可快速关断pmos开关管的驱动控制电路及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于PMOS开关管的驱动控制技术领域，具体涉及一种可快速关断PMOS开 关管的驱动控制电路及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 开关变换器的应用变得越来越广泛，对开关器件的性能要求也更高。MOS功率开关 器件属于电压控制性器件，通过调节栅极电压即可改变漏极电流，驱动电路简单，需要的驱 动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，因此，在中小功率开关变换器中的 开关器件大多采用MOS管。
[0003] 从导电沟道的类型可将MOS功率开关器件分为NMOS和PMOS器件，NMOS管形成导 电沟道的载流子是电子，PMOS管形成导电沟道的载流子是空穴，电子的迀移率比空穴的迀 移率大得多，所以在几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，NMOS管的跨导大、速度快、 电流大。因此NMOS管比PMOS更具有优势，应用范围更广，开关电源或开关变换器的开关器 件一般都采用NMOS开关管。但在有些场合则不太适合采用NMOS管，如在BUCK、BUCK_B00ST 开关变换器或LDO中，如果仍采用NMOS管，由于其源端没有接地，而是在导通时处于相对较 高的电压状态，而要使NMOS开关管导通，必须要求栅源电压大于阈值电压，因此，给其驱动 带来相当的难度，必须采用自举电路或隔离驱动电路，否则输入与输出将产生较大的压差， 在引起可观功率损耗的同时，输入电源电压的利用率也受到限制。
[0004] 在BUCK、BUCK-BOOST开关变换器或LDO中，采用PMOS开关管却更具有优势。采 用PMOS管可以使源漏电压降尽可能低，导通压降可低到几百毫伏，甚至0V，极大地减小了 变换器的功率损耗。因而，PMOS管的低压差、低功耗性能在开关电源或开关变换器中受到 了关注和重视。但PMOS开关管存在的栅源寄生电容影响开关特性，尤其对关断过程影响更 为严重，因而，也使其在应用中受到限制。
[0005] MOSFET的开关特性与驱动电路的性能密切相关，设计优良的驱动电路能够有效地 改善MOSFET的开关特性，从而减少开关损耗，提高整机效率及功率器件工作的稳定性。因 此驱动电路通常要求：① PWM触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；②开通时以低电 阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度； ③为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；④功率开关管 开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大。
[0006] 常见NMOS管的驱动电路可以分为直接驱动型和隔离驱动型两种。直接驱动型只 能驱动NMOS管源极接地的场合，如BOOST变换器、正激及反激变换器等。而隔离型驱动电 路的应用相对较广，其中主要包括电磁隔离和光耦隔离两种形式。电磁隔离用脉冲变压器 作为隔离元件，具有响应速度快，原边和副边的绝缘强度高，但信号的最大传输宽度受到磁 饱和特性的限制，且脉冲变压器体积大、笨重、工艺复杂，还会产生电磁干扰。光耦隔离具有 体积小，结构简单等优点，但却存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点，还需要额外提供 辅助电源，在高频高效开关电源中的应用受到限制。有少数驱动电路可通过自举电容实现 对变换器中高压端开关器件的驱动，但成本高，可靠性及脉冲宽度变化范围受到限制。
[0007] 而专门用于PMOS管的驱动电路却很少见，为了使现有驱动电路或PWM控制器能正 常用于对PMOS管的控制或驱动，提升BUCK、BUCK-BOOST开关变换器或LDO的性能，针对现 有驱动电路存在的缺点以及PMOS开关器件不能快速关断的问题，急需提出一种可快速关 断PMOS开关管的驱动控制电路。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结 构简单、实现方便且成本低、能够有效保证PMOS开关管快速关断、实用性强的可快速关断 PMOS开关管的驱动控制电路。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可快速关断PMOS开关管的 驱动控制电路，其特征在于：包括NPN型三极管Ql和NPN型三极管Q2,电阻Rl、电阻R2、电 阻R3和电阻R4,以及电容C2 ;所述NPN型三极管Ql的基极为驱动控制电路的输入端，所述 NPN型三极管Ql的发射极与外部电源的负极输出端VIN-相接，所述NPN型三极管Ql的集 电极与电阻Rl的一端相接，所述电阻Rl的另一端为驱动控制电路的输出端；所述电容C2 和电阻R2串联后的一端与NPN型三极管Ql的集电极相接，另一端与NPN型三极管Q2的基 极相接；所述NPN型三极管Q2的集电极与外部电源的正极输出端VIN+相接，所述NPN型三 极管Q2的发射极与驱动控制电路的输出端相接；所述电阻R3接在NPN型三极管Q2的基极 与发射极之间，所述电阻R4接在NPN型三极管Q2的集电极与发射极之间。
[0010] 上述的可快速关断PMOS开关管的驱动控制电路，其特征在于：包括稳压二极管 D2,所述稳压二极管D2的阳极与NPN型三极管Q2的发射极相接，所述稳压二极管D2的阴 极与NPN型三极管Q2的集电极相接。
