一种低功耗、宽电源电压范围的栅极驱动集成电路的制作方法

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种低功耗、宽电源电压范围的栅极驱动集成电路。


背景技术：

2.栅极驱动集成电路是一种适用于功率开关器件的驱动电路，可用于驱动h桥电路，由于其具有便于集成，体积小等优点，广泛应用于直流电机、马达等各类电动工具中。
3.目前构成h桥的功率管有pmos功率管和nmos功率管，由于nmos比pmos有着更大的电流驱动能力，在大电流、高耐压的驱动电路中往往选用nmos功率管。集成电路中常选用薄栅氧的nmos功率管，其栅源耐压值约为5.5v。根据作为开关使用的mos管接在电源端还是地端，又将功率管分为了高边(high side)管和低边(low side)管两种，其栅极控制信号分别由高边栅极驱动电路和低边栅极驱动电路产生。当采用nmos作为高边功率管时，其漏极接电源端，源极接输出端，想要实现功率开关的导通，使输出电压近似等于电源电压，其栅极电压需要高于电源电压一个导通电压。如果栅极电压小于电源电压或者栅极电压与电源电压的差小于其导通电压，将会在高边功率管上产生较大的导通压降。
4.目前给高边功率管提供足够大的栅极电压，主要采用自举电路和电荷泵电路两种方式。自举电路与电荷泵电路都是利用电容储存能量，提供一个比电源电压高的电压给栅极，但是在电源电压较低的时候，电容需要储存更高的电压，较难实现且需要额外的电路元件，增大了电路面积，相应的也会增加芯片尺寸，提高成本。
5.在栅极驱动电路中，常采用电荷泵电路产生一个高于电源电压的电压，用于驱动高边(high side)功率管，以降低开关管导通电阻，进而降低功率管导通损耗。传统的栅极驱动集成电路如图1所示：
6.图1中第一电源电压vdd为逻辑电源，通常小于器件栅源耐压(5.5v)，第二电源电压vm为功率管电源。主要包括以下模块：
7.控制逻辑电路100，用于接收控制信号in1、in2并连接至栅极驱动电路200。
8.电源模块400，包括振荡器电路、电荷泵电路，为栅极驱动模块200中的gate_driver_1提供电源vh。
9.栅极驱动模块200，对控制逻辑电路100的输出信号进行电压域的转换，产生死区时间，逻辑判断。输出功率管栅极控制信号vg_hs、vg_ls，输出连接至功率管模块300。
10.功率管模块(半桥)300，根据控制信号vg_hs、vg_ls，导通或关断，且功率管n1、n2不能同时导通。
11.在电源模块400中，电荷泵电路输出vh＝vm vdd，为栅极驱动模块200中gate_driver_1供电；提供一个比第二电源电压vm高vdd的电压，vdd小于等于功率管模块中n1的栅源耐压值。
12.在驱动电路中，vg_hs与vg_ls不会同时为高，有三种工作状态。
13.1)当vg_hs为高电平，vg_ls为低电平时，即vg_hs＝vm vdd，vg_ls＝0，功率管模块
(半桥)300中n1导通，n2关断，out输出为高电平，即out＝vm。
14.2)当vg_hs为低电平，vg_ls为高电平时，即vg_hs＝0，vg_ls＝vdd，功率管模块(半桥)300中n1关断，n2导通，out输出为低电平，即out＝gnd。
15.3)当vg_hs和vg_ls均为低电平时，n1和n2均关断，输出高阻。
16.在n1、n2管分别导通时，其栅源电压(vgs)均为第一电源电压vdd。
17.在传统的栅极驱动集成电路中，n1、n2管分别导通时，其栅源电压(vgs)会随第一电源电压vdd减小而减小，而功率管的导通电阻与其过驱动电压vgs-vth成反比，因此，当vdd电压较低时，功率管n1或n2导通电阻增加，输出驱动电流变小。
18.在传统栅极驱动集成电路中，通过电荷泵电路产生一个高于电源电压的电压，用于驱动高边(high side)功率管，降低了导通电阻，减小功率管导通损耗；但是vdd的变化会使功率管导通阻抗发生变化。第一电源电压vdd较低时，功率管导通电阻变大，导通损耗变大，输出电流变小，不利于栅极驱动集成电路的使用。并且由于电路中使用电荷泵作为高边栅极驱动电路的电源，其一直处于工作状态，整个芯片功耗较大。


技术实现要素：

19.本发明的目的在于提供一种低功耗、宽电源电压范围的栅极驱动集成电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
