CN114696585A - 一种功率管的驱动电路和开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率管的驱动电路和开关电路。驱动电路包括串联连接在电源电压和地之间的第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管和第二晶体管之间的输出节点用于输出驱动信号，该驱动信号用于驱动功率管的导通和关断；辅助晶体管，连接于电源电压与输出节点之间；以及控制模块，用于根据开关控制信号控制第一晶体管、第二晶体管以及辅助晶体管的导通和关断，其中，控制模块还用于在功率管导通时，当驱动信号小于参考电压时导通辅助晶体管，当驱动信号大于参考电压时关断所述辅助晶体管，从而在功率管导通时调节驱动信号的上电速度，避免导通过程中对电源的冲击，提高电路稳定性和可靠性。

Description

一种功率管的驱动电路和开关电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地涉及一种功率管的驱动电路和开关电路。

背景技术

在现有的电源系统中，通过控制开关型功率管(即功率开关管，例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管))的导通和关断来实现电能的变换和输出的结构最为常见。如图1所示，以开关电路100为例，功率管MD1为芯片的输出管，连接在输入端和输出端之间。功率管MD1例如选自N型MOSFET，其第一端与芯片的输入端连接以接收输入电压Vin，第二端与芯片的输出端连接以向后级电路提供输出电压Vout。驱动电路110用于根据开关控制信号Von生成驱动信号Vgate，驱动信号Vgate用于控制功率管MD1的导通和关断，以控制芯片输入端至芯片输出端之间的电能传输。

图2示出根据现有技术的一种驱动电路的时序示意图。如图2所示，现有的开关电路采用电路内部的驱动器驱动功率管MD1，由于驱动器的驱动能力是固定的，所以上电过程中功率管的导通速度较快，而功率器件的导通速度过快，会产生较大的充电电流，对于电源来说，瞬间形成较大的负载，容易对电源造成冲击，影响系统的可靠性。

图3示出根据现有技术的另一种驱动电路的时序示意图。现有技术为了降低导通过程中对电源的冲击，通过降低驱动器的驱动能力，减小驱动电流，从而降低功率器件上电过程中的导通速度，但是这种方法会增加电路的损耗，降低开关电路的效率。因此，如何可靠且高效地将功率器件导通，是现有功率器件驱动的一个重要的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率管的驱动电路和开关电路，可以可靠且高效地将功率管导通，避免了功率管导通过程中对电源的冲击，提高电路稳定性和可靠性。

根据本发明的一方面，提供了一种功率管的驱动电路，所述驱动电路用于根据接收到的开关控制信号驱动所述功率管，其中，所述驱动电路包括：串联连接在电源电压和地之间的第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的输出节点用于输出驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述功率管的导通和关断；辅助晶体管，连接于所述电源电压与所述输出节点之间；以及控制模块，用于根据所述开关控制信号控制所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述辅助晶体管的导通和关断，其中，所述控制模块还用于在所述功率管导通时，当所述驱动信号小于参考电压时导通所述辅助晶体管，当所述驱动信号大于所述参考电压时关断所述辅助晶体管。

可选的，所述控制模块还用于在所述功率管导通时，在关断所述辅助晶体管的预设时间之后再次导通所述辅助晶体管。

可选的，所述驱动电路还包括：电压检测模块，用于将所述驱动信号与所述参考电压进行比较，根据比较结果向所述控制模块提供电压检测信号，所述控制模块根据所述电压检测信号和所述开关控制信号控制所述辅助晶体管的导通和关断。

可选的，所述电压检测模块用于在所述驱动信号小于所述参考电压时输出所述电压检测信号为低电平，在所述驱动信号大于所述参考电压时输出所述电压检测信号为高电平。

可选的，所述电压检测模块包括：依次连接于所述电源电压和地之间的第一电阻、第三晶体管、第二电阻以及齐纳二极管，所述第三晶体管的控制端接收所述驱动信号，所述第一电阻和所述第三晶体管的中间节点输出第一电压信号；以及反相器，输入端与所述第一电阻和所述第三晶体管的中间节点连接，所述反相器用于将所述第一电压信号反相转换以得到所述电压检测信号。

