CN116961634A - 一种高可靠性高侧驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高可靠性高侧驱动电路，属于集成电路技术领域，电路中，当高侧浮动地VS电位抬升或者下降时，位移电流检测电路将高压器件位移电流检测出来并且输出到另外两路高压器件的负载端，以此抵消两路高压器件上产生的位移电流，保证脉冲信号可以正常通过锁存器进行输出，实现了整体电路存在噪声时，低侧信号可以向高侧正确传输，提高了整体高侧驱动电路的可靠性，同时本发明整体电路成本较低，实现难度较小。

Description

一种高可靠性高侧驱动电路
技术领域
本申请实施例涉及集成电路技术领域，特别涉及一种高可靠性高侧驱动电路。
背景技术
高压驱动电路常用于驱动半桥结构中的高侧开关器件，目前常用的半桥驱动电路结构如图1所示，包含二极管DBS、高侧驱动电路、低侧驱动电路、电容CBS、MOS管MH和ML，低侧驱动电路和高侧驱动电路中低压区电路采用低侧电源VDD进行供电，VDD通过二极管DBS和电容CBS对高侧驱动电路中高压区电路进行供电，高侧驱动电路中的高压区电源VB和高侧地VS为浮动电压；高侧驱动电路控制高侧功率管的开通与关闭，低侧驱动电路控制低侧功率管的开通与关闭，工作时VS电位会在高压HV和地GND之间转换。显而易见的是，高侧驱动电路是整个半桥驱动芯片中最为核心的模块之一，其性能的好坏将直接影响整个芯片是否能正常工作。
一种传统的高侧驱动电路如图2所示，包含双脉冲产生电路、电平移位电路、共模滤波电路、RS触发器、缓冲器，其电平移位功能主要靠高压器件HVM的开关作用来实现，双脉冲信号通过HVM实现电平翻转，后通过反相器和滤波电路进行信号整形和去噪，最后通过RS触发器进行波形还原。如图2和图3所示，当VS无变化时，信号可以正常传输，输出信号较为稳定；当VS电压变化时，信号传输会受到较大的影响，甚至导致整体电平移位电路失效。这是因为：设流过负载电阻RL的电流为IL，流过高压器件HVM的电流为IM，流过寄生电容上的位移电流IPARA，则有关系式IL=IM+IPARA，而VS变化速度越快，位移电流IPARA绝对值越大；当VS上升且速度较快时，IPARA为正且较大，VX和VY会有共模噪声，共模信号会被滤波电路滤除，若共模噪声包含有效信号时，会引起有效信号传输失效，高侧会产生Latch-on或者Latch-off错误输出，如图3a和3b所示。当VS下降且速度较快时，IPARA为负，此时若脉冲信号使HVM开通，则电流IL会降低，VX或VY电压变化不会引起反相器输出变化，最终信号传输会失效，会产生Latch-on或者Latch-off错误输出，如图4a和4b所示。
现有专利US7688049b2、US6664822b2和CN107689787都是通过消除共模噪声来提升高侧电路的可靠性，但是这些实施方式不能消除信号差模噪声，实际应用中电路可靠性仍有较大提升空间；另一篇专利CN103762969A中，对高压电平转换电路进行了改进，可以消除干扰噪声和上升时的差模噪声，保证信号可以进行正确传输，但是这种实施方式不能消除下降时的差模或者差模噪声，实际信号传输仍有误传输的可能。
发明内容
本申请发明提供了一种高可靠性高侧驱动电路，能够有效消除VS上升或者下降时产生的共模或者差模噪声，解决了由于电路噪声干扰导致信号出现误传输的问题，又避免了整体电路过于复杂。所述技术方案如下：
一种高可靠性高侧驱动电路，其特征在于：包含双脉冲产生电路、偏置电路、位移电流检测电路、二极管D1和二极管D2、高压器件M10和高压器件M11、电阻R1和电阻R2、锁存器、反相器INV1和反相器INV2和缓冲器。
所述双脉冲产生电路的输入端连接输入信号，电源连接低侧电源VDD，地端连接低侧地GND，所述双脉冲产生电路的置位输出端连接所述高压器件M10的栅端，复位输出端连接所述高压器件M11的栅端；
所述偏置电路的电源连接高侧电源VB，地端连接高侧地VS，偏置电路的两个偏置电压输出端分别与位移电流检测电路中两个输入端连接；
