（微电子学与固体电子学专业论文）半桥驱动电路子模块的分析与设计.pdf

摘要 功率集成电路大致可分为两类。一类是智能功率集成电路( s m a r tp o w e ri c ) ，另一 类是高压集成电路( h i g hv o l t a g ei c ) 。高压集成电路是高压电子器件与起控制作用的传 统逻辑电路或模拟电路的单片集成。功率集成电路已经在马达控制、电子镇流器、汽车 电子、平板显示、开关电源等领域得到了应用，预计将是发展最快、最受欢迎的功率半 导体器件。 本文分析和设计了一种高压高速、适于功率m o s f e t 和i g b t 的半桥驱动集成电 路。根据应用要求进行了电路的总体结构设计，完成了施密特触发器、死区时间控制、 欠压锁存、高低端驱动信号输出、脉冲产生电路、高电位平移、脉冲滤波器、r s 触发 器等模块电路的分析和设计。在完成原理分析与电路设计的基础上，应用s p e c t r e 仿真 工具对各个电路模块进行了仿真。 由于该驱动电路中耐高压器件的特殊性，本文介绍了l d m o s 中经常使用到的结终 端技术和隔离技术，初步设计了适用于本电路的l d m o s ，并对其结构进行了讨论。 以标准的p 阱c m o s 工艺为基础，参考国际上流行的b c d 工艺，结合本电路的特 殊性，完成了器件和电路的版图初步设计。 关键词 电子镇流器，死区时间，欠压锁存，高电位平移，高压l d m o s 器件 a b s t r a c t p o w e ri cc a r lb ec l s s i f i e di n t ot w ot y p e s ，o n eo fw h i c hi ss m a r tp o w e ri c ，t h eo t h e ro f w h i c hi sh i 曲- v o l t a g ei c h i g h - v o l t a g ei ci sm o n o l i t h i ci n t e r g r a t i o no fh i g h - v o l t a g e e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dt r a d i t i o n a ll o g i c a lc i r c u i t so fc o n t r o lo ra n a l o gc i r c u i t s 。p o w e ri ch a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fm o t o rc o n t r o l ，e l e c t r o n i cb a l l a s t ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ， f l a tp a n e ld i s p l a y , s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , e t c p o w e ri ci sp r e d i c t e dt ob et h ef a s t e s t d e v e l o p i n ga n d t h em o s tp o p u l a rp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e i nt h i sp a p e r , w eh a v ea n a l y s i s e da n dd e s i g n e dah i g hv o l t a g e ，h i 曲f r e q u e n c y h a l f - b r i d g ed r i v ec i r c u i ts u i t a b l ef o rp o w e rm o s f e ta n di g b td e v i c e s f i r s t ，t h ea u t h o r i n t r o d u c e dt h et y p e so fe l e c t r o n i cb a l l a s ta n dt h ed i r e f i o no fi t sd e v e l o p m e n t s e c o n d ， a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g no f c i r c u i t ，a n a l y z e da n dd e s i g n e dt h ec o r eb l o c k sw h i c hi n c l u d e ds c h m i t tt f i g g e r ，d e a dt i m e ， u n d e r v o l t a g el a t c h ，t h es i g n a lo u t p u to fh i g h - l o ws i d e ，p u