一种基于氮化镓工艺的高可靠高速电平移位电路

本发明涉及功率集成电路，尤其涉及一种基于氮化镓工艺的高可靠高速电平移位电路。

背景技术：

1、氮化镓材料是公认的第三代功率半导体材料，其拥有优秀的物理化学特性例如更大的电子迁移率、更大的临界电场强度、更小的导热率，因此氮化镓功率器件具有高速、高可靠、低损耗的特点，应用在电能转换系统中能显著提高系统的开关速度、转换效率与功率密度。目前广泛应用的氮化镓功率器件驱动方案是分立式驱动，即采用硅基的驱动芯片来驱动分立的氮化镓器件，由于硅基芯片工作频率的短板，使得氮化镓器件的高频优势无法完全发挥出来，相反，随着开关速度的提高，分立式驱动方案暴露出的寄生电感问题愈加凸显，大大降低了系统的可靠性。为了解决这一问题，往往需要引入多层布线、无引线封装等技术，但不可避免地增加了pcb和芯片封装成本。采用氮化镓工艺，将驱动电路与功率器件集成在同一个裸片上可以从根本上解决上述问题，兼顾了系统的高频应用与可靠性。

2、由于氮化镓材料的p型掺杂浓度不高，无法实现p型重掺杂，导致载流子迁移率较低，因此在现有商业化的氮化镓工艺中无法将n型氮化镓场效应晶体管和p型氮化镓场效应晶体管匹配使用，这就使得传统的cmos电路中的结构无法直接应用到氮化镓电路中来。不仅如此，目前基于氮化镓工艺的n型氮化镓场效应晶体管的击穿电压偏低(约6v)，且阈值电压偏高(约2v)，大大限制了电路设计的灵活性。现如今，随着集成度不断提高，基于氮化镓工艺的半桥驱动芯片是未来的发展方向，高压电平移位电路能将低电平信号变为高电平信号，实现低压信号对高压电路的控制，是实现双通道驱动的关键技术。然而，上述氮化镓材料的短板在电平移位电路的设计中更加凸显，因此基于氮化镓工艺的电平移位电路设计格外困难。

3、在高压驱动芯片的实际应用中，功率管的开关会向驱动芯片内部引入dvsw/dt噪声，从而导致驱动芯片发生逻辑错误，并且随着开关频率的升高，该问题会愈加显著。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于氮化镓工艺集成电路的电平移位电路，可以克服传统氮化镓电平移位电路延时大和功耗高的问题。为了实现该发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种低功耗的高速电平移位电路，包括电平转换模块、锁存模块、电压偏置模块、电流镜模块、加速上拉模块、抗dvsw/dt模块、输出级模块。

2、电压偏置模块由电压偏置电路001构成，电压偏置电路001包括电流源i0、增强型nmos管mn2。电压偏置电路001的连接关系为：电流源的一端连接增强型nmos管mn2的漏极、增强型nmos管mn2的栅极、增强型nmos管mn3的栅极、增强型nmos管mn4的栅极，电流源的另一端连接低压域电源轨的电源信号vdd，增强型nmos管mn2的源极连接低压域电源轨的地信号vss。

3、电流镜模块由电流镜电路002构成，电流镜电路002包括增强型nmos管mn3～mn4，电容c1～c2。电流镜电路002的连接关系为：增强型nmos管mn3的栅极连接增强型nmos管mn2的漏极、增强型nmos管mn2的栅极、增强型nmos管mn4的栅极、电流源i0的一端，增强型nmos管mn3的漏极连接电容c1的一端、增强型nmos管mn5的源极，增强型nmos管mn3的源极连接低压域电源轨的地信号vss，电容c1的另一端连接低压域电源轨的地信号vss，增强型nmos管mn4的漏极连接电容c2的一端、增强型nmos管mn6的源极，增强型nmos管mn4的源极连接低压域电源轨的地信号vss，电容c2的另一端连接低压域电源轨的地信号vss。

