JP2004328413A - Half-bridge form output circuit - Google Patents

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JP2004328413A JP2003120853A JP2003120853A JP2004328413A JP 2004328413 A JP2004328413 A JP 2004328413A JP 2003120853 A JP2003120853 A JP 2003120853A JP 2003120853 A JP2003120853 A JP 2003120853A JP 2004328413 A JP2004328413 A JP 2004328413A
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low
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Hikari Kondo
光 近藤
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Victor Company of Japan Ltd
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Victor Company of Japan Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a half-bridge form output circuit suitable for a class D power amplifier circuit. <P>SOLUTION: The half-bridge form output circuit 10 outputs a pulse signal V<SB>OUT</SB>by alternatively switching power MOSFETs XX1, XX2 by high-side/low-side gate driving circuits 1, 2 which amplifies a pluse input signal Vs. The high-side/low-side gate driving circuits are provided with a dead time setting driving means for performing driving control of NPN transistors Q6, Q4 and PNP transistors Q3, Q1 of complementary connection in which charging time t1 of the XX1, XX2 becomes circuit impedance slower than discharging time t2 by NPN transistors Q2, Q5 for control which are ON/OFF controlled by the pulse input signal Vs and the high-side gate driving circuit 1 is a rapid discharging means by which the XX1 is turned OFF by a bootstrap power source V<SB>BS</SB>using charging voltage of a capacitor C3 charged when the XX2 is ON as voltage for charging the XX1 and a PNP transistor Q7 in Darlington configuration. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はオーディオ機器のD級電力増幅回路(デジタルアンプ)等に適用されるハーフブリッジ形出力回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のオーディオ機器のD級電力増幅回路(デジタルアンプ)等に適用されているハーフブリッジ形出力回路は、一般に高耐圧のMOSIC製造プロセスを使用して製造されたゲート駆動専用ICを用いた構成となっている。
【0003】
例えば、図4に示されるハーフブリッジ形出力回路20のブロック回路図は、第1の電源V1に接続されるとともにPWM信号等のパルス入力信号Vsを増幅するハイサイドゲート駆動回路7とローサイドゲート駆動回路8とによって、第2の電源V2に直列接続されたハイサイドとローサイドの2個のパワーMOSFETのXX1とXX2の各ゲートG1、G2を充放電して交互にON/OFFスイッチングし、前記2個のパワーMOSFETのXX1とXX2の接続点Mに前記第2の電源V2の振幅のパルス信号VOUTを出力するハーフブリッジ形出力回路であり、出力された前記パルス信号VOUTに負荷L1としてLPF(ローパスフィルタ)を接続すれば、その出力には前記パルス入力信号Vs(PWM信号等)のパルス幅に対応したアナログ信号が得られる。
【0004】
そして図4における点線枠で囲まれたブロック9が1乃至3個のゲート駆動専用ICとしてIC化されており、ハーフブリッジ形出力回路で高出力のものには、このゲート駆動専用ICの適用が不可欠となっている。
【0005】
