CN104702181B - 一种h桥驱动电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种H桥驱动电路及其控制方法，采用预充放电，将输入电压泵高作为驱动电压，实现各路输出的驱动电压的互用，降低了上拉电压产生电路上拉所需的能量，同时降低了相应模块的占用面积，预放电时，预放电后，上功率管进入弥勒平台，通过第一恒流源对栅极进一步放电，通过控制第一恒流源的大小，可以实现输出下降沿的控制，解决了下降沿时间过快导致的EMI过重、下降沿过慢会增加输入输出延时的问题。当上下功率管均关断时，下管的寄生二极管导通续流，输出端为负压，容易导致上管的误导通，通过对上管的钳位可以有效地防止误导通的现象。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用于电机驱动的H桥驱动电路及其控制方法。
背景技术
H桥(也称全桥)驱动电路，是一种典型的直流电机控制电路，通过开关的开合，由两路相同的电路组成，每一路中，由两个开关管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉，或相反。两路总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。由于这样的接法加上中间的负载，画出来的形状像一个H的字样，故得名H桥。
由于N型MOS管的单位面积导通电阻远小于P型MOS管，因此在驱动电路中，一般采用N型MOS管作为驱动管，但N型MOS管需要比电源更高的栅极电压才能实现上开关管的导通，增加了驱动电路的设计难度。
如图1所示，示意了现有技术的H桥驱动电路，以其中一路为例，当out1为低时，输入端Vin给电容CBS1充电，使CBS1电容两端的电压维持out1+Vin，并作为上开关管的栅电压。另一种方式是通过电荷泵将out1端的电压泵高作为驱动电压。以上现有技术虽然所需的驱动电路结构简单，但是每一路输出就需要一个CBS电容，且所述电容占用面积较大，难以集成于片内。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种H桥驱动电路，用以解决现有技术存在的每一路均需设置一个电容，且难以集成的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的H桥驱动电路，包括两路相同的驱动模块，每一路驱动模块包括上功率管、下功率管以及分别控制上下功率管的上管驱动控制电路和下管驱动控制电路；所述上功率管的第一功率端接收输入电压信号，其第二功率端与下功率管的第一功率端连接，所述下功率管的第二功率端接地；
所述的上管驱动控制电路包括预充放电电路和上拉电路，所述的预充放电电路也接收输入电压信号，并与上功率管的栅极相连接；所述的上拉电路接收上拉电压，同时与上功率管的栅极相连接；
在开通上功率管时，先由预充放电电路对上功率管的栅极预充电，使栅极电压充电至等于输入电压信号，再由上拉电路将上功率管的栅极电压上拉至上拉电压。
优选地，在关断上功率管时，先由预充放电电路对上功率管的栅极预放电，使栅极电压放电至等于输入电压信号，再通过连接至上功率管栅极的第一恒流源对栅极电压继续放电。
优选地，所述的上管驱动电路还包括上拉电压产生电路，所述的上拉电压产生电路包括反相器、储能电容、第一开关和第二开关，所述的第一开关和第二开关相互串联，二者的公共端连接在储能电容的一端，第一开关的另一端接收输入电压信号，第二开关的另一端作为上拉电压产生电路的输出端，所述反相器的输出端连接在储能电容的另一端，反相器接收低电平则输出大小等于输入电压信号的高电压，反相器接收高电平则输出低电压。
优选地，所述的上管驱动控制电路还包括钳位电路，所述的钳位电路包括第一开关管、第一电阻和电流产生电路，所述第一开关管的第一端和第二端分别与上功率管的栅极和第二功率端连接，所述的第一电阻两端分别与第一开关管的第二端和控制端连接；在上功率管和下功率管均关断期间，所述的电流产生电路产生流经所述第一电阻的电流，在第一电阻上产生降压以对上功率管的栅极和第二功率端之间电压钳位。
