無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路，不需要電荷泵升壓電路，通過控制傳輸門的打開和關閉，來控制N型DMOS功率管的柵源電壓，降低芯片設計和使用中的成本和復雜度，增加可靠性。在降低功耗的情況下，通過增加通路，快速泄放傳輸門中的P型MOS管柵極電荷，從而快速關閉傳輸門中的P型MOS管，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的快速開啟和關閉。
【專利說明】無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功率管驅(qū)動電路，尤其涉及一種應用在H橋電路上橋臂功率管中的無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的步進電機驅(qū)動芯片H橋電路中，功率管通常選用N型DMOS管，這是因為N型DMOS管中電子遷移率比P型DMOS管中空穴遷移率高，同樣面積的N型DMOS管的導通電阻更小，因此采用N型DMOS管可以減小芯片面積、降低芯片功耗。
[0003]這里針對的是H橋電路中上橋臂N型DMOS功率管的驅(qū)動電路。
[0004]在通常應用中，如圖1所示，為了降低H橋上橋臂功率管MN_UP的導通電阻，其驅(qū)動電路中包括電荷泵，需要通過電荷泵結構升壓得到高于電源電壓VBB的功率管柵極電壓G_UP,使得柵源電壓G_UP-S_UP高于功率管的開啟電壓，其中S_UP為功率管源極電壓，使上橋臂功率管工作在線性狀態(tài)。
[0005]該結構具體工作電壓電流波形如圖4所示，在t0數(shù)字控制信號CTL變?yōu)楦唠娖剑硎敬蜷_功率管MN_UP，此時MN_UP的柵極電壓Ve up開始升高，源極電流Is up開始增加，當Isjp增加到最大值后，MN_UP的源極電壓Vs UP開始隨Ve UP —起升高直到接近VBB電壓，Vg up電壓最后升高到VCP電壓，此時MN_UP打開，且處在線性區(qū)；在tl時刻數(shù)字控制信號CTL變?yōu)榈碗娖?，表示關閉功率管MN_UP，此時Ve UP開始降低，當Ve UP降低到VBB后，Vs UP也隨之降低，直到最后Ve up跟Vs up相等為一負值，此時Is up也降低至零，MN_UP關閉。
[0006]在該電路中，電荷泵增加芯片面積，需要添加單獨的芯片引腳，同時還需要外圍電路中添加電容，增加了芯片設計和使用的成本和復雜度，從而降低了芯片的可靠性。
[0007]但在特殊應用場合，比如輸出電流較小，對功率管導通電阻要求不高，或者不希望在外圍電路中添加過多電容的情況下，可以去掉電荷泵結構，同時修改功率管驅(qū)動電路的設計，以期降低芯片設計和使用中的成本和復雜度，增加可靠性。
[0008]因此本領域技術人員致力于開發(fā)一種無電荷泵升壓電路的功率管驅(qū)動電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路，不需要電荷泵升壓電路，通過控制傳輸門的打開和關閉，來控制N型DMOS功率管的柵源電壓，降低芯片設計和使用中的成本和復雜度，增加可靠性。在降低功耗的情況下，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的快速開啟和關閉。
[0010]本發(fā)明提供的無電荷泵結構的功率管驅(qū)動電路，功率管為N型DMOS管，包括多個N型MOS管、P型MOS管、電阻以及二極管，其中
[0011]P型MOS管MPO的源極通過電阻Rl連接到電源VBB，P型MOS管MPl的源極通過電阻R2連接到電源VBB，P型MOS管MP2的源極通過電阻R3連接到電源VBB ；
[0012]N型MOS管MNO與P型MOS管MP3組成傳輸門，N型MOS管MNO的漏極與P型MOS管MP3的源極連接，N型MOS管MNO的源極與P型MOS管MP3的漏極連接；
[0013]N型MOS管MNO的柵極與P型MOS管MPO的漏極連接，P型MOS管MP3的柵極與P型MOS管MP2的漏極連接；N型MOS管MNO的柵極與P型MOS管MPl的漏極連接；
[0014]二極管DO跨接于N型MOS管MNO的柵極和源極之間，二極管DO的負極與N型MOS管MNO的柵極連接；二極管Dl跨接于P型MOS管MP3，二極管Dl的正極與P型MOS管MP3的柵極連接；