l s eg e n e r a t i o nc i r c u i t , l e v e l s h i f t ，p u l s ef i l t e ra n dr st r i g g e r b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no fc o n d i o n ，t h i sp a p e ro n l y s i m u l a t i n gt h ec o r eb l o c k sb yu s i n gt h es i m u l a t i o nt o o lo fs p e c t r eo nt h eb a s eo fc o m p l e t i n g p r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n b e c a u s eo ft h es p e c i f i c i t yo ft h eh i g h - v o l t a g ed e v i c ei nt h ed r i v ec i r c u i t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e dn o d e t e r m i n a lt e c h n o l o g ya n di s o l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hw e r ef r e q u e n t l yu s e di n l d m o s a n dt h ea u t h o ri n i t i a l l yd e s i g n e dt h el d m o sd e v i c ep r o p e rf o rt h i sc i r c u i t ，a n d a n a l y z e di t sf r a m e b a s e do ns t a n d a r d st e c h n o l o g yo fc m o s 谢t hpw e l l ，c o n s u l t e d 谢t ht h eu n i v e r s a lb c d t e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t ht h ec i r c u i t ss p e c i f i c i t y , t h ei n i t i a ld e s i g no fl a y o u to ft h ed e v i c e s a n dc i r c u i th a sb e e nc o m p l e t e d k e yw o r d s e l e c t r o n i cb a l l a s t , d e a dt i m e ，u n d e r v o l t a g el a t c h ，l e v e l s h i f t ，h i g h - v o l t a g el d m o s d e v i c e 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。 吁 学位论文作者签名：硅猃数 指导教师签名： 叩年6 月f c 7 日 沈年6 其夕日 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：巧药踢爻 l q 年月7 夕日 西北大学硕士学位论文 1 1 绿色照明 第一章绪论 “绿色照明”这个概念源于2 0 世纪9 0 年代初的美国，1 9 9 1 年美国环保局( e p a ) 提出了一项提高照明用电效率、节约电力、减少空气污染的行动计划，被形象地命名为 “绿色照明计划”。该计划采取的是由美国环保局( e p a ) 与合作伙伴签订理解备忘录 的形式，合作伙伴在备忘录中承诺在5 年内，将9 0 的照明设备更新为节能产品。作为 当时一项独具特色的节能行动计划，“绿色照明”在美国取得了前所未有的成功，很快 得到了国际社会的广泛认可和积极响应，从此“绿色照明”一词即成为照明节电的代名 词。“绿色照明”经历了2 0 多年的实践和探索，现在已在全球范围内产生了巨大的经济 效益和社会效益，被国际社会视为推动节能、保护环境的最有效措施，可以说“绿色照 明”是全球影响面最大的一项节能行动计划。绿色照明不仅仅是传统意义上的节能和提 高经济效益，更重要的是着眼资源利用和环境保护，是满足照明质量和视觉环境条件下 的更高照明要求。 我国在1 9 9 7 年7 月1 日正式提出“绿色照明”，以节约能源和资源、保护地球生态 环境、提高照明质量、提高舒适性和健康性为发展目标。“绿色照明革命”是一个系统 工程，该工程首先从节能型环保电子镇流器开始着手实施。我国自2 0 世纪8 0 年代未 9 0 年代初研制并生产电子镇流器和电子节能灯以来，这一新兴的绿色照明产业已经得到 了长足的发展，目前我国已成为世界上照明电器产品生产规模最大的国家，产量居世界 首位【1 1 。 