一种低功耗栅极驱动电路的制作方法

1.本发明涉及电源管理技术领域，特别是涉及一种低功耗栅极驱动电路。

背景技术：

2.在现有技术中，一个模拟的晶体管通常用来在输入和输出之间实现信号或功率传输，而该晶体管则需要相应的栅极驱动电路来控制晶体管的导通和关断。当栅极控制电路控制晶体管的栅源电压大于阈值电压时，晶体管导通；而当栅极控制电路控制晶体管的栅源电压小于阈值电压时，晶体管则关断。
3.而传统的栅极驱动电路在运行中，当需要目标晶体管导通时，振荡器模块的使能端信号为高，此时振荡器模块会输出一个固定频率的方波，该方波会控制与振荡器模块相连的电荷泵模块产生一个高于输出的电压到目标晶体管的栅极上，该电压最后由钳位二极管固定在一个稳定的电压，保持目标晶体管有一个稳定的栅源电压栅源电压；当需要目标晶体管关断时，使能端信号为低，振荡器模块和电荷泵模块都会关闭，nmos晶体管会下拉栅极，使目标晶体管的栅源电压低于0，从而实现对目标晶体管的导通和关断。
4.但传统的栅极驱动器通常会存在如下问题：
5.1、打开目标晶体管时，容易在目标晶体管和输入上产生很大的电流。2、目标晶体管的栅源电压由钳位二极管稳压，钳位二极管的电压会随着工艺、温度等因素而变化，从而导致栅源电压不准确。3、振荡器模块和电荷泵模块的功耗较大。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种低功耗栅极驱动电路，能够通过调节栅极电压，实现对晶体管的缓启动和稳定运行、对栅极的保护，以及降低电路功耗。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种低功耗栅极驱动电路，包括：第一放大器、第二放大器、取小模块和电压控制模块；
9.所述第一放大器的负极输入端与目标晶体管的栅极连接；所述第一放大器的正极输入端用于输入斜坡信号；所述第一放大器的输出端与所述取小模块的输入端连接；所述第一放大器用于输出第一电压信号；
10.所述第二放大器的负极输入端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第二放大器的正极输入端与所述目标晶体管的源极连接；所述第二放大器的输出端与所述取小模块的输入端连接；所述第二放大器用于输出第二电压信号；
11.所述取小模块的输出端与所述电压控制模块的输入端连接；所述电压控制模块的第一输出端与所述目标晶体管的栅极连接；所述电压控制模块的第二输出端与所述目标晶体管的源极连接；所述目标晶体管的源极还与电源输出端连接；所述目标晶体管的漏极与电源输入端连接；
12.电路启动时，所述取小模块以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随
着所述斜坡信号的增大而逐渐增大；所述电压控制模块根据所述取小模块输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压逐渐增大，当栅极电压超过电压阈值时，所述目标晶体管导通；
13.所述目标晶体管导通后，所述取小模块以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大，所述电压控制模块根据所述取小模块输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压和所述电源输出端的输出电压逐渐增大，当所述输出电压等于所述电源输入端的输入电压时，所述输出电压保持不变；
14.所述输出电压保持不变后，当所述第二放大器的负极输入端的电压等于所述输出电压时，所述取小模块以所述第二电压信号作为输出，所述第二电压信号保持不变，所述电压控制模块根据所述第二电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压保持不变。
15.可选地，还包括：下拉电压模块；
16.所述下拉电压模块的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述下拉电压模块的另一端接地；
17.所述下拉电压模块用于当需要所述目标晶体管关断时，控制所述目标晶体管的栅极电压低于0。
18.可选地，所述驱动电路，还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和电流源；
19.所述第一电阻的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第一电阻的另一端分别与所述电流源的一端以及所述第二放大器的负极输入端连接；