[0015]N型MOS管麗I的漏極與P型MOS管MPO的漏極連接；N型MOS管麗I的源極與地電位GND連接；
[0016]功率管驅(qū)動電路還包括數(shù)字控制信號CTL、數(shù)字控制信號CTL_P以及數(shù)字控制信號CTL_N，其中數(shù)字控制信號CTL_P與數(shù)字控制信號CTL同相，數(shù)字控制信號CTL_N與數(shù)字控制信號CTL信號反相；
[0017]功率管驅(qū)動電路還包括將數(shù)字控制信號CTL通過電平轉(zhuǎn)換電路得到數(shù)字控制信號CTL_HP和數(shù)字控制信號CTL_HN信號，其中數(shù)字控制信號CTL_HP與數(shù)字控制信號CTL同相，數(shù)字控制信號CTL_HN與數(shù)字控制信號CTL信號反相，數(shù)字控制信號CTL_HN與數(shù)字控制信號CTL_HP在VBB-5V到VBB之間變化；
[0018]數(shù)字控制信號CTL_P為N型MOS管麗I的輸入信號；數(shù)字控制信號CTL_HP為P型MOS管MPO的輸入信號，數(shù)字控制信號CTL_HN為P型MOS管MPl的輸入信號；
[0019]P型MOS管MP3的源極與功率管的柵極連接，P型MOS管MP3的漏極與功率管的源極連接。
[0020]采用本發(fā)明提供的功率管驅(qū)動電路，不需要電荷泵升壓電路，通過控制傳輸門的打開和關閉，來控制N型DMOS功率管的柵源電壓，降低芯片設計和使用中的成本和復雜度，增加可靠性。
[0021]進一步地，功率管驅(qū)動電路還包括P型MOS管MP4、N型MOS管麗2、N型MOS管麗3、N型MOS管麗6和二極管D2，其中
[0022]P型MOS管MP4的源極與P型MOS管MP3的柵極連接，P型MOS管MP4的漏極與N型MOS管麗2的漏極連接，P型MOS管MP4的柵極與N型MOS管麗3的漏極連接，二極管D2跨接于P型MOS管MP4的源極和柵極之間，二極管D2的正極與P型MOS管MP4的柵極連接；
[0023]N型MOS管麗2的源極與地電位GND連接；
[0024]N型MOS管麗3的源極與P型MOS管MP6的漏極連接；
[0025]所述N型MOS管(MN6)的源極與地電位GND連接；
[0026]數(shù)字控制信號CTL_N為N型MOS管麗2的柵極和N型MOS管麗3的柵極的輸入信號。
[0027]采用上述功率管驅(qū)動電路，增加了 D2、MP4與麗2通路，能夠快速泄放傳輸門中的P型MOS管柵極電荷，從而快速關閉傳輸門中的P型MOS管，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的快速開啟和關閉。
[0028]進一步地，功率管驅(qū)動電路還包括N型MOS管MN4和N型MOS管麗5，其中
[0029]N型MOS管麗5跨接于N型MOS管麗I與地電位GND之間，N型MOS管麗5的漏極與N型MOS管麗I的源極連接，N型MOS管麗5的源極與地電位GND連接，N型MOS管麗5的柵極與N型MOS管MN4的柵極連接，N型MOS管麗5的柵極與N型MOS管MN6的柵極連接；
[0030]N型MOS管MN4的柵極與漏極連接，N型MOS管MN4的源極與地電位GND連接；
[0031]偏置電壓BIAS為N型MOS管MN4的柵極的輸入信號。
[0032]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路具有以下有益效果:
[0033](I)不需要電荷泵升壓電路，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的開啟和關閉；
[0034](2)通過采用限流措施，降低功率管驅(qū)動電路的功耗；
[0035](3)通過增加通路，快速泄放傳輸門中的P型MOS管柵極電荷，從而快速關閉傳輸門中的P型MOS管，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的快速開啟和關閉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是現(xiàn)有技術中帶有帶電荷泵功率管驅(qū)動電路的實現(xiàn)結構；
[0037]圖2是本發(fā)明的一個實施例的功率管驅(qū)動電路的實現(xiàn)結構；
[0038]圖3是本發(fā)明的一個實施例的功率管驅(qū)動電路的具體電路實現(xiàn)；