1 2 高频照明与电子镇流器 1 。2 1 高频照明原理与特点 气体放电灯可以分两大类：一类是冷阴极辉光放电灯，依靠冷阴极电子发射。阴极 压降较大，电流密度较小，冷阴极通过二次发射来发射电子，产生辉光放电，不需要预 热启动，但需要很高的工作电压；另一类为依靠热阴极电子发射启辉发光，要预热启动。 预热灯丝后，荧光灯启动，热阴极发射电子，利用高压脉冲使管内的惰性气体电离，从 而气化液态水银，猛烈轰击惰性气体分子，产生弧光放电。弧光放电时阴极压降较小， 电流密度较大。启辉后的荧光灯管，由高阻开路状态变为低阻导通状态，这类灯管通常 第一章绪论 需要专门的启动器件和工作线路，才能正常工作在额定电压下。 由于气体放电灯是一种负阻性电光源，若要使其正常启动和稳定工作，需加一个镇 流装置，这个镇流装置就叫做镇流器。目前气体放电灯使用的镇流器主要有两种：电感 式镇流器和高频电子镇流器。 所谓电感式镇流器，是通过启辉器给灯丝提供预热电流，然后利用双金属片的跳开 使电感镇流器产生高电压脉冲，数次轰击管内的惰性气体分子后达到启辉。从外形上可 以将电感镇流器分为封闭式、半封闭式和敞开式三种。电感式镇流器具有如下缺点： 1 耗电率高，功率因数低； 2 启动电流冲击较大； 3 存在5 0 h z 的工作频闪，在交流电的一个周期内每当电压过零时，出现一次频闪； 4 有低频噪声，这种噪声有损于人的大脑与心脏，且污染环境： 5 笨重、体积大、消耗大量金属材料； 6 启动难，尤其当市电电压低或天气较冷时，根本无法启动； 7 灯的电流波峰比高至1 8 1 9 ，影响灯的寿命； 8 光色基本属于单色光，易使人疲劳，降低工作效率。 所谓高频电子镇流器 2 】，是通过对荧光灯实施高频电流预热灯丝，再施高频高压脉 冲启辉灯管，随即以高频高压保持灯管正常工作。荧光灯在高频下工作会有更好的光效， 且解决了低频频闪问题。由于高频启动时间能控制，且为一次性启辉，高频运行时阴极 的温度较低，阴极降落几乎为零，因此可以延长灯管的寿命。与电感镇流器相比，电子 镇流器具有以下优点【3 】： 1 功率因数高，意味着节能率高； 2 无低频噪声，对环境无污染； 3 无频闪，当电源电压过零时，电子镇流器中的专门元件会对外供电，所以没有频闪， 对人眼有保护作用； 4 自身功耗少，电子镇流器本身消耗电功率主要来源于电子元件的发热和能量转换损 失： 5 重量轻，便于安装，节约大量铜材与钢材； 6 不要起辉器，即使在低市电电压情况或恶劣的环境条件下，电子镇流器仍能正常工 作。 电子镇流器也存在一些缺点： 2 西北大学硕士学位论文 1 成本较高，相对于电感式镇流器高2 3 倍； 2 谐波含量高，这种谐波严重破坏了市电的正弦波形，畸变为三角波； 3 电子镇流器的寿命短，世界上寿命最长的电子镇流器也不过是三年，一般产品的寿 命仅为几个月到一年； 虽然电子镇流器存在一些缺点，但是其众多的优点决定了它具有强大的生命力。而 且伴随着世界性的能源危机，新型节能电光源电子镇流器的研究显得更为必要。且电子 镇流器的重量轻、易启动，应用在某些特殊场合下，更显优越，如电子镇流器应用于波 音客机，它除了节能外还能明显减轻飞机的整体重量，带来的经济效益也非常可观 4 1 。 1 2 2 电子镇流器的结构和工作原理 图1 - 1 电子镇流器基本结构 电子镇流器的基本结构如图1 1 所示。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。 随着功率m o s f e t 器件产量的增加和价格的下降，m o s f e t 在荧光灯电子镇流器 中的使用越来越广泛。d 类功率电子镇流器就是基于m o s f e t 的电路，如图1 2 所示。 其中u 是通过桥式整流以后的直流电源。这个电路由两部分组成，z 和正为功率 m o s f e t ，轮流切换把直流母线电压变成高频方波；、c 、c 。组成负载并联的谐振电 路，通过它的滤波作用，向负载荧光灯提供能量【5 】。 第一章绪论 u 图1 - 2d 类功率变换式电子镇流器基本原理电路 1 2 3 电子镇流器的发展 直管形荧光灯是目前工厂、机关、学校、载客列车和家庭照明的主要电光源，在美 国等一些发达国家，在上个世纪9 0 年代初就已开始限制生产和使用白炽灯和电感镇流 器，这就为直管形荧光灯交流电子镇流器提供了巨大的发展机遇和市场需求。为此，飞 利浦、s t 、西门子、摩托罗拉和三星等一些半导体巨商，从未停止电子镇流器控制i c 的研发与生产。 电子镇流器的设想诞生于5 0 年代初，随着半导体开关功率器件的出现，人们终于 在7 0 年代末8 0 年代初将这一设想变为现实。飞利浦公司率先推出了由分立元器件组成 的电子镇流器，这是自1 9 3 8 年荧光灯问世以来电光源技术的一次重大突破。电子镇流 器的发展，迫切需要人们制定国际性标准。于是i e c 9 2 8 和i e c 9 2 9 应运而生【6 】。 1 9 8 2 年，国际电工委员会( c ) 制定了名为“家用设备及类似电器设备对供电系 统干扰的标准”，即i e c 5 5 5 2 标准。