一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路驱动系统中的高压栅极驱动技术，尤其涉及一种dv/dt噪声抑制电路，更具体的，涉及一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路。


背景技术：

2.高压栅极驱动芯片是功率集成电路中最典型的类型之一，具有成本低、可靠性高、效率高等优点，已被广泛用于各种应用。高压栅极驱动电路将驱动高低端功率开关器件的功能块集成在单一集成电路中，采用高压电平移位技术实现低压cmos与高压ldmos集成兼容，完成低压向高压的电平转换。这类电路一般采用半桥拓扑结构，按照电路中工作电压的不同，分为低压侧驱动电路和高压侧驱动电路，由于半桥拓扑结构的功率管的开通关断输出点电压工作在浮动状态，因此高压侧驱动电路的电源电压也应该随之而工作在浮动状态。一般而言，往往利用外部自举电容获得高压侧驱动电路的浮动电源。由于高压侧驱动电路的电源是浮动的，因此当浮动电源电压变化时，将产生很高的dv/dt噪声，由于寄生效应，当dv/dt噪声作用在高压电平移位电路中ldmos管漏端寄生电容时，会产生位移电流，该位移电流经过ldmos管漏端电阻形成较大压降，一旦达到后级电路的阈值电压，很有可能引起驱动电路误触发甚至烧毁电路。
3.为了消除dv/dt噪声信号对电路的干扰，传统的解决方案就是在电平移位电路后加入脉冲滤波电路。如图1所示，传统的高压侧驱动电路为了减少电路的功率损耗，脉冲产生电路将前级电路输出的方波信号转换成两路窄脉冲信号vup和vdown。高压电平位移电路将输入的两路低压窄脉冲信号vup和vdown转换为高压脉冲信号vset和vrst，高压脉冲信号经过脉冲滤波电路后输入到rs锁存器，rs锁存器将两路脉冲信号还原成方波信号，然后经过驱动电路增强其功率驱动能力，驱动电路输出ho控制高侧功率开关器件的导通与关断。
4.图1这种工作方式为了保证栅极驱动电路的正常功能，脉冲滤波器必须能够滤除噪声信号而不滤除正常信号。脉冲滤波器可以滤除的脉冲宽度越宽，电路传播延迟时间就越长。而且当窄脉冲信号与噪声信号重叠时，脉冲滤波电路容易将窄脉冲信号与噪声信号一同滤除。因此，这种方法通常不能抑制较大的dv/dt噪声。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，本发明在能够消除dv/dt噪声信号的同时，不影响正常信号的传输，有效提高电路的稳定性和可靠性。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明包括脉冲产生电路、高压电平移位电路、噪声消除电路、脉冲滤波电路、rs锁存器、输出级驱动电路。
8.脉冲产生电路，为了减小功耗，产生两路窄脉冲信号；
9.高压电平移位电路，将输入的两路低压窄脉冲vup，vdown转换为两路高压脉冲
vset和vrst；
10.噪声消除电路,消除由浮动电源快速变换带来的dv/dt噪声；
11.脉冲滤波电路，滤除由于电路不匹配而产生的微小噪声；
12.rs锁存器，将两路脉冲信号还原成与输入信号同相的方波信号；
13.输出级驱动电路，用于增强信号的功率驱动能力。
14.本发明在传统高压电平移位电路的基础上，增设了一级噪声消除电路，噪声消除电路包括第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5和第六nmos管mn6。
15.第一pmos管mp1和第六pmos管mp6的栅极分别接高压脉冲信号vset和vrst；第一pmos管mp1源端接浮动电源vb，漏端接第一nmos管mn1漏端。第一pmos管mp1、第一nmos管mn1、第二pmos管mp2、第二nmos管mn2、第三pmos管mp3、第三nmos管mn3构成电流镜链路。第六pmos管mp6的源端接浮动电源vb，漏端接第六nmos管mn6的漏端。第六pmos管mp6、第六nmos管mn6、第五pmos管mp5、第五nmos管mn5、第四pmos管mp4、第四nmos管mn4构成电流镜链路。第三下拉电阻r3的一端接第三pmos管mp3的漏端，另一端接浮动地vs，第四下拉电阻r4的一端接第四pmos管mp4的漏端，另一端接浮动地vs。
16.进一步地，所述噪声消除电路中的第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6完全相同。所示的第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5和第六nmos管mn6完全相同。
