CN114679036A - 一种用于功率ldmos的高速栅极驱动电路 - Google Patents

一种用于功率ldmos的高速栅极驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域和功率电子领域，具体来说是一种用于驱动功率LDMOS的高速栅极驱动电路，包括无片外电容的LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块。其中，短脉冲电流源模块的输出接在驱动器的供电端或浮地端，当前级电路给出开通功率管的信号时，注入短脉冲电流迅速开启功率管；当短脉冲电流源模块内部的栅电位监测电路判断功率管已经导通后，控制逻辑关闭短脉冲电流。此外，无片外电容LDO模块的输出也连接在驱动器的供电端或浮地端，使功率管栅源电压最终稳定在准确的开启电压上。通过将快速瞬态响应的无片外电容LDO与短脉冲电流源结合，实现了高速的动态响应，将功率管的开启时间有效缩短，同时节省了外部无源元件，简化了系统结构。

Description

一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域和功率电子领域，具体来说是涉及一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路。
背景技术
如今便携式电子系统的体积越来越小，为了减小容性或感性元件的尺寸，DC-DC或AC-DC变换器等电源管理电路的工作频率必须提高，同时片外元件应尽可能减少以满足小体积的应用，对于中小功率Buck变换器，其功率管通常采用高侧P型低侧N型的结构来避免使用自举电容。栅极驱动电路作为电源管理系统中不可或缺的一部分，它的工作速度直接决定了变换器的最高工作频率，对于传统栅极驱动电路而言，为了保证驱动电路较大的压摆率，通常会使用有片外电容的LDO对其供电，使其速度足够高，但这需要额外的片外元件，增加了变换器的成本及体积，使用无片外电容LDO给栅极驱动电路供电已经逐渐成为趋势，因此在不增加核心面积和片外元件条件下，传统栅极驱动电路工作速度是非常受限的。
发明内容
针对上述传统栅极驱动电路在给定核心面积下工作速度较低的不足之处，本发明提出了一种用于驱动功率LDMOS的高速栅极驱动电路，解决了现有传统栅极驱动电路工作速度较低的问题。
本发明的技术方案为：一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路，包括无片外电容LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块。短脉冲电流源模块的输出接在驱动器的供电端或浮地端，当前级电路给出开通功率管的信号时，注入短脉冲电流迅速开启功率管，当短脉冲电流源模块内部的栅电位监测电路判断功率管已经导通后关闭短脉冲电流；此外，无片外电容LDO模块的输出也连接在驱动器的供电端或浮地端，使功率管栅源电压最终稳定在准确的开启电压上。
所述无片外电容LDO模块用于从输入电压产生较稳定的降压输出内部电源轨，它有两种架构分别用于高速栅极驱动电路(低侧)和高速栅极驱动电路(高侧)中的驱动器供电，其应具有良好的瞬态响应，保证负载切换的恢复时间较短，它的输出与驱动器模块的供电端或浮地端连接，为驱动器电路提供稳定精确的电源偏置。
所述高速栅极驱动电路有两种具体形式，分别为高侧和低侧，低侧栅极驱动电路包括无片外电容LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块，所述无片外电容LDO模块包括第一误差放大器、第二PLDMOS管、第一电阻和第二电阻；其中第一误差放大器的反相输入端接基准电压，其输出端接第二PLDMOS管的栅极；第二PLDMOS管的源极接电源，其漏极依次通过第一电阻和第二电阻后接地，第一电阻和第二电阻的连接点接第一误差放大器的同相输入端；所述短脉冲电流源模块包括第一PMOS管、第三PLDMOS管、第四PLDMOS管、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第二NLDMOS管、第一反相器、第一RS锁存器和第一电流源；其中第一电流源的输出端接第一反相器的输入端和第一NMOS管的漏极，第一反相器的输出端接第一RS锁存器的R输入端，第一RS锁存器的S输入端接PWMLS(低侧PWM信号，驱动低侧的功率管)反相信号，Q输出端接第二NLDMOS管的栅极；第二NLDMOS管的漏极接第四PLDMOS管的漏极，第二NLDMOS管的源极通过第四电阻后接地；第四PLDMOS管的源极接电源其栅极和漏极互连；第三PLDMOS管的源极接电源，其栅极接第四PLDMOS管的栅极，第三PLDMOS管的漏极接第一PMOS管的源极，第一PMOS管的栅极接固定参考电压，其漏极通过第三电阻后接第二NMOS管的漏极和栅极，以及第一NMOS管的栅极；第一NMOS管和第二NMOS管的源极接地；第一驱动器的输入端接PWMLS反相信号，其电源端接第一PMOS管漏极、第三PLDMOS管漏极、第二PLDMOS管漏极、第一电阻的连接点，地端接地电位，输出端接第一NLDMOS管的栅极。
