專(zhuān)利名稱(chēng)：Buck調(diào)整器中p溝道m(xù)osfet的驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種BUCK調(diào)整器，特別涉及BUCK調(diào)整器中P溝 道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。
背景技術(shù)：
取代線(xiàn)性調(diào)整器的開(kāi)關(guān)型調(diào)整器早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始使 用，它將快速通斷的晶體管置于輸入與輸出之間通過(guò)調(diào)節(jié)通斷比例 來(lái)控制輸出方波脈沖的寬度，使用合適的LC濾波器將方波脈沖平滑 成直流輸出。這種調(diào)整器稱(chēng)為BUCK調(diào)整器。
如圖1中所示，為BUCK型調(diào)整器的原理。其中開(kāi)關(guān)器件Ql作 為單刀單擲開(kāi)關(guān)與直流輸入電壓Vin串聯(lián)。Ql導(dǎo)通時(shí)VI點(diǎn)電壓為 Vin。 Ql關(guān)斷時(shí)，Vl點(diǎn)電壓迅速下降，因?yàn)槔m(xù)流二極管D的導(dǎo)通Vl 點(diǎn)電壓被鉗位在0V (設(shè)二極管D的壓降為0)。則VI點(diǎn)電壓波形 為矩形波。LC濾波器接于Vl和VO電壓之間，使輸出VO為直流電 壓。由于MOSFET ( MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor,金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)管具有更高的開(kāi)關(guān)速度， 和更低的導(dǎo)通損耗，在大多數(shù)BUCK變換器中都使用MOSFET作為 開(kāi)關(guān)器件。開(kāi)關(guān)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)雖然不會(huì)成為問(wèn)題，但是很麻煩。難處 在于驅(qū)動(dòng)N溝道的MOSFET時(shí)，門(mén)極電壓至少要比輸入電壓高5V， 或更有可能是高出10V(分別對(duì)1V和5V邏輯電壓的MOSFET來(lái)說(shuō))， 這導(dǎo)致電路中需要一個(gè)輔助電源提供高于輸入電壓的驅(qū)動(dòng)電路供 電，并且產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制電路與主開(kāi)關(guān)電路難以共地，影響其他輔助功能(如遙控)的實(shí)現(xiàn)。
解決這個(gè)問(wèn)題最容易的辦法，毫無(wú)疑問(wèn)是選用P溝道的 MOSFET，這樣只要把門(mén)極電平拉低就可以開(kāi)通了。但是傳統(tǒng)電路
使用下拉關(guān)斷電阻實(shí)現(xiàn)P溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)，如圖2中所 示，P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路一般使用下拉關(guān)斷電阻傳遞驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，用穩(wěn)壓二極管鉗位柵源極之間電壓不超出安全范圍(除非是輸入 電壓很低的變換器)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為高電平時(shí)Q2導(dǎo)通Q1柵源之間 電壓^Vir^R1/(Rl+R2 )當(dāng)這個(gè)電壓大于穩(wěn)壓二極管Dl的穩(wěn)壓值時(shí) Dl擊穿，將柵源極之間電壓限制在安全范圍，Dl的反向工作電流 全部流經(jīng)R2到地，開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為低電平時(shí)Q2截止， 電流流經(jīng)R1， R2給Q2的漏源極寄生電容Cj充電，直到Q1柵極電 壓接近輸入電壓時(shí)Q1關(guān)斷。在這個(gè)電路中電阻R1和R2的取值非常 困難，如果取值較小可以提高寄生電容的充電速度使Q1關(guān)斷時(shí)間縮 短，有利于提高效率，但這樣做會(huì)增大Q2導(dǎo)通期間流過(guò)R1， R2， Dl的電流，增加損耗，不利于提高效率。這樣的電路無(wú)法得到與所 期望效率相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)速度。而且啟動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)管Q1柵極電壓因寄生 電容充電速度慢會(huì)在短時(shí)間內(nèi)低于源級(jí)，造成開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通。
可見(jiàn)，這種電路帶來(lái)的缺點(diǎn)是幵關(guān)速度慢，驅(qū)動(dòng)損耗大，輸出 效率低。開(kāi)機(jī)時(shí)開(kāi)關(guān)管源極電壓快速上升，柵極電壓因寄生電容充 電速度慢會(huì)在短時(shí)間內(nèi)低于源級(jí)，造成開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通。
還有兩種常用于N溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路也可以用于P溝道 MOSFET的驅(qū)動(dòng)。
