CN202806629U - 一种高边驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种高边驱动电路，包括电平转换单元、放大单元、驱动单元和反馈单元，电平转换单元、放大单元和驱动单元依次电相连，反馈单元分别与电平转换单元和驱动单元相连，驱动单元还与负载的一端相连，负载的另一端接地，其中所述电平转换单元接收并将控制单元发送的控制信号和反馈单元反馈的反馈信号进行逻辑运算后输出电平信号，该电平信号经放大单元进行放大后在驱动单元与地短路时使驱动单元停止驱动负载工作。本实用新型的高边驱动电路的驱动单元在不需要采用自身具有对地短路保护功能的昂贵的智能功率驱动芯片的前提下，也能保证驱动单元出现与地直接短接的情况时及时有效的关断驱动单元，从而避免驱动单元被烧坏。

Description

一种高边驱动电路

技术领域

本实用新型涉及高边驱动领域，具体涉及一种高边驱动电路。

背景技术

目前，用于驱动负载（如车辆上的点火线圈、喷油器以及各种阀门、继电器等）的高边驱动电路，高边驱动电路的驱动单元与负载相连，负载的低边接地，由于驱动单元不可避免会出现与负载的低边直接短接的情况，因而将可能使得驱动单元被烧毁。

为了解决上述高边驱动电路所存在的上述技术问题，高边驱动电路多采用智能功率驱动芯片，该智能功率驱动芯片自身具有对地短路保护功能，但由于其价格昂贵且采购周期长，难以满足批量生产和低成本控制要求，而且，由于该智能功率驱动芯片内部集成故障诊断电路，部分模块驱动芯片封装较大且散热效果较差，因此在研发阶段需充分考虑PCB布局以满足散热性的要求，大大延长了研发周期。

实用新型内容

本实用新型为解决现有高边驱动电路存在的上述技术问题，提供了一种高边驱动电路。

本实用新型的技术方案是：

一种高边驱动电路，包括电平转换单元、放大单元、驱动单元和反馈单元，所述电平转换单元、放大单元和驱动单元依次电相连，所述反馈单元分别与电平转换单元和驱动单元相连，所述驱动单元还与负载的一端相连，所述负载的另一端接地，其中，

所述电平转换单元接收并将控制单元发送的控制信号和反馈单元反馈的反馈信号进行逻辑运算后输出电平信号，该电平信号经放大单元进行放大后在驱动单元与地短路时使驱动单元停止驱动负载工作。

进一步，所述驱动单元包括具有第一极、第二极以及第三极的第一开关管，所述第一开关管的第一极与放大单元相连，所述第一开关管的第二极分别与反馈单元和负载相连，所述第一开关管的第三极与第一电源相连。

进一步，所述驱动单元还包括第六电阻和第二电容，所述第六电阻连接于放大单元和第一开关管的第一极之间，所述第二电容连接于第一开关管的第一极和地之间。

进一步，所述反馈单元包括第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电阻的一端与负载的另一端相连，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端以及二极管的阴极相连，二极管的阳极分别与负载的一端以及驱动单元相连，所述第二电阻的另一端与电平转换单元相连。

进一步，所述反馈单元还包括第七电阻，所述第七电阻串接在第二电阻的另一端和地之间。

进一步，所述反馈单元还包括第三电容，所述第三电容串接在第二电阻的另一端和地之间。

进一步，所述电平转换单元包括同或门、与非门、第四电阻和第一电容，所述同或门的第一输入端接收控制单元发送的控制信号，同或门的第二输入端接收反馈单元的反馈信号，同或门的输出端经过第四电阻与与非门的第一输入端相连，所述与非门的第二输入端接收控制单元发送的控制信号，与非门的第一输入端还通过第一电容接地，所述与非门的输出端与放大单元相连。

进一步，所述电平转换单元还包括第五电阻，所述与非门的第二输入端通过第五电阻接地。

进一步，所述放大单元包括第二开关管、第三电阻和第八电阻，所述第二开关管具有第一极、第二极以及第三极，所述电平转换单元通过第八电阻与第二开关管的第一极相连，第二开关管的第二极接地，第二开关管的第三极分别与第三电阻的一端以及驱动单元相连，所述第三电阻的另一端与第二电源相连。

