CN220440691U - 一种高侧驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高侧驱动电路，属于集成电路技术领域。包括半桥栅极驱动芯片、利用芯片内部低侧驱动电路和外围器件组成的振荡器、充电模块、功率开关模块和二极管；电路中，当半桥栅极驱动芯片高侧输入信号为逻辑“1”时，振荡器电路正常工作输出周期性脉冲信号，通过充电模块对VB和VS两端之间的电容进行周期性充电，从而保持VB和VS两端之间的电压差接近VCC对地电压，使得开关功率管的栅极和源极保持足够的电压差，实现开关功率管的满占空比导通，很好的实现了开关功率管的满占空比导通，且对当前市场上半桥栅极驱动芯片具有普适性，同时本申请整体电路成本较低，实现难度较小。

Description

一种高侧驱动电路

技术领域

本申请实施例涉及集成电路技术领域，特别涉及一种高侧驱动电路。

背景技术

高侧驱动电路常用于驱动高侧N沟道功率开关，通常由专用的高侧驱动芯片实现。本专利则利用常见的半桥驱动芯片加上常用的元器件实现了高侧驱动的功能，可以实现高侧的功率开关满占空比导通。专利中使用的半桥驱动，也可以用通用半桥驱动实现。目前常用的半桥驱动电路结构如图1所示，包含二极管D_BS、高侧驱动电路、低侧驱动电路、电容C_BS、MOS管M_H和M_L，半桥驱动电路采用单电源供电模式，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D_BS和电容C_BS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；当高侧驱动电路的输出信号为逻辑“1”且低侧驱动电路输出电压为逻辑“0”时，高侧开关器件M_H导通，低侧开关器件M_L截止，VS电压上升，VB电压也随之上升；反之，VS和VB电压下降。

在实际高侧驱动的应用过程中，常常需要实现对高侧功率管栅极进行连续驱动与控制，然而由于电容C_BS的电荷转移和其他电路消耗的电流，即使高侧输入信号一直为逻辑“1”，高侧电源VB和高侧地VS之间的电压差值也会出现电压下降直到低于欠压阈值使得芯片输出关断的情况。此时，高侧输出信号也不能一直保持在逻辑“1”，高侧功率管不能实现满占空比导通。

针对高侧驱动电路中驱动电路开关功率管不能一直保持在导通状态的问题，经过对现有专利与论文检索，当前常用的解决方案是在芯片内部利用电荷泵完成升压，之后利用二极管的单向导电性阻止电荷的释放，从而实现对栅极的连续驱动和控制。但是这种实施方式不具有普适性，需要重新设计芯片，实际应用中实现成本较高；同时这类集成在芯片内部的电容驱动能力不够，升压过程需要经过多个周期。

发明内容

本申请发明提供了一种高侧驱动电路，解决了传统驱动电路无法对开关功率管栅极进行连续驱动与控制的问题，又无需采购专用高侧驱动芯片就可以实现高侧开关满占空比导通的效果。所述技术方案如下：

本申请提供了一种高侧驱动电路，所述电路包括：半桥栅极驱动芯片、振荡器、充电模块、功率开关模块、第一二极管D1和第二二极管D2，其中，所述振荡器利用芯片内部低侧驱动电路和外围器件组成；

所述半桥栅极驱动芯片的VCC端连接电源VCC、所述第二二极管D2的正极和所述外围器件模块的第三端口，高侧输入端连接电路输入信号和所述第一二极管D1的负极，低侧输入端连接所述第一二极管D1的正极和所述外围器件的第二端口，COM端连接所述外围器件的第三端口；

所述半桥栅极驱动芯片的VB端连接所述充电模块的第一端口和所述第二二极管D2的负极，高侧输出端连接所述功率开关模块的第一端口，VS端连接所述功率开关模块的第二端口和充电模块的第二端口，低侧输出端连接所述外围器件模块的第四端口和所述充电模块的第三端口。

