[发明专利]适用于高速GaN功率器件栅驱动的开关MOS自举充电电路

说明书

适用于高速GaN功率器件栅驱动的开关MOS自举充电电路，属于电子电路技术领域。包括反相器链、二极管、电荷泵电容和开关管，反相器链的输出端通过电荷泵电容后连接二极管的阴极，二极管的阳极连接电源电压；开关管的栅极连接二极管的阴极，其漏极作为开关MOS自举充电电路的输出端；开关MOS自举充电电路还包括电平位移模块、恒流源模块和开关模块，电平位移模块的输入端作为开关MOS自举充电电路的输入端，其输出端连接反相器链的输入端；恒流源模块接在开关管的栅极和地之间；开关模块接在开关管的源极和电源电压之间。本发明能够解决传统开关MOS自举电路中存在的开关管误开启和自举电容过充电的问题。

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及到一种适用于高速驱动电路的自举电路，尤其涉及一种适用于高速GaN功率器件栅驱动的开关MOS自举充电电路。

背景技术

在BUCK变换器中，通常需要驱动电路控制上下功率管开启。下功率管开启过程中，开关节点SW被拉低至地电位VSS；而在上功率管开启过程中，开关节点SW处电位被逐步拉高至输入电平VIN，由此，开关节点SW处电位在输入电平VIN与地电位VSS之间浮动。在上功率管为NMOS的栅驱动电路中，上功率管源极电位为开关节点SW处电位，故上功率管的栅极需输入一个以开关节点SW电位为参考的BST电位，产生正确的栅源电压VGS，控制上功率管的开启和关断。

由于BST-SW是功率管的栅源电压，因此两者之间需要5V左右的稳定压差来使上功率管正常开启，通常情况下采用一个自举电容Cboot来维持电压的稳定。由于电容两端电压不能突变，该电容使BST电位随着开关节点SW处的电位同步浮动，BST-SW压差保持恒定以使上功率管正常开启。在下功率管开启且上功率管关断时由相应模块对自举电容Cboot进行充电，补充上功率管开启时在自举电容Cboot上消耗的电荷。

如图1所示为传统的LDO供电结合二极管实现自举的结构，输入电压为VIN，LDO输出电压为VCC，VCC用来作为自举电路的电源电压，PWM为芯片内部环路模块提供的控制信号；BST为参考电位，TG为上管栅极电位，VREF为基准电压，R1、R2是分压电阻，MP是LDO的调整管，MN是BUCK电路的上功率管，Cboot是自举电容，D是防止电流倒灌的二极管。当BUCK电路下功率管开启且上功率管MN关断时，开关节点SW处的电位被拉低至地电位，不考虑二极管D电压损失的情况下，LDO通过二极管D给自举电容Cboot充电至电容两端电压为VCC，此时参考电位BST即为VCC；当下功率管关断且上功率管开启时，开关节点SW处的电位被拉高至输入电平VIN，此时由于电容两端电压不能突变，参考电位BST变为VIN+VCC，该电压使二极管D截止。

该电路中肖特基Schottky二极管D的设置是为了防止在上功率管开启时由于BST电压高于VIN而发生的电流倒灌现象，但是该二极管的使用却带来了两个显著地缺点。其一是二极管占用的芯片面积较大，不易于集成；其二是自举电容充电时会在二极管上产生压降，高频应用时自举电容在下管开启时始终存在较大的充电电流，自举电容上的压降只能达到V_CC-V_BE，V_BE为二极管的导通电压，这一电压损失在低电源电压下会明显影响功率管的Rdson，造成能量损失。

针对传统的利用肖特基二极管的自举充电方案需要占用较大的芯片面积来构建自举二极管和高频低电源电压应用下由于自举电容上的压降较低导致效率降低两个缺点，开关MOS自举电路利用开关MOS代替二极管实现自举，传统开关MOS自举电路如图2所示，主要由反相器链、电荷泵、以及开关管组成，该结构用来替换图1结构中的肖特基Schottky二极管D。当下功率管开启且上功率管关断时，开关管MN10开启，自举电容Cboot充电；当下功率管关断且上功率管开启时，开关管MN10关断。