一種帶脈寬保護(hù)的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器

雷旭，羅焰嬌，唐旭，曾欣

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

場效應(yīng)管是開關(guān)電源、電機(jī)控制、脈沖發(fā)生器等系統(tǒng)中最常用的功率開關(guān)器件之一[1]。場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器可以將低壓、低電流的控制輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓、大電流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來作為場效應(yīng)管的輸入，使場效應(yīng)管的柵極電壓迅速升高或降低，以保證其穩(wěn)定導(dǎo)通或截止[2,3]。

場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品按制造工藝劃分，主要有CMOS、雙極和BCD三種不同的類型，各自特點(diǎn)如下：CMOS場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器的工藝結(jié)構(gòu)相對簡單，在成本控制方面有很大優(yōu)勢，但是受限于功率管驅(qū)動(dòng)能力，常用于20 V以下且對驅(qū)動(dòng)電流要求不高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如MAXIM、INTERSIL公司的442X系列產(chǎn)品等；雙極工藝制造的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器主要用三極管進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，三極管靜態(tài)電流大，但同時(shí)具有高跨導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)能力相對較強(qiáng)的特點(diǎn)，常用于40 V以下且對驅(qū)動(dòng)電流要求不高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如TI的UC1705～1710系列等； BCD工藝集成了雙極器件、CMOS和LDMOS，綜合了雙極器件高跨導(dǎo)/強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力、CMOS集成度高/低功耗、LDMOS高耐壓/低功耗/強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)點(diǎn)，因此，BCD工藝制造的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器可應(yīng)用于2 A甚至更高的大電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4,5]。目前，國內(nèi)BCD工藝迅速發(fā)展，雖然與國外工藝存在一定差距，但采用BCD工藝研制場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器對提升軍民融合電子元器件性能具有重要意義。

文章引言主要介紹場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器的架構(gòu)設(shè)計(jì)和基本原理，第1節(jié)給出了TTL/CMOS輸入級(jí)、脈寬保護(hù)單元、緩沖單元和死區(qū)單元的設(shè)計(jì)，第2節(jié)給出驅(qū)動(dòng)器的仿真結(jié)果和版圖設(shè)計(jì)，第3節(jié)得出結(jié)論。

1 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器如圖1所示，包含TTL/CMOS輸入級(jí)、緩沖單元、死區(qū)單元、脈寬保護(hù)單元和功率驅(qū)動(dòng)輸出組成。場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器通過輸入級(jí)將TTL/CMOS信號(hào)轉(zhuǎn)換為0V～VDDV信號(hào)，再經(jīng)過正反饋整形單元提高信號(hào)上升沿速度、控制信號(hào)占空比，然后通過脈寬保護(hù)單元控制信號(hào)的最大導(dǎo)通時(shí)間，再后通過緩沖單元增強(qiáng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，通過死區(qū)單元設(shè)置死區(qū)窗口，降低輸出共態(tài)導(dǎo)通電流，最后采用推挽式輸出級(jí)進(jìn)行功率輸出[6,7]。

圖1 場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)框圖

1.1 TTL/CMOS輸入級(jí)電路

場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)的主要功能是將TTL/CMOS輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～VDD（電源電壓）的內(nèi)部信號(hào)，對輸入級(jí)的主要要求是高速轉(zhuǎn)換和低功耗。常規(guī)的驅(qū)動(dòng)器采用互補(bǔ)型反相器作為輸入級(jí)，如圖2所示，當(dāng)輸入為高電平（假設(shè)VINA=5 V）時(shí)，由于PMOS源級(jí)電壓高達(dá)40 V，會(huì)引起NMOS導(dǎo)通（VGSN＞VTHN）的同時(shí)，PMOS也導(dǎo)通（VGSP＜VTHP），通過輸入級(jí)產(chǎn)生從電源到地的導(dǎo)通電流I，導(dǎo)致功耗過大。

圖2 常用的互補(bǔ)型輸入級(jí)

本文設(shè)計(jì)的輸入級(jí)電路如圖3所示。本文中輸入級(jí)電路主要功能為將外部0～40 V的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的內(nèi)部控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對外部信號(hào)整形，抑制噪聲等功能。其中MN6漏端接TTL/CMOS輸入信號(hào)，用以承受外部高壓控制信號(hào)；MP1、MP2、MN1、MN2組成遲滯模塊，用以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)控制，通過合理設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)閾值，可以起到抑制噪聲和防止誤翻轉(zhuǎn)的作用；MP3、R1、MN3構(gòu)成穩(wěn)壓模塊，MN6源端電位通過有源大電阻R1連接到電源或地，為MN6源端提供穩(wěn)定的電壓，同時(shí)其在電路工作時(shí)形成正反饋，加速電路的轉(zhuǎn)換速率。MP4、MN4、NAND1、NOR1、MP5、MN5組成脈沖增強(qiáng)模塊，用于產(chǎn)生信號(hào)翻轉(zhuǎn)過程中的加速脈沖信號(hào)，輔助MN6源端電位的快速、穩(wěn)定建立。