可选的，所述半桥栅极驱动芯片包括控制电路、高侧驱动电路和低侧驱动电路，所述半桥栅极驱动芯片的VCC端口内部连接控制电路和低侧驱动电路的电源端，COM端口内部连接控制电路和低侧驱动电路的地端，高侧输入端口内部连接控制电路的一个输入端，低侧输入端口内部连接控制电路的另一个输入端，VB端口内部连接高侧驱动电路的电源端，VS端口内部连接高侧驱动电路的地端，高侧输出端和低侧输出端分别连接高侧驱动电路和低侧驱动电路的输出端，控制电路的一个输出端口连接高侧驱动电路的输入端，另一个输出端口连接低侧驱动电路的输入端。

可选的，所述振荡器包括电阻R2、电阻R3和电阻R4、二极管D6、电容C3、NMOS管N3；

所述振荡器的第一端口内部连接电容C3的一端和GND，第二端口内部连接所述电容C3的另一端以及所述电阻R2和所述电阻R3的公共端口，第三端口内部连接所述电阻R2的另一个端，第四端口连接所述电阻R4的一端和所述二极管D6的负极；

所述电阻R3的另一个端连接所述NMOS管N3的漏端，所述NMOS管N3的衬底连接所述NMOS管N3的源端和所述GND，栅端连接所述电阻R4的另一端。

可选的，所述充电模块包括第一电容C1和第二电容C2、二极管D3、二极管D4和二极管D5、电阻R1；

所述充电模块的第一端口内部连接所述第一电容C1的一端、所述二极管D3的负端和所述二极管D4的负端，所述充电模块的第二端口内部连接所述第一电容C1的另一端、所述二极管D3的正极和所述二极管D5的正极，所述充电模块的第三端口内部连接所述电阻R1的一端；

所述二极管D5的负极连接所述二极管D4的正极和所述第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端连接所述电阻R1的另一端。

可选的，所述功率开关模块包括NMOS管N1和NMOS管N2、电阻R5、电阻R6和电阻R7；

所述功率开关模块的第一端口内部连接所述电阻R6和所述电阻R6的一端，第二端口内部连接所述NMOS管N1和所述NMOS管N2的源端和衬底，电源端内部连接所述NMOS管N1的漏端，地端内部连接所述电阻R7的一端；所述电阻R5的另一端连接所述NMOS管N1的栅端，所述电阻R6的另一端连接所述NMOS管N2的栅端，电阻R7的另一端连接所述NMOS管N2的漏端。

可选的，电路刚开启时芯片低侧输入信号为逻辑“0”，低侧输出端为逻辑“0”，NMOS管N3截止，电容C3处于充电状态，X点电压上升；

当所述X点电压上升到大于阈值电压时，低侧输出端电压转变为逻辑“1”，所述NMOS管N3开启，所述电容C3处于放电状态，所述X点电压下降；

当电压小于阈值电压时，低侧输出端电压转变为逻辑“0”；

循环多次后振荡器输出周期性脉冲信号。

可选的，当所述充电模块第三端口电压上升至VCC时，所述第二电容C2与所述二极管D4、所述二极管D5的公共端口电压信号由第一数值上升至第二数值，所述充电模块中二极管D4处于导通状态，第一电容C1处于充电状态，第一电容C1两端电压差提高；

所述第一数值为VS-VD，第二数值为VS-VD+VCC。

可选的，当所述功率开关模块第一端口为逻辑“1”时，模块中NMOS管N1导通，功率开关模块第二端口为V1。

可选的，在芯片高侧输入端和低侧输入端之间还添加有所述第一二极管D1；

当高侧输入信号为逻辑“1”时，振荡器电路正常工作，当高侧输入信号为逻辑“0”时，振荡器电路不工作。

本申请实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本发明公开了一种高侧驱动电路，包括半桥栅极驱动芯片、利用芯片内部低侧驱动电路和外围器件组成的振荡器、充电模块、功率开关模块和二极管；电路中，当半桥栅极驱动芯片高侧输入信号为逻辑“1”时，振荡器电路正常工作输出周期性脉冲信号，通过充电模块对VB和VS两端之间的电容进行周期性充电，从而保持VB和VS两端之间的电压差接近VCC对地电压，使得开关功率管的栅极和源极保持足够的电压差，实现开关功率管的满占空比导通，很好的实现了开关功率管的满占空比导通，且对当前市场上半桥栅极驱动芯片具有普适性，同时本发明整体电路成本较低，实现难度较小该电路结构，解决了传统半桥驱动芯片应用方案无法实现对开关功率管栅极进行满占空比驱动与控制的问题，又避免了实际应用中实现成本较高的问题。