采样上述技术方案的高边驱动电路，所述电平转换单元接收并将控制单元发送的控制信号和反馈单元反馈的反馈信号进行逻辑运算后输出电平信号，该电平信号经放大单元进行放大后在驱动单元与地短路时使驱动单元停止驱动负载工作，使得本实用新型的高边驱动电路的驱动单元在不需要采用自身具有对地短路保护功能的昂贵的智能功率驱动芯片的前提下，也能保证驱动单元出现与地直接短接的情况时及时有效的关断驱动单元，从而避免驱动单元被烧坏，因此，本实用新型的低边驱动单元可以采用结构简单的电路或芯片实现，即封装小，散热效果好，有效减少了PCB设计人员的工作量，缩短了研发周期。

附图说明

图1为本实用新型高边驱动电路提供的一实施例的结构图。

图2为本实用新型高边驱动电路提供的一实施例的具体电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示的一实施例的高边驱动电路，包括电平转换单元2、放大单元3、驱动单元4和反馈单元6，所述电平转换单元2、放大单元3和驱动单元4依次电相连，所述反馈单元6分别与电平转换单元2和驱动单元3相连，所述驱动单元3还与负载5的一端相连，所述负载5的另一端接地，其中，

所述电平转换单元2接收并将控制单元1发送的控制信号和反馈单元6反馈的反馈信号进行逻辑运算后输出电平信号，该电平信号经放大单元3进行放大后在驱动单元4与地短路时使驱动单元4停止驱动负载5工作。

可以理解的是，正常情况下，所述电平转换单元2接收并将控制单元1发送的控制信号和反馈单元6反馈的反馈信号进行逻辑运算后输出电平信号，该电平信号经放大单元3进行放大后通过驱动单元4驱动负载5是否工作，其具体工作原理可参见以下图2所示实施例的工作原理，在此不做介绍。

具体实施中，所述驱动单元4包括具有第一极、第二极以及第三极的第一开关管，所述第一开关管的第一极与放大单元3相连，所述第一开关管的第二极分别与反馈单元6和负载5相连，所述第一开关管的第三极与第一电源相连。优选地，该驱动单元4还包括第六电阻和第二电容，所述第六电阻连接于放大单元和第一开关管的第一极之间，所述第二电容连接于第一开关管的第一极和地之间，目的是用于减少第一开关管自身特性所造成的开关损耗，提升开关管工作效率。

具体实施中，所述反馈单元6包括第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电阻的一端与负载5的另一端相连，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端以及二极管的阴极相连，二极管的阳极分别与负载5的一端以及驱动单元4相连，所述第二电阻的另一端与电平转换单元2相连。优选地，所述反馈单元6还包括第七电阻，所述第七电阻串接在第二电阻的另一端和地之间，该第七电阻与第二电阻构成分压电路，用于消除外界环境对同或门的2脚接收的信号所产生的干扰。进一步优选地，所述反馈单元6还包括第三电容，所述第三电容串接在第二电阻的另一端和地之间，用于消除负载5工作状态切换时所产生的干扰，保证电平转换单元2不会误动作。

具体实施中，所述电平转换单元2包括同或门、与非门、第四电阻和第一电容，所述同或门的第一输入端接收控制单元1发送的控制信号，同或门的第二输入端接收反馈单元6的反馈信号，同或门的输出端经过第四电阻与与非门的第一输入端相连，所述与非门的第二输入端接收控制单元1发送的控制信号，与非门的第一输入端还通过第一电容接地，所述与非门的输出端与放大单元3相连。优选地，所述电平转换单元2还包括第五电阻，所述与非门的第二输入端通过第五电阻接地，当控制单元1初始上电（即没有发送控制信号）时，由于与非门的第二输入端接有第五电阻（也称下拉电阻）的作用，使得与非门的第二输入端为低电平，从而关断了驱动单元4，即进一步确保了高边驱动电路处于不工作状态，达到安全的目的。

具体实施中，所述放大单元3包括第二开关管、第三电阻和第八电阻，所述第二开关管具有第一极、第二极以及第三极，所述电平转换单元通过第八电阻与第二开关管的第一极相连，第二开关管的第二极接地，第二开关管的第三极分别与第三电阻的一端以及驱动单元4相连，所述第三电阻的另一端与第二电源相连。

