一种高侧驱动芯片的电压源电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及高侧驱动芯片电路，尤其涉及一种高侧驱动芯片的电压源电路及其控制方法。

背景技术

高侧驱动芯片广泛应用于电力电子系统中，如电机驱动、照明控制、电源管理、电动汽车等领域。高侧驱动芯片是一种用于控制高侧负载的电子元器件，在电路中，高侧负载通常指的是与电源正极相连的负载，如电机、灯泡、加热器等，由于高侧负载与电源之间没有共同接地，因此需要使用高侧驱动芯片来控制其开关和电流。

通常高侧驱动芯片在欠压保护时，要求最低工作电压要达到5V。如图1所示，为现有高侧驱动芯片的结构示意图，图2为传统高侧驱动芯片内部现有的电压源的电路拓扑图，由于现有的电压源电路结构的限制，在Vbb低压输入情况下，电压源的输出端，即VS端的输出电压为MOS管P1的阈值电压Vth,高侧电源电压(即Vbb与VS之间的电压)实际为Vbb-Vth，低于最低工作电压。因此，可以看出，高侧驱动芯片内部的现有电压源在低压输入情况下，往往需要损耗掉一个PMOS管的阈值电压Vth，导致通过电荷泵给功率管提供的电压往往达不到足够高的电位，使得功率管导通内阻增大，进而导致高侧驱动芯片损耗增加。

发明内容

本发明的目的在于解决高侧驱动芯片内部的现有电压源在低压输入情况下，需要损耗掉一个PMOS管的阈值电压，导致高侧驱动芯片损耗增加的技术问题，而提供一种高侧驱动芯片的电压源电路及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种高侧驱动芯片的电压源电路，其特殊之处在于，包括NMOS管MN1、电源提供模块、、电压采样模块、稳压滤波模块、NMOS管MN5、Vbb端、IN端以及VS1端；

所述Vbb端、IN端分别用于连接高侧驱动芯片的Vbb引脚和IN引脚，VS1端用于输出电压源电路的电压；

所述NMOS管MN1的源极和栅极接IN端，其漏极接Vbb端，用于提供IN端的上拉电流；

所述电源提供模块一端连接IN端，另一端连接Vbb端，输出端连接VS1端和电压采样模块，用于向高侧驱动芯片提供稳定的电源电压；

所述电压采样模块包括第一电流镜、稳压管D2以及第二电流镜；

所述第一电流镜包括基准电流源I1、PMOS管MP3，PMOS管MP5、PMOS管MP6和PMOS管MP7；

所述第二电流镜包括NMOS管MN3、NMOS管MN4、第一电阻R1以及第二电阻R2；

所述PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的电流复制比为1：n：1:1，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值比为1：m，m、n均为正数，用于通过调节m和n的值控制NMOS管MN5的开断。

进一步地，所述PMOS管MP3的源极接Vbb端，其栅极与漏极短接后通过基准电流源I1与电源提供模块的输出端连接，用于提供基准电流；所述PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的源极均接Vbb端，栅极均接PMOS管MP3的栅极，用于复制基准电流；

NMOS管MN3的漏极接PMOS管MP6的漏极，其栅极与漏极短接，源极通过第一电阻R1与IN端连接；稳压管D2的负端接PMOS管MP5的漏极，其正端连接在NMOS管MN3源极与第一电阻R1之间；NMOS管MN4的漏极接PMOS管MP7的漏极和NMOS管MN5的栅极，栅极接NMOS管MN3的栅极，源极通过第二电阻R2与IN端连接；NMOS管MN5的漏极接电源提供模块的输出端，源极接IN端。

进一步地,所述电压采样模块还包括保护模块,所述保护模块包括PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10；PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10的栅极均接电源提供模块的控制电压端，其源极分别连接PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的漏极，用于对PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7形成保护；

所述NMOS管MN3的漏极接PMOS管MP9的漏极，稳压管D2的负端接PMOS管MP8的漏极，NMOS管MN4的漏极接PMOS管MP10的漏极和NMOS管MN5的栅极。

进一步地，所述电源提供模块包括稳压管D1、PMOS管MP2、PMOS管MP1以及NMOS管MN2；

所述PMOS管MP2的栅极连接稳压管D1的正端，稳压管D1的负端与Vbb端连接，用于通过PMOS管MP2和稳压管D1形成稳定的电压源；PMOS管MP2的漏极接IN端，源极分别接VS1端和基准电流源I1的输出端；