圖3 本文設(shè)計(jì)的新型輸入級(jí)電路

1.2 脈寬保護(hù)電路

目前開關(guān)電路里的開關(guān)元件常采用光耦器件，在高壓大電流應(yīng)用中，往往存在很多干擾，有時(shí)會(huì)由于控制電路信號(hào)輸出故障導(dǎo)致輸出持續(xù)為高電平，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)元器件長時(shí)間導(dǎo)通，導(dǎo)致電路燒毀，因此需要加入脈寬保護(hù)電路，限制脈寬信號(hào)的最大開啟時(shí)間。

本文設(shè)計(jì)的脈寬保護(hù)電路如圖4所示，其中MP1、MP2、MN1～MN4、R1組成偏置電路，提供偏置電流為電容C1充電，MP3～MP5和MN5～MN7組成整形電路，最后經(jīng)二輸入與門電路輸出脈寬保護(hù)信號(hào)。脈寬保護(hù)時(shí)間由電容C1充電時(shí)間決定。當(dāng)INPUT信號(hào)為低電平時(shí)，C1正端電壓鉗位到VCC，當(dāng)INPUT信號(hào)為高電平時(shí)，MP2關(guān)斷，C1開始充電，C1正端電壓逐漸降低，當(dāng)C1正端降為0時(shí)，OUT輸出恒為低，直到INPUT變?yōu)榈碗娖綖橹?，可以通過調(diào)節(jié)外接電容C1的值來設(shè)定脈寬保護(hù)值。當(dāng)不需要使用脈寬保護(hù)功能時(shí)，只需將C1正端與電源短接即可。本文所設(shè)計(jì)的脈寬保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡單，脈寬可調(diào)，功耗低，可以很好地實(shí)現(xiàn)脈寬保護(hù)功能。

圖4 本文設(shè)計(jì)的脈寬保護(hù)電路線路圖

1.3 輸出緩沖電路

在驅(qū)動(dòng)片外負(fù)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路既要具備驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載的能力，又要使延遲最小。大的負(fù)載電容能顯著的影響到反相器的延時(shí)，所以在片內(nèi)邏輯電路和驅(qū)動(dòng)管之間我們就需要設(shè)計(jì)一個(gè)緩沖器電路。我們要通過設(shè)計(jì)MOS管的寬長比，來使得緩沖單元在最后級(jí)驅(qū)動(dòng)能力、延遲時(shí)間、芯片面積等方面得到一個(gè)最優(yōu)的折中組合。

本文設(shè)計(jì)的緩沖單元框圖如圖5所示，我們假設(shè)緩沖級(jí)的級(jí)聯(lián)數(shù)為N，每一級(jí)之間的晶體管尺寸面積因子為A，對于第一級(jí)反相器尺寸為WP/WN負(fù)載電容為CL的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)來說：

第一級(jí)輸入電容為：

第一級(jí)輸出電容為：

可得延遲時(shí)間為：

通過產(chǎn)品規(guī)定的時(shí)間參數(shù)典型值，可以根據(jù)式（3）計(jì)算出最優(yōu)的面積因子A及級(jí)聯(lián)數(shù)N。通過對最優(yōu)延遲時(shí)間的計(jì)算，可以合理的設(shè)計(jì)緩沖單元尺寸，在滿足產(chǎn)品的延遲時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等相關(guān)指標(biāo)的前提下，在芯片面積、時(shí)間參數(shù)、驅(qū)動(dòng)能力等方面達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的輸出緩沖單元框圖如圖5所示。

圖5 本文設(shè)計(jì)的輸出緩沖單元框圖

1.4 死區(qū)電路

通常情況下，驅(qū)動(dòng)器為了保證滿擺幅和高速輸出，輸出管采用推挽式結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入信號(hào)切換，輸出管前級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)變化至中間態(tài)時(shí)，會(huì)引起輸出NMOS和PMOS存在短暫的同時(shí)導(dǎo)通，形成電源→PMOS→NMOS→地的通路，產(chǎn)生從電源到地的共態(tài)導(dǎo)通電流,并在前級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到輸出管閾值時(shí)，共態(tài)導(dǎo)通電流最大。如圖6所示。