所述位移电流检测电路的一个输出端连接二极管D1的负极、高压器件M10的漏端、电阻R1和反相器INV1的输入端，另一个输出端连接二极管D2的负极、高压器件M11的漏端、电阻R2和反相器INV2的输入端，电阻R1和R2的另一端连接高侧电源VB，二极管D1和D2的正极连接高侧地VS；
所述RS触发器的SET端口连接反相器INV1的输出端，RESET端口连接反相器INV2的输出端，输出端口连接缓冲器的输入端，地端连接VS，电源连接VB；
所述反相器INV1、INV2的电源连接VB，地端连接VS；
所述缓冲器的电源连接VB，地端连接VS，输出端口作为高可靠性高侧驱动电路的输出端口；
作为一种实施方式，所述位移电流检测电路包括：NMOS管M1、M2、M4、M8和M9、PMOS管M3、M5、M6和M7。所述位移电流检测电路的输入端内部分别连接MOS管M3、M4的栅端，输出端内部分别连接MOS管M6、M7的漏端、M8、M9的漏端；NMOS管M2的漏端连接M2的栅端、M3的漏端、MOS管M8的栅端和M9的栅端，M2的源端连接VS，MOS管M3的源端连接MOS管M4的源端和M1的漏端，NMOS管M4的漏端连接PMOS管M5的漏端和栅端以及MOS管M6和M7的栅端，PMOS管M5的源端连接M6的源端、M7的源端和VB，MOS管M8和M9的源端连接VS，MOS管M1的栅端连接M1的源端和GND。
作为一种实施方式，所述另一种位移电流检测电路包括：NMOS管M1、M4，PMOS管M3、M5、M6和M7。所述位移电流检测电路的输入端内部分别连接MOS管M3和M4的栅端，输出端内部分别连接MOS管M6、M7的漏端；NMOS管M1的栅端和源端连接GND，漏端连接PMOS管M3和NMOS管M4的源端，PMOS管M3的漏端连接VS，NMOS管M4的漏端连接PMOS管M5的漏端和栅端以及PMOS管M6和M7的栅端，PMOS管M5、M6和M7的源端连接VB。
作为一种实施方式，所述双脉冲产生电路包括：反相器INV3~9、电容C1和C2、与门AND2和AND1。所述双脉冲产生电路的输入端内部连接反相器INV3、INV6的输入端和与门AND2的一个输入端，两个输出端内部分别连接与门AND2和AND1的输出端；反相器INV3的输出端连接反相器INV4的输入端，反相器INV4的输出端连接INV5的输入端，与门AND2的另一个输入端连接反相器INV5的输出端，反相器INV6的输出端连接INV7的输入端和与门AND1的一个输入端，反相器INV7的输出端连接反相器INV8的输入端，反相器INV8的输出端连接INV9的输入端，反相器INV9的输出端连接与门AND1的另一个输入端。
作为一种实施方式，所述偏置电路包括电流源I1和I2、NMOS管N1、PMOS管P1。所述偏置电路的电源端口内部连接电流源I1的一端，地端内部连接电流源I2的一端，所述偏置电路的两个输出端口内部分别连接NMOS管N1和PMOS管P1的栅端；电流源I1的另一端连接NMOS管N1的漏端和栅端，电流源I2的另一端连接PMOS管P1的漏端和栅端，NMOS管N1的源端连接PMOS管P1的源端。
作为一种实施方式，所述另一种偏置电路包括电阻R3和R4、NMOS管N1、PMOS管P1。所述偏置电路的电源端口内部连接电阻R3的一端，地端内部连接电阻R4的一端，所述偏置电路的两个输出端口内部分别连接NMOS管N1和PMOS管P1的栅端；电阻R3的另一端连接NMOS管N1的漏端和栅端，电阻R4的另一端连接PMOS管P1的漏端和栅端，NMOS管N1的源端连接PMOS管P1的源端。
本申请实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
该电路结构解决了传统高压电平移位电路由于电路噪声导致信号出现误传输的问题，又避免了整体电路过于复杂的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为一种常用的半桥驱动电路的示意图；
