一種用于驅(qū)動(dòng)高邊功率開關(guān)的電荷泵電路

任立 張國(guó)俊

摘要：提出了一種新型的電荷泵電路設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用電容電壓不能突變的原理，設(shè)計(jì)了一種可以用來驅(qū)動(dòng)高邊功率開關(guān)管柵極電壓的電荷泵結(jié)構(gòu)。采用該結(jié)構(gòu)后的高邊功率管的柵極電壓，可以在控制信號(hào)開啟后很短的時(shí)間內(nèi)，將柵極電壓迅速抬升至電源電壓以上，確保功率開關(guān)管可以正常導(dǎo)通。通過調(diào)整輸入方波的頻率，該結(jié)構(gòu)的電壓抬升時(shí)間可以根據(jù)不同的工藝水平和工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，本文也整理了不同的輸入頻率和抬升時(shí)間之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：電荷泵;功率開關(guān);功率集成電路;高邊驅(qū)動(dòng);

0引言

高邊功率開關(guān)是功率集成電路的典型電路之一。它是將驅(qū)動(dòng)電路、控制電路與保護(hù)電路能夠集成于一個(gè)芯片中，在一定程度上實(shí)現(xiàn)智能化的控制功能，將會(huì)大大降低芯片的設(shè)計(jì)難度并且提高其性能。而電荷泵電路則是其中必不可少的重要驅(qū)動(dòng)電路。隨著人們對(duì)便攜式電子設(shè)備的消費(fèi)需求越來越高，電子產(chǎn)品的高性能、低功耗、輕型化等需要使得電源開關(guān)相關(guān)的芯片性能要求愈加提升，而對(duì)電荷泵電路的性能要求也隨之越來越高。

智能功率開關(guān)將控制電路，保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路以及一些外圍接口與功率開關(guān)做成一體化的集成芯片。其中驅(qū)動(dòng)電路就是本文所提及的電荷泵電路。智能功率開關(guān)分為高邊功率開關(guān)和低邊功率開關(guān)，高邊與低邊的區(qū)別在用作開關(guān)作用的MOS管接在電源端還是地端。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境會(huì)選擇不同的功率開關(guān)。

高邊功率開關(guān)如圖1所示，高壓功率管NMOS起主要的開關(guān)作用，通過電荷泵驅(qū)動(dòng)電路對(duì)功率MOS管的柵極進(jìn)行充放電來控制其開啟與關(guān)斷。

電荷泵是一種電荷轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行工作的電路，在本文所研究的這款芯片中，電荷通過對(duì)功率管的柵電容進(jìn)行周期性的充電，將柵電壓逐漸提高到功率管的開啟電壓以上，從而保證芯片能夠開啟。由于電荷泵會(huì)對(duì)柵極進(jìn)行持續(xù)的充電，因此柵極電壓會(huì)充到電源電壓以上，需要一個(gè)鉗位電路來限制柵極的最高電壓，即電荷泵電路的輸出電壓。

1電荷泵電路的設(shè)計(jì)背景和基本原理

1.1電荷泵電路的設(shè)計(jì)背景

本文設(shè)計(jì)的電荷泵電路是應(yīng)用于一款電源電壓工作范圍為4.7-52V的高邊功率開關(guān)電源芯片。本文中取40V為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了使得功率開關(guān)管在供電電源為40V時(shí)依舊可以正常工作，則電荷泵電路需要將驅(qū)動(dòng)電壓抬升至40V以上。

1.2電荷泵電路基本原理

電荷泵是一種DC/DC的電壓轉(zhuǎn)換電路，在實(shí)際應(yīng)用中電荷泵可以將輸入電壓的相位反轉(zhuǎn)即正電壓輸出為負(fù)電壓，或者將輸入電壓的大小增大甚至翻倍。電荷泵的原理是通過對(duì)內(nèi)部電容的周期性的充放電，利用電容電壓不能突變的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓大小和相位的控制，因此將這種電路稱為電荷泵變換器。