可选的，所述控制模块包括：第一驱动器，输入端接收所述开关控制信号，输出端向所述第一晶体管输出第一控制信号；第二驱动器，输入端接收所述开关控制信号，输出端向所述第二晶体管输出第二控制信号；以及第三驱动器，第一输入端接收所述开关控制信号，第二输入端接收所述电压检测信号，输出端向所述辅助晶体管输出第三控制信号。

可选的，所述第一晶体管和所述辅助晶体管分别选自P型MOSFET，所述第二晶体管和所述第三晶体管分别选自N型MOSFET。

根据本发明的另一方面，提供了一种开关电路，包括上述的功率管的驱动电路。

本发明实施例的驱动电路可在功率管导通时，根据驱动信号的电压状态反馈调节驱动信号的上电速度，不仅可以保证输出端的输出电压可以迅速达到需要的目标电压，而且可以避免导通过程中对电源的冲击，提高系统的稳定性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种开关电路的电路示意图；

图2示出根据现有技术的一种驱动电路的时序示意图；

图3示出根据现有技术的另一种驱动电路的时序示意图；

图4示出根据本发明实施例的一种开关电路的电路示意图；

图5示出根据本发明实施例的驱动电路中的电压检测模块的电路示意图；

图6示出根据本发明实施例的驱动电路的时序示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。当称元件或电路“连接到”或者“耦合到”另一元件，或称元件/电路“连接在”或者“耦合在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者二者之间也可以存在中间元件，元件之间的连接或耦合可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

图4示出根据本发明实施例的一种开关电路的电路示意图。在图4中，功率管MD1为芯片的主要输出管，连接在输入端和输出端之间。功率管MD1例如选自N型MOSFET，其第一端与芯片的输入端连接以接收输入电压Vin，第二端与芯片的输出端连接以向后级电路提供输出电压Vout。驱动电路210用于根据开关控制信号Von控制功率管MD1的导通和关断，以控制芯片输入端至芯片输出端之间的电能传输。

其中，采用开关控制信号Von控制是控制功率开关管的一种控制方式，开关控制信号Von包括有效部分和无效部分，二者组成一个开关周期，有效部分占整个开关周期的比例称之为占空比。以N型MOSFET的功率开关管为例，开关控制信号Von的高电平部分为有效，低电平部分为无效。

其中，驱动电路210用于根据开关控制信号Von生成驱动信号Vgate，施加于功率管MD1的控制端的驱动信号Vgate可用于控制功率管MD1的状态，驱动信号Vgate的特性(例如驱动强度)可影响功率管MD1的操作状态。例如，驱动信号Vgate可影响功率管MD1的导通速度、关断速度和/或效率。进一步而言，驱动电路210还用于在所述功率管MD1导通时，根据驱动信号Vgate的电压状态反馈调节所述驱动信号Vgate的上电速度。

进一步的，驱动电路210包括第一晶体管Mp1、第二晶体管Mn1、辅助晶体管Mp2、控制模块211和电压检测模块212。其中，第一晶体管Mp1和第二晶体管Mn1连接在电源电压Vdd和地之间，二者之间的输出节点用于输出驱动信号Vgate，辅助晶体管Mp2连接在电源电压Vdd和所述输出节点之间。其中，第一晶体管Mp1和辅助晶体管Mp2例如分别通过P型MOSFET实现，第二晶体管Mn2通过N型MOSFET实现。控制模块211用于根据开关控制信号Von生成第一至第三控制信号Vg1-Vg3，以分别控制所述第一晶体管Mp1、第二晶体管Mn1以及辅助晶体管Mp2的导通和关断。电压检测模块212用于将驱动信号Vgate与参考电压进行比较，根据比较结果向控制模块211提供电压检测信号Vsen_L，控制模块211根据电压检测信号Vsen_L和开关控制信号Von控制辅助晶体管Mp2的导通和关断，以在功率管MD1导通时实时调节电源电压Vdd至输出节点的阻抗，调节驱动信号Vgate的上电速度。

