的栅极电压保持在电源电压。与此同时，第二逻辑与门电路211的输出被强制为0，电荷泵驱动模块200不工作。因此，驱动下功率管时，驱动电路只需要快速驱动模块100工作，就能够将功率开关管完全开启。相对于驱动同等大小的上功率管时，开启速度较快。
由此，本发明实施例的技术方案，可兼容不同使用场景，通过硬件电路及逻辑门根据不同场景自适应调节功率管驱动方式，控制逻辑简单，成本低，电路通用性、实用性及可靠性高。
实施例二
图4为本发明实施例二提供的一种开关电源的结构示意图，该开关电源包括上述实施例提供的自适应驱动电路00。
如图4所示，该开关电源1包括：功率开关管M0，及上述自适应驱动电路00，自适应驱动电路00用于驱动功率开关管M0导通或者关断。
本实施例中，该开关电源1可设置多个功率开关管M0, 功率开关管M0可用作上功率管和/或下功率管，上功率管和下功率管对应的自适应驱动电路00的电路结构相同。
本发明实施例的技术方案，通过自适应驱动电路驱动功率开关管，该驱动电路设置快速驱动模块和电荷泵驱动模块，快速驱动模块通过第一控制信号接收端接收开关管控制信号，并获取功率开关管的漏极检测信号和栅极检测信号，根据开关管控制信号、漏极检测信号及栅极检测信号确定第一驱动信号，以及根据第一驱动信号对功率开关管的栅极充电；电荷泵驱动模块通过第二控制信号接收端接收开关管控制信号，并获取时钟信号及功率开关管的漏极检测信号，根据开关管控制信号、时钟信号及漏极检测信号确定第二驱动信号，以及根据第二驱动信号对功率开关管的栅极充电，第一驱动信号的充电速率大于第二驱动信号的充电速率；第一驱动信号和第二驱动信号用于驱动功率开关管导通或者关断，解决了现有的集成驱动电路逻辑复杂、对不同应用场景兼容性差的问题，通过硬件电路自适应调节功率管驱动方式，兼容性强，电路成本低，可靠性高。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种自适应驱动电路，其特征在于，用于驱动功率开关管，所述驱动电路包括：与所述功率开关管连接的快速驱动模块和电荷泵驱动模块；
所述快速驱动模块设有第一控制信号接收端和第一驱动信号输出端，所述第一驱动信号输出端与所述功率开关管的栅极电连接，所述第一控制信号接收端用于接收开关管控制信号，所述快速驱动模块用于获取所述功率开关管的漏极检测信号和栅极检测信号，并根据所述开关管控制信号、所述漏极检测信号及所述栅极检测信号确定第一驱动信号，以及根据所述第一驱动信号对所述功率开关管的栅极充电；
所述电荷泵驱动模块设有第二控制信号接收端和第二驱动信号输出端，所述第二驱动信号输出端与所述功率开关管的栅极电连接，所述第二控制信号接收端用于接收开关管控制信号，所述电荷泵驱动模块用于获取时钟信号及所述功率开关管的漏极检测信号，并根据所述开关管控制信号、所述时钟信号及所述漏极检测信号确定第二驱动信号，以及根据所述第二驱动信号对所述功率开关管的栅极充电；
所述快速驱动模块的充电速率大于所述电荷泵驱动模块的充电速率；
所述功率开关管根据所述第一驱动信号和所述第二驱动信号导通或者关断；
在所述驱动电路驱动上功率开关管时，所述快速驱动模块和所述电荷泵驱动模块用于在开启功率开关管的初始阶段，同时拉高所述功率开关管的栅极电位；以及在所述功率开关管的栅极电压接近电源电压时，所述快速驱动模块关断对所述功率开关管的栅极的充电路径，所述电荷泵驱动模块在所述时钟信号为高电平信号时，通过电荷分配的方式对所述功率开关管的栅极充电；
在所述驱动电路驱动下功率开关管时，所述快速驱动模块和所述电荷泵驱动模块用于在开启功率开关管的初始阶段，同时拉高所述功率开关管的栅极电位；以及在所述功率开关管的栅极电压接近电源电压时，所述快速驱动模块持续对所述功率开关管的栅极充电，所述电荷泵驱动模块关断对所述功率开关管的栅极的充电路径。
2.根据权利要求1所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述快速驱动模块包括漏极检测单元、栅极检测单元、第一逻辑处理单元、第一双向导通开关电路、第二双向导通开关电路、第一电位调节单元和第二电位调节单元；
所述漏极检测单元用于根据所述功率开关管的漏极电压和预设参考电压输出漏极检测信号；
所述栅极检测单元用于根据所述功率开关管的栅极电压和预设电源电压输出栅极检测信号；
所述第一逻辑处理单元用于根据所述开关管控制信号、所述漏极检测信号和所述栅极检测信号输出第一逻辑判断信号；
所述第一电位调节单元和所述第二电位调节单元用于根据所述第一逻辑判断信号调节输出电位；
所述第一双向导通开关电路，用于根据所述第一电位调节单元的输出电位及所述第二电位调节单元的输出电位导通或者关断；
所述第二双向导通开关电路用于根据所述第二电位调节单元的输出电位及所述第一双向导通开关电路的导通状态输出第一驱动信号。
