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高效率低成本混合型H桥输出驱动器设计研究

2020-06-02 213 上传者：管理员

摘要：采用0.5μmCMOS工艺,设计了一种高效率、低成本的混合型H桥输出驱动器。该输出驱动器采用甲乙类放大器和丁类放大器相结合的非对称H桥结构,并通过反馈环路使两种不同类型的放大器协调工作。具有高闭环增益的四级甲乙类放大器优化了输出驱动器的线性度,并减小了电流纹波、电磁干扰以及外围器件个数。该输出驱动器在芯片中占的面积约为1.44mm2,测试及仿真使用的电源电压为3.3～5V。结果表明,当甲乙类放大器的输出负载电容为3300pF,在典型工艺角以及常温下,其开环直流增益为99.21dB,相位裕度为58.24°,增益带宽积为631kHz;当载波频率为1MHz时,丁类放大器的非重叠时间约为25ns。此外,该输出驱动器的输出电压为电源电压的2倍,使得功率管效率达到75%以上。

关键词：
H桥输出驱动器
丁类放大器
半导体
效率
无线电电子学
甲乙类放大器
线性度
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引言

随着科技的发展,人们不仅期望电子产品的功能丰富,而且要求其功耗低、效率高、成本低等。H桥输出驱动器具有大电压摆幅等特性,被广泛应用于电机驱动、温度控制以及音频等领域。目前主流的H桥输出驱动器采用两路丁类放大器组成对称差分结构以获得高效率。丁类放大器有多种调制方式,其中最常见的是脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation,PWM)。理想的PWM放大器的效率可达到100%,但是,由于多种功率损耗的存在,实际PMW放大器的效率为80%～90%[1]。PWM放大器需要滤波电路来解调信号,滤波器通常使用电容和电感等无源器件,这些无源器件往往体积较大、难以集成,增加了电路板面积并提高了成本。PWM放大器在调制与解调过程中还会引入多种失真,信号也存在延迟,这些都会影响解调后信号的线性度[2]。甲乙类放大器具有较高的线性度,需要的片外器件少,成本低,能弥补PWM放大器的缺点。甲乙类放大器的效率与输出功率有关,当输出功率较小时,其效率较低,低于PWM放大器;在大功率输出的情况下,较大的负载电流可使放大器输出电压为电源电压或者地,使其效率接近PWM放大器。此外,甲乙类放大器能有效避免PWM放大器的电磁干扰以及栅极电荷损耗等问题。因此,本设计将甲乙类放大器与PWM放大器相结合,以得到高线性度、低成本的混合型H桥输出驱动器。

1、H桥输出驱动器

传统的基于PWM放大器的H桥输出驱动器如图1所示,图中VDD为电源电压。PWM放大器主要由比较器、非重叠信号产生电路、MOS管M1和M2(或者M3和M4)、电容和电感组成。其中电容和电感组成LC低通滤波模块,其主要作用是滤除输出PWM信号的载波以及高频噪声,提取有效低频信号[3]。该输出驱动器具有两个对称的PWM放大器,构成对称的H桥结构,因此需要两个LC低通滤波模块。

图1典型H桥输出驱动器电路示意图

左右两路PWM放大器的输出级有两种工作模式。第一种是M1和M4导通、M2和M3截止,此时负载电阻RL1上的电流IL1方向为自左向右;第二种是M2和M3导通、M1和M4截止,此时负载电阻上的电流方向为自右向左。假设不考虑负载电阻两端电压相同情况,且电容和电感分别为理想电容和理想电感,则基于以上两种工作模式的等效功率损耗(PRL1)为[4,5]

公式(1)

式中:D1为PMW放大器B点电压信号为高电平时的占空比;Rds为功率管导通时的等效阻抗。PWM放大器功率损耗的主要来源还包括栅极电荷损耗[6,7]。传统的基于PWM放大器的H桥输出驱动器的栅极电荷损耗(PGC1)为

公式(2)

式中:Cg为栅极电容;fSW为开关频率。由式(2)可知,栅极电荷损耗的大小与开关频率呈正比。综合上述计算,传统的基于PWM放大器的H桥输出驱动器的效率(η1)为

公式(3)

式中PL1为负载上的功率。

2、改进的混合型H桥输出驱动器

混合型H桥输出驱动器的基本结构如图2所示。由PMW放大器、甲乙类放大器、低通滤波器以及外部输出级构成一个闭环系统。在图2中,PWM放大器输出点是X点,输出信号反馈到加法电路中,甲乙类放大器输出点在Y点,输出信号也反馈到加法电路中,加法电路将PWM放大器的输出信号、输入信号以及甲乙类放大器的输出信号进行比例求和,使两种放大器协调工作,二者输出信号的差值为输入信号的比例放大。输出级、低通滤波电路以及负载电路均置于片外。根据需要,输出级可以选用高压双扩散金属氧化物半导体(doublediffusionmetal-oxide-semiconductor,DMOS)器件或第三代半导体器件等。可以看出,改进后的混合型H桥输出驱动器只需要一个低通滤波电路,无源元件的数量减少了一半。