优选地，所述的电流产生电路包括电流镜、第二开关管和第二恒流源，所述的第二开关管的第一端与电流镜的第一端连接，所述电流镜的第二端与所述第一电阻连接，所述第二恒流源的一端与第二开关管的第二端连接，第二恒流源的另一端接地。
优选地，所述的上功率管的栅极和第二功率端之间连接有第二电阻，在驱动电路结束工作时，对栅极和第二功率端之间的寄生电容放电。
本发明另一技术解决方案是，提供一种以下步骤的H桥驱动电路的控制方法，包括以下步骤：
所述驱动电路的每一路驱动模块包括上功率管和下功率管；所述上功率管的第一功率端接收输入电压信号，其第二功率端与下功率管的第一功率端连接，所述下功率管的第二功率端接地；
在开通上功率管时，先对上功率管的栅极预充电，使栅极电压充电至等于输入电压信号，再将上功率管的栅极电压上拉至上拉电压；
在关断上功率管时，先对上功率管的栅极预放电，使栅极电压放电至等于输入电压信号，再通过连接至上功率管栅极的第一恒流源对栅极电压继续放电。
优选地，在上功率管和下功率管均关断期间，使第一电阻连接在上功率管的栅极和第二功率端之间，并在第一电阻上施加电流，所述电流在第一电阻上产生降压以对上功率管的栅极和第二功率端之间电压钳位。
采用本发明的电路结构，与现有技术相比，具有以下优点：本发明采用预充放电，将输入电压泵高作为驱动电压，实现各路输出的驱动电压的互用，降低了上拉电压产生电路上拉所需的能量，同时降低了相应模块的占用面积，预放电时，预放电后，上功率管进入弥勒平台，通过第一恒流源对栅极进一步放电，通过控制第一恒流源的大小，可以实现输出下降沿的控制，解决了下降沿时间过快导致的EMI过重、下降沿过慢会增加输入输出延时的问题。当上下功率管均关断时，下管的寄生二极管导通续流，输出端为负压，容易导致上管的误导通，通过对上管的钳位可以有效地防止误导通的现象。
附图说明
图1为现有技术H桥驱动电路的结构示意图；
图2为本发明之H桥驱动电路的结构示意图；
图3为上拉电压产生电路的结构示意图；
图4为上拉电压产生电路相应的工作波形图；
图5为上功率管栅极放电的波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为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。
参考图1所示，为现有技术的H桥驱动电路，其中每一路包括上功率管M1和下功率管M2，当out1为低时，输入端Vin给电容CBS1充电，使CBS1电容两端的电压维持out1+Vin，并作为上开关管的栅电压。连接在上功率管控制端的buffer1和连接在下功率管的buffer2为缓冲器，可由两个非门串联而成，以buffer1为例，当接收高电平时，则其输出电压等于Vin，当接收低电平时，则其输出电压等于out1。Motor为H桥驱动电路所要驱动的电机。该现有技术中，每一路均需要一个较大的电容CBS，难以集成于片内。
参考图2所示，示意了H桥驱动电路，包括两路相同的驱动模块，LOAD为负载，可以指电机。故实施例中选择其中一路详细说明，以左边一路为例。每一路驱动模块包括上功率管M1、下功率管M2以及分别控制上下功率管的上管驱动控制电路201和下管驱动控制电路202；所述上功率管M1的第一功率端接收输入电压信号VM，其第二功率端与下功率管M2的第一功率端连接，所述下功率管M2的第二功率端接地；
所述的上管驱动控制电路201包括预充放电电路2011和上拉电路2012，所述的预充放电电路2011接收输入电压信号VM，并与上功率管M1的栅极相连接；所述的上拉电路2012接收上拉电压VPUMP，同时与上功率管M1的栅极相连接；
所述的下管驱动控制电路202包括缓冲器buffer1，所述的缓冲器buffer1接收驱动信号L_ON1，当L_ON1为高电平时，缓冲器buffer1输出高电压VPP，当L_ON1为低电平时，缓冲器buffer1输出地电压。