3.根据权利要求2所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述第一双向导通开关电路包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的栅极与所述第二MOS管的栅极连接电源，所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的源极电连接，所述第一MOS管的漏极与所述第一电位调节单元的输出端电连接，所述第二MOS管的漏极与所述第二电位调节单元的输出端电连接；
所述第二双向导通开关电路包括第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的栅极和所述第四MOS管的栅极与所述第二MOS管的漏极电连接；所述第三MOS管的源极和所述第四MOS管的源极电连接，所述第三MOS管的漏极连接电源，所述第四MOS管的漏极作为第一驱动信号输出端输出第一驱动信号。
4.根据权利要求3所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述第一MOS管和所述第二MOS管为P沟道MOS管；所述第三MOS管和所述第四MOS管为N沟道MOS管。
5.根据权利要求3所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述第一电位调节单元包括第一电荷泵，所述第一电荷泵的输入端与所述第一逻辑处理单元的输出端电连接，所述第一电荷泵的输出端与所述第一MOS管的漏极电连接；
所述第二电位调节单元包括第一反相器和第五MOS管，所述第一反相器的输入端与所述第一逻辑处理单元的输出端电连接，所述第一反相器的输出端与所述第五MOS管的栅极电连接，所述第五MOS管的源极接地，所述第五MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极、所述第三MOS管的栅极及所述第四MOS管的栅极电连接。
6.根据权利要求2所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述第一逻辑处理单元包括：逻辑与非门电路和第一逻辑与门电路；
所述逻辑与非门电路的第一输入端与所述栅极检测单元的输出端电连接，所述逻辑与非门电路的第二输入端与所述漏极检测单元的输出端电连接；
所述第一逻辑与门电路的第一输入端与所述逻辑与非门电路的输出端电连接，所述第一逻辑与门电路的第二输入端用于作为第一控制信号接收端接收开关管控制信号。
7.根据权利要求1所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述电荷泵驱动模块包括第二逻辑处理单元、电平转换单元和储能充电单元；
所述第二逻辑处理单元用于根据所述开关管控制信号、所述时钟信号及所述漏极检测信号输出第二逻辑判断信号；
所述电平转换单元用于对所述第二逻辑判断信号进行电平转换，并输出电平信号，所述电平信号的电源轨道为地和所述功率开关管的源极电压；
所述储能充电单元用于根据所述第二逻辑判断信号对所述功率开关管的栅极进行充电。
8.根据权利要求7所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述储能充电单元包括充电电容、第二反相器、第二电荷泵、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管和第三反相器；
所述第二反相器的输入端与所述第二逻辑处理单元的输出端电连接，所述第二反相器的输出端经过所述第二电荷泵与所述第六MOS管的栅极电连接；
所述第六MOS管的源极连接电源，所述第六MOS管的漏极与所述充电电容的正极端电连接；
所述充电电容的负极端与所述电平转换单元的输出端电连接；
所述第七MOS管的栅极和所述第八MOS管的栅极与所述第二反相器的输出端电连接，所述第七MOS管的源极和所述第八MOS管的源极电连接，所述第七MOS管的漏极与所述充电电容的正极端电连接，所述第八MOS管的漏极与所述第九MOS管的漏极电连接；
所述第九MOS管的漏极还经过第三反相器与所述第九MOS管的栅极电连接，所述第九MOS管的源极用于作为第二驱动信号输出端输出第二驱动信号；
所述第三反相器的电源正极端与所述功率开关管的栅极电连接，所述第三反相器的电源正极端与所述功率开关管的源极电连接。
9.根据权利要求7或8任一项所述的自适应驱动电路，其特征在于，所述第二逻辑处理单元包括第二逻辑与门电路；
所述第二逻辑与门电路的第一输入端用于作为第二控制信号接收端，接收所述开关管控制信号；
所述第二逻辑与门电路的第二输入端用于接收所述漏极检测信号；
所述第二逻辑与门电路的第三输入端用于接收所述时钟信号；
所述第二逻辑与门电路的输出端用于对所述电平转换单元及所述储能充电单元提供所述第二逻辑判断信号。
10.一种开关电源，其特征在于，包括：功率开关管，及权利要求1-9任一项所述的自适应驱动电路，所述自适应驱动电路用于驱动所述功率开关管导通或者关断。
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