高侧栅极驱动电路包括无片外电容LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块，所述无片外电容LDO模块包括第二误差放大器、第三NLDMOS管、第五电阻和第六电阻；其中第二误差放大器的反相输入端接基准电压，其输出端接第三NLDMOS管的栅极；第三NLDMOS管的源极接地，其漏极依次通过第五电阻和第六电阻后接电源，第五电阻和第六电阻的连接点接第二误差放大器的同相输入端。所述短脉冲电流源模块包括第二PMOS管、第三PMOS管、第五PLDMOS管、第七电阻、第八电阻、第三NMOS管、第四NLDMOS管、第五NLDMOS管、第二反相器、第二RS锁存器和第二电流源；其中第二电流源的输出端接第二反相器的输入端和第二PMOS管的漏极，第二反相器的输出端接第二RS锁存器的S输入端，第二RS锁存器的R输入端接第三反相器的输出，Q输出端接第五PLDMOS管的栅极，第三反相器的输入接PWMHS(高侧PWM信号，驱动高侧的功率管)反相信号；第五PLDMOS管的漏极接第五NLDMOS管的漏极，第五PLDMOS管的源极通过第八电阻后接电源；第五NLDMOS管的源极接地其栅极和漏极互连；第四NLDMOS管的源极接地，其栅极接第五NLDMOS管的栅极，第四NLDMOS管的漏极接第三NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极接固定参考电压，其漏极通过第七电阻后接第三PMOS管的漏极和栅极，以及第二PMOS管的栅极；第二PMOS管和第三PMOS管的源极接电源；第二驱动器的输入端接PWMHS反相信号，其浮地端接第三NMOS管漏极、第四NLDMOS管漏极、第三NLDMOS管漏极、第五电阻的连接点，电源端接输入电压，输出端接第一PLDMOS管的栅极。
本发明的有益效果为，本发明相较于为驱动器供电的功率管完全由无片外电容LDO调节的传统结构，在不增加电路面积的情况下，提升了栅极驱动速度，同时保证栅极驱动电压的精准度。适用于对工作速度有较高要求且核心面积、片外元件数受限的应用场景。
附图说明
图1是本发明在Buck变换器中的应用电路示意图。
图2是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路的系统框图。
图3是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(低侧)中无片外电容LDO模块的一种架构图。
图4是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(低侧)中短脉冲电流源模块的电路实现结构图。
图5是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(低侧)的工作时序波形示意图。
图6是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(高侧)中无片外电容LDO模块的一种架构图。
图7是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(高侧)中短脉冲电流源模块的电路实现结构图。
图8是本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(高侧)的工作时序波形示意图。
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：
