陳恒江，潘福躍，周德金，何寧業(yè)，陳珍海,4,

（1.無(wú)錫中微愛(ài)芯電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035；2.中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072；3.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200443；4.清華大學(xué)無(wú)錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇無(wú)錫 214072；5.黃山學(xué)院智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽黃山 245041）

1 引言

在智能電網(wǎng)、移動(dòng)通信以及新能源汽車(chē)等新興產(chǎn)業(yè)的牽引下，電力電子應(yīng)用系統(tǒng)要求進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率、小型化和增加功能，特別要求系統(tǒng)裝備在尺寸、質(zhì)量、功率和效率之間的權(quán)衡。以GaN 和SiC 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料的物理特性相比于Si 材料具有禁帶寬度寬、熔點(diǎn)高（耐高溫、抗輻射）、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（耐高壓）、電子飽和漂移速度快（高頻率工作）、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，使得該類(lèi)器件更適于工作在高溫、高壓和高頻的應(yīng)用場(chǎng)合[1-2]。GaN HEMT 作為GaN 功率器件的主流器件，其相比硅MOSFET 器件具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此其驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)[3-4]。

由于GaN HEMT 柵極電壓通常不超過(guò)6 V，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓范圍較窄，且閾值電壓較低，為此驅(qū)動(dòng)電路的輸出驅(qū)動(dòng)電壓需要具備更高的精度要求，就需要集成更高速和更高精度的保護(hù)電路。欠壓保護(hù)電路是高壓柵驅(qū)動(dòng)電路常用的一種保護(hù)功能電路，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，要求欠壓保護(hù)電路輸出欠壓保護(hù)信號(hào)，以供控制單元進(jìn)行電源邏輯判斷。

本文設(shè)計(jì)了一種用于GaN HEMT 器件柵驅(qū)動(dòng)芯片的高精度欠壓保護(hù)電路。該電路一方面采用寬電壓擺幅和快速響應(yīng)的兩級(jí)比較器電路，提高誤差分辨率；另一方面，輸出整形電路采用RC 低通濾波和兩級(jí)施密特觸發(fā)器組合濾波，以濾除高頻噪聲的影響，產(chǎn)生高精度穩(wěn)定可靠的欠壓保護(hù)輸出信號(hào)。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的高精度欠壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括電壓檢測(cè)電路、比較器電路和兩級(jí)輸出整形電路。電壓檢測(cè)電路由電阻串組成，用于檢測(cè)電源電壓VDD并得到檢測(cè)信號(hào)Vin，輸出到比較器電路；比較器電路將參考電壓信號(hào)Vref和Vin進(jìn)行比較，得到比較器輸出信號(hào)Vo1，輸出到兩級(jí)輸出整形電路；兩級(jí)輸出整形電路將Vo1進(jìn)行整形處理得到欠壓保護(hù)信號(hào)UVLock，UVLock 為數(shù)字邏輯信號(hào)，UVLock 再連接到電壓檢測(cè)電路從而控制電源電壓檢測(cè)信號(hào)Vin。

圖1 所示電路針對(duì)高壓應(yīng)用場(chǎng)合，為增加電路精度和提高電路響應(yīng)速度，電壓檢測(cè)電路采用芯片高壓電源VDD，比較器電路和兩級(jí)輸出整形電路均采用低壓電源VCCL。當(dāng)芯片電源電壓正常時(shí)，欠壓保護(hù)信號(hào)UVLock 為低電平，UVLock 低電平將控制電壓檢測(cè)電路產(chǎn)生一個(gè)較高的電源電壓檢測(cè)信號(hào)Vin；正常情況下比較器電路根據(jù)參考電壓Vref和電源電壓檢測(cè)信號(hào)Vin得到的比較器輸出信號(hào)Vo1應(yīng)該為高電平信號(hào)；兩級(jí)輸出整形電路將Vo1進(jìn)行處理，得到欠壓保護(hù)信號(hào)UVLock 為低電平邏輯信號(hào)。

圖1 高精度欠壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)芯片電源電壓異常時(shí)，電源電壓檢測(cè)信號(hào)Vin將會(huì)出現(xiàn)異常變化，比較器輸出信號(hào)Vo1變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，兩級(jí)輸出整形電路得到的欠壓保護(hù)信號(hào)UVLock 為高電平邏輯信號(hào)，UVLock 高電平將控制電壓檢測(cè)電路產(chǎn)生一個(gè)較低的電源電壓檢測(cè)信號(hào)Vin，電壓Vin將會(huì)使得比較器電路輸出信號(hào)Vo1進(jìn)一步鎖定為高電平信號(hào)。

由于供電電源模塊或電網(wǎng)出現(xiàn)異常時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電源電壓不足，嚴(yán)重影響高壓集成電路正常工作。本文為克服電源欠壓所造成的嚴(yán)重影響，兩級(jí)比較器電路采用寬電壓擺幅和快速響應(yīng)電路結(jié)構(gòu)，提高誤差分辨率；輸出整形電路采用RC 低通濾波和兩級(jí)施密特觸發(fā)器組合濾波，以濾除高頻噪聲的影響，保持了一定的遲滯量，從而產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的欠壓保護(hù)信號(hào)UVLock。