在开通上功率管M1时，先由预充放电电路2011对上功率管M1的栅极预充电，使栅极电压充电至等于输入电压信号VM，再由上拉电路2012将上功率管M1的栅极电压上拉至上拉电压VPUMP。
在关断上功率管M1时，先由预充放电电路2011对上功率管M1的栅极预放电，使栅极电压放电至等于输入电压信号VM，再通过连接至上功率管M1栅极的第一恒流源I1对栅极电压继续放电，由开关S6控制放电的时间。
正常工作下，每一路的上功率管和下功率管不会同时导通；两路中的上功率管也不会同时导通。
所述的预充放电电路2011包括预充电模块和预放电模块，所述的预充电模块包括开关S3和二极管D0，开关S3的一端接收输入电压信号VM，另一端与二极管D0阳极连接，二极管D0的阴极与上功率管M1的栅极连接，开关S3控制预充电的时间，即开关S3导通则输入电压信号VM对上功率管M1的栅极预充电，并使栅极电压达到输入电压信号VM(注：不考虑导通降压，下同)。所述的预放电模块包括开关S4和二极管D1，开关S4的一端接收输入电压信号VM，另一端与二极管D1阴极连接，二极管D1的阳极与上功率管M1的栅极连接，开关S4控制预放电的时间，即开关S4导通则输入电压信号VM对上功率管M1的栅极预放电，并使栅极电压达到输入电压信号VM。
所述的上拉电路2012接收上拉电压VPUMP，并通过开关S5的通断控制何时上拉，同时上拉电路2012与上功率管M1的栅极相连接，所述的上拉电压VPUMP由上拉电压产生电路产生。
所述的上管驱动控制电路201还包括钳位电路2013，所述的钳位电路2013包括第一开关管S1、第一电阻R1和电流产生电路，所述第一开关管S1的第一端和第二端分别与上功率管M1的栅极和第二功率端连接，所述的第一电阻R1两端分别与第一开关管S1的第二端和控制端连接；在上功率管M1和下功率管M1均关断期间，所述的电流产生电路产生流经所述第一电阻R1的电流，在第一电阻R1上产生降压以对上功率管M1的栅极和第二功率端之间电压钳位。由于当上下功率管均关断时，下管的寄生二极管导通续流，输出端out1为负压，容易导致上管的误导通，通过对上管的钳位可以有效地防止误导通的现象。
所述的电流产生电路包括电流镜、第二开关管S2和第二恒流源I2，所述的第二开关管S2的第一端与电流镜的第一端连接，所述电流镜的第二端与所述第一电阻R1连接，所述第二恒流源I2的一端与第二开关管S2的第二端连接，第二恒流源I2的另一端接地。将上功率管M1的栅极和第二功率端的电压钳位至I2·R1。将上功率管M1的控制端信号和下功率管M2的控制端信号相与，可以得到第二开关管S2的控制端信号。
所述的上功率管M1的栅极和第二功率端之间连接有第二电阻R2，在驱动电路结束工作时，对栅极和第二功率端之间的寄生电容放电。
参考图3所示，示意了上拉电压产生电路的具体电路结构，所述的上拉电压产生电路包括反相器、储能电容C1、第一开关K1和第二开关K2，所述的第一开关K1和第二开关K2相互串联，二者的公共端连接在储能电容C1的一端，第一开关K1的另一端接收输入电压信号VM，第二开关K2的另一端作为上拉电压产生电路的输出端，产生上拉电压VPUMP。所述反相器的输出端连接在储能电容C1的另一端，反相器接收低电平则输出大小等于输入电压信号VM的高电压，反相器接收高电平则输出低电压VN。
为了更好地驱动上功率管M1，则需要一个比VM高一个驱动电压的VPUMP，一般而言驱动电压为3V左右，故以3V为例，则VPUMP-VM＝3V，以下为实现过程：
CLK＝1，K1导通，K2关断，V1＝VN，输入电压VM给C1充电，C1两端电压为3V；CLK＝0，K1关断，K2导通，V1＝VM，VPUMP＝V2＝VM+3V
VPUMP用作H桥的驱动电源，驱动上功率管所需的能量由C1和C2提供，两路功率管可以对VPUMP进行复用，因此相比传统的驱动电路结构，至少可以节省一半的电容面积。
参考图4所示，在图3上基础上，示意了相应的工作波形，即CLK的工作波形，以及相应的K1、K2的工作波形，高电平表示开关导通，低电平表示开关关断，可以直观地将图4中的波形应用于图3中。
