CN116418326A - 用于功率管的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于功率管的驱动电路，该驱动电路包括：第一电流生成单元，用于在上电电压为低电源电压阶段，生成指示该功率管锁定在断开状态的第一电流；第二电流生成单元，用于在上电电压为驱动控制电压阶段，生成指示该功率管锁定在工作状态的第二电流，其中，在功率管锁定在工作状态时，该驱动控制电压大于预设的参考电压，则控制功率管栅极电位动态维持在驱动控制电压的电位状态，以导通功率管。由此可将功率管打开关闭的电压调整到预设的参考电压附近，同时，在功率管打开时，将外部施加的驱动控制电压几乎全部施加到功率管的栅极，以避免消耗该驱动控制电压的动态范围，提高了该驱动电路稳定性和准确性，降低了功耗。

Description

用于功率管的驱动电路
技术领域
本公开涉及电子电力技术领域，具体涉及一种用于功率管的驱动电路。
背景技术
在电源系统中，通过控制开关型功率管(即功率开关管)的开通和关断来实现电能的变换，而开关频率、输入输出的电压和电流的控制都是电能转换的关键，因此对开关型功率管的驱动控制必不可少。
可知的，功率开关管包括金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal xideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)，而开关特性是功率开关管的重要特性。目前，在功率开关管中，多使用栅极电阻对栅极电容充放电来控制功率开关管的开关过程。若选择的栅极电阻不合适将出现震荡，增加功率开关管集电极或漏极电压的脉冲尖峰。
如图1所示为功率管，功率管的开启关闭电压由阈值电压VTH决定，而此阈值电压由工艺决定，不能随便调整。比如高压工艺中LDMOS的阈值电压典型值约为1.2V。但是有的应用需要调整功率管的开启关闭电压，比如调整到1.8V，这是现有的驱动电路所未能实现的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提供了一种用于功率管的驱动电路。
本公开提供了一种用于功率管的驱动电路，该功率管具有被耦合至漏极节点的漏极、被耦合至低电源电压的源极以及被耦合至栅极节点的栅极，其中，该驱动电路包括：
第一电流生成单元，被配置为响应于上电电压为低电源电压阶段，生成流入该栅极节点的第一电流，该第一电流用于指示该功率管锁定在断开状态；
第二电流生成单元，被配置为响应于上电电压为驱动控制电压阶段，生成流入该栅极节点的第二电流，该第二电流用于指示该功率管锁定在工作状态，
其中，前述的上电电压为驱动控制电压阶段，该驱动控制电压大于预设的参考电压，则该第二电流生成单元调整其导通路径，控制前述的栅极节点电位维持在驱动控制电压的电位状态，以导通功率管，该驱动控制电压不大于前述的参考电压，则该第二电流生成单元维持功率管处在关断状态。
优选地，前述的第一电流生成单元具有接收前述驱动控制电压的第一输入节点、接收前述上电电压的第二输入节点，以及连接前述栅极节点的输出节点和接入前述低电源电压的源极节点。
优选地，前述的第一电流生成单元包括：
第一电流源和第一晶体管，该第一电流源和第一晶体管串联连接在第一输入节点与源极节点之间，且该第一电流源与第一晶体管的连接节点连接在该第一晶体管的控制端；
第二电流源和第二晶体管，该第二电流源和第二晶体管串联连接在第一输入节点与源极节点之间，且该第二电流源与第二晶体管的连接节点连接在该第二晶体管的控制端。
优选地，前述的第一电流生成单元还包括：
第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管，该第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管依次串联连接在输出节点与源极节点之间，用于形成前述第一电流的导通路径，且该第四晶体管的控制端与第一晶体管的控制端连接，第五晶体管的控制端与第二晶体管的控制端连接；
反相器，该反相器的输入端作为前述的第二输出节点，其输出端连接第三晶体管的控制端。
优选地，前述的第二电流生成单元包括：
第六晶体管和第三电流源，该第六晶体管和第三电流源串联连接在第一输入节点与源极节点之间，且该第六晶体管与第三电流源的连接节点连接在该第六晶体管的控制端；