3 電路實(shí)現(xiàn)及仿真

本文提出的比較器電路的一種實(shí)現(xiàn)方式如圖2 所示，該電路由帶復(fù)位功能的第一級(jí)比較器和第二級(jí)共源放大器組成。M26、M27、M28、M29、M210、M211、M212 構(gòu)成帶復(fù)位功能的第一級(jí)比較器，M213 和M214 構(gòu)成第二級(jí)共源放大器。為了提高比較器輸出信號(hào)Vo1的可靠性，輸出端連接了濾波電容C21和電阻R21。

圖2 比較器電路原理

當(dāng)VC1為高電平、VC2為低電平時(shí)，比較器電路正常工作：若輸入電壓Vin大于參考電壓Vref，則第一級(jí)比較器輸出為低電平，第二級(jí)輸出Vo1為高電平；若輸入電壓Vin小于參考電壓Vref，即欠壓狀態(tài)，則第一級(jí)比較器輸出為高電平，第二級(jí)輸出Vo1為低電平。當(dāng)VC1為低電平、VC2為高電平時(shí)，第一級(jí)比較器輸出信號(hào)被拉低為低電平，第二級(jí)放大器輸出Vo1被鎖定為高電平。

本文提出的兩級(jí)輸出整形電路的實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示，該電路由第一級(jí)施密特觸發(fā)器、第一級(jí)反相器、帶RC 濾波功能的緩沖器、第二級(jí)施密特觸發(fā)器和輸出緩沖器構(gòu)成。其中，M31、M32、M33、M34、M35 和M36 組成第一級(jí)施密特觸發(fā)器；M37 和M38 組成第一級(jí)反相器；M310、M311、M312、M313、R31、R32和C31組成一個(gè)帶RC 濾波功能的緩沖器；M314、M315、M316、M317、M318、M319 組成第二級(jí)施密特觸發(fā)器；M320、M321、M322 和M323 組成一個(gè)輸出緩沖器。

圖3 兩級(jí)輸出整形電路原理

圖3 所示的兩級(jí)輸出整形電路一方面提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字邏輯信號(hào)，將比較輸出電壓Vo1轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字邏輯信號(hào)，即欠壓保護(hù)信號(hào)UVLock；另外一方面濾除共模噪聲和電壓波動(dòng)引起的高頻干擾影響。輸出整形電路采用RC 低通濾波和兩級(jí)施密特觸發(fā)器組合濾波，保持一定的遲滯量以有效防止高頻干擾，避免頻繁地開(kāi)啟和關(guān)斷系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)造成不利影響。

本文所設(shè)計(jì)高精度欠壓保護(hù)電路采用的是華潤(rùn)微電子0.18 μm BCD 工藝。圖4（a）為所設(shè)計(jì)欠壓保護(hù)電路的功能仿真結(jié)果，可以看出電源電壓VDD從低到高變化時(shí)，首先0.8 ms 時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓Vref，VDD分壓檢測(cè)得到的Vin小于Vref，欠壓保護(hù)電路輸出的UVLock 為高電平，表明電路供電電壓VDD處于欠壓狀態(tài)；隨著VDD電壓不斷增大，Vin在1.1 ms 后大于Vref，此時(shí)欠壓保護(hù)電路輸出的UVLock 為低電平，表明供電電壓VDD處于正常狀態(tài)。從圖4（a）中還可以看出，VDD電壓上升和下降過(guò)程中，UVLock 信號(hào)存在0.5 V 的遲滯量。在3.40 ms 之后出現(xiàn)了Vin≥Vref的情況，但是由于濾波網(wǎng)絡(luò)的遲滯作用，UVLock 信號(hào)并未發(fā)生翻轉(zhuǎn)，體現(xiàn)出了高精度和高可靠性性能。圖4（b）為響應(yīng)時(shí)間放大波形圖，可以看出整體欠壓鎖定最長(zhǎng)延時(shí)小于30 μs，滿(mǎn)足整體驅(qū)動(dòng)芯片系統(tǒng)響應(yīng)要求。從圖4（b）中還可以看出，在3.10 ms 處UVLock 信號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并控制圖1 中M12 開(kāi)啟，改變電阻串大小，使得Vin信號(hào)發(fā)生改變，由1.2 V 變?yōu)?.0 V，進(jìn)一步鎖定UVLock。

圖4 欠壓保護(hù)電路瞬態(tài)波形仿真

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于GaN HEMT 器件柵驅(qū)動(dòng)芯片的高精度欠壓保護(hù)電路。該電路一方面采用寬電壓擺幅和快速響應(yīng)的兩級(jí)比較器電路，提高處理速度；另一方面，輸出整形電路采用RC 低通濾波和兩級(jí)施密特觸發(fā)器組合濾波，以濾除高頻噪聲的影響，產(chǎn)生高精度穩(wěn)定可靠的欠壓保護(hù)輸出信號(hào)。仿真結(jié)果表明電路功能正確，可滿(mǎn)足高頻柵驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用需求。