一種高壓大電流PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

官清雄,占臘民

（華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系,武漢 430074）

一種高壓大電流PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

官清雄,占臘民

（華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系,武漢 430074）

介紹了一種PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用了控制信號(hào)與高壓源相隔離的方法,可支持300 V以內(nèi)的高壓,并具有800 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力,驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)切換時(shí)間小于2.6 μ s。通過對(duì)高壓器件的防擊穿保護(hù),并增加適當(dāng)?shù)难訒r(shí)電路,大幅度提高了驅(qū)動(dòng)電路的工作穩(wěn)定性。該電路可應(yīng)用到高電壓、大電流、高功率容量、高速切換的PIN管開關(guān)中。

PIN二極管;開關(guān)驅(qū)動(dòng)器;高壓;大電流;跳頻濾波器

1 引 言

PIN管[1],簡(jiǎn)而言之,就是在P型和N型半導(dǎo)體之間嵌入一層低摻雜的本征半導(dǎo)體。PIN二極管具有在正向或反向偏壓上導(dǎo)通或阻斷的特性,并且具有快速切換的特點(diǎn),很適合用作高速切換的電子開關(guān)。所以,PIN管開關(guān)在控制微波信號(hào)的轉(zhuǎn)換中得到了很好的應(yīng)用,而作為保障PIN管開關(guān)正常工作的PIN管驅(qū)動(dòng)電路,其重要性不言而喻。為此,各大制造商也紛紛努力,設(shè)計(jì)出多種適用于不同場(chǎng)合的PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器。目前,市場(chǎng)上現(xiàn)有的大多數(shù)PIN開關(guān)驅(qū)動(dòng)器速度較慢,開關(guān)頻率低,控制反偏電壓偏小,支持的功率容量[2]也有限,這對(duì)PIN開關(guān)的功率容量和使用范圍起到了限制作用。

本文提出了一種PIN開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)器具有高速、高壓和大電流負(fù)載能力,解決了由于驅(qū)動(dòng)器的限制而導(dǎo)致開關(guān)濾波器和收發(fā)開關(guān)的低功率容量不符合系統(tǒng)要求的問題,大大地增加了PIN開關(guān)的可靠性。

2 PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)思想

實(shí)驗(yàn)室目前用的射頻開關(guān)由串聯(lián)和并聯(lián)兩組PIN管開關(guān)組成,共同控制射頻信號(hào)的通斷。當(dāng)并聯(lián)為1、串聯(lián)為0時(shí)射頻導(dǎo)通,反之則為關(guān)斷狀態(tài),而每路射頻開關(guān)只需要一路外圍控制信號(hào)控制。據(jù)此設(shè)計(jì)出相應(yīng)的射頻開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的原理圖,如圖1所示。

圖1 PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.1 PIN switch driving circuit schematic diagram

它將輸入控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的同相與反相輸出,然后驅(qū)動(dòng)兩組CMOS管[3],得到所需的輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)PIN二極管。該驅(qū)動(dòng)電路主要分成4個(gè)部分:穩(wěn)壓電路、延時(shí)電路、升壓反相電路和輸出控制電路。

3 PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)器的電路工作原理

3.1 穩(wěn)壓電路和延時(shí)電路

穩(wěn)壓電路由一個(gè)反相器組成,有兩方面的作用:首先,它能過濾輸入信號(hào)中可能存在的雜波,使電平的紋波系數(shù)更小,避免了外圍輸入信號(hào)的抖動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的性能造成影響;另外,根據(jù)下一級(jí)的輸入特性選擇合適的高扇出數(shù)[4]的反相器,可提高信號(hào)的負(fù)載能力,增加電路的穩(wěn)定性。

首先考慮輸出控制電路中的MOS管控制電路。如圖2示,當(dāng) COM 1為高電平（VPP）、COM 2為高電平（5 V）時(shí),Q23工作在截止區(qū),Q24工作在飽和區(qū),輸出 con2B為低電平（0 V）;當(dāng) COM 1為低電平（VBB）、COM 2為低電平（0 V）時(shí),Q23工作在飽和區(qū),Q24工作在截止區(qū),輸出con2B為高電平（VPP）,根據(jù)以上的分析,COM 1、COM 2與con2B邏輯如圖3所示。

