用于GaN HEMT 栅驱动芯片的高精度欠压保护电路*

陈恒江，潘福跃，周德金，何宁业，陈珍海,4,

（1.无锡中微爱芯电子有限公司，江苏无锡 214035；2.中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072；3.复旦大学微电子学院，上海 200443；4.清华大学无锡应用技术研究院，江苏无锡 214072；5.黄山学院智能微系统安徽省工程技术研究中心，安徽黄山 245041）

1 引言

在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求系统装备在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡。以GaN 和SiC 为代表的宽禁带半导体材料的物理特性相比于Si 材料具有禁带宽度宽、熔点高（耐高温、抗辐射）、击穿场强高（耐高压）、电子饱和漂移速度快（高频率工作）、热导率高等优点，使得该类器件更适于工作在高温、高压和高频的应用场合[1-2]。GaN HEMT 作为GaN 功率器件的主流器件，其相比硅MOSFET 器件具有显著优势，因此其驱动应用技术成为了研究热点[3-4]。

由于GaN HEMT 栅极电压通常不超过6 V，对应的驱动电压范围较窄，且阈值电压较低，为此驱动电路的输出驱动电压需要具备更高的精度要求，就需要集成更高速和更高精度的保护电路。欠压保护电路是高压栅驱动电路常用的一种保护功能电路，当电源电压低于设定阈值时关闭系统，要求欠压保护电路输出欠压保护信号，以供控制单元进行电源逻辑判断。

本文设计了一种用于GaN HEMT 器件栅驱动芯片的高精度欠压保护电路。该电路一方面采用宽电压摆幅和快速响应的两级比较器电路，提高误差分辨率；另一方面，输出整形电路采用RC 低通滤波和两级施密特触发器组合滤波，以滤除高频噪声的影响，产生高精度稳定可靠的欠压保护输出信号。

2 电路结构及工作原理

本文设计的高精度欠压保护电路结构如图1 所示，包括电压检测电路、比较器电路和两级输出整形电路。电压检测电路由电阻串组成，用于检测电源电压VDD并得到检测信号Vin，输出到比较器电路；比较器电路将参考电压信号Vref和Vin进行比较，得到比较器输出信号Vo1，输出到两级输出整形电路；两级输出整形电路将Vo1进行整形处理得到欠压保护信号UVLock，UVLock 为数字逻辑信号，UVLock 再连接到电压检测电路从而控制电源电压检测信号Vin。

图1 所示电路针对高压应用场合，为增加电路精度和提高电路响应速度，电压检测电路采用芯片高压电源VDD，比较器电路和两级输出整形电路均采用低压电源VCCL。当芯片电源电压正常时，欠压保护信号UVLock 为低电平，UVLock 低电平将控制电压检测电路产生一个较高的电源电压检测信号Vin；正常情况下比较器电路根据参考电压Vref和电源电压检测信号Vin得到的比较器输出信号Vo1应该为高电平信号；两级输出整形电路将Vo1进行处理，得到欠压保护信号UVLock 为低电平逻辑信号。

图1 高精度欠压保护电路结构

当芯片电源电压异常时，电源电压检测信号Vin将会出现异常变化，比较器输出信号Vo1变为低电平信号，两级输出整形电路得到的欠压保护信号UVLock 为高电平逻辑信号，UVLock 高电平将控制电压检测电路产生一个较低的电源电压检测信号Vin，电压Vin将会使得比较器电路输出信号Vo1进一步锁定为高电平信号。

由于供电电源模块或电网出现异常时可能会导致电源电压不足，严重影响高压集成电路正常工作。本文为克服电源欠压所造成的严重影响，两级比较器电路采用宽电压摆幅和快速响应电路结构，提高误差分辨率；输出整形电路采用RC 低通滤波和两级施密特触发器组合滤波，以滤除高频噪声的影响，保持了一定的迟滞量，从而产生稳定可靠的欠压保护信号UVLock。

3 电路实现及仿真

本文提出的比较器电路的一种实现方式如图2 所示，该电路由带复位功能的第一级比较器和第二级共源放大器组成。M26、M27、M28、M29、M210、M211、M212 构成带复位功能的第一级比较器，M213 和M214 构成第二级共源放大器。为了提高比较器输出信号Vo1的可靠性，输出端连接了滤波电容C21和电阻R21。

图2 比较器电路原理

当VC1为高电平、VC2为低电平时，比较器电路正常工作：若输入电压Vin大于参考电压Vref，则第一级比较器输出为低电平，第二级输出Vo1为高电平；若输入电压Vin小于参考电压Vref，即欠压状态，则第一级比较器输出为高电平，第二级输出Vo1为低电平。当VC1为低电平、VC2为高电平时，第一级比较器输出信号被拉低为低电平，第二级放大器输出Vo1被锁定为高电平。

本文提出的两级输出整形电路的实现方式如图3所示，该电路由第一级施密特触发器、第一级反相器、带RC 滤波功能的缓冲器、第二级施密特触发器和输出缓冲器构成。其中，M31、M32、M33、M34、M35 和M36 组成第一级施密特触发器；M37 和M38 组成第一级反相器；M310、M311、M312、M313、R31、R32和C31组成一个带RC 滤波功能的缓冲器；M314、M315、M316、M317、M318、M319 组成第二级施密特触发器；M320、M321、M322 和M323 组成一个输出缓冲器。

图3 两级输出整形电路原理

图3 所示的两级输出整形电路一方面提供一个标准的数字逻辑信号，将比较输出电压Vo1转为标准的数字逻辑信号，即欠压保护信号UVLock；另外一方面滤除共模噪声和电压波动引起的高频干扰影响。输出整形电路采用RC 低通滤波和两级施密特触发器组合滤波，保持一定的迟滞量以有效防止高频干扰，避免频繁地开启和关断系统对系统造成不利影响。

本文所设计高精度欠压保护电路采用的是华润微电子0.18 μm BCD 工艺。图4（a）为所设计欠压保护电路的功能仿真结果，可以看出电源电压VDD从低到高变化时，首先0.8 ms 时产生稳定的参考电压Vref，VDD分压检测得到的Vin小于Vref，欠压保护电路输出的UVLock 为高电平，表明电路供电电压VDD处于欠压状态；随着VDD电压不断增大，Vin在1.1 ms 后大于Vref，此时欠压保护电路输出的UVLock 为低电平，表明供电电压VDD处于正常状态。从图4（a）中还可以看出，VDD电压上升和下降过程中，UVLock 信号存在0.5 V 的迟滞量。在3.40 ms 之后出现了Vin≥Vref的情况，但是由于滤波网络的迟滞作用，UVLock 信号并未发生翻转，体现出了高精度和高可靠性性能。图4（b）为响应时间放大波形图，可以看出整体欠压锁定最长延时小于30 μs，满足整体驱动芯片系统响应要求。从图4（b）中还可以看出，在3.10 ms 处UVLock 信号发生翻转，并控制图1 中M12 开启，改变电阻串大小，使得Vin信号发生改变，由1.2 V 变为1.0 V，进一步锁定UVLock。

图4 欠压保护电路瞬态波形仿真

4 结论

本文设计了一种用于GaN HEMT 器件栅驱动芯片的高精度欠压保护电路。该电路一方面采用宽电压摆幅和快速响应的两级比较器电路，提高处理速度；另一方面，输出整形电路采用RC 低通滤波和两级施密特触发器组合滤波，以滤除高频噪声的影响，产生高精度稳定可靠的欠压保护输出信号。仿真结果表明电路功能正确，可满足高频栅驱动芯片应用需求。