圖3為使用高速光耦隔離驅(qū)動(dòng)的BUCK型調(diào)整器的原理圖，使 用高速光耦隔離傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，增加不共地的輔助電源提供驅(qū)動(dòng)能量。這種電路驅(qū)動(dòng)MOSFET的速度可以很快。但使用器件很多成本 高，體積大。
圖4為使用隔離變壓器的驅(qū)動(dòng)電路的BUCK型調(diào)整器的原理 圖，使用隔離變壓器直接驅(qū)動(dòng)。雖然這種電路相比而言成本低廉， 而且工作性能良好。但受到最大占空比的限制，因?yàn)樽儔浩餍枰獣r(shí) 間復(fù)位。有時(shí)需要在變壓器副邊增加輔助電源和圖騰柱來(lái)提高驅(qū)動(dòng) 能力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服了上述缺點(diǎn)，本發(fā)明選用P溝道MOS管，可以省去隔 離器件簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，提供一種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、既保證柵源之間電 壓不超出安全范圍，又有很小的驅(qū)動(dòng)損耗的BUCK調(diào)整器中P溝道 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是 一種BUCK調(diào)整 器中P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，包括鉗位二極管、電阻和輸出電 容，所述鉗位二極管和電阻并聯(lián)在P溝道MOSFET源極和柵極之 間，陰極連接所述P溝道MOSFET的源極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)所述輸出 電容連接到P溝道MOSFET的柵極。
還包括一個(gè)鉗位電路和一個(gè)啟動(dòng)延時(shí)電路，所述鉗位電路包括 三極管、二極管和場(chǎng)效應(yīng)管，所述三極管的集電極連接所述P溝道 MOSFET的源極，發(fā)射極通過(guò)正向連接的所述二極管連接到所述P 溝道MOSFET的柵極，所述場(chǎng)效應(yīng)管的漏極經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻連接到所 述三極管的基極，源極接地，柵極連接到所述啟動(dòng)延時(shí)電路的控制 輸出端。
所述啟動(dòng)延時(shí)電路包括兩個(gè)比較電路，第一比較電路的反向輸入端通過(guò)電阻將基準(zhǔn)電壓分壓獲得翻轉(zhuǎn)閾值，同相輸入端連接有第 一電容，輸出端連接到鉗位電路中所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，第二比較 電路的反向輸入端通過(guò)電阻將輸入電壓分壓獲得翻轉(zhuǎn)閾值，同相輸 入端連接有第二電容。
本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路使用電容和二極管隔離直流電位傳遞方波驅(qū)動(dòng) 信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)和PWM調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈?電平時(shí)，這個(gè)電壓變化通過(guò)電容傳遞到柵極，柵極電壓下降，控制
P溝道MOSFET開(kāi)通。輸入電壓開(kāi)始通過(guò)柵極、源極之間并聯(lián)的電 阻給電容充電，使P溝道MOSFET柵極電壓緩慢上升。因?yàn)槌潆姇r(shí) 間常數(shù)取值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)通時(shí)間，不影響P溝道MOSFET正常工作。 驅(qū)動(dòng)信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這個(gè)電壓變化通過(guò)電容傳遞到柵 極，柵極電壓上升，控制P溝道MOSFET關(guān)斷。由于二極管的鉗 位，柵極電壓不能超過(guò)輸入電壓Vin。此外，使用三極管鉗位柵、源 極電壓，開(kāi)機(jī)時(shí)三極管CE結(jié)導(dǎo)通，使柵極電壓的上升速度同源極基 本一致，待柵極電壓上升結(jié)束，柵極、源極電壓相等時(shí)控制電路發(fā) 出信號(hào)關(guān)斷三極管，延遲一段時(shí)間再發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免了開(kāi)機(jī)時(shí) 開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通。在使用P溝道MOSFET作為開(kāi)關(guān)管的BUCK調(diào)整器 中，應(yīng)用此電路可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，減小驅(qū)動(dòng)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻 率，避免開(kāi)機(jī)時(shí)開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通，由此可以形成提高功率密度，提高 可靠性的效果。


