专利名称：一种h半桥驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及ー种H桥驱动电路的设计。
背景技术：
H桥驱动电路是半导体集成电路领域内常用的一种驱动器，H桥驱动电路常用于直流电机驱动、EL灯驱动等场合。传统H桥驱动电路的框图如附图I所示，桥壁上有4只MOS管构成，Ml、M2是PMOS管，构成了上桥臂，M3、M4 一般是NMOS管构成了下桥臂，H桥定序模块控制着4只MOS管的导通与关闭，要使电路正常驱动负载，必须导通对角线上的ー对MOS管，根据不同MOS管对的导通情况，可以控制负载中电流的流向。 目前，在实际应用中，H桥的驱动能力一般是靠PWM(脉冲宽度调制)的方式进行调节，这种调节方式固然有效，但电路实现较为复杂。另外，在实际应用中为了防止上下桥臂管子的贯通，通常要求对驱动电路添加一定的死区时间，传统的死区时间调节电路一般采用的是RC延时的方式实现，这种调节方式的死区时间由于温度等因素的影响而不够精确，且大电阻不便于集成。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有H桥驱动电路中存在的驱动能力调节不便的问题，提出了ー种H半桥驱动电路。本发明的技术方案是ー种H半桥驱动电路,具体包括一电流偏置模块、一高压可控开关、一高压ニ极管组件、一死区时间调节模块、一电平位移模块、一反相器、第一 PMOS管、第一 NMOS管、第二 NMOS管，其中，所述电平位移模块的输入端、反相器的输入端和死区时间调节模块的输入端连接在一起作为所述H半桥驱动电路的控制端；所述高压ニ极管组件的正极端接外部的高压直流电源，所述高压ニ极管组件的负极端接所述第二 NMOS管的漏扱，所述第二 NMOS管的栅极接所述反相器的输出端，所述第二NMOS管的源极接所述电流偏置模块的第一输出端，所述电流偏置模块的第二输出端接所述电平位移模块的电流偏置端，所述高压可控开关的第一端接外部的高压直流电源，所述高压可控开关的第二端接第二 NMOS管的漏扱，所述高压可控开关的控制端接所述电平位移模块的输出端，所述电平位移模块的电压偏置端接外部的高压直流电源，所述第一 PMOS管的源极接外部的高压直流电源，所述第一 PMOS管的栅极接所述第二 NMOS管的漏扱，所述第一 PMOS管的漏极与第一 NMOS管的漏极相连接并作为所述H半桥驱动电路的输出端，所述第一 NMOS管的源极接地，所述第一 NMOS管的栅极接所述死区时间调节模块的输出端。进ー步的，所述死区时间调节模块电路包括ー恒流源、第一可控开关、第二可控开关、一电容兀件、第一反相器、第二反相器，其中，所述恒流源的第一端接外部的低压直流电源，所述恒流源的第二端接所述第一可控开关的第一端，所述第一可控开关的第二端接所述第二可控开关的第一端、所述电容元件的第一端以及所述第一反相器的输入端，所述第二可控开关的第二端接地，所述电容元件的第二端接地，所述第一反相器的输出端接所述的第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端作为所述死区时间调节模块的输出端，所述第一可控开关的控制端和第二可控开关的控制端连接在一起并作为所述死区时间调节模块的输入端。本发 明的有益效果本发明的H半桥驱动电路采用一高压ニ极管组件来钳位控制H桥臂上PMOS管即第一 PMOS管的过驱动电压，针对不同阻抗的负载，通过调节串联高压ニ极管组件中二极管的个数，从而比较方便地实现对H桥驱动电流的控制调节。本发明采用ー恒流源对ー电容元件充电升压，产生较为精确的延时，从而实现对死区时间的精确调节。
图I是传统H桥驱动电路的框图。图2是本发明H半桥驱动电路的结构示意图。图3是本发明H半桥驱动电路中的死区时间调节模块的结构示意图。图4是本发明H全桥驱动电路的结构示意图。