17.本发明与传统设计相比，具有如下优点和显著效果：
18.1.本发明可以有效消除较高的dv/dt噪声。采用本设计的高压栅极驱动电路能够消除较高的dv/dt噪声，同时也能滤除由于电路不匹配而产生的噪声。
19.2.不影响正常信号的传输，本设计在能够消除噪声信号的同时，不对正常信号的传输产生影响。
20.3.可以降低电路的功耗。
附图说明
21.图1是传统的高压侧驱动电路的结构图；
22.图2是本发明高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路电路图；
23.图3是本发明在没有噪声干扰时的工作波形图；
24.图4是本发明在有噪声干扰下的工作波形图；
25.图5是本发明在不同dv/dt噪声干扰在的工作波形图；
具体实施方式
26.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
27.如图2所示，本发明包括脉冲产生电路、高压电平位移电路、噪声消除电路、脉冲滤波电路、rs锁存器、输出级驱动电路。脉冲产生电路将输入的方波信号转换为两路低压窄脉
冲信号vup和vdown。高压电平位移电路将两路低压脉冲信号vup和vdown转换为两路高压脉冲信号vset和vrst。高压脉冲信号经过噪声消除电路后输入到脉冲滤波电路，然后在经过rs锁存器，rs锁存器将两路脉冲信号还原成方波信号，然后经过驱动电路增强其功率驱动能力，驱动电路输出ho控制高侧功率开关器件的导通与关断。vb为高压浮动电源，vs为高压浮动地。
28.本发明在传统高压电平移位电路的基础上，增设了一级噪声消除电路，噪声消除电路包括第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5和第六nmos管mn6。
29.第一pmos管mp1和第六pmos管mp6的栅极分别接高压脉冲信号vset和vrst；第一pmos管mp1源端接浮动电源vb，漏端接第一nmos管mn1漏端。第一pmos管mp1、第一nmos管mn1、第二pmos管mp2、第二nmos管mn2、第三pmos管mp3、第三nmos管mn3构成电流镜链路。第六pmos管mp6的源端接浮动电源vb，漏端接第六nmos管mn6的漏端。第六pmos管mp6、第六nmos管mn6、第五pmos管mp5、第五nmos管mn5、第四pmos管mp4、第四nmos管mn4构成电流镜链路。第三下拉电阻r3的一端接第三pmos管mp3的漏端，另一端接浮动地vs，第四下拉电阻r4的一端接第四pmos管mp4的漏端，另一端接浮动地vs。
30.进一步的，本发明中第一ldmos管m1的栅极接前级低压侧脉冲产生电路的输出端，第一ldmos管m1的漏极接第一负载电阻r1的下端、第一齐纳二极管d1的阳极、第一pmos管mp1的栅极；第一ldmos管m1的源极接地，第一负载电阻r1的上端接高压侧电源电压vb，第一齐纳二极管d1的阴极接高压侧电源电压vb。第二ldmos管m2的栅极接前级低压侧脉冲产生电路的输出端，第二ldmos管m2的漏极接第二负载电阻r2的下端、第二齐纳二极管d2的阳极、第二pmos管mp2的栅极，第二ldmos管m2的源极接地，第二负载电阻r2的上端接高压侧电源电压vb，第二齐纳二极管d2的阴极接高压侧电源电压vb。
31.如图3所示为无dv/dt噪声干扰时的工作波形，前级低压脉冲产生电路在输入信号vin的上升沿产生信号vup。当vup端有信号到来时，高电平施加到第一ldmos管m1的栅极，则vset处电压下降。如果vset处的电压降超过第一pmos管mp1的阈值电压，则第一pmos管mp1导通。当电压vset下降到浮动地vs，则第一pmos管mp1工作在线性区，此时第一pmos管mp1漏端流过电流is，该电流通过电流镜复制到第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第三nmos管mn3的漏端。vdown为低，则第二ldmos管m2关断，vrst被拉高，则第六pmos管mp6关断，使得则第六pmos管mp6和第六nmos管mn6没有电流流过。所以流过s处的电流为is，经过第三下拉电阻r3重新转换为电压信号。同理，前级低压脉冲产生电路在输入信号vin的下降沿产生信号vdown。当vdown端有信号到来时，高电平施加到第二ldmos管m2的栅极，则vrst处电压下降。如果vrst处的电压降超过第六pmos管mp6的阈值电压，则第六pmos管mp6导通。当电压vrst下降到浮动地vs，则第六pmos管mp6工作在线性区，此时第六pmos管mp6漏端流过电流ir，该电流通过电流镜复制到第六pmos管mp6、第五pmos管mp5和第五nmos管mn5的漏端。vup为低，则第一ldmos管m1关断，vset被拉高，第一pmos管mp1关断，使得第一pmos管mp1和第一nmos管mn1没有电流流过。所以流过r处的电流为ir，经过第四下拉电阻r4重新转换为电压信号。就这样两路窄脉冲信号可以正常的传送到下一级,因此，对正常信号来说，可以正常传输。
