DC-DC(直流转直流转换器)通过负反馈环路调节控制功率管开关的占空比实现对输出电压的稳压[1]，其中功率管是功率转换以及决定效率高低的关键元件．功率管的损耗主要由导通损耗和开关损耗构成[2-3]，对整体DC-DC效率起决定作用．导通损耗的降低依赖于导通阻抗减小[4-5]，开关损耗的降低依赖于开关速度提高[6-7]．功率管导通阻抗会随栅源电压的增大而减小，也会随着温度升高而增大[8-9]．DC-DC控制器使用外置功率管器件虽然牺牲了集成度，但是分立的功率管元件具有较低导通阻抗及分立元件相对较好的散热特性，都能够提高效率，满足大电流的应用．越小的导通阻抗的功率管的面积越大，因而栅极寄生电容更大[10]，对于驱动电路的驱动能力要求更高．因此，DC-DC控制器的驱动电路的性能非常关键，要能够提供功率管高速的开关驱动速度及足够的驱动电压以保证较低的导通阻抗，从而保证功率管的导通损耗和开关损耗最小．这里研究集成在高压降压的DC-DC控制器中的功率管驱动电路，针对宽输入电压范围的特点，研究驱动电路提升驱动速度和驱动电压的方法．1 系统设计提出的高压驱动电路在DC-DC控制器中的整体功能框图如图1所示．设计的DC-DC输入电压范围为4.2~40.0 V，输出电压范围为1.2~15.0 V．同步降压开关的主功率管为P1，从功率管为N1．输入电压VIN同时为DC-DC控制器芯片提供高电压．输出电压经过R1和R2的分压得到的反馈电压VFB通过PWM(脉冲宽度调制)调制后，产生控制功率管开关逻辑的PIN信号以及控制功率管开关逻辑的NIN信号．设计的功率管驱动电路由PMOS(P型金属氧化物半导体)管驱动电路模块和NMOS(N型金属氧化物半导体)管驱动电路模块构成．VCC为芯片内部由输入电压VIN转换而来的低压电源，为驱动电路供电．10.13245/j.hust.210306.F001图1高压驱动电路系统框图PMOS驱动电路包含的电路模块为P死区控制电路、P电平移位电路、P驱动钳位电路、P高边驱动电路、P低边驱动电路．PMOS管的驱动信号PIN控制P死区控制电路．功率管P1驱动电压VPD由P高边驱动和P低边驱动产生，分别控制功率管导通与关断．P死区控制电路分别输出P1经过电平移位模块转换电平驱动P高边驱动模块和输出P2控制P低边驱动电路．P死区控制电路的作用是保证输出信号P1和P2存在非交叠的死区时间．P驱动钳位电路产生比电源VIN低的固定高压差，限制P低边驱动电路驱动电压．NMOS驱动电路包含N死区控制电路、N电平移位电路、N驱动钳位电路、N高边驱动电路、N低边驱动电路．功率管N1驱动电压VND由N高边驱动电路和N低边驱动电路产生，分别控制功率管导通与关断．N死区控制电路分别输出N1经过电平移位电路转换逻辑电平驱动N高边驱动模块和输出N2控制N低边驱动电路．N死区控制电路的作用是保证输出信号N1和N2存在非交叠的死区时间．N驱动钳位电路产生与VGND的固定高压差，限制N低边驱动电路驱动电压．2 驱动电路设计图2虚线框中分别标识了对应图1中的各电路模块．输出VPD的驱动管是两个PMOS管M13和M14，M13导通时输出VPD电源电平用来关闭外部PMOS功率管．M14导通时输出VPD低电平用来开启外部PMOS功率管．电压钳位电路就是设定M14栅极与电源VIN之间的电压来决定VPD与电源VIN之间的最大电压差，也就是PMOS功率管的栅源驱动电压．输入信号PIN连接P死区控制电路．或门OR1、与门AND1和P延时模块构成死区控制电路．P死区控制电路输出的信号P1决定了M13的开关，P1高电平关闭M13，低电平使M13导通．P死区控制电路输出的信号P2决定了M14的开关，P2高电平使M14导通，低电平使M14关闭．P死区控制电路的作用是防止产生PMOS驱动信号的VPD的M13和M14同时导通，不仅影响效率而且可靠性变差．10.13245/j.hust.210306.F002图2PMOS功率管驱动电路高压NMOS管M12和M14构成了P低边驱动电路．M12作为开关控制电流源I11的通断．M12导通时，电流源I11流过串联MOS管MPn到MP1构成的电压钳位电路产生与输入电压VIN的固定压差，通过钳位M14栅极电压来限定PMOS功率管导通时其栅极PD的驱动电压差．设定MP1，MP2和MPn等串联连接的P驱动钳位管参数相同，那么每个MOS(金属氧化物半导体)管上的压降VGS相等，串联钳位管个数为n，输出的驱动电压为VPD=VIN-nVGS+VGS14，其中VGS14为M14管的栅源电压．因此，PMOS驱动电路的输出VPD低电平电压与P驱动钳位管上整体压降有关，可以调整串联管的个数或者调节偏置电流来调整PMOS驱动电路输出信号VPD的电压高低．由于M14栅极电位最低只能是0 V，因此当电源电压VIN小于MOS管串联钳位电压nVGS时，钳位管没有导通，M14栅极电位为0 V，那么VPD电平只能最低等于其栅源电压VGS14，因此VPD与电源VIN的压差无法达到最大．