圖1為BUCK型調(diào)整器的原理圖2為傳統(tǒng)采用P溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的BUCK型調(diào)整器的 原理圖；圖3為使用高速光耦隔離驅(qū)動(dòng)的BUCK型調(diào)整器的原理圖4為使用隔離變壓器的驅(qū)動(dòng)電路的BUCK型調(diào)整器的原理圖； 圖5為使用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路的BUCK型調(diào)整器的原理圖6為驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)序；
圖7為柵極電壓鉗位電路工作時(shí)序。
具體實(shí)施例方式
如圖1中所示，采用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路的BUCK型調(diào)整器包括P 溝道M0SFETQ1，在Q1的源極和柵極之間并聯(lián)有二極管Dl和電阻 Rl，所述二極管Dl的陰極連接Ql的源極，即電源輸入端Vin， PWM控制和驅(qū)動(dòng)電路輸出的脈寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)電容C1連接到Q1的 柵極。其中，所述PWM控制和驅(qū)動(dòng)電路為已有技術(shù)，這里不再贅 述。
本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路還包括一個(gè)鉗位電路和一個(gè)啟動(dòng)延時(shí)電路，所 述鉗位電路主要包括三極管VT1、 二極管D2和場(chǎng)效應(yīng)管Q2等，所 述三極管VT1的集電極連接電源輸入端Vin，發(fā)射極依次通過(guò)電阻 R6、正向連接的二極管D2連接到所述P溝道MOSFETQl的柵極， 場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極經(jīng)過(guò)電阻R4連接到所述三極管VT1的基極，源 極接地，柵極連接到所述啟動(dòng)延時(shí)電路的控制輸出端。
所述啟動(dòng)延時(shí)電路包括兩個(gè)由運(yùn)放IC1A和IC1B構(gòu)成的比較電 路，IC1A的反向輸入端通過(guò)電阻R39、 R40將基準(zhǔn)電壓Vref分壓獲 得翻轉(zhuǎn)閾值，同相輸入端連接有電容C35，輸出端連接到鉗位電路 中所述場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極，IC1B的反向輸入端通過(guò)電阻R16、 R18 將輸入電壓Vin分壓獲得翻轉(zhuǎn)閾值，同相輸入端連接有電容C36，輸 出端輸出控制信號(hào)給所述PWM控制和驅(qū)動(dòng)電路?；谏鲜鲭娐罚ぷ鬟^(guò)程如下如圖2中所示，PWM控制和驅(qū) 動(dòng)電路輸出脈寬信號(hào)，在t0時(shí)刻，輸出電容C1已經(jīng)完成充電，Ql
柵極電壓等于輸入電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷。U時(shí) 刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，因?yàn)殡娙軨l兩端電壓不能突 變，柵極電壓也會(huì)下降同樣的幅值，Ql開(kāi)通。tl t2時(shí)刻Vin通過(guò)電 阻Rl開(kāi)始緩慢的給Cl充電，柵極電壓緩慢上升。因?yàn)闀r(shí)間常數(shù) R1*C1取值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)通時(shí)間，柵極電壓上升的幅值很小，不影響 Ql正常工作。t2時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，這個(gè)電壓 變化通過(guò)電容Cl傳遞到柵極，柵極電壓上升，Ql關(guān)斷。由于二極 管D1的鉗位，柵極電壓不能超過(guò)輸入電壓Vin。
同圖2所示的傳統(tǒng)電路相比相當(dāng)于用電容C1替代了電阻R2。利 用電容的電平傳遞作用實(shí)現(xiàn)快速的柵極驅(qū)動(dòng)，又節(jié)省了驅(qū)動(dòng)電流流 過(guò)電阻產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)損耗。電阻R1不再擔(dān)任流過(guò)驅(qū)動(dòng)電流的作用，只 是Q1柵源之間的保護(hù)電阻，如果由于某種原因，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路停止 開(kāi)關(guān)工作，這個(gè)電阻能夠最終把門(mén)極關(guān)斷。所以這個(gè)電阻的值可以 取的較大，消耗的能量可以忽略。
所述鉗位電路的工作時(shí)序如圖7中所示，啟動(dòng)瞬間輸入電壓Vin 以很高的速率上升，Ql源極電壓也以同樣的速率上升。Ql柵極因 為電容C1充電，上升速率明顯低于源極，當(dāng)柵極電壓低于源極1.4V (設(shè)二極管D2壓降為0.7V，三極管BE結(jié)導(dǎo)通電壓0.7V。)時(shí)，三 極管VT1的BE結(jié)有電流ib流過(guò)，則電容C1的充電電流是(1+(3) *ib。這個(gè)經(jīng)過(guò)放大的充電電流提高Cl的充電速度。使柵源之間電 壓在輸入電壓建立過(guò)程中不超過(guò)開(kāi)啟的閥值，避免誤導(dǎo)通。電容Cl 充電完成后經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間Ta，控制電路作用使Q2導(dǎo)通將VT1基極電壓拉到地，使其可靠關(guān)斷，防止在正常工作狀態(tài)下給Cl充 電。再經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間Tb控制電路才發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Ql開(kāi)始正 常工作。