[0039]圖4是圖1所示的功率管驅(qū)動電路的具體工作電壓電流波形圖；
[0040]圖5是圖3所示的功率管驅(qū)動電路的具體工作電壓電流波形圖。
【具體實施方式】
[0041]如圖2所示,本發(fā)明的一個實施例的功率管驅(qū)動電路中不包括電荷泵結構,通過控制傳輸門的打開和關閉，來控制N型DMOS功率管的柵源電壓，即G_UP-S_UP，其中G_UP為N型DMOS功率管的柵極電壓，S_UP為N型DMOS功率管的源極電壓。
[0042]本實施例中的功率管驅(qū)動電路包括多個N型MOS管、P型MOS管、電阻以及二極管，其中
[0043]P型MOS管MPO的源極通過電阻Rl連接到電源VBB，P型MOS管MPl的源極通過電阻R2連接到電源VBB，P型MOS管MP2的源極通過電阻R3連接到電源VBB，RU R2和R3是限流電阻；
[0044]N型MOS管MNO與P型MOS管MP3組成傳輸門，N型MOS管MNO的漏極與P型MOS管MP3的源極連接，N型MOS管MNO的源極與P型MOS管MP3的漏極連接；
[0045]N型MOS管MNO的柵極與P型MOS管MPO的漏極連接，P型MOS管MP3的柵極與P型MOS管MP2的漏極連接；N型MOS管MNO的柵極與P型MOS管MPl的漏極連接；
[0046]二極管DO跨接于N型MOS管MNO的柵極和源極之間，二極管DO的負極與N型MOS管MNO的柵極連接；二極管Dl跨接于P型MOS管MP3，二極管Dl的正極與P型MOS管MP3的柵極連接；
[0047]N型MOS管麗I的漏極與P型MOS管MPO的漏極連接；N型MOS管麗I的源極與地電位GND連接；
[0048]反相器INV1、INV2和電平轉(zhuǎn)換電路，組成數(shù)字電路和模擬電路之間的接口電路；數(shù)字控制信號CTL經(jīng)過反相器INVl得到數(shù)字控制信號CTL_N，再經(jīng)過反相器INV2得到數(shù)字控制信號CTL_P，數(shù)字控制信號CTL_P與數(shù)字控制信號CTL同相，數(shù)字控制信號CTL_N與數(shù)字控制信號CTL信號反相；
[0049]數(shù)字控制信號CTL通過電平轉(zhuǎn)換電路得到數(shù)字控制信號CTL_HP和數(shù)字控制信號CTL_HN信號，其中數(shù)字控制信號CTL_HP與數(shù)字控制信號CTL同相，數(shù)字控制信號CTL_HN與數(shù)字控制信號CTL信號反相，數(shù)字控制信號CTL_HN與數(shù)字控制信號CTL_HP在VBB-5V到VBB之間變化；
[0050]數(shù)字控制信號CTL_P為N型MOS管麗I的輸入信號；數(shù)字控制信號CTL_HP為P型MOS管MPO的輸入信號，數(shù)字控制信號CTL_HN為P型MOS管MPl的輸入信號；
[0051]P型MOS管MP3的源極與功率管的柵極連接，P型MOS管MP3的漏極與功率管的源極連接。
[0052]本實施例中的功率管驅(qū)動電路工作過程如下:
[0053]數(shù)字控制信號CTL從低電平轉(zhuǎn)換到高電平時，功率管開啟:P型MOS管MPO關閉，N型MOS管麗I打開，D點電壓降低，導致N型MOS管MNO的柵源電壓低于開啟電壓，N型MOS管MNO關閉；P型MOS管MP2打開，電源VBB通過P型MOS管MP2對P型MOS管MP3的柵極充電，選取合適的限流電阻R3、R2的阻值，在功率管開啟過程中，P型MOS管MP3的柵源電壓小于閾值電壓，P型MOS管MP3關閉；P型MOS管MPl打開對功率管柵極充電，功率管打開。
[0054]數(shù)字控制信號CTL從高電壓轉(zhuǎn)換到低電平時，功率管關閉:P型MOS管MPl關閉，停止對功率管柵極充電；P型MOS管MP2關閉；N型MOS管麗I關閉，P型MOS管MPO打開，當功率管源極電壓隨著柵極電壓降低而降低時，D點電壓被上拉，N型MOS管MNO柵源電壓逐漸增大，最終N型MOS管MNO打開并一直維持直到數(shù)字控制信號CTL信號變化，在此期間，N型MOS管ΜΝ0、Ρ型MOS管MP3組成的傳輸門結構有效的開啟，使功率管柵源電壓短接，達到關閉功率管的目的。`
