电压钳位电路的制作方法

本发明涉及一种电压钳位电路。更具体地，本发明涉及一种用于半桥电路的驱动器中的负瞬态电压钳位电路。

背景技术：

图1示出了传统的半桥驱动器100。驱动器100被配置为接收高端输入hin和低端输入lin，以用于控制高端输出ho和低端输出lo。低端输出lo可以在电压电平com和vcc之间变化。例如，com的电位可能处于接地(0v)，而vcc的电位可能为20v。高端输出ho可以在浮动电压电平vs和vb之间变化。|vb-vs|是高端电路的电源电压的大小，而|vcc-com|是低端电路的电源电压的大小。vs是参考com的浮动电压，其可以处于低于com的低电压或处于高于com的非常高的电压(例如处于600v)。高端输出ho和低端输出lo分别被设置为驱动相应的电源开关150，152，该电源开关150，152进一步连接到负载。如图1所示，驱动器100包括输入逻辑模块，其被设置成接收高端输入hin和低端输入lin。输入逻辑模块分别与提供低端输出lo的低端电路和提供高端输出ho的高端电路连接。

低端电路包括第一通路和第二通路，其中第一通路具有与vcc连接的欠压锁定(uvlo)模块，而第二通路具有延迟模块和缓冲模块。由两个开关构成的低端驱动模块横跨vcc和com连接。更具体地，缓冲器模块与该两个开关的栅极连接。该两个开关的漏极与低端输出lo连接。

高端电路包括脉冲发生器，其与输入逻辑模块连接并被设置成接收由输入逻辑模块处理的信号。脉冲发生器与具有两个开关101，102(高压ldmos器件)的电平转换电路连接，更具体的与两个开关101，102的栅极连接。两个开关101，102的源极连接在一起并连接到com。开关101的漏极与连接到脉冲滤波器105的rb节点连接，脉冲滤波器105又连接到rs锁存器180的端子。开关102的漏极与连接到脉冲滤波器105的sb节点连接，脉冲滤波器105又连接到rs锁存器180的端子。电平转换电路还包括设置在rb节点和vb之间的电阻器170和设置在sb节点和vb之间的电阻器172。缓冲器模块106和具有两个开关107，108的高端驱动器模块连接在rs锁存器180的输出和高端输出ho之间。欠压锁定(uvlo)模块109连接在rs锁存器180的输入r和vb之间。开关107，108的漏极与高端输出ho连接。

半桥电路连接在半桥驱动器100的输出处。半桥电路除了其他组件之外包括设置成由高端输出ho驱动的高端功率开关器件(例如，mosfet)150和设置成由低端输出lo驱动的低端功率开关器件152(例如，mosfet)152。在该示例中为电感器154形式的电感负载(inductiveload)在高端功率开关器件150和低端功率开关器件152之间的vs(“开关节点”)处连接到半桥电路。

在图1的电路的操作期间，当高端功率开关器件150关闭(即，断开)时，由于电感器154将试图保持其电流，因此开关节点vs可能变成负电压。因此，电流将流过在com和vs节点之间的低端功率开关器件152的体二极管(未示出)，从而在vs节点处产生负瞬态电压。实际上，由于pcb中的互连走线以及布线中的寄生电感，这种负瞬态电压通常比正向二极管的电压降负得更多。如果这种瞬态电压的大小太大(即瞬态电压负得太多)，则其可能导致电路故障甚至损坏电路。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种电压钳位电路，其适于用于驱动与电感负载连接的半桥电路的驱动器，所述电压钳位电路包括：检测器，其被设置成检测在与所述电感负载连接的开关节点处的电压的大小并且提供指示所述开关节点处的所述电压的大小的输入信号；以及比较器，其被设置成接收所述输入信号并将所述输入信号与表示参考电压值的参考信号进行比较，以用于选择性地控制开关装置的操作从而对所述开关节点的电压钳位并减小所述开关节点处的电压的大小。该指示所述开关节点处的所述电压的大小的输入信号可以是直接表示开关节点处的电压的大小(具有与其相同的值)的电压信号，或者可以是间接表示开关节点处的电压的大小(通过缩放，偏移等)的电压信号。

优选地，所述比较器被设置成当所述比较指示所述电压的大小超过所述参考电压值时开启(即，闭合)所述开关装置，并且当所述比较指示所述电压的大小降到所述参考电压值以下时关闭(即，断开)所述开关装置。

