CN102931823B - 一种基于mos管的驱动电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MOS管的驱动电路及其控制方法，属于MOS管的电路技术领域，该驱动电路包括低压控制模块、高压驱动模块、高压开关模块、交叠检测子模块、高压电源模块、交叠反馈信息处理模块和负载模块。本发明可以实时监测并反馈驱动控制信号的交叠情况，并以此修正低压控制信号，改善高压驱动的抗交叠性能。
Description
技术领域
本发明属于MOS管的电路技术领域，特别涉及一种基于MOS管的驱动电路及其控制方法。
背景技术
MOS管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。另一种晶体管，叫做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的transconductance，定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。
在电路***的实现中有大量需要低压器件控制高压器件的实现需求。一般的实现方法如图1所示:低压控制模块控制高压驱动模块，高压驱动模块通过控制高压开关模块(通常以MOS管或MOSFET管及相关器件实现)的相关器件实现开、高压电源模块和负载模块的连接，并以此最终实现低压控制模块对负载模块的控制。
对于高压负载器件来说，其上电与关断过程主要是由图1中的高压开关模块所控制的，特别是选取合适的死区时间是非常重要的,如果死区时间过长，则MOS管的寄生体二极管可能被导通，VOUT可能被钳至一个很小的负点平(其值为MOS管寄生体二极管的-VTH,约负几百毫伏)，而死区时间如果过短，将产生很大的能量损耗。
为了获得恰当的死区时间，现有技术公开一种具有合理死区时间的非交叠信号的产生方法，给出了一种具有合理死区时间的非交叠信号的产生方法，此发明采用双环来产生合适的非交叠信号，但是此方面产生的非交叠信号只能产生与控制信号同电压电平的信号，无法实施低压信号对高压信号的控制。同时，对于现有技术公开的一种独立调节两相脉宽的不交叠时钟产生电路，给出了一种独立调节两相脉宽的不交叠时钟产生电路，且提前时钟上升沿可调节,此电路同样只能产生与控制信号同电压电平的信号，无法实施低压信号对高压信号的控制。而对于通过降压型DC-DC转换器的死区时间控制电路的这种技术，虽然公开了一种死区时间控制电路，但是其死区时间控制电路是基于集成电路电感电流方式的，很难在高压电路***中实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MOS管的驱动电路及其控制方法，解决了现有技术中无法对高压电路的开关交叠及死区进行控制，无法对交叠情况的反馈信息进行接收及处理，同时还无法对低压控制模块的信号生成进行控制的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于MOS管的驱动电路包括低压控制模块、高压驱动模块、高压开关模块、交叠检测子模块、高压电源模块、交叠反馈信息处理模块和负载模块；
其中，所述低压控制模块用于提供低压控制信号；
所述高压驱动模块用于接收所述低压控制信号，然后转换为高压端驱动信号和低压端驱动信号；
所述高压电源模块用于提供输出电压；
所述交叠检测子模块安装在所述高压开关模块的内部，所述交叠检测子模块接收设定的驱动信号条件和所述输出电压，然后判断所述高压端驱动信号和所述低压端驱动信号的交叠检测结果，当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件相同时，所述高压开关模块用于导通所述MOS管，将输送出所述输出电压；
所述交叠反馈信息处理模块用于当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件不相同时，调整所述低压控制信号；
所述负载模块用于接收所述输出电压，提供负载工作。
进一步地，所述驱动电路还包括报警模块，所述报警模块与所述交叠反馈信息处理模块相连，所述报警模块根据所述修正情况，发出报警信号。
进一步地，所述低压控制模块有控制端口。
一种基于MOS管的驱动电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤501：提供低压控制信号；
步骤502：接收所述低压控制信号，然后转换为高压端驱动信号和低压端驱动信号；
步骤503：提供输出电压；
步骤504：接收设定的驱动信号条件和所述电源，然后判断所述高压端驱动信号和所述低压端驱动信号的交叠检测结果，当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件相同时，导通所述MOS管，输送出所述输出电压；
步骤505：当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件不相同时，调整所述低压控制信号；
步骤506:循环步骤501到步骤505，直至所述交叠检测结果与所述驱动信号条件相同。