如图2所示的高边驱动电路提供的一实施例的具体电路图，高边驱动电路包括电平转换单元2、放大单元3、驱动单元4和反馈单元6，所述驱动单元4包括具有栅极、发射极和集电极的第一开关管Q1以及第六电阻R6，所述放大单元3包括第二开关管Q2、第三电阻R3和第八电阻R8，所述电平转换单元2包括同或门U11、与非门U12、第四电阻R4、第五电阻R5和第一电容C1，所述反馈单元6包括第一电阻R1、第二电阻R2、第七电阻R7、第三电容C3和二极管D1，所述第二开关管Q2具有基极、发射极以及集电极，所述第一开关管Q1的发射极接第一电源VDD1，第一开关管Q1的集电极分别与二极管D1的阳极以及负载5的一端相连，二极管D1的阴极分别与第一电阻R1的另一端以及第二电阻R2的一端相连，所述第一电阻R1的一端和负载5的另一端均与地GND相连，所述七电阻R7和第三电容C3并接在第二电阻R2的另一端和地GND之间，所述同或门U11的第一输入端接收控制单元1发送的控制信号，同或门U11的第二输入端与第二电阻R2的另一端相连，同或门U11的输出端经过第四电阻R4与与非门U12的第一输入端相连，所述与非门U12的第二输入端接收控制单元1发送的控制信号，与非门U12的第二输入端还通过第五电阻R5接地GND，与非门U12的第一输入端还通过第一电容C1接地GND，所述与非门U12的输出端通过第八电阻R8与第二开关管Q2的基极相连，第二开关管Q2的发射极接地GND，第二开关管Q2的集电极分别与第三电阻R3的一端以及第六电阻R6的一端相连，所述第六电阻R6的另一端与第一开关管Q1的栅极相连，所述第三电阻R3的另一端与第二电源VDD2相连，该第二电源VDD2提供的电压可以为5V。

图2所示的实施例的工作原理如下：

根据控制单元1（该控制单元1可以采用单片机，以下控制单元1用单片机代替）发送的控制信号的状态分类，该高边驱动电路工作时具有四种状态：稳态1，单片机控制信号为低电平；瞬态1，单片机控制信号由低电平翻转为高电平；稳态2，单片机控制信号为高电平；瞬态2，单片机控制信号由高电平翻转为低电平。下面分别从高边驱动电路正常工作和异常工作（驱动单元出现与地GND直接短接）的情况下进行一一阐述。

1、高边驱动电路正常工作：

在叙述电路四种工作状态之前，先叙述单片机初始上电状态，在初始上电工作状态时，可认为单片机控制脚未工作，此时该点状态由下拉电阻R5确定为低电平，即与非门U12第2脚为低电平，则与非门U12第3脚输出高电平；经过第二开关管Q2的反相作用后，第一开关管Q1的控制信号为低电平，第一开关管Q1处于关断状态，负载5不工作，第一开关管Q1第2脚为低电平。

1）当单片机控制信号为低电平时，电路工作在稳态1；电路工作状态与初始上电工作状态一致，负载5不工作，第一开关管Q1第2脚为低电平。由于第一电阻R1以及防反二极管D1都为低电平，该第一电阻R1可称下拉电阻，所以同或门U11的第2脚为低电平，即同或门U11的两个输入均为低电平，则同或门U11的第3脚为高电平；与非门U12的第1脚即为高电平，第2脚为低电平，则与非门U12的第3脚为高电平；经过第二开关管Q2反相后，第一开关管Q1的控制信号为低电平，第一开关管Q1处于关断状态，负载5不工作，第一开关管Q1第2脚为低电平，电路处于稳定工作状态。

2）当单片机控制信号由低电平翻转为高电平时，电路工作在瞬态1；由于电路延迟效应的存在，后级电路电平跟随前级电路电平变换需要一定的时间，在这段时间内，第一开关管Q1仍处于关断状态，负载5不工作，即同或门U11的第2脚此时仍为低电平，而同或门U11的第1脚已翻转为高电平，同或门U11的两个输入信号一高一低，其输出同或门U11 的第3脚为低电平；但是由于第四电阻R4与第一电容C1共同构成一个RC充放电电路，与非门U12的第1脚将保持高电平一段时间，此时与非门U12的第2脚已翻转为高电平，则其输出U12的第3脚为低电平；经过第二开关管Q2反相后，第一开关管Q1的控制信号翻转为高电平从而使第一开关管Q1导通，负载5控制端即第一开关管Q1的第2脚输出翻转为高电平，负载5工作；由于二极管D1具有正向导通性，所以二极管D1的第1脚也将翻转为高电平，经过第二电阻R2、第七电阻R7处理后传输给同或门U11的第2脚，即同或门U11的第2脚将由低电平翻转为高电平，同或门U11的两个输入均为高电平，其输出U11的第3脚在短暂的低电平之后翻转为高电平；上述由第四电阻R4与第一电容C1共同构成的RC充放电电路，用于保证在这段时间之内与非门U12的第1脚始终为高电平，此时电路将进入稳态2工作状态。