上記のような従来のハーフブリッジ形出力回路の公知技術文献としては、下記[特許文献1]に記載されているレベルシフト回路及びインバータ装置に適用されているものが挙げられる。
【0006】
【特許文献1】特開2000−286687号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高耐圧のMOSIC製造プロセスを使用して製造された上記ゲート駆動専用ICは民生用としては高価なものである。
【0007】
また、前記出力パワーMOSFETのXX1とXX2が同時にONして過大電流が流れ、破壊することを防止するためのデッドタイム(両方ともにOFF)の設定は、専用安全回路としてロジック的に構成されており、全体の回路を複雑にしていてゲート駆動専用ICの高価格の一因となっている。
【0008】
本発明は主として上記事情に鑑みてなされたものであり、高価なゲート駆動専用ICを用いずに安価なディスクリートの汎用バイポーラトランジスタその他の単体素子主体で構成して専用回路無しでデッドタイムの設定を可能にし、且つハイサイド側のゲート駆動回路を小電流でコントロールできる回路構成とした、低コストのハーフブリッジ形出力回路を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1の電源V1に接続されるとともにパルス入力信号Vsを増幅するハイサイドゲート駆動回路1とローサイドゲート駆動回路2とによって、第2の電源V2に直列接続されたハイサイドとローサイドの2個のパワーMOSFETのXX1、XX2の各ゲートG1、G2を充放電して交互にON/OFFスイッチングし、前記2個のパワーMOSFETのXX1、XX2の接続点Mに前記第2の電源V2の振幅のパルス信号VOUTを出力するハーフブリッジ形出力回路において、前記ハイサイドゲート駆動回路1とローサイドゲート駆動回路2(以下、本文でローサイドゲート駆動回路2側の素子・箇所は括弧で括り表示する。)は、スイッチング時の前記各パワーMOSFETのXX1(XX2)のゲートG1(G2)の充電時間t1が放電時間t2よりも遅い回路インピーダンスとなるコンプリメンタリ接続のNPNバイポーラトランジスタQ6(Q4)及びPNPバイポーラトランジスタQ3(Q1)を、前記パルス入力信号VSによってON/OFFする制御用NPNバイポーラトランジスタQ2(Q5)で駆動制御するデッドタイム設定駆動手段を備え、且つ、前記ハイサイドゲート駆動回路1は、前記ローサイドのパワーMOSFETのXX2がON時に前記第1の電源V1からダイオードD1を通して充電されたコンデンサC3の充電電圧を前記ハイサイドのパワーMOSFETXX1がONする際のゲートG1充電用電圧とするブートストラップ電源VBSと、前記コンプリメンタリ接続のPNPバイポーラトランジスタQ3と2段ダーリントン構成としたPNPバイポーラトランジスタQ7によって前記ハイサイドのパワーMOSFETのXX1がOFFする際のゲートG1の放電を速める急速放電手段と、を備えることを特徴とするハーフブリッジ形出力回路10を提供することにより、上記課題を達成する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明に係るハーフブリッジ形出力回路の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【0011】
図1は本発明に係るハーフブリッジ形出力回路の回路図である。
【0012】
図2は本発明に係るハーフブリッジ形出力回路によるパワーMOSFETのゲートの充放電の際の簡易等価回路図である。
【0013】
図3は本発明に係るハーフブリッジ形出力回路におけるパワーMOSFETのゲート電圧の駆動波形とON/OFFの駆動タイミング関係を示す図である。
【0014】
先ず、本発明においてはゲート駆動専用ICを用いずに、主としてディスクリートの汎用バイポーラトランジスタ、若干の抵抗、ダイオード、インバータ素子及びパワーMOSFETでハーフブリッジ形出力回路が構成されていることを前提とする。なお、図4の従来回路と同等素子、箇所等については同符号で示す。
【0015】
図1において、ハーフブリッジ形出力回路10は、第1の電源V1に接続されるとともにパルス入力信号Vsを増幅する点線枠で囲まれたハイサイドゲート駆動回路1とローサイドゲート駆動回路2とによって、第2の電源V2に直列接続されたハイサイドとローサイドの2個のパワーMOSFETのXX1、XX2の各ゲートG1、G2を充放電して交互にON/OFFスイッチングし、前記2個のパワーMOSFETのXX1、XX2の接続点Mに前記第2の電源V2の振幅のパルス信号VOUTを出力する回路構成であって、特に、前記ハイサイドゲート駆動回路1とローサイドゲート駆動回路2(以下、本文でローサイドゲート駆動回路2側の素子・箇所は括弧で括り表示する。)は、図3に示されるようにスイッチング時の前記各パワーMOSFETのXX1(XX2)のゲートG1(G2)の充電時間t1が放電時間t2よりも遅い(t1>t2)回路インピーダンスとなるコンプリメンタリ接続のNPNバイポーラトランジスタQ6(Q4)及びPNPバイポーラトランジスタQ3(Q1)を、前記パルス入力信号VsによってON/OFFする制御用NPNバイポーラトランジスタQ2(Q5)で駆動制御するデッドタイム設定駆動手段を備え、且つ、前記ハイサイドゲート駆動回路1は、前記ローサイドのパワーMOSFETのXX2がON時に前記第1の電源V1からダイオードD1を通して充電されたコンデンサC3の充電電圧を前記ハイサイドのパワーMOSFETのXX1がONする際のゲートG1充電用電圧とするブートストラップ電源VBSと、前記コンプリメンタリ接続のPNPバイポーラトランジスタQ3と2段ダーリントン構成としたPNPバイポーラトランジスタQ7によって前記ハイサイドのパワーMOSFETのXX1がOFFする際のゲートG1の放電を速める急速放電手段と、を備えることを特徴とする。
