专利名称：Buck调整器中p沟道mosfet的驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种BUCK调整器，特别涉及BUCK调整器中P沟 道MOSFET的驱动电路。
背景技术：
取代线性调整器的开关型调整器早在20世纪60年代就开始使 用，它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间通过调节通断比例 来控制输出方波脉冲的宽度，使用合适的LC滤波器将方波脉冲平滑 成直流输出。这种调整器称为BUCK调整器。
如图1中所示，为BUCK型调整器的原理。其中开关器件Ql作 为单刀单掷开关与直流输入电压Vin串联。Ql导通时VI点电压为 Vin。 Ql关断时，Vl点电压迅速下降，因为续流二极管D的导通Vl 点电压被钳位在0V (设二极管D的压降为0)。则VI点电压波形 为矩形波。LC滤波器接于Vl和VO电压之间，使输出VO为直流电 压。由于MOSFET ( MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应管)管具有更高的开关速度， 和更低的导通损耗，在大多数BUCK变换器中都使用MOSFET作为 开关器件。开关的门极驱动虽然不会成为问题，但是很麻烦。难处 在于驱动N沟道的MOSFET时，门极电压至少要比输入电压高5V， 或更有可能是高出10V(分别对1V和5V逻辑电压的MOSFET来说)， 这导致电路中需要一个辅助电源提供高于输入电压的驱动电路供 电，并且产生驱动信号的控制电路与主开关电路难以共地，影响其他辅助功能(如遥控)的实现。
解决这个问题最容易的办法，毫无疑问是选用P沟道的 MOSFET，这样只要把门极电平拉低就可以开通了。但是传统电路
使用下拉关断电阻实现P沟道MOSFET的栅极驱动，如图2中所 示，P沟道MOSFET的驱动电路一般使用下拉关断电阻传递驱动信 号，用稳压二极管钳位栅源极之间电压不超出安全范围(除非是输入 电压很低的变换器)，当驱动脉冲为高电平时Q2导通Q1栅源之间 电压^Vir^R1/(Rl+R2 )当这个电压大于稳压二极管Dl的稳压值时 Dl击穿，将栅源极之间电压限制在安全范围，Dl的反向工作电流 全部流经R2到地，开关管Q1导通。当驱动脉冲为低电平时Q2截止， 电流流经R1， R2给Q2的漏源极寄生电容Cj充电，直到Q1栅极电 压接近输入电压时Q1关断。在这个电路中电阻R1和R2的取值非常 困难，如果取值较小可以提高寄生电容的充电速度使Q1关断时间縮 短，有利于提高效率，但这样做会增大Q2导通期间流过R1， R2， Dl的电流，增加损耗，不利于提高效率。这样的电路无法得到与所 期望效率相对应的开关速度。而且启动时开关管Q1栅极电压因寄生 电容充电速度慢会在短时间内低于源级，造成开关管误导通。
可见，这种电路带来的缺点是幵关速度慢，驱动损耗大，输出 效率低。开机时开关管源极电压快速上升，栅极电压因寄生电容充 电速度慢会在短时间内低于源级，造成开关管误导通。
还有两种常用于N沟道MOSFET的驱动电路也可以用于P沟道 MOSFET的驱动。
图3为使用高速光耦隔离驱动的BUCK型调整器的原理图，使 用高速光耦隔离传送驱动信号，增加不共地的辅助电源提供驱动能量。这种电路驱动MOSFET的速度可以很快。但使用器件很多成本 高，体积大。
图4为使用隔离变压器的驱动电路的BUCK型调整器的原理 图，使用隔离变压器直接驱动。虽然这种电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，因为变压器需要时 间复位。有时需要在变压器副边增加辅助电源和图腾柱来提高驱动 能力。
发明内容
为了克服了上述缺点，本发明选用P沟道MOS管，可以省去隔 离器件简化驱动电路，提供一种驱动结构简单、既保证栅源之间电 压不超出安全范围，又有很小的驱动损耗的BUCK调整器中P沟道 MOSFET的驱动电路。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是 一种BUCK调整 器中P沟道MOSFET的驱动电路，包括钳位二极管、电阻和输出电 容，所述钳位二极管和电阻并联在P沟道MOSFET源极和栅极之 间，阴极连接所述P沟道MOSFET的源极，驱动信号通过所述输出 电容连接到P沟道MOSFET的栅极。
