可快速關(guān)斷pmos開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可快速關(guān)斷PMOS開(kāi) 關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 開(kāi)關(guān)變換器的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的性能要求也更高。MOS功率開(kāi)關(guān) 器件屬于電壓控制性器件，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓即可改變漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū) 動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，因此，在中小功率開(kāi)關(guān)變換器中的 開(kāi)關(guān)器件大多采用MOS管。
[0003] 從導(dǎo)電溝道的類型可將MOS功率開(kāi)關(guān)器件分為NMOS和PMOS器件，NMOS管形成導(dǎo) 電溝道的載流子是電子，PMOS管形成導(dǎo)電溝道的載流子是空穴，電子的迀移率比空穴的迀 移率大得多，所以在幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，NMOS管的跨導(dǎo)大、速度快、 電流大。因此NMOS管比PMOS更具有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍更廣，開(kāi)關(guān)電源或開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)器 件一般都采用NMOS開(kāi)關(guān)管。但在有些場(chǎng)合則不太適合采用NMOS管，如在BUCK、BUCK_B00ST 開(kāi)關(guān)變換器或LDO中，如果仍采用NMOS管，由于其源端沒(méi)有接地，而是在導(dǎo)通時(shí)處于相對(duì)較 高的電壓狀態(tài)，而要使NMOS開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，必須要求柵源電壓大于閾值電壓，因此，給其驅(qū)動(dòng) 帶來(lái)相當(dāng)?shù)碾y度，必須采用自舉電路或隔離驅(qū)動(dòng)電路，否則輸入與輸出將產(chǎn)生較大的壓差， 在引起可觀功率損耗的同時(shí)，輸入電源電壓的利用率也受到限制。
[0004] 在BUCK、BUCK-BOOST開(kāi)關(guān)變換器或LDO中，采用PMOS開(kāi)關(guān)管卻更具有優(yōu)勢(shì)。采 用PMOS管可以使源漏電壓降盡可能低，導(dǎo)通壓降可低到幾百毫伏，甚至0V，極大地減小了 變換器的功率損耗。因而，PMOS管的低壓差、低功耗性能在開(kāi)關(guān)電源或開(kāi)關(guān)變換器中受到 了關(guān)注和重視。但PMOS開(kāi)關(guān)管存在的柵源寄生電容影響開(kāi)關(guān)特性，尤其對(duì)關(guān)斷過(guò)程影響更 為嚴(yán)重，因而，也使其在應(yīng)用中受到限制。
[0005] MOSFET的開(kāi)關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)電路的性能密切相關(guān)，設(shè)計(jì)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路能夠有效地 改善MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，從而減少開(kāi)關(guān)損耗，提高整機(jī)效率及功率器件工作的穩(wěn)定性。因 此驅(qū)動(dòng)電路通常要求：① PWM觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；②開(kāi)通時(shí)以低電 阻為柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度； ③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓；④功率開(kāi)關(guān)管 開(kāi)關(guān)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大。
[0006] 常見(jiàn)NMOS管的驅(qū)動(dòng)電路可以分為直接驅(qū)動(dòng)型和隔離驅(qū)動(dòng)型兩種。直接驅(qū)動(dòng)型只 能驅(qū)動(dòng)NMOS管源極接地的場(chǎng)合，如BOOST變換器、正激及反激變換器等。而隔離型驅(qū)動(dòng)電 路的應(yīng)用相對(duì)較廣，其中主要包括電磁隔離和光耦隔離兩種形式。電磁隔離用脈沖變壓器 作為隔離元件，具有響應(yīng)速度快，原邊和副邊的絕緣強(qiáng)度高，但信號(hào)的最大傳輸寬度受到磁 飽和特性的限制，且脈沖變壓器體積大、笨重、工藝復(fù)雜，還會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。光耦隔離具有 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點(diǎn)，還需要額外提供 輔助電源，在高頻高效開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用受到限制。有少數(shù)驅(qū)動(dòng)電路可通過(guò)自舉電容實(shí)現(xiàn) 對(duì)變換器中高壓端開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)，但成本高，可靠性及脈沖寬度變化范圍受到限制。