1 9 8 7 年，欧洲也制定了类似的e n 6 0 5 5 5 2 标准。 两个标准都严格限定了设备的功率因数必须接近1 ，而且还明确作出不符合标准的产品 不准销售的规定。低功率因素会造成电网的严重污染，因此强行贯彻电子设备和产品的 功率因数必须接近1 的规定对于保护电网非常重要和必要【7 j 。 我国8 0 年代中期开始对电子镇流器的研究，近年来该产品已形成一定生产规模。 根据国产电子镇流器的发展情况，我国也先后颁布了z b k 7 4 0 1 1 8 9 和z b k 7 4 0 1 2 9 0 专 业标准。这些产品标准对电子镇流器的性能要求和安全性要求非常苛刻。例如“施加阴 极预热电压的最短时间应高于0 4 s ”、“正常情况下使用时，应使灯启动，但不损害灯性 能 ；“在最低预热期间，极窄且不影响有效值的电压峰值也是不允许的”等规定f 6 ，4 。 这些产品标准对电子镇流器的安全性要求和性能要求也非常严格。 4 西北大学硕士学位论文 目前国内电子镇流器生产厂家虽已达百家，但产品能达到标准规定要求的却不多。 产品中存在的突出问题就是可靠性差、性能低劣。具体地说，主要表现在以下几个方面： 一是谐波含量过高，功率因数太低；二是未采取异常状态保护措施，故障率太高；三是 未解决灯管预热启动问题。产生这些问题的根本原因就在于采用的电路实际上在发达国 家早已被淘汰。要从根本上解决电子镇流器存在的问题，采用专用控制电路势在必行【2 】。 虽然高性能电子镇流器价格要高于电感式镇流器，但从长期节电的费用上考虑，高 性能电子镇流器还是能得到明显补偿的。而且随着城乡经济的发展，建筑、街道、起居 室的美化照明都离不开现代光源的装饰，无论是从社会效益来看，还是从经济效益来看， 电子镇流器的开发研制是一项非常迫切的任务。 随着电子镇流器的推广应用，各类控制电路必然也会迅速发展。集有源功率因数 ( p f ) 控制、灯丝预热启动、灯驱动、直流稳压、可调光、和异常状态保护功能于一体 的控制芯片，将成为电子镇流器控制电路发展的主流。 1 3 本文主要工作 本论文的主要工作是设计一种半桥驱动电路，具有高低两个可参考的输出通道，可 以驱动外围两个中功率m o s 管使其轮流导通。它采用了专门的高压集成电路和防闩锁 技术，使整体性能更可靠。输出驱动电路上设有死区时间，使两个通道问有相匹配的传 输延时。高端采用浮置电源供电，可以用于驱动一个n 沟m o s 功率器件或i g b t 功率 器件。由于具有这些特点，该驱动电路特别适合电子镇流器的功率驱动。 本文第一章阐述了高频照明的原理，电子镇流器的结构、工作原理及高频镇流器的 发展方向及研究意义，再交待了本文的主要工作。 第二章介绍了高压集成电路设计中需要注意的问题，分析了功率器件对驱动电路的 要求，给出了电路的总体结构图，并介绍了该电路的工作原理。 第三章对驱动电路内部模块进行了设计与模拟仿真，模块包括输入级电路、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。 第四章首先介绍了l d m o s 设计中常用的两种终端技术，并在此基础上，初步设计 了该电路中使用到的l d m o s 器件，给出了其纵向结构示意图和工艺设计。接着介绍了 该驱动电路版图设计方面的情况，给出了版图设计的基本流程，并列出了电路基本元器 件的版图，然后是初步设计的整个电路的版图。 最后对本文工作进行总结。 西北大学硕士学位论文 第二章半桥驱动电路的电路结构与工作原理 本文所设计的半桥功率驱动电路是一种采用先进的浮动电源供电方式，能耐6 0 0 v 高压，适于功率m o s f e t 、i g b t 驱动的自举式集成电路。该电路适用于电子镇流器的 设计。本章首先介绍了高压集成电路设计的一般原则，再介绍整体电路的工作原理和结 构框图，下一章将对各个功能模块进行详细的分析仿真及低端整体电路仿真。 2 1 高压集成电路设计原则 与低压集成电路不同，高压集成电路在设计时应考虑到版图寄生参数、终端结构、 瞬态、热梯度、噪声、大电流等因素的影响，以下是高压集成电路设计时需要遵循的一 些原则【8 1 。 1 寄生参数 当信号跨越另一个信号时，交叉线会引起信号线和衬底间的寄生电容，从而产生杂 散的漏电流。虽然寄生电容只有几皮法，但是当芯片加上信号时漏电流就会变大。如果 高压集成电路中的电压摆幅比较大时，寄生电容就会大大影响电路的工作速度。 2 终端结构 当耐压高过1 0 0 v 时，为了降低表面电场分布的不均匀性以及减小表面电场，要采 用终端技术，提高器件的击穿电压。终端技术要防止电场的局部集中造成击穿电压的下 降。 3 瞬态 在高压集成电路中，应考虑长时间加电和高压脉冲信号这两种情况，当电流密度很 大时，要特别注意大电流通路的布线。因为即使铝硅合金的电阻率很低，但是大电流布 线上产生的压降仍会很大。如果这一电压降在敏感元件的布线网中，会引起失调。 4 热梯度 发热会破坏电流镜或带隙基准源的平衡。大多数芯片只包含几个热源，它们常常是 大的双极型或m o s 功率晶体管，这些器件应放置在芯片轴上，匹配的晶体管对与热源 的距离应该相等，或者放在平衡的热梯度的方向上。