专利名称：一种开关电源的栅极驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源的栅极驱动电路。
背景技术：
开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器 和笔记本电脑适配器等场合。近年来，由于绿色电源概念的兴起，更加强调高转换效率和低 待机功耗。下面首先结合附图介绍开关电源的工作原理。参见图1，该图为现有技术中开关电源的电路图。开关电源控制器103通过功率开关管101连接到变压器102的原边绕组Cl。开关 电源控制器103用于控制功率开关管101在每个开关周期内导通，将原边绕组Cl的能量传 递到副边绕组C2。开关电源控制器103通过控制功率开关管101的占空比或开关频率从而 控制副边绕组C2上的输出电压。开关电源控制器103是通过控制功率开关管101的栅极 电压来控制其导通或关断的，因此称为栅极驱动。下面结合附图介绍现有技术中的栅极驱动电路。参见图2，该图为现有技术中的开关电源的栅极驱动电路。该栅极驱动电路的输出级上管202和下管203均采用高压厚栅的NMOS管。当开 关电源控制器未完全启动前，功率开关管201的栅极通过初始信号置零。当输入信号为高 脉冲时，下管控制模块控制下管203关闭，此时上管控制模块开启。非交迭模块待下管203 完全关闭后，打开上管202，从而实现功率开关管201导通的功能。同时，箝位电路将上管 202的栅极箝位在某一个固定电压，即功率开关管201的栅极也同样被箝位在该固定电压。 当输入信号为低脉冲时，上管控制模块控制上管202关闭，同时，下管203控制模块开启，非 交迭模块待上管202完全关闭后，打开下管203，从而实现功率开关管201关闭的功能。之所以在设计驱动电路模块时，通常采用高压厚栅MOS管，最主要的优点是高压 厚栅MOS管可以直接用高压源(VCC)作为栅极的输出信号，这样有利于简化设计，减小设计 时的复杂度。但是也有缺点首先采用高压厚栅MOS管会因为其厚栅而导致单位MOS管驱 动能力下降，原理上来说600A单位MOS管驱动能力只有200A单位MOS管驱动能力的三分 之一，这样就必然导致了在要求相同驱动能力的条件下，高压厚栅驱动管的面积要大于高 压薄栅驱动管的面积。其次、采用高压厚栅MOS管会使得整个芯片生产时多一块掩膜板和 多一道流程。因此、从经济角度和市场角度上来看，高压厚栅MOS管在技术发展过程中处于 待更替的处境。当然，若想采用高压薄栅M0S，其存在设计上的难点，其中最主要的是在于高压薄 栅上管的设计在驱动电路中，驱动上管的电压源是高压Vcc (其最高电压通常在30V以 上)，而高压薄栅的栅源两端的击穿电压通常在7伏左右，这就要求我们在设计驱动电路的 时候要保证驱动上管的栅源两端电压必须要小于击穿电压。这就给设计电路带来了很大的 挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源的栅极驱动电路，能够增加驱动能 力，降低成本。本发明提供一种开关电源的栅极驱动电路，所述驱动电路与开关电源功率管的栅 极连接，包括控制信号模块，产生脉冲控制信号；源极与功率管的栅极连接的高压薄栅上管；漏极与功率管的栅极连接的高压薄栅下管；根据所述脉冲控制信号来控制高压薄栅上、下管开启和断开的上下管控制模块， 且保证高压薄栅上管和高压薄栅下管不会同时导通；电流源，是连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲 控制信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值；第一开关，是设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负 脉冲且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。在具体实施例中，所述控制信号模块是PWM控制器和PFM控制器中的一种，所述脉 冲控制信号是PWM信号和PFM信号中的一种。所述设定值小于高压薄栅上管的击穿电压。 