第七晶体管和第四电流源，该第七晶体管和第四电流源串联连接在第一输入节点与源极节点之间，且该第七晶体管与第四电流源的连接节点连接在该第七晶体管的控制端；
第八晶体管、第九晶体管和第一电阻，该第八晶体管、第九晶体管和第一电阻依次串联连接在第一输入节点与源极节点之间，且该第八晶体管的控制端连接在第七晶体管的控制端，该第九晶体管的控制端连接在第六晶体管的控制端。
优选地，前述的第二电流生成单元还包括：
第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管，该第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管依次串联连接在第一输入节点与输出节点之间，用于形成前述第二电流的导通路径，
并且该第十晶体管的控制端与第七晶体管的控制端连接，该第十一晶体管的控制端与第六晶体管的控制端连接，该第十二晶体管的控制端连接前述反相器的输出端，该第十三晶体管的控制端连接在前述第九晶体管和第一电阻之间的连接节点。
优选地，前述的驱动电路还包括：
第二电阻，该第二电阻连接在输出节点与源极节点之间。
优选地，前述的功率管、前述第一至第十三晶体管中的任一为金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
优选地，前述的第一至第五晶体管均为N沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
优选地，前述的功率管、前述的第六至第十三晶体管均为P沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
本公开的有益效果是：本公开提供的用于功率管的驱动电路中，该驱动电路包括：第一电流生成单元，被配置为响应于上电电压为低电源电压阶段，生成流入该栅极节点的第一电流，该第一电流用于指示该功率管锁定在断开状态；第二电流生成单元，被配置为响应于上电电压为驱动控制电压阶段，生成流入该栅极节点的第二电流，该第二电流用于指示该功率管锁定在工作状态，其中，前述的上电电压为驱动控制电压阶段，该驱动控制电压大于预设的参考电压，则该第二电流生成单元调整其导通路径，控制前述的栅极节点电位动态维持在驱动控制电压的电位状态，以导通功率管，该驱动控制电压不大于前述的参考电压，则该第二电流生成单元维持功率管处在关断状态。由此可通过电路设计及其参数控制将功率管打开关闭的电压调整到预设的参考电压附近，同时，在功率管打开时，将外部施加的驱动控制电压几乎全部施加到功率管的栅极，以避免消耗该驱动控制电压的动态范围，提高了该驱动电路稳定性和准确性，降低了功耗。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出现有技术中用于功率管的驱动电路的结构示意图；
图2示出本公开实施例提供的用于功率管的驱动电路的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施例。但是，本公开可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。
下面，参照附图对本公开进行详细说明。
图2示出本公开实施例提供的一种用于功率管的驱动电路的结构示意图。
参考图2，本公开实施例提供了一种用于功率管M0的驱动电路100，该功率管M0具有被耦合至漏极节点D的漏极、被耦合至低电源电压VS的源极以及被耦合至栅极节点G的栅极，其中，该驱动电路100包括：第一电流生成单元110和第二电流生成单元120，其中，
该第一电流生成单元110被配置为响应于上电电压VEN为低电源电压VS阶段，生成流入该栅极节点G的第一电流I7，该第一电流I7用于指示该功率管M0锁定在断开状态；
第二电流生成单元120，被配置为响应于上电电压VEN为驱动控制电压VG阶段，生成流入该栅极节点G的第二电流I6，该第二电流I6用于指示该功率管M0锁定在工作状态，
其中，前述的上电电压VEN为驱动控制电压VG阶段(即该功率管M0锁定在工作状态)，该驱动控制电压VG大于预设的参考电压Vref，则该第二电流生成单元120调整其导通路径，控制前述的栅极节点G的电位维持在驱动控制电压VG的电位状态，以导通功率管M0，该驱动控制电压VG不大于前述的参考电压Vref，则该第二电流生成单元120维持功率管M0处在关断状态。
