專利名稱：一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路，具體涉及寬帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、高速無(wú)線通信系統(tǒng)、空 間電子設(shè)備、驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及大功率電源控制器的產(chǎn)品應(yīng)用。
背景技術(shù)：
當(dāng)前寬帶通信技術(shù)、功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及大功率DC-DC控制器的高速發(fā)展，對(duì)功率 器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出越來(lái)越苛刻的要求，尤其是在某些系統(tǒng)中，要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升時(shí)間 和下降時(shí)間有一定的限制，這就對(duì)驅(qū)動(dòng)器的具體設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)上提出了新的挑戰(zhàn)。比如在 收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)部分，發(fā)送器在將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線的過(guò)程中，由于存在一系列的衰減以及失 真情況，需要在發(fā)送器的輸出加入隔離變壓器以及網(wǎng)絡(luò)匹配變壓器，此時(shí)，如果發(fā)送器輸出 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升時(shí)間與下降時(shí)間得不到控制，則耦合到變壓器另一端的信號(hào)幅度將會(huì)大大 增加，進(jìn)而有可能毀壞整個(gè)通信系統(tǒng)。因此，在具體的設(shè)計(jì)中必須考慮到這一點(diǎn)，即需要控 制發(fā)送器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間。另外，在大功率的DC-DC控制器中，由于功 率管存在dv/dt的問(wèn)題，S卩如果功率管柵極電壓變化過(guò)快，可能會(huì)燒壞功率器件，從而毀壞 電源系統(tǒng)。所以，此時(shí)也需要控制功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間。在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng) 斜率控制技術(shù)中，存在線性度、精度以及死區(qū)等等問(wèn)題，因此難以適應(yīng)現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)斜率 控制技術(shù)的特殊要求，本發(fā)明基于此提出了一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)當(dāng)前各種電子系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升時(shí)間與下降時(shí)間的特殊要求，本發(fā)明提出 了一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯控制信號(hào)由低到高時(shí)，由跨導(dǎo)運(yùn) 算放大器與驅(qū)動(dòng)功率管組成的負(fù)反饋環(huán)路使驅(qū)動(dòng)功率管的柵極電壓上升，并可以通過(guò)閉環(huán) 控制調(diào)整跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控柵極電壓的上升斜率與上升時(shí)間，從而精確控 制了驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的上升斜率與上升時(shí)間；同時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)由高到低時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)切 換使跨導(dǎo)運(yùn)算放大器與驅(qū)動(dòng)功率管組成的負(fù)反饋環(huán)路對(duì)功率管的柵極電壓進(jìn)行線性放電， 并可以通過(guò)閉環(huán)控制調(diào)整跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控柵極電壓的下降斜率與下降 時(shí)間，從而精確控制了驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的下降斜率與下降時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)大功率輸出，功率輸 出管的面積一般都較大，則其輸入端會(huì)存在較大的寄生電容。因此，在功率管輸入端電壓上 升的過(guò)程中，必然存在一定的死區(qū)時(shí)間，即輸入端電壓需要從零伏上升到開(kāi)啟電壓，該死區(qū) 時(shí)間會(huì)使輸出信號(hào)的上升沿與下降沿發(fā)生錯(cuò)位。針對(duì)這一死區(qū)，本發(fā)明公開(kāi)了一種相位補(bǔ) 償技術(shù)，可以有效減小功率管的開(kāi)啟時(shí)間，使功率管輸出信號(hào)上升沿與下降沿相位保持一 致。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，在簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和提高集成度的同時(shí)，更加有效地線性控制了驅(qū)動(dòng)輸 出信號(hào)的上升時(shí)間與下降時(shí)間，可以廣泛地應(yīng)用于大功率DC-DC控制器以及收發(fā)器等產(chǎn)品 中。
