一種斜率受控的驅動器的製作方法

2023-05-28 19:53:26 2

專利名稱：一種斜率受控的驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路，具體涉及寬帶數據通信系統、高速無線通信系統、空 間電子設備、驅動設備以及大功率電源控制器的產品應用。
背景技術：
當前寬帶通信技術、功率驅動技術以及大功率DC-DC控制器的高速發展，對功率 器件的驅動技術提出越來越苛刻的要求，尤其是在某些系統中，要求驅動信號的上升時間 和下降時間有一定的限制，這就對驅動器的具體設計以及實現上提出了新的挑戰。比如在 收發器的驅動部分，發送器在將數據發送到總線的過程中，由於存在一系列的衰減以及失 真情況，需要在發送器的輸出加入隔離變壓器以及網絡匹配變壓器，此時，如果發送器輸出 的驅動信號上升時間與下降時間得不到控制，則耦合到變壓器另一端的信號幅度將會大大 增加，進而有可能毀壞整個通信系統。因此，在具體的設計中必須考慮到這一點，即需要控 制發送器輸出驅動信號的上升時間與下降時間。另外，在大功率的DC-DC控制器中，由於功 率管存在dv/dt的問題，S卩如果功率管柵極電壓變化過快，可能會燒壞功率器件，從而毀壞 電源系統。所以，此時也需要控制功率管驅動信號的上升時間與下降時間。在傳統的驅動 斜率控制技術中，存在線性度、精度以及死區等等問題，因此難以適應現代電子設備對斜率 控制技術的特殊要求，本發明基於此提出了一種斜率受控的驅動器。

發明內容
針對當前各種電子系統對驅動信號上升時間與下降時間的特殊要求，本發明提出 了一種斜率受控的驅動器。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，當驅動邏輯控制信號由低到高時，由跨導運 算放大器與驅動功率管組成的負反饋環路使驅動功率管的柵極電壓上升，並可以通過閉環 控制調整跨導運算放大器的跨導來實時監控柵極電壓的上升斜率與上升時間，從而精確控 制了驅動輸出信號的上升斜率與上升時間；同時，當驅動控制信號由高到低時，通過開關切 換使跨導運算放大器與驅動功率管組成的負反饋環路對功率管的柵極電壓進行線性放電， 並可以通過閉環控制調整跨導運算放大器的跨導來實時監控柵極電壓的下降斜率與下降 時間，從而精確控制了驅動輸出信號的下降斜率與下降時間。為了實現大功率輸出，功率輸 出管的面積一般都較大，則其輸入端會存在較大的寄生電容。因此，在功率管輸入端電壓上 升的過程中，必然存在一定的死區時間，即輸入端電壓需要從零伏上升到開啟電壓，該死區 時間會使輸出信號的上升沿與下降沿發生錯位。針對這一死區，本發明公開了一種相位補 償技術，可以有效減小功率管的開啟時間，使功率管輸出信號上升沿與下降沿相位保持一 致。通過此項技術，在簡化電路設計和提高集成度的同時，更加有效地線性控制了驅動輸 出信號的上升時間與下降時間，可以廣泛地應用於大功率DC-DC控制器以及收發器等產品 中。
上述方案中，所述當驅動控制信號由低到高時的負反饋環路是通過第一切換開關 使跨導運算放大器的正相輸入端接至基準電壓，負相輸入端通過隔離模塊接至驅動器的輸 出，此時，當驅動器輸出電壓為零時，跨導運算放大器通過第二切換開關會對功率器件的控 制端進行充電，隨著功率器件控制端電壓的上升，驅動器輸出電壓也開始上升，直到驅動器 輸出電壓升至內部的基準電壓。當功率器件一定時，其柵極寄生電容一定，則可以通過設置 跨導運算放大器的跨導即尾電流來調整功率器件柵極電壓的上升時間，從而精確控制了驅 動器輸出電壓的上升時間。所述當驅動控制信號由高到低時的負反饋環路是通過第一切換開關使跨導運算 放大器的正相輸入端接至地，負相輸入端通過隔離模塊接至驅動器的輸出，此時，當驅動器 輸出電壓為基準電壓時，跨導運算放大器通過第二切換開關會對功率器件的控制端進行放 電，隨著功率器件控制端電壓的下降，驅動器輸出電壓也開始下降，直到驅動器輸出電壓降 至跨導運算放大器的正相輸入端，即地電平。在電路設計對稱的情況下，此時的下降時間與 上升時間是完全相等的，得到了很好的一致性。所述相位補償模塊通過檢測驅動邏輯輸入信號的上升沿，實現對功率器件控制端 的電壓預置，使得功率器件能及時導通，消除了死區時間。本發明通過閉環負反饋結構以及開關切換技術實時監控驅動輸出信號，實現了對 驅動輸出信號上升斜率與下降斜率的控制。同時，在每次驅動邏輯的上升沿到達時，對功率 器件的控制端進行電壓預置，使驅動輸出信號的上升沿與下降沿相位延遲一致，保證了驅 動器輸出信號的斜率受控性。