電荷泵的基本原理電路如圖2所示，該電路的核心是兩個(gè)電容、一個(gè)反相器和四個(gè)開關(guān)組成。開關(guān)的關(guān)斷與開啟由電荷泵前級(jí)電路輸入的周期變化的方波信號(hào)與反相器控制，且開關(guān)狀態(tài)總是成對(duì)出現(xiàn)。控制信號(hào)在第一個(gè)高電平時(shí)，s1開關(guān)和s2開關(guān)閉合、s3開關(guān)和s4開關(guān)則會(huì)因?yàn)榉聪嗥鞫鴶嚅_，此時(shí)，圖2中左邊的回路就會(huì)導(dǎo)通，輸入電壓U1開始對(duì)電容c1進(jìn)行充電，靠近s1端為正電壓;在控制信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)狀態(tài)相反，即s1開關(guān)和s2開關(guān)斷開、s3開關(guān)和s4開關(guān)閉合，此時(shí)圖2中的左俱0回路關(guān)閉而右側(cè)回路開啟，電容c1向C2放電，電荷就會(huì)存儲(chǔ)在電容C2的內(nèi)部，其兩端的電壓差值將會(huì)達(dá)到U1，且靠近開關(guān)s3端是正電位，而由于電容C2上極板接地，則輸出電壓U0的電壓為-U1。由此可以得到與輸入電壓極性相反的輸出電壓。之后下一個(gè)周期的方波信號(hào)來臨，高電平時(shí)，s1開關(guān)和s2開關(guān)再次閉合、s3開關(guān)和s4開關(guān)再次斷開，輸入電壓U1又一次向電容c1進(jìn)行充電，之后方波低電平，和之前一樣，s1開關(guān)和s2開關(guān)斷開、s3開關(guān)和s4開關(guān)閉合，在原本C2中就存儲(chǔ)電荷的情況下，c1繼續(xù)向C2放電，C2極板的電壓就會(huì)升高。以此類推，如果控制信號(hào)以高頻率方波輸入，則通過c1和C2的電壓轉(zhuǎn)換可以在輸出端得到持續(xù)輸出的負(fù)電壓。

雖然電荷泵能夠?qū)崿F(xiàn)電壓變換，但從原理上可以理解其輸出電壓始終處于動(dòng)態(tài)的變化之中，且電容的充放電過程中會(huì)有輸出電流，電壓轉(zhuǎn)換過程中會(huì)出現(xiàn)能量損耗。因此設(shè)計(jì)一個(gè)所需的電荷泵電路的終點(diǎn)就在于克服這些因素。

2電荷泵電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)原理的分析以及相關(guān)知識(shí)的理解，經(jīng)過多次嘗試后，最終得到的圖3即為所設(shè)計(jì)的電荷泵實(shí)際電路圖。

在圖3所示的電路中，VDD為輸入電源電壓，vn和vp是由電荷泵前級(jí)振蕩器電路產(chǎn)生的固定頻率方波電壓，二者頻率相同但相位相差180°，vlogic為控制電壓，該電壓為高時(shí)電荷泵工作，為低時(shí)電荷泵關(guān)斷，GND為地電位;圖中右俱0輸出一側(cè)中，Q9即為電荷泵電路驅(qū)動(dòng)的功率MOS開關(guān)管，vgate為電荷泵輸出電壓，負(fù)責(zé)連接被驅(qū)動(dòng)功率管的柵極，OUT端為功率管的源極輸出電位。

同時(shí)在調(diào)試仿真的過程中觀察到，電荷泵抬升所需要的時(shí)間和輸入方波的頻率具有一定相關(guān)性，經(jīng)過多次仿真測(cè)試，在電路其他參數(shù)保持不變的情況下，得到前級(jí)輸入的方波頻率和輸出電壓抬升時(shí)間之間的關(guān)系如表1所示?？梢愿鶕?jù)實(shí)際工藝水平、工作環(huán)境等需求，計(jì)算出前級(jí)震蕩器所能輸出的最終頻率，根據(jù)此表可以得出對(duì)應(yīng)的輸出電壓抬升時(shí)間。

4結(jié)論

本文討論了電荷泵技術(shù)的原理，并根據(jù)該原理設(shè)計(jì)出了一種能夠快速抬升輸出電壓至電源電壓以上一定值的電荷泵電路結(jié)構(gòu)。該電路可以很好得工作于一款基于0.35pm、BCD工藝的電源電壓工作范圍為4.7V-52V的高邊功率開關(guān)電源芯片。本文設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過Hspice軟件進(jìn)行了相關(guān)仿真，印證了該電路設(shè)計(jì)的正確性。同時(shí)由于工藝溫度等條件的不同，實(shí)際輸入方波能達(dá)到的穩(wěn)定頻率并不一定，因此本文還總結(jié)了不同輸入方波頻率與輸出電壓抬升時(shí)間之間的關(guān)系。該電路同樣可以適用于其他功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。