一种组合功率管驱动电路、方法和电源装置与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种组合功率管驱动电路、方法，以及采用了所述组合功率管驱动电路，或方法的电源装置。


背景技术：

2.图1为现有的一种组合功率管驱动电路，所述组合功率管驱动电路具有一组合功率管模块，其具有一高侧功率管mh和一低侧功率管ml串联连接，且具有第二端与地电耦接，第一端通过一电阻r1和二极管d1与所述高侧功率管mh控制端电耦接的供电电容vcc(为了描述方便，电容第二端名字和电容名字等同)，低侧功率管ml的控制端与一反相器级联的低侧驱动电路输出端耦接，所述低侧驱动电路输入端与一开关控制信号pwm电耦接。在通常的配置中，所述组合功率管模块的低侧功率管ml为一低耐压功率管，高侧功率管mh为一高耐压功率管，高侧功率管的输入端drain为组合功率管模块的外部输入端，与外部电感或电压源耦接，低侧功率管的输出端source为组合功率管模块的输出端，与外部负载或电感耦接；高侧功率管mh的输出端与低侧功率管ml的输入端连接。
3.当所述开关控制信号pwm为低电平时，低侧功率管ml的控制端信号保持为低电平，低侧功率管ml断开，由于没有电流流过二极管d1和电阻r1，所以高侧功率管mh的控制端信号保持为vcc供电电容上的电压vcc，由于低侧功率管ml断开，所以高侧功率管mh输出端电压被二极管d2钳位到vcc电压，高侧功率管mh也保持断开；
4.当所述开关控制信号pwm为从低电平变成高电平时，低侧功率管ml的控制端信号也从低电平变成高电平，低侧功率管ml导通，低侧功率管ml的输入端电压接近输出端电压，vcc供电电容将通过电阻r1对高侧功率管mh的寄生栅极电容cgs充电，由于电阻r1的限流作用，vcc电容给所述栅极电容cgs的充电电流受到电阻r1的控制，所以高侧功率管mh会缓慢导通，可以确保高侧功率管mh比低侧功率管ml后导通，低侧功率管ml的输入端就不会承受高电压而发生功率管损坏，相反，如果高侧功率管mh的驱动没有电阻r1限流，高侧功率管有可能会先于低侧功率管ml导通，低侧功率管将承受高侧功率管输入端的高电压，由于低侧功率管为低耐压功率管，所以低侧功率管会发生损坏；在高侧功率管导通的过程中，vcc供电电容上的电荷通过充电电流，转移到高侧功率管的栅极寄生电容cgs中。
5.当所述开关控制信号pwm为从高电平变成低电平时，低侧功率管ml的控制端信号也从高电平变成低电平，低侧功率管ml断开，低侧功率管ml的输入端电压将快速升高，并且被二极管d2和d1钳位到最高比vcc电压高两个二极管导通电压的电位，同时高侧功率管mh的vgs电压变成负压，高侧功率管mh会快速断开，由于高侧功率管cgs电容放电电流通过二极管d1通路，不经过电阻r1，所以放电速度非常快，可以确保高侧功率管mh快速断开，确保了低侧功率管不会被高侧功率管输入端的高压损坏。在高侧功率管断开的过程中，高侧功率管的栅极寄生电容cgs的电荷通过放电电流转移回到vcc供电电容上，所以这种组合功率管驱动电路中，高侧功率管栅极电容cgs的充放电并没有损失任何电荷，等同于这种组合功率管驱动电路中，高侧功率管只有导通损耗，没有开关损耗。实际应用中，可以确保低侧功
率管ml的导通损耗和开关损耗总和小于高侧功率管mh的开关损耗，因此这种组合功率管驱动电路得到了广泛的现实应用。
6.现有组合功率管驱动电路存在的缺点是，在现实实际应用中，由于集成电路平面工艺上很难实现理想的二极管，比如d1，所以只能采用寄生的二极管代替，比如mos管的寄生漏极/衬底二极管，这种非理想二极管在正向导通电流时，非常容易误触发寄生的pnp三极管导通，从而使得芯片发生latch-up(闩锁效应)而损坏芯片。对于更大功率管的应用中，为了防止二极管d1正向导通电流发生latch-up，往往会把二极管d1外置于芯片外部，这也会增加芯片应用的成本，降低芯片的可靠性。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种组合功率管驱动电路、方法，以及采用了所述组合功率管驱动电路或方法的电源装置。
8.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，具有第二端与地电耦接的供电电容，应用于驱动具有一高侧功率管和一低侧功率管串联连接的组合功率管模块，包括：一高侧驱动模块，至少具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中，第一输入端与一开关控制信号电耦接，第二输入端与所述供电电容的第一端电耦接，输出端与所述组合功率管模块的高侧功率管控制端电耦接；一低侧驱动模块，至少具有输入端和输出端，其中，输入端与所述开关控制信号电耦接，输出端与所述组合功率管模块的低侧功率管控制端电耦接；所述开关控制信号通过所述组合功率管驱动电路，控制所述组合功率管模块导通和断开。
9.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所驱动的组合功率管模块，包括：一高侧功率管，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端为所述组合功率管模块的外部漏端，控制端与所述高侧驱动模块输出端电耦接；一低侧功率管，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述高侧功率管的输出端电耦接，控制端与所述低侧驱动模块输出端电耦接，输出端为所述组合功率管模块的外部源端。
