一种栅极驱动电路
阅读说明：本技术 一种栅极驱动电路 (Grid driving circuit ) 是由 谭在超 涂才根 张胜 罗寅 丁国华 于 2021-01-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种栅极驱动电路,包括左侧电路和驱动电路,左侧电路包括高压电源VCC、Q1三级管、Q2三极管、d1二极管、dz1齐纳二极管、dz2齐纳二极管、dz3齐纳二极管、C1电容、I1偏置电流源、I2偏置电流源、N1MOS管、N2MOS管、N3MOS管以及N4MOS管,驱动电路包括INV1驱动器,INV1驱动器连接INV2驱动器,INV2驱动器连接HN1驱动管,HN1驱动管的漏极连接HP3驱动管的源极,HP3驱动管的漏极连接HP1驱动管的源极和HP2驱动管的栅极,HP2驱动管的源极连接HP4驱动管的漏极,HP4驱动管的源极连接HN2驱动管的漏极,HP4驱动管的漏极连接HP1驱动管的栅极,HN1驱动管、HN2驱动管、HP1驱动管、HP2驱动管、HP3驱动管以及HP4驱动管构成电平位移电路,本驱动电路可以保证即使在薄栅氧工艺中,也能够安全地工作。(The invention discloses a grid driving circuit, which comprises a left side circuit and a driving circuit, wherein the left side circuit comprises a high-voltage power supply VCC, a Q1 triode, a Q2 triode, a d1 diode, a dz1 zener diode, a dz2 zener diode, a dz3 zener diode, a C1 capacitor, an I1 bias current source, an N1MOS (metal oxide semiconductor) transistor, an N2MOS transistor, an N3MOS transistor and an N4MOS transistor, the driving circuit comprises an INV1 driver, the INV1 driver is connected with the HN1 driving transistor, the drain electrode of the HN1 driving transistor is connected with the source electrode of the HP1 driving transistor, the source electrode of the HP1 driving transistor is connected with the drain electrode of the HP1 driving transistor, the drain electrode of the HP1 driving transistor is connected with the HP driving transistor, the HP1 driving transistor, the HP driving transistor and the HP driving transistor 72 driving transistor are connected with the level of the HP driving transistor, the HP driving transistor and the HP driving transistor is formed by the level of the driving transistor 1 and the HP driving transistor, the driving circuit can ensure safe operation even in a thin gate oxide process.)
技术领域
本发明涉及开关电源电路技术领域，具体涉及一种栅极驱动电路。
背景技术
