CN109861503B - 用于功率器件的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第一PMOS管MP1、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost、电阻R1,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第三NMOS管MN1的漏极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第一PMOS管MP1的漏极。本发明在功率器件MNPWR开通时刻,第二NMOS管MNPRE提供了主要的充电电流给MNPWR栅极充电,可以减小流过驱动级的峰值电流,也可以减小Cboost的峰值放电电流和放电电荷。相应地,MP1面积和Cboost容值也可以减小。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,具体涉及一种用于功率器件的驱动电路。
背景技术
目前开关电源得到广泛的应用。同等条件下N型MOSFET比P型MOSFET导通电阻更小,因此开关电源常用增强型N型MOSFET功率器件。
高通道N型MOSFET功率器件应用中,通常采用自举电路给驱动电路供电。图1是一个非同步的降压开关电源电路(非同步BUCK电路);图2为同步降压开关电源电路(同步BUCK电路);图3是简化后的自举驱动电路。如图1所示,自举二极管D1和自举电容Cboost组成自举供电电路,产生高通道电源,高通道电源高电位端为HB,高通道电源低电位端为HS。高通道电源给电平移位模块LEVEL SHFIT、缓冲级BUFFER、驱动输出级(MP1和MN1)供电。
高通道控制信号通过电平移位模块LEVEL SHFIT、缓冲级BUFFER后产生预驱动信号HPRE,预驱动信号HPRE通过驱动输出级(MP1和MN1),产生驱动信号HO驱动功率器件MNPWR。图3为图1简化后的驱动电路。
功率MOS管为电压控制器件,栅极有较大的输入电容,通过给功率MOS管栅极充电,使栅-源电压升高,开通功率MOS管。图12显示了 栅-源电压与栅极电荷的关系。
为了加快功率MOS管的开通速度以减小功率MOS管的开通损耗,需要一个高的峰值驱动电流以减小功率MOS管的开通时间。开通时刻,高的驱动电流会流过MP1和Cboost,给功率MOS管的栅极充电;关断时刻,功率MOS管的栅极通过MN1放电。
因此,驱动输出级MP1和MN1的导通电阻需要足够小,这样才能得到足够大的驱动电流。自举电容Cboost需要足够大,这样高通道电源HB和HS之间电压波动也不大,不影响高通道电源供电的模块如电平移位模块LEVEL SHFIT、缓冲级BUFFER、驱动输出级(MP1和MN1等)的正常工作。
另外,因为存在寄生电感和寄生电容,高的峰值驱动电流会有其他不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于功率器件的驱动电路,解决驱动电流峰值过高的问题。
为解决上述的技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第一PMOS管MP1、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost、电阻R1,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第三NMOS管MN1的漏极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第一PMOS管MP1的漏极;上述第二NMOS管MNPRE的漏极连接VIN输入信号,上述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极,上述第一PMOS管MP1的源极连接高通道电源的高电位端HB,上述第三NMOS管MN1的源极连接高通道电源的低电位端HS,上述第一PMOS管MP1的栅极和第三NMOS管MN1的栅极均连接预驱动信号HPRE;上述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
作为优选,上述第二NMOS管的漏极MNPRE通过第二二极管D2连接VIN输入信号,并且上述第二二极管D2的正极连接VIN输入信号,负极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
作为优选,上述第二NMOS管MNPRE的漏极通过三极管QD连接VIN输入信号,并且上述三极管QD的基极和集电极均连接VIN信号,上述三极管QD的发射极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
作为优选,上述第二NMOS管MNPRE的漏极通过第五NMOS管MND连接VIN输入信号,并且上述第五NMOS管MND的栅极和源极均连接VIN信号,上述第五NMOS管MND的漏极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第一双极性三极管QN1、第二双极性三极管QP1、电感L、第一二极管Dpwr、第二二极管D2、第一电容Cboost、电阻R1,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第一双极性三极管QN1的集电极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第二双极性三极管QP1的集电极;上述第二NMOS管的漏极MNPRE通过第二二极管D2连接VIN输入信号,所上述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第二双极性三极管QP1的集电极,上述第二双极性三极管QP1的发射极连接高通道电源的高电