【0016】
上記回路構成は、パワーMOSFETのXX1、XX2の各ハイサイドゲート駆動回路1とローサイドゲート駆動回路2を汎用小信号バイポーラトランジスタで構成することができ、また、上記デッドタイム設定駆動手段によって出力段のパワーMOSFETのXX1、XX2が同時にONして過大電流が流れ、破壊することがないためのデッドタイムTdead(両方ともにOFFの時間)の設定を専用回路なしで構成できる。さらに、ハイサイドゲート駆動回路1のバイポーラトランジスタQ7の追加で電圧振幅の大きいトランジスタQ2の動作を数mAという小電流でコントロールでき、Q2に高速スイッチングに適する安価な汎用小信号・高耐圧バイポーラトランジスタの使用が可能となる。
【0017】
以下、本ハーフブリッジ形出力回路10の動作の概要をオーディオ機器のD級電力増幅回路(デジタルアンプ)に適用した場合を説明する。
【0018】
前記パルス入力信号VsにはロジックレベルのPWM信号が入力される。このPWM信号のレベル(ハイ又はゼロ)によってパワーMOSFETのXXlとXX2が交互にON/OFFを繰り返し、第2の電源V2によって決まる電圧振幅のPWM出力電圧VOUTが負荷L1に印加される。上記負荷L1はLPF(ローパスフィルタ)であり、その出力にはPWM信号のパルス幅に対応したアナログ信号が得られ、図示されないスピーカを駆動する。
(1)PWM入力信号Vsがハイレベル(+5V)の時、ローサイドのパワーMOSFETのXX2は、インバータA1の出力はロー→NPNトランジスタQ5がOFF→第1の電源V1の電圧がNPNトランジスタQ4、抵抗R2を通してパワーMOSFETのXX2のゲートG2にチャージされるので、XX2がONする。ハイサイドパワーMOSFETのXX1はOFF。したがって、VOUTはゼロで負荷L1の印加電圧はゼロとなっている。
【0019】
この時、同時に前記XX2のドレインがGNDレベルになるので、第1の電源V1の電圧がダイオードD1を通してコンデンサC3にもチャージされる。これは、次のパワーMOSFETのXXlがONするときのゲートチャージ用電源として機能する(ダイオードDlがあるため、コンデンサC3の両端電圧がブートストラップ電源VBSになる。)。
(2)PWM入力VSがローレベル(0V)の時、XX2は、インバータA1の出力はハイ→NPNトランジスタQ5がON→XX2のゲートチャージは抵抗R2、PNPトランジスタQlを通して放電されるので、XX2はOFFする。
【0020】
このとき、ハイサイドのパワーMOSFETのXXlは、NPNトランジスタQ2がOFF→PNPトランジスタQ7もOFF→コンデンサC3にチャージされていた電圧VBSがNPNトランジスタQ6、抵抗R4を通してXXlのゲートG1にチャージされ、XXlがONする。そして、負荷L1には第2の電源V2の電圧が印加される。
(3)次に、PWM入力Vsがハイレベル(+5V)になると、NPNトランジスタQ2がONではなく所定の電流が流れる。この電流値は、抵抗R5、コンデンサC1、抵抗R18、ダイオードD4、抵抗R9、抵抗R7、ダイオードD2によってその過渡的な特性まで含めて決めることができるが、PNPトランジスタQ7があるために、この電流は数mA程度の極めて小電流で済むことになる。つまり、パワーMOSFETのXXlのゲートチャージを急速に放電させることに対しては、PNPトランジスタQ3とQ7による2段ダーリントン構成によって、PNPトランジスタQ7に必要なべース電流は極めて小さくて済むからである。したがって、NPNトランジスタQ2にはチップ面積の小さい高速のトランジスタを使用することができ、回路に必要なスイッチング速度を確保することができる。
【0021】
このようにして、急速にハイサイドのパワーMOSFETのXXlがOFFした後、(1)に戻ってローサイドのパワーMOSFETのXX2がONする。
(4)以上のように、ハイサイド及びローサイドのパワーMOSFETのXX1とXX2が交互にON/OFFを繰り返して、負荷L1にPWM信号出力VOUTが得られるハーフブリッジ形出力回路となっている。
(5)ただし、ここで、ON/OFFの切り替わりの瞬間には、XXlとXX2がどちらもOFFとなっている時間(デッドタイム)が有ることが必要である。もし、どちらもONになると、過大な貫通電流が流れて、XXlとXX2が破壊するからである。以下、本回路のデッドタイム設定駆動手段について説明する。
【0022】
図2の(a)にパワーMOSFETのXX2のゲートG2の充電時の簡易等価回路を、図2の(b)にXX2のゲートG2の放電時の簡易等価回路が示されている。
【0023】
(a)において、充電時の回路インピーダンスは、R12/(Q4のβ)+Q4のベース・エミッタ間動作抵抗+R2となり、抵抗R12の抵抗値(R12と表記)を適当に選ぶことにより、放電時のそれよりも十分大きな値にすることができる。
【0024】
(b)において、放電時の回路インピーダンスは、Q1のベース・エミッタ間動作抵抗+R2となる。(Qlのベースを駆動するトランジスタQ5のON抵抗は無視できる。)
以上の説明はローサイドのパワーMOSFET(XX2)についてであるが、ハイサイドのパワーMOSFET(XX1)についても同様である。
