功率开关管的驱动电路及电源系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种功率开关管的驱动电路及电源系统，在功率开关管开通过程中，可大致分为三个阶段，采用限流模块对流经功率开关管的电流进行限流，以防止电流过冲，限流模块有多种实施方案，通过逻辑控制模块控制在开通前限流模块不工作，功率开关管的控制端被关断；在开通过程中，通过反馈回路，调节功率管栅级电压，使功率管电流快速达到设定的开通限流并维持在此电流，直到功率管完全开通。本实用新型专利技术能够有效控制功率开关管开通过程中的电流，并缩短了开通驱动时间。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电力电子
，具体涉及一种功率开关管的驱动电路及电源系统。
技术介绍
在电源系统中，通过控制开关型功率管(即功率开关管)的开通和关断来实现电能的变换，而开关频率、输入输出的电压和电流的控制都是电能转换的关键，因此对开关型功率管的驱动控制必不可少。如图1所示，以电源系统中常用的降压(BUCK)电路为例，逻辑控制电路U01采样输出电压，并且和其内部的参考电压比较，产生PWM信号，以控制主开关管M00的导通和关断，使得电源系统的输出电压等于其内部的参考电压。由于主开关管M00的栅极的寄生电容很大，因此需要驱动电路U00来驱动主开关管M00。如图2所示，为现有技术的驱动电路，主要包括几个串联的反相器。反相器从左到右驱动能力逐级增大，也就是U10的驱动能力最弱，U13的驱动能力最强，使得U13有足够的驱动能力使主开关管的栅极由低变高。上述驱动电路在PWM由低变高时，使主开关管从关断状态变成完全导通状态；在PWM由高变低时，使主开关管从完全导通状态变成关断状态。由于该驱动电路仅考虑了驱动能力的问题，而在主开关管开通过程中，会出现电流无法控制的情况。由于续流二极管的反向恢复过程，导致主开关管和续流二极管产生短暂的类似直通现象，主开关管和二极管中的电流都处于失控的状态，产生很大的电流过冲，对系统可靠性和EMI都造成很大影响。为了防止该电流过冲对系统造成干扰，需要加入一定的消隐时间，消隐时间从PWM信号的上升沿开始到主开关管完全导通再往后延时一定时间为止。在该消隐时间中，逻辑控制电路不检测主开关管电流。在Buck电路中，如果SW点到地短路，由于主开关管电流失控，电流会过大导致主开关管损坏。如图3所示，为Buck电路的工作波形图，开通过程的放大波形则如图4所示。其他电路拓扑的波形与之类似。其中，图3虚线框内所标出的部分就是主开关开通时，产生的电流过冲的波形。现有技术的解决方案延长了主开关管的开通驱动时间，这样的结果导致了开通过程变长，从而降低系统效率；并且很难对开通的驱动时间进行优化，同时因为驱动速度会随采用不同的开关管或工作温度等因素而变化，会造成需要特定的器件设计不同的驱动延时时间。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的在于提供一种在开通过程中电流可控，并优化开通驱动时间的功率开关管的驱动电路及电源系统，用以解决现有技术存在的因解决电流过冲会延长开通驱动时间的技术问题。本技术的技术解决方案是，提供一种以下结构的功率开关管的驱动电路，包括限流模块，所述的驱动电路接收控制信号，在开通过程中，所述控制信号由无效变为表征开通的有效时，所述功率开关管控制端的电压开始上升，限流模块开始工作，随着控制端电压的上升，所述功率开关管开始逐步导通，流经功率开关管的电流也开始上升，并在限流模块的调节下达到设定的限制电流；通过控制所述功率开关管控制端的电压使得所述功率开关管的电流保持在限制电流，功率开关管的漏源极之间的阻抗降低，漏源电压持续下降；所述功率开关管的电流从限制电流下降至正常工作电流，所述功率开关管的控制端电压再次拉升并达到最大值，此时，所述功率开关管处于完全导通状态。优选地，所述的驱动电路还包括逻辑控制模块，所述的逻辑控制模块接收所述的控制信号，所述的逻辑控制模块根据所述控制信号，在控制信号为无效时，逻辑控制模块控制限流模块不工作，并将所述功率开关管的控制端电压拉低；在控制信号为有效时，逻辑控制模块控制限流模块开始工作。优选地，所述的限流模块包括第一运算放大器，所述的第一运算放大器的第一输入端接收限流参考信号，其第二输入端接收表征流经功率开关管电流的采样信号，其输出端与功率开关管的控制端连接。优选地，所述的驱动电路还包括电压比较器，所述电压比较器接收功率开关管的漏源电压，将其与设定的低阈值进行比较，当漏源电压降至所述低阈值，则通过快速拉升功率开关管的控制端电压，以使功率开关管完全导通。优选地，所述的驱动电路还包括计时保护电路，所述功率开关管的电流保持在限制电流时，通过计时保护电路设置阈值时间，当漏源电压超过阈值时间还未下降，则控制功率开关管关断，以保护功率开关管。优选地，所述的限流模块包括辅助功率开关管和第一运算放大器，所述的辅助功率开关管与所控制的功率开关管组成电流镜，所述的第一运算放大器的第一输入端接收参考信号，其第二输入端与所述辅助功率开关管的第一端连接，其输出端与功率开关管的控制端连接；所述的辅助功率开关管的第一端在控制信号表征有效时接收第一电流源。优选地，所述的限流模块包括辅助功率开关管和第一开关管，所述的辅助功率开关管与所控制的功率开关管组成电流镜，所述的第一开关管的第一端接收供电电压，其第二端与所述功率开关管的控制端连接，第一开关管的控制端与辅助功率开关管的第一端连接；所述的辅助功率开关管的第一端在控制信号表征有效时接收第一电流源。优选地，所述的第一开关管为N型MOS管。