位端HB,上述第一双极性三极管QN1的发射极连接高通道电源的低电位端HS,上述第二双极性三极管QP1的基极和第一双极性三极管QN1的基极均连接预驱动信号HPRE;上述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第四NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第四NMOS管MN2的漏极、第二NOMS管MNPRE的源极、第二PMOS管MP2的漏极,上述第二NMOS管MNPRE的漏极连接VIN输入信号,上述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极和第三NMOS管MN1的漏极,上述第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极均连接高通道电源的高电位端HB,上述第三NMOS管MN1的源极和第四NMOS管MN2的源极均连接高通道电源的低电位端HS,上述第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极、第三NMOS管MN1和第四NMOS管MN2的栅极均连接预驱动信号HPRE;上述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
作为优选,上述第二PMOS管MP2通过第二电阻R连接预驱动信号HPRE。
作为优选,上述第二PMOS管MP2通过延时单元delay连接预驱动信号HPRE。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明在功率器件MNPWR开通时刻,第二NMOS管MNPRE提供了主要的充电电流给MNPWR栅极充电,可以减小流过驱动级的峰值电流,也可以减小Cboost的峰值放电电流和放电电荷。相应地,MP1面积和Cboost容值也可以减小。
附图说明
图1为传统的非同步buck自举驱动电路。
图2为传统的同步buck自举驱动电路。
图3为传统的简化后的自举驱动电路。
图4为本发明的基本电路结构示意图。
图5为本发明的一个实施例的电路结构示意图。
图6为本发明的其他实施例的电路结构示意图。
图7为本发明的其他实施例的电路结构示意图。
图8为本发明的其他实施例的电路结构示意图。
图9为本发明的其他实施例的电路结构示意图。
图10为本发明的其他实施例的电路结构示意图。
图11为本发明的其他实施例的电路结构示意图。
图12为本发明的其他实施例的其他单向导通器件的示意图。
图13为栅-源电压与栅极电荷的关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明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发明,并不用于限定本发明。
图4示出了本发明的一个实施例,一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第一PMOS管MP1、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost、电阻R1,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第三NMOS管MN1的漏极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第一PMOS管MP1的漏极;上述第二NMOS管MNPRE的漏极连接VIN输入信号,上述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极,上述第一PMOS管MP1的源极连接高通道电源的高电位端HB,上述第三NMOS管MN1的源极连接高通道电源的低电位端HS,上述第一PMOS管MP1的栅极和第三NMOS管MN1的栅极均连接预驱动信号HPRE;上述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
上述第二NMOS管的漏极MNPRE通过第二二极管D2连接VIN输入信号,并且上述第二二极管D2的正极连接VIN输入信号,负极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。在这里增加了一个单向导通器件,作用是:当HO>VIN时,D2阻挡了充电电流i1流向VIN,使充电电流i1全部流入MNPWR栅极,避免充电电流i1的损失。
本实施例中的工作原理是:当HPRE为低时,MP1开通,MN1关断,HO1为高。HO1为高,通过R1给MNPWR栅极充电,充电电流i1受R1限制而较小,由Cboost提供。HO1为高,MNPRE开通,给MNPWR栅极充电,充电电流i2很大,由vin提供。当HO>=VIN时,充电电流i1的路径为Cboost,MP1,R1,使HO继续上升,直至与HB电位相等。当HO>VIN时,D2阻挡了充电电流i1流向VIN,使充电电流i1全部流入MNPWR栅极,避免充电电流i1的损失。
当HPRE为高时,MP1关断,MN1开通,HO1为低。MNPWR栅极电荷通过MN1被迅速放掉,因此,MNPWR可以快速关断。因MNPRE远比MNPWR小,很小的MNPRE栅极电荷也通过R1和MN1被迅速放掉,因此,MNPRE也可以快速关断。
综上上述,在功率器件MNPWR开通时刻,第二NMOS管MNPRE提供了主要的充电电流给MNPWR栅极充电,可以减小件流过驱动级的峰值电流,也可以减小Cboost的峰值放电电流和放电电荷。相应地,MP1面积和Cboost容值也可以减小。同时,不影响功率器件MNPWR关断速度。
D2也可以是具有单向导电特性(类似二极管)的其它器件或电路,包括但不限于图12所示器件及其应用方法。图10和图11是两个使用单向导电特性的其它器件或电路的实施例子。