还包括一个钳位电路和一个启动延时电路，所述钳位电路包括 三极管、二极管和场效应管，所述三极管的集电极连接所述P沟道 MOSFET的源极，发射极通过正向连接的所述二极管连接到所述P 沟道MOSFET的栅极，所述场效应管的漏极经过一个电阻连接到所 述三极管的基极，源极接地，栅极连接到所述启动延时电路的控制 输出端。
所述启动延时电路包括两个比较电路，第一比较电路的反向输入端通过电阻将基准电压分压获得翻转阈值，同相输入端连接有第 一电容，输出端连接到钳位电路中所述场效应管的栅极，第二比较 电路的反向输入端通过电阻将输入电压分压获得翻转阈值，同相输 入端连接有第二电容。
本发明驱动电路使用电容和二极管隔离直流电位传递方波驱动 信号实现开关管的栅极驱动和PWM调节。驱动信号由高电平变为低 电平时，这个电压变化通过电容传递到栅极，栅极电压下降，控制
P沟道MOSFET开通。输入电压开始通过栅极、源极之间并联的电 阻给电容充电，使P沟道MOSFET栅极电压缓慢上升。因为充电时 间常数取值远远大于开通时间，不影响P沟道MOSFET正常工作。 驱动信号由低电平变为高电平时，这个电压变化通过电容传递到栅 极，栅极电压上升，控制P沟道MOSFET关断。由于二极管的钳 位，栅极电压不能超过输入电压Vin。此外，使用三极管钳位栅、源 极电压，开机时三极管CE结导通，使栅极电压的上升速度同源极基 本一致，待栅极电压上升结束，栅极、源极电压相等时控制电路发 出信号关断三极管，延迟一段时间再发出驱动信号，避免了开机时 开关管误导通。在使用P沟道MOSFET作为开关管的BUCK调整器 中，应用此电路可以简化驱动电路，减小驱动损耗，提高开关频 率，避免开机时开关管误导通，由此可以形成提高功率密度，提高 可靠性的效果。
图1为BUCK型调整器的原理图2为传统采用P沟道MOSFET驱动电路的BUCK型调整器的 原理图；图3为使用高速光耦隔离驱动的BUCK型调整器的原理图4为使用隔离变压器的驱动电路的BUCK型调整器的原理图； 图5为使用本发明驱动电路的BUCK型调整器的原理图6为驱动电路工作时序；
图7为栅极电压钳位电路工作时序。
具体实施例方式
如图1中所示，采用本发明驱动电路的BUCK型调整器包括P 沟道M0SFETQ1，在Q1的源极和栅极之间并联有二极管Dl和电阻 Rl，所述二极管Dl的阴极连接Ql的源极，即电源输入端Vin， PWM控制和驱动电路输出的脉宽驱动信号通过电容C1连接到Q1的 栅极。其中，所述PWM控制和驱动电路为已有技术，这里不再赘 述。
本发明驱动电路还包括一个钳位电路和一个启动延时电路，所 述钳位电路主要包括三极管VT1、 二极管D2和场效应管Q2等，所 述三极管VT1的集电极连接电源输入端Vin，发射极依次通过电阻 R6、正向连接的二极管D2连接到所述P沟道MOSFETQl的栅极， 场效应管Q2的漏极经过电阻R4连接到所述三极管VT1的基极，源 极接地，栅极连接到所述启动延时电路的控制输出端。
所述启动延时电路包括两个由运放IC1A和IC1B构成的比较电 路，IC1A的反向输入端通过电阻R39、 R40将基准电压Vref分压获 得翻转阈值，同相输入端连接有电容C35，输出端连接到钳位电路 中所述场效应管Q2的栅极，IC1B的反向输入端通过电阻R16、 R18 将输入电压Vin分压获得翻转阈值，同相输入端连接有电容C36，输 出端输出控制信号给所述PWM控制和驱动电路。基于上述电路，工作过程如下如图2中所示，PWM控制和驱 动电路输出脉宽信号，在t0时刻，输出电容C1已经完成充电，Ql
栅极电压等于输入电压，驱动信号为高电平，开关管Q1关断。U时 刻，驱动信号由高电平变为低电平，因为电容Cl两端电压不能突 变，栅极电压也会下降同样的幅值，Ql开通。tl t2时刻Vin通过电 阻Rl开始缓慢的给Cl充电，栅极电压缓慢上升。因为时间常数 R1*C1取值远远大于开通时间，栅极电压上升的幅值很小，不影响 Ql正常工作。t2时刻，驱动信号由低电平变为高电平，这个电压 变化通过电容Cl传递到栅极，栅极电压上升，Ql关断。由于二极 管D1的钳位，栅极电压不能超过输入电压Vin。
同图2所示的传统电路相比相当于用电容C1替代了电阻R2。利 用电容的电平传递作用实现快速的栅极驱动，又节省了驱动电流流 过电阻产生的驱动损耗。电阻R1不再担任流过驱动电流的作用，只 是Q1栅源之间的保护电阻，如果由于某种原因，门极驱动电路停止 开关工作，这个电阻能够最终把门极关断。所以这个电阻的值可以 取的较大，消耗的能量可以忽略。