进一步地，在所述步骤505中，当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件不相同时，接收设定的所述低压控制信号的参数极限数据，当所述低压控制信号的参数达到所述参数极限数据时，发出报警信号。
本发明提供的一种基于MOS管的驱动电路及其控制方法，可以高压电路的开关交叠及死区进行控制，同时实时监测并反馈驱动控制信号的交叠检测情况，并以此修正低压控制信号，改善高压驱动的抗交叠性能。
附图说明
图1为现有技术提供的一种驱动电路结构示意图；
图2为图1的驱动电路图；
图3为图1的驱动电路的若干信号的时序关系示意图；
图4为本发明实施例提供的基于MOS管的驱动电路结构示意图；
图5为图4的驱动电路的控制方法步骤图；
图6为图4的驱动电路的三个信号在第一配置参数时序关系示意图；
图7为图4的驱动电路的三个信号在第二配置参数时序关系示意图；
图8为图4的驱动电路的三个信号在第三配置参数时序关系示意图；
图9为图4的驱动电路图；
图10为本发明实施例提供的一种交叠检测子模块工作流程图；
图11为图10中的信号时序关系示意图；
附图标记：
101、低压控制模块，102、高压驱动模块，103、高压开关模块，104、高压电源模块，105、交叠检测子模块，106、交叠反馈信息处理模块，107、负载模块，108、报警模块,1、继电器，2、交叠检测电路，3、延时单位A，4、延时单元B，5、AND_A门电路，6、AND_B电路门，7、OR_A电路门，8、NOT_A电路门，9、继电器开关。
具体实施方式
参见图1，现有技术提供了一种基于MOS管的驱动电路，低压控制模块控制高压驱动模块，高压驱动模块通过控制高压开关模块(通常以MOS管或MOSFET管及相关器件实现)的相关器件实现开、高压电源模块和负载模块的连接，并以此最终实现低压控制模块对负载模块的控制。该驱动电路的低压控制模块可以为微处理器(以下简称MCU)、数字信号处理器(以下简称DSP)、现场可编程门阵列(以下简称FPGA),并生成控制信号。参见图2，上述控制信号如图3中的SD(逻辑输入关断信号，Logic input forShutdown)信号、LIN(逻辑输入低压端驱动信号,Logic Input for low-sidegate driver output)信号和HIN(逻辑输入高压端驱动信号,Logic inputfor high-side gate driver ouput)所示。在图2中，其中SD信号为高电平有效，当其为高电平时LIN和HIN的任何电平都将被高压驱动模块视为关断；LIN和HIN信号为高电平有效。
图2中的高压驱动模块接受低压控制模块的前述控制信号，并生成符合高压开关模块电平要求的高压驱动信号。图2中的VDD和VSS为低压模块控制信号的采样电压和采样地(如输入的LIN/HIN/SD信号为5V TTL电平标准，则VDD/VSS应分别接入5V电源和0V地)。COM为低压端驱动输出地，VCC为低压端驱动输出电压，VS为高压端驱动输出虚地(此虚地随VOUT变动而变动)，VB为高压端驱动输出电压,LO为低压端输出。LO、HO与SD、LIN、HIN的时序关系如图3所示，其中TD_1为HIN与HO、LIN和LO之间的延迟。LO的输出高电平与低电平分别为VCC和COM，HO的输出高电平与低电平分别为VS与VB。
图1中的高压开关模块一般由MOS管或FETMOS管构成，接收高压电源的模块的电源与高压驱动模块的控制信号，并最终驱动负载模块。在图2给出了实现方式中，使用了两个NMOS管来实现高压开关功能，分别标示为MOS_A与MOS_B,前述高压驱动模块的输出信号HO与LO分别接入MOS_A与MOS_B的栅极，当前高压开关模块的输出如图3所示，当HO为高电平而LO为低电平时，MOS_A管导通而MOS_B管关断，高压电源与负载模块导通，前述高压电源模块的电压(如图2所示VH,以下简称VH)被加至负载模块VOUT端。当HO转为低电平而LO为高电平时，MOS_A管关断而MOS_B管导通，负载模块的VOUT端与输出地导通。
在图2所示的实现中,若MOS_A与MOS_B同时导通，则将导致高压电源模块的输出高压与输出地短路，造成整个电路的损毁，所以对驱动时序提出了要求，图2中所示VOUT输出由高压向地转换的时候，首先HO变为低电平，MOS_A关断，VOUT从接近VH的值开始下降，然后经过动态死区时间控制(Current controlled dead time，如图3中所示的Dead_Time所示)，随后LO由低电平变为高电平，MOS_B打开，VOUT下降至输出地。同理，VOUT由地向高压转换的时候，首先LO变为低电平，MOS_B关断，VOUT从接近输出地的值开始上升，然后经过动态死区时间控制(如图3中的Dead_Time所示)，随后HO由低电平变为高电平，MOS_A打开，VOUT上升至VH。
选取合适的死区时间是必要的,如果死区时间过长，则MOS管的寄生体二极管可能被导通，VOUT端可能被钳至一个很小的负点平(其值为MOS管寄生体二极管的-VTH,约负几百毫伏)，而死区时间如果过短，将导致图2中的MOS_A和MOS_B同时导通，产生很大的能量损耗。