32.图4所示为本设计在在有噪声干扰下的工作波形图，外部功率器件快速开启关断，
导致高侧浮动地vs快速变化，并通过自举电容耦合到高侧浮动电源vb，在第一ldmos管m1和第二ldmos管m2的寄生电容上产生位移电流，并在漏端第一负载电阻r1和第二负载电阻r2上产生电压降。当噪声信号产生时，第一pmos管mp1将噪声电压信号转换为电流信号i1，再经过电流镜链路第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第二pmos管mp2将电流信号复制到第三pmos管mp3和第三nmos管mn3漏端。同时，第六pmos管mp6将噪声电压信号转换为电流信号i2，再经过电流镜链路第六nmos管mn6、第五nmos管mn5和第五pmos管mp5将电流信号复制到第四pmos管mp4和第四nmos管mn4的漏端。此时，流过s端的电流为i1-i2，流过r端的电流为i2-i1，当电路中所有器件都匹配时，i1和i2大小相等，此时流过r端和s端的由噪声信号引起的电流都为0，噪声信号被消除，而对正常信号没有影响。同时在后级加入滤波电路，进一步加强抑制噪声的能力。
33.图5(a)、图5(b)和图5(c)所示为本发明在不同dv/dt噪声干扰在的工作波形图，从图中能够看到在dv/dt＝10v/ns,dv/dt＝50v/ns,dv/dt＝90v/ns下，噪声都能够被消除，提高了电路的稳定性和可靠性。

技术特征：
1.一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，其特征在于，包括脉冲产生电路、高压电平移位电路、噪声消除电路、脉冲滤波电路、rs锁存器、输出级驱动电路；脉冲产生电路产生两路低压窄脉冲信号；高压电平移位电路将输入的两路低压窄脉冲vup和vdown转换为两路高压脉冲vset和vrst；噪声消除电路用于消除由浮动电源快速变换带来的dv/dt噪声；脉冲滤波电路用于滤除由于电路不匹配而产生的微小噪声；rs锁存器将两路脉冲信号还原成与输入信号同相的方波信号；输出级驱动电路用于增强信号的功率驱动能力，驱动电路输出ho控制高侧功率开关器件的导通与关断。2.根据权利要求1所述的一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，其特征在于，该电路增设的噪声消除电路包括第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5和第六nmos管mn6；第一pmos管mp1和第六pmos管mp6的栅极分别接高压脉冲信号vset和vrst；第一pmos管mp1源端接浮动电源vb，漏端接第一nmos管mn1漏端；第一pmos管mp1、第一nmos管mn1、第二pmos管mp2、第二nmos管mn2、第三pmos管mp3、第三nmos管mn3构成电流镜链路；第六pmos管mp6的源端接浮动电源vb，漏端接第六nmos管mn6的漏端；第六pmos管mp6、第六nmos管mn6、第五pmos管mp5、第五nmos管mn5、第四pmos管mp4、第四nmos管mn4构成电流镜链路；第三下拉电阻r3的一端接第三pmos管mp3的漏端，另一端接浮动地vs，第四下拉电阻r4的一端接第四pmos管mp4的漏端，另一端接浮动地vs。3.根据权利要求2所述的一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，其特征在于，所述噪声消除电路中的第一pmos管mp1、第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、第六pmos管mp6完全相同；所示的第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5和第六nmos管mn6完全相同。4.