发热元件的设计也要考虑热对称性 和热均匀性。 5 噪声 当设计的版图中既有高压器件又有低压控制电路时，为减少正反馈，输出不应靠近 7 第二章半桥驱动电路的电路结构与工作原理 键合点。在设计数字和模拟的i 0 端口时，应尽量避免传输线或高压线向其中注入噪声。 而且为减少噪声注入，地和电源键合点要分开，低噪声高增益的输入端也应远离键合点。 本文设计的半桥驱动电路也属于高压集成电路，所以在设计时也要考虑上述问题。 2 2 电路的性能指标及总体结构设计 课题要求所设计的半桥驱动电路的主要性能指标为： 1 电路最高偏置电压( r ( 。) ) 为6 0 0 v ； 2 死区时间4 0 0 n s 6 5 0 n s ，典型值为5 2 0 n s ； 3 延迟匹配低于6 0 n s ； 4 欠压正向阂值8 v 9 8 v ，典型值为8 9 v ； 5 欠压负向阈值7 4 v 9 v ，典型值为8 2 v ； 6 采用防闩锁c m o s 技术。 该半桥驱动电路所驱动的功率器件主要为m o s f e t 、i g b t ，为了能驱动这些功率 器件，驱动电路必须满足以下要求【9 】： 1 驱动电路输出的驱动信号相对功率器件源极的电压幅值应该位于1 0 v 2 0 v ，以保证 外围的功率管饱和导通或可靠关断； 2 功率m o s 器件采用图腾柱式的输出方式，因此驱动电路应具有悬浮输出功能，这 样可以同时驱动高侧和低侧的功率器件； 3 驱动电路的输出阻抗要尽量小，防止被驱动功率器件的栅极电容快速充放电，使它 们能够迅速导通或关断，以减少开关损耗； 4 驱动电路应具有良好的频率特性，当功率器件工作在最高频率和电压下，自身损耗 能达到最小； 5 当驱动电路电源发生欠压时，驱动电路能对功率器件进行快速有效的保护； 6 驱动电路不宜太复杂，而且要具有稳定的性能，分布参数要尽可能的小，这样有利 于工艺和设计的实现。 按照上述要求，作者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： 西北大学硕士学位论文 口i i 死区时间h 脉冲 一l | 厂1 兰竺皇堕i o个 产生 _ z 网i 电路 幽 f 欠压检测l 上 际翮h 已 触垄堂门眄西五i 嗣一 卜 l 1 苎塑_ l _ 1 5 h o v s v c c l o c o m 图2 - 1 半桥驱动电路功能框图 该驱动电路可以分为高端和低端两个通道，低端的单元电路有施密特触发器、死区 时间控制、低端输出电路、脉冲产生电路；高端通道的单元电路有高电位平移电路、滤 波电路、r s 触发器以及高端驱动信号输出电路。欠压检测属于高端和低端的保护电路 单元。 该电路采用的工作电压为1 2 v ，以满足被驱动的功率器件对驱动信号电压幅值的要 求。该驱动电路在电路设计上具有以下几个特点： 1 输入电路采用具有上拉电阻的施密特触发器，可以消除输入信号中的噪声和干扰， 可防止电流的漂移和器件的意外开通； 2 高低端通道上都有一个死区产生电路，以保证两个被驱动的外接功率管不会发生直 通； 3 采用双脉冲触发来实现高低压之间的电平位移，可以大大降低电路的功耗，而且保 证了电平位移电路中l d m o s 器件的安全工作； 4 加入了低端电源电压欠压保护电路，保护了被驱动的功率器件。 2 3 工作原理 本文设计的半桥驱动电路的工作原理为： 电路正常工作时，高低端两路信号经过输入电路整形处理后，分别产生同相和反相 9 第二章半桥驱动电路的电路结构与工作原理 两个信号分别输出到死区时间产生电路。该电路的作用是使高低端信号之间产生一个死 区以防止被驱动的高端、低端两个功率器件在工作过程中同时发生导通，而且还能使高 低端的输出驱动信号相匹配。随后，高端驱动信号进入到脉冲产生电路，输出两路窄脉 冲信号，分别对应高端驱动信号的上升沿和下降沿。电平位移电路将脉冲信号转变为以 高压端地以为参考的浮动脉冲信号，实现了将输入信号从低电平到高电平的转换。经过 电平位移电路后，驱动信号由l d m o s 的漏极输出，由于受到瞬态位移电流影响，信号 中会有噪声，脉冲滤波电路就用来滤掉电路中的噪声并对信号进行整形。然后r s 触发 器将两路脉冲信号还原为一个以高端地k 为参考的驱动信号，最后经过高端输出驱动电 路将信号变为符合要求的高端驱动信号输出。 而低端信号在经过死区时间产生电路后，直接送入低端输出驱动电路变为符合要求 的低端驱动信号输出。 当低端电源电压发生欠压时，欠压保护电路将产生一个欠压信号输入或非门逻 辑控制电路，再由或非门发出一个欠压信号封锁高低端后接电路的工作。当低端电源电 压高于某一设定值时，驱动电路恢复正常工作。 第三章将对各单元电路的分析设计和仿真过程进行详细的介绍。 2 4 本章小结 本章首先介绍了高压集成电路设计的一般原则，接着列出该课题的性能指标。分析 了功率器件对电路的要求，最后提出电路的总体结构设计及工作原理。所设计的电路内 部有死区时间产生电路，保证外围的两个功率管不会同时导通；采用双触发脉冲驱动 l d m o s 管，降低了电路的功耗；还具有欠压锁定保护功能。 