（微电子学与固体电子学专业论文）一种高速高压半桥驱动电路的分析与设计.pdf

摘要 本文设计了一种可应用于高频开关电源、电机控制的高速、高压半桥驱动电路，其 具有可驱动两个中功率m o s f e t 或i g b t 管、实现d c a c 逆变等功能。 论文的主要工作有：描述了高压集成电路( h v i c ) 的主要技术和应用领域；对驱 动电路的主要结构与特性进行了分析研究，依据应用要求提出了半桥驱动电路的结构方 案，并对电路的主要参数进行了分析计算；详细分析设计了主要模块电路即输入级电路、 死区时间产生电路、欠压保护电路、高电平位移电路与输出级电路的结构与功能。 输入级电路实现了t t l 的5 v 输入电平到1 5 v 电平的位移，并对输入波形进行了整形； 死区时间产生电路控制高低两路产生了两个有时间间隔的信号，避免了输出同时为高电 平而导致的直通现象；欠压保护电路通过采样电压与基准电压相比较，输出一个高电平， 锁定高低两路信号输出；电平位移电路实现了脉冲信号由低到高的平移，为了避免普通 m o s 管被高压击穿，采用了具有特殊结构的耐高压l d m o s 管；为了防止静电效应与噪 声干扰，在输入输出端设置了e s d 保护。 采用了华润上华的0 5 i _ t m c m o s i 艺模型，运用h s p i c e 与s p e c t r e 软件对各个电路模块 进行了仿真分析，验证了设计的合理性。最后，采用版图设计软件c a d e n c e 中的v i r t u o s o l a y o u te d i t o r 对电路的版图进行了设计，取得了预期效果。 关键词 高压集成电路、半桥、电平位移、l d m o s 器件、版图 d e s i g no f ah i g h s p e e da n dh i g h - - v o l t a g eh a l f - b r i d g ed r i v e rc i r c u i t a b s t r a c t a h i g h - v o l t a g eh a l f - b r i d g ed r i v ec i r c u i tw i t hh i g h s p e e dw a sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h i sd r i v ec i r c u i t c a nb eu s e di nh i g h f r e q u e n c ys w i t c h i n ga n dm o t o rc o n t r o la n dc a na l s od r i v et w om o s f e t o ri g b tw i t h m i d d l ep o w e r i np a r t i c u l a r , i tc a nc o m p l e t ed c a ci n v e r t i o n f i r s t l y , t h ec o r et e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n sa b o u tt h eh i g h v o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t ( h v i c ) w a si n t r o d u c e d ，t h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft h e d r i v ec i r c u i tw a si l l u s t r a t e d ，a n d t h es t r u c t u r eo ft h eh a l f - b r i d g ed r i v ec i r c u i tw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n r e x l u i r c m e n t t h e nt h em a i np a r a m e t e r so ft h ed r i v ec i r c u i tw a sa n a l y z e d t h ec o r em o d u l e s u c ha st h ei n p u tc i r c u i t ，t h ed e a d t i m ec i r c u i t ，t h es h o r t v o l t a