图2混合型H桥输出驱动器电路示意图

2.1甲乙类放大器设计

甲乙类放大器主要由第一级放大器、电平移位电路、嵌入式栅极驱动器以及片外输出级组成(图3),图中Vi-和Vi+分别为该放大器的反相输入端和同相输入端电压,VgP1和VgN1分别为该放大器片外输出级的PMOS管和NMOS管的栅极电压,Vout为该放大器的整体输出电压。其中,电平移位电路的主要作用是将第一级放大器的输出直流电压(Vo1)进行升压和降压,产生两路不同的直流电压信号(Vo2和Vo3)。图4为电平移位电路示意图,图中Vbias为偏置电压,Ibias1和Ibias2为偏置电流。假设不考虑中间的嵌入式栅极驱动器,根据M4s、M4、M5s和M5的连接关系,M5的栅极电压等于M5s的栅源电压(M5s采用二极管连接方式)。通过控制M5s的支路电流,使M5s栅源电压近似等于其阈值电压,进而控制M5的栅源电压等于其阈值电压。M2栅源电压的控制原理同M5。由于输出级为大功率管,如果输出级功率管栅极和源极之间的直流电压较高,会在输出级产生几百毫安甚至几安培的电流。通过电平移位电路和栅极驱动器的有效控制,输出级的M2和M5的栅源电压将会降低,使其直流工作点达到最佳状态,既可避免输出级直流偏置过小导致的谐波噪声增大和线性度降低,又可避免输出级直流偏置过大导致的功耗增大和效率降低。嵌入式栅极驱动器由两个闭环的两级运算放大器组成,主要用于驱动功率输出级,栅极驱动器还避免了输入级电路直接驱动片外输出级电路造成的带宽不确定问题。因此,第一级放大级、两级闭环栅极驱动电路以及片外输出级构成了四级结构。甲乙类放大器的输出信号经过电阻反馈到输入端,形成电压并联负反馈的闭环结构,实现了较高的线性度和较高的闭环增益。

图3甲乙类放大器结构示意图

图4电平移位电路示意图

2.2PWM放大器设计

在PWM放大器中,将输入信号与锯齿波信号进行比较,得到PWM信号,再使PWM信号通过低通滤波器解调得到最终的信号。PMW放大器主要由比例加法器、积分器、比较器、非重叠信号产生电路、片外功率输出级以及低通滤波电路等组成(图5)。积分器用于对从PWM放大器输出端反馈回来的信号进行积分,有一阶滤波器的功能。PWM放大器输入信号的频率应该在该积分器的带宽内[8]。比较器的一端输入锯齿波,另一端输入需要调制的信号,将二者进行比较并得到PWM信号(图6)。锯齿波作为载波,其频率通常比输入信号高十倍以上,以尽可能降低输出电压纹波、提高线性度,并减少滤波器的成本和体积。但是,锯齿波频率越高,比较器以及PWM放大器内部其他数字门电路的工作频率和输出寄生电容充放电的频率就越高,动态功耗也越大。

图5PWM放大器结构图

图6PWM信号产生原理图

此外,为了尽可能降低输出级瞬时导通时的功率损耗,提高效率,增加了非重叠信号产生电路[9](图7),图中Vref为参考直流电平,通过电阻R1、R2和R3的分压产生两个直流参考电平Vref1和Vref2,将Vref1和Vref2与PWM信号进行比较,得到一组非重叠信号Vnol1和Vnol2,分别输入片外功率输出级的PMOS管和NMOS管,输出再经过LC低通滤波器,得到最终的输出信号。

图7非重叠信号产生电路原理及波形图

2.3效率分析

由于PWM放大器的功率管始终处于开关状态,开关频率与载波频率有关,而甲乙类放大器的工作频率仅与信号频率有关,二者工作频率不同。该混合型H桥输出驱动器的总栅极电荷损耗(PGC2)为

公式(4)

如图8所示,假设不考虑甲乙类放大器的静态电流,其输入信号Vin为正弦波,闭环增益为AVL,设置其直流工作点,使输入信号为上半轴正弦波时输出级NMOS管导通,输入信号处于下半轴时输出级PMOS管导通。而混合型H桥输出驱动器有四种工作模式:当甲乙类放大器输入信号为上半轴正弦波时,M4导通,PWM放大器的M1和M2交替导通;当甲乙类放大器输入信号为下半轴正弦波时,M3导通,PWM放大器的M1和M2也交替导通。M1导通时其电流为Im1,M2导通时其电流为Im2,则混合型H桥输出驱动器的导通损耗(PRL2)为

公式(5)

式中:D2为PWM放大器的A点电压为高电平时的占空比;IL2为流经电阻RL2的电流。

图8混合型H桥输出驱动器效率分析

实际上,当甲乙类放大器的输入信号幅值较小时,其输出电压不是电源电压或者地,会造成较大的导通损耗;但是当输入信号的幅值较大时,输出电压为电源电压或者地,此时的导通损耗PRL2与PRL1相近。混合型H桥输出驱动器的效率(η2)为

公式(6)