所述PMOS管MP1的漏极和源极均连接Vbb端，栅极接PMOS管MP2的栅极，用于对Vbb端的输入电压进行滤波；PMOS管MP2的栅极作为电源提供模块的控制电压端，分别与PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10的栅极连接；

所述NMOS管MN2的源极和栅极接IN端，漏极接稳压管D1的正端，用于保护稳压管D1。

进一步地，电压采样模块还包括PMOS管MP4；

所述PMOS管MP4的的漏极和源极接Vbb端，栅极接PMOS管MP2的源极，用于对偏置电压进行滤波。

进一步地，所述稳压滤波模块包括稳压管D3和电容C1；

所述稳压管D3的负端连接NMOS管MN5的栅极，正端连接IN端，用于稳定NMOS管MN5的栅极电压；电容C1连接在NMOS管MN5的栅极和IN端之间，用于对NMOS管MN5的栅极电压进行滤波。

进一步地，所述NMOS管MN1、NMOS管MN2均为高压耗尽型NMOS管；

所述NMOS管MN5为高压增强型NMOS管；

所述NMOS管MN3、NMOS管MN4均为低压增强型NMOS管；

所述PMOS管MP2、PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10均为高压增强型PMOS管；

所述PMOS管MP1、PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7均为低压增强型PMOS管。

进一步地，所述NMOS管MN1、NMOS管MN2均为结型场效应管；

所述NMOS管MN5为高压增强型NMOS管；

所述NMOS管MN3、NMOS管MN4均为低压增强型NMOS管；

所述PMOS管MP2、PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10均为高压增强型PMOS管；

所述PMOS管MP1、PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7均为低压增强型PMOS管。

本发明还提供上述高侧驱动芯片的电压源电路的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

当Vbb端电压高于预设值时，稳压管D2导通，通过调节PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的电流复制比和/或第一电阻R1、第二电阻R2的阻值，使n+1>m，则NMOS管MN5下拉截止，则电压源电路的输出电压V

当Vbb端电压小于等于预设值时，稳压管D2截止，调节第一电阻R1和第二电阻R2的阻值，使m>1，则NMOS管MN5导通，则电压源电路的输出电压V

其中，V

本发明相比于现有技术的有益效果如下：

1、本发明提供的一种高侧驱动芯片的电压源电路，通过基准电流源I1、PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7形成第一电流镜，通过NMOS管MN3、NMOS管MN4、第一电阻R1以及第二电阻R2形成第二电流镜，在输入电压Vbb高于预设值或者小于等于预设值时，通过调节PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的宽长比和/或第一电阻R1、第二电阻R的阻值，控制NMOS管MN5的开断，使电压源电路的保持稳定输出，实现了输入电压的宽范围。

2、本发明提供的一种高侧驱动芯片的电压源电路，在低压输入情况下，可以将电压源提高一个MOS管的阈值电压Vth，降低了功率管的导通内阻和系统损耗。

3、基于上述高侧驱动芯片的电压源电路，本发明提供的控制方法，控制简便，在低压输入情况下，可以有效功率管的导通内阻和系统损耗。

附图说明

图1为现有高侧驱动芯片的结构示意图；

图2为现有高侧驱动芯片中电压源电路的电路拓扑图；

图3为本发明一种高侧驱动芯片的电压源电路实施例的电路拓扑图。

具体实施方式

为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种高侧驱动芯片的电压源电路，如图3所示，包括NMOS管MN1、电源提供模块、电压采样模块、稳压滤波模块、NMOS管MN5、Vbb端、IN端以及VS1端。

电压源电路中的Vbb端用于连接高侧驱动芯片的Vbb引脚，通过Vbb端向电压源电路输入电压；IN端用于连接高侧驱动芯片的IN引脚，通过IN端向电压源电路输入高低电平信号；VS1端作为电压源电路的输出端，用于连接高侧驱动芯片内的电压采样模块。