在开关电源拓扑中，都存在一个功率开关管，故而称为开关电源，然而，该功率开关管都需要一种驱动电路以控制其开关，通常驱动电路会集成在控制IC中，在IC设计时，通常其电源脚工作电压在10V~30V之间，较高的电源电压一方面保证IC的驱动能力够强，另一方面较宽的工作电压区间能确保IC更能适应各种工作环境，具有较强的适应性，然而，IC设计中通常会设计一低压内部电源（例如5V），采用低电源设计，IC内部可以大量采用低压管，因此可大大提高IC的集成度，这也是IC设计的发展趋势，典型的IC内部的驱动电路结构如图1所示，P1/N1为低压管，HN1~HN6，HP1~HP6为高压管，DRV信号为IC内部经过逻辑处理后的低压驱动信号，Gate信号为IC的驱动输出信号，VDD为IC内部低压电源，VCC为IC管脚的高压电源，N1/P1/HN1/HN2/HP1/HP2组成电平位移电路，即可将低电平的DRV信号转换成高电平信号，经过后面4组驱动器结构的驱动电路，逐级增强驱动能力，最终得到驱动能力较强的输出信号Gate.当然，有些结构会做一些改进，为最后一级的驱动管HP6/HN6设计死区时间，防止HP6和HN6同时导通而损坏，但核心思路都在该结构框架内，该驱动结构的应用前提是，高压管不但漏源端（Vds）能够承受高压，栅氧（Vgs）也能够承受高压而不损伤。在大量的工艺制程中，通常会通过增加一块光刻板能够同时实现厚栅氧和薄栅氧，厚栅氧的耐压更高，在高压管中采用厚栅氧设计，可以很好地保护栅氧不被击穿，因而这种驱动结构能够得到大量的采用，然而，在一些更小尺寸的工艺制程中，比如0.18um工艺，很多Fab并不提供厚栅氧和薄栅氧的选择，只提供薄栅氧，如继续采用这种驱动电路，势必造成高压管因为栅氧耐压不够而损伤。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种栅极驱动电路，可以保证即使在薄栅氧工艺中，也能够安全地工作，所述电路包括左侧电路和驱动电路，左侧电路产生低压电源VDDL及高压信号VDDH，右边部分为驱动电路，VCC为高压电源，为左右两侧电路供电，所述左侧电路包括高压电源VCC、Q1三级管、Q2三极管、d1二极管、dz1齐纳二极管、dz2齐纳二极管、dz3齐纳二极管、C1电容、I1偏置电流源、I2偏置电流源、N1MOS管、N2MOS管、N3MOS管以及N4MOS管，I1偏置电流源连接N1MOS管的漏极，I1偏置电流源为N1MOS管提供偏置电流，I2偏置电流源连接Q1三极管的基极，N1MOS管的栅极接N2MOS管的栅极，N1MOS管的漏极、栅极与N2MOS管的栅极相连接，d1二极管和dz1齐纳二极管接Q1三级管的基极，Q1三级管的发射极连接Q2三极管的基极和N2MOS管的漏极，Q2三极管的发射极连接N3MOS管的漏极输出VDDL，VDDL对地有一个齐纳管dz2齐纳二极管，通常不会击穿，起保护作用，N4MOS管的漏极通过dz3齐纳二极管和C1电容接高压电源VCC，所述驱动电路包括INV1驱动器，所述INV1驱动器连接INV2驱动器，INV2驱动器连接HN1驱动管，所述HN1驱动管的漏极连接HP3驱动管的源极，HP3驱动管的漏极连接HP1驱动管的源极和HP2驱动管的栅极，HP2驱动管的源极连接HP4驱动管的漏极，HP4驱动管的源极连接HN2驱动管的漏极，HP4驱动管的漏极连接HP1驱动管的栅极，HN1驱动管、HN2驱动管、HP1驱动管、HP2驱动管、HP3驱动管以及HP4驱动管构成电平位移电路，输出连接HP5驱动管的栅极，HP5驱动管的源极连接HP6驱动管的漏极，HP6驱动管的源极连接HN3驱动管的漏极，HN3驱动管、HP6驱动管以及HP5驱动管构成一驱动器，输出电压连接HP7驱动管的栅极，HN4驱动管则由INV4~INV7驱动器逐级放大驱动，HP7驱动管的源极连接HN4驱动管的漏极，所述INV1驱动器连接INV3驱动器，INV3驱动器与HN3驱动管的栅极连接，DRV为低压的驱动信号，Gate为驱动输出信号。
作为本发明的一种改进，所述N1MOS管、N2MOS管、N3MOS管以及N4MOS管组成电流镜，Q1三级管和Q2三极管组成电流能力较强的供电结构。
作为本发明的一种改进，所述HP3驱动管、HP4驱动管和HP6驱动管的栅极接VDDH高压信号。
作为本发明的一种改进，所述HP1驱动管、HP2驱动管、HP5驱动管以及HP7驱动管的漏极相连接，HN1驱动管、HN2驱动管以及HN3驱动管源极相连接。
作为本发明的一种改进，所述电路还包括INV4驱动器、INV5驱动器、INV6驱动器以及INV7驱动器，INV1驱动器与所述INV4驱动器、INV5驱动器、INV6驱动器以及INV7驱动器依次连接，所述INV7驱动器连接所述HN4驱动管的栅极，INV4~INV7驱动器具有逐级驱动增强作用。
作为本发明的一种改进，所述INV1至INV7驱动器为低压驱动器，其电源为VDDL。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种栅极驱动电路中的MOS器件的栅源电压都不会超过4.8V，对栅氧的耐压要求不高，可以保证即使在薄栅氧工艺中，也能够安全地工作，非常适用于一些不提供栅氧厚度选择的工艺，且随着光刻尺寸的不断缩小，本发明的驱动电路结构的应用前景持续向好。
附图说明