本发明提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路的系统框图如图2所示，分为高侧与低侧两部分，两部分都由无片外电容LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块组成。所述高速栅极驱动电路(低侧)中，短脉冲电流源模块的输出，即第三PLDMOS管的漏极，接在第一驱动器的供电端，当前级电路给出开通功率管的信号时注入短脉冲电流迅速开启第一NLDMOS管，当短脉冲电流源模块内部的第一栅电位监测电路判断第一NLDMOS管已经导通后关闭短脉冲电流；此外，无片外电容LDO模块的输出，即第二PLDMOS管的漏极，也连接在第一驱动器的供电端，使第一NLDMOS管栅源电压最终稳定在准确的开启电压上。
类似地，所述高速栅极驱动电路(高侧)中，短脉冲电流源模块的输出，即第四NLDMOS管的漏极，接在第二驱动器的浮地端，当前级电路给出开通功率管的信号时注入短脉冲电流迅速开启第一PLDMOS管，当短脉冲电流源模块内部的第二栅电位监测电路判断第一PLDMOS管已经导通后关闭短脉冲电流；此外，无片外电容LDO模块的输出，即第三NLDMOS管的漏极，也连接在第二驱动器的浮地端，使第一PLDMOS管栅源电压最终稳定在准确的开启电压上。下面分别描述所述高速栅极驱动电路(低侧)和高速栅极驱动电路(高侧)中模块的电路结构及连接关系和工作原理：
对于所述高速栅极驱动电路(低侧)，其模块的电路结构及连接关系和工作原理如下文所述。
高速栅极驱动电路(低侧)中的无片外电容LDO模块如图3所示，它用于在驱动器开启功率管的稳定状态下提供稳定电压给功率管栅极，该模块可以是任意具有良好瞬态响应的LDO，本实施例中采用以下架构。所述无片外电容LDO模块包括第二PLDMOS管PLD2、第一电阻R1、第二电阻R2和第一误差放大器EA1。其中，误差放大器的反相端接某一参考电压VREF,N，同相端与第一电阻R1、第二电阻R2的公共端连接，输出端与第二PLDMOS管PLD2的栅极连接。第二PLDMOS管PLD2的源极接输入电压VIN，漏极与第一电阻R1连接，该节点作为该模块的输出，第二电阻R2一端与地电位连接另一端与第一电阻R1连接。通过负反馈，该无片外电容LDO模块在NLDMOS管导通的稳定状态下提供准确的电压，电压由以下公式给出：
Figure BDA0003637624820000041
其中VDD,LS是无片外电容LDO的输出电压，VREF,N是某一参考电位。
短脉冲电流源模块用于在驱动器开启功率管的瞬间提供较大电流到功率管栅极。如图4所示，高速栅极驱动电路(低侧)中的短脉冲电流源模块包括第一PMOS管MP1、第三PLDMOS管PLD3、第四PLDMOS管PLD4、第三电阻R3、第四电阻R4、第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第二NLDMOS管NLD2、第一反相器、第一RS锁存器和第一电流源I1；其中第一电流源I1的输出端接第一反相器的输入端和第一NMOS管MN1的漏极，第一反相器的输出端接第一RS锁存器的R输入端，第一RS锁存器的S输入端接PWMLS反相信号，Q输出端接第二NLDMOS管NLD2的栅极；第二NLDMOS管NLD2的漏极接第四PLDMOS管PLD4的漏极，第二NLDMOS管NLD2的源极通过第四电阻R4后接地；第四PLDMOS管PLD4的源极接电源其栅极和漏极互连；第三PLDMOS管PLD3的源极接电源，其栅极接第四PLDMOS管PLD4的栅极，第三PLDMOS管PLD3的漏极接第一PMOS管的源极，第一PMOS管MP1的栅极接固定参考电压，其漏极通过第三电阻R3后接第二NMOS管MN2的漏极和栅极，以及第一NMOS管MN1的栅极；第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2的源极接地；第一驱动器的输入端接PWMLS反相信号，其电源端接第一PMOS管MP1的漏极、第三PLDMOS管PLD3漏极、第二PLDMOS管PLD2漏极、第一电阻R1的连接点，地端接地电位，输出端接第一NLDMOS管NLD1的栅极。
其具体工作原理如下所述：第一PMOS管MP1、第三电阻R1、第二NMOS管MN2、第一NMOS管MN1和电流源I1构成第一栅电位监测电路，将第一PMOS管MP1的栅极电压设置在一个合适的值(记为VREF,LS)，则其源极电压高于VREF.LS+|VTH|时，第一PMOS管MP1导通，并经过电流镜第二NMOS管MN2、第一NMOS管MN1、电流源I1，将电流信号转为逻辑电平信号。当PWMLS反相信号传来高电平时，第一RS锁存器置位，开启短脉冲电流源为功率管栅极充电，使其电压上升；当栅极电压跨过米勒平台，高于监测电路的设定值时，监测电路的逻辑信号经反相器使第一RS锁存器复位，关闭短脉冲电流源。