10.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所述高侧驱动模块，包括：一导通控制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中，第一输入端与一开关控制信号电耦接，第二输入端与所述供电电容的第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管控制端电耦接；所述导通控制模块在所述开关控制信号高电平期间，通过受控电流对所述高侧功率管的寄生栅极电容进行受控充电，使得所述高侧功率管慢速开启；一断开控制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中，第一输入端与一开关控制信号电耦接，第二输入端与所述供电电容的第一端电耦接，输出端与所述组合功率管模块的高侧功率管控制端电耦接；所述断开控制模块在所述开关控制信号低电平期间，通过mos管沟道电流对所述高侧功率管的寄生栅极电容进行快速放电，使得所述高侧功率管快速断开。
11.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所述导通控制模块，包括：一开关控制电流源，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述开关控制信号电耦接，第二输入端与所述供电电容第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管控制端电耦接，在所述开关控制信号高电平期间，所述开关控制电流源输出一受控电流对所述高侧功率管的寄生栅极电容进行受控充电，使得所述高侧功率管慢速开启。
12.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所述开关控制电流源，包括：第
一开关，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述所述供电电容第一端电耦接，控制端与所述开关控制信号电耦接；一电流源，具有输入端和输出端，其中，输入端与所述第一开关输出端电耦接，输出端与所述高侧功率管控制端电耦接。
13.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所述断开控制模块，包括：第二开关，所述第二开关为一n型mos管，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述供电电容第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管控制端电耦接，控制端与第一反相器输出端电耦接，所述反相器输入端与所述开关控制信号电耦接；所述第二开关在所述开关控制信号为低电平时导通，所述高侧功率管的寄生栅极电容通过所述n型mos管的沟道进行快速放电，使得所述高侧功率管快速断开。
14.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所述断开控制模块，包括：第二开关，所述第二开关为一p型mos管，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述供电电容第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管控制端电耦接，控制端与所述开关控制信号电耦接；所述第二开关在所述开关控制信号为低电平时导通，所述高侧功率管的寄生栅极电容通过所述p型mos管的沟道进行快速放电，使得所述高侧功率管快速断开。
15.一种组合功率管驱动方法，包括：在开关控制信号高电平期间，高侧功率管栅极电容通过受控电流进行充电，使得高侧功率管慢速开启；在开关控制信号低电平期间，高侧功率管栅极电容通过mos管沟道电流进行快速放电，使得高侧功率管快速断开。
16.一种组合功率管驱动方法，包括：在开关控制信号高电平期间，供电电容电荷通过受控充电电流慢速转移到高侧功率管栅极电容，使得高侧功率管慢速导通；在控制信号低电平期间，高侧功率管栅极电容电荷通过mos管沟道电流快速转移到供电电容，实现供电电容的电荷回收，同时使得高侧功率管快速断开。
17.根据本发明一实施例的一种电源装置，包括有所述的任一种组合功率管驱动电路或采用了所述的组合功率管驱动方法。
18.本发明所提出的组合功率管驱动电路，通过采用受控的电流源对所述高侧功率管栅极电容进行充电，以及采用mos管的沟道去导通高侧功率管栅极电容的放电电流，实现了高侧功率管慢开启，快关断的控制方式，同时克服了由于非理想二极管正向导通电流容易误触发latc-up带来的影响，提升了系统的可靠性。
附图说明
19.图1所示为现有组合功率管驱动电路示意图；
20.图2a所示为本发明一实施例的一组合功率管驱动电路示意图；
21.图2b所示为本发明一实施例的另一组合功率管驱动电路示意图；
22.图2c所示为本发明一实施例的再一组合功率管驱动电路示意图；
23.图3所示为本发明一实施例的典型工作波形图；
24.图4为根据本发明一实施例的组合功率管驱动方法流程图；
25.图5为根据本发明一实施例的另一组合功率管驱动方法流程图。
具体实施方式
26.下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例
说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
27.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