圖1為本文發明的斜率受控驅動器結構。圖2為本文發明的一種具體實現實例。圖3為驅動器帶有死區時間的輸入輸出示意圖。圖4為消除死區的驅動器輸入輸出示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。圖1為本發明的斜率受控驅動器結構，圖2為一種具體的實現實例。如圖1所示，開關切換模塊10用於實現檢測驅動邏輯輸入信號Vin，當驅動邏輯 輸入信號Vin為高電平時，跨導運算放大器20的正相輸入端80被切換至基準電壓，假設為 Vkef ；當驅動邏輯輸入信號Vin為低電平時，跨導運算放大器20的正相輸入端80被切換至 地。如圖2所示，該第一切換開關10的一種實現方式為，一個高電平接電源、低電平接地的 反相器與一個高電平接基準電壓、低電平接地的反相器串聯組成。很明顯可以實現上述模 塊功能，即當驅動邏輯輸入信號Vin為高電平時，第一個反相器的輸出為低電平，從而使第 二個反相器通過PMOS管Ml將輸出接至基準電壓；當驅動邏輯輸入信號Vin為低電平時，第 一個反相器的輸出為高電平，從而使第二個反相器通過NMOS管M2將輸出接至地信號。如圖1所示，跨導運放20用於將輸入信號80與90的壓差轉化為電流輸出信號。 如圖2所示的20模塊為跨導運放的一個具體實現實例。考慮到輸出信號是從零到基準電壓之間進行變化，所以輸入級採用PMOS管M7與M8作為輸入對管，NMOS管MlO與Mll為第 一級的電流鏡負載，通過NMOS管M9與M12鏡像輸出。PMOS管M5與M6組成輸出級的電流 鏡，鏡像比例如圖2所標。根據以上分析，輸入對管產生的電流為驅動器輸出與內部基準壓 差轉化後的電流，且經過負載電流鏡輸出電流至信號線100。此處跨導運放的跨導可以通過 電阻R1、輸入對管的寬長比以及負載電流鏡來調節。如圖1所示，第二切換開關模塊30用於切換跨導運放輸出的電流流向，當驅動邏 輯輸入信號Vin為高電平時，由於跨導運放需要輸出電流對功率管50的柵極進行充電，所以 電流流向為信號線100到信號線110 ；當驅動邏輯輸入信號Vin為低電平時，由於跨導運放 需要輸出電流對功率管50的柵極進行放電，所以電流流向為信號線110到信號線100。如 圖2中的30模塊所示為一種具體的實現方法，由一個反相器與一個傳輸門組成，反相器的 輸入接驅動邏輯輸入信號Vin，輸出接至傳輸門的PMOS管M13與NMOS管M14的柵極。當驅 動邏輯輸入信號Vin為高電平時，反相器輸出為低電平，此時PMOS管M13導通，由於信號線 100的電平高於信號線110的電平，所以此時電流從信號線100流向信號線110對其進行充 電；當驅動邏輯輸入信號Vin為低電平時，反相器輸出為高電平，此時NMOS管M14導通，由於 信號線100的電平低於信號線110的電平，所以此時電流從信號線110流向信號線100對 其進行放電。信號線100與信號線110的電平高低關係由信號線80與90的電平高低關係 決定。如圖1所示，相位補償模塊用於實現對功率器件的控制端進行電壓預置，消除死 區時間。如果不進行相位補償，即會出現如圖3所示的情形。其中U為死區時間，、與tf 分別為上升時間與下降時間。如圖2所示為相位補償模塊的具體實現電路。當驅動邏輯輸 入信號Vin為低電平時，驅動器輸出信號下降，此時無需相位補償，所以PMOS管M15、M16與 M22被關斷，相位補償功能被屏蔽；當驅動邏輯輸入信號Vin變為高電平時，驅動器輸出信號 上升，功率驅動管的柵極電壓開始上升，此時需要加入相位補償，所以PMOS管M15、M16與 M22被打開，由電阻R2支路產生的電流首先通過PMOS管電流鏡M18與M23鏡像至NMOS管 M20與M21，由於NMOS管M19與M20為對稱設計，所以由NMOS管M21產生的柵源電壓被傳 輸到信號線110上，使得信號線110被快速提升至M21的柵源電壓上，即完成了相位提前的 功能。在具體設計中，通過合理設計M21的寬長比以及R2支路的電流，即可使Vlltl的初始 電壓為NMOS功率管50的閾值電壓，消除了功率管50的柵極電壓從零伏到閾值電壓的死區 時間，進而保證了驅動器輸出上升沿與下降沿的相位關係，精確控制了驅動器輸出的上升 時間。如圖1、2所示，負載60)與隔離器70均採用了一種常見的電阻與緩衝器。