所述上下管控制模块包括控制高压薄栅上、下管分时导通的第四、第五开关、以及在第一 开关关断时保证高压薄栅上管栅极电压为零的第六开关，其中，第四开关连接于电流源与 高压薄栅上管栅极之间，当脉冲控制信号为高及高压薄栅下管关断时闭合；第五开关连接 于高压薄栅下管栅极与内部电压电源之间，当功率管的栅极电压与高压薄栅上管栅极电压 相等及脉冲控制信号为低时闭合；第六开关连接于高压薄栅上管栅极与地之间，当第一开 关闭合且高压薄栅下管关断时闭合。所述高压薄栅上管和高压薄栅下管都未NMOS管。在一实施例中，所述栅极驱动电路还包括由上电初始信号控制开启与闭合的第二 开关和第三开关，其中，所述第二开关与外接电压电源连接，在接收到所述上电初始信号时 才闭合，以导通整个驱动电路；所述第三开关是连接于功率管的栅极与地之间，在接收到所 述上电初始信号时才断开。与现有技术相比，本发明具有以下优点用简单的电路实现了在开关电源的驱动 电路中使用高压薄栅MOS管，使得驱动能力得到提升，更重要的是，使得高压薄栅MOS管能 够广泛应用在驱动电路中，成本大大降低。本发明提供的开关电源的栅极驱动电路，通过电流源及第一开关等简单的电路元 件，实现了高压薄栅MOS管在驱动电路中的应用，使得驱动电路的成本大大降低，克服了现 有技术中由于高压薄栅MOS管容易被高压击穿而无法使用的技术难题。
图1是现有技术中开关电源的电路图；图2是现有技术中的开关电源的栅极驱动电路；图3是本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施例的电路模块图；图4是本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施的电路原理图5是图4中两个控制信号产生的逻辑原理图；图6是本发明实施例中的各个信号的波形图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。请参阅图3，是本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施例的电路模块图，如图 所示，本发明提供的开关电源的栅极驱动电路，需要说明的是，这样的栅极驱动电路较多应 用在开关电源的控制芯片中，但本发明不以此为限。这里的驱动电路如图2中所示，是与开 关电源功率管201的栅极连接，包括控制信号模块、高压薄栅上管和高压薄栅下管、上下 管控制模块、电流源、和第一开关；为了更清楚表示该驱动电路的功能原理，如图所示，上述上下管控制模块301同 样也可根据功能分为上管控制模块、下管控制模块、以及非交迭模块。其中，控制信号模块能够产生一种脉冲控制信号以此控制后续电路，在本实施例 中，所述控制信号模块是PWM控制器和PFM控制器中的一种，那么，对应的，所述脉冲控制信 号是PWM信号和PFM信号中的一种。所述功率管的栅极分别与上管的源极及下管的漏极连接，在本实施例中，所述上 管和下管都是NMOS管。所述上下管控制模块是根据所述脉冲控制信号来控制上管和下管的开启和断开， 对应图2中的上管和下管控制控制模块及非交迭模块，即，需要保证高压薄栅上管和高压 薄栅下管不会同时导通。所述电流源连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲 控制信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值， 所述设定值小于高压薄栅上管的击穿电压，即钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压 钳位在小于7V。所述第一开关设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负 脉冲且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。需要说明的是，为了简便说明，以下将分别与上管的源极及下管的漏极连接的功 率管的栅极处定义为GATE端，将上管的栅极端定义为UP端，将下管的栅极端定义为DOWN端。下面总结下图3的电路工作原理一开始整个驱动电路所处的芯片未启动前， GATE端电压通过上电初始信号(PG信号)置零，该信号通常由专门的PG开关控制。当芯片启动后，PWM信号为零时，Down端信号通过Down Control模块置高(内部 电压源为Vdd)，下管M2处于导通状态；而Up信号被Up Control模块置低，上管Ml处于关 断状态，同时Current Source模块也未导通。