【0025】
この結果、パワーMOSFETのXX1とXX2の各ゲートG1又はG2の充電は遅く、放電は速いというスイッチング動作が可能となる。
【0026】
したがって、ゲートの駆動波形とFETのON/OFFのタイミング関係を示す図3から判るように、所定のデッドタイムTdeadが専用回路無しで回路インピーダンスの調整のみで設定できるのである。
【0027】
【発明の効果】
本発明に係るハーフブリッジ形出力回路は上記のように構成されているため、
(1)専用IC無しの汎用ディスクリート部品のみで極めて安価且つシンプルにD級電力増幅器が実現できる。
(2)パワーMOSFETのゲート駆動回路を安価な汎用小信号バイポーラトランジスタで構成可能である。
(3)出力パワーMOSFETに過大電流が流れ、破壊することがないためのデッドタイムの設定を専用回路無しで構成できる。
(4)ハイサイドのゲート駆動回路を小電流でコントロールできる回路構成として、高速スイッチングのできる安価な小信号・高耐圧バイポーラトランジスタの使用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るハーフブリッジ形出力回路の回路図である。
【図2】(a)は本発明に係るハーフブリッジ形出力回路のパワーMOSFETのゲート充電時の簡易等価回路、(b)は同ゲート放電時の簡易等価回路である。
【図3】本発明に係るハーフブリッジ形出力回路のパワーMOSFETのゲートの駆動波形とFETのON/OFFのタイミング関係を示す図
【図4】従来のゲート駆動専用ICを用いたハーフブリッジ形出力回路のブロック回路図である。
【符号の説明】
1 ハイサイドゲート駆動回路
2 ローサイドゲート駆動回路
7 ハイサイドゲート駆動回路
8 ローサイドゲート駆動回路
9 ゲート駆動専用IC
10、20 ハーフブリッジ形出力回路
V1 第1の電源
V2 第2の電源
Vs パルス入力信号(PWM信号)
XX1 ハイサイドパワーMOSFET
XX2 ローサイドパワーMOSFET
G1、G2 ゲート
M 接続点
OUT パルス信号出力
t1 充電時間
t2 放電時間
dead デッドタイム
Q6、Q4 NPNバイポーラトランジスタ
Q3、Q1、Q7 PNPバイポーラトランジスタ
Q2、Q5 制御用NPNバイポーラトランジスタ
D1、D2、・・ ダイオード
C1、C2、・・ コンデンサ
BS ブートストラップ電源
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a half-bridge type output circuit applied to a class D power amplifier circuit (digital amplifier) or the like of audio equipment.
[0002]
[Prior art]
A half-bridge type output circuit applied to a class D power amplifier (digital amplifier) or the like of a conventional audio device generally has a configuration using a gate driving IC manufactured using a high voltage MOSIC manufacturing process. Has become.
[0003]
For example, the block circuit diagram of the half-bridge type output circuit 20 shown in FIG. 4 includes a high-side gate drive circuit 7 and a low-side gate drive circuit which are connected to a first power supply V1 and amplify a pulse input signal Vs such as a PWM signal. The circuit 8 charges / discharges the gates G1 and G2 of the two high-side and low-side power MOSFETs XX1 and XX2 connected in series to the second power supply V2, and alternately turns ON / OFF. A half-bridge type output circuit that outputs a pulse signal VOUT having an amplitude of the second power supply V2 to a connection point M between the power MOSFETs XX1 and XX2, and outputs the LPF as a load L1 to the output pulse signal VOUT. (Low-pass filter), the output of which is equal to the pulse width of the pulse input signal Vs (PWM signal, etc.) Response analog signal is obtained.