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为一种传统半桥栅极驱动芯片应用电路的示意图；

图2为图1电路中输入输出关系示意图；

图3为本申请提出的一种高侧驱动电路的示意图；

图4为图3电路中振荡器电路的一种实施方式；

图5为图3电路中充电模块的一种实施方式；

图6为图3电路中功率开关模块的一种实施方式；

图7为本申请提出的一种高侧驱动电路的实例图；

图8为本申请提出的高侧驱动电路的输入输出关系示意图。

具体实施方式

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。

本发明申请的高侧驱动电路具体实施方式如图3所示，包括：半桥栅极驱动芯片、利用芯片内部低侧驱动电路和外围器件组成的振荡器、充电模块、功率开关模块和二极管(D1、D2)。半桥栅极驱动芯片的VCC端连接电源VCC、所述第二二极管D2的正极和所述外围器件模块的第三端口，高侧输入端连接电路输入信号和所述第一二极管D1的负极，低侧输入端连接所述第一二极管D1的正极和所述外围器件的第二端口，COM端连接所述外围器件的第三端口，所述半桥栅极驱动芯片的VB端连接所述充电模块的第一端口和所述第二二极管D2的负极，高侧输出端连接所述功率开关模块的第一端口，VS端连接所述功率开关模块的第二端口和充电模块的第二端口。低侧输出端连接所述外围器件模块的第四端口和所述充电模块的第三端口。

图3中的振荡器外围器件采用图4所示的一种实施方式，包含电阻R2、R3和R4、二极管D6、电容C3、NMOS管N3。振荡器的第一端口内部连接电容C3的一端和GND，第二端口内部连接电容C3的另一端以及电阻R2和R3的公共端口，第三端口内部连接电阻R2的另一个端，第四端口连接电阻R4的一端和二极管D6的负极；电阻R3的另一个端连接NMOS管N3的漏端，NMOS管N3的衬底连接NMOS管N3的源端和GND，栅端连接电阻R4的另一端。

图4所示的振荡器电路的工作原理如下：当芯片高侧输入为逻辑“1”时，电路刚开启时芯片低侧输入信号为逻辑“0”，低侧输出端也为逻辑“0”，NMOS管N3截止，此时电容C3处于充电状态，X点电压逐渐上升，当电压上升到大于阈值电压时，低侧输出端电压转变为逻辑“1”，NMOS管N3开启，此时电容C3处于放电状态，X点电压下降，当电压小于阈值电压时，低侧输出端电压转变为逻辑“0”。因此，循环多次后振荡器输出周期性脉冲信号。

图3中的充电模块采用图5所示的一种实施方式，包含第一电容C1和C2、二极管D3、D4和D5、电阻R1。所述充电模块的第一端口内部连接第一电容C1的一端、二极管D3的负端和二极管D4的负端，所述充电模块的第二端口内部连接第一电容C1的另一端、二极管D3的正极和二极管D5的正极，所述充电模块的第三端口内部连接电阻R1的一端；二极管D5的负极连接二极管D4的正极和第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接电阻R1的另一端。

图5中的充电模块的工作原理如下：高侧功率开关处于长通状态时，在C1两侧电压为芯片供电电压VCC，当3端口为逻辑“0”时，C2两端电压被充电到接近高侧功率管的漏极电压VDRAIN，当3端口为VCC电压时，C2的Y点电压变为VCC+VDRAIN,Y点电压远高于端口1的电压，二极管D4导通，C2给C1充电，C1上的电荷量得到补充，电压增高。