圖2 MOS管控制電路Fig.2MOS control circuit

圖3 MOS管控制電路邏輯圖Fig.3 Logic diagram ofMOS control circuit

在不加任何延時(shí)的情況下,COM 1、COM 2基本上為同步開關(guān)狀態(tài),其理想時(shí)序與圖3基本相符?，F(xiàn)在考慮一下實(shí)際MOS管的工作狀態(tài):當(dāng) COM1、COM2由高電平跳變到低電平時(shí),Q24由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截止區(qū),Q23由截止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū),但NMOS在飽和狀態(tài)時(shí)會(huì)在柵極附近的P型硅表面積累很多電子而形成反型層,當(dāng)它從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換成截止?fàn)顟B(tài)時(shí),需要經(jīng)過存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移的時(shí)間,也就是NMOS從開到關(guān)需要一個(gè)穩(wěn)定的過程。同理,PMOS從關(guān)到開也需要一個(gè)穩(wěn)定的過程。如果COM 1,COM2同時(shí)切換到到低電平的話,則在MOS管穩(wěn)定的過程中,很可能會(huì)同時(shí)使兩管處于導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)VPP（高壓）與GND之間的阻值很小,電流I1產(chǎn)生一個(gè)峰值很大的脈沖,這會(huì)造成整個(gè)電路的不穩(wěn)定,甚至燒毀MOS管。同理,當(dāng)COM1、COM2由低電平跳變到高電平時(shí),也存在的同樣的問題[4]。

為了解決因COM1、COM2同步切換而造成電路不穩(wěn)定的問題,必須引入合適的延時(shí)電路,使整個(gè)電路穩(wěn)定,并使MOS管的壽命得到保障。引入延時(shí)的思想是:當(dāng)con2B從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí),COM 1必須先切換到高電平,使PMOS管Q23穩(wěn)定在截止區(qū)后,再切換COM2至高電平;當(dāng)con2B從低電平轉(zhuǎn)換到高電平時(shí),COM 2必須先切換到低電平,使NMOS管Q24先穩(wěn)定在截止區(qū)后,再切換COM 1到低電平。這樣就保證了在整個(gè)過程中,高壓VPP對(duì)地的阻值都很高,從而起到了穩(wěn)定電路、保護(hù)MOS管、降低功耗的作用。

這里用RC電路來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的延時(shí),如圖1所示,利用二極管的單向?qū)ㄐ詠韺?shí)現(xiàn)不同時(shí)段的延時(shí)。當(dāng)V1從低電平跳變到高電平VH時(shí),D41正向?qū)?所以D41與R41的并聯(lián)電阻非常小,RC的充電相當(dāng)快,Vo1很快就上升到VH;而D42反向截止,其與R42的并聯(lián)電阻接近R42,根據(jù)相關(guān)電路理論可得:

此時(shí)R=R42,C=C42,時(shí)間常數(shù) τ=R42×C42。從上式可知,通過改變R42或者C42來改變?chǔ)?從而使延時(shí)調(diào)到合適的值。

同理,當(dāng)V1從高電平跳變到低電平時(shí),可得到Vo2基本無延時(shí),而:

可通過改變R41或者C41來得到合適的延時(shí)。

3.2 升壓反相電路與輸出控制電路

升壓部分主要利用光耦來實(shí)現(xiàn),通過改變光耦芯片上第5引腳上的基準(zhǔn)電壓VBB來調(diào)整高壓。實(shí)際上,只要VBB在光耦芯片的額定值范圍內(nèi)都是可以的,當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中要結(jié)合后端的MOS管參數(shù)來考慮。