下面结合工作时序波形示意图，如图5所示，说明本发明所提出的一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路(低侧)的技术效果。t0时刻，PWMLS反相信号翻转为高，第一驱动器输出与其供电端连通，短脉冲电流源中的第一RS锁存器被置位，在t0～t1时间内，短脉冲电流源注入电流到驱动器供电端流入第一NLDMOS管NLD1的栅极，使栅源电压VGS,NLD1迅速升高；t1时刻，短脉冲电流源模块中的第一栅电位监测电路检测到栅源电压VGS,NLD1高于预设的电位，第一RS锁存器复位，短脉冲电流源关闭，在t1～t2时间内，无片外电容LDO模块继续调整驱动器供电端电压使第一NLDMOS管NLD1的栅源电压VGS,NLD1稳定在准确的开启电压上；在t2～t3之间，第一NLDMOS管NLD1持续导通，t3时刻，PWMLS反相信号翻转为低，第一驱动器输出与地端连通，栅源电压VGS,NLD1迅速下降为0，至此结束一个工作周期。
对于所述高速栅极驱动电路(高侧)，其模块的电路结构及连接关系和工作原理如下文所述。
高速栅极驱动电路(高侧)中的无片外电容LDO模块如图6所示，包括第三NLDMOS管NLD3、第五电阻R5、第六电阻R6和第二误差放大器EA2。其中，误差放大器的反相端接某一参考电压VREF,P，同相端与第五电阻R5、第六电阻R6的公共端连接，输出端与第三NLDMOS管NLD3的栅极连接。第三NLDMOS管NLD3的源极接地，漏极与第五电阻R5连接，该节点作为该模块的输出，第六电阻R6一端与输入电压VIN连接另一端与第五电阻R5连接。通过负反馈，该无片外电容LDO模块在PLDMOS管导通的稳定状态下提供准确的电压，电压由以下公式给出：
Figure BDA0003637624820000061
其中VSS,HS是无片外电容LDO的输出电压，VREF,P是某一参考电位。
短脉冲电流源模块用于在驱动器开启功率管的瞬间提供较大电流到功率管栅极。如图7所示，高速栅极驱动电路(高侧)中的短脉冲电流源模块包括第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第五PLDMOS管PLD5、第七电阻R7、第八电阻R8、第三NMOS管MN3、第四NLDMOS管NLD4、第五NLDMOS管NLD5、第二反相器、第二RS锁存器和第二电流源I2；其中第二电流源I2的输出端接第二反相器的输入端和第二PMOS管MP2的漏极，第二反相器的输出端接第二RS锁存器的S输入端，第二RS锁存器的R输入端接第三反相器的输出，Q输出端接第五PLDMOS管PLD5的栅极，第三反相器的输入接PWMHS反相信号；第五PLDMOS管PLD5的漏极接第五NLDMOS管NLD5的漏极，第五PLDMOS管PLD5的源极通过第八电阻R8后接电源；第五NLDMOS管NLD5的源极接地其栅极和漏极互连；第四NLDMOS管NLD4的源极接地，其栅极接第五NLDMOS管NLD5的栅极，第四NLDMOS管NLD4的漏极接第三NMOS管的源极，第三NMOS管MN3的栅极接固定参考电压，其漏极通过第七电阻R7后接第三PMOS管MP3的漏极和栅极，以及第二PMOS管MP2的栅极；第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3的源极接电源；第二驱动器的输入端接PWMHS反相信号，其浮地端接第三NMOS管MN3的漏极、第四NLDMOS管NLD4的漏极、第三NLDMOS管NLD3的漏极、第五电阻R5的连接点，电源端接输入电压VIN，输出端接第一PLDMOS管PLD1的栅极。
其具体工作原理如下所述：第三NMOS管MN3、第七电阻R7、第三PMOS管MP3、第二PMOS管MP2和电流源I2构成第二栅电位监测电路，将第一PMOS管MP1的栅极电压设置在一个合适的值(记为VREF,HS)，则其源极电压低于VREF.HS-|VTH|时，第三NMOS管MN3导通，并经过电流镜第三PMOS管MP3、第二PMOS管MP2、电流源I2，将电流信号转为逻辑电平信号。当PWMHS信号传来高电平时，第二RS锁存器复位，开启短脉冲电流源为功率管栅极放电，使其电压下降；当栅极电压跨过米勒平台，低于监测电路的设定值时，监测电路的逻辑信号经反相器使第二RS锁存器置位，关闭短脉冲电流源。