进一步的，在本实施例中，前述的第一电流生成单元110具有接收前述驱动控制电压VG的第一输入节点、接收前述上电电压VEN的第二输入节点，以及连接前述栅极节点G的输出节点和接入前述低电源电压VS的源极节点S。
进一步的，在本实施例中，前述的第一电流生成单元110包括：
第一电流源I1和第一晶体管M12，该第一电流源I1和第一晶体管M12串联连接在第一输入节点与源极节点S之间，且该第一电流源I1与第一晶体管M12的连接节点连接在该第一晶体管M12的控制端；
第二电流源I2和第二晶体管M13，该第二电流源I2和第二晶体管M13串联连接在第一输入节点与源极节点S之间，且该第二电流源I2与第二晶体管M13的连接节点连接在该第二晶体管M13的控制端。
进一步的，在本实施例中，前述的第一电流生成单元110还包括：
第三晶体管M9、第四晶体管M10和第五晶体管M11，该第三晶体管M9、第四晶体管M10和第五晶体管M11依次串联连接在输出节点(即栅极节点G，下同)与源极节点S之间，用于形成前述第一电流I7的导通路径，且该第四晶体管M10的控制端与第一晶体管M12的控制端连接，第五晶体管M11的控制端与第二晶体管M13的控制端连接；
反相器INV，该反相器INV的输入端作为前述的第二输出节点，其输出端连接第三晶体管M9的控制端。
进一步的，在本实施例中，前述的第二电流生成单元120包括：
第六晶体管M1和第三电流源I3，该第六晶体管M1和第三电流源I3串联连接在第一输入节点与源极节点S之间，且该第六晶体管M1与第三电流源I3的连接节点连接在该第六晶体管M1的控制端；
第七晶体管M2和第四电流源I4，该第七晶体管M2和第四电流源I4串联连接在第一输入节点与源极节点S之间，且该第七晶体管M2与第四电流源I4的连接节点连接在该第七晶体管M2的控制端；
第八晶体管M3、第九晶体管M4和第一电阻R1，该第八晶体管M3、第九晶体管M4和第一电阻R1依次串联连接在第一输入节点与源极节点S之间，且该第八晶体管M3的控制端连接在第七晶体管M2的控制端，该第九晶体管M4的控制端连接在第六晶体管M1的控制端。
进一步的，在本实施例中，前述的第二电流生成单元120还包括：
第十晶体管M5、第十一晶体管M6、第十二晶体管M7和第十三晶体管M8，该第十晶体管M5、第十一晶体管M6、第十二晶体管M7和第十三晶体管M8依次串联连接在第一输入节点与输出节点之间，用于形成前述第二电流I6的导通路径，
并且该第十晶体管M5的控制端与第七晶体管M2的控制端连接，该第十一晶体管M6的控制端与第六晶体管M1的控制端连接，该第十二晶体管M7的控制端连接前述反相器INV的输出端，该第十三晶体管M8的控制端连接在前述第九晶体管M4和第一电阻R1之间的连接节点。
进一步的，在本实施例中，前述的驱动电路100还包括：
第二电阻R2，该第二电阻R2连接在输出节点与源极节点S之间。
进一步的，在本实施例中，前述的功率管M0、第一晶体管M12、第二晶体管M13、第三晶体管M9、第四晶体管M10、第五晶体管M11、第六晶体管M1、第七晶体管M2、第八晶体管M3、第九晶体管M4、第十晶体管M5、第十一晶体管M6、第十二晶体管M7和第十三晶体管M8中的任一为金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal xide Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET，以下简称为MOS管)器件。
进一步的，在本实施例中，前述的第一晶体管M12、第二晶体管M13、第三晶体管M9、第四晶体管M10和第五晶体管M11均为N沟道型的MOS管器件。
进一步的，在本实施例中，前述的功率管M0、第六晶体管M1、第七晶体管M2、第八晶体管M3、第九晶体管M4、第十晶体管M5、第十一晶体管M6、第十二晶体管M7和第十三晶体管M8均为P沟道型的MOS管器件。
正如前文所述，在有些实际应用中，需要调整功率管的开启关闭电压，而本实施例提供的用于功率管M0的驱动电路100，也是功率管M0开启关闭电压的调整电路，具体的，I1～I4为偏置电流源，分别提供偏置电流驱动第一晶体管M12、第二晶体管M13、第六晶体管M1和第七晶体管M2，以产生偏置电压，参考图2，在本实施例中，第八晶体管M3/第九晶体管M4，第十晶体管M5/第十一晶体管M6，以及第四晶体管M10/第五晶体管M11分别组成电流源结构。