根据权利要求3所述的一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，其特征在于，所述第一ldmos管m1的栅极接前级低压侧脉冲产生电路的输出端，第一ldmos管m1的漏极接第一负载电阻r1的下端、第一齐纳二极管d1的阳极、第一pmos管mp1的栅极；第一ldmos管m1的源极接地，第一负载电阻r1的上端接高压侧电源电压vb，第一齐纳二极管d1的阴极接高压侧电源电压vb；第二ldmos管m2的栅极接前级低压侧脉冲产生电路的输出端，第二ldmos管m2的漏极接第二负载电阻r2的下端、第二齐纳二极管d2的阳极、第二pmos管mp2的栅极，第二ldmos管m2的源极接地，第二负载电阻r2的上端接高压侧电源电压vb，第二齐纳二极管d2的阴极接高压侧电源电压vb。5.根据权利要求4所述的一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，其特征在于，前级低压脉冲产生电路在输入信号vin的上升沿产生信号vup；当vup端有信号到来时，高电平施加到第一ldmos管m1的栅极，则vset处电压下降；如果vset处的电压降超过第一pmos管mp1的阈值电压，则第一pmos管mp1导通；当电压vset下降到浮动地vs，则第一pmos管mp1工作在线性区，此时第一pmos管mp1漏端流过电流is，该电流通过电流镜复制到第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第三nmos管mn3的漏端；vdown为低，则第二ldmos管m2关断，vrst被拉高，则第六pmos管mp6关断，使得则第六pmos管mp6和第六nmos管mn6没有电流流过；所以流过s处的电流为is，经过第三下拉电阻r3重新转换为电压信号；同理，前级低压脉冲产生电路在输入信号vin的下降沿产生信号vdown；当vdown端有信号到来时，高电平施加到第二ldmos管m2
的栅极，则vrst处电压下降；如果vrst处的电压降超过第六pmos管mp6的阈值电压，则第六pmos管mp6导通；当电压vrst下降到浮动地vs，则第六pmos管mp6工作在线性区，此时第六pmos管mp6漏端流过电流ir，该电流通过电流镜复制到第六pmos管mp6、第五pmos管mp5和第五nmos管mn5的漏端；vup为低，则第一ldmos管m1关断，vset被拉高，第一pmos管mp1关断，使得第一pmos管mp1和第一nmos管mn1没有电流流过；所以流过r处的电流为ir，经过第四下拉电阻r4重新转换为电压信号；就这样两路窄脉冲信号能够正常的传送到下一级。6.根据权利要求5所述的一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路，其特征在于，外部功率器件快速开启关断导致高侧浮动地vs快速变化，并通过自举电容耦合到高侧浮动电源vb，在第一ldmos管m1和第二ldmos管m2的寄生电容上产生位移电流，并在漏端第一负载电阻r1和第二负载电阻r2上产生电压降；当噪声信号产生时，第一pmos管mp1将噪声电压信号转换为电流信号i1，再经过电流镜链路第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第二pmos管mp2将电流信号复制到第三pmos管mp3和第三nmos管mn3漏端；同时，第六pmos管mp6将噪声电压信号转换为电流信号i2，再经过电流镜链路第六nmos管mn6、第五nmos管mn5和第五pmos管mp5将电流信号复制到第四pmos管mp4和第四nmos管mn4的漏端；此时，流过s端的电流为i1-i2，流过r端的电流为i2-i1，当电路中所有器件都匹配时，i1和i2大小相等，此时流过r端和s端的由噪声信号引起的电流都为0，噪声信号被消除，而对正常信号没有影响；同时在后级加入滤波电路，进一步加强抑制噪声的能力。

技术总结
本发明公开了一种高dv/dt噪声抑制的高压侧驱动电路。本发明包括脉冲产生电路、高压电平移位电路、噪声消除电路、脉冲滤波电路、RS锁存器、输出级驱动电路；脉冲产生电路产生两路低压窄脉冲信号；高压电平移位电路将输入的两路低压窄脉冲VUP和VDOWN转换为两路高压脉冲VSET和VRST；噪声消除电路用于消除由浮动电源快速变换带来的dv/dt噪声；脉冲滤波电路用于滤除由于电路不匹配而产生的微小噪声；RS锁存器将两路脉冲信号还原成与输入信号同相的方波信号；输出级驱动电路用于增强信号的功率驱动能力，驱动电路输出HO控制高侧功率开关器件的导通与关断。本发明能够有效抑制浮动电源快速变化时所造成的dv/dt噪声，提高电路的稳定性和可靠性。性和可靠性。性和可靠性。


技术研发人员：汤诗华 喻明艳 王传政
受保护的技术使用者：北京卓芯半导体科技有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/15