图3中的功率开关模块采用图6所示的一种实施方式，包含NMOS管N1和N2、电阻R5、R6和R7。所述功率开关模块的第一端口内部连接电阻R5和R6的一端，第二端口内部连接NMOS管N1和N2的源端和衬底，电源端内部连接NMOS管N1的漏端，地端内部连接电阻R7的一端；电阻R5的另一端连接NMOS管N1的栅端，电阻R6的另一端连接NMOS管N2的栅端，电阻R7的另一端连接NMOS管N2的漏端。

图6所示的功率开关模块的工作原理如下：当所述功率开关模块的第一端口为逻辑“1”时，NMOS管N1导通，此时所述功率开关模块的第二端口转变为逻辑“1”，电压接近V1。

本发明申请的高侧驱动电路工作原理是：当高侧输入信号始终为逻辑“1”时，芯片高侧输出端电压也始终比VS端高出约VCC，从而实现功率开关模块的满占空比导通。由于芯片高侧输入信号为逻辑“1”时，VB和VS两端之间的电容会处于放电状态，所以使用振荡器和充电模块对电容进行周期性充电，避免电容放电造成VB与VS电压差值小于欠压阈值，影响高侧输出信号：当芯片高侧输入信号为逻辑“1”时，振荡器处于正常工作状态，输出信号经过第二电容C2升压后使得VB和VS两端之间的电容处于周期性充电状态，VB和VS之间电压差值周期性升高，从而使得高侧输出电压比VS高约VCC，实现开关功率管满占空比导通。

当高侧功率开关处于长通状态时，在C1两侧电压为芯片供电电压VCC。此时振荡器输出电平信号为逻辑“0”时，充电模块的具体原理如下：模块内3端口为逻辑“0”，第二电容C2两端电压被充电到接近高侧功率管的漏端电压VDRAIN；当振荡器输出电平信号为VCC时，充电模块的具体工作原理如下：模块内3端口为VCC电压，第二电容C2的Y点电压变为VCC+VDRAIN，Y点电压远高于充电模块1端口电压，二极管D4导通，第二电容C2给第一电容C1充电，C1电荷量得到补充，电压提高。

图2和图8展示了传统半桥驱动芯片应用方案和本发明输出信号的区别，从图2可以看出对于传统半桥驱动芯片应用方案而言，当高侧输入信号一直为逻辑“1”时，芯片VB和VS端口电压差值会逐步减小，当电压差值低于欠压阈值时，芯片输出将被关断，因此传统半桥驱动芯片应用方案无法实现高侧驱动电路的满占空比导通。而本发明申请的高侧驱动电路可以实现满占空比导通，这是因为本发明在传统半桥驱动芯片应用方案基础上增加了振荡器和充电模块，由充电模块中的电容对芯片VB和VS两端之间的电容进行充电；在振荡器输出信号为VCC时，充电模块内部对VB和VS两端之间电容进行灌电流，此时电容处于充电状态，VB与VS之间的电压差值逐渐升高；经过多个周期后，电压差值逐步趋于稳定，不会出现VB和VS电压差值低于欠压阈值的情况，芯片高侧输出信号一直为逻辑“1”，从而实现了开关功率管的满占空比导通。从图8可以看出与传统芯片应用方案不同的是，当高侧输入信号一直为逻辑“1”时，本方案中振荡器和充电模块给第一电容C1充电，VB和VS电压差也随着电容充电而提高，高侧输出端信号也随之提高，从而实现高侧驱动电路满占空比导通。

除此之外，本发明与专用高侧栅驱动芯片相比可以利用普通的半桥栅驱动芯片实现相同的设计目标，并且电路结构并不复杂，实现成本较低。因此本发明申请的利用半桥栅驱动高侧驱动电路有着较低的应用条件和更广阔的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高侧驱动电路，其特征在于，所述电路包括：半桥栅极驱动芯片、振荡器、充电模块、功率开关模块、第一二极管D1和第二二极管D2，其中，所述振荡器利用芯片内部低侧驱动电路和外围器件组成；

所述半桥栅极驱动芯片的VCC端连接电源VCC、所述第二二极管D2的正极和所述外围器件模块的第三端口，高侧输入端连接电路输入信号和所述第一二极管D1的负极，低侧输入端连接所述第一二极管D1的正极和所述外围器件的第二端口，COM端连接所述外围器件的第三端口；

