CN206379873U - 开关电源的栅极驱动电路和开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源的栅极驱动电路和电源开关装置，其中，驱动电路包括：上管和下管，上管的源极与下管的漏极相连，并形成与开关电源的功率开关管相连的第一节点，上管的漏极与预设电源相连，下管的源极接地；输出端与上管的栅极相连的电流源偏置模块；输入端与第一节点相连的电压反馈模块；第一输入端输入功率开关管的控制信号的控制模块，其第二输入端与电压反馈模块的输出端相连，第一输出端与电流源偏置模块的第一输入端相连，第二输出端与电流源偏置模块的第二输入端相连，第三输出端与下管的栅极相连。该驱动电路在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一稳定电压值附近，且节能效果好，成本低。

Description

开关电源的栅极驱动电路和开关电源装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源技术领域，具体涉及一种开关电源的栅极驱动电路和一种开关电源装置。

背景技术

开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器、适配器等电源方案中。随着市场的发展，对转换效率和待机功耗的要求越来越高，同时对成本的要求也越来越严格。

开关电源的基本工作原理如图1所示，开关电源的控制芯片通过控制功率开关管(MOS管)来实现变压器次级能量的传递。具体地，通过控制MOS管的工作频率和导通的占空比，即通过控制MOS管的栅极电压控制MOS管的导通或关断，可以控制次级线圈的输出电压和电流。因此，MOS管的栅极驱动结构关系到功率开关管的工作效率。

相关技术中，MOS管的栅极驱动结构如图2所示，上管为PMOS管，下管为NMOS管,当控制芯片启动之前，MOS管Q的初始状态为关断；开关电源系统工作时，MOS管Q驱动模块根据输入信号来控制上管和下管的导通和关断，进而控制MOS管Q。当输入信号为高时，逻辑处理模块控制下管关闭，同时控制上管导通，这样就实现了MOS管Q的导通；当输入信号为低时，逻辑处理模块控制上管关闭，同时控制下管导通，这样就实现了MOS管Q的关闭。

上述技术中，一般采用高压厚栅工艺，即PMOS管和NMOS管的栅极均可耐高压。虽然上述驱动方法比较容易实现，但与薄栅工艺相比，高压厚栅工艺制造流程相对复杂，成本相对较高。而且上述驱动结构由于上管是PMOS管，输出的驱动电压即为开关电源控制芯片的电源电压，该电源电压一般可能达到30甚至40V，而功率开关管Q的栅极耐压可能只有20V，因此需要增加钳位电路对驱动电压钳位，增加了驱动电路的复杂性。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种开关电源的栅极驱动电路。该栅极驱动电路在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一个稳定的电压值附近，且节能效果好，成本低。

本实用新型的第二个目的在于提出一种开关电源装置。

为达到上述目的，本实用新型第一方面提出了一种开关电源的栅极驱动电路，包括：上管和下管，所述上管的源极与所述下管的漏极相连，并形成第一节点，所述第一节点与所述开关电源的功率开关管相连，所述上管的漏极与预设电源相连，所述下管的源极接地；电流源偏置模块，所述电流源偏置模块的输出端与所述上管的栅极相连；电压反馈模块，所述电压反馈模块的输入端与所述第一节点相连；控制模块，所述控制模块的第一输入端输入所述功率开关管的控制信号，所述控制模块的第二输入端与所述电压反馈模块的输出端相连，所述控制模块的第一输出端与所述电流源偏置模块的第一输入端相连，所述控制模块的第二输出端与所述电流源偏置模块的第二输入端相连，所述控制模块的第三输出端与所述下管的栅极相连。

根据本实用新型的开关电源的栅极驱动电路，通电压反馈模块检测功率开关管栅极的电压，通过控制模块根据功率开关管栅极电压控制电流源偏置模块产生不同大小的电流，以控制功率开关管的栅极电容充电过程。由此，在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一个稳定的电压值附近，且节能效果好。

另外，本实用新型上述的开关电源的栅极驱动电路还可以具有如下附加的技术特征：

具体地，所述电压反馈模块包括：第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一节点相连；第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第一电阻的另一端相连，并形成第二节点，第二节点与所述控制模块的第二输入端相连，所述第二电阻的另一端接地。

