高压半桥驱动电路抗干扰分析与设计

摘要

高压半桥驱动电路是主电路与控制回路之间的接口电路，常用于驱动MOSFET、IGBT等功率器件，它能够将输入的TTL/CMOS逻辑电平转化为高电压、大电流输出，因此半桥驱动芯片对于整个高压系统的可靠运行具有决定性的作用。半桥驱动芯片在平板显示器驱动、电子镇流器、开关电源、汽车电子等领域具有广泛的应用，但是受到这些应用领域的限制，半桥驱动电路出现许多可靠性的问题，这其中包括dV/dt噪声、负过冲电压、静电释放(ESD)问题，因此对芯片正常工作时的抗干扰能力要求很高，针对半桥驱动电路的可靠性设计研究，目前在国内外是主要的热门研究方向。 本文基于实验室已经具有的1μm600V BCD工艺设计了一款高压半桥驱动芯片。这个芯片具有的特点有:采用自举浮动原理对高边电源进行供电最高悬浮电压达600V，最高工作频率为100KHz，最大峰值输出电流达2A，兼容3.3V、5VTTL输入逻辑控制信号，工作温度为-25～125℃，并且集成了欠压保护的功能。文章介绍了半桥驱动电路的系统的拓扑结构设计，分析了芯片在典型应用时候的工作原理，重点分析半桥驱动芯片在实际应用中面临的dV/dt噪声、负过冲电压的问题，针对这两个问题对传统的抑制技术进行了详细的介绍，说明了传统技术中存在的问题，然后将半桥驱动电路的分三个部分即输入接口模块、功率控制模块、保护模块，使用Cadence Spectre对每个模块进行了详细原理分析与仿真，并且对整体电路进行完整的功能验证，仿真结果表明各项参数均达到了设计指标要求。论文最后完成了半桥驱动电路整体的版图的设计，并且进行DRC、ERC、LVS的验证工作，以及对版图提取寄生参数后的电路进行后仿真的工作。本文主要的创新研究包括: (1)设计了一种改进的共模噪声消除电路，它可以减弱半桥驱动芯片抗dV/dt噪声能力与负过冲的免疫能力之间的折衷关系，保证高压半桥驱动电路在高的dV/dt噪声下可靠的工作。仿真结果表明，相对于传统的噪声消除技术，本文设计的共模噪声消除电路的抗dV/dt噪声能力达到了80V/ns,并且在电源电压15V的偏置下，负过冲的免疫能力为-10.8V。 (2)设计了一种应用于半桥驱动电路的ESD Power Clamp电路，该电路采用反馈结构代替传统的RC检测电路，在ESD来临时能够保证电路中BIGFET的开启时间在1μs左右，有效泄放ESD电流，检测电路中电容仅为20fF，节省了电路的版图面积，在正常供电时能够彻底关闭BIGFET，从而不影响内部电路的正常工作，保护内部驱动电路的安全，提高半桥驱动电路芯片可靠性。