图5是本发明H半桥驱动电路具体实施例的电路图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进ー步的说明本发明H半桥驱动电路的结构图如图2所示，具体包括一电流偏置模块Iref、一高压可控开K1、一高压ニ极管组件D1、一死区时间调节模块Dead Time、一电平位移模块Level Shift、一反相器 NI、第一 PMOS 管 MP1、第一 NMOS 管 MNl、第二 NMOS 管 MN2，其中，电平位移模块Level Shift的输入端、反相器NI的输入端和死区时间调节模块Dead Time的输入端连接在一起作为所述H半桥驱动电路的控制端；高压ニ极管组件Dl的正极端接高压直流电源HV，所述高压ニ极管组件Dl的负极端接第二 NMOS管匪2的漏极，第二 NMOS管匪2的栅极接所述反相器NI的输出端，第二 NMOS管匪2的源极接电流偏置模块Iref的第一输出端，电流偏置模块Iref的第二输出端接电平位移模块Level Shift的电流偏置端，高压可控开关Kl的第一端接外部的高压直流电源HV,高压可控开关Kl的第二端接第二 NMOS管MN2的漏扱，高压可控开关Kl的控制端接电平位移模块Level Shift的输出端，电平位移模块Level Shift的电压偏置端接外部的高压直流电源HV，第一 PMOS管MPl的源极接外部的高压直流电源HV，第一 PMOS管MPl的栅极接所述第二 NMOS管MN2的漏极，第一 PMOS管MPl的漏极与第一 NMOS管MNl的漏极相连接并作为所述H半桥驱动电路的输出端，第一 NMOS管丽I的源极接地，第一 NMOS管丽I的栅极接死区时间调节模块Dead Time的输出端。这里的电流偏置模块Iref用于为电路提供需要的电流偏置，死区时间调节模块Dead Time用于精确控制电路的死区时间，防止桥臂上电流贯通，电平位移模块LevelShift用于产生一个高压的方波控制信号，来控制高压可控开关。 H半桥驱动电路原理如下H半桥驱动电路控制端的方波信号为高时，第二NMOS管匪2截止，高压可控开关Kl闭合，第一 PMOS管MPl截止，同时死区时间调节模块的输出端为高，第一 NMOS管匪I开启，H半桥驱动电路的输出端为低；H半桥驱动电路控制端的方波信号为低吋，第二 NMOS管MN2开启，高压可控开关Kl断开，第一 PMOS管MPl开启，同时死区时间调节模块的输出端为低，第二 NMOS管匪2截止，H半桥驱动电路的输出端为高。图3给出了死区时间调节模块的一种实施方案，包括一恒流源II、第一可控开关K11、第二可控开关K12、一电容元件C、反相器N2、N3，其中，恒流源Il的第一端接外部的低压直流电源VDD，恒流源Il的第二端接第一可控开关KlI的第一端，第一可控开关KlI的第二端接第二可控开关K12的第一端、电容元件C的第一端以及反相器N2的输入端，第二可控开关K22的第二端接地，电容元件C的第二端接地，反相器N2的输出端接反相器N3的输入端，反相器N3的输出端作为死区时间调节模块的输出端，第一可控开关Kll的控制端和第二可控开关K12的控制端连接在一起并作为所述死区时间调节模块的输入端。这里的低压直流电源中的“低压”可以理解为不超过5V，这里的高压直流电源、高压可控开关、高压ニ极管组件中的“高压”可以理解为电路中低压直流电源两倍以上的电压值。本领域的技术人员应该意识到这里的“高压”和“低压”含义是清楚的。 这里的死区时间调节模块的原理如下当H半桥驱动电路控制端的方波信号为高时，第一可控开关Kll闭合，第二可控开关K12断开，由恒流源Il经过第一可控开关Kll对电容元件C进行充电，当电容元件C的第一端电压达到反相器N2的翻转电压吋，反相器N2的输出为低，反相器N3的输出为高，死区时间调节模块的输出端为高；通过恒流源Il对电容元件C充电产生了一定时间的延时，进而产生了所需的死区时间。所述H半桥驱动电路控制端的方波信号为低时，第一可控开关Kll断开，第二可控开关K12闭合，电容元件C通过可控开关K12快速放电，当电容元件C的第一端电压达到反相器N2的翻转电压吋，反相器N2的输出为高，反相器N3的输出为低，死区时间调节模块输出端为低。图4给出了采用本发明的H半桥驱动电路的H全桥驱动电路的结构示意图，具体包括対称的两个所述H半桥驱动电路以及一反相器，所述两个H半桥驱动电路ー个为左半桥驱动电路，另一个为右半桥驱动电路。所述左半桥驱动电路的控制端接一占空比为50%频率为f的方波信号，反相器的输入端接所述左半桥驱动电路的控制端，所述反相器的输出端接所述右半桥驱动电路的控制端。为了使本发明的H半桥驱动电路技术方案及优点更加清楚明白，下面结合图5对本发明做进ー步的说明。图5展示了本发明H半桥驱动电路的ー种具体实施例，该H半桥驱动电路包括高压 MOS 管 M14-M18、MP1、MN1、MN2，低压 MOS 管 M10-M13、M19,反相器 N1-N3，恒流源 II、12，电容元件C。