[0007] 而專門(mén)用于PMOS管的驅(qū)動(dòng)電路卻很少見(jiàn)，為了使現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路或PWM控制器能正 常用于對(duì)PMOS管的控制或驅(qū)動(dòng)，提升BUCK、BUCK-BOOST開(kāi)關(guān)變換器或LDO的性能，針對(duì)現(xiàn) 有驅(qū)動(dòng)電路存在的缺點(diǎn)以及PMOS開(kāi)關(guān)器件不能快速關(guān)斷的問(wèn)題，急需提出一種可快速關(guān) 斷PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電路結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便且成本低、能夠有效保證PMOS開(kāi)關(guān)管快速關(guān)斷、實(shí)用性強(qiáng)的可快速關(guān)斷 PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路。
[0009] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種可快速關(guān)斷PMOS開(kāi)關(guān)管的 驅(qū)動(dòng)控制電路，其特征在于：包括NPN型三極管Ql和NPN型三極管Q2,電阻Rl、電阻R2、電 阻R3和電阻R4,以及電容C2 ;所述NPN型三極管Ql的基極為驅(qū)動(dòng)控制電路的輸入端，所述 NPN型三極管Ql的發(fā)射極與外部電源的負(fù)極輸出端VIN-相接，所述NPN型三極管Ql的集 電極與電阻Rl的一端相接，所述電阻Rl的另一端為驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出端；所述電容C2 和電阻R2串聯(lián)后的一端與NPN型三極管Ql的集電極相接，另一端與NPN型三極管Q2的基 極相接；所述NPN型三極管Q2的集電極與外部電源的正極輸出端VIN+相接，所述NPN型三 極管Q2的發(fā)射極與驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出端相接；所述電阻R3接在NPN型三極管Q2的基極 與發(fā)射極之間，所述電阻R4接在NPN型三極管Q2的集電極與發(fā)射極之間。
[0010] 上述的可快速關(guān)斷PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路，其特征在于：包括穩(wěn)壓二極管 D2,所述穩(wěn)壓二極管D2的陽(yáng)極與NPN型三極管Q2的發(fā)射極相接，所述穩(wěn)壓二極管D2的陰 極與NPN型三極管Q2的集電極相接。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種方法步驟簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，能夠有效保證PMOS開(kāi)關(guān)管快速關(guān) 斷的可快速關(guān)斷PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法包括以下步 驟：
[0012] 步驟一、選擇合適參數(shù)的電容C2以及電阻Rl、電阻R2、電阻R3和電阻R4,其具體 過(guò)程如下：
[0013] 步驟101、根據(jù)公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可快速關(guān)斷PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路，其特征在于泡括NPN型S極管Q1和 NPN型S極管Q2,電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4,W及電容C2 ;所述NPN型S極管Q1 的基極為驅(qū)動(dòng)控制電路（1)的輸入端，所述NPN型S極管Q1的發(fā)射極與外部電源的負(fù)極輸 出端VIN-相接，所述NPN型S極管Q1的集電極與電阻R1的一端相接，所述電阻R1的另一 端為驅(qū)動(dòng)控制電路（1)的輸出端；所述電容C2和電阻R2串聯(lián)后的一端與NPN型S極管Q1 的集電極相接，另一端與NPN型S極管Q2的基極相接；所述NPN型S極管Q2的集電極與外 部電源的正極輸出端VI化相接，所述NPN型ミ極管Q2的發(fā)射極與驅(qū)動(dòng)控制電路（1)的輸 出端相接；所述電阻R3接在NPN型S極管Q2的基極與發(fā)射極之間，所述電阻R4接在NPN 型=極管Q2的集電極與發(fā)射極之間。
2. 按照權(quán)利要求1所述的可快速關(guān)斷PM0S開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路，其特征在于：包括 穩(wěn)壓二極管D2,所述穩(wěn)壓二極管D2的陽(yáng)極與NPN型S極管Q2的發(fā)射極相接，所述穩(wěn)壓二極 管D2的陰極與NPN型S極管Q2的集電極相接。