[0055]本實施例中的功率管驅(qū)動電路具體工作電壓電流波形如圖5所示，在t0數(shù)字控制信號CTL變?yōu)楦唠娖?，表示打開功率管MN_UP，此時MN_UP的柵極電壓Ve UP和源極電壓VsUP開始升高，源極電流Is—UP增加并很快達到最大值，最后電壓\ UP升高到VBB電壓，Vs up升高到接近VBB電壓，此時MN_UP打開，且處在飽和區(qū)；在〖1時刻數(shù)字控制信號CTL變?yōu)榈碗娖?，表示關閉功率管MN_UP，此時Ve UP和Vs UP —起降低，直到兩者相等并為一負值，此時Is UP也降低至零，MN_UP關閉。
[0056]采用本發(fā)明提供的功率管驅(qū)動電路，不需要電荷泵升壓電路，通過控制傳輸門的打開和關閉，來控制N型DMOS功率管的柵源電壓，降低芯片設計和使用中的成本和復雜度，增加可靠性。
[0057]進一步地，功率管驅(qū)動電路還包括P型MOS管MP4、N型MOS管MN6、N型MOS管麗2、N型MOS管麗3和二極管D2，其中
[0058]P型MOS管MP4的源極與P型MOS管MP3的柵極連接，P型MOS管MP4的漏極與N型MOS管麗2的漏極連接，P型MOS管MP4的柵極與N型MOS管麗3的漏極連接，二極管D2跨接于P型MOS管MP4的源極和柵極之間，二極管D2的正極與P型MOS管MP4的柵極連接；
[0059]N型MOS管麗2的源極與地電位GND連接；
[0060]N型MOS管麗3的源極與P型MOS管MP6的漏極連接；[0061 ] N型MOS管MN6的源極與地電位GND連接；
[0062]數(shù)字控制信號CTL_N為N型MOS管麗2的柵極和N型MOS管麗3的柵極的輸入信號。
[0063]數(shù)字控制信號CTL從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時，N型MOS管麗2、N型MOS管麗3打開，C點電壓降低，P型MOS管MP4管打開，P型MOS管MP3柵極電荷通過P型MOS管MP4、N型MOS管麗2通路釋放，B點電壓降低，直到柵壓接近零伏之前P型MOS管MP3管維持打開狀態(tài)。
[0064]采用上述功率管驅(qū)動電路，增加了 MP4與麗2通路，能夠快速泄放傳輸門中的P型MOS管MP3柵極電荷，從而快速關閉傳輸門中的P型MOS管MP3，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的快速開啟和關閉。
[0065]在H橋工作在反向充電模式時，P型MOS管MP3管打開，并且A點將維持在高電平，此時就會有持續(xù)電流通過D2、麗2、MN6通路，通過限流措施可以使該電流減小，從而降低的功耗。
[0066]進一步地，功率管驅(qū)動電路還包括N型MOS管MN4和N型MOS管麗5，其中
[0067]N型MOS管麗5跨接于N型MOS管麗I與地電位GND之間，N型MOS管麗5的漏極與N型MOS管麗I的源極連接，N型MOS管麗5的源極與地電位GND連接，N型MOS管麗5的柵極與N型MOS管MN4的柵極連接，N型MOS管麗5的柵極與N型MOS管MN6的柵極連接；
[0068]N型MOS管MN4的柵極與漏極連接，N型MOS管MN4的源極與地電位GND連接；
[0069]偏置電壓BIAS為N型MOS管MN4的柵極的輸入信號。
[0070]本發(fā)明提供的無電荷泵結構的低功耗功率管驅(qū)動電路，不需要電荷泵升壓電路，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的開啟和關閉；通過采用限流措施，降低功率管驅(qū)動電路的功耗；通過增加通路，快速泄放傳輸門中的P型MOS管柵極電荷，從而快速關閉傳輸門中的P型MOS管，實現(xiàn)H橋上橋臂N型DMOS功率管的快速開啟和關閉。
[0071]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發(fā)明的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種無電荷泵結構的功率管驅(qū)動電路，所述功率管為N型DMOS管，其特征在于，包括多個 N 型 MOS 管(MN0、MN1)、P 型 MOS 管(MP0、MP1、MP2、MP3)、電阻(R1、R2、R3)以及二極管(D0、D1)，其中 所述P型MOS管(MPO)的源極通過所述電阻(Rl)連接到電源(VBB)，所述P型MOS管(MPl)的源極通過所述電阻(R2)連接到所述電源(VBB)，所述P型MOS管(MP2)的源極通過所述電阻(R3)連接到所述電源(VBB)； 