圖6 共態(tài)導(dǎo)通電流示意圖

本電路輸出峰值電流為6 A，為了保障足夠的瞬時(shí)輸出電流，其輸出管有很大的尺寸，其輸出阻抗約為3 Ω，以電源電壓18 V計(jì)算，可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)A級(jí)的共態(tài)導(dǎo)通電流，該電流和輸出電流產(chǎn)生疊加效應(yīng)，會(huì)加大輸出管的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)可能損壞輸出管。因此需要增加死區(qū)時(shí)間控制電路。本文設(shè)計(jì)的死區(qū)電路如圖7所示，當(dāng) IN為低電平，與非門首先導(dǎo)通，DN 為低電平，首先關(guān)斷 NMOS 功率開關(guān)管；然后 DN 與 IN 導(dǎo)通或非門，經(jīng)或非門與反相器的延遲，DP 變?yōu)榈碗娖綄?dǎo)通 PMOS 功率開關(guān)管；同理，當(dāng) IN 為高電平，或非門首先導(dǎo)通，DP 變?yōu)楦唠娖疥P(guān)斷 PMOS 功率開關(guān)，DP 與 IN導(dǎo)通與非門，經(jīng)與非門與反相器的延遲，DN變?yōu)楦唠娖綄?dǎo)通 NMOS 功率開關(guān)管。

圖7 本文采用的死區(qū)單元結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果與版圖設(shè)計(jì)

采用華虹宏力0.35 μm BCD工藝，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，電源電壓為40 V。驅(qū)動(dòng)器的峰值電流如圖8所示，從圖中可以看出，本驅(qū)動(dòng)器的輸出峰值電流為7 A，本驅(qū)動(dòng)器的共態(tài)導(dǎo)通電流如圖9所示，可以看到在加入死區(qū)單元后，共態(tài)導(dǎo)通電流從580 mA降低到35 mA，效果顯著。

圖8 驅(qū)動(dòng)器的輸出峰值電流

圖9 共態(tài)導(dǎo)通電流

本文的設(shè)計(jì)方式為TOP-DOWN模式，首先基于Matlab Simulink對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)建模以及模塊參數(shù)的分解，隨后基于Cadence Spectre進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，電路采用Cadence Virtuoso進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器的版圖如圖10所示。在驅(qū)動(dòng)器的版圖設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是注意大電流對版圖的影響，由于驅(qū)動(dòng)管流過很大的電流，驅(qū)動(dòng)管容易出現(xiàn)閂鎖現(xiàn)象。為防止閂鎖的出現(xiàn)，需要在功率管的版圖中作好隔離環(huán)的保護(hù)，每個(gè)功率管的元胞，即每個(gè)單元需要用隔離環(huán)隔開以外，整體的 PMOS 管和整體的NMOS管還要用數(shù)層以上的隔離環(huán)隔開，并且加大 MOS 管和外圍的緩沖電流，外圍的邏輯電路和整體芯片的距離。由于普通的矩形的插指結(jié)構(gòu)，其金屬層在左右的寬度一樣，而在大電流驅(qū)動(dòng)管中，不同位置的金屬層其電流的承載能力需求是不一樣的。以右邊的源極為例，其最左邊的金屬只需要承受1個(gè)單元流過的電流，而最右邊的引出連接鍵合點(diǎn)處需要承受全部共多個(gè)單元流過的電流，所以電流瓶頸會(huì)產(chǎn)生在最右邊的引出處。因此，需要采用梯形金屬走線形狀，當(dāng)把插指的形狀由矩形改為目前這種漸變的梯形后其右邊的金屬引出處的金屬寬度提高了50 %左右，大大提高了電流的瓶頸處的電流承載能力。

圖10 場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器版圖

本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過流片測試，所得到的參數(shù)如表1所示（負(fù)載電容1800 pF），從測試結(jié)果可得，本電路可以很好地滿足中壓大電流驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

表1 本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器實(shí)測參數(shù)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種帶脈寬保護(hù)的場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器電路，介紹了驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，隨后詳細(xì)給出了輸入級(jí)、脈寬保護(hù)電路、死區(qū)單元和輸出緩沖單元的原理以及電路圖，最后給出仿真和測試結(jié)果。本電路采用華虹宏力0.35 μm BCD工藝制作。測試結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)器的上升下降時(shí)間分別為23 ns和25 ns，共態(tài)導(dǎo)通電流為200 mA，輸出峰值電流為6.2 A，延遲時(shí)間為33 ns，可以很好的滿足中高壓大功率場景應(yīng)用。