20.所述第二电阻的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第二电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端以及所述第一放大器的负极输入端连接；
21.所述第三电阻的另一端和所述电流源的另一端均接地。
22.可选地，所述驱动电路，还包括：开关；
23.所述开关的一端与所述第二电阻的另一端连接；所述开关的另一端与所述第一放大器的负极输入端连接。
24.可选地，所述电流源，包括：依次连接的基准电压器件和第四电阻；所述基准电压器件的一端为所述电流源的一端；所述第四电阻的一端为所述电流源的另一端。
25.可选地，所述电压控制模块，具体包括：依次相连的振荡器和电荷泵模块；
26.所述取小模块、所述振荡器、所述电荷泵模块和所述目标晶体管的栅极依次连接；所述电荷泵模块还与所述电源输出端连接；
27.所述振荡器用于根据所述取小模块的输出信号输出时钟控制信号；
28.所述电荷泵模块用于根据所述时钟控制信号控制所述目标晶体管的栅极电压和电源输出端的输出电压。
29.可选地，所述下拉电压模块为nmos管。
30.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
31.本发明公开了一种低功耗栅极驱动电路，所述驱动电路包括第一放大器、第二放大器、取小模块和电压控制模块；电路启动时，所述取小模块以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大，所述电压控制模块根据所述取小模块输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压逐渐增大，当栅极电压超过电压阈值时，所述目标晶体管导通；所述目标晶体管导通后，所述取小模块以所述第一电压
信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大，所述电压控制模块根据所述取小模块输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压和所述电源输出端的输出电压逐渐增大，当所述输出电压等于所述电源输入端的输入电压时，所述输出电压保持不变；所述输出电压保持不变后，当所述第二放大器的负极输入端的电压等于所述输出电压电压时，所述取小模块以所述第二电压信号作为输出，所述第二电压信号保持不变，所述电压控制模块根据所述第二电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压保持不变。本发明通过斜坡信号控制取小模块输出的电压信号缓慢上升，并根据该电压信号使电压控制模块来调节所述目标晶体管的栅极电压，从而能控制目标晶体管栅极电压的启动上升斜率、实现对晶体管的缓启动和稳定运行、对栅极的保护，以及降低电路功耗。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明低功耗栅极驱动电路的结构示意图；
34.图2为本发明实施例中栅极驱动电路的电路连接示意图；
35.图3为本发明实施例中栅极驱动电路工作的典型波形图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明的目的是提供一种低功耗栅极驱动电路，能够通过调节栅极电压，实现对晶体管的缓启动和稳定运行、对栅极的保护，以及降低电路功耗。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.如图1所示的实施例，本发明实施例提供的一种低功耗栅极驱动电路，包括：第一放大器1、第二放大器2、取小模块3和电压控制模块4。
40.所述第一放大器1的负极输入端与目标晶体管的栅极连接；所述第一放大器1的正极输入端与用于输入斜坡信号；所述第一放大器1的输出端与所述取小模块3的输入端连接；所述第一放大器1用于输出第一电压信号；所述第二放大器2的负极输入端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第二放大器2的正极输入端与所述目标晶体管的源极连接；所述第二放大器2的输出端与所述取小模块3的输入端连接；所述第二放大器2用于输出第二电压信号；所述取小模块3的输出端与所述电压控制模块4的输入端连接；所述电压控制模块4的第一输出端与所述目标晶体管的栅极连接；所述电压控制模块4的第二输出端与所述目标晶体管的源极连接；所述目标晶体管的源极还与电源输出端连接；所述目标晶体管的漏极与电源输入端连接。