所述钳位电路的工作时序如图7中所示，启动瞬间输入电压Vin 以很高的速率上升，Ql源极电压也以同样的速率上升。Ql栅极因 为电容C1充电，上升速率明显低于源极，当栅极电压低于源极1.4V (设二极管D2压降为0.7V，三极管BE结导通电压0.7V。)时，三 极管VT1的BE结有电流ib流过，则电容C1的充电电流是(1+(3) *ib。这个经过放大的充电电流提高Cl的充电速度。使栅源之间电 压在输入电压建立过程中不超过开启的阀值，避免误导通。电容Cl 充电完成后经过一段延迟时间Ta，控制电路作用使Q2导通将VT1基极电压拉到地，使其可靠关断，防止在正常工作状态下给Cl充 电。再经过一段延迟时间Tb控制电路才发出驱动信号，Ql开始正 常工作。
图7中给出了启动延迟电路的工作原理其中，曲线l标示输入
电压Vin的波形，曲线2表示Q1栅极电压，曲线3表示Q2栅极电 压。启动时基准电压Vref通过电阻R32给电容C35充电，决定延迟 时间Ta，当电压值高于IC1A反向输入端电压时IC1A输出端翻转为 高电平，开通Q2。此时电容C36开始充电(其充电时间决定延迟时 间Tb)，当电压值高于IC1B反向输入端电压时IC1B输出端翻转为 高电平，开启驱动电路。运放IC1B还同时具有输入过压保护的功 能。
以上对本发明所提供的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动 电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实 施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的 方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发 明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所 述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1. 一种BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，其特征在于包括钳位二极管、电阻和输出电容，所述钳位二极管和电阻并联在P沟道MOSFET源极和栅极之间，阴极连接所述P沟道MOSFET的源极，驱动信号通过所述输出电容连接到P沟道MOSFET的栅极。
2. 根据权利要求1所述的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱 动电路，其特征在于还包括一个钳位电路和一个启动延时电 路，所述钳位电路包括三极管、二极管和场效应管，所述三极 管的集电极连接所述P沟道MOSFET的源极，发射极通过正向 连接的所述二极管连接到所述P沟道MOSFET的栅极，所述场 效应管的漏极经过一个电阻连接到所述三极管的基极，源极接 地，栅极连接到所述启动延时电路的控制输出端。
3. 根据权利要求2所述的BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱 动电路，其特征在于所述启动延时电路包括两个比较电路， 第一比较电路的反向输入端通过电阻将基准电压分压获得翻转 阈值，同相输入端连接有第一电容，输出端连接到钳位电路中 所述场效应管的栅极，第二比较电路的反向输入端通过电阻将 输入电压分压获得翻转阈值，同相输入端连接有第二电容。
全文摘要
本发明涉及一种BUCK调整器，特别涉及BUCK调整器中P沟道MOSFET的驱动电路，包括钳位二极管、电阻和输出电容，所述钳位二极管和电阻并联在P沟道MOSFET源极和栅极之间，阴极连接所述P沟道MOSFET的源极，驱动信号通过所述输出电容连接到P沟道MOSFET的栅极。本发明驱动电路使用电容和二极管隔离直流电位传递方波驱动信号实现开关管的栅极驱动和PWM调节，驱动信号由低电平变为高电平时，这个电压变化通过电容传递到栅极，栅极电压上升，控制P沟道MOSFET关断。由于二极管的钳位，栅极电压不能超过输入电压Vin。启动时使用三极管钳位栅源极电压，三极管延迟一段时间关断后再发出驱动信号，避免开关管误动作。
文档编号H02M1/08GK101447729SQ20081024074
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者杜永生, 郑晓云 申请人:北京新雷能有限责任公司;深圳市雷能混合集成电路有限公司