[0004]
A block 9 surrounded by a dotted line frame in FIG. 4 is integrated as one to three gate drive ICs, and this gate drive IC is applied to a high output half-bridge type output circuit. Has become indispensable.
[0005]
As a known technical document of the above-described conventional half-bridge type output circuit, there is one applied to a level shift circuit and an inverter device described in the following [Patent Document 1].
[0006]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-286687 [Problems to be Solved by the Invention]
However, the gate drive-dedicated IC manufactured by using the high breakdown voltage MOSIC manufacturing process is expensive for consumer use.
[0007]
The dead time setting (both OFF) for preventing the output power MOSFETs XX1 and XX2 from being simultaneously turned on and causing an excessive current to be destroyed is logically configured as a dedicated safety circuit. This complicates the entire circuit and contributes to the high price of the gate drive IC.
[0008]
The present invention has been made mainly in view of the above circumstances, and is configured with an inexpensive discrete general-purpose bipolar transistor or other single element main body without using an expensive dedicated gate drive IC and setting a dead time without a dedicated circuit. It is an object of the present invention to provide a low-cost half-bridge type output circuit which has a circuit configuration capable of controlling a high-side gate drive circuit with a small current.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a high-side gate drive circuit 1 and a low-side gate drive circuit 2, which are connected to a first power supply V1 and amplify a pulse input signal Vs, and are connected in series to a second power supply V2. The gates G1 and G2 of the two power MOSFETs XX1 and XX2 are charged and discharged alternately to switch ON / OFF, and the second power supply V2 is connected to a connection point M between the two power MOSFETs XX1 and XX2. In the half-bridge type output circuit that outputs a pulse signal VOUT having an amplitude of, the high-side gate drive circuit 1 and the low-side gate drive circuit 2 (hereinafter, elements and locations on the low-side gate drive circuit 2 side are shown in parentheses. ) Is charging of the gate G1 (G2) of XX1 (XX2) of each power MOSFET at the time of switching. The control NPN bipolar transistor Q2 () turns ON / OFF the complementary connection NPN bipolar transistor Q6 (Q4) and PNP bipolar transistor Q3 (Q1) in which the time t1 has a circuit impedance slower than the discharge time t2 by the pulse input signal VS. Q5), the high-side gate drive circuit 1 includes a capacitor C3 charged from the first power supply V1 through the diode D1 when the low-side power MOSFET XX2 is ON. a bootstrap supply V BS power MOSFETXX1 of the high-side charge voltage to the gate G1 charging voltage for ON of, PNP bipolar transistor Q3 and 2-stage Darlington configuration of the complementary connecting And a rapid discharge means for accelerating the discharge of the gate G1 when the XX1 of the high-side power MOSFET is turned off by the PNP bipolar transistor Q7. Achieve the above tasks.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a half-bridge type output circuit according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a circuit diagram of a half-bridge type output circuit according to the present invention.
[0012]
FIG. 2 is a simplified equivalent circuit diagram at the time of charging and discharging the gate of the power MOSFET by the half-bridge type output circuit according to the present invention.
[0013]
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the drive waveform of the gate voltage of the power MOSFET and the ON / OFF drive timing in the half-bridge type output circuit according to the present invention.
[0014]
First, in the present invention, it is assumed that a half-bridge type output circuit is mainly composed of a discrete general-purpose bipolar transistor, some resistors, a diode, an inverter element, and a power MOSFET without using a gate driving IC. Elements and locations that are the same as those of the conventional circuit of FIG.