上述方案中，所述當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)由低到高時(shí)的負(fù)反饋環(huán)路是通過(guò)第一切換開(kāi)關(guān) 使跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的正相輸入端接至基準(zhǔn)電壓，負(fù)相輸入端通過(guò)隔離模塊接至驅(qū)動(dòng)器的輸 出，此時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓為零時(shí)，跨導(dǎo)運(yùn)算放大器通過(guò)第二切換開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)功率器件的控 制端進(jìn)行充電，隨著功率器件控制端電壓的上升，驅(qū)動(dòng)器輸出電壓也開(kāi)始上升，直到驅(qū)動(dòng)器 輸出電壓升至內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)功率器件一定時(shí)，其柵極寄生電容一定，則可以通過(guò)設(shè)置 跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的跨導(dǎo)即尾電流來(lái)調(diào)整功率器件柵極電壓的上升時(shí)間，從而精確控制了驅(qū) 動(dòng)器輸出電壓的上升時(shí)間。所述當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)由高到低時(shí)的負(fù)反饋環(huán)路是通過(guò)第一切換開(kāi)關(guān)使跨導(dǎo)運(yùn)算 放大器的正相輸入端接至地，負(fù)相輸入端通過(guò)隔離模塊接至驅(qū)動(dòng)器的輸出，此時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器 輸出電壓為基準(zhǔn)電壓時(shí)，跨導(dǎo)運(yùn)算放大器通過(guò)第二切換開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)功率器件的控制端進(jìn)行放 電，隨著功率器件控制端電壓的下降，驅(qū)動(dòng)器輸出電壓也開(kāi)始下降，直到驅(qū)動(dòng)器輸出電壓降 至跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的正相輸入端，即地電平。在電路設(shè)計(jì)對(duì)稱的情況下，此時(shí)的下降時(shí)間與 上升時(shí)間是完全相等的，得到了很好的一致性。所述相位補(bǔ)償模塊通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)的上升沿，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件控制端 的電壓預(yù)置，使得功率器件能及時(shí)導(dǎo)通，消除了死區(qū)時(shí)間。本發(fā)明通過(guò)閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)切換技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)上升斜率與下降斜率的控制。同時(shí)，在每次驅(qū)動(dòng)邏輯的上升沿到達(dá)時(shí)，對(duì)功率 器件的控制端進(jìn)行電壓預(yù)置，使驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的上升沿與下降沿相位延遲一致，保證了驅(qū) 動(dòng)器輸出信號(hào)的斜率受控性。


圖1為本文發(fā)明的斜率受控驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。圖2為本文發(fā)明的一種具體實(shí)現(xiàn)實(shí)例。圖3為驅(qū)動(dòng)器帶有死區(qū)時(shí)間的輸入輸出示意圖。圖4為消除死區(qū)的驅(qū)動(dòng)器輸入輸出示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。圖1為本發(fā)明的斜率受控驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，圖2為一種具體的實(shí)現(xiàn)實(shí)例。如圖1所示，開(kāi)關(guān)切換模塊10用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin，當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯 輸入信號(hào)Vin為高電平時(shí)，跨導(dǎo)運(yùn)算放大器20的正相輸入端80被切換至基準(zhǔn)電壓，假設(shè)為 Vkef ；當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin為低電平時(shí)，跨導(dǎo)運(yùn)算放大器20的正相輸入端80被切換至 地。如圖2所示，該第一切換開(kāi)關(guān)10的一種實(shí)現(xiàn)方式為，一個(gè)高電平接電源、低電平接地的 反相器與一個(gè)高電平接基準(zhǔn)電壓、低電平接地的反相器串聯(lián)組成。很明顯可以實(shí)現(xiàn)上述模 塊功能，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin為高電平時(shí)，第一個(gè)反相器的輸出為低電平，從而使第 二個(gè)反相器通過(guò)PMOS管Ml將輸出接至基準(zhǔn)電壓；當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin為低電平時(shí)，第 一個(gè)反相器的輸出為高電平，從而使第二個(gè)反相器通過(guò)NMOS管M2將輸出接至地信號(hào)。如圖1所示，跨導(dǎo)運(yùn)放20用于將輸入信號(hào)80與90的壓差轉(zhuǎn)化為電流輸出信號(hào)。 如圖2所示的20模塊為跨導(dǎo)運(yùn)放的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)實(shí)例?？紤]到輸出信號(hào)是從零到基準(zhǔn)電壓之間進(jìn)行變化，所以輸入級(jí)采用PMOS管M7與M8作為輸入對(duì)管，NMOS管MlO與Mll為第 一級(jí)的電流鏡負(fù)載，通過(guò)NMOS管M9與M12鏡像輸出。