g es a f e g u a r dc i r c u i t ，t h el e v e l s h i f tc i r c u i ta n dt h eo u t p u tc i r c u i tw a sd e s i g n e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l t h et t li n p u tv o l t a g eo ft h ei n p u tc i r c u i tw a si nt h er a n g eo f5 vt o15 v ，a n dt h ei n p u t w a v e f o r mw a sr e g u l a t e d t h et w oi n t e r v a ls i g n a lw a sg e n a r a t e db yt h ed e a d t i m ec i r c u i tt o p r e v e n tt h et h r o u g hp h e n o m e n o nf r o mt h eh i g ho u t p u tv o l t a g es i m u l t a n e o u s l y t h eh i g h o u t p u tv o l t a g ee x i s t e db yt h ec o m p a r a t i o no f t h es a m p l i n gv o l t a g ea n dt h er e f e r e n c ev o l t a g e i nt h es h o r t v o l t a g es a f e g u a r dc i r c u i ta n dt h eh i g hv o l t a g es i g n a la n dt h el o wv o l t a g ew a s l o c k e d t h ev o l t a g el e v e lc o u l db es h i f t e d t h eh i g hv o l t a g et ot h el o wv o l t a g eb yt h e l e v e ls h i f tc i r c u i t t h el d m o sd e v i c e sw i t hs p e c i a ls t r u c t u r ew a su s e dt oa v o i db r e a k d o w no f t h ec o m m o nm o sd e v i c e s ，a n dt h ee s dp r o t e c t i o nw a sp c r f o r m r dt oa v o i dt h ee l e c t r o s t a t i c e f f e c ta n dt h en o i s ei nt h ei n p u ta n do u t p u t f i n a l l y , w i t ht h ec s m c0 5 t mt e c h n o l o g yp r o c e s s ，e a c hm o d u l eo f t h eh a l f - b r i d g ed r i v e c i r c u i tw a ss i m u l t e db yu s i n gt h es o f l w a r e so fh s p i c ea n ds p e c t r et ov e f r i f yt h ew h o l ed e s i g n s t h e nt h el a y o u to ft h ed r i v ec i r c u i tw a sd e s i g n e db yu s i n gc a d e n c ev i r t u o s o t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw a sr e a s o n a b l e k e y w o r d s h i g h v o l t a g ei c ，h a l f - b r i d g e ，l e v e ls h i f t ，l d m o sd e v i c e ，l a y o u t u i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：j 蚣指导教师签名：与逸盘， 7 