所述高速栅极驱动电路(高侧)的工作时序波形示意图，如图8所示。t0时刻，PWMHS信号翻转为高，第二驱动器输出与其浮地端连通，短脉冲电流源中的第二RS锁存器被复位，在t0～t1时间内，短脉冲电流源注入电流到驱动器供电端流入第一PLDMOS管PLD1的栅极，使栅源电压VGS,PLD1迅速减小；t1时刻，短脉冲电流源模块中的第二栅电位监测电路检测到栅源电压VGS,PLD1低于预设的电位，第二RS锁存器复位，短脉冲电流源关闭，在t1～t2时间内，无片外电容LDO模块继续调整驱动器浮地端电压使第一PLDMOS管PLD1的栅源电压VGS,PLD1稳定在准确的开启电压上；在t2～t3之间，第一PLDMOS管PLD1持续导通，t3时刻，PWMHS信号翻转为低，第二驱动器输出与输入电压VIN连通，栅源电压VGS,PLD1迅速上升为0，至此结束一个工作周期。

Claims (1)

1.一种用于功率LDMOS的高速栅极驱动电路，所述功率LDMOS包括高侧第一PLDMOS和低侧第一NLDMOS，相对应的栅极驱动电路包括高侧栅极驱动电路和低侧驱动电路，高侧第一PLDMOS的源极接电源，其栅极接高侧栅极驱动电路，其漏极接低侧第一NLDMOS的漏极；低侧第一NLDMOS的栅极接低侧驱动电路，其源极接地；其特征在于，所述低侧栅极驱动电路包括无片外电容LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块，所述无片外电容LDO模块包括第一误差放大器、第二PLDMOS管、第一电阻和第二电阻；其中第一误差放大器的反相输入端接基准电压，其输出端接第二PLDMOS管的栅极；第二PLDMOS管的源极接电源，其漏极依次通过第一电阻和第二电阻后接地，第一电阻和第二电阻的连接点接第一误差放大器的同相输入端；所述短脉冲电流源模块包括第一PMOS管、第三PLDMOS管、第四PLDMOS管、第三电阻、第四电阻、第一NMOS管、第二NMOS管、第二NLDMOS管、第一反相器、第一RS锁存器和第一电流源；其中第一电流源的输出端接第一反相器的输入端和第一NMOS管的漏极，第一反相器的输出端接第一RS锁存器的R输入端，第一RS锁存器的S输入端接低侧PWM反相信号，Q输出端接第二NLDMOS管的栅极；第二NLDMOS管的漏极接第四PLDMOS管的漏极，第二NLDMOS管的源极通过第四电阻后接地；第四PLDMOS管的源极接电源其栅极和漏极互连；第三PLDMOS管的源极接电源，其栅极接第四PLDMOS管的栅极，第三PLDMOS管的漏极接第一PMOS管的源极，第一PMOS管的栅极接固定参考电压，其漏极通过第三电阻后接第二NMOS管的漏极和栅极，以及第一NMOS管的栅极；第一NMOS管和第二NMOS管的源极接地；第一驱动器的输入端接低侧PWM反相信号，其电源端接第一PMOS管漏极、第三PLDMOS管漏极、第二PLDMOS管漏极、第一电阻的连接点，地端接地电位，输出端接第一NLDMOS管的栅极。
所述高侧栅极驱动电路包括无片外电容LDO模块、短脉冲电流源模块和驱动器模块，所述无片外电容LDO模块包括第二误差放大器、第三NLDMOS管、第五电阻和第六电阻；其中第二误差放大器的反相输入端接基准电压，其输出端接第三NLDMOS管的栅极；第三NLDMOS管的源极接地，其漏极依次通过第五电阻和第六电阻后接电源，第五电阻和第六电阻的连接点接第二误差放大器的同相输入端。所述短脉冲电流源模块包括第二PMOS管、第三PMOS管、第五PLDMOS管、第七电阻、第八电阻、第三NMOS管、第四NLDMOS管、第五NLDMOS管、第二反相器、第二RS锁存器和第二电流源；其中第二电流源的输出端接第二反相器的输入端和第二PMOS管的漏极，第二反相器的输出端接第二RS锁存器的S输入端，第二RS锁存器的R输入端接第三反相器的输出，Q输出端接第五PLDMOS管的栅极，第三反相器的输入接高侧PWM反相信号；第五PLDMOS管的漏极接第五NLDMOS管的漏极，第五PLDMOS管的源极通过第八电阻后接电源；第五NLDMOS管的源极接地其栅极和漏极互连；第四NLDMOS管的源极接地，其栅极接第五NLDMOS管的栅极，第四NLDMOS管的漏极接第三NMOS管的源极，第三NMOS管的栅极接固定参考电压，其漏极通过第七电阻后接第三PMOS管的漏极和栅极，以及第二PMOS管的栅极；第二PMOS管和第三PMOS管的源极接电源；第二驱动器的输入端接高侧PWM反相信号，其浮地端接第三NMOS管漏极、第四NLDMOS管漏极、第三NLDMOS管漏极、第五电阻的连接点，电源端接输入电压，输出端接第一PLDMOS管的栅极。
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