电流源I12在电阻R3上产生VPD电压，改善VPD与电源电压压差变小问题．电路只要满足I12R3nVGS条件，就能够扩大VPD驱动电压差．M15的作用是对于VPD电位进行低钳位，保证当电源电压较高时，避免VPD由于电流源I12的下拉而导致电平过低超出功率管驱动电压范围．图3虚线框中分别标识了对应图1中NMOS驱动电路的各模块．输出VND的驱动管是两个NMOS管M23和M24，M24导通时把VND接地用来关闭外部NMOS功率管．M23导通时输出VND高电平用来开启外部NMOS功率管．钳位电路就是设定M23栅极开启电压来决定VND高电平电压，也就是外部NMOS功率管的栅源驱动电压．输入信号NIN接入N死区控制电路的逻辑．N死区控制电路输出的信号N1控制M23的开关，N1高电平使M23导通，低电平使M23关闭．同时N死区控制电路输出的信号N2控制M24的开关．N2高电平使M24导通，低电平使M24关闭．N死区控制电路的作用是产生防止产生NMOS驱动信号ND的M23和M24管子同时导通，不仅影响效率而且可靠性变差．10.13245/j.hust.210306.F003图3NMOS功率管驱动电路M21在电流源I21的通路上起到控制电流开关的作用，当M21导通时电流源I21流过MNn，MN2和MN1等串联的二极管形式的MOS管产生固定压差，即设定了VND高电平电压．设定MN1，MN2和MNn等串联连接的驱动钳位管子参数相同，那么每个MOS管上的栅源电压VGS相等，串联钳位MOS管个数为n，输出驱动电压为VND=nVGS-VGS23，其中VGS23为M23管的栅源电压．因此，NMOS驱动电路的输出ND高电平电压由驱动钳位管个数和电流偏置I21来设置．由于M23栅极电压最高只能等于VIN，当电源电压小于MOS管串联钳位电压nVGS时，钳位管不会导通，因此M23栅极高电位等于电源电压．由于M23栅源电压差的存在，因此VND电平最高无法达到电源电压．电流源I22在电阻R4上的电压设定了VND，用来提高电源电压低时的VND驱动电压变小问题．电路只要满足I22R4nVGS，就能够扩大VND驱动电压差．M25的作用是对于VND电位进行高钳位，保证当电源电压较高时，避免VND因为电流源I22的上拉而导致电压过高超出功率管驱动电压范围．提出的高压驱动电路能够提供PMOS和NMOS管提供高压的栅源驱动，MOS管关闭使用开关管驱动，MOS管开启使用源跟随提供足够的驱动电流，保证高速驱动，并且能够兼顾当输入电压低于驱动电压时，使MOS管栅源驱动电压达到输入电源电压，降低导通阻抗，提高效率．3 测试结果提出的电路集成于一款40 V 0.18 μm BCD(双极型晶体管，互补和双扩散金属氧化物半导体)工艺的高压降压DC-DC控制器中，功率管的栅极寄生电容典型值为1 nF．DC-DC输出电压设定为5 V，改变输入电压测试电路在不同占空比下的工作情况．提出的功率管驱动电路集成于高压降压DC-DC控制器的芯片照片见图4，芯片面积为1.1 mm2，PMOS功率管驱动电路面积0.1 mm2，NMOS功率管驱动电路面积0.082 mm2．驱动电路集成度高．10.13245/j.hust.210306.F004图4DC-DC控制器芯片照片测试结果表明：功率管驱动电压为14 V．整体芯片在开关频率为200 kHz的情况下，空载功耗为4 mA．图5(a)、(b)和(c)分别为VIN为24 V，8 V和5 V情况下的PMOS功率管驱动信号VPD，NMOS功率管驱动信号VND，以及输出电压VOUT和电感电流IL的测试波形．10.13245/j.hust.210306.F005图5VOUT=5 V时的测试波形图5(a)和(b)的测试结果表明：PMOS功率管开关的驱动速率在40 V/μs以上，NMOS功率管开关的驱动速率在60 V/μs以上．PMOS关闭到NMOS开启之前，即VPD上升沿到VND上升沿的死区时间大于80 ns．NMOS关闭到PMOS开启之前，即VND下降沿到VPD下降沿的死区时间大于40 ns．图5(c)输入电压为5 V，输出与输入电压比率为100%，DC-DC控制环路使PMOS功率管持续导通，NMOS功率管关闭，达到100%占空比工作状态．测试结果显示驱动电压VND为0 V使NMOS功率管关断．同时驱动电压VPD降低到0 V以维持PMOS功率管持续导通所需要的最大的驱动电压．从测试结果可以看出：提出的驱动电路具有正常死区时间，并且在有高驱动速度和高驱动电压．4 结论本研究提出了一种集成于高压降压DC-DC控制器中的PMOS功率管和NMOS功率管驱动电路．在宽输入电压变化范围内提高驱动速度降低开关损耗，提供最大的功率管驱动电压降低导通损耗．该电路结构简单、集成度高，集成于一款40 V 0.18 μm BCD工艺的高压降压DC-DC控制器中，实验测试结果表明电路在不同占空比情况下能够提供稳定的高压驱动电压及高驱动速度．