20.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低功耗、宽电源电压范围的栅极驱动集成电路，其特征在于：包括有控制逻辑电路(101)，用于接收控制信号in1、控制信号in2并连接至高边栅极控制模块(105)、低边栅极控制模块(102)，还包括有电源模块(104)和振荡器模块(106)；
21.所述控制逻辑电路(101)分别与所述高边栅极控制模块(105)和所述低边栅极控制模块(102)电性连接；所述高边栅极控制模块(105)和所述低边栅极控制模块(102)上共同电性连接有功率管模块(103)；
22.所述功率管模块(103)中包括有高边功率管n1、低边功率管n2；
23.所述高边栅极控制模块(105)中包括有gate_driver_1、第一泵电路、第一与门、电平转换电路和第一检测电路，所述gate_driver_1的输入端和所述第一与门的一端共同电性连接逻辑控制模块，所述gate_driver_1的输出端电性连接所述第一泵电路，所述高边功率管n1的栅端与所述第一泵电路的输出端电性连接，所述第一与门的输出端与所述电平转换电路输入端电性连接，所述电平转换电路输出端与所述第一泵电路电性连接，所述第一检测电路与所述高边功率管n1的栅端和源端电性连接，所述第一检测电路的输出端与所述第一与门的一端电性连接；
24.所述低边栅极控制模块(102)中包括有gate_driver_2、第二泵电路、第二与门和第二检测电路，所述gate_driver_2的输入端和所述第二与门的一端共同电性连接逻辑控制模块，所述gate_driver_2的输出端电性连接所述第二泵电路，所述第二与门的输出端与所述第二泵电路电性连接，所述第二检测电路与所述低边功率管的栅端共同电性连接第二泵电路的输出端；所述第二检测电路的另一端与所述第二与门的一端电性连接。
25.优选的，所述电源模块中包括有电压选择电路和稳压电路，所述电压选择电路为所述高边栅极控制模块中的所述gate_driver_1提供电源vh1，所述稳压电路为所述电平转
换电路提供电源vh。
26.优选的，所述振荡器模块为所述高边栅极控制模块和所述低边栅极控制模块提供时钟信号clk。
27.优选的，所述高边栅极控制模块用于对所述控制逻辑电路的输出信号drv_hs进行电压域的转换，产生死区时间，逻辑判断，并对所述功率管模块中的高边功率管n1的栅源电压进行检测，输出控制信号vg_hs至所述功率管模块，驱动所述高边功率管n1的栅极。
28.优选的，所述高边栅极控制模块中的所述gate_driver_1用于高边逻辑信号的判断，产生死区时间，电压域的转换，即电源vdd转电源vh1。
29.优选的，所述电平转换电路对信号clk_hs的电压域进行转换，即电源vdd转电源vh；所述第一泵电路用于实现增压功能，即vg_hs的高电平最高达到vh1 vh；所述第一检测电路用于检测所述功率管模块中所述高边功率管n1管栅源电压vgs1，所述第一泵电路工作时，vg_hs持续上升，所述高边功率管n1栅源电压vgs1达到器件栅源耐压时，输出vg_hs_sw由高电平跳为低电平，将clk屏蔽，vg_hs电压不再继续上升，从而保护所述高边功率管n1。
30.优选的，所述低边栅极控制模块用于实现对所述控制逻辑电路的输出信号drv_ls进行逻辑判断，产生死区时间，并且对所述功率管模块(103)中的低边功率管n2的栅源电压进行检测，输出控制信号vg_ls至所述功率管模块(103)，驱动所述低边功率管n2的栅极。
31.优选的，所述低边栅极控制模块中的所述gate_driver_2用于低边逻辑信号的判断，产生死区时间；所述第二泵电路用于实现增压功能，即vg_ls的高电平最高可达到2倍的vdd。
32.优选的，所述第二检测电路用于检测所述功率管模块中的低边功率管n2的栅源电压vgs2，所述第二泵电路在工作时，vg_ls持续上升，所述低边功率管n2的栅源电压vgs2达到器件栅源耐压时，输出vg_ls_sw由高电平跳为低电平，将clk屏蔽，vg_ls电压不再上升，保护所述低边功率管n2。
33.优选的，所述功率管模块根据控制信号vg_hs和vg_ls实现导通或关断控制，且所述高边功率管n1和所述低边功率管n2不能同时导通。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
35.本发明提出一种低功耗、宽电压范围的栅极驱动集成电路，通过改变对高、低边驱动模块的供电方式与泵电路的合理使用，当第一电源vdd和第二电源vm的电压范围在较宽的范围内变化时，均能在保证功率管栅源电压不超过器件耐压的基础上，提供尽可能高的栅极控制电压，nmos功率管的导通电阻小，导通损耗小，输出驱动电流大，尤其是在低电源电压条件下，导通电阻也不会明显变大。