3）当单片机控制信号为高电平时，电路工作在稳态2；此状态跟随瞬态1工作状态，第一开关管Q1处于导通状态，负载5工作，第一开关管Q1第2脚为高电平，由于二极管D1具有正向导通性，所以二极管D1的第1脚也为高电平，经过第二电阻R2、第七电阻R7处理之后，同或门U11的第2脚将会得到一个可接受范围的稳定高电平，同或门U11的第2脚为高电平，即同或门U11的两个输入电平均为高电平，其输出U11的第3脚为高电平；与非门U12的第1脚即为高电平，第2脚为高电平，其输出U12的第3脚为低电平；经过第二开关管Q2的反相后，第一开关管Q1的控制信号持续为高电平，第一开关管Q1持续导通，负载5工作，负载5控制端即第一开关管Q1的第2脚持续为高电平，电路处于稳定工作状态。

4）当单片机控制信号由高电平翻转为低电平时，电路工作在瞬态2；由于电路延迟效应的存在，后级电路电平跟随前级电路电平变换需要一定的时间，在这段时间内，第一开关管Q1仍处于导通状态，负载5工作，即同或门U11的第2脚此时仍为高电平，而U11的第1脚已翻转为低电平，U1的两个输入信号电平一高一低，其输出U11 的第3脚为低电平；但是由于R4与C1共同构成一个RC充放电电路，与非门U12的第1脚将保持高电平一段时间，此时U12的第2脚已翻转为低电平，则其输出U12的第3脚为高电平；经过第二开关管Q2的反相后，第一开关管Q1的控制信号翻转为低电平，第一开关管Q1关断，负载5不工作，负载5控制端即第一开关管Q1的第2脚输出翻转为低电平；由于负载5为感性负载5，此时第一开关管Q1第2脚将会产生负电压的反相电动势，二极管D1具有反相关断功能，抑制该反相电动势，保护同或门U11芯片不受其影响，二极管D1与第一电阻R1共同确定此时二极管D1的第1脚为低电平，而R2与R7共同构成分压处理电路后传输给同或门U11的第2脚，即U11的两个输入电平均为低，其输出U11的第3脚在短暂的低电平之后翻转为高电平，此时电路将进入稳态1工作状态。

2、高边驱动电路异常工作，即驱动单元4出现与地GND直接短接，也就是第一开关管Q1的第2脚对地GND短路：

当第一开关管Q1的第2脚对地GND短路时，则第一开关管Q1第2脚始终为低电平，同或门U11第2脚亦始终为低电平，此时当单片机控制信号为低电平以及由高电平翻转为低电平时，电路工作状态均与电路正常工作的稳态1一致，第一开关管Q1处于关断状态，负载5不工作。当单片机控制信号由低电平翻转为高电平时，由于同或门U11的第2脚始终为低电平，所以其输出U11第3脚为低电平；但是由于第四电阻R4与第一电容C1共同构成一个RC充放电电路，与非门U12的第1脚将保持高电平一段时间，此时U12的第2脚已翻转为高电平，则其输出U12的第3脚为低电平；经过第二开关管Q2的反相后，作为第一开关管Q1的控制信号为高电平，即第一开关管Q1处于导通状态；由于第一开关管Q1的第2脚对地GND短路，所以同或门U11的2脚始终为低电平，即U11的输出将保持为低电平，与非门U12的第1脚将在RC电路放电完成后翻转为低电平，此时其输出U12第3脚在短暂的低电平之后将翻转为高电平，而经过第二开关管Q2的反相后，作为第一开关管Q1的控制信号也将在短暂的高电平之后翻转为低电平，从而关断第一开关管Q1。当单片机控制信号为高时，由于同或门U11的第2脚始终为低电平，所以其输出U11第3脚为低电平；与非门U12的第1脚即为低电平，U12的第2脚为高电平，其输出U12的第3脚为高电平，经过第二开关管Q2的反相后第一开关管Q1的控制信号为低电平从而关断第一开关管Q1，第一开关管Q1的第3脚始终为高电平，电路处于稳定工作状态。