参考图5所示，示意了上功率管栅极放电的波形图。Vgs为上功率管栅极与第二功率端(源极)，图中示意了放电过程中，Vgs和输出端电压out1的波形变化。在通过放电实现上管关断的过程中，可以大致区分为T0，T1，T2三个阶段，其中T1阶段称为密勒平台，这一区间的时间就是输出下降沿时间，下降沿时间过快会使EMI问题加重，过慢则会增加输入输出的延时，影响正常的功能。因此，通过恒流源I1对栅极进行放电，可以视情况调节恒流源I1的大小，从而保持合适的下降沿时间。
由于T0时间过长增加传输延时，故采用预放电方法，在T0阶段快速放电，即对T0和T1时间进行分别单独控制，在满足下降沿要求的同时，减小T0时间，降低传输延时。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种H桥驱动电路，包括两路相同的驱动模块，每一路驱动模块包括上功率管、下功率管以及分别控制上下功率管的上管驱动控制电路和下管驱动控制电路；所述上功率管的第一功率端接收输入电压信号，其第二功率端与下功率管的第一功率端连接，所述下功率管的第二功率端接地；其特征在于：
所述的上管驱动控制电路包括预充放电电路和上拉电路，所述的预充放电电路也接收输入电压信号，并与上功率管的栅极相连接；所述的上拉电路接收上拉电压，同时与上功率管的栅极相连接；
在开通上功率管时，先由预充放电电路对上功率管的栅极预充电，使栅极电压充电至等于输入电压信号，再由上拉电路将上功率管的栅极电压上拉至上拉电压；
在关断上功率管时，先由预充放电电路对上功率管的栅极预放电，使栅极电压放电至等于输入电压信号，再通过连接至上功率管栅极的第一恒流源对栅极电压继续放电。
2.根据权利要求1所述的H桥驱动电路，其特征在于：所述的上管驱动电路还包括上拉电压产生电路，所述的上拉电压产生电路包括反相器、储能电容、第一开关和第二开关，所述的第一开关和第二开关相互串联，二者的公共端连接在储能电容的一端，第一开关的另一端接收输入电压信号，第二开关的另一端作为上拉电压产生电路的输出端，所述反相器的输出端连接在储能电容的另一端，反相器接收低电平则输出大小等于输入电压信号的高电压，反相器接收高电平则输出低电压。
3.根据权利要求1所述的H桥驱动电路，其特征在于：所述的上管驱动控制电路还包括钳位电路，所述的钳位电路包括第一开关管、第一电阻和电流产生电路，所述第一开关管的第一端和第二端分别与上功率管的栅极和第二功率端连接，所述的第一电阻两端分别与第一开关管的第二端和控制端连接；在上功率管和下功率管均关断期间，所述的电流产生电路产生流经所述第一电阻的电流，在第一电阻上产生降压以对上功率管的栅极和第二功率端之间电压钳位。
4.根据权利要求3所述的H桥驱动电路，其特征在于：所述的电流产生电路包括电流镜、第二开关管和第二恒流源，所述的第二开关管的第一端与电流镜的第一端连接，所述电流镜的第二端与所述第一电阻连接，所述第二恒流源的一端与第二开关管的第二端连接，第二恒流源的另一端接地。
5.根据权利要求1或2所述的H桥驱动电路，其特征在于：所述的上功率管的栅极和第二功率端之间连接有第二电阻，在驱动电路结束工作时，对栅极和第二功率端之间的寄生电容放电。
6.一种H桥驱动电路的控制方法，所述驱动电路的每一路驱动模块包括上功率管和下功率管；所述上功率管的第一功率端接收输入电压信号，其第二功率端与下功率管的第一功率端连接，所述下功率管的第二功率端接地；其特征在于：包括以下步骤：
在开通上功率管时，先对上功率管的栅极预充电，使栅极电压充电至等于输入电压信号，再将上功率管的栅极电压上拉至上拉电压；
在关断上功率管时，先对上功率管的栅极预放电，使栅极电压放电至等于输入电压信号，再通过连接至上功率管栅极的第一恒流源对栅极电压继续放电。
7.根据权利要求6所述的H桥驱动电路的控制方法，其特征在于：在上功率管和下功率管均关断期间，使第一电阻连接在上功率管的栅极和第二功率端之间，并在第一电阻上施加电流，所述电流在第一电阻上产生降压以对上功率管的栅极和第二功率端之间电压钳位。
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