图中I2、M19、M10、M11构成电流偏置模块的具体实施例之一，恒流源12输入到NMOS管MlO的漏极，NMOS管M10、M11、M19构成电流镜；图中点线框中为所述电平位移模块的具体实施例之一。这里，高压可控开关Kl通过PMOS管M17实现，具体的，PMOS管M17的源极作为高压可控开关Kl的第一端，漏极作为高压可控开关Kl的第二端，栅极作为高压可控开关Kl的控制端，PMOS管M17的开启与截止通过镜像电流源控制M17的栅极电压来实现。这里，高压ニ极管组件Dl由均是ニ极管接法的PMOS管M15、M16串接而成；具体的，PMOS管M15的源极作为高压ニ极管组件Dl的正极端，PMOS管M15的栅极和漏极与PMOS管M16的源极相连接，PMOS管M16的栅极和漏极相连接作为负极端。
由于电路的驱动能力要求，本实施例中只串联了 2个ニ极管连接形式的PMOS管，需要说明的是用高压的MOS管来实现ニ极管只是ー种方式，也可以生产其它高压的ニ极管。图中虚线框中为死区时间调节模块，恒流源Il为所述恒流源，第一可控开关Kll由NMOS管Ml2实现，所述第二可控开关Kl2由PMOS管Ml3实现，具体的，NMOS管Ml2的漏极作为第一可控开关Kll的第一端，NMOS管M12的源极作为第一可控开关Kll的第二端，NMOS管M12的栅极作为第一可控开关Kll的控制端；PM0S管M13的源极作为第二可控开关K12的第一端，PMOS管M13的漏极作为第二可控开关K12的第二端，PMOS管M13的栅极作为第二可控开关K12的控制端。M12、M13的栅极接输入方波信号Vi以控制管子的开启与截止；具体连接方式可见附图5。设定低压直流电源VDD的值为5V，高压直流电源HV的值为90V，H半桥驱动电路控制端方波信号的最小值为0V，最大值为5V。 电路具体工作原理如下当H半桥驱动电路控制端方波信号Vi为低吋，NMOS管M14截止，M14管所在的恒流源12的镜像电流通路消失，PMOS管M17截止，同时反相器NI的输出为高电平，NMOS管丽3开启，此时高压直流电源HV经过PMOS管M15、M16以及NMOS管丽2、M11到地形成通路，通路的电流也是12的镜像电流，PMOS管MPl的栅极电压被钳位在(HV-2Vgs)，其中，Vgs为M15、M16的栅源电压，PMOS管MPl开启，同时NMOS管M12截止，PMOS管M13开启，电容C电经过M13快速放电，N3输出为低电平，NMOS管匪I截止，H半桥的输出为高电平，该高电平的值接近于HV。当方波信号Vi为高吋，NMOS管M14开启，恒流源12的镜像电流经过NMOS管M14、M19以及PMOS管M18形成通路，PMOS管M17开启，同时反相器NI输出为低，NMOS管匪2截止，高压直流电源HV经过PMOS管M17对PMOS管MPl的栅极的寄生电容快速充电，充电过程是起始由于MPl管的栅极电压被钳位在HV-2Vgs，故M17管处于饱和区，故此时充电电流基本恒定，随着MPl管的栅极电压升高，M17进入线性区，此时充电过程类似于RC充电，由于寄生电容容值较小，所以MPl的栅极电压很快就可到达HV，PMOS管MPl截止。同时，NMOS管M12开启，PMOS管M13截止，恒流源Il对电容C充电，当电压达到反相器N2的翻转电压Vth时，反相器N2的输出为低电平，反相器N3的输出为高电平，NMOS管丽I开启，H半桥的输出端为低电平。此处死区时间调节模块对方波信号Vi上升沿的延时可精确的计算，为Td=C*VTH/Il，式中，C是电容的容值，Vth是反相器N2的翻转电平，I1是恒流源Il的电流值。通过改变恒流源Il的大小以及电容C的大小可以调节延迟时间。假定从方波信号Vi的上升沿开始，到PMOS管MPl截止的延时时间为Tl，则电路实现的死区时间Tdead为Tdead=Td-Tl=OVI1-Tlt5根据对Vi为低电平时电路工作原理的分析，Tl时间很短，忽略Tl时间的延时有Tdead=C*VTH/Il。通过上述分析可以看出，本发明的H半桥驱动电路达到了两个技术优点第一、利用高压ニ极管组件对高压PMOS管进行钳位，通过改变ニ极管串接数量可调节桥臂驱动电流，从而达到方便调节H桥驱动能力的要求；第二、本发明的死区时间调节模块利用恒流源为电容充电的延时，可做到精确控制电路所需要的死区时间。