当PWM信号由零变高，即出现正脉冲。首先、Down Control模块将Down信号置低， 关断M2，Current Source模块启动；当M2彻底关断后，Un-overlap模块通过Up Control 模块将Up信号置高，Ml导通，Gate端电压开始上升，与此同时、Voltage Clamp模块通过 Current Source模块将Gate端电压和Up端电压钳位在某一特定电压值，使得Ml栅源间电压小于高压薄栅MOS管的击穿电压，从而保护了 Ml。当PWM信号由高变零，即出现负脉冲。首先、Current Source模块关闭，无电流流 向Up端；Switch模块将Up与Gate两端连接起来，这样就始终使Up与Gate两端电压保持 一致，即在关断过程中保证Ml栅源间电压小于高压薄栅MOS管的击穿电压，从而保护了 Ml ； Up与Gate两端相等后，Down信号通过Down Control模块置高，M2导通，Up与Gate端的 电压被M2下拉至零。请参阅图4，是显示本发明提供的开关电源的栅极驱动电路实施的电路原理图，如 图所示，本发明的驱动电路还包括由上电初始信号PG控制开启与闭合的第二开关和第三 开关，其中，所述第二开关与整个驱动电路的外接电压源连接，在接收到所述上电初始信号 时才闭合，以导通整个驱动电路；所述第三开关是连接于功率管的栅极与地之间，在接收到 所述上电初始信号时才断开。另外，所述上下管控制模块包括控制高压薄栅上、下管分时导通的第四、第五开 关、以及在第一开关关断时保证高压薄栅上管栅极电压为零的第六开关。请参阅图5，是图 4中两个控制信号产生的逻辑原理图，如图所示，控制信号Sl是GATE端电压与地的比较值 以及PWM信号的非值通过与逻辑产生；控制信号S2是GATE端与UP端电压比较值与PWM信 号的非值通过与逻辑产生。其中，第四开关连接于电流源与高压薄栅上管栅极之间，当脉冲控制信号为高及 高压薄栅下管关断时闭合；第五开关连接于高压薄栅下管栅极与内部电压源之间，当功率 管的栅极电压与高压薄栅上管栅极电压相等及脉冲控制信号为低时闭合，即由控制信号S2 决定；第六开关连接于高压薄栅上管栅极与地之间，当第一开关闭合且高压薄栅下管关断 时闭合，即由控制信号Sl与DOWN端的非值通过与逻辑控制。综上所述，上电初始信号PG控制SWl和SW6两个开关。它的作用是确保在芯片在 上电前整个驱动电路处于关闭状态。在芯片上电后，PG信号置高，开关SWl闭合和SW6断 开。开关SW2通过输入信号一端为DOWN信号的非信号，另一端为PWM/PFM信号的与门控 制。其目的在于在PWM/PFM信号为高的情况下，厚氧薄栅上管Ml只有在DOWN信号为低， 即下管M2处于关闭的条件下才能导通，从而保证了在开启时刻的上下管处于非交迭状态。 当GATE为高且PWM/PFM信号为低时刻，即驱动电路由导通变为关断时，控制信号S4变高， 开关SW4闭合。由此、UP端电压值会降低至GATE端电压。当GATE端电压几近等于UP端 电压，且PWM/PFM信号为低，开关SW5通过控制信号S2闭合，下管M2导通。这样做的目的 在于只有在上管处于关断的条件下方能让下管导通，从而保证了在关断时刻的上下管处 于非交迭状态。UP端电压和GATE端电压被下拉至零。当关断过程结束之后，开关SW3通过 输入信号一端为DOWN信号的非信号，另一端为Sl信号的与门控制闭合，使得在开关SW4断 开的条件下，保证UP端电压为零。参见图6，该图为本发明实施例中的各个信号的波形图。如图所示，当PG信号置低 时，除了 SW6开关闭合以保证GATE端信号置低外，其他所有开关全部打开；当PG信号置高后，解除SW6信号，Sffl开关闭合，此时PWM信号为低，SW5闭合，由 此、Down信号置高，高压薄栅下管导通，SW3开关闭合，Up信号置低，高压薄栅上管截至；当PWM信号由低变高后，首先SW3、SW5打开，Down信号变低，当Down信号为零时， 即高压薄栅下管截至，SW2闭合，电流源给Up端电压充电，高压薄栅下管导通，Gate端电压升高，外置的MOS管导通。当PWM信号由高变低时，首先SW2打开，SW4闭合，使得Up端和Gate端短接，当Up 端电压与Gate端电压一致时，高压薄栅上管截至，SW5闭合，Down信号由低变高，高压薄栅 下管导通，Up端和Gate端电压被下拉至零，当Gate端电压被下拉至零后，SW4打开，Up端 与Gate端脱离短接状态，随后SW3闭合，此时Up端电压置零由SW3保证，而Gate端电压置 零由高压薄栅下管保证。