肜年6 月协日 口库多月1 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：密叭 珈肜年6 月猡日 第一章绪论 随着微电子技术的进步，八十年代，新型功率m o s 器件和以其为基础的高压功率 集成电路( h i g h v o l t a g c p o w e d c ，h v p i c ) 和智能功率集成电路( s m a r t p o w e r i c ，s p i c ) 迅速 发展起来，它们与功率半导体、信息电子学、超大规模集成电路、电机学和计算机辅助 设计结为一体，成为未来工业自动化、汽车制造业、航空航天技术和其它高新技术工业 的基础产业【l 】。随着近几十年电子电力技术与微电子技术的大力发展，高压功率集成电 路得到了迅速发展，被各个领域所广泛采用，为行业的发展翻开了新的一页。广泛应用 于电子镇流器中的半桥驱动电路即属于高压集成电路，其众多的优点决定了它具有强大 的生命力，为了争夺这块市场，各大i c 厂商已投入驱动芯片的生产。 1 1 高压集成电路 高压集成电路( h i g h v o l t a g c i c ，h v i c ) 是将高压器件与低压控制集成在同一芯 片上的一种集成电路，高压集成电路的出现，大大地简化了功率电路，使其在重量、 价格、体积方面都有大幅度的减小，它自身经历了一系列的发展，目前，它可以应用到 宇航、工业和日用消费品，比如：电信、信号处理、遥控、显示驱动、手提式计算机、 空调以及汽车等多个领域。总的来说，高压集成电路的研究与发展，归功于高压器件、 高压集成电路工艺以及设计技术的发展【2 1 。 高压器件主要分为高压m o s 器件与高压双极器件，相比高压双极器件来说，主要具 备输入阻抗高、开关速度快等优点，因此，使得高压m o s 器件得到了更加广泛的应用。 高压m o s 器件主要有横向器件与纵向器件两大类，典型的纵向器件为双重扩散m o s ( v d m o s ) ；而典型的横向器件为横向双重扩散m o s ( l d m o s ) 。高压集成电路工艺也 有多方面的技术要求，如隔离技术分为结隔离( j i ) 、介质隔离( d i ) 和准介质隔离( q d i ) 三大类；结终端技术包含场限环( f l r ) 技术，场板( f p ) 技术，结终端扩展( j t e ) 技术， 减小表面电场( r e s u r f ) 技术，以及场板与场限环( f p f l r ) 等多种技术【3 】，这些技术保 证了c m o s 与h v i c 工艺的兼容，保证高压器件工作的同时，不影响低压控制电路。 设计电路的时候，不同于低压i c 的是高压i c 应充分考虑到版图寄生参数、瞬态、大 电流、热梯度和噪声等因素。当信号横跨另一个信号时，通常会出现杂散的漏电流，设 计版图时应考虑它的寄生参数；当耐压大于i o o v 时，就必须考虑加终端结构，以改善电 场的分布不均的情况，减弱表面电场，使击穿电压达到要求；设计高压i c 时，高压脉冲 第一章绪论 信号和长时间加电这两种情况都有可能出现大的脉冲，这时必须考虑电路的瞬态电压或 电流：发热会破坏电流镜或带隙基准源的平衡，需采用一些补偿技术，以改善电路的对 称性与热均匀性：此外，设计电路时，必须注意接口等部分的噪声，优化电路，使其噪 声尽量的降低【4 】。 总的来说，高压集成电路将继续向高压、高速、低功耗、低芯片占用面积方向发展， 对高压集成电路关键技术的研究，必然会促进高压集成电路的进一步发展，进而促进以 高压集成电路为基础的传统工业与高新技术的迅速发展。 1 2 电子镇流器 1 2 1 镇流器的类别与特点 气体放电灯的镇流器主要分为两大类：( 1 ) 电感式镇流器，包括了普通型和 节能型两类；( 2 ) 电子式镇流器，这类镇流器产品中也有谐波含量大小、能耗大 小不同的一系列产品。 电感式镇流器的普通型和节能型镇流器没有明确的界限，不便推广应用。从 荧光灯( 俗称日光灯) 问世以来，人们一直采用电感式镇流器并配之启辉器作为 稳流和启动附件。到目前为止，电感式镇流器仍然被一些家庭或是工业照明所采 用，欧盟已经禁止使用的c 级和d 级电感镇流器，我国颁布的国家标准建筑照 明设计标准( g b 5 0 0 3 4 2 0 0 4 ) 中也明确规定了不应使用这种两级电感镇流器。 节能型电感镇流器的主要优点是：节能性好；可靠性高使用寿命长。主要缺点是： 使用工频点灯，有噪音，存在频闪效应；自然功率因数低：消耗金属材料多，体 积大，比较重。 7 0 年代末，飞利浦等公司先后研制成功了荧光灯交流镇流器，成为照明电器 发展史上的一项重大创新。