綜上所述，當驅動邏輯輸入信號Vin從低變高時，一方面，相位補償模塊迅速提升 功率器件的控制端電壓到開啟電壓。另一方面，跨導運放的正相輸入端通過第一切換開關 被接至基準電壓Vkef，負相輸入端通過緩衝器被接至驅動器輸出，跨導運放的輸出通過第二 切換開關使電流流向功率輸出管的柵極。此時，驅動器輸出的上升時間由功率輸出管的柵 極寄生電容與跨導運放的跨導決定。而此處的跨導又由跨導運放的尾電流Ids、輸入對管M7 與M8的寬長比、負載電流鏡的比例k決定。所以，在具體的設計中，可以通過設計以上參數， 即可得到合適的驅動器輸出上升時間與上升斜率。同理，當驅動邏輯輸入信號Vin從高變低 時，跨導運放的正相輸入端通過第一切換開關被接至地，負相輸入端通過緩衝器被接至驅動器輸出，跨導運放的輸出通過第二切換開關使電流從功率輸出管的柵極放電到地。此時， 驅動器輸出的下降時間也由功率輸出管的柵極寄生電容與跨導運放的跨導決定。由於跨導 運放的對稱設計，下降時間與上升時間相等。 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所 提交的權利要求書確定專利保護範圍。
權利要求
1.一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，包括驅動邏輯輸入信號、第一切換開關、跨導 運算放大器、第二切換開關、相位補償、功率器件、隔離以及負載；第一切換開關、跨導運算 放大器、第二切換開關、相位補償、功率器件以及負載依次順序連接，隔離器設置在驅動輸 出與跨導運放之間。
2.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述驅動器的上升斜率通 過第一切換開關將跨導運放的正相輸入端接至基準電壓，負相輸入端接至驅動輸出來控 制；所述驅動器的下降斜率通過第一切換開關將跨導運放的正相輸入端接至地，負相輸入 端接至驅動輸出來控制。
3.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述相位補償模塊用來消 除功率器件的啟動過程中的死區時間。
4.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述隔離模塊用來實現在 系統關閉以及極端條件下對內部電路的保護。
5.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述跨導運放通過檢測其 正相輸入端信號80與負相輸入端信號90的誤差，產生一定的輸出電流。1
6.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述第二切換開關在驅動 邏輯輸入信號VIN的高電平期間確定信號線100到信號線110的電流流向；而在驅動邏輯 輸入信號VIN的低電平期間確定信號線110到信號線100的電流流向。
7.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述相位補償模塊實現在 驅動邏輯輸入信號VIN從低跳變到高時，立即對信號線110進行快速電壓提升至功率器件 的開啟電壓。
8.如權利要求1所述一種斜率受控的驅動器，其特徵在於，所述功率器件的控制端與 第二切換開關以及相位補償模塊相連，其中信號線110為功率器件的輸入控制信號；所述 負載為驅動器的輸出負載器件。
全文摘要
本發明公開了一種斜率受控的驅動器，包括一個用於切換跨導運算放大器輸入的第一切換開關、一個用於檢測驅動器輸出與內部基準的誤差並將其轉化為電流的跨導運算放大器、一個用於切換跨導運算放大器輸出電流方向的第二切換開關、一個用於消除功率管死區的相位補償網絡、一個用於隔離驅動器輸出與內部節點的隔離網絡、一個功率輸出器件以及驅動器的負載。通過實時監測驅動器輸出端信號上升與下降的過程，調整跨導運放的輸出電流，精確控制了驅動輸出信號的上升斜率與下降斜率。所公開的相位補償技術，可以有效減小功率管的死區時間，使功率管輸出信號上升沿與下降沿相位保持一致。
文檔編號H03F3/45GK102082552SQ20101057293
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者劉佑寶, 吳龍勝, 汪西虎, 郭仲傑 申請人:中國航天科技集團公司第九研究院第七七一研究所