式中PL2为负载上的功率损耗。

3、结果及分析

四级甲乙类放大器至少有四个极点,其稳定性是关键。图9为四级甲乙类放大器稳定性的仿真结果,图中f为频率,A为开环直流增益,仿真使用的是片外功率管的模型。可以看出,该四级甲乙类放大器的开环直流增益为99.21dB,当输出负载电容为3300pF时,增益带宽积(GBW)为631kHz,相位裕度(φ)为58.24°。因此,该电路在多极点的放大器系统中保持了较好的稳定性。

图9甲乙类放大器的稳定性仿真结果

图10为混合型H桥输出驱动器整体功能性仿真结果。如图10(a)所示,VAB为甲乙类放大器的输出电压,VPWM为PWM放大器的输出电压,输入电压Vin的直流分量为1.5V,峰峰值为200mV,甲乙类放大器和PWM放大器对其进行比例放大。其中,PWM放大器的输出是PWM信号通过低通滤波之后解调出来的正弦信号,需要一定的稳定时间,由图10(a)中可以看出,大约在11ms之后,PWM放大器才开始稳定输出。图10(b)为PWM放大器输出级功率管栅极的非重叠信号,图中VgP2和VgN2分别为PMW放大器输出级NMOS管和PMOS管的栅极电压。这组非重叠信号可防止两个功率管同时导通造成功耗的浪费,甚至功率管的烧毁。

图10混合型H桥输出驱动器整体功能性仿真结果

甲乙类放大器输出级功率管的直流栅源电压是保证高效率的关键。因为仿真使用的是片外功率管的模型,其阈值电压是一个无法确定的量,所以在设计中仿真了在典型工艺角下,电源电压为3.3和5V时,在不同温度(θ)下输出功率管的直流栅源电压(Vgs)随着输出功率管阈值电压(Vth)的变化曲线(图11)。此时的甲乙类放大器差分输入电压的直流分量均为1.5V。由图11可以看出,NMOS管的栅源电压基本稳定在800～1200mV,PMOS管的栅源电压基本稳定在1050～1200mV。这两个值都正好与所选的片外功率管匹配。片外功率管的阈值电压具有一定的随机性与不可测性,因此,在测试过程中更换了三次片外功率管芯片,得到图12所示的输出级NMOS功率管和PMOS功率管的栅源平均电压的变化曲线。三次测量均保证甲乙类放大器的差分输入端直流分量均为1.5V。由图12可以看出,输出级的NMOS功率管的栅源平均电压为800～900mV,PMOS功率管的栅源平均电压为800～1100mV,与仿真结果基本吻合。

图11两个功率管的直流栅源电压与其阈值电压的关系

图12三次测试的输出级功率管栅源电压平均值

该芯片基于CSMC0.5μmCMOS工艺设计和流片,其显微照片如图13所示,其中,混合型H桥输出驱动器部分面积约为1.44mm2,该面积不包含甲乙类放大器和PWM放大器的输出功率管面积。芯片的测试台照片如图14所示,测试过程中使用的主要仪器有多通道示波器、信号发生器和电源等。图14的右下角为测试印制电路板的平面图,芯片放置于黑色测试盒内。

图13芯片显微照片

图14芯片测试台照片

电路的功能测试结果如图15所示。其中图15(a)为PWM放大器的输出信号与输入信号的对比,输入信号是频率为20Hz、峰峰值约为200mV的正弦波,载波频率为1MHz。图15(b)为PWM放大器的非重叠信号,其中,非重叠时间大约为25ns。

图15芯片的功能性测试波形

表1为本文设计与其他同类结构设计的主要参数对比,可以清晰地看出,基于甲乙类和丁类放大器的混合型H桥输出驱动器减少了一半的外围无源元件,并且具有较低的静态电流。需要注意的是,表中所示本文设计电路的4mA静态电流包含芯片其他部分的电流消耗。此外,该电路占用的面积较小,在多个方面具有优越性。

表1典型条件下本设计与其他同类型设计的参数对比

4、结论

本设计通过将传统H桥输出驱动器中的一路丁类放大器改进为甲乙类放大器,避免了完全基于丁类放大器的H桥输出驱动器的非线性度大、外接无源器件多等缺点,实现了效率、线性度和成本的折中。且该设计在H桥输出驱动器中混合使用甲乙类放大器和丁类放大器,通过反馈回路,把两类放大器放在一个闭环系统中,使其协调工作,发挥了两类放大器各自的优势。所设计的驱动器的输出电压为电源电压的2倍,功率管的效率可达75%以上。

参考文献：

[1]张晓波.高效率无滤波D类音频功率放大器芯片设计[D].北京:中国科学院大学,2014.

[2]王宪玉.高性能D类音频放大器的设计[D].哈尔滨:黑龙江大学,2018.

[3]赵海亮,刘诺,周长胜.D类功放中输入斩波运放电路的设计[J].半导体技术,2008,33(6):520-523.

和雨,肖知明,房哲,胡伟波.一种高效率低成本混合型H桥输出驱动器[J].半导体技术,2020,45(06):431-437.

基金:广东省重点领域研发计划资助项目(2019B010128001).