所述参考信号可以是可调整的以表示不同的参考电压值，或者可以是固定的以表示预定的参考电压值。

优选地，所述检测器包括二极管和电阻器。所述二极管可以是由半导体器件仿真的仿真二极管。

优选地，所述电压钳位电路还包括所述开关装置。

所述开关装置可以包括半导体开关，例如以mosfet或双极晶体管形式的半导体开关。

优选地，所述电压钳位电路还包括与所述开关装置串联连接的限流电阻。

优选地，所述开关装置是所述驱动器或所述半桥电路的一部分。

优选地，所述检测器包括缩放电路，其用于缩放所检测到的所述开关节点处的电压的大小以提供所述输入信号。

优选地，所述半桥电路包括高端开关器件和低端开关器件，并且所述开关节点被设置在所述高端开关器件和低端开关器件之间。

优选地，所述电压钳位电路是负瞬态电压钳位电路，并且所述检测器被配置为检测负瞬态电压的大小。

根据本发明的第二方面，提供了一种电压钳位方法，其适于用于驱动与电感负载连接的半桥电路的驱动器，所述电压钳位方法包括：检测与所述电感负载连接的开关节点处的电压的大小，并提供指示所述开关节点处的所述电压的大小的输入信号；以及将所述输入信号与表示参考电压值的参考信号进行比较，以选择性地控制开关装置的操作从而对所述开关节点的电压钳位并减小所述开关节点处的电压的大小。

优选地，所述电压钳位方法还包括：当所述比较指示所述电压的大小超过所述参考电压值时，开启所述开关装置；并且当所述比较指示所述电压的大小降到所述参考电压值以下时，关闭所述开关装置。

优选地，所述电压钳位方法还包括：缩放所检测到的开关节点处的电压的大小以提供所述输入信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于存储计算机指令的非临时性计算机可读介质，所述计算机指令在由至少一个控制器或处理器执行时使得所述至少一个控制器或处理器执行一种电压钳位方法，其适于用于驱动与电感负载连接的半桥电路的驱动器，所述电压钳位方法包括：检测与所述电感负载连接的开关节点处的电压的大小，并提供指示所述开关节点处的所述电压的大小的输入信号；以及将所述输入信号与表示参考电压值的参考信号进行比较，以选择性地控制开关装置的操作从而对所述开关节点的电压钳位并减小所述开关节点处的电压的大小。

本发明的目的是解决上述需要，克服或基本上改善上述缺点，或者更一般地，提供一种改进的电压钳位电路。

通过考虑以下的详细描述和附图，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式来描述本发明的实施方式，其中：

图1是传统半桥驱动电路的电路图，其中根据本发明的电压钳位电路可与其一起操作；

图2是示出根据本发明的电压钳位电路的操作原理的功能框图；

图3是根据本发明一个实施方式的电压钳位电路的电路图；

图4a是可以在图3的电压钳位电路中使用的替代检测器的电路图；

图4b是可以在图3的电压钳位电路中使用的替代检测器的电路图；

图5a是根据本发明另一个实施方式的电压钳位电路的电路图；以及

图5b是根据本发明又另一个实施方式的电压钳位电路的电路图。

在详细解释本发明的任何结构之前，应理解，本发明在其应用中不限于在下面的描述中阐述或在下面的附图中示出的部件结构和设置细节。本发明能够具有其它结构并能够以各种方式被实践或实现。

具体实施方式

图2示出了本发明一个实施例中的电压钳位电路200的功能框图，该电压钳位电路200适于与被设置成驱动与电感负载连接的半桥电路的驱动器一起使用或者在被设置成驱动与电感负载连接的半桥电路的驱动器中使用，其中该驱动器可以是如图1所示的。电压钳位电路200为负瞬态电压钳位电路，其包括负瞬态电压检测器201，比较器202和开关器件203。

负瞬态电压检测器201与节点vs和com连接，并且被设置为检测节点vs处的负瞬态电压的大小。负瞬态电压检测器201可以将指示开关节点处的电压大小的输入信号提供给比较器202。输入信号可以是直接表示开关节点处的电压的大小(具有与其相同的值)的电压信号，或者它可以是间接表示开关节点处的电压的大小(缩放，偏移等)的电压信号。

比较器202被设置为将输入信号与表示参考钳位电压的参考信号v_ref进行比较，并且基于该比较来选择性地控制开关器件203。表示参考钳位电压的参考信号v_ref可以是固定的，或者可以是可调节的以提供可变的参考钳位电压。当比较器202确定负vs瞬态电压超过预定的钳位电压电平时，它开启(即，闭合)连接在节点vb和vs之间的开关器件203，以允许电流从节点vb流向节点vs。这将导致vs节点朝向正电压的调整(即，以正方向增加vs电压)，并因此减小vs处的负瞬态电压的大小。之后，当比较器202确定负vs瞬态电压降到预定的钳位电压电平以下时，其关闭(即，断开)开关器件203以将vs从vb断开。通过采用这种设计，可以将负瞬态电压钳位到预定的电压电平来对负瞬态电压进行限制。