NMOS管MN1的源极和栅极接IN端，其漏极接Vbb端，用于提供IN端的上拉电流。

电源提供模块包括稳压管D1、PMOS管MP2、PMOS管MP1以及NMOS管MN2。其中，PMOS管MP2的栅极接稳压管D1的正端，漏极接IN端，源极接VS1端，稳压管D1的负端接Vbb端，用于通过PMOS管MP2和稳压管D1向高侧驱动芯片提供稳定的电源电压。其中，稳压管D1用于稳定PMOS管MP2的栅极电压，具体的，将Vbb端输入的电压记为V

电压采样模块包括第一电流镜、PMOS管MP4、保护模块、稳压管D2以及第二电流镜。

第一电流镜包括基准电流源I1、PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6和PMOS管MP7；其中，PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的电流复制比为1：n：1:1。PMOS管MP3的源极接Vbb端，其栅极与漏极短接后通过基准电流源I1与PMOS管MP2的源极连接，用于提供基准电流。PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的源极均接Vbb端，栅极均接PMOS管MP3的栅极，用于复制基准电流，形成偏置电流。PMOS管MP4的的漏极和源极接Vbb端，栅极接PMOS管MP2的源极，用于对偏置电压进行滤波。

保护模块包括PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10。PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10的栅极均接PMOS管MP2的栅极(即电源提供模块的控制电压端)，其源极分别连接PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的漏极，用于通过PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10分别对PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7形成保护，防止电流过大击穿相应的MOS管。

第二电流镜包括NMOS管MN3、NMOS管MN4、第一电阻R1以及第二电阻R2。NMOS管MN3的漏极接PMOS管MP9的漏极，其栅极与漏极短接，源极通过第一电阻R1与IN端连接，PMOS管MP8的漏极连接稳压管D2的负端，稳压管D2的正端连接在NMOS管MN3源极与第一电阻R1之间。其中，NMOS管MN3的源极、第一电阻R1以及稳压管D2相连接的点记为M点。NMOS管MN4的漏极接PMOS管MP10的漏极和NMOS管MN5的栅极，栅极接NMOS管MN3的栅极，源极通过第二电阻R2与IN端连接；NMOS管MN5的漏极接PMOS管MP2的源极，漏极接IN端。稳压管D2用于检测输入电压Vbb,当输入电压Vbb高于预设值时稳压管D2导通，以抬高M点电压。第一电阻R1和第二电阻R2的阻值比为1：m，m、n均为正数，本发明通过调节m和n的值(即调节PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的电流复制比和/或第一电阻R1、第二电阻R的阻值)控制NMOS管MN5的开断。

稳压滤波模块包括稳压管D3和电容C1。稳压管D3的负端连接NMOS管MN5的栅极，正端连接IN端，用于稳定NMOS管MN5的栅极电压；电容C1连接在NMOS管MN5的栅极和IN端之间，用于对NMOS管MN5的栅极电压进行滤波。

本实施例中NMOS管MN1、NMOS管MN2均采用高压耗尽型NMOS管，NMOS管MN5采用高压增强型NMOS管，NMOS管MN3、NMOS管MN4均采用低压增强型NMOS管；PMOS管MP2、PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10均采用高压增强型PMOS管，PMOS管MP1、PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7均采用低压增强型PMOS管。在本发明的其他实施例中NMOS管MN1、NMOS管MN2也可以采用结型场效应管对高压耗尽型NMOS管进行替代。

本发明提供的一种高侧驱动芯片的电压源电路原理为：

当Vbb端电压高于预设值时，稳压管D2导通，此时，第一电阻R1两端的电压V

当Vbb端电压小于等于预设值时，即低压输入情况下，稳压管D2截止，由于m＝1为反转点，即第一电阻R1与第二电阻R2的阻值相同时，MN5的栅极电压由低变为高，只有当m>1时，即第一电阻R1两端的电压V

可以看出，当Vbb端电压小于等于预设值时，即低压输入情况下，本发明提供的一种高侧驱动芯片的电压源电路，可以将电压源提高一个MOS管的阈值电压Vth，进而降低了功率管的导通内阻和系统损耗。

基于上述高侧驱动芯片的电压源电路，本发明还提供了一种高侧驱动芯片的电压源电路的控制方法，具体包括以下步骤：

当Vbb端电压高于预设值时，稳压管D2导通，调节PMOS管MP3、PMOS管MP5、PMOS管MP6、PMOS管MP7的电流复制比和/或第一电阻R1、第二电阻R的阻值，使n+1>m，则NMOS管MN5下拉截止，电压源电路的输出电压V

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。