一種h半橋驅動電路的製作方法
2023-10-07 02:09:29 1
專利名稱：一種h半橋驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體集成電路技術領域，具體涉及ー種H橋驅動電路的設計。
背景技術：
H橋驅動電路是半導體集成電路領域內常用的一種驅動器，H橋驅動電路常用於直流電機驅動、EL燈驅動等場合。傳統H橋驅動電路的框圖如附圖I所示，橋壁上有4隻MOS管構成，Ml、M2是PMOS管，構成了上橋臂，M3、M4 一般是NMOS管構成了下橋臂，H橋定序模塊控制著4隻MOS管的導通與關閉，要使電路正常驅動負載，必須導通對角線上的ー對MOS管，根據不同MOS管對的導通情況，可以控制負載中電流的流向。 目前，在實際應用中，H橋的驅動能力一般是靠PWM(脈衝寬度調製)的方式進行調節，這種調節方式固然有效，但電路實現較為複雜。另外，在實際應用中為了防止上下橋臂管子的貫通，通常要求對驅動電路添加一定的死區時間，傳統的死區時間調節電路一般採用的是RC延時的方式實現，這種調節方式的死區時間由於溫度等因素的影響而不夠精確，且大電阻不便於集成。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有H橋驅動電路中存在的驅動能力調節不便的問題，提出了ー種H半橋驅動電路。本發明的技術方案是ー種H半橋驅動電路,具體包括一電流偏置模塊、一高壓可控開關、一高壓ニ極管組件、一死區時間調節模塊、一電平位移模塊、一反相器、第一 PMOS管、第一 NMOS管、第二 NMOS管，其中，所述電平位移模塊的輸入端、反相器的輸入端和死區時間調節模塊的輸入端連接在一起作為所述H半橋驅動電路的控制端；所述高壓ニ極管組件的正極端接外部的高壓直流電源，所述高壓ニ極管組件的負極端接所述第二 NMOS管的漏扱，所述第二 NMOS管的柵極接所述反相器的輸出端，所述第二NMOS管的源極接所述電流偏置模塊的第一輸出端，所述電流偏置模塊的第二輸出端接所述電平位移模塊的電流偏置端，所述高壓可控開關的第一端接外部的高壓直流電源，所述高壓可控開關的第二端接第二 NMOS管的漏扱，所述高壓可控開關的控制端接所述電平位移模塊的輸出端，所述電平位移模塊的電壓偏置端接外部的高壓直流電源，所述第一 PMOS管的源極接外部的高壓直流電源，所述第一 PMOS管的柵極接所述第二 NMOS管的漏扱，所述第一 PMOS管的漏極與第一 NMOS管的漏極相連接並作為所述H半橋驅動電路的輸出端，所述第一 NMOS管的源極接地，所述第一 NMOS管的柵極接所述死區時間調節模塊的輸出端。進ー步的，所述死區時間調節模塊電路包括ー恆流源、第一可控開關、第二可控開關、一電容兀件、第一反相器、第二反相器，其中，所述恆流源的第一端接外部的低壓直流電源，所述恆流源的第二端接所述第一可控開關的第一端，所述第一可控開關的第二端接所述第二可控開關的第一端、所述電容元件的第一端以及所述第一反相器的輸入端，所述第二可控開關的第二端接地，所述電容元件的第二端接地，所述第一反相器的輸出端接所述的第二反相器的輸入端，所述第二反相器的輸出端作為所述死區時間調節模塊的輸出端，所述第一可控開關的控制端和第二可控開關的控制端連接在一起並作為所述死區時間調節模塊的輸入端。本發 明的有益效果本發明的H半橋驅動電路採用一高壓ニ極管組件來鉗位控制H橋臂上PMOS管即第一 PMOS管的過驅動電壓，針對不同阻抗的負載，通過調節串聯高壓ニ極管組件中二極體的個數，從而比較方便地實現對H橋驅動電流的控制調節。本發明採用ー恆流源對ー電容元件充電升壓，產生較為精確的延時，從而實現對死區時間的精確調節。
圖I是傳統H橋驅動電路的框圖。圖2是本發明H半橋驅動電路的結構示意圖。圖3是本發明H半橋驅動電路中的死區時間調節模塊的結構示意圖。圖4是本發明H全橋驅動電路的結構示意圖。