参见图4，本发明实施例提供的一种基于MOS管的驱动电路，包括低压控制模块101、高压驱动模块102、高压开关模块103、交叠检测子模块105、高压电源模块104、交叠反馈信息处理模块106和负载模块107；其中，低压控制模块101与高压驱动模块102和交叠反馈信息处理模块106相连接，低压控制模块101用于提供低压控制信号，高压驱动模块102与低压控制模块101相连，高压驱动模块102的后端与高压开关模块103相连，高压驱动模块102用于接收低压控制信号，然后转换为高压端驱动信号和低压端驱动信号，高压电源模块104用于提供输出电压，高压开关模块103的前端分别与高压驱动模块102和高压电源模块104相连，高压开关模块103的后端与负载模块107相连，交叠检测子模块105安装在高压开关模块103的内部，交叠检测子模块105的一端与交叠反馈信息处理模块106相连，交叠检测子模块105用于接收设定的驱动信号条件和输出电压，然后判断高压端驱动信号和低压端驱动信号的交叠检测结果，当交叠检测结果与驱动信号条件相同时，导通电路，高压开关模块产生输出电压，交叠反馈信息处理模块106的前端与交叠检测子模块105相连，交叠反馈信息处理模块106的后端与低压控制模块101相连，交叠反馈信息处理模块105用于当交叠检测结果与驱动信号条件不相同时，调整低压控制信号，而负载模块107只是用于接收输出电压，控制其它负载工作的电路。
其中，该驱动电路还包括报警模块108，报警模块108与交叠反馈信息处理模块106相连，报警模块108根据所述交叠检测结果和所述低压控制信号的参数，发出报警信号。
参见图5，一种基于MOS管的驱动电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤501：提供低压控制信号；
步骤502：接收低压控制信号，然后转换为高压端驱动信号和低压端驱动信号；
步骤503：提供输出电压；
步骤504：接收设定的驱动信号条件和输出电压，然后判断高压端驱动信号和低压端驱动信号的交叠检测结果，当交叠检测结果与驱动信号条件相同时，导通MOS管，将输出电压输送至加载模块；
步骤505：当交叠检测结果与驱动信号条件不相同时，接收设定的低压控制信号的参数极限数据，判定低压控制信号的参数与参数极限数据的关系；
步骤506：当低压控制信号的参数没有达到参数极限数据时，调整低压控制信号，循环步骤501到步骤505，直至交叠检测结果与驱动信号条件相同。
步骤507：当低压控制信号的参数达到参数极限数据时，发出报警信号。
在本发明实施例中，低压控制模块101，与高压驱动模块102和交叠反馈信息处理模块106相连接，包括控制信号(如图3中SD、LIN和HIN)生成模块，以及对交叠反馈信息处理模块106的相应模块。相对于图1中的低压控制模块，本发明实施例所提出架构中的低压控制模块带有控制端口，如图6、图7和图8所示，有EN(1比特)、DTA(4比特)和DTB(4比特)3个控制端口，图6为EN=1’b0时的三个信号(SD、LIN和HIN)的时序关系示意图，如图所示，当EN=1’b0的时候，无论DTA和DTB的赋值为多少，SD始终为高电平，LIN和HIN始终为低电平。图7为EN=1’b1,DTA=4’b0000,DTB=4’b0000时的三个信号(SD、LIN和HIN)的时序关系示意图，如图所示，当被配置为前述EN、DTA和DTB参数时,LIN的上升沿与HIN下降沿的死区时间A(图示中Dead_Time_A所示)为7毫秒(ms),LIN的下降沿与HIN上升沿的死区时间B(图示中Dead_Time_B所示)为4毫秒(ms)。这是本实施例中的初始设置值。图8为EN=1’b1,DTA=4’b0011,DTB=4’b0111时的三个信号(SD、LIN和HIN)的时序关系示意图，如图所示，当被配置为前述EN、DTA和DTB参数时,LIN的上升沿与HIN下降沿的死区时间A(图示中Dead_Time_A所示)为10毫秒(ms),LIN的下降沿与HIN上升沿的死区时间B(图示中Dead_Time_B所示)为12毫秒(ms)。相比图7可以看出，在当前实施例中，随着DTA和DTB参数的修正，低压控制模块通过缩小LIN高电平比例，扩大死区时间A和死区时间B,以尝试修正交叠检测结果不正确的问题。若交叠反馈信息处理模块106将低压控制模块101设定为EN=1′b0的时候，则无论DTA和DTB设定为任何值SD一直输出为高电平。若EN=1′b1则使能LIN与HIN输出，如图6所示，当EN=1′b1、DTA=4′b0000、DTB=4′b0000时，LIN上升沿和HIN下降沿之间的死区(如图中Dead_Time_A所示)及LIN下降沿和HIN上升沿之间的死区(如图中Dead_Time_B所示)为初始宽度，由图中可以看出，这两个死区的输出宽度将随着DTA参数和DTB参数的增加而增加。
高压驱动模块102，在当前实施例中接受低压控制模块101给出的控制信号(SD、LIN和HIN)并生成高压开关模块103需要的驱动信号，具体输入信号（SD、HIN、LIN）及输出驱动信号(LO、HO)之间的关系如图3所示。
高压开关模块103，包括交叠检测子模块105，本专利提出架构的高压开关模块的一个具体实施例如图9所示，比如，设定驱动信号条件为低电平是，驱动信号将首先被交叠检测子模块105,若交叠检测结果为低电平，使能继电器，MOS_A与MOS_B相连接，两个MOS管按HO和LO驱动信号对负载模块进行驱动。