图1为背景技术中描述的现有驱动电路结构图。
图2为本发明中描述的栅极驱动电路结构图。
图3为本发明中描述的左侧电路结构图。
图4为本发明中描述的驱动电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图2至4和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例：所述电路包括左侧电路和驱动电路，左侧电路产生低压电源VDDL及高压信号VDDH，右边部分为驱动电路，VCC为高压电源，为左右两侧电路供电，所述左侧电路包括高压电源VCC、Q1三级管、Q2三极管、d1二极管、dz1齐纳二极管、dz2齐纳二极管、dz3齐纳二极管、C1电容、I1偏置电流源、I2偏置电流源、N1MOS管、N2MOS管、N3MOS管以及N4MOS管，I1偏置电流源连接N1MOS管的漏极，I1偏置电流源为N1MOS管提供偏置电流，I2偏置电流源连接Q1三极管的基极，N1MOS管的栅极接N2MOS管的栅极，N1MOS管的漏极、栅极与N2MOS管的栅极相连接，d1二极管和dz1齐纳二极管接Q1三级管的基极，Q1三级管的发射极连接Q2三极管的基极和N2MOS管的漏极，Q2三极管的发射极连接N3MOS管的漏极输出VDDL，VDDL对地有一个齐纳管dz2齐纳二极管，通常不会击穿，起保护作用，N4MOS管的漏极通过dz3齐纳二极管和C1电容接高压电源VCC，所述驱动电路包括INV1驱动器，所述INV1驱动器连接INV2驱动器，INV2驱动器连接HN1驱动管，所述HN1驱动管的漏极连接HP3驱动管的源极，HP3驱动管的漏极连接HP1驱动管的源极和HP2驱动管的栅极，HP2驱动管的源极连接HP4驱动管的漏极，HP4驱动管的源极连接HN2驱动管的漏极，HP4驱动管的漏极连接HP1驱动管的栅极，HN1驱动管、HN2驱动管、HP1驱动管、HP2驱动管、HP3驱动管以及HP4驱动管构成电平位移电路，输出连接HP5驱动管的栅极，HP5驱动管的源极连接HP6驱动管的漏极，HP6驱动管的源极连接HN3驱动管的漏极，HN3驱动管、HP6驱动管以及HP5驱动管构成一驱动器，输出电压连接HP7驱动管的栅极，HN4驱动管则由几级驱动器逐级放大驱动，HP7驱动管的源极连接HN4驱动管的漏极，所述INV1驱动器连接INV3驱动器，INV3驱动器与HN3驱动管的栅极连接，DRV为低压的驱动信号，Gate为驱动输出信号。
所述N1MOS管、N2MOS管、N3MOS管以及N4MOS管组成电流镜，Q1三级管和Q2三极管组成电流能力较强的供电机构，所述HP3驱动管、HP4驱动管和HP6驱动管的栅极接VDDH高压信号，所述HP1驱动管、HP2驱动管、HP5驱动管以及HP7驱动管的漏极相连接，HN1驱动管、HN2驱动管以及HN3驱动管源极相连接，所述电路还包括INV4驱动器、INV5驱动器、INV6驱动器以及INV7驱动器，INV1驱动器与所述INV4驱动器、INV5驱动器、INV6驱动器以及INV7驱动器依次连接，所述INV7驱动器连接所述HN4驱动管的栅极，所述INV1至INV7驱动器为低压驱动器，其电源为VDDL。
工作原理：左侧电路：Q1三级管的基极电压被钳位于Vdz+Vd1，约6.2V，因此产生的低压电源VDDL为Vdz+Vd1-2Vbe，约4.8V；而产生的高压信号VDDH为VCC-Vdz，也即VDDH始终保持比VCC低5.5V的水平。
右侧电路：当DRV为高电平时，HN1驱动管的栅电压为VDDL（4.8V），HN2驱动管的栅电压为0V，HP3驱动管的源端电压被下拉至VDDH+VSG_HP3，这里的VSG_HP3为HP3驱动管的阈值电压，约0.7V，对于HP2驱动管，其栅源电压为VCC- VDDH-VSG_HP3，约4.8V，同理，当DRV为低电平时，HN1驱动管的栅电压为0V，HN2驱动管的栅电压为VDDL（4.8V），此时HP1驱动管的栅源电压也为4.8V，当DRV为高电平，HN3驱动管的栅电压为4.8V，HP5驱动管的栅电压为VCC，此时HP6驱动管的源端电压为VDDH+VSG_HP6，意味着HP7驱动管的栅源电压也为4.8V，HP7驱动管导通；而HN4驱动管的栅电压为0V，驱动电路的输出Gate为高电平VCC，同理，当DRV为低电平时，HP7驱动管的栅源电压为0V，HN4驱动管的栅电压为VDDL（4.8V），驱动电路的输出Gate为0V，本电路结构中，所有的MOS器件的栅源电压都不会超过4.8V，对栅氧的耐压要求不高。
在本发明的描述中，需要说明的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
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