图3示出了根据本发明一个实施例的电压钳位电路300。在图3中，电压钳位电路300为负瞬态电压钳位电路，其包括由二极管301和电阻302组成的负瞬态电压检测器，比较器305和开关器件306。

负瞬态电压检测器包括连接在com和比较器305的第一输入端之间的二极管301以及连接在比较器305的第一输入端和vs之间的电阻器302。二极管301和电阻器302被设置为检测或监测vs瞬态电压的大小，特别是负vs瞬态电压的大小，然后输出将被提供给比较器305的输入信号。在一个示例中，二极管301可以被集成到半桥驱动器(例如，以ic形式的)中，并且其可以是使用高电压ldmos仿真的仿真二极管301′。

vb和vs之间串联有电阻器303和齐纳二极管304。电阻器303和齐纳二极管304通过电阻器303和齐纳二极管304之间的节点与比较器305的第二输入端连接。电阻器303和齐纳二极管304被设置为提供选定的(或预定的)负vs钳位电压。该钳位电压可以是固定的，或者是可调整的(例如通过选择齐纳二极管304的齐纳电压)。

比较器305比较在两个输入端处接收的两个信号，然后产生输出以选择性地控制开关器件306的操作。在该示例中，开关器件306是mosfet，并且其可以被集成到驱动器或半桥电路(例如，以ic的形式)中。比较器305被设置为当该比较结果指示负瞬态电压的大小超过参考电压值时开启开关装置306(例如，闭合mosfet)以减小开关节点处的负瞬态电压的大小，以及当该比较结果指示负瞬态电压的大小下降到参考电压值以下时关闭开关装置306(例如，断开mosfet)。尽管在图3中未示出，但是可以在电路上增加电流限制器(例如，电阻器)，其可串联连接在vb与开关器件306的漏极端子之间或者开关器件306的源极端子与vs之间。

在一些实施例中，由检测器检测的负vs瞬态电压的大小可以在作为输入信号被馈送到比较器305之前被缩放。图4a和图4b示出了两个替代的瞬态电压检测器400a，400b，其为负瞬态电压检测器的形式，具有缩放功能，并适于与图3的电压钳位电路300一起使用。

图4a中具有电压缩放功能的检测器400a包括二极管401和由电阻器402和403形成的用于缩放负vs瞬态电压的分压器。二极管401连接在电阻器402和com之间。电阻器402，403连接在二极管401和vs之间；并且电阻器402，403之间的节点被设置成连接到比较器的输入端，该比较器例如为图3的负瞬态电压钳位电路的比较器305。电阻器402，403可以具有相同或不同的电阻。

图4b中具有电压缩放功能的检测器400b包括二极管404，电阻器405和放大器406。二极管404连接在电阻器405和com之间。电阻器405连接在放大器406的两个输入端之间。放大器406的输出端连接到比较器，该比较器例如为图3的负瞬态电压钳位电路的比较器305。

图5a和图5b示出了本发明替代实施例中的电压钳位电路500a，500b，其中图3的电路中的开关器件306被其他类型的开关器件取代。除了开关装置的配置之外，图5a和图5b中的电路与图3中的电路基本相同。以下仅描述它们的不同之处。如图5a和图5b所示，开关装置包括代替mosfet的双极晶体管。在图5a中，开关器件是npn双极晶体管507，其可操作地与基极连接的电阻器506连接。在图5b中，开关装置是pnp双极晶体管514，其可操作地与基极连接的电阻器513连接。

本发明的实施例提供了适用于半桥驱动器的电压钳位电路。在驱动器用于驱动与电感负载连接的半桥的应用中，半桥的输出节点处可能会出现负瞬态电压。通过使用本发明的电压钳位电路可以将这样的瞬态电压的大小钳位到参考电平，以确保电路的正确操作和操作的安全性。

本领域中的技术人员将认识到，可对本发明进行如在特定的实施方式中示出的很多变化和/或修改，而不偏离如广泛描述的本发明的精神或范围。例如，电压钳位电路可以与被设置成驱动与电感负载连接的半桥电路的任何驱动器一起操作。电压钳位电路不一定是负瞬态电压钳位电路，而可以是正瞬态电压钳位电路。可操作来实现所述功能的其他电路元件也可以设想落入本发明的范围内。因此，当前的实施方式应在所有方面被考虑为是示例性的而不是限制性的。