輸出控制電路應(yīng)用兩組CMOS管加必要的外圍電路實(shí)現(xiàn),這樣做將控制信號(hào)與高壓電壓源相隔,更加保障了電路的穩(wěn)定性。應(yīng)用該電路的好處是,只要處于截止區(qū)時(shí)MOS管 DS極耐壓夠高,就能為PIN管提供更高的反偏電壓,反偏電壓越大,就可支持更高的功率容量,擴(kuò)大該驅(qū)動(dòng)電路的使用范圍。另外若NMOS管工作的飽和區(qū),根據(jù)文獻(xiàn)[5],其飽和漏電流IDSat如下:式中,L、W分別為MOS管的溝道長(zhǎng)度和寬度,μn為電子遷移率,其中MOS管增益因子和閾電壓VT取決于NMOS管的固有參數(shù),因此對(duì)于一特定的NMOS管,IDSat與柵源電壓VGS有關(guān)[5]。由式（4）可知,如果選擇 β大而VT小的NMOS管,該驅(qū)動(dòng)電路就有更大的電流負(fù)載能力。

下面考慮一下驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)特性,MOS管的導(dǎo)通時(shí)間ton包括導(dǎo)通延遲時(shí)間tdn和上升時(shí)間tr;關(guān)斷時(shí)間toff包括關(guān)斷延遲時(shí)間tdf和下降時(shí)間tf。MOS管的開關(guān)時(shí)間來源于兩個(gè)方面:其一是載流子通過溝道輸運(yùn)所造成的時(shí)間延遲,可稱為本征延遲;其二是MOS管的PN結(jié)電容、引線電容及其雜散電容和負(fù)載電容的輸入電容,可統(tǒng)稱為負(fù)載延遲。在飽和區(qū)的本征延遲渡越時(shí)間tchs為:tchs=4L2/3μn（VGS-VT）,其中L為溝道長(zhǎng)度。由此可見,只要VGS定下來,那么tchs由MOS本身的特性所確定。考慮到負(fù)載延遲,以CLT表示MOS開關(guān)的下一級(jí)負(fù)載電容及MOS管本身的各種電容,即總的對(duì)地電容。根據(jù)分析可知,ton與CLT成正比,與輸入管的跨導(dǎo)gmI成反比;關(guān)斷時(shí)間toff也與CLT成正比,而與負(fù)載管的跨導(dǎo)gmL成反比[5]。故要減小開關(guān)延遲,可選擇寄生電容小的MOS管,在條件允許的情況下,盡可能減小外圍負(fù)載（PIN管開關(guān)）到地的電容。為了保證電路的穩(wěn)定,在選取延時(shí)電路的RC參數(shù)時(shí),要保證在導(dǎo)通時(shí)COM2的延時(shí)上升時(shí)間大于Q23的關(guān)斷時(shí)間tPoff,而在關(guān)斷時(shí)COM 1的延時(shí)下降時(shí)間大于Q24的關(guān)斷時(shí)間tNoff。

4 PCB版圖的設(shè)計(jì)

考慮到空間和面積上的局限,布局和走線的合理性就顯得特別重要。版圖上,各路驅(qū)動(dòng)電路器件應(yīng)該分開布局,對(duì)于每一路,應(yīng)盡可能地順著信號(hào)的流向布局,每一模塊的布局應(yīng)該保持緊湊。對(duì)那些可能過高壓的器件布局,要給它們足夠的空間,防止高壓對(duì)周圍器件的放電。布線上控制信號(hào)線要盡可能地保持走線平滑,盡量減少過孔數(shù)量,各路信號(hào)線之間的長(zhǎng)度差別不要太大。對(duì)于可能過大電流的線路,其走線的寬度和相應(yīng)的過孔應(yīng)該根據(jù)電流的大小適當(dāng)加大。并且這些走線的長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能短,這樣可以降低線路中的壓降,從而降低損耗。過高壓的線適當(dāng)與周圍走線和器件分開。在接地上,應(yīng)該注意地線之間的共阻抗干擾,采用一點(diǎn)接地法,即各級(jí)電路分別在一接點(diǎn)上與地線相接,可有效消除地線的共阻抗干擾。地線應(yīng)盡可能加寬,信號(hào)地與電源地還有射頻開關(guān)的地都應(yīng)該適當(dāng)分開。