36.在低电源电压时，通过泵电路产生较高的栅极驱动电压；在高电源电压时，检测电路对nmos功率管的栅源电压进行检测，当功率管的栅源电压达到器件耐压时，关闭泵电路，使nmos功率管栅源电压维持在其耐压值(5.5v)，保证功率管的栅源电压不会超过器件耐压,防止nmos功率管击穿。
37.同时由于泵电路只在其所控制的功率管需要导通时才工作，即只工作于pwm控制信号的半个周期，与传统电荷泵结构的栅极驱动集成电路相比，功耗会大大降低。
38.本发明提出的栅极驱动集成电路，在添加简单电路元件的基础上，有效扩大了电路的电源电压工作范围，同时降低芯片的功耗，且适用于大多数bcd工艺，以期能解决现有
栅极驱动集成电路中使用电源电压范围较窄，功耗较大的问题，从而进一步拓宽栅极驱动集成电路的应用场景。
附图说明
39.图1为本发明的现有技术电路结构示意图；
40.图2为本发明的电路结构示意图。
41.图中：101、控制逻辑电路；102、低边栅极控制模块；103、功率管模块；104、电源模块；105、栅极控制模块；106、振荡器模块。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.请参阅图2，本发明提供一种技术方案：一种低功耗、宽电源电压范围的栅极驱动集成电路，其特征在于：包括有控制逻辑电路(101)，用于接收控制信号in1、控制信号in2并连接至高边栅极控制模块(105)、低边栅极控制模块(102)，还包括有电源模块(104)和振荡器模块(106)；
44.所述控制逻辑电路(101)分别与所述高边栅极控制模块(105)和所述低边栅极控制模块(102)电性连接；所述高边栅极控制模块(105)和所述低边栅极控制模块(102)上共同电性连接有功率管模块(103)；
45.所述功率管模块(103)中包括有高边功率管n1、低边功率管n2；
46.所述高边栅极控制模块(105)中包括有gate_driver_1、第一泵电路、第一与门、电平转换电路和第一检测电路，所述gate_driver_1的输入端和所述第一与门的一端共同电性连接逻辑控制模块，所述gate_driver_1的输出端电性连接所述第一泵电路，所述高边功率管n1的栅端与所述第一泵电路的输出端电性连接，所述第一与门的输出端与所述电平转换电路输入端电性连接，所述电平转换电路输出端与所述第一泵电路电性连接，所述第一检测电路与所述高边功率管n1的栅端和源端电性连接，所述第一检测电路的输出端与所述第一与门的一端电性连接；
47.所述低边栅极控制模块(102)中包括有gate_driver_2、第二泵电路、第二与门和第二检测电路，所述gate_driver_2的输入端和所述第二与门的一端共同电性连接逻辑控制模块，所述gate_driver_2的输出端电性连接所述第二泵电路，所述第二与门的输出端与所述第二泵电路电性连接，所述第二检测电路与所述低边功率管的栅端共同电性连接第二泵电路的输出端；所述第二检测电路的另一端与所述第二与门的一端电性连接。
48.具体的，所述电源模块104中包括有电压选择电路和稳压电路，所述电压选择电路为所述高边栅极控制模块105中的所述gate_driver_1提供电源vh1，所述稳压电路为所述电平转换电路提供电源vh；所述振荡器模块106为所述高边栅极控制模块102和所述低边栅极控制模块105提供时钟信号clk；所述高边栅极控制模块105用于对所述控制逻辑电路101的输出信号drv_hs进行电压域的转换，产生死区时间，逻辑判断，并对所述功率管模块103
中的高边功率管n1的栅源电压进行检测，输出控制信号vg_hs至所述功率管模块103，驱动所述高边功率管n1的栅极；所述高边栅极控制模块105中的所述gate_driver_1用于高边逻辑信号的判断，产生死区时间，电压域的转换，即电源vdd转电源vh1，所述电平转换电路对信号clk_hs的电压域进行转换，即电源vdd转电源vh；所述第一泵电路用于实现增压功能，即vg_hs的高电平最高达到vh1 