1 0 西北大学硕士学位论文 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 驱动电路内部模块包括以下几个：输入级电路、死区时间控制电路、欠压检测电路、 低端输出电路、脉冲产生电路、高电位平移及脉冲滤波电路、r s 触发器及高端输出电 路以及输入输出保护电路。本章主要是对这些模块从晶体管级上进行分析和设计，并进 行模拟仿真。 3 1 高低端输入级电路 c u m 图3 - 1 输入级电路 输入信号n 经过前端e s d 保护电路后，到达施密特触发器输入端，经过整形滤波 之后，信号再经过由鼻，、置。、m 。、l 。组成的脉冲整形电路，输出两个反相的信号v 。 和k ：。输入级电路主要实现脉冲的整形滤波，接下来分别介绍一下其中的施密特触发 器和锁存器。由于高端和低端的输入级电路结构相同，故仅以低端输入级为例进行分析。 3 1 1 施密特触发器 施密特触发器广泛应用于降低系统对噪声和干扰信号的灵敏度，实现波形变换、整 形以及脉冲幅度鉴别等。由于低电压差分电路造价昂贵，通常用于远距离或关键信号的 传输，一般的电路输入端都应用施密特触发器来滤除输入噪声。 1 施密特触发器的设计 图3 2 是施密特触发器典型的传输特性曲线。由图可以看出，除了转换区和迟滞部 分更为陡峭以外，其传输特性和反相器的传输特性很类似。曲线1 对应于施密特触发器 的输出从低电平变为高电平的情形，曲线2 对应于输出从高电平变为低电平的情形。施 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 密特触发器与反相器的区别是它的转移特性曲线中有迟滞现象。 输出， 图3 - 2 篪密特触发器的传输特性曲线 图3 3 给出了施密特触发器可能的输入信号以及相应的输出。当输出为高电平而输 入超过了v s v n 时，输出将转换为低电平。但是输入电压必须要降低到小于v s p l 时，输 出才可以再次转换到高电平。要注意的是，当v s m = v s m , 时，施密特触发器的功能与普 通的反相器相同。施密特触发器的迟滞电压可用下式表示： = 一 ( 3 1 ) l 入一厂一1 弋川 一w ， v - 出 时间 r d d 时间 图3 - 3 旎密特触发器的输入、截取轨迹( t o pt r a c e ) 和输出 一般的施密特触发器电路如图3 _ 4 所示，其原理为：根据输出o u t 是高电平还是低 电平该电路可以分为两部分。如果o u t 2 输出是低电平，则只导通，m 截止，计算转换 电压时主要考虑p m o s 管部分：反之，如果输出是高电平，则3 导通，只截止，那么 计算转换电压时主要考虑n m o s 管部分。另外当输出为高电平时，只和只导通，提供 了输出到的直流通路。 1 2 西北大学硕士学位论文 图3 4 施密特触发电路 假设输出为高电平( ) ，输入为低电平( o v ) ，结合用于计算高转换点电压v s p n 的施密特触发器的下半部分电路1 明( 如图3 5 所示) ，我们对图3 4 中的电路进行分析： 输出电压为v c c 直到转换发生 输入 图3 - 5 用于计算高转换点电压v s m 的施密特触发器部分电路 。= 0 时m 和2 都截止，3 导通。3 的源端电压为一，当= 5 v 时，其 值约为4 y ，把该节点的电压记为吆。 在圪。小于m 的阈值电压时，比的值保持在一，。随着吃。的进一步增加，m 开始导通，电压吆开始降低。定义2 开始导通时的输入电压为v s p n ，即： w i n l = = 2 + 吆 ( 3 2 ) 2 一旦开始导通，输出就开始下降，从而促使3 开始关断，这将使得吆进一步下 降，2 导通状态更好。这个过程一直持续到3 完全截止，i 和2 完全导通。这个正 反馈使得转换点电压的定义变得很明确。 当式( 3 2 ) 有效时，流过l 和2 的电流相等，于是可得： 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 鱼2r 、矿s p n 一) 2 一, 8 2 3 ( v c c 一比一，) 2 ( 3 3 ) 由于2 和3 的源端连接在一起，因此：= ，。而且每个m o s 管因体效应引起的 阈值电压的增加量相等。结合式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 可以得到： ( 3 4 ) 式中m 的阈值电压v m u 是不考虑体效应时的阈值电压，给定一个高转换点电压v s p u ，求 解此方程，可以得到m o s 管的跨导比率。在选择2 的尺寸即履时要遵循下面这条常 用设计规则： 屈届或忍 ( 3 5 ) 因为2 是当作开关用的，所以它的尺寸要求比m 和3 的尺寸大一些。 可以采用同样的分析方法得到低转换点电压，得到下式： 图3 - 6 是本文中采用的施密特触发器电路。 