PMOS管M5與M6組成輸出級(jí)的電流 鏡，鏡像比例如圖2所標(biāo)。根據(jù)以上分析，輸入對(duì)管產(chǎn)生的電流為驅(qū)動(dòng)器輸出與內(nèi)部基準(zhǔn)壓 差轉(zhuǎn)化后的電流，且經(jīng)過(guò)負(fù)載電流鏡輸出電流至信號(hào)線100。此處跨導(dǎo)運(yùn)放的跨導(dǎo)可以通過(guò) 電阻R1、輸入對(duì)管的寬長(zhǎng)比以及負(fù)載電流鏡來(lái)調(diào)節(jié)。如圖1所示，第二切換開(kāi)關(guān)模塊30用于切換跨導(dǎo)運(yùn)放輸出的電流流向，當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏 輯輸入信號(hào)Vin為高電平時(shí)，由于跨導(dǎo)運(yùn)放需要輸出電流對(duì)功率管50的柵極進(jìn)行充電，所以 電流流向?yàn)樾盘?hào)線100到信號(hào)線110 ；當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin為低電平時(shí)，由于跨導(dǎo)運(yùn)放 需要輸出電流對(duì)功率管50的柵極進(jìn)行放電，所以電流流向?yàn)樾盘?hào)線110到信號(hào)線100。如 圖2中的30模塊所示為一種具體的實(shí)現(xiàn)方法，由一個(gè)反相器與一個(gè)傳輸門組成，反相器的 輸入接驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin，輸出接至傳輸門的PMOS管M13與NMOS管M14的柵極。當(dāng)驅(qū) 動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin為高電平時(shí)，反相器輸出為低電平，此時(shí)PMOS管M13導(dǎo)通，由于信號(hào)線 100的電平高于信號(hào)線110的電平，所以此時(shí)電流從信號(hào)線100流向信號(hào)線110對(duì)其進(jìn)行充 電；當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin為低電平時(shí)，反相器輸出為高電平，此時(shí)NMOS管M14導(dǎo)通，由于 信號(hào)線100的電平低于信號(hào)線110的電平，所以此時(shí)電流從信號(hào)線110流向信號(hào)線100對(duì) 其進(jìn)行放電。信號(hào)線100與信號(hào)線110的電平高低關(guān)系由信號(hào)線80與90的電平高低關(guān)系 決定。如圖1所示，相位補(bǔ)償模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的控制端進(jìn)行電壓預(yù)置，消除死 區(qū)時(shí)間。如果不進(jìn)行相位補(bǔ)償，即會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的情形。其中U為死區(qū)時(shí)間，、與tf 分別為上升時(shí)間與下降時(shí)間。如圖2所示為相位補(bǔ)償模塊的具體實(shí)現(xiàn)電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸 入信號(hào)Vin為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)下降，此時(shí)無(wú)需相位補(bǔ)償，所以PMOS管M15、M16與 M22被關(guān)斷，相位補(bǔ)償功能被屏蔽；當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào) 上升，功率驅(qū)動(dòng)管的柵極電壓開(kāi)始上升，此時(shí)需要加入相位補(bǔ)償，所以PMOS管M15、M16與 M22被打開(kāi)，由電阻R2支路產(chǎn)生的電流首先通過(guò)PMOS管電流鏡M18與M23鏡像至NMOS管 M20與M21，由于NMOS管M19與M20為對(duì)稱設(shè)計(jì)，所以由NMOS管M21產(chǎn)生的柵源電壓被傳 輸?shù)叫盘?hào)線110上，使得信號(hào)線110被快速提升至M21的柵源電壓上，即完成了相位提前的 功能。在具體設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)M21的寬長(zhǎng)比以及R2支路的電流，即可使Vlltl的初始 電壓為NMOS功率管50的閾值電壓，消除了功率管50的柵極電壓從零伏到閾值電壓的死區(qū) 時(shí)間，進(jìn)而保證了驅(qū)動(dòng)器輸出上升沿與下降沿的相位關(guān)系，精確控制了驅(qū)動(dòng)器輸出的上升 時(shí)間。如圖1、2所示，負(fù)載60)與隔離器70均采用了一種常見(jiàn)的電阻與緩沖器。綜上所述，當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin從低變高時(shí)，一方面，相位補(bǔ)償模塊迅速提升 功率器件的控制端電壓到開(kāi)啟電壓。另一方面，跨導(dǎo)運(yùn)放的正相輸入端通過(guò)第一切換開(kāi)關(guān) 被接至基準(zhǔn)電壓Vkef，負(fù)相輸入端通過(guò)緩沖器被接至驅(qū)動(dòng)器輸出，跨導(dǎo)運(yùn)放的輸出通過(guò)第二 切換開(kāi)關(guān)使電流流向功率輸出管的柵極。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出的上升時(shí)間由功率輸出管的柵 極寄生電容與跨導(dǎo)運(yùn)放的跨導(dǎo)決定。而此處的跨導(dǎo)又由跨導(dǎo)運(yùn)放的尾電流Ids、輸入對(duì)管M7 與M8的寬長(zhǎng)比、負(fù)載電流鏡的比例k決定。所以，在具體的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)設(shè)計(jì)以上參數(shù)， 即可得到合適的驅(qū)動(dòng)器輸出上升時(shí)間與上升斜率。