由上可知，当第一开关管Q1的第2脚对地GND短路时，仅在当单片机控制信号由低电平翻转为高电平时，第一开关管Q1才导通，但由于其导通工作时间仅为单片机控制信号由低电平翻转为高电平时RC电路的放电时间，该RC电路由第四电阻R4与第一电容C1构成，该时间内第一开关管Q1所散发的热量远不足以将其烧毁，在此需说明的是，虽然在当单片机控制信号由低电平翻转为高电平时，第一开关管Q1导通，但这只是瞬间时刻发生的，并不影响本实用新型的核心思想，即在高边驱动电路在异常工作（即第一开关管Q1的第2脚对地GND短路）时使驱动单元4停止驱动负载5工作，即通过关断第一开关管Q1实现停止驱动负载5作，从而实现保护驱动单元4的功能。

在此需说明的是，上述第二开关管Q2既具有放大作用，也具有反相作用。

在此需说明的是，图2中的第一开关管Q1采用P沟道的IGBT管，但具体实施中，所述第一开关管Q1还可以采用PNP三极管、P沟道的MOSFET等；所述第二开关管Q2采用NPN三极管，当然还可以采用其它具有类似功能的开关管，在此不做一一介绍。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高边驱动电路， 其特征在于，包括电平转换单元、放大单元、驱动单元和反馈单元，所述电平转换单元、放大单元和驱动单元依次电相连，所述反馈单元分别与电平转换单元和驱动单元相连，所述驱动单元还与负载的一端相连，所述负载的另一端接地，其中，

所述电平转换单元接收并将控制单元发送的控制信号和反馈单元反馈的反馈信号进行逻辑运算后输出电平信号，该电平信号经放大单元进行放大后在驱动单元与地短路时使驱动单元停止驱动负载工作。

2.根据权利要求1所述的高边驱动电路，其特征在于，所述驱动单元包括具有第一极、第二极以及第三极的第一开关管，所述第一开关管的第一极与放大单元相连，所述第一开关管的第二极分别与反馈单元和负载相连，所述第一开关管的第三极与第一电源相连。

3.根据权利要求2所述的高边驱动电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第六电阻和第二电容，所述第六电阻连接于放大单元和第一开关管的第一极之间，所述第二电容连接于第一开关管的第一极和地之间。

4.根据权利要求1所述的高边驱动电路，其特征在于，所述反馈单元包括第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电阻的一端与负载的另一端相连，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端以及二极管的阴极相连，二极管的阳极分别与负载的一端以及驱动单元相连，所述第二电阻的另一端与电平转换单元相连。

5.根据权利要求4所述的高边驱动电路，其特征在于，所述反馈单元还包括第七电阻，所述第七电阻串接在第二电阻的另一端和地之间。

6.根据权利要求4所述的高边驱动电路，其特征在于，所述反馈单元还包括第三电容，所述第三电容串接在第二电阻的另一端和地之间。

7.根据权利要求1所述的高边驱动电路，其特征在于，所述电平转换单元包括同或门、与非门、第四电阻和第一电容，所述同或门的第一输入端接收控制单元发送的控制信号，同或门的第二输入端接收反馈单元的反馈信号，同或门的输出端经过第四电阻与与非门的第一输入端相连，所述与非门的第二输入端接收控制单元发送的控制信号，与非门的第一输入端还通过第一电容接地，所述与非门的输出端与放大单元相连。

8.根据权利要求7所述的高边驱动电路，其特征在于，所述电平转换单元还包括第五电阻，所述与非门的第二输入端通过第五电阻接地。

9.根据权利要求1所述的高边驱动电路，其特征在于，所述放大单元包括第二开关管、第三电阻和第八电阻，所述第二开关管具有第一极、第二极以及第三极，所述电平转换单元通过第八电阻与第二开关管的第一极相连，第二开关管的第二极接地，第二开关管的第三极分别与第三电阻的一端以及驱动单元相连，所述第三电阻的另一端与第二电源相连。

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