c o m 图3 _ 6 本课题中的施密特触发器 ( 3 6 ) 低端输入信号经过e s d 保护电路之后，经由墨、昱、与、m 、2 、3 组成的施 密特触发器被整形后一路至输出圪：工，另一路经由只和4 组成的输出缓冲级至输出 西北大学硕士学位论文 圪。l ，输出缓冲级不仅提高了电路的负载能力，还能将内部电路和负载相隔离。其中恐 为低端通道上施密特触发器的上拉电阻，在低端没有输入的情况下，能够给输入提供一 个电平以防止电流的漂移，有效地隔绝噪声，防止器件意外开通，而高端通道中施密特 触发器是采取下拉电阻来实现此功能的。 2 。仿真结果 图3 7 为该施密特触发器的瞬态分析仿真波形。 e v l ( l n e t 8 ) m v t ( l l o n e t 2 ) 12 10 7 妻5 2 2 02 5 05 0 0 t i m e ( u s ) 10 0 图3 - 7 施密特触发器的i 舜态分析 图3 - 8 为施密特触发器的直流传输特性仿真波形。本设计要求高转换点电压为 6 5 v ，低转换点电压值为3 6 y 。从图3 - 8 ( a ) 中可以看出，输入信号从零上升到1 2 v ， 当输入信号上升至6 4 5 v 时，输出由高电平变为低电平；从图3 8 ( b ) 中可以看出，输 入信号从1 2 v 下降到零，当输入信号下降到3 6 6 7 v 时，输出由低电平变为高电平。仿真 结果符合设计要求。 u v 8 ( - n o li ”) 厂百丽厂丽目v s c n e t 8 ) 厂百面厂丽 12 10 7 5 2 0 一 一 5 07 510 012 5 d c ( v ) ( a ) 旌密特触发器高触发点曲线 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 g g v s f n e t 8 ”) r 丽_ r 丽圈1 ，s f n o r 丽- r 面 12 10 7 5 2 0 3 1 2 锁存器 0 02 55 0 7 5 10 0 12 5 d cc 叻 ( b ) 旅密特触发器低触发点曲线 图3 - 8 旌密特触发器的直流传输特性仿真波形 1 锁存器的设计 锁存器比较器又叫可再生比较器【1 1 】，它的一般结构如图3 - 9 所示。 v w v v o ( 1 ) p m o s 管锁存器( 2 ) n m o s 管锁存器 图3 - 9 锁存器一般结构 下面计算图3 - 9 中p m o s 管锁存器工作所需要的时间，其小信号等效电路如图3 1 0 所示： 卜： 足i = c l 士c ， 1 心i ；“再 。t j 套。f 弋 ( l 。 g _ l v 0 2 g 2 v o ： 一 图3 - 1 0 锁存器的小信号电路模型 1 6 西北大学硕士学位论文 假设v d 。和匕：初始值已经建立，与电容相连的电压源表示v 0 。和v o ：初始值，且为阶跃 函数。可列出节点方程： v o ：崛s q ( 心。一孚) _ 岛。v 。：+ 吼，+ 吼。一c - “= 。 g m 2 v o l + g 吃：+ s 巴( v o ：一导 = ：屹。+ q 心：+ s q 心：一g 屹：。= 。 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 其中g l 、g 2 是m 和鸩的漏极到地的电导，c 1 、c 2 是m 和m 2 的漏极到地的电容。 解上述两个方程，可得到v o 。和v d ：的表达式： ”器。一器v o z = 而r 1 犷, 丽g , i r i k ： 9 ， v o ：= 器2 - 而g m 2 c 2 心，= 南一翳v o 其中彳是时间常数r c 。 假设m 和鸩完全相同，则有g m ，= ：= g 。，墨= r = r ，c l = c 2 = c ，从而 r l = r 2 = f 。定义a z o = v 0 2 - - v o l ，k = v 0 2 - v o l ，求得： 落k 岍j s r + ( 1 l - g , r ) 2 五1 - g r = 等 1 一g m r 其中f = 上1 - g r 。 如果g 。r 1 ，对式( 3 1 1 ) 进行拉普拉斯变换，得到： ( 3 1 1 ) 二!一r ( 1 一g 。r ) g ，r a v o ( t ) = k e7 = k e e7 巧( 3 1 2 ) 式( 3 1 2 ) 给出锁存器的时间常数为吒_ = 二，如果c 大部分是栅源电容， gm rg m 则锁存器的时间常数可以表示如下： 1 7 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 气= 丽0 6 7 w 丽l c o 。一o 6 7 q 景k i ( 3 1 3 ) 牡( ) ， 叫2 由式( 3 1 3 ) 可以看出，锁存器的时间常数主要取决于沟道长度，沟道长度越短， 响应越快。而且在给定的沟道长度下，输入信号越大，响应时间越短。锁存器的响应时 间可用下式表示： ，( f ) = e 屯k ( 3 1 4 ) 这样可以计算某个时刻t 输出电压之间的差值吃，。