图10示出了本发明的另一个实施例,该实施例中将第二二极管D2更换为三极管QD,即上述第二NMOS管MNPRE的漏极通过三极管QD连接VIN输入信号,并且上述三极管QD的基极和集电极均连接VIN信号,上述三极管QD的发射极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
图11示出了本发明的另一个实施例,该实施例中将第二二极管D2更换为第五NMOS管MND,即上述第二NMOS管MNPRE的漏极通过第五NMOS管MND连接VIN输入信号,并且上述第五NMOS管MND的栅极和源极均连接VIN信号,上述第五NMOS管MND的漏极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
图6示出了采用双极性三极管来实现驱动电路的实施例,一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第一双极性三极管QN1、第二双极性三极管QP1、电感L、第一二极管Dpwr、第二二极管D2、第一电容Cboost、电阻R1,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第一双极性三极管QN1的集电极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第二双极性三极管QP1的集电极;上述第二NMOS管的漏极MNPRE通过第二二极管D2连接VIN输入信号,所上述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第二双极性三极管QP1的集电极,上述第二双极性三极管QP1的发射极连接高通道电源的高电位端HB,上述第一双极性三极管QN1的发射极连接高通道电源的低电位端HS,上述第二双极性三极管QP1的基极和第一双极性三极管QN1的基极均连接预驱动信号HPRE;上述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
在功率器件MNPWR开通时刻,R1是限制了高通道电源HB(Cboost)给功率器件MNPWR栅极充电电流i1。也可以用其它方式实现,图7就是通过MP2来调节栅极充电电流i1,通过MN2来调节栅极放电电流。
如图7所示,一种用于功率器件的驱动电路,包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第四NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost,上述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,上述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且上述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,上述第一二极管Dpwr的正极接地,上述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第四NMOS管MN2的漏极、第二NOMS管MNPRE的源极、第二PMOS管MP2的漏极,上述第二NMOS管MNPRE的漏极连接VIN输入信号,上述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极和第三NMOS管MN1的漏极,上述第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极均连接高通道电源的高电位端HB,上述第三NMOS管MN1的源极和第四NMOS管MN2的源极均连接高通道电源的低电位端HS,上述第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极、第三NMOS管MN1和第四NMOS管MN2的栅极均连接预驱动信号HPRE;上述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
图8在图7的基础上增加了一个电阻,即上述第二PMOS管MP2通过第二电阻R连接预驱动信号HPRE。在本实施例中在在MP2栅极上串了一个电阻,实现MP2的延时开通。
图9在图8的基础上增加了延时单元,即上述第二PMOS管MP2通过延时单元delay连接预驱动信号HPRE。HPRE通过延时单元驱动MP2,实现MP2的延时开通。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”、“优选实施例”等,指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说,结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时,所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述,但是,应该理解,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说,在本申请公开、附图和权利要求的范围内,可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外,对于本领域技术人员来说,其他的用途也将是明显的。
Claims (8)
1.一种用于功率器件的驱动电路,其特征在于:包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第一PMOS管MP1、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost、电阻R1,