5 實(shí)際電路測(cè)試

圖4 1分6 PIN開關(guān)驅(qū)動(dòng)PCB樣板Fig.4 1 ～ 6 PIN switch driver′s PCB demo

圖4為1分6 PIN管開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的PCB樣板的正面,其中的飛線是驅(qū)動(dòng)輸出到射頻開關(guān)的連線。

令延時(shí)電路中的R=3 000,C=1 000 pF,C21、C29=2×22 000 pF,高壓VPP=250V,輸入為1 kHz、峰峰值為5 V的時(shí)鐘信號(hào),測(cè)出的輸入-輸出波形如圖5所示。由圖5可知,在高壓250 V情況下,信號(hào)輸出波形理想。實(shí)際上,只要所選的MOS管的DS擊穿電壓越高,則該電路可提供更高的反偏電壓,開關(guān)的延時(shí)在2.6 μ s左右,實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器高速切換,開關(guān)速度達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷,根據(jù)MOS的開關(guān)參數(shù)選擇合適的RC參數(shù),可獲得更小的開關(guān)延時(shí)。

圖5 測(cè)得的輸入輸出波形Fig.5 Measured input-output waveform

為了測(cè)試該驅(qū)動(dòng)的帶電流負(fù)載[6]能力,應(yīng)用圖6的測(cè)試電路。

圖6 電流負(fù)載能力測(cè)試圖Fig.6 Test chart for loading current capacity

電流的值可以從V3電源表上讀出,它隨著V3的增加而增大,實(shí)際測(cè)量可知,只要電流值不超過1 A（MOS管的漏源飽和電流）,該電路都能穩(wěn)定且正常工作。實(shí)際工作中還需考慮PIN管的電流負(fù)載能力。

通過選擇高DS擊穿電壓的MOS管,就能提供更高的反偏電壓,進(jìn)而支持更大的功率容量。

6 結(jié)束語

本文提出的這種開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路在各項(xiàng)指標(biāo)上已達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室要求,徹底克服了原先驅(qū)動(dòng)器的一些弱點(diǎn),具有高速、高壓、大電流的驅(qū)動(dòng)能力,并支持更高功率容量的PIN管,而且在高頻電路上測(cè)試也表現(xiàn)出了比較理想的性能,充分顯示出電子開關(guān)的快速方便的特點(diǎn),從而在電子對(duì)抗中可以實(shí)現(xiàn)更多的干擾時(shí)間、更高速的跳頻干擾,以及更高的干擾功率。目前,該驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室的大功率高速跳頻濾波器中,表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。在以后的設(shè)計(jì)中,建議選擇更高耐壓、更短開關(guān)延遲的MOS管,盡可能增大高壓濾波電容的值,使該驅(qū)動(dòng)器的性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

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Design of a High-Voltage and High-Current PIN Switch Driver

GUAN Qing-xiong,ZHAN La-min
（Department of Electronic Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

A PIN diode switch driving circuit is presented.The control signal is isolated with the high voltage source in this circuit.It can work at 300V and has 800mA current drive capability.The switching time is below 2.6 μ s.The circuit′s working stability is improved greatly through anti-breakdown protection and adding appropriate time-delay circuit.This circuit can be used in high-voltage,high-current,high-power-capacity and high-speed PIN switch.

PIN diode;switch driving circuit;high voltage;high current;hopping filter

TN79

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.021

1001-893X（2011）02-0102-05

2010-10-14;

2010-12-06

官清雄（1982-）,男,福建福清人,2006年于華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要從事大功率跳頻濾波器射頻開關(guān)以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和研究;

GUAN Qing-xiong was born in Fuqing,Fujian Province,in1982.He

the B.S.degree in Department of Electronic Science and Technology from Huazhong University of Science and Technology in 2006.He is now a graduate student.His research interests include RF switch design and switch driving circuit design for high power hopping filter.

Email:157072296@qq.com

占臘民（1976-）,男,湖北黃岡人,副教授,主要研究方向?yàn)殡娬{(diào)濾波器和電子材料與器件。

ZHAN La-min was born in Huanggang,Hubei Province,in 1976.He is now an associate professor.His research interests include electric tunable filters and electronic materials and device.