41.其中，第一放大器和第二放大器用于对正、负极输入端的电压进行放大处理，并输出第一电压信号和第二电压信号；而取小模块用于对第一电压信号和第二电压信号进行取小处理，并输出两个信号中电压较小的信号。
42.电路启动时，所述取小模块3以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大，所述电压控制模块4根据所述取小模块3输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压逐渐增大，当栅极电压超过电压阈值时，所述目标晶体管导通。
43.所述目标晶体管导通后，所述取小模块3以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大，所述电压控制模块4根据所述取小模块3输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压和所述电源输出端的输出电压逐渐增大，当所述输出电压等于所述电源输入端的输入电压时，所述输出电压保持不变。
44.所述输出电压保持不变后，当所述第二放大器2的负极输入端的电压等于所述输出电压电压时，所述取小模块以所述第二电压信号作为输出，所述第二电压信号保持不变，所述电压控制模块4根据所述第二电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压保持不变。
45.在现有技术仅由钳位二极管控制的电路中，如果栅源电压太小，可能导致目标晶体管导通电阻太大甚至关断，如果栅源电压太大超过耐压值，则可能会导致栅极损坏；并且振荡器模块和电荷泵模块只能一直以一个固定的频率工作，工作中产生多余的电流会由钳位二极管泄放掉，导致功耗较大。
46.因此，由第一放大器1、第二放大器2、取小模块3和电压控制模块4替换钳位二极管结构的电路，不仅能够解决栅源电压不准确的问题，而且能够节约能耗。
47.作为一种具体的实施方式，所述驱动电路的结构还包括：下拉电压模块。
48.所述下拉电压模块的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述下拉电压模块的另一端接地。所述下拉电压模块用于当需要所述目标晶体管关断时，控制所述目标晶体管的栅极电压低于0。
49.如图2所示的实施例，在上述所述驱动电路结构的基础上，所述驱动电路还包括：第一电阻rb、第二电阻ru、第三电阻rd和电流源ib。
50.所述第一电阻rb的一端与所述目标晶体管m0的栅极连接；所述第一电阻rb的另一端分别与所述电流源ib的一端以及所述第二放大器a2的负极输入端连接；所述第二电阻ru的一端与所述目标晶体管m0的栅极连接；所述第二电阻ru的另一端分别与所述第三电阻rd的一端以及所述第一放大器a1的负极输入端连接；所述第三电阻rd的另一端和所述电流源ib的另一端均接地。
51.其中，所述电流源ib，包括：依次连接的基准电压器件和第四电阻；所述基准电压器件的一端为所述电流源的一端；所述第四电阻的一端为所述电流源的另一端。
52.在此基础上，本电路还包括：开关。所述开关的一端与所述第二电阻ru的另一端连接；所述开关的另一端与所述第一放大器a1的负极输入端连接。
53.作为电压控制模块的一种具体实施方式，包括：依次相连的振荡器和电荷泵模块。所述取小模块、所述振荡器、所述电荷泵模块和所述目标晶体管的栅极依次连接；所述电荷泵模块还与所述电源输出端连接。
54.所述振荡器用于根据所述取小模块的输出信号输出时钟控制信号；所述电荷泵模
块用于根据所述时钟控制信号控制所述目标晶体管的栅极电压和电源输出端的输出电压。
55.在本实施例中，所述下拉电压模块为nmos管。
56.根据如图2所示的电路结构，gate电压到地通过第二电阻ru、开关s1和第三电阻rd产生第一比较电压gate_div＝gate*rd/(ru+rd)，该电压和一个斜坡信号ss输入到一个放大器a1，a1通过电压gate_div和斜坡信号ss的差别产生一个误差放大信号vc1。要使放大器a1的输入两端相等gate_div＝ss，则有gate＝ss*(ru+rd)/rd。