4、低压-高压的电平移位模块由电平转换支路003与004构成，电平转换支路003包括增强型nmos管mn5、高压增强型nmos管hmn1、电阻r1、电阻r3、二极管d3、二极管d5，电平转换支路004包括增强型nmos管mn6、高压增强型nmos管hmn2、电阻r2、电阻r4、二极管d4、二极管d6。电平转换支路003的连接关系为：增强型nmos管mn5的栅极连接输入信号vin，增强型nmos管mn5的源极连接增强型nmos管mn3的漏极、电容c1的一端，增强型nmos管mn5的漏极连接高压增强型nmos管hmn1的源极，高压增强型nmos管hmn1的栅极连接低压域电源轨的电源信号vdd，高压增强型nmos管hmn1的漏极连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端连接增强型nmos管mn7的栅极、增强型nmos管mn9的栅极、增强型nmos管mn23的栅极、电阻r3的一端、二极管d3的一端、二极管d5的一端，电阻r3的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，二极管d5的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，二极管d3的另一端连接高压域电源轨的地信号vsw。电平转换支路004的连接关系为：反相器inv0的输出端连接增强型nmos管mn6的栅极，增强型nmos管mn6的源极连接增强型nmos管mn4的漏极、电容c2的一端，增强型nmos管mn6的漏极连接高压增强型nmos管hmn2的源极，高压增强型nmos管hmn2的栅极连接低压域电源轨的电源信号vdd，高压增强型nmos管hmn2的漏极连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端连接增强型nmos管mn8的栅极、增强型nmos管mn10的栅极、增强型nmos管mn24的栅极、电阻r4的一端、二极管d4的一端、二极管d6的一端，电阻r4的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，二极管d6的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，二极管d4的另一端连接高压域电源轨的地信号vsw。

5、加速上拉模块由加速上拉电路005与006构成，加速上拉电路005包括增强型nmos管mn7、增强型nmos管mn9、增强型nmos管mn11、增强型nmos管mn13、增强型nmos管mn15、增强型nmos管mn17、电阻r5、电容c3、二极管d1，加速上拉电路006包括增强型nmos管mn8、增强型nmos管mn10、增强型nmos管mn12、增强型nmos管mn14、增强型nmos管mn16、增强型nmos管mn18、电阻r6、电容c4、二极管d2。加速上拉电路005的连接关系为：增强型nmos管mn7的栅极连接增强型nmos管mn23的栅极、电阻r3的一端、二极管d3的一端、二极管d5的一端、电阻r1的一端，增强型nmos管mn7的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn7的漏极连接增强型nmos管mn11的漏极、增强型nmos管mn15的栅极、增强型nmos管mn17的栅级、电阻r5的一端，电阻r5的另一端连接二极管d1的一端、电容c3的一端，二极管d1的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，增强型nmos管mn11的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn11的栅极连接增强型nmos管mn13的栅极、增强型nmos管mn12的栅极、增强型nmos管mn14的栅极、电阻r9的一端、电阻r10的一端，增强型nmos管mn9的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn9的漏极连接增强型nmos管mn15的源极、增强型nmos管mn13的漏极、电容c3的另一端、增强型nmos管mn19的栅极，增强型nmos管mn15的漏极连接高压域电源轨的电源信号vbst，增强型nmos管mn17的漏极连接高压域电源轨的电源信号vbst，增强型nmos管mn17的源极连接增强型nmos管mn21的栅极、增强型nmos管mn22的漏极、电阻r8的一端、增强型nmos管mn20的漏极、反相器inv1的输入端。加速上拉电路006的连接关系为：增强型nmos管mn8的栅极连接增强型nmos管mn24的栅极、电阻r4的一端、二极管d4的一端、二极管d6的一端、电阻r2的一端，增强型nmos管mn8的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn8的漏极连接增强型nmos管mn12的漏极、增强型nmos管mn16的栅极、增强型nmos管mn18的栅级、电阻r6的一端，电阻r6的另一端连接二极管d2的一端、电容c4的一端，二极管d2的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，增强型nmos管mn12的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn12的栅极连接增强型nmos管mn14的栅极、增强型nmos管mn11的栅极、增强型nmos管mn13的栅极、电阻r9的一端、电阻r10的一端，增强型nmos管mn10的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn10的漏极连接增强型nmos管mn16的源极、增强型nmos管mn14的漏极、电容c4的另一端、增强型nmos管mn20的栅极，增强型nmos管mn16的漏极连接高压域电源轨的电源信号vbst，增强型nmos管mn18的漏极连接高压域电源轨的电源信号vbst，增强型nmos管mn18的源极连接增强型nmos管mn22的栅极、增强型nmos管mn21的漏极、电阻r7的一端、增强型nmos管mn19的漏极。

6、锁存模块由辅助锁存电路007构成，包括增强型nmos管mn19、增强型nmos管mn20、增强型nmos管mn21、增强型nmos管mn22、电阻r7、电阻r8。其连接关系为：增强型nmos管mn19的栅极连接增强型nmos管mn9的漏极、增强型nmos管mn15的源极、增强型nmos管mn13的漏极、电容c3的另一端，增强型nmos管mn20的栅极连接增强型nmos管mn10的漏极、增强型nmos管mn16的源极、增强型nmos管mn14的漏极、电容c4的另一端，增强型nmos管mn19的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn20的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn19的漏极连接增强型nmos管mn21的漏极、增强型nmos管mn22的栅极、电阻r7的一端、增强型nmos管mn18的源极，增强型nmos管mn20的漏极连接增强型nmos管mn22的漏极、增强型nmos管mn21的栅极、电阻r8的一端、增强型nmos管mn17的源极、反相器inv1的输入端，增强型nmos管mn21的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn22的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，电阻r7的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst，电阻r8的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst。