高压电源模块104，后端与高压开关模块相连接，用于提供负载模块所需输出高压；
交叠检测子模块105，一种具体实施方式如图10所示。图10中的延时单元A3和延时单元B4均为可配置延时单元，延时单元由交叠反馈信息处理模块106配置，LO和HO的上升沿、下降沿相对关系不满足要求的话，则经过延时单元后分别经过与AND_A门电路5和AND_B门电路7后结果将为高电平。HO_DLY_A为HO信号经过DLY_A延时处理后的结果，LO_DLY_B为LO信号经过DLY_B延时处理后的结果，R5为前述HO_DLY_A信号和LO信号经过与门处理结果，R6为前述LO_DLY_B信号和HO信号经过与门处理结果，R7为前述R5信号和R6信号经过或门处理后的结果，即为交叠检测结果，图11图示了交叠检测结果的生成，DLY_A和DLY_B代表了***对死区时间A和死区时间B的要求，如图所示，如果LO的上升沿与HO的下降沿之间的间隔不符合死区时间A要求时，经过DLY_A延时处理的HO信号(HO_DLY_A)与LO经过与门(AND_A)处理的信号(R5)即会产生高电平；同理，如果HO的上升沿与LO的下降沿之间的间隔不符合死区时间B要求时，经过DLY_B延时处理的LO信号(LO_DLY_B)与HO经过与门(AND_B)处理的信号(R6)即会产生高电平。R5信号和R6信号经过或门(OR_A)处理后,当R5和R6信号中有一个出现高电平，R7信号即会出现高电平，即表示交叠检测结果不合格。若R7(交叠检测结果)一直为低电平，则为交叠检测结果合格。
交叠反馈信息处理模块106，接受交叠检测子模块105的反馈信息，并配置交叠检测子模块中的延时单元，在分析检测结果后修正低压控制模块101的低压控制信号的参数,如低压控制信号的参数达到参数极限数据时，则进行报警。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于MOS管的驱动电路，其特征在于，包括低压控制模块、高压驱动模块、高压开关模块、交叠检测子模块、高压电源模块、交叠反馈信息处理模块和负载模块；
其中，所述低压控制模块用于通过缩小逻辑输入低压端驱动信号的高电平比例，扩大死区时间A和死区时间B,以修正交叠检测结果，并提供低压控制信号；
所述高压驱动模块用于接收所述低压控制信号，然后转换为高压端驱动信号和低压端驱动信号；
所述高压电源模块用于提供输出电压；
所述交叠检测子模块安装在所述高压开关模块的内部，所述交叠检测子模块接收设定的驱动信号条件和所述输出电压，然后判断所述高压端驱动信号和所述低压端驱动信号的交叠检测结果，当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件相同时，所述高压开关模块用于导通所述MOS管，将输送出所述输出电压；
所述交叠反馈信息处理模块用于当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件不相同时，并配置延时单元，在分析检测结果后修正低压控制模块的低压控制信号；
所述负载模块用于接收所述输出电压，提供负载工作。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括报警模块，所述报警模块与所述交叠反馈信息处理模块相连，所述报警模块根据所述交叠检测结果和所述低压控制信号的参数，发出报警信号。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述低压控制模块有控制端口。
4.一种基于MOS管的驱动电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤501：通过缩小逻辑输入低压端驱动信号的高电平比例，扩大死区时间A和死区时间B,以修正交叠检测结果，并提供低压控制信号；
步骤502：接收所述低压控制信号，然后转换为高压端驱动信号和低压端驱动信号；
步骤503：提供输出电压；
步骤504：接收设定的驱动信号条件和所述输出电压，然后判断所述高压端驱动信号和所述低压端驱动信号的交叠检测结果，当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件相同时，导通所述MOS管，输送出所述输出电压；
步骤505：当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件不相同时，并配置延时单元，在分析检测结果后修正低压控制信号；
步骤506:循环步骤501到步骤505，直至所述交叠检测结果与所述驱动信号条件相同。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤505中，当所述交叠检测结果与所述驱动信号条件不相同时，接收设定的所述低压控制信号的参数极限数据，当所述低压控制信号的参数达到所述参数极限数据时，发出报警信号。
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