57.gate再通过第一电阻rb和电流源ib接到地上，从而产生第二比较电压gate_mr＝gate-ib*rb，如果电流源ib是由基准电压(vref)和一个与第一电阻rb同样类型的第四电阻rb2产生的，也就是电流源ib＝vref/rb2，那么，gate_mr＝gate-ib*rb＝gate-vref*rb/rb2。第一比较电压gate_mr和栅极驱动电路的输出电压vout一起输入到另一个放大器a2，放大器a2通过电压gate_mr和输出电压vout的差别产生误差放大信号vc2。要使放大器a2的输入两端相等gate_mr＝vout，则有gate＝vout+vref*rb/rb2。
58.误差放大信号vc1和vc2通过取小模块(vmin)得到这两个信号中较小的信号vc＝min(vc1,vc2)。vc取较小的vc1和vc2能保证栅极电压gate＝min{gate＝ss*(ru+rd)/rd,vout+vref*rb/rb2}。也即取小模块3的输出信号为电压调节信号。
59.电压调节信号vc接到振荡器oscillator，来控制振荡器oscillator输出时钟控制信号clk。调节信号vc电压越高，输出时钟clk的频率越大。
60.时钟clk信号接到电荷泵模块chargepump来产生一个高于输出电压vout的电压，输出接到目标晶体管m0的栅极gate。如果时钟clk的频率变高，电荷泵模块chargepump产生的调节电压变高；反之如果时钟clk的频率变低，电荷泵模块chargepump产生的调节电压会变低。
61.根据上述栅极驱动电路的控制原理，能够得到如图3所示的典型波形。
62.在t0时刻，使能端en从低变高，斜坡信号ss从0开始缓慢上升，刚开始gate_mr电压远小于vout电压，vc2电压很高，vc＝vc1，整个环路由放大器a1控制，因此gate_div＝ss，也即gate＝ss*(ru+rd)/rd，栅极电压随着斜坡信号ss的上升而缓慢上升。
63.在t1时刻，栅极电压vgs(此时等于gate电压)超过了目标晶体管m0的阈值电压，目标晶体管m0开始导通，因此栅极驱动电路的输出电压vout也开始随着ss的上升一起缓慢上升。因为vout的上升斜率受ss控制，所以m0和栅极驱动电路的输入vin上的电流也都较小。
64.在t2时刻，vout电压上升到和输入电压vin相等，不再继续上升，而gate电压继续随着ss的上升而上升。
65.在t3时刻，gate_mr电压上升到和vout电压相等，vc2电压开始变低，于是vc＝vc2，整个环路切换到由放大器a2控制，保持gate_mr＝vout，于是gate电压不再随着ss上升而继续上升，而是保持gate＝vout+vref*rb/rb2。因此vgs＝gate-vout＝vref*rb/rb2，仅由基准电压vref和电阻比例决定，非常准确不会随工艺和温度等因素变化。
66.在t4时刻，斜坡信号ss达到最高电压vh，这时可以关闭开关s1，以减小gate上的电流，节省功耗。
67.综上所述，在整个工作过程中：
68.开始时通过调节时钟和电荷泵模块来使gate电压跟随斜坡信号ss的上升而缓慢上升，从而限制了输入电压vin和晶体管m0上的电流。这样就可以通过调节斜坡信号ss的上
升斜率来调节gate电压的上升斜率，也就调节了输入电压vin和晶体管m0通路上的电流。
69.后期则自动过渡到通过调节时钟和电荷泵来控制gate稳定在vout+vref*rb/rb2，从而保持栅源电压vgs＝vref*rb/rb2，仅由基准电压(vref)和电阻比例决定，非常准确且不会随工艺和温度等因素的变化而变化。
70.而整个过程振荡器和电荷泵工作均由vc电压来控制，时钟频率维持在控制gate电压所需的最低频率上。相比于用固定的时钟频率来控制电荷泵，这将大大节省功耗。
71.新的栅极驱动电路不光可以用于驱动单个的晶体管，同样也可以用于驱动例如两个背靠背连接的晶体管等情形。
72.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
