一种高压PN桥栅驱动电路制造技术

一种高压PN桥栅驱动电路，利用稳压电路将电源电压降低给输入级电路供电，采用电平转换电路将输入级的信号转换为可以驱动高压薄栅氧PMOS管的电压，利用电阻分压的方式判断输出电压与设定电压之间的关系，当用于驱动功率PMOS管时，PMOS管的栅驱动电路输出电压低于设定值时，使得驱动管NMOS管的电流能力降低甚至关断，从而使得输出电压抬升，并动态地稳定在设定值附近；同理当用于驱动功率NMOS管时，使得输出电压抬升并动态地稳定在设定值附近，设定值可以是GND～VCC之间的任意值，且由电阻比例和MOS管的阈值电压决定。本发明专利技术电路结构复杂度降低，功耗降低，有利于提高驱动芯片集成度，减少成本。

【技术实现步骤摘要】
一种高压PN桥栅驱动电路
本专利技术属于中高压功率集成电路
，涉及中高压电机驱动控制技术，为一种高压PN桥栅驱动电路。
技术介绍
中、高压电机驱动中通常采用PMOS管和NMOS管组合形成的桥式结构来驱动，学术界和产业界称该桥为PN桥。在低压应用中，反相器就是最简单的PN桥，其驱动方式也非常简单，可以直接用TTL逻辑的“0”和“1”电平电压来直接驱动PN桥。为了防止PN桥开关切换瞬间的直通损耗，通常会将PN桥中的PMOS管和NMOS管分开驱动，利用零电压切换技术来降低系统的损耗。典型的应用电路如图1所示，包括MCU、PN桥驱动、功率PMOS管和功率NMOS管以及负载电机。MCU的供电采用5V或者3.3V，输出两路信号分别控制PN桥驱动芯片的两个输入端HIN和LIN，PN桥与驱动芯片共用一个电源VM，三个PN桥即可用于驱动三相无刷直流电机。当VM的电压值较低时，PN桥驱动芯片的两个输出端HO和LO的输出电压范围均为GND至VM，随着VM电压等级的提升，GND至VM的电压差大于甚至远大于功率PMOS管和功率NMOS管的栅-源击穿电压。如图2所示，为了保证系统正常运行，需要保证功率PMOS管的驱动电压范围是(VM-VDRV)至VM之间，而功率NMOS管的驱动电压范围为GND至VDRV之间，这里的VDRV代表的是最佳驱动电压值。为了解决上述问题，传统的对功率NMOS管的驱动方式如图3所示，包括稳压电路1、稳压电路2、Buffer1、电平移位电路和Buffer2。稳压电路1将VM的电压降低到VREG1(约5V左右)为输入级Buffer1供电，以满足输出电压兼容TTL电平的要求。稳压电路2的作用是将VM的电压降低到最适合功率NMOS的驱动电压值VREG2，用该电压为电平移位电路和驱动级Buffer2供电。输入信号经过输入级Buffer1进入驱动电路，经过电平移位电路将输入信号的范围变为0～VREG2之间。这里的VREG2即等于图2中的VDRV的值。传统功率PMOS管的驱动方式如图4所示，包括稳压电路1、稳压电路2、Buffer3、电平移位电路和Buffer4。稳压电路1将VM的电压降低到VREG3(约5V左右)，为输入级Buffer3供电，以满足输出电压兼容TTL电平的要求。稳压电路2的作用是将VM的电压降低到最适合功率NMOS的驱动电压值VREG4，用该电压为电平移位电路和驱动级Buffer2提供逻辑地电位。输入信号经过输入级Buffer3进入驱动电路，经过电平移位电路将输入信号的范围变为VREG2～VM之间。这里的VREG4即等于图2中的(VM-VDRV)的值。上述传统对功率PMOS管和功率NMOS管驱动的电路存在两个缺点：第一，整体PMOS+NMOS驱动电路需要三个稳压电路，一个给输入级供电，第二个给NMOS管输出级供电源，第三个给PMOS管驱动电路输出级供参考地，集成电路中高压LDO因需要数个高压器件，其规模远大于低压LDO的规模，这增加了电路的复杂度，且增加了芯片的面积，增加了芯片的成本；第二，目前标准的小尺寸BCD工艺中多采用统一的薄栅氧器件，其栅-源耐压很低(栅源击穿电压一般不超过6V)。而传统的驱动方案必须采用中压器件才能正常工作，无法满足当下驱动电路的高集成度发展目标要求。
技术实现思路
针对传统PN桥驱动电路结构复杂，无法在薄栅氧器件工艺中实现的问题，本专利技术提出了一种新型PN桥驱动电路，既可以减少LDO的数量，又可以在小尺寸薄栅氧BCD工艺中实现。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高压PN桥栅驱动电路，用于驱动PN桥，驱动电路包括输入级电路、稳压电路、电平转换电路、栅压控制电路、I-V转换电路、输出电压检测电路、第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管，稳压电路连接在VCC与输入级电路之间，为输入级电路稳压供电，输入级电路的输入端为驱动电路的输入端，输入级电路分别输出至第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管，其中输入级电路对第一功率器件PMOS管输出时先通过电平转换电路进行电压转换，用于满足第一功率器件PMOS管的栅极驱动条件；根据所要驱动的PN桥功率器件，选择对第一功率器件PMOS管和/或第二功率器件NMOS管设置栅压控制电路，驱动电路的输出经输出电压检测电路和I-V转换电路后，输入栅压控制电路，调节第一功率器件PMOS管和/或第二功率器件NMOS管的栅压。进一步的，输出电压检测电路由分压电阻与功率器件组成，驱动电路的输出电压为GND～VCC之间的任意值，由输出电压检测电路的检测阈值决定。进一步的，所述驱动电路及PN桥中采用的所有金属氧化物半导体场效应管为厚栅氧器件或薄栅氧器件。进一步的，所述驱动电路的形式包括三种：1)对第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管均设置栅压控制电路，通过输出电压检测值设定驱动PN桥的功率PMOS管或功率NMOS管；2)仅对第一功率器件PMOS管设置栅压控制电路，驱动PN桥的NMOS管；3)仅对第二功率器件PMOS管设置栅压控制电路，驱动PN桥的PMOS管。本专利技术利用稳压电路将电源电压VCC降低给输入级电路供电，采用电平转换电路将输入级电路的信号转换为可以驱动高压薄栅氧PMOS管的电压，输出电压检测电路利用电阻分压的方式判断驱动电路的输出电压与设定电压之间的关系，当用于驱动PN桥的功率PMOS管时，如检测到功率PMOS管的栅驱动电路电压低于设定值，使得驱动电路中第二功率器件NMOS管的电流能力降低甚至关断，从而使得输出电压抬升，并动态地稳定在设定值附近；当用于驱动PN桥的功率NMOS管时，如功率NMOS管栅驱动电路的电压高于设定值，使得驱动电路中第一功率器件PMOS管的电流能力下降甚至关断，从而使得输出电压降低，并动态地稳定在设定值附近。设定值可以是GND～VCC之间的任意值，由输出电压检测电路的检测阈值，即电阻比例和功率器件的阈值电压决定。本专利技术采用上述技术方案，具有以下优点和显著效果：1、电路结构复杂度明显降低，本专利技术仅需要1个稳压电路即可实现栅驱动电路的供电要求，静态功耗显著降低，版图尺寸减少。本专利技术与传统驱动结构都有一个稳压电路，目的是为了降低输入级的电源电压，使得输入级电路的阈值兼容MCU的输出电压；对于传统驱动电路来说，如果是驱动PN桥高侧负载高压PMOS管，考虑其栅极的电压耐受能力输出电压必须在VCC-10V到VCC之间(VCC高达40V～60V)，那么这个VCC-10V就必须要其他稳压电路产生，如果是驱动PN桥低侧负载高压NMOS管，那么输出电压范围必须控制在0到10V之间，否则负载高压器件会栅极击穿，那么这个10V的电压又必须要一个稳压电源来实现。本专利技术设计的驱动电路，通过第一第二功率器件、栅压控制电路、I-V转换电路和输出电压检测电路的结构，对驱动电路输出电压通过检测自适应调节对所要驱动的功率MOS器件的栅压，从而达到控制电压的目的。2、本专利技术栅驱动电路中的所有MOS器件，包括高压MOS器件均可以采用薄栅氧器件来实现，极大地提升了电路的适用范围，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压PN桥栅驱动电路，用于驱动PN桥，其特征在于：驱动电路包括输入级电路、稳压电路、电平转换电路、栅压控制电路、I-V转换电路、输出电压检测电路、第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管，稳压电路连接在VCC与输入级电路之间，为输入级电路稳压供电，输入级电路的输入端为驱动电路的输入端，输入级电路分别输出至第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管，其中输入级电路对第一功率器件PMOS管输出时先通过电平转换电路进行电压转换，用于满足第一功率器件PMOS管的栅极驱动条件；根据所要驱动的PN桥功率器件，选择对第一功率器件PMOS管和/或第二功率器件NMOS管设置栅压控制电路，驱动电路的输出经输出电压检测电路和I-V转换电路后，输入栅压控制电路，调节第一功率器件PMOS管和/或第二功率器件NMOS管的栅压。/n