28.图2a所示为根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路20的示意图，具有第二端与地电耦接的供电电容230，应用于驱动具有一高侧功率管110和一低侧功率管120串联连接的组合功率管模块10，所述组合功率管驱动电路20包括：一高侧驱动模块250，至少具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中，第一输入端与一开关控制信号pwm电耦接，第二输入端与所述供电电容vcc的第一端电耦接，输出端pwmh与所述组合功率管模块10的高侧功率管110控制端电耦接；一低侧驱动模块240，至少具有输入端和输出端，其中，输入端与所述开关控制信号pwm电耦接，输出端pwml与所述组合功率管模块10的低侧功率管120控制端电耦接；所述开关控制信号pwm通过所述组合功率管驱动电路20，控制所述组合功率管模块10导通和断开。
29.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路30，如图2b所示，所述高侧驱动模块350，包括：一导通控制模块351，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中，第一输入端与一开关控制信号pwm电耦接，第二输入端与所述供电电容vcc的第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管110控制端电耦接；所述导通控制模块351在所述开关控制信号pwm高电平期间，通过受控电流对所述高侧功率管110的寄生栅极电容130进行受控充电，使得所述高侧功率管110慢速开启；一断开控制模块352，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中，第一输入端与一开关控制信号pwm电耦接，第二输入端与所述供电电容vcc的第一端电耦接，输出端与所述组合功率管模块10的高侧功率管110控制端电耦接；所述断开控制模块352在所述开关控制信号pwm低电平期间，通过mos管沟道电流对所述高侧功率管110的寄生栅极电容130进行快速放电，使得所述高侧功率管110快速断开。
30.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，所述导通控制模块351，包括：一开关控制电流源，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述开关控制信号pwm电耦接，第二输入端与所述供电电容vcc第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管110控制端电耦接，在所述开关控制信号pwm高电平期间，所述开关控制电流源输出一受控电流对所述高侧功率管110的寄生栅极电容进行受控充电，使得所述高侧功率管110慢速开启。
31.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路450，如图2c所示，所述开关控制
电流源，包括：第一开关452，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述所述供电电容vcc第一端电耦接，控制端与所述开关控制信号pwm电耦接；一电流源451，具有输入端和输出端，其中输入端与所述第一开关452输出端电耦接，输出端与所述高侧功率管110控制端电耦接。
32.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路450，如图2c所示，所述断开控制模块352，包括：第二开关453，所述第二开关为一n型mos管(金属氧化物半导体场效应管)，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述供电电容230第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管110控制端电耦接，控制端与第一反相器454输出端电耦接，所述反相器454输入端与所述开关控制信号pwm电耦接；所述第二开关453在所述开关控制信号pwm为低电平时导通，所述高侧功率管110的寄生栅极电容130通过所述n型mos管的沟道进行快速放电，使得所述高侧功率管110快速断开。
33.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路450，如图2c所示，所述断开控制模块352，包括：第二开关453，所述第二开关为一p型mos管(金属氧化物半导体场效应管)，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述供电电容230第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管110控制端电耦接，控制端与所述开关控制信号pwm电耦接；所述第二开关453在所述开关控制信号pwm为低电平时导通，所述高侧功率管110的寄生栅极电容130通过所述p型mos管的沟道进行快速放电，使得所述高侧功率管110快速断开。