我国对高频电子镇流器的研究始于8 0 年代中期，8 6 年 后，该产品陆续推向市场【5 】。电子镇流器的优点是：提高了电网利用水平，真正意 义上达到了节能；消除了频闪，发光更稳定；避免了多次起点，起点更可靠；功 率因数高；稳定输入功率和输出光通量；延长了灯管寿命：噪音低，人们基本感觉 不到噪音；可以调光。而其也存在缺点：注重谐波含量；比较注重产品质量和水 平，当前市场上的产品鱼龙混杂、良莠不齐。 虽然电子镇流器有它的缺陷所在，但是它的众多优点决定了它的强大生命力， 对于提高照明系统能效和质量有明显优势。由于电子镇流器重量轻、易启动、节 2 西北大学硕士学位论文 能性好，且伴随着世界性的能源危机，使它的优点更加明显，电子镇流器的应用 将带来多方面的效益提升。 1 2 2 电子镇流器的工作原理 金卤灯或是h i d 灯等具有负阻特性不能直接加在电压源上，必须与镇流器串联才 能稳定地工作，图1 - 1 为国内外普遍研究的交流镇流器的基本结构。首先通过桥式整流 电路将交流电转换成直流电。电子镇流器大多采用电解电容作为滤波器，将脉动的直流 电压变成纹波较小的平滑直流电压。由于电子镇流器中存在整流，整流二极管只在极短 的时间内导通，窄脉冲电流会造成网侧电流发生畸变，需要功率因数校正电路来提高电 路的功率因数。其输出经过振荡电路和功率放大电路，最终变成高频交流电去驱动荧光 灯管发光。半桥驱动电路具有较高的可靠性，所以被镇流器广泛采用，它是系统的核心， 也是系统的主要热源，对镇流器起着决定性作用 6 1 。 1 3 半桥驱动芯片 图1 1 典型电子镇流器的基本结构 性能良好的驱动电路能使电力电子器件开关时间缩短，开关功耗降低，实现过流过 压保护，提高了器件的工作效率、可靠度与安全性【_ 7 1 。目前，富士、三菱、惠普、摩托 罗拉、瓜等公司已推出一系列具有很强驱动能力的芯片，如e m b 8 4 1 、m 5 7 9 5 9 、1 r 2 1 3 0 s 等。针对m o s 栅极的高速高压自振荡半桥驱动集成电路，作为业界翘楚的瓜公司与摩托 罗拉公司生产出多款具有代表性的芯片，如m p i c 2 1 5 1 、i r 2 1 5 1 一i r 2 1 5 5 、i r 2 1 0 3 等， 这些芯片克服了传统变压器半桥逆变电路存在的弊端，综合提升了电子镇流器的性能， 具有很高的应用价值。 3 第一章绪论 1 3 1 半桥驱动电路简介 驱动电路在马达、自动化控制、照明等多个领域发挥着非常重要的作用，它能够使 产品的体积变小、可靠性提高、稳定度增强、效率提升。随着人们节能意识与环保意识 的增强，出现了多种电子电力器件，使得驱动这些器件的功率集成电路大力发展，市场 从1 9 9 2 年开始，年均增长2 0 ，实现了真正的“弱电 控制“强电。对于电子镇流器 领域来说，驱动方式主要包括h 桥驱动、半桥驱动与三相驱动。 由于m o s f e t 与i g b t 具有开关速度快、导通电阻低等优点，因此被广泛使用于镇流 器的逆变器中，为了使逆变器能正常的工作，设计一个高性能的驱动电路变得非常重要。 目前，驱动m o s f e t 与i g b t 的拓扑电路主要有两种，一种是桥式拓扑电路，这种电路驱 动能力比较强，但是结构比较复杂，芯片面积占用比较大；另一种为半桥拓扑结构，由 于它的外围器件少，驱动能力强，结构简单，电压应力小等优点，在驱动电路中得到广 泛应用【s 】。常见的几种半桥驱动电路为：l 、非隔离的不对称半桥驱动电路；2 、正激式 不对称半桥隔离驱动电路；3 、专用芯片驱动电路。 非隔离的不对称半桥驱动电路形式简单、可靠性高、成本低，适用于不要求隔离的 小功率开关设备，但是它的驱动能力弱，而且没有隔离保护，器件容易遭到破坏，对于 要求处于高压环境下中功率管或大功率管，这种驱动电路显然不能满足要求；正激式不 对称半桥隔离驱动电路实现了隔离，并能输出较好的波形，但是这种电路结构复杂，需 要双电源供电与较多的元器件，特别是需要隔离变压器，极大地占用了空间，增加了成 本；专用芯片驱动电路所需外围器件比较少，占用空间比较小，是最常用到的一种驱动 方式。 + 图l - 2 传统变压器驱动半桥逆变电路 国产的电子镇流器几乎都采用传统变压器驱动半桥逆变电路，其电路如图1 2 所示， 4 西北大学硕士学位论文 这种含耦合的高频振荡器，需要由电阻r l 、启动电容c l 和双向二极管d2 等组成的触发 电路启动，从而建立起振荡。接成推挽型式的两只功率晶体管ql ，q2 用作开关，也是振 荡电路中的重要有源元件。脉冲变压器的初级绕组t a 与l c 串联谐振式灯电路串接在一 起，并靠环路中的灯电流驱动。