优选地，所述的限流模块还包括辅助功率开关管、第二开关管和第二运算放大器，所述的辅助功率开关管与所控制的功率开关管组成电流镜，所述的第二开关管的第二端接收供电电压，其第一端与所述功率开关管的控制端连接，第二开关管的控制端与第二运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的第一输入端接收参考信号，其第二输入端与所述辅助功率开关管的第一端连接；所述的辅助功率开关管的第一端在控制信号表征有效时接收第一电流源。优选地，所述的限流模块包括辅助功率开关管、第二开关管和第二运算放大器，通过调节辅助功率开关管的电流，来调节所控制的功率开关管的电流，所述的第二运算放大器的第一输入端接收表征辅助功率开关管电流限流值的参考信号，其第二输入端接收表征流经辅助功率开关管电流的采样信号，其输出端与功率开关管的控制端连接；第二运算放大器的输出端与第二开关管的控制端连接，所述的第二开关管的第二端接收供电电压，其第一端与所述功率开关管的控制端连接。优选地，所述的第二开关管为P型MOS管。本技术的另一技术解决方案是，提供一种以下结构的电源系统，包括以上任意一种功率开关管的驱动电路。采用本技术的电路结构，与现有技术相比，具有以下优点：在功率开关管开通过程中，可大致分为三个阶段，采用限流模块对流经功率开关管的电流进行限流，以防止电流过冲，限流模块有多种实施方案，通过逻辑控制模块控制在开通前限流模块不工作，功率开关管的控制端被拉低；在开通过程中，通过反馈回路，调节功率管栅级电压，使功率管电流快速达到设定的开通限流并维持在此电流，直到功率功率管完全开通。本技术能够有效控制功率开关管开通过程中的电流，并缩短了开通驱动时间。附图说明图1为现有技术中功率开关管的BUCK电路的电路结构图；图2为现有技术功率开关管的驱动电路的电路结构图；图3为现有技术图1的工作波形图；图4为现有技术图3开通过程的放大波形图；图5为本技术的工作波形图；图6为本技术实施例一的电路结构图；图7为本技术实施例二的电路结构图；图8为本技术实施例三的电路结构图；图9为本技术实施例四的电路结构图；图10为本技术实施例五的电路结构图；图11为电压比较器与功率开关管的连接关系示意图；图12为计时保护电路的连接关系示意图。具体实施方式以下结合附图对本技术的优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率开关管的驱动电路，其特征在于：包括限流模块，所述的驱动电路接收控制信号，在开通过程中，所述控制信号由无效变为表征开通的有效时，所述功率开关管控制端的电压开始上升，限流模块开始工作，随着控制端电压的上升，所述功率开关管开始逐步导通，流经功率开关管的电流也开始上升，并在限流模块的调节下达到设定的限制电流；通过控制所述功率开关管控制端的电压使得所述功率开关管的电流保持在限制电流，功率开关管的漏源极之间的阻抗降低，漏源电压持续下降；所述功率开关管的电流从限制电流下降至正常工作电流，所述功率开关管的控制端电压再次拉升并达到最大值，此时，所述功率开关管处于完全导通状态。

【技术特征摘要】
1.一种功率开关管的驱动电路，其特征在于：包括限流模块，所述的驱动电路接收控制信号，在开通过程中，所述控制信号由无效变为表征开通的有效时，所述功率开关管控制端的电压开始上升，限流模块开始工作，随着控制端电压的上升，所述功率开关管开始逐步导通，流经功率开关管的电流也开始上升，并在限流模块的调节下达到设定的限制电流；通过控制所述功率开关管控制端的电压使得所述功率开关管的电流保持在限制电流，功率开关管的漏源极之间的阻抗降低，漏源电压持续下降；所述功率开关管的电流从限制电流下降至正常工作电流，所述功率开关管的控制端电压再次拉升并达到最大值，此时，所述功率开关管处于完全导通状态。2.根据权利要求1所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于：所述的驱动电路还包括逻辑控制模块，所述的逻辑控制模块接收所述的控制信号，所述的逻辑控制模块根据所述控制信号，在控制信号为无效时，逻辑控制模块控制限流模块不工作，并将所述功率开关管的控制端电压拉低；在控制信号为有效时，逻辑控制模块控制限流模块开始工作。3.根据权利要求1或2所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于：所述的限流模块包括第一运算放大器，所述的第一运算放大器的第一输入端接收限流参考信号，其第二输入端接收表征流经功率开关管电流的采样信号，其输出端与功率开关管的控制端连接。4.根据权利要求1或2所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于：所述的驱动电路还包括电压比较器，所述电压比较器接收功率开关管的漏源电压，将其与设定的低阈值进行比较，当漏源电压降至所述低阈值，则通过快速拉升功率开关管的控制端电压，以使功率开关管完全导通。5.根据权利要求1或2所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于：所述的驱动电路还包括计时保护电路，所述功率开关管的电流保持在限制电流时，通过计时保护电路设置阈值时间，当漏源电压超过阈值时间还未下降，则控制功率开关管关断，以保护功率开关管。6.根据权利要求1或2所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于：所述的限流模块包括辅助功率开关管和第一运算放大器，所述的辅助功率开关管与所控制的功率开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄必亮，黄丽斌，任远程，周逊伟，
申请(专利权)人：杰华特微电子杭州有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33