vh；所述第一检测电路用于检测所述功率管模块103中所述高边功率管n1管栅源电压vgs1，所述第一泵电路工作时，vg_hs持续上升，所述高边功率管n1栅源电压vgs1达到器件栅源耐压时，输出vg_hs_sw由高电平跳为低电平，将clk屏蔽，vg_hs电压不再继续上升，从而保护所述高边功率管n1；所述低边栅极控制模块102用于实现对所述控制逻辑电路101的输出信号drv_ls进行逻辑判断，产生死区时间，并且对所述功率管模块(103)中的低边功率管n2的栅源电压进行检测，输出控制信号vg_ls驱动所述低边功率管n2的栅极；所述低边栅极控制模块102中的所述gate_driver_2用于低边逻辑信号的判断，产生死区时间；第二泵电路用于实现增压功能，即vg_ls的高电平最高可达到2倍的vdd；所述第二检测电路用于检测所述功率管模块103中的低边功率管n2的栅源电压vgs2，所述第二泵电路在工作时，vg_ls持续上升，所述低边功率管n2的栅源电压vgs2达到器件栅源耐压时，输出vg_ls_sw由高电平跳为低电平，将clk屏蔽，vg_ls电压不再上升，保护所述低边功率管n2；所述功率管模块103根据控制信号vg_hs和vg_ls实现导通或关断控制，且所述高边功率管n1和所述低边功率管n2不能同时导通。
49.在运行使用的时候，电源模块104中的电压选择电路可选择第一电源电压vdd和第二电源电压vm中电压较高的那个电源电压进行输出，即当vdd《vm时，vh1＝vm；当vdd≥vm时，vh1＝vdd。当电源电压vh1小于器件耐压值(5.5v)时，稳压电路的输出vh＝vh1；当vh1＝vm时，由于vm为功率管电源，可能超出器件的栅源耐压，此时稳压电路对vh1进行稳压，输出vh＝5.5v。
50.当高边管导通时，即功率管模块103中高边功率管n1导通，低边功率管n2关断，此时vg_hs为高电平，vg_ls为低电平，低边驱动控制模块102中第二泵电路关闭，输出out为高电平；高边驱动控制模块105中gate_driver_1输出vg_hs_v1为高电平，即vg_hs_v1＝vh1；时钟信号clk经电平转换电路转到vh电压域，驱动第一泵电路，控制信号vg_hs开始上升，输出out跟随vg_hs开始上升，此时高边功率管n1的栅源电压(vgs1＝vg_hs-out)小于器件耐压值(5.5v)，第一检测电路的输出vg_hs_sw为高电平，第一泵电路正常工作；若vh1 vh-vm小于器件栅源耐压(5.5v)，则第一泵电路的输出vg_hs电压最高可达到vh1 vh；若vh1 vh-vm大于器件栅源耐压(5.5v)时，则泵电路1的输出vg_hs电压上升至vm 5.5v时，第一检测电路的输出vg_hs_sw由高电平跳为低电平，时钟信号clk被屏蔽，vg_hs电压不再继续上升，使得高边功率管n1的栅源电压维持在5.5v。
51.当低边管导通时，即功率管模块103中高边功率管n1关断，低边功率管n2导通，此时vg_hs为低电平，vg_ls为高电平，高边驱动控制模块105中第一泵电路关闭，输出out为低电平；低边驱动控制模块102中gate_driver_2输出vg_ls_v1为高电平，即vg_ls_v1＝vdd；时钟信号clk驱动第二泵电路，控制信号vg_ls开始上升，第二检测电路对vg_ls电压进行检测，当vg_ls小于器件栅源耐压(5.5v)时，其输出vg_ls_sw为高电平，第二泵电路正常工作；若vdd≤2.75v，则vg_ls的高电平电压最高可达到2*vdd；当vdd》2.75v时，vg_ls电压上升至器件栅源耐压时，第二检测电路的输出vg_ls_sw由高电平跳为低电平，时钟信号clk被屏
蔽，vg_ls电压不再继续上升，使得低边功率管n2的栅源电压维持在5.5v。
52.综上；在第一电源电压vdd和第二电源电压vm取不同的电压范围时，高边功率管n1导通时的栅极控制电压vg_hs及栅源电压vgs1如下：
53.当vdd《vm≤5.5v时，vh1＝vh＝vm，高边功率管n1的栅极电压vg_hs为2*vm，其导通时的栅源电压vgs1为vm；
54.当vm》5.5v时，vh1＝vm，vh＝5.5v，高边功率管n1的栅极电压vg_hs为vm 5.5v，其导通时的栅源电压vgs1为5.5v；
55.当vm≤vdd，且2*vdd-vm≤5.5v时，vh1＝vh＝vdd，高边功率管n1的栅极电压vg_hs为2*vdd，其导通时的栅源电压vgs1为2*vdd-vm；
56.当vm≤vdd，且2*vdd-vm》5.5v时，vh1＝vh＝vdd，高边功率管n1的栅极电压vg_hs为vm 5.5v，其导通时的栅源电压vgs1为5.5v；
57.在第一电源电压vdd取不同的电压范围时，低边功率管n2导通时的栅极控制电压vg_ls及栅源电压vgs2如下：
58.当2.75v《vdd≤5.5v时，低边功率管n2的栅极电压vg_ls为5.5v，其导通时的栅源电压vgs2为5.5v；
59.当vdd≤2.75v时，低边功率管n2的栅极电压vg_ls为2*vdd，其导通时的栅源电压vgs2为2*vdd。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。