对式( 3 1 4 ) 进行归一化处理 得到： 业v o - - e , 矗 ( 3 1 5 ) 一 一 令式( 3 1 5 ) 等于0 5 可以求得锁存器的传输延时： 铲咖( 簪1 、 “7 可见，要想降低锁存器的传输延迟，减小管子的沟道长度和增大输入信号值都是可 取的方法。 本课题中锁存器采用了p m o s 管结构，电路如图3 - 1 1 所示，其中。和圪：是由施 密特触发器输出的两个反相的信号，当圪。为高电平，圪：为低电平时，m ，导通而l 。截 止，v d ，输出为0 ，从而使足。导通，v o ：输出为1 ，墨，截止；当圪。为低电平，圪：为高电 平时，l 。导通而l ，截止，心：输出为0 ，# ，导通，。输出为1 ，墨。截止。 v o l 圪。 v 0 2 圪： 图3 - n 本课题中的锓存器电路 西北大学硕士学位论文 2 仿真结果 图3 一1 2 是锁存器的仿真波形。其中吃：为输入、圪：，为输出，电路起到脉冲整形的 作用。 墨i v t c 。i o a d n 2 ) 墨i v t c n 0 2 r ) 12 7 2 一2 12 7 2 - 2 _ _ l 。_ _ 1 。一r 1 r 。r 一一一 02 5 05 0 07 5 01 0 0 t i m e ( u s ) 图3 - 1 2 锁存器仿真波形 3 1 。3 输入级电路仿真 图3 1 3 是低端输入级整体电路的仿真波形，图中n e t 8 、n e t 2 分别对应输入级的输入 信号和施密特触发器的输出，圪。l 和虼：上是输入级电路的两个输出。该电路主要实现脉 冲整形滤波的作用，低端输入信号经过该输入级电路后，得到两个反相的输出信号圪。和 圪：，分别作用于后面的电路。 口v t u n e t 8 。)嗣v t c l l o t n e t 2 ) 口、丌c n 0 2 r )圈v c n o ln 12 10 7 妻5 2 2 。 、r 一 ， ， 广 ；量 ，i；i 0 5 0 0 1 m e ( u s ) 图3 1 3 输入级整体电路瞬态仿真 1 9 10 0 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 3 2 高低端死区时间产生电路 本文所设计的半桥驱动电路能驱动工作电压高达6 0 0 v 的功率器件。在如此高的电 压下，如果处于电路输出结构中的高低端两个m o s 门功率器件发生直通，那么由供电 线至地会产生很大的穿通电流，不仅增大功耗而且极易损坏功率器件，因此我们必须采 取措施阻止工作过程中两个功率器件的直通现象。 一般有两种情况易造成电路的直通【1 3 】：( 1 ) 高低端两路的驱动信号相位不匹配，有 同时为高电平的部分，这样就会引起高低端的两个外围功率管在该时间同时导通；( 2 ) 高低端两个功率器件中，由于一个器件关断时间过长，当其还未完全关闭，另一个器件 就已经开启。 消除高低端两路信号中完全为高电平的部分，或者在两路信号中产生一个死区时 间，保证一个功率器件完全关闭后，另一个功率器件才开启，可以通过这两种方法来防 止直通现象。 3 2 1 传统的死区时间实现方式 实现死区时间设置，就是要让高低侧信号产生延时，通过与原先信号的逻辑运算， 得到有死区时间延迟的驱动信号。传统的死区时间设置电路的结构和信号状态如图3 1 4 和图3 1 5 所示： d r i v el o w 图3 - 1 4 死区时间设置电路 d r 量、 e 图3 - 1 5 波形示意图 死区时间的具体数值主要由所设计电路和功率器件的以下三个参数决定【1 2 】：相位分 西北大学硕士学位论文 f ( f = r c ) 及反相器的门阈值电压来决定。 k = i 1 风( 一) 2 ( 3 1 8 ) k = 去屏( 一一i r 伊1 ) 2 ( 3 1 9 ) ：辱掣 2 ， 设f = ，则有： 监：垡二鱼：l 垡! 第三章半桥驱动电路内部模块的设计与仿真 3 3 欠压封锁电路 在正常的工作条件下，电源供电系统提供的电源电压会因为负载的消耗而不断下 降，当输入电压下降到一定程度，部分子电路将无法正常工作，特别是数字逻辑控制电 路容易出现误操作现象。为了防止出现这种现象，需要设置欠压封锁电路。欠压封锁电 路又称为低电压锁存，当电源电压由于某种原因降低到某极限值时，欠压锁存电路能够 自动切断电源并保持切断状态，等电源电压上升到极限值以上某一值时，电路恢复工作。 本课题设计的欠压锁定电路实现以下功能：检测输入电压是否过低，当输入电 压低于9 v 时，欠压锁定电路输出高电平，通过逻辑电路使外接的m o s 功率管关断。 3 3 1 传统的欠压封锁电路工作原理 传统的欠压封锁电路的原理如图3 1 9 所示【1 5 】： 溉d 图3 - 1 9 传统的欠压封锁电路原理 供电电源对基准电压电路提供一定的偏置，基准电压源开始工作，给比较器提 供一个稳定的参考电压，与取自的采样电压进行比较。当采样电压超过基准电压时， u v l o 输出低电平控制信号，启动整个电路工作；如果由于某些原因使得采样电压低于 基准电压时，则u v l o 输出高电平控制信号，禁止后续电路工作。这种电路结构需要较 多器件，而且芯片面积大，功耗大