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集成的BiCMOSDCDC开关电源控制器输出驱动电器的低功耗设计
2017年05月22日 14:27 密封产业网

  在开关电源系统拓扑结构中,当功率MOSFET工作于低频条件下的开关状态时,MOSFET很高的输入阻抗就意味着驱动功率MOSFET仅需要很低的电流水平,只要通过施加电压就可以使得功率MOSFET工作于开关状态。但是,由于功率密度的提高,使得开关电源朝着更高开关频率的方向发展在这样的开关频率下,功率MOSFET的输入电容就成为输入阻抗的主要方面,于是就要求设计的驱动电路有电流源和电流沉的功能,以便对MOSFET的有效的栅源电容分别进行充电或放电驱动的指标是一个MOSFET对其栅压的变化有立即的响应,例如,当达到其阈值电压2~3V)时,它将导通;而且,当(Vs= 4~5V)时,MOSFET就完全导通当栅电压超过阈值电压后,在接下来的连续时间内,栅电压有一个阶跃变化,变化的大小取决于可利用的驱动电流而驱动电流决定了MOSFET的漏电流的上升和下降时间驱动电流可以用如其中,Im是由于密勒效应给MOSFET的漏栅电容充电所需的电流,并以此速率改变漏端的电压而/G是给栅源电流充电的所需要的充电电流,改变栅源电压,以便使得MOSFET从阈值导通变化到完全导通为止。也即速度直接与驱动电流有关。说明DC/DC开关电源的输出驱动电路的工作电流比较大,所以降低该电路模块的功耗也是便携式DC/DC开关电源设计中必须着重考虑的一个方面,同时,避免电路在大电流条件下瞬态短路是输出驱动电路设计中考虑的另外一个方面。

  2具有自举功能的BiCMOS输出驱动电路文中的开关电源采用同步整流结构,如所示。于是,DC/DC开关电源就需要对称的两个输出驱动电路分别驱动中的功率晶体管M1和M2由于M1的源端连接的是电感,而该电感端的电压是变化的。对于集成的电源控制芯片而言,片内的电源水平无法驱动M1的导通和截止,驱动M1需要设计的是根据M1源电压变化而自举的电路;而M2的源端连接的是地,片内电源水平就可以满足要求。但为了时钟的同步,驱动M1和M2的电路要具有对称性,以满足相同的延时因此,文中只对M 1的驱动电路做详细的讨论,而对M2的驱动电路只作类似的调整即可。

  具有自举功能的输出驱动电路的整体结构如所示D是开关电源的控制系统发出的控制开关晶体管导通、截止的信号。自举的原理如下:首先,电源(这里为5V电源),给自举电容C充电,使A点的电压比B点的电压高4.7V左右(即,增加了inv1和inv2两级驱动放大,每级MOSFET的宽比前一级MOSFET的宽大2.7倍。同时满足了信号G和信号D的同相。为了提高驱动能力,还可以增加几个级连的反相驱动器。

  t32和t33是为了防止结点Y的电压向正电压或向负电压方向的摆幅过大而设以保护3低功耗的输出驱动电路CMOS功耗的主要有三个组成部分,如下表达式:上式**项表示开关动作引起的功率损耗其中:Cl表示负载电容,fclk表示时钟频率,ft表示发生开关导通的概率一般情况下,V和Vdd的值相同。第二项表示NMOS和PMOS同时导通,短路电流Isc引起的功耗。第三项的/Wage是由衬底注入和亚阈值效应所引起的取决于制造工艺?般,**项是降低功耗的关键,因为第二、三两项是CMOS电路所固有的。于是,降低,ClVdd和fck的值就是低功耗设计的选择消除短路导通现象的低功耗High-Driver驱动电路模块但是,对于DC/DC开关电源而言,为了保持输出电压的稳定Cl和fck的值不可只为了降低功耗而改变所以DC/DC开关电源就得另想办法降低功耗。事实上,第二项的功耗占整个CMOS功耗的2(%~50%,而由前可知,功率晶体管的输入电容是主要的阻抗,也即要求在DC/DC开关电源输出驱动电路的*后一级处理的是大电流,如果消除驱动电路*后一级的短路导通现象将大大降低驱动电路的功耗对于的*后一级电路而言,当需要的输出驱动电流较大时,CMOS电路所设计的W/L就较大,电阻就很低,如果电路发生瞬态短路导通,功耗就比较大,甚至可能因此而损坏电路。

  消除短路导通现象的低功耗High~Driver驱动电路模块如所不。该电路在G输出端设计了两个驱动能力很大的管子mpx和mnx,通过反相器invt~inv4把Z信号(Z信号是Y信号的反相信号)的反相信号输入到mpx和mnx的栅极逻辑上,mpx和mnx的栅极信号同相,但不同的是mpx栅极信号到来的时间比mnx栅极信号到来的时间晚,有两个反相器的延时,约10ns,就避免了CMOS的短路导通现象降低了功耗,保护了mnx和mpx 4模拟结果当开关电源输入电压Vin为10V,开关电源控制器内部电压为5V,开关频率为200kHz,D信号的占空比为50%时,功率开关管用IRF531的情况下,利用自举驱动时,Z结点以后的电路功耗为35.518mW,利用自举驱动时,Z结点以后的电路功耗为31.863mW,可知,的电路功耗可节省级11.5%同时,由于的电路在驱动*后一级电路时,利用了电流源和电流沉相结合的驱动模式,驱动电流源和电流沉的信号有十几纳秒的延迟,避免了CMOS电路中的瞬态直流短路导通,就客观上保护了输出端的驱动晶体官mpx和mnx 5结论本文不仅提出了一个开关电源的自举输出驱动电路,可以在高的开关频率下及时地控制功率晶体管的导通和截止,而且经电路的改进降低了功耗,保护了输出驱动的管子。该电路结构简单,易于集成和移植,利用本文的设计思想,可以设计出适于各种DC /DC开关电源的输出驱动电路。

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