73.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的电路及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种低功耗栅极驱动电路，其特征在于，包括：第一放大器、第二放大器、取小模块和电压控制模块；所述第一放大器的负极输入端与目标晶体管的栅极连接；所述第一放大器的正极输入端用于输入斜坡信号；所述第一放大器的输出端与所述取小模块的输入端连接；所述第一放大器用于输出第一电压信号；所述第二放大器的负极输入端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第二放大器的正极输入端与所述目标晶体管的源极连接；所述第二放大器的输出端与所述取小模块的输入端连接；所述第二放大器用于输出第二电压信号；所述取小模块的输出端与所述电压控制模块的输入端连接；所述电压控制模块的第一输出端与所述目标晶体管的栅极连接；所述电压控制模块的第二输出端与所述目标晶体管的源极连接；所述目标晶体管的源极还与电源输出端连接；所述目标晶体管的漏极与电源输入端连接；电路启动时，所述取小模块以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大；所述电压控制模块根据所述取小模块输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压逐渐增大，当栅极电压超过电压阈值时，所述目标晶体管导通；所述目标晶体管导通后，所述取小模块以所述第一电压信号作为输出，所述第一电压信号随着所述斜坡信号的增大而逐渐增大，所述电压控制模块根据所述取小模块输出的第一电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压和所述电源输出端的输出电压逐渐增大，当所述输出电压等于所述电源输入端的输入电压时，所述输出电压保持不变；所述输出电压保持不变后，当所述第二放大器的负极输入端的电压等于所述输出电压时，所述取小模块以所述第二电压信号作为输出，所述第二电压信号保持不变，所述电压控制模块根据所述第二电压信号控制所述目标晶体管的栅极电压保持不变。2.根据权利要求1所述的低功耗栅极驱动电路，其特征在于，还包括：下拉电压模块；所述下拉电压模块的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述下拉电压模块的另一端接地；所述下拉电压模块用于当需要所述目标晶体管关断时，控制所述目标晶体管的栅极电压低于0。3.根据权利要求1所述的低功耗栅极驱动电路，其特征在于，所述驱动电路，还包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和电流源；所述第一电阻的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第一电阻的另一端分别与所述电流源的一端以及所述第二放大器的负极输入端连接；所述第二电阻的一端与所述目标晶体管的栅极连接；所述第二电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端以及所述第一放大器的负极输入端连接；所述第三电阻的另一端和所述电流源的另一端均接地。4.根据权利要求3所述的低功耗栅极驱动电路，其特征在于，所述驱动电路，还包括：开关；所述开关的一端与所述第二电阻的另一端连接；所述开关的另一端与所述第一放大器的负极输入端连接。
5.根据权利要求3所述的低功耗栅极驱动电路，其特征在于，所述电流源，包括：依次连接的基准电压器件和第四电阻；所述基准电压器件的一端为所述电流源的一端；所述第四电阻的一端为所述电流源的另一端。6.根据权利要求1所述的低功耗栅极驱动电路，其特征在于，所述电压控制模块，具体包括：依次相连的振荡器和电荷泵模块；所述取小模块、所述振荡器、所述电荷泵模块和所述目标晶体管的栅极依次连接；所述电荷泵模块还与所述电源输出端连接；所述振荡器用于根据所述取小模块的输出信号输出时钟控制信号；所述电荷泵模块用于根据所述时钟控制信号控制所述目标晶体管的栅极电压和电源输出端的输出电压。7.根据权利要求2所述的低功耗栅极驱动电路，其特征在于，所述下拉电压模块为nmos管。

技术总结

本发明公开了一种低功耗栅极驱动电路，涉及电源管理技术领域。所述驱动电路包括第一放大器、第二放大器、取小模块和电压控制模块；本发明通过第一放大器的正极输入端输入的斜坡信号控制取小模块输出的第一电压信号缓慢上升，并根据该电压信号使电压控制模块来调节所述目标晶体管的栅极电压，从而能控制目标晶体管栅极电压的启动上升斜率、实现对晶体管的缓启动，并当电源输出端的输出电压等于第二放大器的负极输入端的电压时，取小模块保持第二放大器输出的第二电压信号不变，电压控制模块进而根据第二电压信号控制目标晶体管的栅极电压保持不变，实现对目标晶体管的稳定运行、对栅极的保护，以及降低电路功耗。以及降低电路功耗。以及降低电路功耗。