变压器的两个匝数相同的次级绕组t b 和t 。，分别产生相 位相反的脉冲，从而驱动ql ，q2 交替饱和导通，在qi , q2 的中点( i i j q2 集电极) 输出 高频电压为灯供电。荧光灯是依靠电感器l 和电容c 3 等组成的串联电路，发生谐振时在 启动电容c 3 两端产生的高电压来引燃的。谐振频率主要由l 和c 3 的数值决定。这种用变 压器驱动的半桥逆变电路各部分之间互相影响、互相牵制，频率稳定性差，开关特性欠 佳，在生产中调试不便。 随着微电子技术突飞猛进的发展，美国i r 公司和摩托罗拉公司等半导体制造商推 出高压高速自振荡驱动器i c 及模块，用运了日益降价的、高性能的m o s f e t 器件，克服 了传统变压器驱动半桥逆变电路存在的一些弊端，具有较高的应用价值【9 】。摩托罗拉公 司生产的m p i c 2 1 5 1 是一款具有代表性的、高性能的驱动芯片，它采用双列直插式8 脚 d i p 封装。此外，作为功率管理的领头羊，墩公司的产品随处可见，它不断推出并改进 新的产品：2 0 0 0 年，它推出了i r 2 1 0 x 系列产品，集成了栅驱动器，使镇流器照明i c 得 到了一次改革。随后它又推出了i r 2 1 5 1 、i r 2 1 5 2 、i r 2 1 5 3 、i r 2 1 5 4 、i r 2 1 5 5 等自振 荡驱动器，这些芯片拥有更多的保护措施，使电子镇流器工作的更加稳定。为了适应紧 凑型荧光灯小型化要求，m 又推出了1 r 5 1 h 2 1 4 、1 r 5 1 h 3 1 0 、侬5 1 日7 3 4 等产品，这些 模块采用了单列直插式9 脚封装模式，把i r 2 1 5 1 驱动器与外接的两个功率管封装在了一 起，提高了集成度。当然，随着集成技术与微电子工艺的发展，设计将不断打破传统的 方案，更为灵活多变的电路形式将不断涌现，直到为消费者提供满意的照明产品。 1 3 2 半桥结构 半桥结构是由两个功率开关器件( m o s 管或三极管) 组成的，以图腾状式相连接， 中间点作为方波信号的输出，其结构图如3 1 所示。这种结构在许多场合都有着广泛的 应运，如电子镇流器、d c a c 逆变、p w m 电机控制等。高低两端分别用反向的控制信 号，因此功率管m l 导通时，m 2 关断，m 2 导通时，m l 关断，输出点o u t 得到从0 到h v 的 脉冲电压。为了防止m l 、m 2 同时导通造成的电流穿通，需在两个输入信号之间设置一 个死区时间，以保证一个管子必须在另一个管子关断一定时间后方能开启。 第一章绪论 1 3 3 半桥电路的驱动 m 咖 i b - - - 一! - m i t r 一一m 2 - j ! 图1 - 3 半桥电路结构 由于半桥电路涉及两种基本类型的m o s f e t 驱动器，即高端驱动器与低端驱动器， 通常高侧m o s f e t 有较高的干线电压，它的驱动信号指的是输出端( 参考地) 到高压之 间的浮动电压，为了正确地开关高侧器件，必须使低侧的控制信号传送到高侧，这个驱 动电路构成了控制电路与功率开关之间的接口。通常有两种方案实现信号由低到高的传 送：脉冲变压器法与自举法，它们的电路结构如图1 - 4 所示。 v 图l - 4 脉冲变压器法( b ) 自举法 脉冲变压器法是在变压器主绕组一端施加控制信号，在次绕组输出驱动高侧功率管 的脉冲信号，这种结构需要脉冲变压器，不仅增大了成本，而且增加了芯片面积，当有 低频应用时变压器的尺寸将会很大，严重影响了电子镇流器自身的一些优点。自举法相 当于一种芯片驱动方案，利用电平位移模块外加少数外部元件就可以实现信号由低到高 的转移，提供快速的开关速度，这种方式的输入到驱动输出之间的延迟很低，功耗也较 低。电路设计中，一般采用自举法，因为自举方式性能稳定、功耗低、占用面积小、成 本低、设计简单、易于单片集成、避免了隔离破坏等【1 0 】。 6 西北大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作和研究内容 本文中我们将要作深入研究和设计的芯片是一种为驱动电子镇流器而设计的高速 度、耐高压的半桥驱动电路。 