具体地，所述电流源偏置模块包括：第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管的栅极与所述控制模块的第一输出端相连，所述第二NMOS管的栅极与所述控制模块的第二输出端相连，所述第一NMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极相连，并形成第三节点，所述第三节点与所述上管的栅极相连；第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述第三NMOS管、所述第四NMOS管和所述第五NMOS管组成电流镜，所述第三NMOS管的漏极与所述第一NMOS管的源极相连，所述第四NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的源极相连，所述第五NMOS管的漏极与电流源相连，所述第三NMOS管的源极、所述第四NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极均接地。

具体地，所述控制模块包括：比较器，所述比较器的负输入端与所述第二节点相连，所述比较器的正输入端输入参考电压；逻辑处理模块，所述逻辑处理模块的输入端输入所述控制信号，所述逻辑处理模块的第一输出端与所述第二NMOS管的栅极相连，所述逻辑处理模块的第二输出端与所述下管的栅极相连；与门，所述与门的第一输入端与所述比较器的输出端相连，所述与门的第二输入端与所述逻辑处理模块的第一输出端相连，所述与门的输出端与所述第一NMOS管的栅极相连。

进一步地，所述栅极驱动电路，还包括：第一PMOS管，所述第一PMOS管的栅极与所述上管的栅极相连，所述第一PMOS管的漏极与所述预设电源相连，所述第一PMOS管的源极与所述第三节点相连。

其中，所述上管为PMOS管，所述下管为NMOS管。

可选地，所述控制信号为PWM信号。

可选地，所述控制模块的第二输出端的输出信号与所述控制信号同相，所述控制模块的第三输出端的输出信号与所述控制信号互为反相。

进一步地，本实用新型提出了一种开关电源装置，其包括本实用新型上述的开关电源的栅极驱动电路。

本实用新型的开关电源装置，通过上述开关电源的栅极驱动电路，在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一个稳定的电压值附近，以及在控制信号为低电平时能够使功率开关管关断，且节能效果好，成本低。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是相关技术中开关电源的系统电路图；

图2是相关技术中开关电源的栅极驱动电路图；

图3是根据本实用新型实施例的开关电源的栅极驱动电路图；

图4是根据本实用新型一个实施例的开关电源的栅极驱动电路图；

图5是根据本实用新型一个实施例的信号时序图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例的开关电源的栅极驱动电路和开关电源装置。

图3是根据本实用新型一个实施例的开关电源的栅极驱动电路的结构示意图。如图3所示，该开关电源的栅极驱动电路包括：上管Q1、下管Q2、电流源偏置模块10、电压反馈模块20和控制模块30。

其中，上管Q1的源极与下管Q2的漏极相连，并形成第一节点a，第一节点a与开关电源的功率开关管Q3相连，上管Q1的漏极与预设电源VDD相连，下管Q2的源极接地。电流源偏置模块10的输出端与上管Q1的栅极相连。电压反馈模块20的输入端与第一节点a相连。控制模块30的第一输入端输入功率开关管的控制信号，控制模块30的第二输入端与电压反馈模块20的输出端相连，控制模块30的第一输出端与电流源偏置模块10的第一输入端相连，控制模块30的第二输出端与电流源偏置模块10的第二输入端相连，控制模块30的第三输出端与下管Q2的栅极相连。

在本实用新型的一个实施例中，控制模块30的第二输出端的输出信号与控制信号同相，控制模块30的第三输出端的输出信号与控制信号互为反相。

其中，控制信号可以是PWM信号，是由开关电源控制器内部产生。

在本实用新型的实施例中，上管Q1为PMOS管，下管Q2为NMOS管，且上管Q1和下管Q2均为高压薄栅MOS管。

具体地，初始状态下，栅极电压为0，经过电压反馈模块20反馈的电压为0。当输入高电平控制信号时，控制模块30的第一输出端和第二输出端均输出高电平，通过电流源偏置模块10控制上管Q1导通，且上管Q1内的电流较大，功率开关管Q3的栅极电压由0开始上升。栅极电压通过电压反馈模块20的输出端输入至控制模块30的第二输入端，当栅极电压增大到一定值时，控制模块30的第一输出端输出低电平，控制电流源偏置模块10切断大部分电流源偏置，使得上管Q1的电流减小，功率开关管Q3的栅极电压上升速度变缓。在功率开关管Q3导通期间，栅极电压持续上升，直至关断。当输入低电平控制信号时，控制模块30的第三输出端输出高电平，控制模块30的第一输出端和第二输出端均输出低电平，上管Q1的偏置电流彻底关断，下管Q2导通，功率开关管Q3的栅极电压被下管Q2下拉至0，功率开关管Q3关断。