[0015]
In FIG. 1, a half-bridge type output circuit 10 is connected to a first power supply V1 and includes a high-side gate drive circuit 1 and a low-side gate drive circuit 2 surrounded by a dotted frame for amplifying a pulse input signal Vs. The gates G1 and G2 of the two high-side and low-side power MOSFETs XX1 and XX2 connected in series to the second power supply V2 are charged / discharged and alternately turned on / off to switch between the two power MOSFETs. This is a circuit configuration for outputting a pulse signal VOUT having an amplitude of the second power supply V2 to a connection point M between XX1 and XX2. In particular, the high-side gate drive circuit 1 and the low-side gate drive circuit 2 (hereinafter, referred to as the text) Elements and locations on the low-side gate drive circuit 2 side are shown in parentheses.) As shown in FIG. A complementary connection NPN bipolar transistor Q6 (Q4) and a PNP bipolar transistor Q3 (Q1) in which the charging time t1 of the gate G1 (G2) of the power MOSFET XX1 (XX2) is slower than the discharging time t2 (t1> t2) and has a circuit impedance. ) Is controlled by a control NPN bipolar transistor Q2 (Q5) that is turned on / off by the pulse input signal Vs, and the high-side gate drive circuit 1 is provided with the low-side power MOSFET. a bootstrap supply V BS which XX2 of the gate G1 charging voltage for ON XX1 of the power MOSFET of the high-side of the charging voltage of the capacitor C3 is charged through the diode D1 from the at ON first power supply V1 ,Previous And a rapid discharge means for accelerating the discharge of the gate G1 when the high-side power MOSFET XX1 is turned off by the complementary-connected PNP bipolar transistor Q3 and the two-stage Darlington-configured PNP bipolar transistor Q7. I do.
[0016]
In the above circuit configuration, each of the high-side gate drive circuit 1 and the low-side gate drive circuit 2 of the power MOSFETs XX1 and XX2 can be constituted by a general-purpose small-signal bipolar transistor. The dead time T dead (the time both are OFF) for preventing the power MOSFETs XX1 and XX2 from turning on at the same time and causing an excessive current to flow can be configured without a dedicated circuit. Further, by adding the bipolar transistor Q7 of the high-side gate drive circuit 1, the operation of the transistor Q2 having a large voltage amplitude can be controlled with a small current of several mA, and an inexpensive general-purpose small signal / high breakdown voltage bipolar transistor suitable for high-speed switching is provided for Q2. It can be used.
[0017]
Hereinafter, a case in which the outline of the operation of the present half-bridge output circuit 10 is applied to a class D power amplifier (digital amplifier) of an audio device will be described.
[0018]
A logic level PWM signal is input to the pulse input signal Vs. The power MOSFETs XXl and XX2 alternately repeat ON / OFF depending on the level (high or zero) of the PWM signal, and the PWM output voltage VOUT having a voltage amplitude determined by the second power supply V2 is applied to the load L1. The load L1 is an LPF (low-pass filter), the output of which provides an analog signal corresponding to the pulse width of the PWM signal, and drives a speaker (not shown).
(1) When the PWM input signal Vs is at a high level (+5 V), the output of the inverter A1 is low → the NPN transistor Q5 is OFF → the voltage of the first power supply V1 is the NPN transistor Q4 Since the gate G2 of XX2 of the power MOSFET is charged through R2, XX2 is turned on. XX1 of the high-side power MOSFET is OFF. Therefore, VOUT is zero, and the applied voltage of the load L1 is zero.
[0019]
At this time, the voltage of the first power supply V1 is also charged to the capacitor C3 through the diode D1 because the drain of the XX2 goes to the GND level at the same time. This, XXl the next power MOSFET gate charge for serving as a power source at the time of ON (because of the diode Dl, the voltage across the capacitor C3 becomes bootstrap supply V BS.).
(2) When the PWM input VS is at the low level (0 V), the output of the inverter A1 is high → the NPN transistor Q5 is ON → the gate charge of the XX2 is discharged through the resistor R2 and the PNP transistor Ql. Turn off.
[0020]
At this time, XXl the high side of the power MOSFET, the voltage V BS which NPN transistor Q2 is also OFF → PNP transistor Q7 has been charged in the OFF → capacitor C3 is charged to the gate G1 of XXl through NPN transistor Q6, resistor R4, XXl turns ON. Then, the voltage of the second power supply V2 is applied to the load L1.
(3) Next, when the PWM input Vs becomes high level (+5 V), the NPN transistor Q2 is not turned on and a predetermined current flows. This current value can be determined by including the transient characteristics of the resistor R5, the capacitor C1, the resistor R18, the diode D4, the resistor R9, the resistor R7, and the diode D2. Requires a very small current of about several mA. That is, for rapidly discharging the gate charge of XXl of the power MOSFET, the base current required for the PNP transistor Q7 can be extremely small by the two-stage Darlington configuration using the PNP transistors Q3 and Q7. Therefore, a high-speed transistor having a small chip area can be used as the NPN transistor Q2, and the switching speed required for the circuit can be secured.