圖5是本發明H半橋驅動電路具體實施例的電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進ー步的說明本發明H半橋驅動電路的結構圖如圖2所示，具體包括一電流偏置模塊Iref、一高壓可控開K1、一高壓ニ極管組件D1、一死區時間調節模塊Dead Time、一電平位移模塊Level Shift、一反相器 NI、第一 PMOS 管 MP1、第一 NMOS 管 MNl、第二 NMOS 管 MN2，其中，電平位移模塊Level Shift的輸入端、反相器NI的輸入端和死區時間調節模塊Dead Time的輸入端連接在一起作為所述H半橋驅動電路的控制端；高壓ニ極管組件Dl的正極端接高壓直流電源HV，所述高壓ニ極管組件Dl的負極端接第二 NMOS管匪2的漏極，第二 NMOS管匪2的柵極接所述反相器NI的輸出端，第二 NMOS管匪2的源極接電流偏置模塊Iref的第一輸出端，電流偏置模塊Iref的第二輸出端接電平位移模塊Level Shift的電流偏置端，高壓可控開關Kl的第一端接外部的高壓直流電源HV,高壓可控開關Kl的第二端接第二 NMOS管MN2的漏扱，高壓可控開關Kl的控制端接電平位移模塊Level Shift的輸出端，電平位移模塊Level Shift的電壓偏置端接外部的高壓直流電源HV，第一 PMOS管MPl的源極接外部的高壓直流電源HV，第一 PMOS管MPl的柵極接所述第二 NMOS管MN2的漏極，第一 PMOS管MPl的漏極與第一 NMOS管MNl的漏極相連接並作為所述H半橋驅動電路的輸出端，第一 NMOS管麗I的源極接地，第一 NMOS管麗I的柵極接死區時間調節模塊Dead Time的輸出端。這裡的電流偏置模塊Iref用於為電路提供需要的電流偏置，死區時間調節模塊Dead Time用於精確控制電路的死區時間，防止橋臂上電流貫通，電平位移模塊LevelShift用於產生一個高壓的方波控制信號，來控制高壓可控開關。 H半橋驅動電路原理如下H半橋驅動電路控制端的方波信號為高時，第二NMOS管匪2截止，高壓可控開關Kl閉合，第一 PMOS管MPl截止，同時死區時間調節模塊的輸出端為高，第一 NMOS管匪I開啟，H半橋驅動電路的輸出端為低；H半橋驅動電路控制端的方波信號為低吋，第二 NMOS管MN2開啟，高壓可控開關Kl斷開，第一 PMOS管MPl開啟，同時死區時間調節模塊的輸出端為低，第二 NMOS管匪2截止，H半橋驅動電路的輸出端為高。圖3給出了死區時間調節模塊的一種實施方案，包括一恆流源II、第一可控開關K11、第二可控開關K12、一電容元件C、反相器N2、N3，其中，恆流源Il的第一端接外部的低壓直流電源VDD，恆流源Il的第二端接第一可控開關KlI的第一端，第一可控開關KlI的第二端接第二可控開關K12的第一端、電容元件C的第一端以及反相器N2的輸入端，第二可控開關K22的第二端接地，電容元件C的第二端接地，反相器N2的輸出端接反相器N3的輸入端，反相器N3的輸出端作為死區時間調節模塊的輸出端，第一可控開關Kll的控制端和第二可控開關K12的控制端連接在一起並作為所述死區時間調節模塊的輸入端。這裡的低壓直流電源中的「低壓」可以理解為不超過5V，這裡的高壓直流電源、高壓可控開關、高壓ニ極管組件中的「高壓」可以理解為電路中低壓直流電源兩倍以上的電壓值。本領域的技術人員應該意識到這裡的「高壓」和「低壓」含義是清楚的。 這裡的死區時間調節模塊的原理如下當H半橋驅動電路控制端的方波信號為高時，第一可控開關Kll閉合，第二可控開關K12斷開，由恆流源Il經過第一可控開關Kll對電容元件C進行充電，當電容元件C的第一端電壓達到反相器N2的翻轉電壓吋，反相器N2的輸出為低，反相器N3的輸出為高，死區時間調節模塊的輸出端為高；通過恆流源Il對電容元件C充電產生了一定時間的延時，進而產生了所需的死區時間。所述H半橋驅動電路控制端的方波信號為低時，第一可控開關Kll斷開，第二可控開關K12閉合，電容元件C通過可控開關K12快速放電，當電容元件C的第一端電壓達到反相器N2的翻轉電壓吋，反相器N2的輸出為高，反相器N3的輸出為低，死區時間調節模塊輸出端為低。圖4給出了採用本發明的H半橋驅動電路的H全橋驅動電路的結構示意圖，具體包括対稱的兩個所述H半橋驅動電路以及一反相器，所述兩個H半橋驅動電路ー個為左半橋驅動電路，另一個為右半橋驅動電路。所述左半橋驅動電路的控制端接一佔空比為50%頻率為f的方波信號，反相器的輸入端接所述左半橋驅動電路的控制端，所述反相器的輸出端接所述右半橋驅動電路的控制端。為了使本發明的H半橋驅動電路技術方案及優點更加清楚明白，下面結合圖5對本發明做進ー步的說明。圖5展示了本發明H半橋驅動電路的ー種具體實施例，該H半橋驅動電路包括高壓 MOS 管 M14-M18、MP1、MN1、MN2，低壓 MOS 管 M10-M13、M19,反相器 N1-N3，恆流源 II、12，電容元件C。