34.根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动电路，如图2a，图2b或图2c所示，所驱动的组合功率管模块10，包括：一高侧功率管110，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端为所述组合功率管模块10的外部漏端drain，控制端与所述高侧驱动模块输出端电耦接；一低侧功率管120，具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述高侧功率管110的输出端电耦接，控制端与所述低侧驱动模块电耦接，输出端为所述组合功率管模块10的外部源端source。一种实施例中，所述组合功率管模块10的高侧功率管110采用耐高压的功率管结构，可以用集成电路工艺实现，同控制和驱动电路一起集成在同一个芯片上，也可以采用独立的分立器件，通过双基岛封装集成到一个芯片内部；低侧功率管120通常可以采用低压功率管结构，可以直接采用集成电路工艺实现。
35.在一种实施例中，低侧驱动模块240可以采用本领域公开的驱动电路实现，比如低侧驱动模块240可以为多级反相器级联的驱动结构。
36.在一种实施例中，结合图2c电路示意图和图3的典型工作波形图可以看出，在开关控制信号pwm变成高电平以后，低侧驱动模块240输出也变成高电平，低侧功率管120导通，低侧功率管120输入端sw电位降低，同时第一开关k1导通，第二开关k2断开，受控电流源451的受控电流对高侧功率管110的栅极寄生电容130进行充电，这也是供电电容vcc上的电荷通过所述受控电流慢慢转移到高侧功率管110栅极寄生电容130上的一个过程，当所述寄生电容130上的电压差值达到所述高侧功率管110的导通阈值电压以后，高侧功率管110进入导通状态，高侧功率管110的控制端信号pwmh缓慢变成高电平，因此实现了高侧功率管110比低侧功率管120慢导通，最后所述组合功率管模块10处于完全导通，其漏端-源端电压差drain-source处于低电平。
37.在开关控制信号pwm变成低电平以后，低侧驱动模块240输出也变成低电平，低侧功率管120断开，低侧功率管120输入端sw电位快速升高，同时第一开关k1断开，第二开关k2
导通，高侧功率管110的栅极寄生电容130将通过所述第二开关453导通以后的mos管沟道电流对供电电容vcc进行快速放电。
38.在一种实施例中，所述第二开关453为一n型mos管，所述n型mos管具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述供电电容230第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管110的控制端电耦接，控制端与所述控制信号pwmb电耦接，在开关控制信号pwm变成低电平以后，反相器454输出的控制信号pwmb变成高电平，所述第二开关453导通，高侧功率管110的栅极寄生电容130将通过所述n型mos管的沟道电流对所述供电电容vcc进行快速放电，这也是所述高侧功率管110栅极寄生电容上的电荷转移回到供电电容vcc上的一个过程，当栅极寄生电容130上的电压差值低于所述高侧功率管110的导通阈值电压以后，高侧功率管110进入断开状态，高侧功率管110的输出端信号sw快速等同于其控制端信号pwmh，在一种实施例中，具有第二二极管d2与所述高侧功率管110并联，其中第二二极管d2的阳极与所述高侧功率管的输出端耦接，阴极与所述高侧功率管的控制端耦接，在低侧功率管断开，sw快速升高的过程中，sw电压被所述第二二极管d2钳位。因此实现了高侧功率管110比低侧功率管120更快关断，高侧功率管110快速断开，隔离了组合功率管模块10的drain端高压，确保了低侧功率管120的安全，最后所述组合功率管模块10处于完全断开，其漏端-源端电压差drain-source处于高电平。
39.在一种实施例中，所述第二开关453为一p型mos管，所述p型mos管具有输入端，输出端和控制端，其中，输入端与所述供电电容230第一端电耦接，输出端与所述高侧功率管110的控制端电耦接，控制端与所述控制信号pwm电耦接，在开关控制信号pwm变成低电平以后，所述第二开关453导通，高侧功率管110的栅极寄生电容130将通过所述p型mos管的沟道电流对所述供电电容vcc进行快速放电，这也是所述高侧功率管110栅极寄生电容上的电荷转移回到供电电容vcc上的一个过程，当栅极寄生电容130上的电压差值低于所述高侧功率管110的导通阈值电压以后，高侧功率管110进入断开状态，因此实现了高侧功率管110比低侧功率管120更快关断，高侧功率管110快速断开，隔离了组合功率管模块10的drain端高压，确保了低侧功率管120的安全，最后所述组合功率管模块10处于完全断开，其漏端-源端电压差drain-source处于高电平。
40.图4为根据本发明一实施例的一种组合功率管驱动方法的流程图，包括步骤401～402
41.步骤401，在开关控制信号高电平期间，高侧功率管栅极电容通过受控电流进行充电，使
42.得高侧功率管慢速开启；
43.步骤402，在开关控制信号低电平期间，高侧功率管栅极电容通过mos管沟道电流进行
44.快速放电，使得高侧功率管快速断开。
45.图5为根据本发明一实施例的另一种组合功率管驱动方法的流程图，包括步骤501～502
46.步骤501，在开关控制信号高电平期间，供电电容电荷通过受控充电电流慢速转移到高侧
47.功率管栅极电容，使得高侧功率管慢速导通；
48.步骤502，在控制信号低电平期间，高侧功率管栅极电容电荷通过mos管沟道电流快速
49.转移到供电电容，实现供电电容的电荷回收，同时使得高侧功率管快速断开。
50.根据本发明一实施例的一种电源装置，包括有如所述的任一种组合功率管驱动电路或采用了所述的任一种组合功率管驱动方法。
51.虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。