[0011] 本发明还提供了一种方法步骤简单，实现方便，能够有效保证PMOS开关管快速关 断的可快速关断PMOS开关管的驱动控制电路的设计方法，其特征在于该方法包括以下步 骤：
[0012] 步骤一、选择合适参数的电容C2以及电阻Rl、电阻R2、电阻R3和电阻R4,其具体 过程如下：
[0013] 步骤101、根据公式
【主权项】
1. 一种可快速关断PMOS开关管的驱动控制电路，其特征在于泡括NPN型S极管Q1和 NPN型S极管Q2,电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4,W及电容C2 ;所述NPN型S极管Q1 的基极为驱动控制电路（1)的输入端，所述NPN型S极管Q1的发射极与外部电源的负极输 出端VIN-相接，所述NPN型S极管Q1的集电极与电阻R1的一端相接，所述电阻R1的另一 端为驱动控制电路（1)的输出端；所述电容C2和电阻R2串联后的一端与NPN型S极管Q1 的集电极相接，另一端与NPN型S极管Q2的基极相接；所述NPN型S极管Q2的集电极与外 部电源的正极输出端VI化相接，所述NPN型ミ极管Q2的发射极与驱动控制电路（1)的输 出端相接；所述电阻R3接在NPN型S极管Q2的基极与发射极之间，所述电阻R4接在NPN 型=极管Q2的集电极与发射极之间。
2. 按照权利要求1所述的可快速关断PM0S开关管的驱动控制电路，其特征在于：包括 稳压二极管D2,所述稳压二极管D2的阳极与NPN型S极管Q2的发射极相接，所述稳压二极 管D2的阴极与NPN型S极管Q2的集电极相接。
3. -种设计如权利要求1所述可快速关断PM0S开关管的驱动控制电路的方法，其特征 在于该方法包括W下步骤： 步骤一、选择合适参数的电容C2W及电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4,其具体过程 如下： 步骤101、根据公5
选取电阻R1的阻值和电阻R4的阻值，其中， V?为外部电源的输出电压，VTH为PM0S开关管的阔值电压，VM为电阻R1两端的电压，e为 自然常数，C1为PM0S开关管的栅极与源极之间的寄生电容，t。。为PM0S开关管从NPN型S 极管Q1开始导通到寄生电容C1充电到电压值等于Vth的2倍所需的时间； 步骤102、根据公s'
选取电容C2的容值、电阻R2的阻值 和电阻R3的阻值，其中，twf为驱动控制电路（1)接收到低电平的PWM控制信号到PM0S开 关管关断的时间，Vbe为NPN型S极管Q2的发射结电压且取值为0. 7V; 步骤二、连接NPN型S极管Q1和NPN型S极管Q2,电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，W及电容C2;其具体过程如下： 步骤201、将NPN型S极管Q1的发射极接到外部电源的负极输出端VIN-，并将NPN型S极管Q2的集电极接到外部电源的正极输出端VIN+ ; 步骤202、将电阻R1的一端W及串联后的电容C2和电阻R2的一端接到NPN型S极管Q1的集电极，并将串联后的电容C2和电阻R2的另一端接到NPN型S极管Q2的基极； 步骤203、将NPN型S极管Q2的发射极接到电阻R1的另一端，并将电阻R3接到NPN型S极管Q2的基极与发射极之间，将电阻R4接到NPN型S极管Q2的集电极与发射极之间。
4. 按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤203后还要给驱动控制电路中接入 稳压二极管D2,且将稳压二极管D2的阳极接到NPN型S极管Q2的发射极，将稳压二极管D2的阴极接到NPN型S极管Q2的集电极。
5. 按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤101中所述PMOS开关管的栅极与源 极之间的寄生电容C1的取值为l(K)pF~5000pF。
6. 按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤101中所述t。。的取值为50ns~ 300ns。
7. 按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤101中所述Vth的取值为IV~4V。
8. 按照权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤102中所述twf的取值为50ns~ 300ns。
【专利摘要】本发明公开了一种可快速关断PMOS开关管的驱动控制电路，包括NPN型三极管Q1和NPN型三极管Q2，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，以及电容C2；NPN型三极管Q1的基极为驱动控制电路的输入端，NPN型三极管Q1的集电极与电阻R1的一端相接，电阻R1的另一端为驱动控制电路的输出端；电容C2和电阻R2串联后的一端与NPN型三极管Q1的集电极相接，另一端与NPN型三极管Q2的基极相接；NPN型三极管Q2的发射极与驱动控制电路的输出端相接；本发明还公开了一种可快速关断PMOS开关管的驱动控制电路的设计方法。本发明电路结构简单，实现方便且成本低，设计方法步骤简单，实用性强，市场前景广阔。
【IPC分类】H02M1-08
【公开号】CN104795976
【申请号】CN201510240067
【发明人】刘树林, 邓俊青, 郭星, 赵亚娟, 李青青, 聂燊, 汪子为, 王肖, 张琼, 王磊
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年5月12日