所述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,所述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且所述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,所述第一二极管Dpwr的正极接地,所述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第三NMOS管MN1的漏极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第一PMOS管MP1的漏极;
所述第二NMOS管MNPRE的漏极连接VIN输入信号,所述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极,
所述第一PMOS管MP1的源极连接高通道电源的高电位端HB,所述第三NMOS管MN1的源极连接高通道电源的低电位端HS,所述第一PMOS管MP1的栅极和第三NMOS管MN1的栅极均连接预驱动信号HPRE;
所述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间;
在功率器件MNPWR开通时刻,第二NMOS管MNPRE提供主要充电电流给MNPWR栅极充电,减小流过驱动级的峰值电流,减小Cboost的峰值放电电流和放电电荷,减小MP1面积和Cboost容值。
2.根据权利要求1所述的用于功率器件的驱动电路,其特征在于:所述第二NMOS管的漏极MNPRE通过第二二极管D2连接VIN输入信号,并且所述第二二极管D2的正极连接VIN输入信号,负极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
3.根据权利要求1所述的用于功率器件的驱动电路,其特征在于:所述第二NMOS管MNPRE的漏极通过三极管QD连接VIN输入信号,并且所述三极管QD的基极和集电极均连接VIN信号,所述三极管QD的发射极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
4.根据权利要求1所述的用于功率器件的驱动电路,其特征在于:所述第二NMOS管MNPRE的漏极通过第五NMOS管MND连接VIN输入信号,并且所述第五NMOS管MND的栅极和源极均连接VIN信号,所述第五NMOS管MND的漏极连接第二NMOS管MNPRE的漏极。
5.一种用于功率器件的驱动电路,其特征在于:包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第一双极性三极管QN1、第二双极性三极管QP1、电感L、第一二极管Dpwr、第二二极管D2、第一电容Cboost、电阻R1,
所述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,所述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且所述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,所述第一二极管Dpwr的正极接地,所述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第一双极性三极管QN1的集电极和第二NOMS管MNPRE的源极,并通过电阻R1连接第二双极性三极管QP1的集电极;
所述第二NMOS管的漏极MNPRE通过第二二极管D2连接VIN输入信号,所述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第二双极性三极管QP1的集电极,
所述第二双极性三极管QP1的发射极连接高通道电源的高电位端HB,所述第一双极性三极管QN1的发射极连接高通道电源的低电位端HS,所述第二双极性三极管QP1的基极和第一双极性三极管QN1的基极均连接预驱动信号HPRE;
所述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
6.一种用于功率器件的驱动电路,其特征在于:包括第一NMOS管MNPWR、第二NMOS管MNPRE、第三NMOS管MN1、第四NMOS管MN2、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、电感L、第一二极管Dpwr、第一电容Cboost、电阻R1,
所述第一NMOS管MNPWR的漏极与VIN输入信号连接,所述第一NMOS管MNPWR的源极通过电感L连接VOUT输出信号,并且所述第一NMOS管MNPWR的源极还连接第一二极管Dpwr的负极,所述第一二极管Dpwr的正极接地,所述第一NMOS管MNPWR的栅极连接第四NMOS管MN2的漏极、第二NOMS管MNPRE的源极、第二PMOS管MP2的漏极,
所述第二NMOS管MNPRE的漏极连接VIN输入信号,所述第二NMOS管MNPRE的栅极连接第一PMOS管MP1的漏极和第三NMOS管MN1的漏极,
所述第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极均连接高通道电源的高电位端HB,所述第三NMOS管MN1的源极和第四NMOS管MN2的源极均连接高通道电源的低电位端HS,
所述第一PMOS管MP1的栅极、第二PMOS管MP2的栅极、第三NMOS管MN1和第四NMOS管MN2的栅极均连接预驱动信号HPRE;
所述第一电容Cboost连接在高通道电源的高电位端HB和低电位端HS之间。
7.根据权利要求6所述的用于功率器件的驱动电路,其特征在于:所述第二PMOS管MP2通过第二电阻R连接预驱动信号HPRE。
8.根据权利要求6所述的用于功率器件的驱动电路,其特征在于:所述第二PMOS管MP2通过延时单元delay连接预驱动信号HPRE。
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