[0021]
In this way, after the XXl of the high-side power MOSFET is rapidly turned off, the process returns to (1) and the XX2 of the low-side power MOSFET is turned on.
(4) As described above, the high-side and low-side power MOSFETs XX1 and XX2 are alternately turned ON / OFF alternately to provide a half-bridge type output circuit in which the PWM signal output VOUT is obtained at the load L1.
(5) Here, at the moment of ON / OFF switching, it is necessary that there is a time (dead time) in which both XXl and XX2 are OFF. If both of them are turned on, an excessive through current flows and XXl and XX2 are destroyed. Hereinafter, the dead time setting driving means of the present circuit will be described.
[0022]
FIG. 2A shows a simplified equivalent circuit when the gate G2 of the power MOSFET XX2 is charged, and FIG. 2B shows a simplified equivalent circuit when the gate G2 of the XX2 is discharged.
[0023]
In (a), the circuit impedance at the time of charging is R12 / (β of Q4) + base-emitter operating resistance of Q4 + R2. By appropriately selecting the resistance value of the resistor R12 (denoted as R12), the circuit impedance at the time of discharging is obtained. The value can be set to a sufficiently large value.
[0024]
In (b), the circuit impedance at the time of discharging is the base-emitter operating resistance of Q1 + R2. (The ON resistance of the transistor Q5 that drives the base of Ql can be ignored.)
The above description is for the low-side power MOSFET (XX2), but the same applies to the high-side power MOSFET (XX1).
[0025]
As a result, it is possible to perform a switching operation in which the charge of each gate G1 or G2 of the power MOSFETs XX1 and XX2 is slow and the discharge is fast.
[0026]
Therefore, as can be seen from FIG. 3 showing the relationship between the gate drive waveform and the ON / OFF timing of the FET, the predetermined dead time T dead can be set only by adjusting the circuit impedance without using a dedicated circuit.
[0027]
【The invention's effect】
Since the half-bridge type output circuit according to the present invention is configured as described above,
(1) An extremely inexpensive and simple D-class power amplifier can be realized with only general-purpose discrete components without a dedicated IC.
(2) The gate drive circuit of the power MOSFET can be constituted by an inexpensive general-purpose small-signal bipolar transistor.
(3) The dead time can be set without using a dedicated circuit so that an excessive current does not flow through the output power MOSFET and the output power MOSFET is not broken.
(4) As a circuit configuration capable of controlling the high-side gate drive circuit with a small current, it is possible to use an inexpensive small-signal, high-voltage bipolar transistor capable of high-speed switching.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a half-bridge type output circuit according to the present invention.
FIG. 2A is a simplified equivalent circuit at the time of gate charging of a power MOSFET of a half-bridge output circuit according to the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the driving waveform of the gate of the power MOSFET and the ON / OFF timing of the FET in the half-bridge type output circuit according to the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the half-bridge type output using a conventional gate drive IC. It is a block circuit diagram of a circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High side gate drive circuit 2 Low side gate drive circuit 7 High side gate drive circuit 8 Low side gate drive circuit 9 IC for exclusive use of gate drive
10, 20 Half-bridge type output circuit V1 First power supply V2 Second power supply Vs Pulse input signal (PWM signal)
XX1 High-side power MOSFET
XX2 Low-side power MOSFET
G1, G2 Gate M Connection point V OUT pulse signal output t1 Charge time t2 Discharge time T dead dead time Q6, Q4 NPN bipolar transistors Q3, Q1, Q7 PNP bipolar transistors Q2, Q5 Control NPN bipolar transistors D1, D2,. diode C1, C2, ·· capacitor V BS bootstrap power supply

Claims (1)

第1の電源に接続されるとともにパルス入力信号を増幅するハイサイドゲート駆動回路とローサイドゲート駆動回路とによって、第2の電源に直列接続されたハイサイドとローサイドの2個のパワーMOSFETの各ゲートを充放電して交互にON/OFFスイッチングし、前記2個のパワーMOSFETの接続点に前記第2の電源の振幅のパルス信号を出力するハーフブリッジ形出力回路において、
前記ハイサイドゲート駆動回路とローサイドゲート駆動回路は、
スイッチング時の前記各パワーMOSFETのゲートの充電時間が放電時間よりも遅い回路インピーダンスとなるコンプリメンタリ接続のNPNバイポーラトランジスタ及びPNPバイポーラトランジスタを、前記パルス入力信号によってON/OFFする制御用NPNバイポーラトランジスタで駆動制御するデッドタイム設定駆動手段を備え、
且つ、前記ハイサイドゲート駆動回路は、
前記ローサイドのパワーMOSFETがON時に前記第1の電源からダイオードを通して充電されたコンデンサの充電電圧を前記ハイサイドのパワーMOSFETがONする際のゲート充電用電圧とするブートストラップ電源と、前記コンプリメンタリ接続のPNPバイポーラトランジスタと2段ダーリントン構成としたPNPバイポーラトランジスタによって前記ハイサイドのパワーMOSFETがOFFする際のゲートの放電を速める急速放電手段と、を備えることを特徴とするハーフブリッジ形出力回路。
Each gate of two high-side and low-side power MOSFETs connected in series to the second power supply by a high-side gate drive circuit and a low-side gate drive circuit connected to the first power supply and amplifying the pulse input signal A half-bridge type output circuit that alternately switches ON / OFF by charging and discharging, and outputs a pulse signal having an amplitude of the second power supply to a connection point of the two power MOSFETs.