目前，绝大多数功率管的驱动电路均采用一个栅极电阻或开通电阻与关断电阻分开的结构，无论功率管的输出电流大小是多大，其导通与关断速度都是一样的，这会出现大电流时损耗过大、小电流时易产生寄生震荡的问题。而在本实施例中，第二电流I6为驱动功率管M0打开的电流，通过参数设定，使第二电阻R2的阻值满足I6>>(VG/R2)，则该第二电阻R2对功率管M0开启速度的影响可以忽略。
第一电流I7为驱动功率管M0关闭的电流。进一步的，第十二晶体管M7/第三晶体管M9用作开关管，当上电电压VEN为负电源电压VS时，功率管M0关闭，当上电电压VEN为驱动控制电压VG时，功率管M0处于工作状态，即该功率管M0的打开关闭受该驱动控制电压VG控制。
具体的，当VEN＝VG时，我们分析驱动控制电压VG大于多少V(满足预设的参考电压Vref，Vref＝I5*R1+VTH8)时，功率管M0开启。设第十三晶体管M8的阈值电压为VTH8，当VG<Vref时，该第十三晶体管M8处于关闭状态，栅极节点电位VGINT被第二电阻R2放电到源极节点S，功率管M0始终处于关闭状态。
当VG>Vref时，该第十三晶体管M8开启，可以调整第二电阻R2的阻值使得R2引起的第十晶体管M5～第十三晶体管M8上面的压降变化可以忽略，由于第二电流I6的充电作用，功率管M0的栅极节点电位VGINT≈VG。
因此，综合上述内容我们可以看到该驱动电路100将功率管M0打开关闭的电压调整到预设的参考电压Vref，同时，功率管M0打开时，功率管M0的栅极节点电位VGINT≈VG，即外部施加驱动控制电压VG几乎全部施加到功率管M0的栅极，该驱动电路100并未消耗VG的动态范围。
需要注意的是，应该满足的条件I5*R1+VTH8>VTH，即Vref＞VTH，VTH为功率管M0本身的阈值电压，即该驱动电路100并不能将功率管M0打开关闭的电压调整得小于功率管M0自身的阈值电压。
综上所述，本公开提供的用于功率管M0的驱动电路100中，该驱动电路100包括：第一电流生成单元100，被配置为响应于上电电压VEN为低电源电压VS阶段，生成流入该栅极节点G的第一电流I7，该第一电流I7用于指示该功率管M0锁定在断开状态；第二电流生成单元120，被配置为响应于上电电压VEN为驱动控制电压VG阶段，生成流入该栅极节点G的第二电流I6，该第二电流I6用于指示该功率管M0锁定在工作状态，其中，前述的上电电压VEN为驱动控制电压VG阶段，该驱动控制电压VG大于预设的参考电压Vref，则该第二电流I6生成单元调整其导通路径，控制前述的栅极节点G电位动态维持在驱动控制电压VG的电位状态，以导通功率管M0，该驱动控制电压VG不大于前述的参考电压Vref，则该第二电流I6生成单元维持功率管M0处在关断状态。由此可通过电路设计及其参数控制将功率管M0打开关闭的电压调整到预设的参考电压Vref附近，同时，在功率管M0打开时，将外部施加的驱动控制电压VG几乎全部施加到功率管M0的栅极，以避免消耗该驱动控制电压VG的动态范围，提高了该驱动电路100的稳定性和准确性，降低了功耗。
应当说明的是，在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，在本文中，所含术语“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。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于功率管的驱动电路，所述功率管具有被耦合至漏极节点的漏极、被耦合至低电源电压的源极以及被耦合至栅极节点的栅极，其特征在于，所述驱动电路包括：
第一电流生成单元，被配置为响应于上电电压为所述低电源电压阶段，生成流入所述栅极节点的第一电流，所述第一电流用于指示所述功率管锁定在断开状态；
第二电流生成单元，被配置为响应于所述上电电压为驱动控制电压阶段，生成流入所述栅极节点的第二电流，所述第二电流用于指示所述功率管锁定在工作状态，