图2为一种传统高侧驱动电路的示意图；
图3为图1电路中正dv/dt噪声对输出影响的示意图；
图4为图1电路中负dv/dt噪声对输出影响的示意图；
图5为本申请提出的一种高可靠性高侧驱动电路；
图6a为图2电路中位移电流检测电路的一种实施方式；
图6b为图2电路中位移电流检测电路的另一种实施方式；
图7a为图2电路中偏置电路的一种实施方式；
图7b为图2电路中偏置电路的另一种实施方式；
图8为图2电路中双脉冲产生电路的一种实施方式；
图9为本申请提出的高可靠性高侧驱动电路的一种实例图；
图10为本申请提出的高可靠性高侧驱动电路的另一种实例图；
图11为本申请提出的高可靠性高侧驱动电路的两种输入输出关系示意图；
图12为本申请提出的使用另一种位移电流检测电路的高可靠性高侧驱动电路的两种输入输出关系示意图。
实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本发明申请的高可靠性高侧驱动电路具体实施方式如图5所示，包括双脉冲产生电路、偏置电路、位移电流检测电路、二极管D1和二极管D2、高压器件M10和高压器件M11、电阻R1和电阻R2、锁存器、反相器INV1和反相器INV2和缓冲器。双脉冲产生电路的输入端连接输入信号，电源连接低侧电源VDD，地端连接低侧地GND，所述双脉冲产生电路的置位输出端连接所述高压器件M10的栅端，复位输出端连接所述高压器件M11的栅端；偏置电路的电源连接高侧电源VB，地端连接高侧地VS，偏置电路的两个偏置电压输出端分别与位移电流检测电路中两个输入端连接；位移电流检测电路的一个输出端连接二极管D1的负极、高压器件M10的漏端、电阻R1和反相器INV1的输入端，另一个输出端连接二极管D2的负极、高压器件M11的漏端、电阻R2和反相器INV2的输入端，电阻R1和R2的另一端连接高侧电源VB，二极管D1和D2的正极连接高侧地VS；RS触发器的SET端口连接反相器INV1的输出端，RESET端口连接反相器INV2的输出端，输出端口连接缓冲器的输入端，地端连接VS，电源连接VB；反相器INV1、INV2的电源连接VB，地端连接VS；缓冲器的电源连接VB，地端连接VS，输出端口作为高可靠性高侧驱动电路的输出端口。
图6a所示的位移电流检测电路的工作原理如下：当电路正常工作时，所述位移电流检测电路输出电流保持稳定；当VS电压抬升时，位移电流检测电路输出电流向高压器件M10、M11寄生电容充电，VX和VY电压被抬升恢复至正常值，信号可以正常传输；当VS电压下降时，高压器件M10、M11寄生电容处于放电状态，电流可以经过位移电流检测电路输出端流向所述MOS管M8和M9，经过所述MOS管M8、M9后流向VS，此时VX和VY电压不会出现异常抬升的问题，信号可以正常传输。
图6b所示的位移电流检测电路的工作原理如下：当整体电路正常工作时，所述位移电流检测电路输出电流保持稳定；当VS电压抬升时，后级电路中VX和VY电压降低，此时位移电流检测电路中NMOS管M1寄生电容处于充电状态；位移电流检测电路输出电流向高压器件M10和M11寄生电容充电，VX和VY电压得到补偿后升高至正常状态，不影响信号传输；当VS电压下降时，VX和VY电压会有微小抬升，但是总电路信号传输不受影响。
图7中的偏置电路的工作原理如下。所述电流镜I1和I2或者电阻R3和R4使得偏置电路中电流恒定，偏置电路中PMOS管P1和NMOS管N1栅端输出恒定电压。
图8所示的双脉冲产生电路的工作原理如下。当输入信号IN由低电位转变为高电位时，所述反相器INV4输出电压由低电平变为高电平，VDD对电容C1进行充电，当INV4输出电压达到所述反相器INV5电路中NMOS管的正向阈值时，所述反相器INV5的输出电压由高电平转变为低电平，此时由于电容C1对反相器INV5的输出信号产生了一定的延时作用，当INV5输出信号与输入信号IN作为所述与门AND2的两个输入信号时，所述与门AND2输出信号为一个窄脉冲信号。同理，所述与门AND1输出另一个窄脉冲信号。两路窄脉冲信号作为后级电路的输入脉冲信号，降低了整体电路功耗，提升了器件的可靠性。