The high-side gate drive circuit and the low-side gate drive circuit,
A complementary NPN bipolar transistor and a PNP bipolar transistor that have a circuit impedance at the time of switching whose gate charging time is slower than a discharging time during switching are driven by a control NPN bipolar transistor that is turned on / off by the pulse input signal. Equipped with dead time setting drive means for controlling
In addition, the high-side gate drive circuit includes:
A bootstrap power supply that sets a charging voltage of a capacitor charged from the first power supply through a diode when the low-side power MOSFET is turned on to a gate charging voltage when the high-side power MOSFET is turned on; A half-bridge type output circuit comprising: a PNP bipolar transistor and a rapid discharging means for speeding up discharge of a gate when the high-side power MOSFET is turned off by a two-stage Darlington PNP bipolar transistor.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009118447A (en) * 2007-10-18 2009-05-28 Onkyo Corp Switching amplifier
WO2009065068A3 (en) * 2007-11-15 2009-08-20 Intersil Inc Switching amplifiers
DE102010049117A1 (en) 2010-03-09 2011-09-15 Mitsubishi Electric Corp. Gate drive circuit
CN103199730A (en) * 2013-04-10 2013-07-10 浙江大学 High-voltage pulse power supply controlled by 555 timer
CN103199809A (en) * 2013-03-22 2013-07-10 常州大学 In-phase bipolar high-voltage proportional amplification circuit
JP2018152693A (en) * 2017-03-13 2018-09-27 ミネベアミツミ株式会社 Protection circuit and load drive circuit
WO2019010354A1 (en) * 2017-07-06 2019-01-10 Texas Instruments Incorporated Configurable pulser circuit operable across a range of supply voltages
WO2024089263A1 (en) * 2022-10-27 2024-05-02 Inventronics Gmbh Circuit arrangement for controlling a load

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009118447A (en) * 2007-10-18 2009-05-28 Onkyo Corp Switching amplifier
WO2009065068A3 (en) * 2007-11-15 2009-08-20 Intersil Inc Switching amplifiers
US7816985B2 (en) 2007-11-15 2010-10-19 Intersil Americas Inc. Switching amplifiers
DE102010049117A1 (en) 2010-03-09 2011-09-15 Mitsubishi Electric Corp. Gate drive circuit
CN103199809A (en) * 2013-03-22 2013-07-10 常州大学 In-phase bipolar high-voltage proportional amplification circuit
CN103199730A (en) * 2013-04-10 2013-07-10 浙江大学 High-voltage pulse power supply controlled by 555 timer
JP2018152693A (en) * 2017-03-13 2018-09-27 ミネベアミツミ株式会社 Protection circuit and load drive circuit
WO2019010354A1 (en) * 2017-07-06 2019-01-10 Texas Instruments Incorporated Configurable pulser circuit operable across a range of supply voltages
US10583461B2 (en) 2017-07-06 2020-03-10 Texas Instruments Incorporated Configurable pulser circuit operable across a range of supply voltages
WO2024089263A1 (en) * 2022-10-27 2024-05-02 Inventronics Gmbh Circuit arrangement for controlling a load

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