设计的驱动电路具有如下的功能特点： ( 1 )具有高低两个可参考的输出通道，可使外围两个中功率m o s 管流导通： ( 2 ) 采用了专门的高压集成电路和防闩锁技术，使整体性能更加可靠； ( 3 ) 设有死区时间，使两个通道间具有相匹配的传输延时； ( 4 ) 高端采用浮置电源供电，用于驱动一个n 沟m o s 功率器件或i g b t 功率器件； ( 5 ) 带有欠压保护模块，当电源发生欠压时，封锁电路； ( 6 ) 整个电路形式简单，性能稳定； 本文第一章主要通过对高压集成电路、电子镇流器原理与半桥驱动电路的分析来提 出我们选择课题的动机和必要性，重点说明本课题研究内容和重要意义； 第二章简要的介绍了本课题设计的框图、原理，以及性能参数与实际用运等； 第三章根据前面的介绍，详细的分析和设计了半桥驱动电路中常见的多个核心模块， 如输入级电路、死区时间产生电路、欠压封锁电路、电位平移、高低端输出电路以及输 入输出保护电路等： 第四章使用业界应用最为广泛的的e d a 软件s p e c t r e 对第三章中所设计的核心模块 进行了仿真，对设计参数实现进行了检测； 第五章我们对高压m o s f e t 工艺进行了简要的介绍，着重对l d m o s 工艺进行了 分析，并对版图设计做了简单介绍，给出了整个电路设计的版图； 最后对本文所做的工作进行了总结。 7 第二章半桥驱动电路的结构与应用 本章分析了电路的结构框图、整体电路的工作原理与电路的主要性能指标，以及该 电路的主要应用领域。 2 1 驱动电路的性能指标及设计考虑 所设计的半桥驱动电路的主要性能指标要求为： ( 1 ) 浮动通道设计操作电压达+ 6 0 0 v ； ( 2 ) 耐压高达6 0 0 v ； ( 3 ) 死区时间4 0 0 n s , - 6 5 0 n s ，典型值为5 2 0 n s , ( 4 ) 驱动输出电流为6 0 m a 1 3 0 m a ； ( 5 ) 导通延迟时间为0 8 2 0 n s ： ( 6 ) 关断延迟时间为o 1 7 0 n s ； ( 7 ) 具有欠压保护功能； ( 8 ) 具有抗闩锁效应能力。 根据项目要求与负载对驱动电路的要求，结合本电路的主要材料为硅的特点，设计 时应该尽量利用其相对于体硅的优点，综上所述，设计时应注意以下一些问题【l l 】： ( 1 ) 为了保证所驱动的器件处于饱和导通状态，而不至于不增加其自身功耗，驱动电 路的电源电压不能太低，一般电路电压幅值应位于1 0 2 0 v 之间，论文采用1 5 v 的电源 电压： ( 2 ) 负载电容对驱动电路呈现的等效电容很大，为了快速开启与快速关断被驱动器件， 输出电流一般要求比较大( 6 0 m a 1 3 0 m a ) ； ( 3 ) 输出电阻要求比较小，这样可以减小功耗，提高电路的工作速度； ( 4 ) 要有一定的死区时间设置，以防止两负载器件同时导通而发生器件烧坏现象； ( 5 ) 电源电压下降过多时，使输出电压降低，从而导致m o s f e t 或i g b t 负载发生关 断现象或是工作在放大区，因此要有欠压检测功能： ( 6 ) 需要一个电平转移电路，实现驱动电压从低电平到高电平的变换，高压器件最高 耐压为6 1 5 v ，同时考虑到高压器件的功耗问题，需要一个脉冲发生电路，使得器件在 短时间内导通； ( 7 ) 设计时应该注意高低电路的时间延迟，使得延迟时间达到匹配； 9 第二章半桥驱动电路的结构与应用 ( 8 ) 为了便于工艺的实现，设计应该尽可能简单，分布参数应该尽可能的小。 2 2 电路结构与工作原理 2 2 1 电路总体结构设计 根据2 1 节提出的设计要求，对半桥驱动电路的总体结构进行了设计，其功能框图 如图2 1 所示： 丰丰口l l 死区时间卜_ _ 脉冲 一l r 主竺皇堕j or 、 产生 ， 网i 电路 幽 上 幽 际磊羽 r ：j l_ 仝皇堕n 网 嵯斗抄 伊一l 上 v b h o v s v c c l o c o m 图2 - 1 半桥驱动电路的功能框图 从图中可知，电路主要包含两个部分：驱动部分与控制部分。驱动电路的主要功 能是由高、低电路通道产生两个反向的方波驱动信号来驱动中功率m o s f e t 与i g b t 管。其中，低端为普通输出，高电平电压为电源电压1 5 v ，低电平电压为地电压0 v ； 高端为浮动输出，高电平为k + 1 5 v ，高端地为v s ，v s 的值可以根据需要而定，本电 路的最大值为6 0 0 v 。输入连接具有上拉电阻的施密特触发器，除了消除输入信号中的 噪声和干扰外，还可防止电流的漂移和器件的意外开通。为避免两个外接功率管发生直 通而烧毁电路，驱动信号间必须设置一定的死区时间。驱动部分主要由以下子电路组成： 施密特触发器( s m t ) 、高低两路的死区时间控制电路( d e a d t i m e ) 、脉冲产生电路 ( p u l s e g e n ) 、高电位平移电路( h v l e v e l 艇删叮) 、滤波电路( p u l s e f i l t e r ) 、 r s 门信号恢复电路( r s g a t e ) 、高端驱动信号输出电路( h d r i v e r ) 、低端延迟 电路( l d e l a y ) 、以及低端驱动信号输出电路( d d r i v e r ) ，其中的脉冲产生电 路大幅度的降低了功耗，同时保护了高压器件l d m o s 的安全工作。