7、抗dvsw/dt模块由抗dvsw/dt电路008构成，包括增强型nmos管mn23、增强型nmos管mn24、电阻r9、电阻r10。其连接关系为：增强型nmos管mn23的栅极连接增强型nmos管mn7的栅极、增强型nmos管mn9的栅极、电阻r1的一端、电阻r3的一端、二极管d3的一端、二极管d5的一端，增强型nmos管mn24的栅极连接增强型nmos管mn8的栅极、增强型nmos管mn10的栅极、电阻r2的一端、电阻r4的一端、二极管d4的一端、二极管d6的一端，增强型nmos管mn23的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn24的源极连接高压域电源轨的地信号vsw，增强型nmos管mn23的漏极连接增强型nmos管mn24的漏极、电阻r10的一端，电阻r10的另一端连接电阻r9、增强型nmos管mn11的栅极、增强型nmos管mn13的栅极、增强型nmos管mn12的栅极、增强型nmos管mn14的栅极，电阻r9的另一端连接高压域电源轨的电源信号vbst。

8、输出模块由输出电路009构成，包括反相器inv1、反相器inv2。其连接关系为：反相器inv1的输入端连接增强型nmos管mn17的源极、增强型nmos管mn21的栅极、增强型nmos管mn22的漏极、电阻r8的一端、增强型nmos管mn20的漏极，反相器inv1的输出端连接反相器inv2的输入端，反相器inv2的输出端连接输出信号vout。

9、优选的：所述增强型nmos管mn2～mn24均为增强型氮化镓场效应晶体管，所述高压增强型nmos管hmn1～hmn2均为高压增强型氮化镓场效应晶体管。

10、优选的：所述电阻r1～r10为基于氮化镓工艺的电阻、二极管连接方式的耗尽型或增强型氮化镓场效应晶体管、栅极固定电压偏置的耗尽型或增强型氮化镓场效应晶体管，或氮化镓工艺下的其它材料电阻，包括金属膜电阻和多晶硅电阻；

11、所述二极管d1～d6为二极管连接方式的耗尽型或增强型氮化镓场效应晶体管、片上集成的二极管器件或外接的二极管器件；

12、所述反相器inv0～inv2为基于氮化镓工艺的电阻反相器或图腾柱式双n输出反相器；

13、所述电流源i0为耗尽型氮化镓场效应晶体管构成的电流源、栅极固定电压偏置的耗尽型或增强型氮化镓场效应晶体管。

14、本发明与现有技术相比，具有如下优点和显著效果：

15、(1)可以有效地降低信号传输的延时。当输入信号vin为低电平时电容c1上端约为零电位，当vin变为高电平时，由于电容c1两端的电压不能突变，c1上端的电位将短时间内维持在零电位，相对于没有电容c1的情况，mn5将获得一个更大的栅源电压，使得mn5的电流能力增强，使x点的电位能够快速下拉，减小了信号传输的延时。当x点处电位由高向低翻转时，s点电位由低向高翻转，加速上拉电路005中的nmos管mn17导通，为b点提供一个额外的上拉电流通路，使b点电位快速反转，减小了信号传输的延时。当输入信号vin从高电平变为低电平时亦然。

16、(2)可以有效地降低电路工作时的功耗。电压偏置电路001和电流镜电路002充当尾电流源为电平转换支路003和004提供相对恒定的电流，极大程度上限制了功耗。当x点处电位由低向高翻转时，s点处电位由高向低翻转，mn17关断，b的额外的上拉电流通路关闭，在保证更快翻转速度的情况下节约了功耗。传统的基于氮化镓工艺的电平移位电路包含诸如脉冲产生电路、数字滤波电路等结构，使用了大量逻辑门，本发明在实现同样功能的情况下，取消了上述两种结构，降低了大量功耗。

17、(3)可以有效提高抗dvsw/dt能力。在dvsw/dt来临瞬间，x点与y点同时为低电平，抗dvsw/dt电路008将c点拉至高电平，锁存电路的两输入端s点与r点被置为低电平，维持在锁存状态，使得输出信号不受dvsw/dt噪声的干扰。