同理，當(dāng)驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)Vin從高變低 時(shí)，跨導(dǎo)運(yùn)放的正相輸入端通過(guò)第一切換開(kāi)關(guān)被接至地，負(fù)相輸入端通過(guò)緩沖器被接至驅(qū)動(dòng)器輸出，跨導(dǎo)運(yùn)放的輸出通過(guò)第二切換開(kāi)關(guān)使電流從功率輸出管的柵極放電到地。此時(shí)， 驅(qū)動(dòng)器輸出的下降時(shí)間也由功率輸出管的柵極寄生電容與跨導(dǎo)運(yùn)放的跨導(dǎo)決定。由于跨導(dǎo) 運(yùn)放的對(duì)稱設(shè)計(jì)，下降時(shí)間與上升時(shí)間相等。 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，包括驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)、第一切換開(kāi)關(guān)、跨導(dǎo) 運(yùn)算放大器、第二切換開(kāi)關(guān)、相位補(bǔ)償、功率器件、隔離以及負(fù)載；第一切換開(kāi)關(guān)、跨導(dǎo)運(yùn)算 放大器、第二切換開(kāi)關(guān)、相位補(bǔ)償、功率器件以及負(fù)載依次順序連接，隔離器設(shè)置在驅(qū)動(dòng)輸 出與跨導(dǎo)運(yùn)放之間。
2.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)器的上升斜率通 過(guò)第一切換開(kāi)關(guān)將跨導(dǎo)運(yùn)放的正相輸入端接至基準(zhǔn)電壓，負(fù)相輸入端接至驅(qū)動(dòng)輸出來(lái)控 制；所述驅(qū)動(dòng)器的下降斜率通過(guò)第一切換開(kāi)關(guān)將跨導(dǎo)運(yùn)放的正相輸入端接至地，負(fù)相輸入 端接至驅(qū)動(dòng)輸出來(lái)控制。
3.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述相位補(bǔ)償模塊用來(lái)消 除功率器件的啟動(dòng)過(guò)程中的死區(qū)時(shí)間。
4.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述隔離模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)在 系統(tǒng)關(guān)閉以及極端條件下對(duì)內(nèi)部電路的保護(hù)。
5.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述跨導(dǎo)運(yùn)放通過(guò)檢測(cè)其 正相輸入端信號(hào)80與負(fù)相輸入端信號(hào)90的誤差，產(chǎn)生一定的輸出電流。1
6.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述第二切換開(kāi)關(guān)在驅(qū)動(dòng) 邏輯輸入信號(hào)VIN的高電平期間確定信號(hào)線100到信號(hào)線110的電流流向；而在驅(qū)動(dòng)邏輯 輸入信號(hào)VIN的低電平期間確定信號(hào)線110到信號(hào)線100的電流流向。
7.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述相位補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)在 驅(qū)動(dòng)邏輯輸入信號(hào)VIN從低跳變到高時(shí)，立即對(duì)信號(hào)線110進(jìn)行快速電壓提升至功率器件 的開(kāi)啟電壓。
8.如權(quán)利要求1所述一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述功率器件的控制端與 第二切換開(kāi)關(guān)以及相位補(bǔ)償模塊相連，其中信號(hào)線110為功率器件的輸入控制信號(hào)；所述 負(fù)載為驅(qū)動(dòng)器的輸出負(fù)載器件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種斜率受控的驅(qū)動(dòng)器，包括一個(gè)用于切換跨導(dǎo)運(yùn)算放大器輸入的第一切換開(kāi)關(guān)、一個(gè)用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出與內(nèi)部基準(zhǔn)的誤差并將其轉(zhuǎn)化為電流的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器、一個(gè)用于切換跨導(dǎo)運(yùn)算放大器輸出電流方向的第二切換開(kāi)關(guān)、一個(gè)用于消除功率管死區(qū)的相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)用于隔離驅(qū)動(dòng)器輸出與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的隔離網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)功率輸出器件以及驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器輸出端信號(hào)上升與下降的過(guò)程，調(diào)整跨導(dǎo)運(yùn)放的輸出電流，精確控制了驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的上升斜率與下降斜率。所公開(kāi)的相位補(bǔ)償技術(shù)，可以有效減小功率管的死區(qū)時(shí)間，使功率管輸出信號(hào)上升沿與下降沿相位保持一致。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102082552SQ20101057293
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者劉佑寶, 吳龍勝, 汪西虎, 郭仲杰 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所