而控制部分主要是 1 0 西北大学硕士学位论文 欠压保护电路，在电源电压下降到一定程度时，产生高电平输出，封锁了高低两路信号， 对电路实现了保护。 2 2 2 电路基本工作原理 由半桥驱动电路的总体结构框图可知，电路总共包含五个部分，分为十个子电路模 块，下面介绍各个子模块电路的功能与整体电路的工作原理。 电路正常工作时，高、低两路驱动信号分别输入到高端信号输入电路( h i n ) 和低端 信号输入电路( l i n ) ，经整形后输出两路反向的方波信号分别接高低两路的死区时间产 生电路，输入电路中的施密特触发器除具有整形功能外，还具有滤波的功能，以消除输 入波形中噪音的干扰。死区时间产生电路为了使高、低端被驱动的两个器件在工作过程 中不同时导通，在高端和低端驱动信号之间设置有一个时间差，此外，它还具有使高低 端的输出信号相匹配的功能。经过死区时间产生电路后，高端驱动信号进入到脉冲产生 电路转变成两路窄脉冲输出，分别对应了波形的上升沿与下降沿。电平位移电路在完成 脉冲信号的整形后，再把它们转变为以高压端地v s 为参考的浮动的脉冲信号。驱动信 号经过电平位移电路中的高压管子l d m o s 的漏极输出后，由于受到瞬态位移电流的影 响，信号中会出现一定的噪声，可能会引起电路的误触发，因此我们在高端电路中采用 了一个滤波器，用来滤除噪声与波形的整形。最后一个r s 触发器，让两个对应高端驱 动信号上升沿和下降沿的窄脉冲恢复为原来的宽脉冲，以驱动后接的功率管，这时的高 端输出驱动信号是以高端地v s 为参考的【1 2 】。 而低端驱动信号在经过死区时间产生电路后，被直接送入到低端输出驱动电路，经 过处理后，变为符合要求的低端驱动信号输出。 欠压保护电路与死区时间产生电路共同成为或非门的两个输入，正常工作时，欠压 保护电路输出为低，不影响整个电路的工作，当发生电源电压欠压的情况时，输出变为 高，使或非门的输出变为低，从而使高低两路不再有输出信号，对电路起到保护作用。 2 3 半桥驱动电路的应用 论文设计出来的半桥驱动电路经过版图设计与工艺加工、封装后，最终将是一款8 引脚的芯片，目前，很多的m o s f e t 或i g b t 都是由一款独立的芯片驱动，而论文设计 的电路每次可以驱动一对功率管，大大降低了成本，而且还具有高集成度、芯片面积小、 动态响应快、工作频率高、低功耗设计等许多优点，其典型的接线如图2 2 所示。 第二章半桥驱动电路的结构与应用 图2 2 中v c c 为1 0 v - - 2 0 v 功率管门极驱动电源电压，可用t t l 或c m o s 逻辑信号作 为输入，本文中的v c c 采用1 5 v 电压。电路采用的是自举式供电，为了给自举电容周期 性的供电，驱动电路必须不断地工作在开关状态，v b 与v s 之间连接的电容c 2 即为自举电 容，自举电容的选取应为高稳定、低串联电感、高频率特性的优质电容，而且应该尽量 使自举上电回路不经过大阻抗负载。当v t l 截止( 开导通) 时，v c c 经二极管、c 2 、 负载、组成的充电回路给c 2 充电，这时，v s 下拉为0 伏，c 2 充电至1 5 v 。当截止( v t l 导通) 时，v s 浮动到外电路的高电压，此时二极管反向截止( 耐高压的二极管必须经过 特殊处理) ，c 2 上的电压维持在1 5 v ，足够驱动v t l 管的栅极，从而实现自举式驱动。如 果负载的阻抗比较大，c 2 经负载降压充电就会比较缓慢，使得当v 1 r 2 截止、v t l 导通时c 2 上的电压仍不能充电至所需要的电压以上，这时，输出驱动信号就会因欠压被片内的欠 压保护电路所封锁，v t l 就无法正常工作【1 3 】。 h 赞噜 u n 一 - 一 一1j l 1r 7-，7l 。 。之循多 墨c 3 v v b v v v 弋一 c l f 一- l 伤歹h h 一 h l nh o l i n 略 i 宴 c o ml op 、 慨( v - - ， 、擘： 1 v v v、 t o l o d 图2 - 2 芯片典型的连接图 图中没有具体给出一些外围电路，如滤波电路、桥式整流电路、功率因数校正电路、 l c 串联谐振回路等，图中只给出了核心研究电路：由芯片内部电路与v t l ，组成半桥 逆变驱动电路。 