圖中I2、M19、M10、M11構成電流偏置模塊的具體實施例之一，恆流源12輸入到NMOS管MlO的漏極，NMOS管M10、M11、M19構成電流鏡；圖中點線框中為所述電平位移模塊的具體實施例之一。這裡，高壓可控開關Kl通過PMOS管M17實現，具體的，PMOS管M17的源極作為高壓可控開關Kl的第一端，漏極作為高壓可控開關Kl的第二端，柵極作為高壓可控開關Kl的控制端，PMOS管M17的開啟與截止通過鏡像電流源控制M17的柵極電壓來實現。這裡，高壓ニ極管組件Dl由均是ニ極管接法的PMOS管M15、M16串接而成；具體的，PMOS管M15的源極作為高壓ニ極管組件Dl的正極端，PMOS管M15的柵極和漏極與PMOS管M16的源極相連接，PMOS管M16的柵極和漏極相連接作為負極端。
由於電路的驅動能力要求，本實施例中只串聯了 2個ニ極管連接形式的PMOS管，需要說明的是用高壓的MOS管來實現ニ極管只是ー種方式，也可以生產其它高壓的ニ極管。圖中虛線框中為死區時間調節模塊，恆流源Il為所述恆流源，第一可控開關Kll由NMOS管Ml2實現，所述第二可控開關Kl2由PMOS管Ml3實現，具體的，NMOS管Ml2的漏極作為第一可控開關Kll的第一端，NMOS管M12的源極作為第一可控開關Kll的第二端，NMOS管M12的柵極作為第一可控開關Kll的控制端；PM0S管M13的源極作為第二可控開關K12的第一端，PMOS管M13的漏極作為第二可控開關K12的第二端，PMOS管M13的柵極作為第二可控開關K12的控制端。M12、M13的柵極接輸入方波信號Vi以控制管子的開啟與截止；具體連接方式可見附圖5。設定低壓直流電源VDD的值為5V，高壓直流電源HV的值為90V，H半橋驅動電路控制端方波信號的最小值為0V，最大值為5V。 電路具體工作原理如下當H半橋驅動電路控制端方波信號Vi為低吋，NMOS管M14截止，M14管所在的恆流源12的鏡像電流通路消失，PMOS管M17截止，同時反相器NI的輸出為高電平，NMOS管麗3開啟，此時高壓直流電源HV經過PMOS管M15、M16以及NMOS管麗2、M11到地形成通路，通路的電流也是12的鏡像電流，PMOS管MPl的柵極電壓被鉗位在(HV-2Vgs)，其中，Vgs為M15、M16的柵源電壓，PMOS管MPl開啟，同時NMOS管M12截止，PMOS管M13開啟，電容C電經過M13快速放電，N3輸出為低電平，NMOS管匪I截止，H半橋的輸出為高電平，該高電平的值接近於HV。當方波信號Vi為高吋，NMOS管M14開啟，恆流源12的鏡像電流經過NMOS管M14、M19以及PMOS管M18形成通路，PMOS管M17開啟，同時反相器NI輸出為低，NMOS管匪2截止，高壓直流電源HV經過PMOS管M17對PMOS管MPl的柵極的寄生電容快速充電，充電過程是起始由於MPl管的柵極電壓被鉗位在HV-2Vgs，故M17管處於飽和區，故此時充電電流基本恆定，隨著MPl管的柵極電壓升高，M17進入線性區，此時充電過程類似於RC充電，由於寄生電容容值較小，所以MPl的柵極電壓很快就可到達HV，PMOS管MPl截止。同時，NMOS管M12開啟，PMOS管M13截止，恆流源Il對電容C充電，當電壓達到反相器N2的翻轉電壓Vth時，反相器N2的輸出為低電平，反相器N3的輸出為高電平，NMOS管麗I開啟，H半橋的輸出端為低電平。此處死區時間調節模塊對方波信號Vi上升沿的延時可精確的計算，為Td=C*VTH/Il，式中，C是電容的容值，Vth是反相器N2的翻轉電平，I1是恆流源Il的電流值。通過改變恆流源Il的大小以及電容C的大小可以調節延遲時間。假定從方波信號Vi的上升沿開始，到PMOS管MPl截止的延時時間為Tl，則電路實現的死區時間Tdead為Tdead=Td-Tl=OVI1-Tlt5根據對Vi為低電平時電路工作原理的分析，Tl時間很短，忽略Tl時間的延時有Tdead=C*VTH/Il。通過上述分析可以看出，本發明的H半橋驅動電路達到了兩個技術優點第一、利用高壓ニ極管組件對高壓PMOS管進行鉗位，通過改變ニ極管串接數量可調節橋臂驅動電流，從而達到方便調節H橋驅動能力的要求；第二、本發明的死區時間調節模塊利用恆流源為電容充電的延時，可做到精確控制電路所需要的死區時間。