本实用新型实施例的开关电源的栅极驱动电路，通过电压反馈模块检测功率开关管栅极的电压，通过控制模块根据功率开关管栅极电压控制电流源偏置模块产生不同大小的电流，以控制功率开关管的栅极电容充电过程，由此，在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一个稳定的电压值附近，且节能效果好。另外，采用高压薄栅的PMOS上管和NMOS下管能够节约制造成本，进而有利于降低开关电源控制芯片的成本。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图4所示，电压反馈模块20包括第一电阻R1和第二电阻R2。

其中，第一电阻R1的一端与第一节点a相连，第二电阻R2的一端与第一电阻R1的另一端相连，并形成第二节点b，第二节点b为电压反馈模块20的输出端，第二电阻R2的另一端接地。

如图4所示，电流源偏置模块10包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5。

其中，第一NMOS管NM1的栅极与控制模块30的第一输出端相连，第二NMOS管NM2的栅极与控制模块30的第二输出端相连，第一NMOS管NM1的漏极和第二NMOS管NM2的漏极相连，并形成第三节点c，第三节点c与上管Q1的栅极相连。第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5组成电流镜，第三NMOS管NM3的漏极与第一NMOS管NM1的源极相连，第四NMOS管NM4的漏极与第二NMOS管NM2的源极相连，第五NMOS管NM5的漏极与电流源Is相连，第三NMOS管NM3的源极、第四NMOS管NM4的源极和第五NMOS管NM5的源极均接地。可以理解，第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5组成电流镜，即为第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5，三者的栅极相连，且三者的漏极相连。

如图4所示，控制模块30包括比较器cmp、逻辑处理模块31和与门32。

其中，比较器cmp的负输入端与第二节点b相连，比较器cmp的正输入端输入参考电压vref。逻辑处理模块31的输入端输入控制信号，逻辑处理模块31的第一输出端与第二NMOS管NM2的栅极相连，逻辑处理模块31的第一输出端即为控制模块30的第二输出端，逻辑处理模块31的第二输出端与下管Q2的栅极相连，逻辑处理模块31的第二输出端即为控制模块30的第三输出端。与门32的第一输入端与比较器cmp的输出端相连，与门32的第二输入端与逻辑处理模块31的第一输出端相连，与门32的输出端与第一NMOS管NM1的栅极相连，与门32的输出端即为控制模块30的第一输出端。

其中，比较器cmp负输入端输入的电压，即为功率开关管Q3的栅极电压Vout经第一电阻R1和第二电阻R2分压后的电压vout2。如图4所示，开关电源的栅极驱动电路还可以包括第一PMOS管Q4，第一PMOS管Q4的栅极与上管Q1的栅极相连，第一PMOS管Q4的漏极与预设电源VDD相连，第一PMOS管Q4的源极与第三节点c相连。

具体而言，如图4所示，PWM信号为开关电源控制器内其他模块产生的用于控制功率开关管Q3工作频率和占空比的方波信号，由于上管Q1(即PMOS管)和下管Q2(即NMOS管)的尺寸一般都较大，故其自身的导通和关断需要一定的时间，如果直接用PWM信号控制，就会出现上管Q1和下管Q2同时导通的情况。此时，上管Q1和下管Q2直通，即从预设电源VDD到地之间产生直接的电流通路，这样会带来不必要的损耗。为了防止这种情况发生，逻辑处理模块31将PWM信号进行延时处理，并输出ON信号和OFF信号，分别控制上管Q1和下管Q2。第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5组成电流镜，用于提供偏置电流，以控制上管Q1的电流。具体可结合图5所示的时序关系，说明本实用新型驱动电路的控制过程：

如图5所示，当PWM信号为高时，ON信号为高，ON信号控制第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2导通，使上管Q1导通，上管Q1的偏置电流是第一NMOS管NM1支路和第二NMOS管NM2支路的总和，功率开关管Q3的栅极电压逐渐上升。将检测到的vout2(即功率开关管Q3栅极电压Vout的分压)输入到比较器cmp，并与基准电压vref比较，当vout2高于基准电压vref时，比较器cmp输出的CD信号由高电平翻转为低电平，CD信号和ON信号经过与门32输出低电平，控制第一NMOS管NM1关断，使得上管Q1的电流减小，仅通过第二NMOS管NM2支路的电流偏置。上管Q1剩下的电流使得功率开关管Q3栅极电压继续上升，但上升的速度很缓慢。