本发明申请的高可靠性高侧驱动电路工作原理是：双脉冲产生电路产生的双路窄脉冲信号传输到高压器件，通过高压器件的开关特性完成电平翻转，再经过信号整形电路和RS锁存器进行波形还原后输出。由于电路存在dv/dt噪声，所以使用位移电流检测电路避免信号出现误传输：当VS抬升时，位移电流检测电路NMOS管M1寄生电容处于充电状态，输出电流对高压器件寄生电容进行充电，此时VX和VY电压提高恢复至正常值，信号传输不受影响；当VS下降时，位移电流检测电路NMOS管寄生电容处于放电状态，高压器件寄生电容也处于放电状态，在第一种位移电流检测电路中，M10和M11寄生电容放电电流可以通过位移电流检测电路输出端流向MOS管M8和M9，VX和VY电压不受影响，电路信号正常传输；在第二种位移电流检测电路中，VX和VY电压会有微小的异常抬升，但是信号传输不受影响。
当VS抬升时，位移电流检测电路的具体工作原理如下：当VS抬升时，MOS管M10所在支路上会产生极大的位移电流，造成VX电压被拉低，从高电平变为低电平甚至小于VS电压，破坏后级电路功能。此时本电路中位移电流检测电路NMOS管M1的寄生电容处于充电状态，输出电流向高压器件M10的寄生电容充电，VX电压被抬升恢复为正常电压，不影响信号的传输。同理，VY电压变化与VX电压相同，VY电压下降时高压器件M11寄生电容处于充电状态，电压恢复至正常状态，不影响信号传输。
当VS下降时，第一种位移电流检测电路的具体工作原理如下。当VS下降时，传统电平移位电路因M10、M11的寄生电容放电，M10、M11支路负载上通过的电流会减小，如果dv/dt值很高，可能会造成信号无法传输的情况；而对于本发明申请的第二种位移电流检测电路，因M10、M11寄生电容放电，VX、VY电压被拉高，但是不会对电路信号传输造成影响。此时本电路中高压器件M10的寄生电容放电电流经过位移电流检测电路输出端流向M15，经过M8后流向VS，这时VX电压不会出现异常抬升情况，信号传输不受影响。同理，VY电压与VX电压相同，高压器件M11的寄生电容放电电流经过dv/dt输出端流向MOS管M9，VY电压不会出现异常抬升情况，信号传输不受影响。
图3、图4和图11、图12展示了传统高侧驱动电路和本发明在dv/dt噪声下信号传输的区别，显而易见的是当dv/dt噪声存在时，传统高侧驱动电路容易出现信号误传输或无法传输的情况，而本发明申请的高可靠性高侧驱动电路可以实现信号正常传输，提高电路可靠性。这是因为本发明在传统高侧驱动电路基础上增加了位移电流检测电路，由位移电流检测电路对高压器件的输出电压进行电压补偿；在VS电压抬升时，位移电流检测电路输出电流向高压器件寄生电容充电，高压器件输出电压上升至正常状态，信号传输恢复正常；当VS电压下降时，高压器件寄生电容处于放电状态，高压器件输出电压下降至正常状态，信号传输恢复正常。因此本发明申请的高可靠性高侧驱动电路有着较低的应用条件和更广阔的应用前景。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤，可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述并不用以限制本申请实施例，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高可靠性高侧驱动电路，其特征在于，所述电路包括双脉冲产生电路、偏置电路、位移电流检测电路、二极管D1和二极管D2、高压器件M10和高压器件M11、电阻R1和电阻R2、锁存器、反相器INV1和反相器INV2和缓冲器；
在所述双脉冲产生电路中，输入端连接输入信号，电源连接低侧电源VDD，地端连接低侧地GND，置位输出端连接所述高压器件M10的栅端，复位输出端连接所述高压器件M11的栅端；
在所述偏置电路中，电源连接高侧电源VB，地端连接高侧地VS，两个偏置电压输出端分别与所述位移电流检测电路中的两个输入端连接；