本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本 發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種H半橋驅動電路，具體包括一電流偏置模塊、一高壓可控開關、一高壓二極體組件、一死區時間調節模塊、一電平位移模塊、一反相器、第一 PMOS管、第一 NMOS管、第二NMOS管，其中， 所述電平位移模塊的輸入端、反相器的輸入端和死區時間調節模塊的輸入端連接在一起作為所述H半橋驅動電路的控制端； 所述高壓二極體組件的正極端接外部的高壓直流電源，所述高壓二極體組件的負極端接所述第二 NMOS管的漏極，所述第二 NMOS管的柵極接所述反相器的輸出端，所述第二 NMOS管的源極接所述電流偏置模塊的第一輸出端，所述電流偏置模塊的第二輸出端接所述電平位移模塊的電流偏置端，所述高壓可控開關的第一端接外部的高壓直流電源，所述高壓可控開關的第二端接第二 NMOS管的漏極，所述高壓可控開關的控制端接所述電平位移模塊的輸出端，所述電平位移模塊的電壓偏置端接外部的高壓直流電源，所述第一 PMOS管的源極接外部的高壓直流電源，所述第一 PMOS管的柵極接所述第二 NMOS管的漏極，所述第一PMOS管的漏極與第一 NMOS管的漏極相連接並作為所述H半橋驅動電路的輸出端，所述第一NMOS管的源極接地，所述第一 NMOS管的柵極接所述死區時間調節模塊的輸出端。
2.根據權利要求I所述的H半橋驅動電路，其特徵在於，所述死區時間調節模塊電路包括一恆流源、第一可控開關、第二可控開關、一電容元件、第一反相器、第二反相器，其中， 所述恆流源的第一端接外部的低壓直流電源，所述恆流源的第二端接所述第一可控開關的第一端，所述第一可控開關的第二端接所述第二可控開關的第一端、所述電容元件的第一端以及所述第一反相器的輸入端，所述第二可控開關的第二端接地，所述電容元件的第二端接地，所述第一反相器的輸出端接所述的第二反相器的輸入端，所述第二反相器的輸出端作為所述死區時間調節模塊的輸出端，所述第一可控開關的控制端和第二可控開關的控制端連接在一起並作為所述死區時間調節模塊的輸入端。
3.根據權利要求I所述的H半橋驅動電路，其特徵在於，所述的高壓可控開關通過一PMOS管實現，具體的，所述PMOS管的源極作為高壓可控開關的第一端，漏極作為高壓可控開關的第二端，柵極作為高壓可控開關的控制端。
4.根據權利要求I或3所述的H半橋驅動電路，其特徵在於，所述的高壓二極體組件由均是二極體接法的兩個PMOS管串接而成；具體的，第一個PMOS管的源極作為所述高壓二極體組件的正極端，第一個PMOS管的柵極和漏極與第二個PMOS管的源極相連接，第二個PMOS管的柵極和漏極相連接作為所述高壓二極體組件的負極端。
5.根據權利要求2所述的H半橋驅動電路，其特徵在於，第一可控開關具體為一NMOS管，所述NMOS管的漏極作為第一可控開關的第一端，所述NMOS管的源極作為第一可控開關的第二端，所述NMOS管的柵極作為第一可控開關的控制端。
6.根據權利要求2或5所述的H半橋驅動電路，其特徵在於，第二可控開關具體為一 PMOS管，所述PMOS管的源極作為第二可控開關的第一端，所述PMOS管的漏極作為第二可控開關的第二端，所述PMOS管的柵極作為第二可控開關的控制端。
全文摘要
本發明公開了一種H半橋驅動電路，具體包括一電流偏置模塊、一高壓可控開關、一高壓二極體組件、一死區時間調節模塊、一電平位移模塊、一反相器、第一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管。本發明的H半橋驅動電路採用一高壓二極體組件來鉗位控制H橋臂上PMOS管即第一PMOS管的過驅動電壓，針對不同阻抗的負載，通過調節串聯高壓二極體組件中二極體的個數，從而比較方便地實現對H橋驅動電流的控制調節。本發明採用一恆流源對一電容元件充電升壓，產生較為精確的延時，從而實現對死區時間的精確調節。
文檔編號H02M7/537GK102801290SQ20121029128
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月16日 優先權日2012年8月16日
發明者方健, 潘福躍, 王賀龍, 黃帥 申請人:電子科技大學