圖7中給出了啟動(dòng)延遲電路的工作原理其中，曲線(xiàn)l標(biāo)示輸入
電壓Vin的波形，曲線(xiàn)2表示Q1柵極電壓，曲線(xiàn)3表示Q2柵極電 壓。啟動(dòng)時(shí)基準(zhǔn)電壓Vref通過(guò)電阻R32給電容C35充電，決定延遲 時(shí)間Ta，當(dāng)電壓值高于IC1A反向輸入端電壓時(shí)IC1A輸出端翻轉(zhuǎn)為 高電平，開(kāi)通Q2。此時(shí)電容C36開(kāi)始充電(其充電時(shí)間決定延遲時(shí) 間Tb)，當(dāng)電壓值高于IC1B反向輸入端電壓時(shí)IC1B輸出端翻轉(zhuǎn)為 高電平，開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)電路。運(yùn)放IC1B還同時(shí)具有輸入過(guò)壓保護(hù)的功 能。
以上對(duì)本發(fā)明所提供的BUCK調(diào)整器中P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng) 電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí) 施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的 方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā) 明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所 述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1. 一種BUCK調(diào)整器中P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于包括鉗位二極管、電阻和輸出電容，所述鉗位二極管和電阻并聯(lián)在P溝道MOSFET源極和柵極之間，陰極連接所述P溝道MOSFET的源極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)所述輸出電容連接到P溝道MOSFET的柵極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的BUCK調(diào)整器中P溝道MOSFET的驅(qū) 動(dòng)電路，其特征在于還包括一個(gè)鉗位電路和一個(gè)啟動(dòng)延時(shí)電 路，所述鉗位電路包括三極管、二極管和場(chǎng)效應(yīng)管，所述三極 管的集電極連接所述P溝道MOSFET的源極，發(fā)射極通過(guò)正向 連接的所述二極管連接到所述P溝道MOSFET的柵極，所述場(chǎng) 效應(yīng)管的漏極經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻連接到所述三極管的基極，源極接 地，柵極連接到所述啟動(dòng)延時(shí)電路的控制輸出端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的BUCK調(diào)整器中P溝道MOSFET的驅(qū) 動(dòng)電路，其特征在于所述啟動(dòng)延時(shí)電路包括兩個(gè)比較電路， 第一比較電路的反向輸入端通過(guò)電阻將基準(zhǔn)電壓分壓獲得翻轉(zhuǎn) 閾值，同相輸入端連接有第一電容，輸出端連接到鉗位電路中 所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，第二比較電路的反向輸入端通過(guò)電阻將 輸入電壓分壓獲得翻轉(zhuǎn)閾值，同相輸入端連接有第二電容。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種BUCK調(diào)整器，特別涉及BUCK調(diào)整器中P溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，包括鉗位二極管、電阻和輸出電容，所述鉗位二極管和電阻并聯(lián)在P溝道MOSFET源極和柵極之間，陰極連接所述P溝道MOSFET的源極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)所述輸出電容連接到P溝道MOSFET的柵極。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)電路使用電容和二極管隔離直流電位傳遞方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)和PWM調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這個(gè)電壓變化通過(guò)電容傳遞到柵極，柵極電壓上升，控制P溝道MOSFET關(guān)斷。由于二極管的鉗位，柵極電壓不能超過(guò)輸入電壓Vin。啟動(dòng)時(shí)使用三極管鉗位柵源極電壓，三極管延遲一段時(shí)間關(guān)斷后再發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免開(kāi)關(guān)管誤動(dòng)作。
文檔編號(hào)H02M1/08GK101447729SQ20081024074
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者杜永生, 鄭曉云 申請(qǐng)人:北京新雷能有限責(zé)任公司;深圳市雷能混合集成電路有限公司