所述半桥栅极驱动芯片的VB端连接所述充电模块的第一端口和所述第二二极管D2的负极，高侧输出端连接所述功率开关模块的第一端口，VS端连接所述功率开关模块的第二端口和充电模块的第二端口，低侧输出端连接所述外围器件模块的第四端口和所述充电模块的第三端口。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述半桥栅极驱动芯片包括控制电路、高侧驱动电路和低侧驱动电路，所述半桥栅极驱动芯片的VCC端口内部连接控制电路和低侧驱动电路的电源端，COM端口内部连接控制电路和低侧驱动电路的地端，高侧输入端口内部连接控制电路的一个输入端，低侧输入端口内部连接控制电路的另一个输入端，VB端口内部连接高侧驱动电路的电源端，VS端口内部连接高侧驱动电路的地端，高侧输出端和低侧输出端分别连接高侧驱动电路和低侧驱动电路的输出端，控制电路的一个输出端口连接高侧驱动电路的输入端，另一个输出端口连接低侧驱动电路的输入端。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述振荡器包括电阻R2、电阻R3和电阻R4、二极管D6、电容C3、NMOS管N3；

所述振荡器的第一端口内部连接电容C3的一端和GND，第二端口内部连接所述电容C3的另一端以及所述电阻R2和所述电阻R3的公共端口，第三端口内部连接所述电阻R2的另一个端，第四端口连接所述电阻R4的一端和所述二极管D6的负极；

所述电阻R3的另一个端连接所述NMOS管N3的漏端，所述NMOS管N3的衬底连接所述NMOS管N3的源端和所述GND，栅端连接所述电阻R4的另一端。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述充电模块包括第一电容C1和第二电容C2、二极管D3、二极管D4和二极管D5、电阻R1；

所述充电模块的第一端口内部连接所述第一电容C1的一端、所述二极管D3的负端和所述二极管D4的负端，所述充电模块的第二端口内部连接所述第一电容C1的另一端、所述二极管D3的正极和所述二极管D5的正极，所述充电模块的第三端口内部连接所述电阻R1的一端；

所述二极管D5的负极连接所述二极管D4的正极和所述第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端连接所述电阻R1的另一端。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率开关模块包括NMOS管N1和NMOS管N2、电阻R5、电阻R6和电阻R7；

所述功率开关模块的第一端口内部连接所述电阻R6和所述电阻R6的一端，第二端口内部连接所述NMOS管N1和所述NMOS管N2的源端和衬底，电源端内部连接所述NMOS管N1的漏端，地端内部连接所述电阻R7的一端；所述电阻R5的另一端连接所述NMOS管N1的栅端，所述电阻R6的另一端连接所述NMOS管N2的栅端，电阻R7的另一端连接所述NMOS管N2的漏端。

6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，电路刚开启时芯片低侧输入信号为逻辑“0”，低侧输出端为逻辑“0”，NMOS管N3截止，电容C3处于充电状态，X点电压上升；

当所述X点电压上升到大于阈值电压时，低侧输出端电压转变为逻辑“1”，所述NMOS管N3开启，所述电容C3处于放电状态，所述X点电压下降；

当电压小于阈值电压时，低侧输出端电压转变为逻辑“0”；

循环多次后振荡器输出周期性脉冲信号。

7.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，当所述充电模块第三端口电压上升至VCC时，所述第二电容C2与所述二极管D4、所述二极管D5的公共端口电压信号由第一数值上升至第二数值，所述充电模块中二极管D4处于导通状态，第一电容C1处于充电状态，第一电容C1两端电压差提高；

所述第一数值为VS-VD，第二数值为VS-VD+VCC。

8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，当所述功率开关模块第一端口为逻辑“1”时，模块中NMOS管N1导通，功率开关模块第二端口为V1。

9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，在芯片高侧输入端和低侧输入端之间还添加有所述第一二极管D1；

当高侧输入信号为逻辑“1”时，振荡器电路正常工作，当高侧输入信号为逻辑“0”时，振荡器电路不工作。