进一步的，控制模块211包括驱动器201至203，驱动器201的输入端接收所述开关控制信号Von，输出端向所述第一晶体管Mp1输出第一控制信号Vg1，驱动器202的输入端接收所述开关控制信号Von，输出端向所述第二晶体管Mn1提供所述第二控制信号Vg2，驱动器203的一个输入端接收所述开关控制信号Von，另一个输入端接收所述电压检测信号Vsen_L，输出端用于向所述辅助晶体管Mp2输出所述第三控制信号Vg3。

其中，当开关控制信号Von为高电平且电压检测信号Vsen_L表征驱动信号Vgate小于参考电压时，所述控制模块211导通所述第一晶体管Mp1和所述辅助晶体管Mp2，关断第二晶体管Mn1，此时电源电压Vdd至输出节点的输出通道的阻抗较小，驱动信号Vgate快速增大；当电压检测信号Vsen_L表征驱动信号Vgate大于参考电压时，所述控制模块211关断所述辅助晶体管Mp2，此时电源电压Vdd至输出节点的输出通道的阻抗增大，驱动信号Vgate缓慢增大，经过预设时间之后，控制模块211再次导通辅助晶体管Mp2，减小驱动电路正常工作时的功耗，提高电路效率。当开关控制信号Von为低电平时，控制模块211关断第一晶体管Mp1和辅助晶体管Mp2，导通第二晶体管Mn1，此时输出节点对地放电，驱动信号Vgate减小。

图5示出根据本发明实施例的驱动电路中的电压检测模块的电路示意图。如图5所示，电压检测模块212包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三晶体管Mn2、齐纳二极管ZD和反相器INV1。第一电阻R1、第三晶体管Mn2、第二电阻R2以及齐纳二极管ZD依次连接于电源电压Vdd和地之间，第三晶体管Mn2例如通过N型MOSFET实现，第三晶体管Mn2的控制端接收所述驱动信号Vgate，第一电阻R1和第三晶体管Mn2的中间节点用于输出第一电压信号V1。反相器INV1的输入端与第一电阻R1和第三晶体管Mn2的中间节点连接，反相器INV1用于将第一电压信号V1反相转换以得到电压检测信号Vsen_L。

其中，设置电阻R1＝2.5KΩ，电阻R2＝10KΩ，当齐纳二极管ZD的电流为310uA时,电阻R2两端的电压为：

VR2＝310uA×2.5KΩ≈0.8V

又因为，齐纳二极管ZD的电压Vzd＝5.5V，第三晶体管Mn2的栅源电压VGS＝1.7V，则可以得到参考电压为：

Vth1＝5.5V+0.8V+1.7V＝8V

由此可知，当驱动信号Vgate小于8V时，第三晶体管Mn2关断，第一电压信号V1为高电平，电压检测信号Vsen_L为低电平；当驱动信号Vgate大于等于8V时，第三晶体管Mn2导通，第一电压信号V1被第三晶体管Mn2下拉至低电平，电压检测信号Vsen_L翻转为高电平。

图6示出根据本发明实施例的驱动电路的时序示意图。在图6中，由上至下分别示出了开关控制信号Von、第一至第三控制信号Vg1-Vg3和驱动信号Vgate的电压波形。下面参照图4和图6对本发明实施例的驱动电路的工作原理进行说明。

如图6所示，在时间t1-t2，开关控制信号Von为高电平，则第一控制信号Vg1和第二控制信号Vg2为低电平，第一晶体管Mp1导通，第二晶体管Mn1关断，同时驱动信号Vgate小于参考电压(参考电压的电压值等于8V)，因此第三控制信号Vg3也为低电平，辅助晶体管Mp2导通，此时电源电压Vdd至输出节点的输出通道的阻抗较小，驱动信号Vgate快速增大。

在时间t2-t3，驱动信号Vgate增大至参考电压，第三控制信号Vg3翻转为高电平，辅助晶体管Mp2关断，此时电源电压Vdd至输出节点的输出通道的阻抗增大，驱动信号Vgate缓慢增大。