2 4 本章小结 本章首先给出了课题电路设计的参数指标与设计考虑，提出了设计的总体思路框 架。然后具体的分析了电路的结构框图与基本原理，宏观的说明了每个子模块的功能原 理，并对整个电路的工作原理做了一个大概的描述。最后，给出了以整体电路为单元的 外接连线，说明了电路在实际中的应用。 1 2 第三章半桥驱动电路的分析与设计 本章将对电路中涉及的每一个子模块进行详细的分析，完整的给出每个模块功能的 实现过程与整体电路的功能。电路中具体包含的模块有：输入级电路、死区产生电路、 欠压保护电路、脉冲产生电路、电位平移电路、滤波电路、r s 触发电路、高端输出电 路、低端输出电路及输入输出保护电路。下面我们就对这些模块进行分析与设计。 3 1 输入接口电路 i n e s d 保护帝净 锁存器 暑 图3 - 1 输入接口电路框图 输入电路的主要作用是完成对输入信号的处理，同时具有一定的抗干扰作用，在某 种意义上相当于一个方波发生器。输入接口电路框图如图3 1 所示：输入信号经过e s d 保护后，到达施密特( s m t ) 触发器，再经过施密特触发器对波形的整形与干扰的滤除 后，分为两路反向的信号，这两路信号分别连接锁存器的两输入端，最后输出两路规整 的反向方波。由于输入级高低端的电路相同，因此我们只以一端电路为例。 3 1 1e s d 防护设计 日常生活中，e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，静电放电1 对于我们来说是一种常见的 现象，随时随刻都有可能发生。然而对电子产品而言，e s d 往往是致命的它可能导 致元器件内部线路受损，或击直接使器件失效，而大部分电子设备9 9 的时间都处在 e s d 环境中，它会导致设备锁死、复位、数据丢失、不可靠。因此，e s d 防护一直以来 都是工程师们的工作重点。e s d 保护通常通过两种途径来实现：一种是防止e s d 的发 生，另一种是通过集成电路中保护电路的设计或专用器件避免e s d ，使器件免遭损坏。 e s d 问题涉及面很广，它不但可以影响企业的各个部门，还能影响到材料的供应商和 产品的使用者。集成电路中e s d 防护设计的方法有很多种，采用何种方法要根据具体 的情况而定。所有器件中，除了直接连接衬底的管脚或只是连接到相对稳定扩散区的管 脚不需要加专门的e s d 结构外，其它大多数的管脚都需要某种形式上的e s d 保护，根 据连接到的具体管脚，如连接基区或发射区扩散的管脚、连接c o m s 栅的管脚、连接 1 3 第三章半桥驱动电路的分析与设计 槽区的管脚、只连接多晶硅的管脚、连接电容的管脚、连接肖特基二极管的管脚等不同 况而决定具体的设计原则。 课题中主要用到的器件为m o s 管，由于m o s 管栅极的输入电容大、输入电阻高、 栅极电容上的电荷能够较长时间地保存下来，这样的特性使得m o s 管可以短暂性的储 存电荷，组成许多动态逻辑电路。也正因为这种特性，才使得电荷在栅极电容上不能轻 易释放，加上m o s 管的栅极比较脆弱，变得特别容易被击穿。一些外界的干扰会造成 很大的瞬态电压，而m o s 管的栅极又和其它的电极绝缘，使栅极的电荷累集的越来越 多，最终发生栅极击穿。因此，为给m o s 管的栅极的积累电荷提供释放通路，输入级 的保护电路设计变得非常必要。 常见的e s d 保护方法有：齐纳箝位、两级齐纳箝位、缓冲齐纳箝位、v c 鹳箝位、 v e c s 箝位、反向并联二极管筘位、栅极地n m o s 箝位、c d m 箝位、横向s c r 箝位等。 课题中的电路在输入端与输入信号之间加了保护电路，考虑到电路的简单性，采用c d m 箝位方式。常规的二极管保护结构是输入信号通过一个多晶硅制作的限流电阻后，再通 过与电源电压相接的上保护二极管和与地相接的下保护二极管，然后接入电路，其中限 流电阻可以限制输入电流，延缓静电放电的效率，二极管具有箝位功能。这样的e s d 保护电路形非常简单，也能起到一定的保护作用，但随着集成电路工艺的发展，器件的 尺寸越来越小，速度却越来越快，这种结构逐渐的不能满足要求。本电路所采用的e s d 保护电路结构如图3 2 所示： 一 id l2i d 22 i厂 v 证 r l t 甲1 d 3lid 42 c o m 图3 - 2 二级e s d 防护电路 输入信号首先流经d l 、d 3 组成的电流分流电路，以减小对后级电路的瞬态脉冲电 流。然后到达多晶硅串联限流电阻r l ，r l 的主要作用是限制栅电压的转换速率，控制通 过d 4 的电流，以防止瞬时大电流击穿栅介质，它的电阻值一般设置为二极管d 4 阻值的 十倍以上。最后到达由d