一种高速大电流开关驱动器的设计与实现

发布时间：2019-08-14 13:19

【摘要】：设计并实现了一种高速大电流的开关驱动器,可用于驱动PIN开关以及IGBT开关等。开展了系统结构、电路和版图技术研究,并采用亚微米CMOS标准工艺进行设计和制造。通过采用一种带隙基准结构提供偏置的方式使电路兼容TTL和CMOS输入,保证良好的温度特性;通过采用传输门功率驱动电路实现三态控制,解决了高速应用时电容馈通效应问题。详细设计了TTL输入转换电路、基准和偏置电路、三态输出和功率驱动等电路;基于0.6μm CMOS工艺重点设计了高速驱动器中功率开关版图。该高速大电路开关驱动器产品的传输速度达到了25 ns,驱动电流达500 mA。
【图文】：

ril2017SemiconductorTechnologyVol．42No．4265功耗随之增大。随着CMOS工艺的普遍使用，采用CMOS工艺的开关驱动器产品日益成熟，其具备电压驱动、功耗低、驱动能力强、集成度高等优点，逐渐替代了双极型开关驱动器［5－6］。本文介绍了一款采用0.6μmCMOS工艺的高速大电流开关驱动器设计，介绍了产品的系统结构和版图设计，并详细介绍了TTL-CMOS转换电路、基准和偏置电路、三态输出及功率驱动的电路设计。该产品具备功耗低、传输速度快和驱动能力强的特点。1电路设计设计的开关驱动电路的系统结构原理图如图1所示。图中:VDD为电源;GND为地;IN为输入;OUT为输出;OE为使能;VH和VL为输出驱动高、低电源电压;VB为偏置电压;CON为内部控制电压;DHP和DLP为高、低边PMOS管驱动;DHN和DLN为高、低边NMOS管驱动。系统主要由TTL-CMOS电平转换电路、基准与偏置电路、三态控制电路及功率驱动管组成，实现了输出与输入反相的驱动功能。该结构利用基准、偏置和输入电平转换实现了TTL和CMOS兼容输入，使电源高于TTL电平时，电路仍可由TTL驱动。图1电路系统框图Fig.1Blockdiagramofthecircuitsystem1.1基准电路及偏置电路设计该电路包括基准产生电路和偏置电路，其中基准电路采用带隙结构［7］，为偏置电路提供对温度不敏感的参考电压(VＲEF)，电路设计如图2所示。图中:P4～P17为PMOS管;N5～N16为NMOS管;Q1，，Q2和Q11为三极管。由于采用了CMOS工艺，因此带隙基准电压利用纵向pnp管产生，如图2中的Q1，Q2和Q11。其中Q1，Q2(发射极面积SQ1=8SQ2)和Ｒ5形成正温电流IPTAT，可表示为图2基准及偏置电路图Fig.2Ｒeferenceandbiascirc

;DHP和DLP为高、低边PMOS管驱动;DHN和DLN为高、低边NMOS管驱动。系统主要由TTL-CMOS电平转换电路、基准与偏置电路、三态控制电路及功率驱动管组成，实现了输出与输入反相的驱动功能。该结构利用基准、偏置和输入电平转换实现了TTL和CMOS兼容输入，使电源高于TTL电平时，电路仍可由TTL驱动。图1电路系统框图Fig.1Blockdiagramofthecircuitsystem1.1基准电路及偏置电路设计该电路包括基准产生电路和偏置电路，其中基准电路采用带隙结构［7］，为偏置电路提供对温度不敏感的参考电压(VＲEF)，电路设计如图2所示。图中:P4～P17为PMOS管;N5～N16为NMOS管;Q1，Q2和Q11为三极管。由于采用了CMOS工艺，因此带隙基准电压利用纵向pnp管产生，如图2中的Q1，Q2和Q11。其中Q1，Q2(发射极面积SQ1=8SQ2)和Ｒ5形成正温电流IPTAT，可表示为图2基准及偏置电路图Fig.2ＲeferenceandbiascircuitdiagramIPTAT=ΔVBEＲ5=VTln8Ｒ5(1)式中:VBE为三极管的BE结电压;VT为热电压。电流通过P12与P15，P13与P16的同比例镜像，在Ｒ4上形成正温电压VPTAT，叠加Q11的BE结电压获得基准电压VＲEF，可表示为VＲEF=VBE_Q11+IPTAT×Ｒ4=VBE+VTＲ4Ｒ5ln8(2)式中:VBE_Q11为三极管Q11的BE结电压。P4，N5和N6组成启动电路，电源上电后开启P5，使P6和N7电流镜脱离零电流点。P6和P7，N6和N7尺寸相同，根据电流镜像，流过P6和P7，N6和N7的电流(IB)相等。NMOS管N10的尺寸远小于N11，其作用是检测GND，当G
【作者单位】： 中国电子科技集团公司第二十四研究所;
【分类号】：TN432

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本文编号：2526592