在时间t3-t4，第三控制信号Vg3又翻转为低电平，辅助晶体管Mp2再次导通，从而减小驱动电路正常工作时的功耗，提高电路效率。

在时间t4-t5，开关控制信号Von翻转为低电平，则第一至第三控制信号Vg1-Vg3都翻转为高电平，第一晶体管Mp1和辅助晶体管Mp2关断，第二晶体管Mn1导通，此时输出节点对地放电，驱动信号Vgate翻转为低电平。

需要说明的是，在上述实施例中以对N型MOSFET的功率管的控制和开关控制信号Von与驱动信号Vgate同向变化为例进行说明，但是本领域技术人员可以理解，本发明的驱动电路同样适用于对P型MOSFET的功率管的控制和开关控制信号Von与驱动信号Vgate反向变化的实施例。

综上所述，本发明实施例提供了一种功率管的驱动电路和开关电路，驱动电路可在功率管导通时，根据驱动信号的电压状态反馈调节驱动信号的上电速度，不仅可以保证输出端的输出电压可以迅速达到需要的目标电压，而且可以避免导通过程中对电源的冲击，提高系统的稳定性。

进一步的，驱动电路包括第一晶体管、第二晶体管和辅助晶体管，辅助晶体管与第一晶体管并联连接在电源电压和输出节点之间，电压检测模块将驱动信号与参考电压进行比较，根据比较结果向控制模块提供电压检测信号，控制模块根据电压检测信号和开关控制信号控制辅助晶体管的导通和关断，以在功率管导通时实时调节电源电压至输出节点的阻抗，调节驱动信号的上电速度。更进一步的，当驱动信号达到目标电压时，控制模块再次导通辅助晶体管，降低电路的阻抗，从而减小驱动电路正常工作的功耗，提高电路效率。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种功率管的驱动电路，所述驱动电路用于根据接收到的开关控制信号驱动所述功率管，其中，所述驱动电路包括：

串联连接在电源电压和地之间的第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管之间的输出节点用于输出驱动信号，所述驱动信号用于驱动所述功率管的导通和关断；

辅助晶体管，连接于所述电源电压与所述输出节点之间；以及

控制模块，用于根据所述开关控制信号控制所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述辅助晶体管的导通和关断，

其中，所述控制模块还用于在所述功率管导通时，当所述驱动信号小于参考电压时导通所述辅助晶体管，当所述驱动信号大于所述参考电压时关断所述辅助晶体管。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述控制模块还用于在所述功率管导通时，在关断所述辅助晶体管的预设时间之后再次导通所述辅助晶体管。

3.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，还包括：

电压检测模块，用于将所述驱动信号与所述参考电压进行比较，根据比较结果向所述控制模块提供电压检测信号，所述控制模块根据所述电压检测信号和所述开关控制信号控制所述辅助晶体管的导通和关断。

4.根据权利要求3所述的驱动电路，其中，所述电压检测模块用于在所述驱动信号小于所述参考电压时输出所述电压检测信号为低电平，在所述驱动信号大于所述参考电压时输出所述电压检测信号为高电平。

5.根据权利要求4所述的驱动电路，其中，所述电压检测模块包括：

依次连接于所述电源电压和地之间的第一电阻、第三晶体管、第二电阻以及齐纳二极管，所述第三晶体管的控制端接收所述驱动信号，所述第一电阻和所述第三晶体管的中间节点输出第一电压信号；以及

反相器，输入端与所述第一电阻和所述第三晶体管的中间节点连接，所述反相器用于将所述第一电压信号反相转换以得到所述电压检测信号。

6.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，所述控制模块包括：

第一驱动器，输入端接收所述开关控制信号，输出端向所述第一晶体管输出第一控制信号；

第二驱动器，输入端接收所述开关控制信号，输出端向所述第二晶体管输出第二控制信号；以及

第三驱动器，第一输入端接收所述开关控制信号，第二输入端接收所述电压检测信号，输出端向所述辅助晶体管输出第三控制信号。

7.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述辅助晶体管分别选自P型MOSFET，所述第二晶体管和所述第三晶体管分别选自N型MOSFET。

8.一种开关电路，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的功率管的驱动电路。

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