在所述位移电流检测电路中，一个输出端连接所述二极管D1的负极、高压器件M10的漏端、所述电阻R1和所述反相器INV1的输入端，另一个输出端连接所述二极管D2的负极、所述高压器件M11的漏端、所述电阻R2和所述反相器INV2的输入端，所述电阻R1和所述电阻R2的另一端连接所述高侧电源VB，所述二极管D1和所述二极管D2的正极连接所述高侧地VS；
所述RS触发器的SET端口连接所述反相器INV1的输出端，RESET端口连接反相器INV2的输出端，输出端口连接缓冲器的输入端，地端连接VS，电源连接VB；
所述反相器INV1、INV2的电源连接VB，地端连接VS；
所述缓冲器的电源连接VB，地端连接VS，输出端口作为高可靠性高侧驱动电路的输出端口。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述位移电流检测电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M4、NMOS管M8和NMOS管M9、PMOS管M3、PMOS管M5、PMOS管M6和PMOS管M7；
所述位移电流检测电路的输入端内部分别连接PMOS管M3、NMOS管M4的栅端，输出端内部分别连接PMOS管M6、PMOS管M7的漏端、NMOS管M8、NMOS管M9的漏端；
NMOS管M2的漏端连接NMOS管M2的栅端、PMOS管M3的漏端、NMOS管M8的栅端和NMOS管M9的栅端，NMOS管M2的源端连接VS，PMOS管M3的源端连接NMOS管M4的源端和NMOS管M1的漏端，NMOS管M4的漏端连接PMOS管M5的漏端和栅端以及PMOS管M6和PMOS管M7的栅端，PMOS管M5的源端连接PMOS管M6的源端、PMOS管M7的源端和VB，NMOS管M8和NMOS管M9的源端连接VS，NMOS管M1的栅端连接NMOS管M1的源端和GND。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述位移电流检测电路包括NMOS管M1和NMOS管M4，PMOS管M3、M5、M6和M7,所述位移电流检测电路的输入端内部分别连接MOS管M3和M4的栅端，输出端内部分别连接MOS管M6、M7的漏端；NMOS管M1的栅端和源端连接GND，漏端连接PMOS管M3和NMOS管M4的源端，PMOS管M3的漏端连接VS，NMOS管M4的漏端连接PMOS管M5的漏端和栅端以及PMOS管M6和M7的栅端，PMOS管M5、M6和M7的源端连接VB。
4.根据权利要求2和3所述的电路，其特征在于，M5、M6和M7的宽长之比相同，M2、M8和M9的宽长之比相同。
5.根据权利要求1至3任一所述的电路，其特征在于，NMOS管M1、NMOS管M10和高压器件M11为高压器件，漏端和源端耐高压。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述双脉冲产生电路包含一个输入端口和两个输出端口，置位输出端口在输入IN的上升处产生正脉冲信号，复位输出端口在输入IN的下降沿处产生正脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述偏置电路包括电流源I1和电流源I2、NMOS管N1、PMOS管P1；
所述偏置电路的电源端口内部连接电流源I1的一端，地端内部连接电流源I2的一端，所述偏置电路的两个输出端口内部分别连接NMOS管N1和PMOS管P1的栅端；电流源I1的另一端连接NMOS管N1的漏端和栅端，电流源I2的另一端连接PMOS管P1的漏端和栅端，NMOS管N1的源端连接PMOS管P1的源端。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述偏置电路所包含的电流源I1或电流源I2替换成电阻。
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