可以理解，vout2电压的大小可以直接反应功率开关管Q3栅极电压Vout的大小。

在本实用新型的一个具体示例中，CD信号翻转时，Vout大小可以为8V，而一般的功率开关管Q3的导通阈值为3V左右，当栅极电压达到8V时，功率开关管Q3完全导通。

需要说明的是，一般情况下，功率开关管Q3有最大导通时间限制，如20us，只要保证在20us内Vout的电压不上升到20V，即实现了栅极电压的限制。

当PWM信号为低时，ON信号为低，控制上管Q1关断，OFF信号为高，控制下管Q2导通，使功率开关管Q3的栅极电压Vout迅速被拉低至0，功率开关管Q3关断。

综上，本实用新型实施例的开关电源的栅极驱动电路，在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一个稳定的电压值附近，以及在控制信号为低电平时能够使功率开关管关断，且节能效果好。另外，采用高压薄栅的PMOS上管和NMOS下管能够节约成本，进而有利于降低开关电源控制芯片的成本。

进一步地，本实用新型提出了一种开关电源装置，其包括本实用新型上述实施例的开关电源的栅极驱动电路。

本实用新型的开关电源装置，通过上述开关电源的栅极驱动电路，在控制信号为高电平时能够使功率开关管的栅极电压保持在一个稳定的电压值附近，以及在控制信号为低电平时能够使功率开关管关断，且节能效果好。另外，采用高压薄栅的PMOS上管和NMOS下管能够节约成本，进而有利于降低自身控制芯片的成本。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，包括：

上管和下管，所述上管的源极与所述下管的漏极相连，并形成第一节点，所述第一节点与所述开关电源的功率开关管相连，所述上管的漏极与预设电源相连，所述下管的源极接地；

电流源偏置模块，所述电流源偏置模块的输出端与所述上管的栅极相连；

电压反馈模块，所述电压反馈模块的输入端与所述第一节点相连；

控制模块，所述控制模块的第一输入端输入所述功率开关管的控制信号，所述控制模块的第二输入端与所述电压反馈模块的输出端相连，所述控制模块的第一输出端与所述电流源偏置模块的第一输入端相连，所述控制模块的第二输出端与所述电流源偏置模块的第二输入端相连，所述控制模块的第三输出端与所述下管的栅极相连。

2.如权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述电压反馈模块包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述第一节点相连；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第一电阻的另一端相连，并形成第二节点，第二节点与所述控制模块的第二输入端相连，所述第二电阻的另一端接地。

3.如权利要求2所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述电流源偏置模块包括：

第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管的栅极与所述控制模块的第一输出端相连，所述第二NMOS管的栅极与所述控制模块的第二输出端相连，所述第一NMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极相连，并形成第三节点，所述第三节点与所述上管的栅极相连；

第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，所述第三NMOS管、所述第四NMOS管和所述第五NMOS管组成电流镜，所述第三NMOS管的漏极与所述第一NMOS管的源极相连，所述第四NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的源极相连，所述第五NMOS管的漏极与电流源相连，所述第三NMOS管的源极、所述第四NMOS管的源极和所述第五NMOS管的源极均接地。

4.如权利要求3所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制模块包括：

比较器，所述比较器的负输入端与所述第二节点相连，所述比较器的正输入端输入参考电压；

逻辑处理模块，所述逻辑处理模块的输入端输入所述控制信号，所述逻辑处理模块的第一输出端与所述第二NMOS管的栅极相连，所述逻辑处理模块的第二输出端与所述下管的栅极相连；

与门，所述与门的第一输入端与所述比较器的输出端相连，所述与门的第二输入端与所述逻辑处理模块的第一输出端相连，所述与门的输出端与所述第一NMOS管的栅极相连。

5.如权利要求3所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，还包括：

第一PMOS管，所述第一PMOS管的栅极与所述上管的栅极相连，所述第一PMOS管的漏极与所述预设电源相连，所述第一PMOS管的源极与所述第三节点相连。

6.如权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述上管为PMOS管，所述下管为NMOS管。

7.如权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制信号为PWM信号。

8.如权利要求7所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制模块的第二输出端的输出信号与所述控制信号同相，所述控制模块的第三输出端的输出信号与所述控制信号互为反相。

9.一种开关电源装置，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任意一项所述的开关电源的栅极驱动电路。