其中，所述上电电压为所述驱动控制电压阶段，所述驱动控制电压大于预设的参考电压，则所述第二电流生成单元调整其导通路径，控制所述栅极节点的电位维持在所述驱动控制电压的电位状态，以导通所述功率管，所述驱动控制电压不大于所述参考电压，则所述第二电流生成单元维持所述功率管处在关断状态。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一电流生成单元具有接收所述驱动控制电压的第一输入节点、接收所述上电电压的第二输入节点，以及连接所述栅极节点的输出节点和接入所述低电源电压的源极节点。
3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第一电流生成单元包括：
第一电流源和第一晶体管，所述第一电流源和所述第一晶体管串联连接在所述第一输入节点与所述源极节点之间，且所述第一电流源与所述第一晶体管的连接节点连接在所述第一晶体管的控制端；
第二电流源和第二晶体管，所述第二电流源和所述第二晶体管串联连接在所述第一输入节点与所述源极节点之间，且所述第二电流源与所述第二晶体管的连接节点连接在所述第二晶体管的控制端。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述第一电流生成单元还包括：
第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管，所述第三晶体管、所述第四晶体管和所述第五晶体管依次串联连接在所述输出节点与所述源极节点之间，用于形成所述第一电流的导通路径，且所述第四晶体管的控制端与所述第一晶体管的控制端连接，所述第五晶体管的控制端与所述第二晶体管的控制端连接；
反相器，所述反相器的输入端作为所述第二输出节点，其输出端连接所述第三晶体管的控制端。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述第二电流生成单元包括：
第六晶体管和第三电流源，所述第六晶体管和所述第三电流源串联连接在所述第一输入节点与所述源极节点之间，且所述第六晶体管与所述第三电流源的连接节点连接在所述第六晶体管的控制端；
第七晶体管和第四电流源，所述第七晶体管和所述第四电流源串联连接在所述第一输入节点与所述源极节点之间，且所述第七晶体管与所述第四电流源的连接节点连接在所述第七晶体管的控制端；
第八晶体管、第九晶体管和第一电阻，所述第八晶体管、所述第九晶体管和所述第一电阻依次串联连接在所述第一输入节点与所述源极节点之间，且所述第八晶体管的控制端连接在所述第七晶体管的控制端，所述第九晶体管的控制端连接在所述第六晶体管的控制端。
6.根据权利要求5所述的驱动电路，其特征在于，所述第二电流生成单元还包括：
第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管和第十三晶体管，所述第十晶体管、所述第十一晶体管、所述第十二晶体管和所述第十三晶体管依次串联连接在所述第一输入节点与所述输出节点之间，用于形成所述第二电流的导通路径，
并且所述第十晶体管的控制端与所述第七晶体管的控制端连接，所述第十一晶体管的控制端与所述第六晶体管的控制端连接，所述第十二晶体管的控制端连接所述反相器的输出端，所述第十三晶体管的控制端连接在所述第九晶体管和所述第一电阻之间的连接节点。
7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，还包括：
第二电阻，所述第二电阻连接在所述输出节点与所述源极节点之间。
8.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述功率管、所述第一至所述第十三晶体管中的任一为金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
9.根据权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，所述第一至所述第五晶体管均为N沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
10.根据权利要求9所述的驱动电路，其特征在于，所述功率管、所述第六至所述第十三晶体管均为P沟道型的金属氧化物半导体场效应晶体管器件。
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