3. -種設(shè)計(jì)如權(quán)利要求1所述可快速關(guān)斷PM0S開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路的方法，其特征 在于該方法包括W下步驟： 步驟一、選擇合適參數(shù)的電容C2W及電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4,其具體過(guò)程 如下： 步驟101、根據(jù)公5
選取電阻R1的阻值和電阻R4的阻值，其中， V?為外部電源的輸出電壓，VTH為PM0S開(kāi)關(guān)管的闊值電壓，VM為電阻R1兩端的電壓，e為 自然常數(shù)，C1為PM0S開(kāi)關(guān)管的柵極與源極之間的寄生電容，t。。為PM0S開(kāi)關(guān)管從NPN型S 極管Q1開(kāi)始導(dǎo)通到寄生電容C1充電到電壓值等于Vth的2倍所需的時(shí)間； 步驟102、根據(jù)公s'
選取電容C2的容值、電阻R2的阻值 和電阻R3的阻值，其中，twf為驅(qū)動(dòng)控制電路（1)接收到低電平的PWM控制信號(hào)到PM0S開(kāi) 關(guān)管關(guān)斷的時(shí)間，Vbe為NPN型S極管Q2的發(fā)射結(jié)電壓且取值為0. 7V; 步驟二、連接NPN型S極管Q1和NPN型S極管Q2,電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4，W及電容C2;其具體過(guò)程如下： 步驟201、將NPN型S極管Q1的發(fā)射極接到外部電源的負(fù)極輸出端VIN-，并將NPN型S極管Q2的集電極接到外部電源的正極輸出端VIN+ ; 步驟202、將電阻R1的一端W及串聯(lián)后的電容C2和電阻R2的一端接到NPN型S極管Q1的集電極，并將串聯(lián)后的電容C2和電阻R2的另一端接到NPN型S極管Q2的基極； 步驟203、將NPN型S極管Q2的發(fā)射極接到電阻R1的另一端，并將電阻R3接到NPN型S極管Q2的基極與發(fā)射極之間，將電阻R4接到NPN型S極管Q2的集電極與發(fā)射極之間。
4. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：步驟203后還要給驅(qū)動(dòng)控制電路中接入 穩(wěn)壓二極管D2,且將穩(wěn)壓二極管D2的陽(yáng)極接到NPN型S極管Q2的發(fā)射極，將穩(wěn)壓二極管D2的陰極接到NPN型S極管Q2的集電極。
5. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：步驟101中所述PMOS開(kāi)關(guān)管的柵極與源 極之間的寄生電容C1的取值為l(K)pF~5000pF。
6. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：步驟101中所述t。。的取值為50ns~ 300ns。
7. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：步驟101中所述Vth的取值為IV~4V。
8. 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：步驟102中所述twf的取值為50ns~ 300ns。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可快速關(guān)斷PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路，包括NPN型三極管Q1和NPN型三極管Q2，電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4，以及電容C2；NPN型三極管Q1的基極為驅(qū)動(dòng)控制電路的輸入端，NPN型三極管Q1的集電極與電阻R1的一端相接，電阻R1的另一端為驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出端；電容C2和電阻R2串聯(lián)后的一端與NPN型三極管Q1的集電極相接，另一端與NPN型三極管Q2的基極相接；NPN型三極管Q2的發(fā)射極與驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出端相接；本發(fā)明還公開(kāi)了一種可快速關(guān)斷PMOS開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便且成本低，設(shè)計(jì)方法步驟簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，市場(chǎng)前景廣闊。
【IPC分類】H02M1-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104795976
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510240067
【發(fā)明人】劉樹(shù)林, 鄧俊青, 郭星, 趙亞娟, 李青青, 聶燊, 汪子為, 王肖, 張瓊, 王磊
【申請(qǐng)人】西安科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年5月12日