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本 发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种H半桥驱动电路，具体包括一电流偏置模块、一高压可控开关、一高压二极管组件、一死区时间调节模块、一电平位移模块、一反相器、第一 PMOS管、第一 NMOS管、第二NMOS管，其中， 所述电平位移模块的输入端、反相器的输入端和死区时间调节模块的输入端连接在一起作为所述H半桥驱动电路的控制端； 所述高压二极管组件的正极端接外部的高压直流电源，所述高压二极管组件的负极端接所述第二 NMOS管的漏极，所述第二 NMOS管的栅极接所述反相器的输出端，所述第二 NMOS管的源极接所述电流偏置模块的第一输出端，所述电流偏置模块的第二输出端接所述电平位移模块的电流偏置端，所述高压可控开关的第一端接外部的高压直流电源，所述高压可控开关的第二端接第二 NMOS管的漏极，所述高压可控开关的控制端接所述电平位移模块的输出端，所述电平位移模块的电压偏置端接外部的高压直流电源，所述第一 PMOS管的源极接外部的高压直流电源，所述第一 PMOS管的栅极接所述第二 NMOS管的漏极，所述第一PMOS管的漏极与第一 NMOS管的漏极相连接并作为所述H半桥驱动电路的输出端，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一 NMOS管的栅极接所述死区时间调节模块的输出端。
2.根据权利要求I所述的H半桥驱动电路，其特征在于，所述死区时间调节模块电路包括一恒流源、第一可控开关、第二可控开关、一电容元件、第一反相器、第二反相器，其中， 所述恒流源的第一端接外部的低压直流电源，所述恒流源的第二端接所述第一可控开关的第一端，所述第一可控开关的第二端接所述第二可控开关的第一端、所述电容元件的第一端以及所述第一反相器的输入端，所述第二可控开关的第二端接地，所述电容元件的第二端接地，所述第一反相器的输出端接所述的第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端作为所述死区时间调节模块的输出端，所述第一可控开关的控制端和第二可控开关的控制端连接在一起并作为所述死区时间调节模块的输入端。
3.根据权利要求I所述的H半桥驱动电路，其特征在于，所述的高压可控开关通过一PMOS管实现，具体的，所述PMOS管的源极作为高压可控开关的第一端，漏极作为高压可控开关的第二端，栅极作为高压可控开关的控制端。
4.根据权利要求I或3所述的H半桥驱动电路，其特征在于，所述的高压二极管组件由均是二极管接法的两个PMOS管串接而成；具体的，第一个PMOS管的源极作为所述高压二极管组件的正极端，第一个PMOS管的栅极和漏极与第二个PMOS管的源极相连接，第二个PMOS管的栅极和漏极相连接作为所述高压二极管组件的负极端。
5.根据权利要求2所述的H半桥驱动电路，其特征在于，第一可控开关具体为一NMOS管，所述NMOS管的漏极作为第一可控开关的第一端，所述NMOS管的源极作为第一可控开关的第二端，所述NMOS管的栅极作为第一可控开关的控制端。
6.根据权利要求2或5所述的H半桥驱动电路，其特征在于，第二可控开关具体为一 PMOS管，所述PMOS管的源极作为第二可控开关的第一端，所述PMOS管的漏极作为第二可控开关的第二端，所述PMOS管的栅极作为第二可控开关的控制端。
全文摘要
本发明公开了一种H半桥驱动电路，具体包括一电流偏置模块、一高压可控开关、一高压二极管组件、一死区时间调节模块、一电平位移模块、一反相器、第一PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管。本发明的H半桥驱动电路采用一高压二极管组件来钳位控制H桥臂上PMOS管即第一PMOS管的过驱动电压，针对不同阻抗的负载，通过调节串联高压二极管组件中二极管的个数，从而比较方便地实现对H桥驱动电流的控制调节。本发明采用一恒流源对一电容元件充电升压，产生较为精确的延时，从而实现对死区时间的精确调节。
文档编号H02M7/537GK102801290SQ20121029128
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者方健, 潘福跃, 王贺龙, 黄帅 申请人:电子科技大学