【技术特征摘要】
1.一种高压PN桥栅驱动电路，用于驱动PN桥，其特征在于：驱动电路包括输入级电路、稳压电路、电平转换电路、栅压控制电路、I-V转换电路、输出电压检测电路、第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管，稳压电路连接在VCC与输入级电路之间，为输入级电路稳压供电，输入级电路的输入端为驱动电路的输入端，输入级电路分别输出至第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管，其中输入级电路对第一功率器件PMOS管输出时先通过电平转换电路进行电压转换，用于满足第一功率器件PMOS管的栅极驱动条件；根据所要驱动的PN桥功率器件，选择对第一功率器件PMOS管和/或第二功率器件NMOS管设置栅压控制电路，驱动电路的输出经输出电压检测电路和I-V转换电路后，输入栅压控制电路，调节第一功率器件PMOS管和/或第二功率器件NMOS管的栅压。


2.根据权利要求1所述的一种高压PN桥栅驱动电路，其特征在于：输出电压检测电路由分压电阻与功率器件组成，驱动电路的输出电压为GND～VCC之间的任意值，由输出电压检测电路的检测阈值决定。


3.根据权利要求1所述的一种高压PN桥栅驱动电路，其特征在于：所述驱动电路及PN桥中采用的所有金属氧化物半导体场效应管为厚栅氧器件或薄栅氧器件。


4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高压PN桥栅驱动电路，其特征在于：所述驱动电路的形式包括三种：1)对第一功率器件PMOS管和第二功率器件NMOS管均设置栅压控制电路，通过输出电压检测值设定驱动PN桥的功率PMOS管或功率NMOS管；2)仅对第一功率器件PMOS管设...

【专利技术属性】
技术研发人员：张允武，陆扬扬，
申请(专利权)人：国硅集成电路技术无锡有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32