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明 技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离 本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同 变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1. 一种开关电源的栅极驱动电路，所述驱动电路与开关电源功率管的栅极连接，其特 征在于，包括控制信号模块，产生脉冲控制信号；源极与功率管的栅极连接的高压薄栅上管；漏极与功率管的栅极连接的高压薄栅下管；根据所述脉冲控制信号来控制高压薄栅上、下管开启和断开的上下管控制模块，且保 证高压薄栅上管和高压薄栅下管不会同时导通；电流源，是连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲控制 信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值；第一开关，是设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负脉冲 且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。
2.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制信号模块 是PWM控制器和PFM控制器中的一种，所述脉冲控制信号是PWM信号和PFM信号中的一种。
3.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述设定值小于高 压薄栅上管的击穿电压。
4.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，还包括由上电初始 信号控制开启与闭合的第二开关和第三开关，其中，所述第二开关与外接电压电源连接，在 接收到所述上电初始信号时才闭合，以导通整个驱动电路；所述第三开关是连接于功率管 的栅极与地之间，在接收到所述上电初始信号时才断开。
5.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述上下管控制模 块包括控制高压薄栅上、下管分时导通的第四、第五开关、以及在第一开关关断时保证高 压薄栅上管栅极电压为零的第六开关，其中，第四开关连接于电流源与高压薄栅上管栅极 之间，当脉冲控制信号为高及高压薄栅下管关断时闭合；第五开关连接于高压薄栅下管栅 极与内部电压电源之间，当功率管的栅极电压与高压薄栅上管栅极电压相等及脉冲控制信 号为低时闭合；第六开关连接于高压薄栅上管栅极与地之间，当第一开关闭合且高压薄栅 下管关断时闭合。
6.根据权利要求1所述的开关电源的栅极驱动电路，其特征在于，所述高压薄栅上管 和高压薄栅下管都未NMOS管。
全文摘要
本发明提供一种开关电源的栅极驱动电路，是与开关电源功率管的栅极连接，包括产生脉冲控制信号的控制信号模块；源极与功率管的栅极连接的高压薄栅上管；漏极与功率管的栅极连接的高压薄栅下管；根据所述脉冲控制信号来控制高压薄栅上、下管开启和断开的上下管控制模块，且保证高压薄栅上管和高压薄栅下管不会同时导通；电流源，是连接在上管控制模块的输出和高压薄栅上管的源极之间，在所述脉冲控制信号为正脉冲时，通过一钳位电路将高压薄栅上管的栅极和源极电压钳位在设定值；第一开关，是设置在高压薄栅上管的栅极和源极之间，在所述脉冲控制信号为负脉冲且功率管的栅极电压大于零时闭合，以连通高压薄栅上管的栅极和源极。用简单的电路实现了在开关电源的驱动电路中使用高压薄栅MOS管，使得驱动能力得到提升，更重要的是，使得高压薄栅MOS管能够广泛应用在驱动电路中，成本大大降低。
文档编号H02M1/08GK102005909SQ20101056583
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者任雪刚, 刘娜, 段建华, 陈泽强 申请人:Bcd半导体制造有限公司