所述N型MOS管(ΜΝ0)與所述P型MOS管(MP3)組成傳輸門，所述N型MOS管(ΜΝ0)的漏極與所述P型MOS管(MP3)的源極連接，所述N型MOS管(MNO)的源極與所述P型MOS管(MP3)的漏極連接； 所述N型MOS管(MNO)的柵極與所述P型MOS管(MPO)的漏極連接，所述P型MOS管(MP3)的柵極與所述P型MOS管(MP2)的漏極連接；所述N型MOS管(MNO)的柵極與所述P型MOS管(MPl)的漏極連接； 所述二極管(DO)跨接于所述N型MOS管(MNO)的柵極和源極之間，所述二極管(DO)的負極與所述N型MOS管(MNO)的柵極連接；所述二極管(Dl)跨接于所述P型MOS管(MP3)，所述二極管(Dl)的正極與所述P型MOS管(MP3)的柵極連接； 所述二極管(DO)與所述二極管(Dl)為穩(wěn)壓二極管； 所述N型MOS管(麗I)的漏極與所述 P型MOS管(MPO)的漏極連接；所述N型MOS管(麗I)的源極與地電位(GND)連接； 所述功率管驅(qū)動電路還包括數(shù)字控制信號(CTL)、數(shù)字控制信號(CTL_P)以及數(shù)字控制信號(CTL_N)，其中所述數(shù)字控制信號(CTL_P)與所述數(shù)字控制信號(CTL)同相，所述數(shù)字控制信號(CTL_N)與所述數(shù)字控制信號(CTL)信號反相； 所述功率管驅(qū)動電路還包括將所述數(shù)字控制信號(CTL)通過電平轉(zhuǎn)換電路得到數(shù)字控制信號(CTL_HP)和數(shù)字控制信號(CTL_HN)信號，其中所述數(shù)字控制信號(CTL_HP)與所述數(shù)字控制信號(CTL)同相，所述數(shù)字控制信號(CTL_HN)與所述數(shù)字控制信號(CTL)信號反相，所述數(shù)字控制信號(CTL_HN)與所述數(shù)字控制信號(CTL_HP)在VBB-5V到VBB之間變化；所述數(shù)字控制信號(CTL_P)為所述N型MOS管(麗I)的輸入信號；所述數(shù)字控制信號(CTL_HP)為所述P型MOS管(MPO)的輸入信號，所述數(shù)字控制信號(CTL_HN)為所述P型MOS管(MPl)的輸入信號； 所述P型MOS管(MP3)的源極與所述功率管的柵極連接，所述P型MOS管(MP3)的漏極與所述功率管的源極連接。
2.如權利要求1所述的無電荷泵結構的功率管驅(qū)動電路，其特征在于，所述功率管驅(qū)動電路還包括P型MOS管(MP4)、N型MOS管(MN2)、N型MOS管(MN3)、N型MOS管(MN6)和二極管(D2)，其中 所述P型MOS管(MP4)的源極與所述P型MOS管(MP3)的柵極連接，所述P型MOS管(MP4)的漏極與所述N型MOS管(麗2)的漏極連接，所述P型MOS管(MP4)的柵極與所述N型MOS管(麗3)的漏極連接，所述二極管(D2)跨接于所述P型MOS管(MP4)的源極和柵極之間，所述二極管(D2)的正極與所述P型MOS管(MP4)的柵極連接； 所述N型MOS管(麗2)的源極與所述地電位(GND)連接； 所述N型MOS管(麗3)的源極與所述P型MOS管(MP6)的漏極連接；所述N型MOS管(MN6)的源極與地電位GND連接； 所述數(shù)字控制信號(CTL_N)為所述N型MOS管(麗2)的柵極和所述N型MOS管(麗3)的柵極的輸入信號。
3.如權利要求2所述的無電荷泵結構的功率管驅(qū)動電路，其特征在于，所述功率管驅(qū)動電路還包括N型MOS管(MN4)和N型MOS管(麗5)，其中 所述N型MOS管(麗5)跨接于所述N型MOS管(麗I)與所述地電位(GND)之間，所述N型MOS管(麗5)的漏極與所述N型MOS管(麗I)的源極連接，所述N型MOS管(麗5)的源極與所述地電位(GND)連接，所述N型MOS管(MN5)的柵極與所述N型MOS管(MN4)的柵極連接，所述N型MOS管(麗5)的柵極與所述N型MOS管(MN6)的柵極連接； 所述N型MOS管(MN4)的柵極與漏極連接，所述N型MOS管(MN4)的源極與所述地電位(GND)連接； 所述偏置電壓(BIAS)為所述N型MOS管(MN4)的柵極的輸入信號。
【文檔編號】H02M1/088GK103647438SQ201310702884
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】張明星, 王良坤, 朱鐵柱, 夏存寶, 陳路鵬, 黃武康 申請人:嘉興中潤微電子有限公司